Повышение экономической эффективности высокотемпературной электрической печи сопротивления путем рационального выбора количества нагревателей из хромита лантана

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ»

Повышение экономической эффективности высокотемпературной электрической печи сопротивления путем рационального выбора количества нагревателей из хромита лантана

УДК.621.365.4

Митяков Филипп Евгеньевич, ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ», аспирант кафедры ФЭМАЭК; 111558, г. Москва, ул. Молостовых, д. 15, корп. 5, кв. 17; filych@mail.ru

Потеряев Кирилл Сергеевич, ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ», студент кафедры ФЭМАЭК; 143600, г. Волоколамск, ул. Ключевая, д. 9а; poteryaevks@gmail.com

Россия, Москва

Аннотации

В данной работе рассматривается экономическая обоснованность снижения количества нагревательных элементов в высокотемпературной электрической печи сопротивления за счет использования электропечного понижающего трансформатора.

In this article the economic expediency of reduction of lanthanum chromite heaters number by using of a step-down transformer to power the high temperature resistance furnaces is considered.

В высокотемпературных электрических печах сопротивления (ЭПС), работающих в окислительной атмосфере, в качестве материала для нагревательных элементов применяются: дисилицид молибдена, карбид кремния, диоксид циркония и хромит лантана [1]. Настоящая работа посвящена ЭПС с нагревательными элементами из хромита лантана LaCrO₃. Главным ограничением, при применении таких нагревателей являются скорости нагрева и охлаждения в печи. Номинальные температуры в печах такого типа не превышают 1800 ⁰С. Благодаря высокому удельному сопротивлению хромита лантана ЭПС с такими нагревателями не требуют понижающего электропечного трансформатора [2]. Кроме того, благодаря убывающей зависимости сопротивления от температуры не возникает проблемы с бросками тока в нагревателях во время разогрева «холодной» печи.

При расчете нагревателей ЭПС, как правило, задаются значением мощности, необходимой для осуществления нагрева садки до определенной температуры. Мощность, выделяемая в нагревателях, определяется по закону Джоуля-Ленца:

Исходя из (1), необходимая мощность может быть получена путем изменения суммарного сопротивления нагревательных элементов или совместного изменения напряжения сети и сопротивления нагревательных элементов.

Рассмотрим пример, поясняющий принцип проведения расчета первым способом для высокотемпературной печи СНО-5,5.13.5,5/17.

Мощность одной фазы проектируемой электропечи составляет 6230 Вт. Если в формуле (1) выразить сопротивление, тогда получаем:

Суммарное сопротивление нагревателей равно 7,8 Ом (при заданном фазном напряжении 220 В).

Затем необходимо выбрать конструкцию нагревателя, удовлетворяющую форме и размерам рабочего пространства проектируемой печи. Наиболее часто в качестве нагревателей из хромита лантана применяются стержневые нагреватели с утолщенными токоподводами. Конструкция нагревателя такого типа представлена на рис.1. Для печи СНО-5,5.13.5,5/17 целесообразно применить нагреватели со следующими параметрами: диаметр рабочей части - 18 мм; диаметр токоподводящей части - 25 мм; длина рабочей части - 600 мм; длина токоподводящей части - 300 мм.

Рис.1. Стержневой хромитлантановый нагреватель.

Электрическое сопротивление такого нагревателя определяется:

где S_раб и S_тп - сечение рабочей и токоподводящей частей соответственно; l_раб и l_тп - длина активной и токоподводящей частей соответственно; с - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя (для хромита лантана - 5Ч10^-3 ОмЧм).

Подставляя в выражение (3) значения конструктивных элементов, выбранного нагревателя, получаем сопротивление одного нагревателя:

Сопротивление выбранного нагревателя в 2 раза выше требуемого. В связи с этим, необходимо подобрать нужное количество нагревателей и соединить их таким образом, чтобы в них выделялась требуемая мощность. По результатам проведенных расчетов получилось, что для получения необходимой мощности (а согласно закону Джоуля-Ленца необходимого сопротивления) количество нагревателей в фазе должно быть равно десяти (пять параллельно подсоединенных ветвей по 2 нагревателя в каждой). Данная схема соединения нагревателей представлена на рис.2а.

Рис.2. Схемы соединения нагревателей в фазе.

Необходимо отметить, что для проектируемой трехфазной установки общее количество нагревателей будет равно 30, что значительно увеличивает стоимость установки. электрический печь хромитлантановый нагреватель

Рассмотрим второй способ электрического расчета установок такого типа. Зададимся определенным количеством нагревательных элементов. Например, установим четыре нагревателя в фазу и подсоединим их параллельно (рис.2б).

Тогда общее сопротивление фазы будет определяться как:

Зная значение необходимой мощности в фазе, а также сопротивление нагревателей, из (1) можно выразить необходимое питающие напряжение:

Таким образом, мы добились сохранения значения заданной мощности, изменив питающее напряжение. Однако, такой метод требует применения электропечного понижающего трансформатора. В связи с этим необходимо сравнить экономические затраты на восемнадцать (именно настолько больше нагревателей в первой установке) стержневых нагревателей из хромита лантана с трехфазным электропечным понижающим трансформатором мощностью 18,6 кВт и выходным напряжением 170 В.

Рыночная стоимость одного выбранного стержневого хромитлантанового нагревателя составляет 18,7 т.руб. [3]. Стоимость восемнадцати таких нагревателей - 336,6 т.руб.. Таким образом, для удешевления установки нужно найти трансформатор, рыночная стоимость которого будет ниже 336,6 т.руб. В качестве примера возьмем трансформатор ТСП-25/0,7-УХЛ4, характеристики которого приведены в Таблица 1.

Таблица 1