Установки нагрівання опором

хромонікелевих чавунів. Із чавунів з вмістом хрому до 25-30% виготовляють різні види литої тари, яка працює при температурах до 1300 ⁰К.

Для високотемпературних електропечей в якості жаростійких матеріалів застосовується молібден, ніобій, вольфрам (які працюють в захисних газах – аргоній, азоті, водні), високовогнетривку кераміку, карбіди і бориди деяких матеріалів.

з ними вільних електронів. Відповідно зі збільшенням температури збільшується опір електричному струмові.

Провідник другого роду – електроліти-розчини або розплавлені кислоти солей, окисів, оксидів і плазма – має два види електропровідності – електронну та іонну. При постійному струмові в розчинах і розплавах спостерігається іонна провідність в відповідності до закону Фарадея. Доля електричного струму в такому випадку невелика. При змінному струмі появляється велика доля електричного струму яка збільшується зі зростанням частоти струму. Процеси переносу речовини в цьому випадку явно не проявляються так як полярність яка наступає в новому періоді електродів анулює дію попередніх.

В плазмі є два види провідності, причому доля електронного та іонного струмів залежить від тиску, температури і змісту плазми.

В нагрівних процесах використовують два види провідників, причому теплова ефективність їх прямо пропорційна електронній складовій струму провідності.

Електролізна ванна слабо розігрівається постійним струмом великої густини, а електродний котел на змінному струмі скоро нагріває слабо мінералізовану воду до кипіння.

Виходячи з цього, всі подальші роздуми відносно теплової ефективності нагрівальних установок будемо будувати на пропозиції, що в них протікає електронний струм, теплова дія якого при постійному і змішаному струмі описується відомими залежностями.

Співвідношення між густиною струму, напругою електричного поля і електропровідністю речовини визначається законом Ома.

Нагрівальні елементи. Вибір матеріалу і конструкції нагрівального елемента визначається особливостями технологічного процесу і конструкції установки.

Матеріали, які використовуються для виготовлення нагрівачів повинні відповідати певним специфічним властивостям: високим електричним опором;

малим температурним коефіцієнтом відносного опору; постійним електричним опором елемента якого нагрівають в процесі довгого терміну його служби – відсутності старіння.

За температурними межами, нагрівальні елементи розподіляються на три групи:

низькотемпературні – нагрівання до 500 – 700 ⁰К і переважно конвективний метод теплообміну;

середньотемпературні – нагрівання до 900 – 1300 ⁰К з теплообміном конвекції, теплопровідністю і випромінюванням;

високотемпературні – нагрівання до 2500 – 3300 ⁰К з перевагою радіаційним методом теплопередачі.

Для виготовлення нагрівачів з робочою температурою до 1500 ⁰К найбільш розповсюдженими матеріалами є ніхроми (сплави нікелю і хрому), фехралі (хромоалюмінієві сплави), а також хромонікелеві жаротривкі сталі.

Ніхроми містять 75 – 78% нікелю і близько 25% хрому. Збільшення процентного вмісту нікелю в сплаві збільшує його робочу температуру. Добавка титана поліпшує механічну стійкість сплаву.

Хромонікелеві жаростійкі сталі містять 22 – 27% хрому і 17 – 20% нікелю. З них виготовляють нагрівні елементи з робочою температурою до 1100 ⁰К.

Фехралі являються сплавом заліза, хрому (до 13%) і алюмінію (до 4%).

Вироблені з них нагрівачі працюють в установках з температурою до 1100 ⁰К.

Застосування сплавів з вмістом хрому 20 – 27% із мікрододатками деяких елементів (бор, титан та ін.) допомагає отриманню робочих температур в діапазоні 1470 – 1620 ⁰К.

Виготовлені з ніхрому, фехралю та нержавіючої сталі нагрівачі можуть бути відкритими або захищеними. В першому випадку конструкція нагрівача повинна бути досить жорсткою, тому їх виробляють з дроту і стрічки великих розрізів.

Відкриті нагрівальні елементи застосовуються в печах і побутових нагрівальних приладах, вони можуть бути дротові зигзагоподібні, дротові спіральні і

стрічкові. Діаметр і крок спіралі, а також розміри зиґзаґів залежать від товщини дроту і стрічки, засобів їх кріплення в нагрівальній установці і дозволяють регулювати в деяких межах температури нагрівання. В залежності від конструкції нагрівального елемента вибирають спосіб його кріплення на футеровці печі.

Для нагрівання рідин та газів у різних технологічних процесах (отримання сухої перегрітої пари) служать електронагрівачі, виконані у вигляді циліндра з простого металокерамічного матеріалу (пористість 40 – 80 мкм), що забезпечує проникнення рідини або газу через його стінки і одночасно їх нагрівання. Питоме теплове навантаження на нагрівачі складає 1кВт/см², робоча температура 400 – 600 ⁰К, напруга на елементі 1 – 12 В.

Для нагрівання поверхні, ємностей, труб, панелей існують нагрівальні елементи, виготовлені з поліефірної смоли з наповнювачем який забезпечує електропровідність. Електропровідність такого елекронагрівача складає 0.01 – 2 Ом^-1∙м^-1. Цей синтетичний матеріал легко формується, а також використовується у вигляді гнучких покрівель, плівок і т.д. Робоча температура матеріалу 400–500 ⁰К.

Для низькотемпературного нагрівання широко використовуються трубчаті електронагрівачі – ТЕНи, які виготовляються у вигляді металевих трубок, які заповнені теплопровідним електроізоляційним матеріалом, в якому знаходиться електронагрівальна спіраль. В якості заповнювача застосовується перетоплений периклаз. В порівнянні з відкритими електронагрівачами ТЕНи більш електробезпечні, можуть працювати у воді, рідких вуглеводнях, рідких металах, топлених солях, оксидах та інших середовищах. ТЕНи стійкі до вібрацій і механічних навантажень. Потужність ТЕНів складає від 100 Вт до 15 кВт, робоча напруга 36 – 380 В, робоча температура 400 – 1000 ⁰К. Термін служби ТЕНів складає 10 – 40 тис. год.

Для високотемпературних печей з максимальною робочою температурою до 1700 ⁰К застосовуються нагрівальні елементи з карборунду (карбід кремніюSiC, який виготовляється шляхом спікання кремнезему і вугілля при температурі 1900

– 2000 ⁰К). Ці нагрівачі відомі також під назвою селітових або глобарових. Їх виготовляють у вигляді стержнів діаметром 6 – 30 мм різної довжини.

Нагрівачі з дисилициду молібдену MoSi₂ можуть працювати при температурі 2000 К в окислювальній атмосфері. Їх виготовляють методом порошкової металургії. В окислювальній атмосфері при температурі більше 1300 ⁰К на поверхні нагрітого елементу відбувається утворення захисної плівки з оксиду кремнію. Експлуатація нагрівача при температурі 2000 ⁰К і більше веде до руйнування старого шару з SiO₂ і утворенню нового. В результаті зменшується площа поперечного перерізу нагрівача і збільшується його опір. Тому їх експлуатація при температурі більше 1900 ⁰К не рекомендується.

В керамічних електронагрівачах використовується властивість керамічних матеріалів, в яких підвищується електропровідність зі збільшенням температури.

Таким матеріалом є, наприклад, оксид цирконію, в якому міститься 4% оксиду кальцію або 6% оксиду натрію. З допомогою керамічних нагрівачів можна досягти температуру до 2300 ⁰К.

Для високотемпературних установок (з максимальною робочою температурою 2300 ⁰К і більше) нагрівачі виробляють з термоплавких матеріалів, вугілля або графіту.

Для виготовлення нагрівальних елементів з тугоплавких матеріалів застосовується молібден, тантал, вольфрам у вигляді дроту, стрічки, стержнів і листів різного розрізу.

Нагрівачі з молібдену, танталу і вольфраму можуть працювати лише в атмосфері інертних газів: аргону, гелію, водню, азоту, а також в вакуумі.

Графітові електронагрівачі застосовуються в установках з робочою температурою 1800 – 2700 ⁰К. Однак їх застосування обмежене тим, що вони інтенсивно окислюються в повітряному середовищі починаючи з температури 800

0К. Ці нагрівачі виготовляються у вигляді стержнів круглого або квадратного розрізу, а також у вигляді труб довжиною до 1500 мм. Внутрішня поверхня

трубчастих нагрівачів використовується в якості робочого простору нагрівної печі.