Газ или электричество: выбор печи для термообработки. Сравнение КПД и затрат

25.09.2025

Структура статьи:

Термины и определения.
Сравнение затрат на газ и электричество.
Экономика процесса термообработки.
Итог для специалиста.
Наше оборудование.
Список рекомендаций (литература).

Выбираете печь для термообработки и не знаете, что выгоднее: газ или электричество?

Статья написана по просьбам потребителей и посвящена ключевому решению при выборе печи для термообработки: выбору источника энергии — электричества или газа.

Экономика процесса, эксплуатационные расходы, плюсы и минусы разных решений.

Статья предназначена для руководителей предприятий и технологов, проектирующих новые термические участки, занимающиеся капитальным ремонтом собственных участков и рассматривающие варианты технологических решений.

Так как стоимость энергоносителей и остальные критерии расчёта могут различаться из-за местных условий и стоимости конечного продукта, конкретные примеры в данном исследовании не показаны.

Статья будет полезна тем, кто рассматривает возможность покупки печи для термообработки.

1. Термины и определения

Доступное тепло (Available Heat). Часть тепловой энергии, выделившейся при сгорании топлива, которая остается в печи для полезной работы (нагрева загрузки, компенсации тепловых потерь), за вычетом тепла, уносимого с продуктами сгорания (дымовыми газами). Выражается в процентах от общей теплоты сгорания.

Энергетический баланс (Energy Balance). Расчет, учитывающий все статьи прихода и расхода тепла в печи для определения ее общей эффективности и потребности в энергии. В контексте статьи - нагрев изделий, нагрев поддонов и оснастки, тепловые потери через стенки (огнеупорную кладку), потери с уходящими газами, потери на нагрев атмосферы.

Избыток воздуха (Excess Air). Количество воздуха, подаваемого в зону горения сверх стехиометрического (теоретически необходимого) количества для полного сгорания топлива. В контексте статьи - необходим для гарантии полноты сгорания, но его излишек приводит к значительным тепловым потерям и снижению температуры в печи.

Рекуперация (Recuperation) Метод повышения эффективности печи, при котором тепло уходящих дымовых газов передается холодному воздуху для горения через теплообменник (рекуператор) с целью подогрева поступающего для горения воздуха.

Удельная поверхностная мощность нагревательного элемента (Watt Loading) Мощность, приходящаяся на единицу площади поверхности нагревательного элемента (например, Вт/см²). Критический параметр при проектировании, влияющий на температуру и срок службы элемента.

Горелка прямого действия (Direct-Fired Burner) Горелка, у которой процесс горения топлива происходит непосредственно в рабочем пространстве печи. Обеспечивает хорошую циркуляцию газов, но продукты сгорания смешиваются с атмосферой печи, что недопустимо для некоторых процессов.

Температурная однородность (Temperature Uniformity) Равномерность распределения температуры по всему рабочему пространству печи. Критически важный параметр для обеспечения качества термообработки. Способы достижения: Использование вентиляторов, высокоскоростных горелок, правильное расположение горелок и зонирование печи.

2. Экономика термообработки: сравнение затрат на газ и электричество

Первый шаг — проведение энергетического баланса для оценки экономической эффективности. Рассчитываются следующие потери тепла:

Потери через стенки печи.
Нагрев атмосферы в печи.
Нагрев поддонов и оснастки.
Нагрев самой заготовки (металла).

Расчеты проводятся для обоих источников энергии, после чего можно переходить к их сравнению.

Электрические печи (Нагревательные элементы)

Преимущества электрических печей:

Более низкая стоимость самого оборудования.
Более высокий КПД, так как нет потерь с уходящими газами (дымовыми).
Более простая автоматизация и возможность работы без постоянного присутствия персонала.
Более низкие затраты на техническое обслуживание.
Лучшая равномерность температуры в рабочем пространстве.
Простая замена нагревательных элементов.
Более широкий диапазон рабочих температур.
Точный контроль температуры.
Нет необходимости оформления разрешений на поднадзорное оборудование.

РАССЧИТАТЬ СТОИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ <Напишите нам на info@tula-term.ru или запросите расчет через форму на сайте.

Основные типы нагревательных элементов:

1.Никель-хромовые сплавы (Ni-Cr):

Подходят для температур до ~1200°C.
Хорошие механические свойства при высоких температурах.

2.Железо-хромо-алюминиевые сплавы (Fe-Cr-Al, например, Kanthal (в России недоступен)):

Более высокий максимальный температурный предел (до ~1400°C).
Более длительный срок службы при высоких температурах.
Образуют защитную оксидную пленку, что делает их устойчивыми к воздействию агрессивных атмосфер (например, эндотермических). Это основной выбор для печей с контролируемой атмосферой.

3.Карбид кремния (SiC, например, Globar):

Очень высокий температурный предел (до ~1650°C).
Высокая стойкость к окислению.
Недостаток: может подвергаться карбонизации (накоплению углерода) в некоторых атмосферах, что требует периодической очистки.

4.Дисилицид молибдена (MoSi₂):

Используются в печах для высокотемпературных процессов.
Подходят для работы в атмосферах чистого водорода и аммиака с низкой точкой росы.
Защитный слой — диоксид кремния (SiO₂).

Важные параметры при проектировании:

Удельная поверхностная мощность: Нагрузка на единицу площади элемента. Зависит от сечения элемента и температуры печи.
Сопротивление элемента: У большинства материалов сопротивление увеличивается с ростом температуры.
Влияние атмосферы печи: Атмосфера сильно влияет на срок службы элемента.

Смотрите статью на нашем сайте, где рассмотрены сроки службы нагревателей в основных печных атмосферах.

Газовые печи

Преимущества газовых печей:

Более низкая эксплуатационная стоимость во многих регионах, несмотря на меньший КПД (50-70% против >85% у электрических). Несмотря на типично меньший КПД простых моделей (50-70% против >85% у электрических). Современные газовые печи с рекуперацией могут достигать КПД, близкого к 80% и выше.
Возможность использования полезного тепла для ускорения процесса. Высокая плотность теплового потока от пламени, позволяющая достигать высокой скорости нагрева заготовок.
Высокая надежность и чистота сгорания природного газа.
Быстрая и недорогая модернизация существующего оборудования.

Недостатки:

Необходимость в дымоходах и системах безопасности для горения.
Повышенная температура окружающей среды возле печи.
Необходимость в обучении операторов.
Необходимость наличия специальных разрешений.
Менее точный контроль температуры.
Привязка к калорийности газа. К сожалению, сейчас мы сталкиваемся с ситуацией когда поставщик сильно занижает этот параметр, что ведёт к экономическим потерям.

Ключевые аспекты газового нагрева:

1.Процесс горения: Эффективное сгорание требует точного соотношения "топливо-воздух".

Теоретическое (стехиометрическое) горение: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
Избыток воздуха приводит к образованию окислительной атмосферы и потерям тепла на нагрев лишнего воздуха.
Недостаток воздуха приводит к неполному сгоранию, образованию CO и восстановительной атмосферы.
Для максимальной эффективности количество избыточного воздуха должно быть минимально необходимым.

2.Типы горелок:

Прямого действия (High-Velocity Burners): Горение происходит непосредственно в рабочем пространстве печи. Высокоскоростные струи продуктов сгорания улучшают циркуляцию и равномерность температуры. Не подходят для процессов, требующих точного контроля атмосферы (например, цементация).
Косвенного действия (Radiant Tube Burners): Горение происходит внутри трубы (из металла или керамики), которая затем излучает тепло. Это изолирует продукты сгорания от загрузки, что необходимо для процессов в контролируемой атмосфере. Часто используются импульсные системы, где горелки включаются/выключаются для точного поддержания температуры.

Утилизация тепла (Повышение эффективности)

Эффективность газовых печей можно значительно повысить, подогревая воздух для горения за счет тепла уходящих дымовых газов.

Рекуперация: Используется теплообменник, в котором холодный воздух нагревается от горячих дымовых газов (противоток, параллельный поток, перекрестный поток).
Регенерация: Более эффективная система, использующая две камеры, заполненные огнеупорной насадкой (керамика, шарики). Потоки дымовых газов и воздуха периодически (каждые 20-60 секунд) меняются направлениями, попеременно нагревая насадку и затем отдавая тепло воздуху. Позволяет достичь очень высоких температур подогрева воздуха.

3. Экономика процесса термообработки: Газ vs. Электричество

Основное экономическое сравнение проводится через расчет энергетического баланса и анализ эксплуатационных затрат.

Ключевой экономический показатель: "Доступное тепло"

Это самый важный параметр для газовых печей. Не всё тепло от сгорания топлива идет на нагрев деталей. Значительная часть теряется с уходящими дымовыми газами.

Суть показателя: Процент от общей теплоты сгорания топлива, который остается в печи для полезной работы (нагрев металла, компенсация потерь), за вычетом тепла, унесенного с продуктами сгорания.

Как зависит:

От температуры уходящих газов: Чем выше температура дымовых газов на выходе из печи, тем меньше "доступного тепла".
От избытка воздуха: Чем больше избыточного воздуха используется для горения, тем больше тепла тратится на его нагрев, и тем ниже КПД.
Пример: Увеличение избытка воздуха с 5% до 30% при температуре дымовых газов 815°C снижает "доступное тепло" с 58% до 50%. Это падение на 16% в полезной тепловой мощности.

Доступное тепло в зависимости от температуры дымовых газов и процента избыточного воздуха.

Вывод для экономики: Оптимизация работы горелок и минимизация избытка воздуха — это прямой способ снизить расход газа и затраты.

Сравнительный анализ затрат

Эксплуатационные затраты постоянно растут и цены на разные виды энергии меняются. Исходя из средних расчётов по данным на 2025 год:

Эксплуатационные затраты газовой печи поверхностного горения составили около 85% от затрат электрической печи для выполнения длительных операций.
При использовании системы рекуперации (подогрев воздуха от дымовых газов) затраты газовой печи удалось снизить до ~30% от затрат электрической печи. При этом, необходимо учесть достаточно значительную стоимость закупки, монтажа и обслуживания таких систем.

Важный нюанс: Экономическая целесообразность зависит от местных цен на энергоносители. Эти цифры иллюстрируют потенциальную выгоду, но точный расчет нужно делать для конкретного региона.

Пути снижения затрат для газовых печей

Технологии, напрямую влияющие на экономику процесса:

1.Рекуперация и Регенерация:

Рекуператор (теплообменник) предварительно подогревает воздух для горения за счет тепла уходящих газов. Это может дать топливную экономию до 30%.
Регенеративная система (с керамическими насадками и попеременным переключением потоков) еще эффективнее. Она позволяет подогревать воздух до температур, близких к температуре дымовых газов (800-1000°C и выше), что резко повышает КПД и температуру пламени.

Подобное решение было использовано в барабанной печи модели СБО-14.90/6,6-И2.

2.Высокоскоростные горелки и импульсный режим:

Высокоскоростные горелки улучшают теплообмен и равномерность температуры, что позволяет сократить время цикла термообработки.
Импульсный режим работы горелок на малых температурах (<700°C) позволяет точно поддерживать температуру, не работая на малой мощности, и экономит до 42% энергии (по данным одного из исследований).

Экономика электрических печей

Главное преимущество: Высокий КПД (>85%), так как почти вся электроэнергия преобразуется в тепло внутри рабочего пространства (нет потерь с дымовыми газами).
Главный недостаток: Относительно высокая стоимость электроэнергии по сравнению с теплотой сгорания газа в большинстве регионов.
Статьи затрат: Стоимость кВт*ч электроэнергии, затраты на техническое обслуживание и замену нагревательных элементов.

Общий вывод по экономике:

Электрические печи термодинамически эффективнее, газовые печи часто являются экономически выгоднее при больших объёмах и технологиях, не требующих точного контроля.
Экономика газовых печей критически зависит от грамотного проектирования и эксплуатации (оптимизация горения, обязательное использование рекуперации).
Конечный выбор определяется местными тарифами на энергоносители, требованиями к процессу (чистота атмосферы, точность) и масштабом производства. Для больших производственных объемов газ часто оказывается безальтернативным по стоимости.

4. Краткий итог для специалиста

Выбор между газом и электричеством — это компромисс между капитальными затратами (электричество часто выгоднее) и эксплуатационными расходами (газ часто дешевле). Методику расчёта энергетического баланса печи можно найти в доступной литературе. В том числе, в библиотеке нашего сайта.

Электрические печи обеспечивают лучшую точность, чистоту и простоту управления, идеальны для лабораторий и процессов с жесткими требованиями к атмосфере, что в современных условиях, требующих точного контроля температур критически важно.

Газовые печи — это экономичное решение для крупносерийного, часто непрерывного производства, где стоимость энергии критична. Их эффективность можно резко повысить с помощью рекуператоров или регенеративных горелок.

Для процессов в контролируемой атмосфере (цементация, азотирование) используются либо электрические элементы (Fe-Cr-Al), либо газовые горелки косвенного нагрева (с радиантными трубами).