Классификация электрических печей.

Электрические печи классифицируют по способу теплогенерации, т. е. по способу преобразования электрической энергии в тепловую.

Таблица__ Классификация электрических печей:

Способ электронагрева	Вид печи	Примерная плотность теплового потока, кВт/м²
Печи сопротивления	Печи прямого нагрева	3000 – 6000 на 1 м² нагреваемой заготовки
Печи косвенного нагрева	5 – 120 на 1 м² поверхности нагревателя
Индукционные печи	Печи промышленной частоты 50 Гц	700 – 1000 на 1 м² поверхности индуктора
Печи повышенной частоты 150 – 8000 Гц	1000 – 10000
Печи высокой частоты более 10000 Гц
Дуговые печи	Прямого действия с зависимой дугой	на 1 м² зеркала ванны или печи большой емкости
Косвенного действия с независимой дугой
Смешанного нагрева или дуговые печи сопротивления
Плазменно-дуговые печи
Установки для нагрева в электролите		на 1 м² нагреваемой заготовки
Установки электронного нагрева		на 1 м² зеркала металлической ванны

- В печах сопротивления тепло выделяется при прохождении тока в проводнике по закону Джоуля – Ленца

(Дж)

В печах прямого нагрева ток пропускается непосредственно через нагреваемое изделие, в печах косвенного нагрева тепло передается изделиям (материалу) от специальных нагревателей и кладки за счет излучения и конвекции.

- В индукционных печах материал помещается в переменное магнитное поле. По закону электромагнитной индукции в материале возникают вихревые токи Фуко, которые по закону Джоуля – Ленца разогревают материал вплоть до его плавления.

С повышением частоты увеличивается плотность теплового потока на поверхности нагреваемого материала, а внутренние слои прогреваются, в основном, за счет теплопроводности материала (внутренний теплообмен).

- Электродуговые печи – это, как правило, печи большой мощности до 150 МВт и более. Такие печи широко применяются для выплавки высоколегированных сталей и сплавов специального назначения, а также для получения ферросплавов. Выделение тепла происходит в дуговом электрическом разряде, существующем в газовой среде или вакууме. В плазменно-дуговых печах потоки низкотемпературной плазмы с температурой до 20000 К генерируется за счет энергии дугового разряда.

- Принцип действия установки нагрева в электролите состоит в утилизации тепла электрического разряда, возникающего в газовой (водородной) полости на поверхности нагреваемого объекта, служащего катодом при электролизе растворов щелочей, кислот или солей щелочных металлов под напряжением до 400 В.

- В установках электронного нагрева происходит преобразование энергии электрического поля высокого напряжения (до 35 кВ) в кинетическую энергию летящих электронов (в виде электронного пучка), при торможении на нагреваемой поверхности электронов выделяется значительное количество тепла.

.

Электрические печи сопротивления

Электрические печи сопротивления по способу нагрева изделий и материалов делятся на печи косвенного нагрева и установки прямого нагрева.

Установки прямого нагрева широко применяются: для варки сортового и технического стекла; графитирования; производства карбокорунда, сероуглерода; нагрева металлических изделий постоянного поперечного сечения при термообработке (проволока, прутки, трубы и т.д.)

Печи сопротивления косвенного нагрева применяются при термообработке, плавке цветных металлов, в химической и пищевой промышленности.

По технологическому назначению печи сопротивления можно разделить на 4 группы:

-Термические печи для термической обработки чёрных и цветных металлов, керамики, пластмасс и др.;

-Плавильные печи для плавки цветных металлов и сплавов;

-Сушильные печи для сушки лакокрасочных покрытий, литейных форм, металлокерамических изделий;

-Печи пищевой промышленности.

По температурному режиму работы электрические печи сопротивления делятся на:

¾ Высокотемпературные (более 1300°С);

¾ Среднетемпературные (600-1250°С);

¾ Низкотемпературные (менее 600°С).

Высокотемпературные и большинство среднетемпературных печей – это печи с преобладанием радиационного теплообмена. С понижением рабочей температуры в печи (особенно ниже 1000°С) влияние конвективной составляющей теплообмена растёт, поэтому в таких печах организовывают принудительную циркуляцию газовой среды.

В высокотемпературных печах в качестве нагревателей используют карбокорундовые, силитовые, графитовые неметаллические нагреватели. Применение таких нагревателей имеет ряд особенностей:

- нагреватели значительно изменяют своё сопротивление при нагреве;

- имеют высокий коэффициент линейного расширения;

- не выдерживают ударных нагрузок, или значительной вибрации;

- разогрев нагревательных элементов необходимо вести плавно повышая температуру, чтобы не допустить коробления и растрескивания самих элементов.

В виду данных особенностей нагревателей, высокотемпературные печи комплектуются специальными регулирующими трансформаторами.

В средне и низкотемпературных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов используют хромо – никелевые сплавы, основные характеристики которых приведены в табл.___

Таблица___ Основные характеристики нагревательных элементов сопротивления

Металлические нагревательные элементы выполняются в виде проволочных спиралей, с толщиной проводника до 7-10 мм или лент толщиной до 3 мм. Нагревательные элементы соединяются параллельно - последовательно и размещаются на внутренней поверхности кладки. Электрическая мощность отдельных печей может достигать тысяч киловатт.

Рисунок 1. Схема расположения элементов нагрева в печи.

1 – футеровка печи; 2 – нагреваемый материал; 3 – элемент нагрева (а – спиральный, б – сплошной, в – уложен в пазах футеровки).

По роду работы, печи сопротивления делятся на печи периодического и непрерывного действия.

По конструктивным признакам печи сопротивления классифицируются, как правило, по форме рабочего пространства:

- камерные;

- шахтные;

- колпаковые;

- муфельные;

-барабанные;

- ванные;

- проходные и т.д.

Печи периодического действия – это, как правило, камерные, шахтные, колпаковые, муфельные и плавильные.

Печи непрерывного действия – конвеерные, барабанные, толкательные-проходные, протяжные и т.д.

Большое влияние на работу печей сопротивления оказывает футеровка, особенно для печей периодического действия. Внутренняя поверхность рабочей камеры печи сопротивления при радиационном режиме нагрева должна работать как излучатель, или отражатель при высокой отражательной способности кладки.

Толщина огнеупорной кладки должна быть минимально необходимой по нормам проектной прочности, особенно в печах периодического действия, чтобы минимизировать аккумуляционную способность кладки и её стоимость.

Тепловая изоляция должна быть максимально эффективна. Снаружи печи обычно покрываются металлическим листом с высокой отражательной способностью.

В высокотемпературных печах часто применяют экранную тепловую изоляцию, чаще всего металлическую: из молибдена или нержавеющей стали.

Электрическая мощность нагревателей определяется по результатам теплового расчета печи и составления теплового баланса. Установленную мощность печи сопротивления определяют с учётом коэффициента избытка мощности:

N_уст=К₃ ·N_расч

где N_уст – установленная мощность;

К₃ – коэффициент избытка (запаса мощности);

N_расч – расчётная мощность печи

Избыток мощности необходим так как:

- возможны колебания напряжения в сети до 10%, что приводит к потере мощности до 20%;

- в результате работы нагревательных элементов происходит их старение, окисление и как следствие повышение активного сопротивления, что приводит к снижению мощности;

- для возможности увеличить мощность печи в определённых условиях;

- для компенсации неточностей расчётов.

При проектировании промышленных печей сопротивления коэффициент запаса К₃ примерно равен 1,3 – 1,6, в отдельных случаях К₃≤1,8.