Производство нагревателей
и оборудования для нагрева

Сравнение параллельного и последовательного подключения нагревателей для печей

Печи с последовательным соединением нагревателей

Многие плавильные печи сопротивления оснащены последовательно соединенными нагревательными элементами, которые обычно соединяются по трехфазной схеме.

Но, как и в случае с недорогими елочными гирляндами, все элементы, соединенные последовательно, перестанут работать, когда один из элементов группы выйдет из строя. Это подвергает тигель сильному тепловому напряжению, что может привести к катастрофическому отказу, поскольку он сталкивается с палящим жаром с одной стороны и холодными темными нагревательными элементами со стороны отказа.

Что еще хуже, от одной трети до половины входной мощности печи будет потеряно в результате отказа одного элемента, в зависимости от того, соединена ли печь треугольником или звездой. А при выходе из строя второго элемента теряется от двух третей до 100% всей мощности печи! Очевидно, что выход из строя одного элемента требует немедленной остановки производства, чтобы печь можно было остановить на ремонт.

Последовательные соединения популярны у некоторых производителей печей, потому что они снижают производственные затраты: нет необходимости в жгутах электропроводки, соединительных клеммах, блоках предохранителей, предохранителях или соединительных полосах, которые имеют высокую трудоемкость и требуются для печей с параллельным подключением. Пример плавильной печи сопротивления с последовательным подключением показан на фото ниже.




Производители электрических печей сопротивления, оснащенных нагревательным проводом большего диаметра, почти всегда подключают свои нагревательные элементы последовательно группами.

Это происходит потому, что нагревательные элементы из проволоки большего диаметра имеют очень низкое электрическое сопротивление, что требует низкого напряжения. Последовательные соединения предлагают недорогой способ снизить напряжение на каждом элементе. Альтернативой является использование большого дорогостоящего трансформатора, что значительно повысит стоимость производства.

Хорошо известно, что при выходе из строя одного элемента в последовательной группе все остальные элементы в этой группе перестают работать.

Но менее известно, что потеря одного элемента в последовательно соединенной трехфазной конфигурации с соединением звездой немедленно снизит входную мощность в печь вдвое, а потеря второго элемента приведет к снижению входной мощности печи до нуля!

Чтобы определить, что происходит, когда нагревательные элементы выходят из строя в последовательно соединенной печи, полезно рассмотреть конкретный пример. Предположим, у нас есть печь с последовательным подключением и номинальной потребляемой мощностью 75 кВт (75 000 Вт), которая имеет двенадцать нагревательных элементов, соединенных по трехфазной схеме с вариантом подключения звездой.

Эти элементы будут подключены согласно схеме, показанной на рисунке  ниже:





Схема подключения на рисунке может быть упрощена и перерисована для пояснения, как показано на схематическом изображении, обозначенном рядом с ним.

При входном напряжении 480 вольт в любой 3-фазной конфигурации «звезда» напряжение на каждой последовательной группе или «ветви» будет 480 / √3 = 277 вольт. Таким образом, напряжение на каждом из четырех нагревательных элементов в трех последовательных группах, показанных на рисунке, будет 277, деленное на 4 = 69,25 вольт. Чтобы определить номинальную мощность каждого отдельного нагревательного элемента, мы разделим общую номинальную мощность печи в 75000 Вт на 12 элементов = 6250 Вт на элемент.

Чтобы рассчитать сопротивление каждого элемента, закон Ома говорит нам, что

R = U² / P,

где R - сопротивление элемента в омах, U - напряжение на элементе, а P - номинальная мощность отдельного элемента в ваттах. В этом примере

R = (69,25)²/6250 = 0,768 Ом.

Опять же, согласно закону Ома, ток в амперах (обозначенный I), протекающий в каждом нагревательном элементе, будет равен I = P / U. Для этого конкретного примера I = 6250 / 69,25 = 90 ампер. (Это большой ток, который может легко привести к перегреву переходов последовательного соединения. Типичный ток в нагревательном элементе печи обычно намного ниже 15 ампер.)

Теперь, когда элемент перегорает в одной цепочке, диаграмма выглядит как на следующем рисунке. Вместо первоначальной трехфазной цепи в результате перегорания оставшиеся восемь нагревательных элементов были подключены последовательно через одну фазу на 480 вольт.

Остальные четыре элемента полностью отключены от цепи из-за перегорания, и ни один из них не работает. Напряжение на каждом из восьми оставшихся элементов теперь будет 480, деленное на 8 = 60 вольт вместо 69 вольт, как раньше.

Это падение напряжения снизит мощность, рассеиваемую каждым элементом.

Чтобы определить, какой будет эта уменьшенная мощность, мы снова обратимся к закону Ома, который гласит, что P = U² / R. Теперь при пониженном напряжении из-за перегорания мощность, рассеиваемая каждым элементом, равна P = (60)²/0,768 = 4688 Вт. Таким образом, общая мощность, рассеиваемая в этой печи после перегорания одного элемента, теперь составляет 8 раз по 4688 Вт = 37 500 Вт, что ровно половину исходной входной мощности в 75 000 Вт!

Неудивительно, что печь нужно сразу выключить и отремонтировать!

Что происходит, когда перегорает второй элемент? Вся остальная группа из восьми элементов выходит из строя, и общая рассеиваемая мощность печи равна нулю!





Плавильная печь с параллельно подключенными нагревательными элементами

В печи с параллельным подключением и независимым подключением нагревательных элементов все остальные нагревательные элементы будут продолжать работать, если один из них выйдет из строя. Печь с 24 нагревательными элементами потеряет всего 1/24 своей скорости плавления с потерей одного элемента, и производство может продолжаться без остановки. Это делает дополнительные вложения в параллельную проводку очень рентабельными, поскольку она окупается за счет непрерывного производства после того, как первый элемент выходит из строя. Внутренняя часть печи с параллельной проводкой показана на фото  выше.

Простой пример параллельной разводки нагревательных элементов показан на рисунке ниже. Обратите внимание, что фазы «A», «B» и «C» чередуются от одного элемента к другому, так что выход из строя одной фазы не приведет к огромному холодному пятну на одной стороне тигля. 





Схематическое изображение данного подключения показано на следующем рисунке.Если один элемент выходит из строя по какой-либо причине, мы имеем ситуацию, показанную на рисунке справа. Что наиболее важно, при параллельном подключении потеря любого элемента никогда не влияет на другие элементы, как в случае с последовательным подключением.





Для полезного сравнения: допустим, плавильная печь имеет восемнадцать нагревательных элементов, подключенных параллельно, а общая потребляемая мощность составляет 81 кВт. Если один нагревательный элемент выходит из строя, все остальные элементы продолжают работать, и печь теряет лишь 1/18 входной мощности или 4½ кВт. Если второй нагревательный элемент выходит из строя, печь теряет 2/18 потребляемой мощности или всего 9 кВт. Таким образом, при отключенных двух элементах мощность печи по-прежнему составляет 89%, и снижение скорости плавления практически невозможно заметить.

Это сильно контрастирует с приведенным выше примером последовательного подключения, где мощность печи падает до половины, когда сгорает один элемент, а затем до нуля, когда сгорают два элемента. Этот пример должен помочь прояснить, почему печи преимущественно имеют 100% параллельное соединение нагревательных элементов для максимальной надежности.

ПРОВЕРКА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ИЛИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ПРОВОДКИ

Потенциальный покупатель должен внимательно проверить и убедиться, что рассматриваемая печь подключена параллельно или последовательно. Большинство производителей сразу подтвердят, какой тип проводки они предлагают. Иногда возникает путаница, если производитель заявляет, что его печи подключены параллельно или «последовательно / параллельно», когда на самом деле они на 100% подключены последовательно.

Перед покупкой, чтобы убедиться, что он получит 100% параллельную проводку, предусмотрительный покупатель должен, во-первых, запросить подробную схему подключения, которая показывает подключение каждого элемента в печи, чтобы убедиться, что печь действительно подключена параллельно, и, при необходимости, получить услуги квалифицированного электрика для подтверждения; и во-вторых, получить письменное обещание от производителя, что печь может быть возвращена с полным возмещением, если она будет доставлена ​​с последовательной проводкой.

Компания Термоэлемент производит нагревательные элементы для печей различных типов: спирали из нихрома и фехрали, трубчатые электронагреватели, канальные керамические ТЭНы для печей отжига, высокотемпературные карбидкремниевые и дисилицид молибденовые нагреватели.




Возврат к списку


Задать вопрос