Материалы для электрических нагревателей и требования, предъявляемые к ним

Нагревательное сопротивление-резистивное тело, наиболее ответственный элемент электрического нагревателя, от которого зависит надежность и долговечность его работы в заданном технологическом режиме. Поэтому к материалам для нагревательных элементов предьявляются особые требования, основанные на следующих: достаточные жаростойкость и жаропрочность ( не должны окислятся и терять механических свойств при высоких температурах); большое удельное электрическое сопротивление (должны обеспечивать возможность включения на сетевое напряжение при небольшой длинне нагревателя) и малый температурный коэффициент сопротивления ( должны незначительно изменять сопротивление при изменении температуры ); стабильность размеров и электрических свойств .

В зависимости от температурного режима и технологических условий нагреваемой cреды для изготовления электрических нагревателей используют металлические и неметаллические материалы. Для низко- и средне-температурных установок широко применяют специальные сплавы: хромоникелевые и железохромоникелевые. Наиболее распространены нихромы. В низкотемпературных установках ( до 620 К) электрические нагреватели выполняют из дешевого и доступного материала — углеродистой стали. Неметаллические нагреватели используют нагреваватели используют в высокотемпературных установок. В ЭТУ с рабочей температурой до 1570 К применяют стержневые цилиндрические нагреватели из карборунда, а с температурой до 1870 К — из дисилицида молибдена. В высокотемпературных вакуумных печах с температурой нагрева до 3270 К используют графитовые нагреватели в виде стержней, трубок, пластин и другой формы.

Электрические нагреватели из карборунда, дисилицида и графита обладают высоким сопротивлением и переменными температурным коэффициентом сопротивления. Питание на эти нагреватели подается от понижающего трансформаторов с регулируемым вторичным напряжением.

В качестве электроизоляционного наполнителя ТЭНов используется периклаз (плавленый оксид магния, который получают в дуговых электропечах, плавкой магнийсодержащих веществ). К данному наполнителю предъявляются следующие требования:

- низкая удельная электропроводимость;

- высокая электрическая прочность;

- химическая нейтральность;

- достаточно высокий коэффициент теплопроводности;

- низкая влагопоглащаемость;

- достаточная сыпучесть.

В качестве оболочек ТЭНов используют тонкостенные металлические трубы ( латунные, алюминиевые, стальные)

Латунь - до 250 °C;

Алюминий - до 350 °C;

Углеродистая сталь - до 450 °C;

Нержавеющая сталь - до 750 °C;

Основным требованием предъявляемым к оболочке является механическая прочность, для защиты нагревательного элемента от механических повреждений.

Для повышения долговечности нагревателей применяют защитные покрытия (хромникелевые и др.). Такие покрития увеличивают ресурс нагревателей в несколько раз при работе в водных растворах.

Для герметизации ТЭНов прииеняют:

- кремнийорганические лаки и эмали;

- эпоксидные герметики;

- битумную мастику;

- легкоплавкое стекло.

Расчеты симметричных и неполнофазных режимов трехфазной ЭТУ (электрокалорифера)

 

Регулировать мощность электрической нагревательной установки мы будем, изменяя схему включения нагревателей.

Рассчитаем варианты регулирования для электрического калорифера.

U=220 ВP=1000 Втt₀=20 °С t_p=800 °С

 

Двойной треугольник

 

Рис. 3. Двойной треугольник.

 

а) При данной схеме включения каждый нагреватель находится под номинальным напряжением, а значит будет отдавать полную мощность. Так как двойной треугольник содержит шесть нагревательных элементов, то общая мощность равна:

 

 Вт

 

б) При обрыве линейного провода в точке А (см. рис.3) под напряжением остаются все шесть нагревательных элементов, но четыре из них только под напряжением равным половине номинального. Следовательно, мощность, выделяемая на одном элементе, получается равная:

 

 Вт

 

Полная мощность тогда получается:

 

 Вт

 

где n1 - количество нагревателей находящихся не под номинальным напряжением, шт.;

P₁ - мощность, отдаваемая нагревателем, находящимся не под номинальным напряжением, Вт.

в) При обрыве фазы в точках В (см. рис.3) мы получаем, что два нагревателя не включены вообще, а остальные находятся под номинальным напряжением. Следовательно, число нагревателей в работе будет четыре.

 

 Вт

 

Звезда

 

Рис.4. Звезда

 

а) При включении нагревателей по схеме звезда, каждый нагреватель находится под фазным напряжением. Следовательно, нагреватели включены на напряжение равное . Так как  - то если напряжение уменьшить в  раз, то, мощность, выделяемая на нагревательном элементе получается меньше в 3 раза. Следовательно, полная мощность, отдаваемая схемой, вычисляется по формуле:

 

 Вт

 

б) При обрыве линейного или фазного провода в точке А (см. рис.4) в работе оказываются только два нагревателя и включены они на половину линейного напряжения, следовательно, мощность, выделяемая ими, вычисляется так:

 

 Вт

 

Треугольник

Рис.5. Треугольник

 

а) При данной схеме включения каждый нагреватель находится под

номинальным напряжением, а значит будет отдавать полную мощность. Данная схема содержит три нагревательных элемента.

 

 Вт

б) При обрыве линейного провода в точке А (см. рис.5) под напряжением остаются все три нагревательных элементов, но два из них только под напряжением равным половине номинального. Следовательно, мощность, выделяемая на одном элементе, получается равная:

 

 Вт

 

Полная мощность тогда получается:

 

 Вт

 

где n1 - количество нагревателей находящихся не под номинальным напряжением, шт.; P₁ - мощность, отдаваемая нагревателем, находящимся не под номинальным напряжением, Вт.

в) При обрыве фазы в точке В (см. рис. 5) мы получаем, что один нагревателя не включен вообще, а остальные находятся под номинальным напряжением. Следовательно, число нагревателей в работе будет два.

 

 Вт

 

Двойная звезда

Рис.6. Двойная звезда

 

а) При включении нагревателей по схеме звезда, каждый нагреватель находится под фазным напряжением. Следовательно, нагреватели включены на напряжение равное . Так как  то если напряжение уменьшить в  раз, то мощность выделяемая на нагревательном элементе получается меньше в 3 раза. Следовательно, полная мощность, отдаваемая схемой, вычисляется по формуле:

 

 Вт

 

б) При обрыве линейного или фазного провода в точке А (см. рис.6) в работе оказываются только четыре нагревателя и включены они на половину линейного напряжения, следовательно, мощность, выделяемая ими, вычисляется так:

 

 Вт