Материал: Расчет камерной электропечи сопротивления

2.5 Мощность печи

Мощность печи вычисляем по формуле:

,

где расход тепла в печи,

К - в рассматриваемом случае коэффициент запаса принимаем К=1,2.

Расход тепла в печи равен:

где  полезное тепло, затраченное на нагрев металла;

 потери тепла теплопроводностью через кладку;

 потери тепла на тепловые короткие замыкания.

Расход тепла на нагрев металла в печи равен:

где Р - производительность печи, кг/с,

 энтальпии сплава при конечной и начальной температурах по приложению Х для меди.

Потери тепла теплопроводностью через кладку печи при стационарном режиме работы определяем учитывая, что температура внутренней поверхности футеровки равна 840, а температура наружной поверхности 100.

Тогда

По приложению XI находим теплопроводность диатомита при  и  = (840+100)/2 = 470

.

Тогда плотность теплового потока

где - температура окружающего воздуха ,

коэффициент теплопроводности диатомита, 0,365

толщина диатомита, 0,5 м.

Уточняем температуру наружной поверхности футеровки

Тогда:

и

С учетом принятой толщины стен, найдем площадь наружной поверхности футеровки

где

Потери тепла теплопроводностью через кладку печи равны

Потери на тепловые короткие замыкания принимаем равными 70% от потерь тепла теплопроводностью через кладку.

Общий расход тепла в печи:

Тогда мощность печи

3. Электрический расчет камерной электропечи сопротивления

3.1 Нагревательные элементы [5]

Принимая рабочую температуру нагревательных элементов равной:

по приложению XIII выбираем нихром Х15Н60, для которого рекомендуемая рабочая температура составляет 900. Удельное сопротивление сплава при рабочей температуре:

ρ=1,1

По графику (рис.68), при , находим удельную мощность идеального нагревателя, принимая температуру изделия равной 790 (в этом случае температура нагревателей будет наивысшей) .

Выше отмечалось, что нагревательные элементы в рассматриваемой печи располагаются на стенах, своде и поду рабочего пространства. Относительная мощность стен, несущих нагреватели, равна:

где - площадь наружной поверхности печи.

В соответствии с полученным значением относительной мощности стен, несущих нагреватели, выбираем тип последнего.

В проектируемой печи могут быть использованы проволочный спиральный или ленточный зигзагообразный нагреватель. Для каждого из выбранных типов можно принять схему соединения нагревателей "звезду" или "треугольник". Выбор оптимального варианта соединения и типа нагревателя производим по номограмме приложения XIV.

3.2 Ориентировочный расчет ленточного зигзагообразного нагревателя

Для ориентировочного расчета геометрических расчетов нагревателя по номограмме приложения XIV необходимо найти значение удельной поверхностной мощности реального нагревателя; . Коэффициент α выбираем по таблице 55. При нагреве латуни при использовании ленточного зигзагообразного нагревателя α = 0,48.

Тогда .

Поскольку питание печи производится трехфазным током с линейным напряжением то мощность, приходящаяся на одну фазу, составит

В случае соединения нагревателей по схеме "треугольник":

.

Тогда:

 .

Из точки  номограммы приложения XIV проводим вертикальную линию да пересечения с кривой заданной мощности кВт. Из полученной точки пересечения 1 проводим горизонтальную линию до пересечения с кривой, соответствующей условной поверхностной мощности - точка 2. Этой точке соответствует площадь сечения нагревателя S = 15  и соответственно  и b = 10a = 12,2 мм. Опуская перпендикуляр из точки 2 до пересечения с горизонтальной линией, проведенной из точки , получаем точку 3, соответствующую длине нагревателя l = 69 м.

Согласно таблице 56 наиболее близким к полученному значению сечения S = 15  обладает ленточный нагреватель сечением 2,0×10 (S = 20). При оптимальном расположении нагревателей (e/b = 2,0) на 1  футеровки размещается 38 м нагревателя. При общей длине нагревателя 69 м3 = 207 м для его размещения потребуется 207/38 = 5,44 , что является приемлемым.

При максимально плотном (e/b = 0,9) расположении нагревателей требуемая площадь поверхности будет равна 207/84 = 2,46.

Таким образом, при соединении нагревателей по схеме "треугольник" на внутренних поверхностях печи можно разместить ленточные нагреватели сечением 2,0×10  с относительным шагом e/b = 0,9.

При соединении ленточных нагревателей по схеме "звезда":

.

.

Аналогично вышеприведенному, проводя прямые, получим:

S = 29 ,  и b = 10a = 17 мм, l = 50 м.

Наиболее близкое значение площади сечения имеет нагреватель сечением 2,0×15, для размещения которого требуется площадь: при e/b = 0,9 50,3/55,5 = 0,9  и при e/b = 2,0 50,3/25 = 2,01 , т. е. оба варианта являются приемлемыми.

Учитывая, что более массивный нагреватель имеет больший срок службы выбираем ленточный нагреватель сечением 2,0×15 с длиной одной фазы , соединенный по схеме "звезда".

3.3 Ориентировочный расчет проволочного спирального нагревателя

По таблице 55 находим, что при нагреве латуни с использованием проволочного спирального нагревателя α = 0,475. Тогда .

В случае соединения нагревателей по схеме "треугольник":

 ;

.

По номограмме приложения XIV находим: d = 5 мм, l = 120 м.

Проволочный спиральный нагреватель с диаметром проволоки 5 мм, подвешенный на полочках при t/d = 2, имеет максимальную длину нагревателя, размещаемого на 1  поверхности футеровки 160 м. (таблица 57). При общей длине нагревателя 120*3 = 360 м, это требует площадь поверхности стен 360/160 = 2,25 , что не превышает имеющиеся геометрические размеры.

Таким образом, на основании сопоставления всех возможных типов нагревателей и схем их соединения следует выбрать ленточный зигзагообразный нагреватель сечением 2,0×15  и длиной, приходящейся на одну фазу  (схема соединения "звезда").

3.4 Уточненный расчет ленточного зигзагообразного нагревателя

Выше было определено, что при рабочей температуре 900 удельное электросопротивление сплава Х15Н60 равно

Сопротивление одной фазы:

Длина нагревателя, приходящаяся на одну фазу:

Удельная поверхностная мощность:

Так как полученное значение удельной поверхностной мощности достаточно близко к исходному, перерасчета нагревателей производить не требуется. Поскольку площадь поверхности стен, необходимая для размещения нагревателей с относительным шагом e/b = 0,9, меньше внутренней поверхности проектируемой печи (соответственно 0,9 и 7,71 ), следует провести перераспределение нагревателей. Будем считать, что нагреватели равномерно распределены по своду, стенам и поду печи.

Легко подсчитать, что площадь поверхности пода (свода) равна B*L = 1,3*1,7 = 2,21, площадь поверхности боковой стены равна L*H = 1,7*0,7 = 1,19, а площадь поверхности торцевой стены B*H = 1,3*0,7 = 0,91 .

Так как общая длина ленточного нагревателя равна 54,85*3 = 164,55 м, на поду и своде должно быть размещено по 164,55×2,21/7,71 = 47,16 м нагревателя, на боковых стенах - по 164,55×1,19/7,71 = 25,4 м, на торцевой стене 164,55×0,91/7,71 = 19,42 м нагревателя.

Принимая высоту зигзага на стенах а на своде и поду , будем считать, что нагреватели расположены на стенах в 2 ряда, а на своде и поду по 3 ряда нагревателей.

Тогда каждый ряд нагревателей на боковых стенах печи имеет длину 25,4/2=12,7 м; на торцевой стене 19,42/2=9,71 м; а на своде (поду) 47,16/3=15,72 м.

Определим шаг зигзага ленточного нагревателя:

на боковых стенах: е = 1,7/(12,7:0,2) = 0,026 м;

торцевой стене: е = 1,3/(9,71:0,2) = 0,026 м;

своде (поду): е = 1,3/(14,43:0,25)= 0,026 м;

т.е. относительный шаг везде равен e/b = 0,026/0,028 = 0,9.

Таким образом, в проектируемой печи ленточный нагреватель можно расположить равномерно по всей поверхности пода, свода, торцевой и боковых стен с относительным шагом e/b = 0,9.

4. Выбор и расчет защиты от поражения электрическим током [6]

Рассчитываемая электропечь сопротивления питается от сети с трехфазного тока с напряжением 380 В, через понизительные трансформаторы. В таком случае нужно использовать трехфазную четырехпроходную сеть с глухозаземленной нейтралью.

По технологическим требованиям такая сеть позволяет использовать два рабочих напряжения - линейной и фазное. Например, от четырехпроводной сети 380 В можно питать как силовую нагрузку - трехфазную или однофазную, включая ее между фазными проводами на линейное напряжение 380 В, так и осветительную, включая ее на фазное напряжение 220 В. При этом достигается значительное удешевление электроустановки в целом благодаря применению меньшего числа трансформаторов, меньшего сечения проводов и так далее.

Сети с глухозаземленной нейтралью (четырехпроводные ) следует применять там, где невозможно обеспечить хорошую изоляцию проводов, когда нельзя быстро отыскать или устранить повреждение изоляции или когда емкостные токи замыкания на землю достигают больших значений, опасных для человека. Примером таких сетей могут служить сети крупных промышленных предприятий, городские и сельские сети и т.п.
Для защиты от поражения электрическим током в трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью используется зануление.

Зануление - преднамеренное электрическое соединение металлических не токоведущих частей электроустановки, могущих оказаться под напряжением, с глухозаземленной нейтральной точкой источника тока.

Нулевой проводник - проводник соединяющий корпуса зануленных установок с глухозаземленной нейтралью. Различают нулевой рабочий проводник, который является частью рабочей цепи, по нему протекает рабочий ток. Он рассчитывается на длительное протекание рабочего тока и соединяется с глухозаземленноей нейтралью. ПУЭ рекомендует использовать рабочий проводник в качестве нулевого защитного проводника. В этом случае нулевой проводник должен удовлетворять требования нулевого рабочего проводника и нулевого защитного проводника.