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

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.

ΔU= ΔQ –A
теплопроводность
конвекция
излучение
Способы изменения внутренней энергии
работа
теплопередача
теплопроводность
конвекция
излучение

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
Резистивный нагреватель – проволока, которая разогревается до высокой температуры при прохождении по ней тока. Качество производимого нагревательного элемента, в первую очередь, зависит от нагревательной проволоки (резистивного элемента).
Резистивные элементы производятся из сплавов различных материалов.

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»:
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»:
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)
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.

Нагреватель состоит из оболочки в виде сапфировой трубы 1 (диаметром 20-40 мм), нагреваемых электрическим током одного 2 или нескольких проводников в виде проволок или полос фольги и двух достаточно жестких сильфонов 3, натягивающих проводники или проводники 2 /резистивные элементы/, двух охлаждаемых водой холодильников 4, укрепленных специальным цементом или герметиком 5 на концах сапфировой трубы 1 и токоподводов 6, установленных на сильфонах 3. Сильфоны 3 закреплены на холодильниках 4 и токоподводах 6 специальным цементом или герметиком 5. Нагреваемый резистивный элемент проводник 2 /или проводники/ соединен с токоподводами держателями 7. Для прикрепления подводящих проводов к токоподводам 6 предусмотрены болты 8. Для откачки воздуха из внутренней части нагревателя выполнена трубка 9, которую после откачки воздуха или заполнения инертным газом, если его используют, заваривают.

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.

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.