🗊Презентация Виды нагрева и материалы резистивных нагревателей, их стойкость к температуре, ростовой атмосфере и расплаву

ВИДЫ НАГРЕВА И МАТЕРИАЛЫ РЕЗИСТИВНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ, ИХ СТОЙКОСТЬ К ТЕМПЕРАТУРЕ, РОСТОВОЙ АТМОСФЕРЕ И РАСПЛАВУ. Студент: Любимов Д.М.

Теплота – способ передачи энергии. Теплота – способ передачи энергии. Количество теплоты входит в математическую формулировку первого начала термодинамики, которую можно записать как ΔQ = A + ΔU. Здесь ΔU — изменение внутренней энергии системы, ΔQ — количество теплоты, переданное системе, а A — работа, совершённая системой. Так теплота — это энергия переданная в ходе теплообмена.  В физике во внутреннюю энергию системы включают энергию разных видов движения и взаимодействия входящих в систему частиц: энергию поступательного, вращательного и колебательного движений атомов и молекул, энергию внутри- и межмолекулярного взаимодействия, энергию электронных оболочек атомов и др.

Нагрев — искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала за счёт подведения к нему энергии извне. Для подведения энергии извне используется специальное устройство —нагреватель (нагревательный элемент), того или иного вида и конструкции. Нагревание в химической технологии в основном используют для ускорения массообменных и химических процессов,температурные условия протекания которых определяется выбором теплоносителя и способа нагрева. Нагрев — искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала за счёт подведения к нему энергии извне. Для подведения энергии извне используется специальное устройство —нагреватель (нагревательный элемент), того или иного вида и конструкции. Нагревание в химической технологии в основном используют для ускорения массообменных и химических процессов,температурные условия протекания которых определяется выбором теплоносителя и способа нагрева. Способы нагрева: нагрев водяным паром; нагрев горячими жидкостями; нагрев точечными газами; нагрев электрическим током; нагрев излучением.

ИНДУКТИВНЫЙ НАГРЕВ Индукционный нагрев — это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно — это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая заготовка помещается в индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку. На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои и разогревают их. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Глубина слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки.

РЕЗИСТИВНЫЙ НАГРЕВ Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.

НАГРЕВАТЕЛИ

МАТЕРИАЛЫ НАГРЕВАТЕЛЕЙ «Нихромы»  «Нихром» - это cплав никеля и хрома в точных пропорциях, обладающий высоким электрическим сопротивлением и жаростойкостью.  К «нихромам» относятся сплавы Ni-Cr (никель, хром) и Ni-Cr-Fe (никель, хром, железо).  «Фехрали»  Сплавы Fe-Cr-Al (железо, хром, алюминий) имеют по сравнению с «нихромами» следующие преимущества:  более высокая температура применения; устойчивость во времени при высоких термических нагрузках; цена ниже. Основной недостаток «фехралей»  - низкая пластичность. 

Многокомпонентные сплавы  В основе таких сплавов та же «фехраль», но с добавлением легирующих элементов (например, Si, Ce, Zr, Ti) в небольших количествах, которые придают улучшенные свойства. Преимущества перед «фехралями»:  Многокомпонентные сплавы  В основе таких сплавов та же «фехраль», но с добавлением легирующих элементов (например, Si, Ce, Zr, Ti) в небольших количествах, которые придают улучшенные свойства. Преимущества перед «фехралями»:  сниженное содержание углерода; однородность структуры; стабильность свойств; более высокое качество поверхности; существенно выше пластичность; хорошая "свариваемость" сплавов; высокая плотность слоя защитной пленки Al2O3, которая обеспечивает значительное удлинение срока службы нагревателя.

Преимущества многокомпонентных сплавов перед «нихромами»:  Преимущества многокомпонентных сплавов перед «нихромами»:  высокая рабочая и максимальная температура: Тmax=1200-1350°С, Tплавления =1500°С; срок службы больше в 2-3 раза при рабочих температурах выше 1100 °С; экономия на материале для резистивных элементов 20-30% по весу в сравнении с Х20Н80; отличная стойкость в агрессивных средах; низкое значение интеркристаллитного окисления; хорошие механические свойства: высокий предел текучести, хорошая пластичность, ниже вероятность провисания элементов; низкое стабильное значение температурного коэффициента электрического сопротивления; более низкие цены.

СПЛАВ RESISTOHM Р135

Известны электрические нгареватели изготовленные в виде стержней из карбида кремния или дисилицида молибдена. Недостатком этих нагревателей является недостаточно высокая температура нагрева (соответственно 1300 и 1500oС) Известны электрические нгареватели изготовленные в виде стержней из карбида кремния или дисилицида молибдена. Недостатком этих нагревателей является недостаточно высокая температура нагрева (соответственно 1300 и 1500oС) Высокотемпературный резистивный нагреватель содержит оболочку выполненную, в виде трубы из сапфира, расположенный внутри нее резистивный элемент, соединенный по торцам с токоподводами, и компенсаторы разности температурных удлинений резистивного элемента и оболочки, внутри которой вакуум или аргон. Давление инертного газа внутри нагревателя должно быть в несколько раз ниже атмосферного /1OO-200 мм ртутного столба/, чтобы при нагреве давление газа изнутри не могло разрушить нагреватель.

УГЛЕРОДНЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ Высокие рабочие температуры (более 3000˚С).   Высокие рабочие температуры этих материалов обусловлены тем, что жидкую фазу графита хотя и наблюдали в лабораторных условиях(судя по некоторым публикациям), но эти условия не достижимы при практическом применении. Высококачественные графитовые материалы, а позднее — углерод-углеродные композиты широко применялись в элементах ракетно-космической техники в качестве материалов сопловых блоков, наконечников спускаемых аппаратов и других элементов, рабочие температуры которых превышали 4000˚С. Разумеется, высокие температуры достижимы в безокислительной среде.  На воздухе такие нагреватели выгорают с заметной скоростью при температурах 450-650˚С. Низкий удельный вес (менее 2 г/куб.см). Низкая плотность материалов (они легче алюминия) позволяет существенно снизить общий вес теплового узла установки, сократить инерционность нагрева, упростить конструкцию и облегчить сборку тепловых узлов. Так, например, при одинаковой форме и геометрических размерах, нагреватель из графита будет иметь вес 10 кг,  нагреватель из композита будет весить  8,8 кг,  нагреватель из молибдена -  62 кг, а нагреватель из вольфрама — 116 кг.

Оптимальное удельное сопротивление (6-36*10-6 Ом/м). Углеродные материалы относятся к классу полупроводников.  Их удельное электрическое сопротивление примерно на порядок превышает сопротивление металлов. При этом, их электрическая проводимость гораздо выше, чем у большинства керамических материалов. На практике, типовая конструкция печей, чаще всего, выглядит следующим образом: в установку вводятся медные водоохлаждаемые токовводы, к которым через проставки из низкоомного графита присоединяется высокоомный нагреватель.  Такой подход позволяет значительно снизить, выделение тепла на металлических токовводах и сконцентрировать его в тепловой зоне нагревателя. Это приводит к тому, что при переходе с металлических высокотемпературных нагревателей  на нагреватели из углерода экономия затрат электроэнергии на нагрев составляет от 20-30 % до нескольких раз.  Оптимальное удельное сопротивление (6-36*10-6 Ом/м). Углеродные материалы относятся к классу полупроводников.  Их удельное электрическое сопротивление примерно на порядок превышает сопротивление металлов. При этом, их электрическая проводимость гораздо выше, чем у большинства керамических материалов. На практике, типовая конструкция печей, чаще всего, выглядит следующим образом: в установку вводятся медные водоохлаждаемые токовводы, к которым через проставки из низкоомного графита присоединяется высокоомный нагреватель.  Такой подход позволяет значительно снизить, выделение тепла на металлических токовводах и сконцентрировать его в тепловой зоне нагревателя. Это приводит к тому, что при переходе с металлических высокотемпературных нагревателей  на нагреватели из углерода экономия затрат электроэнергии на нагрев составляет от 20-30 % до нескольких раз. 

Рабочие напряжения и токи. Чаще всего, рабочее напряжение на установках с углеродными нагревателями не превышает 30-40 Вольт. Рабочие токи, при этом, находятся на уровне от нескольких ампер до сотен килоампер. Рабочие напряжения и токи. Чаще всего, рабочее напряжение на установках с углеродными нагревателями не превышает 30-40 Вольт. Рабочие токи, при этом, находятся на уровне от нескольких ампер до сотен килоампер. Низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР).  Высокая чистота материалов. Стойкость к термоударам. Высокая стойкость к выгоранию.

Спасибо за внимание