УДК.621.365.4 ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ

УДК.621.365.4
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭПС ПУТЕМ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА
КОЛИЧЕСТВА НАГРЕВАТЕЛЕЙ ИЗ ХРОМИТА ЛАНТАНА
Митяков Ф.Е., Потеряев К.С.
Россия, Москва, ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ»
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:
U2
P
, (1)
R
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:
U2
R
, (2)
P
220 2
R
 7,8[Ом ]
6230
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:
l
l
R   РАБ   ТП , (3)
S РАБ
S ТП
где Sраб и Sтп – сечение рабочей и токоподводящей частей соответственно; lраб и lтп – длина
активной и токоподводящей частей соответственно; ρ – удельное электрическое
сопротивление материала нагревателя (для хромита лантана - 5×10-3 Ом×м).
Подставляя в выражение (3) значения конструктивных элементов, выбранного
нагревателя, получаем сопротивление одного нагревателя:
0,6
0,6
R  5  10 3
 5  10 3
 18,5[Ом ]
0,018
0,025
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.
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:
R
18,5
RФ  НАГ 
 4,6[Ом]
4
4
Зная значение необходимой мощности в фазе, а также сопротивление нагревателей,
из (1) можно выразить необходимое питающие напряжение:
U  P  RФ  6230  4,6  170[ В]
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
Тип
трансформа
тора
Номинальна
я мощность,
кВ·А
ТСП25/0,7УХЛ4
23
Номинальное
напряжение, В
Первичная Вторичная
обмотка
обмотка
380/220
266/154
Номинальный ток, А
Первичная
обмотка
Вторичная
обмотка
126
200
Цена выбранного трансформатора равна 30,5 т.руб., что гораздо дешевле
восемнадцати дополнительных нагревательных элементов. Учитывая такую разницу в
цене, вариант выполнения печи СНО-5,5.13.5,5/17 с двенадцатью нагревателями и
электропечным трансформатором можно считать экономически эффективным.
Необходимо отметить, что данный метод сравнения не учитывает что для фирмыпроизводителя таких нагревателей их цена (себестоимость) значительно ниже. В связи с
этим разница в ценах между установками двумя типов сократится, однако, с большой
долей вероятности, при данных рыночных ценах на материалы и оборудование, второй
вариант исполнения этой печи будет все равно предпочтительнее. Кроме того, стоит
отметить, что данный метод расчета справедлив не только для нагревателей из хромита
лантана (он здесь используется в качестве примера), но и для любого другого материала,
используемого для создания нагревательных элементов ЭПС.
В связи с этим на основе данного метода расчета будет разработан экономический
критерий, направленный на определение оптимального количества нагревателей,
толщины слоя теплоизоляции, а также целесообразности введения дополнительного
оборудования (например, питающего трансформатора) в высокотемпературных
электрических печах сопротивления. Такой критерий поможет сократить затраты на
производство печи и, как следствие, увеличить прибыль предприятия.
Литература
1. Материалы для электротермических установок: Справочное пособие / Н.В. Большакова,
К.С. Борисанова, В.И. Бурцев и др.; Под ред. М.Б. Гутмана. – М.: Энергоатомиздат, 1987.
– 296 с.
2. Погребисский М.Я., Батов Н.Г. Материалы для электрических печей сопротивления. –
М.: Изд. дом МЭИ, 2011. – 92 с.
3.
Каталог
товаров
ООО
«НПК
«Термокерамика».
Интернет-ресурс:
www.lanterm.ru/hromitlantan
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