ЭТУ_Куликова_2014

По мере проникновения электромагнитной волны в проводящую среду напряженности магнитного и электрического полей уменьшаются. Уменьшается и энергия волны. Плотность тока изменяется с глубиной проникновения по такому же закону, что и напряженность электрического поля.

Глубиной проникновения называется глубина, на которой плотность тока уменьшается в е раз:

больше удельное сопротивление и чем меньше частота. В ферромагнитных материалах глубина проникновения меньше, чем в не магнитных.

Для диэлектрических сред решение (5.10) имеет вид:

волны.

Напряженность магнитного поля определяется из уравнений (5.7) и (5.15):

Уравнения (5.15),(5.16) показывают, что в диэлектрике электромагнитная волна также затухает. Для того чтобы избежать значительных проявлений поверхностного эффекта, частоту необходимо выбирать такой, чтобы глубина проникновения была в 3...4 раза больше толщины диэлектрика.

Потери, связанные с перемагничиванием ферромагнитных материалов, и потери в диэлектрике, обусловленные поляризацией и током сквозной проводимости, учитываются введением в уравнения изменения электрического и магнитного полей комплексной магнитной проницаемости и полной комплексной диэлектрической проницаемости.

5.2. Классификация электротермических установок и задачи их проектирования

Электротермические установки (ЭТУ) классифицируются по роду тока, частоте, способам теплопередачи, технологическому назначению, способу превращения электрической энергии в тепловую (таблица5.1).

Существуют и другие способы нагрева, например электронным пучком, инфракрасный и лазерный нагрев. Однако в таблице 5.1 представлены основные способы нагрева, широко использующиеся в агропромышленном производстве.

Кроме того, при дальнейшем изложении материала будет опущен косвенный нагрев сопротивлением в силу того, что, по мнению авторов,

112

этот способ нагрева имеет отдаленное отношение к электротехнологии – науке, изучающей процессы воздействия электромагнитного поля непосредственно на объект технологической обработки с целью изменения его формы или свойств.

Для достижения конечной цели данного технологического процесса можно использовать различные виды нагрева, о чем свидетельствует таблица.5.1.

Таблица 5.1. - Классификация ЭТУ по способу превращения электрической энергии в тепловую

Задача проектирования ЭТУ заключается в создании электротермического устройства, обеспечивавшего достижение конечной цели данного технологического процесса с максимальной техникоэкономической эффективностью и соответствующего правилам техники безопасности и ПУЭ. Исходными данными для проектирования служит техническое задание, в котором оговаривается назначение ЭТУ, её производительность, температурные режимы, скорость нагрева, условия эксплуатации, требования ТБ и ПУЭ, особенности окружающей среды, условия электроснабжения, пределы регулирования мощности.

Проверочный расчет выполняют для определения паспортных данных ЭТУ (при их отсутствии) или для установления возможности использования готовой установки в конкретных условиях эксплуатации.

Полный расчет ЭТУ включает тепловой, электрический, аэродинамический, гидравлический и механический. В данном пособии рассматриваются только первые два вида расчета [1].

Монтаж приборов для измерения и регулирования температуры в электротермических установках может осуществляться на трубопроводах, оборудовании, на стене, на щитах и пультах.

Монтаж приборов для контроля температуры, как правило выполняется по типовым чертежам, которые подразделяются на типовые монтажные (ТМ), типовых конструкций (ТК) и закладных конструкций

(ЗК).

В обозначении типовых чертежей включены три группы цифр: первая группа – индекс организации, разработавшей данный чертеж, вторая группа – порядковый номер чертежа, третья группа – год разработки. Например: ТМ 4-166-07, означает – ТМ – типовой монтажный чертеж, 4 – индекс организации, разработавшей чертеж (ГПКИ «Проектмонтажавтоматика»), 166 – порядковый номер чертежа, 07 – год разработки.

Типовые монтажные чертежи имеют сведения по способу установки, области применения и номеру типовой или закладной конструкции, а также поясняющие указания, примечания и спецификация с указанием их типа и количества.

Чертежи типовых конструкций определяют конструкцию узлов или изделий, предназначенных для установки на них средств автоматики. Они являются основанием для изготовления узлов и изделий в условиях монтажно-заготовительных мастерских.

Чертежи закладных конструкций предназначены для организаций, изготавливающих и монтирующих трубопроводы и оборудование. По ним поставщики технологических трубопроводов изготавливают и монтируют закладные конструкции для последующего монтажа на них приборов и средств автоматики.

Типовые чертежи в зависимости от назначения и способа монтажа приборов автоматики группируются по трем технологическим признакам:

114

1 – установка на технологических трубопроводах и оборудовании, 2 – установка на стене, 3 – установка на щитах и пультах.

На технологическом оборудовании и трубопроводах, в основном, устанавливаются приборы погружного типа, имеющие штуцерное крепление.

На стене устанавливают приборы камерного типа и некоторые первичные преобразователи. Установку таких приборов обычно выполняют на кронштейне. На щитах и пультах устанавливают вторичные приборы. При монтаже приборов для измерения температуры следует учитывать:

-требования, изложенные в типовых монтажных чертежах,

-требования технических условий и инструкций по эксплуатации приборов.

Общие технические требования предполагают:

а) не допускается устанавливать приборы в помещениях с незавершенными строительными и отделочными работами, а также до окончания работ по монтажу технологического оборудования и трубопроводов,

б) приборы устанавливаются строго в соответствии с техническими условиями по климатическому исполнению, категории размещения, степени защиты, уровню вибрации и ударным нагрузкам,

в) приборы, поступающие в монтаж, должны проходить внешний осмотр и предмонтажную стендовую проверку, которая определяет их пригодность к монтажу,

г) глубина погружаемых термометров и термопреобразователей в измеряемую среду должна быть такой, чтобы обеспечить восприятие средней температуры потока (обычно в центре потока) и в местах, где поток измеряемой среды не нарушается при открытии запорной и регулирующей арматуры, не возникают подсосы наружного воздуха. Обычно, место установки первичного преобразователя должно быть на расстоянии 20 диаметров трубопровода от задвижек, вентилей и сужающих устройств,

д) на приборы не должны оказывать влияния посторонние источники тепла в результате радиации и лучеиспускания. В тех случаях, когда избежать этого нельзя, первичные преобразователи предохраняют защитными экранами,

е) при изменении температуры потоков запыленных сред и сыпучих веществ в местах установки первичных преобразователей следует предусматривать специальные отбойные козырьки, предотвращающие абразивный износ,

ж) не рекомендуется устанавливать первичные преобразователи температуры в углублениях и других местах, где возможны застойные зоны и затруднена циркуляция воздуха.

115

В случае, когда невозможно установить датчик в центре потока, его направляют против движения потока и устанавливают под углом 30 или 45 градусов к оси трубопровода или размещают в колене трубопровода с восходящим потоком.

Если длина прибора значительно больше диаметра трубопровода, то применяют специальное устройство - расширитель.

При установке прибора на технологическом трубопроводе необходимо соблюдение требуемой глубины погружения (как правило, конец погружаемой части в зависимости от типа прибора должен размещаться от 5 до 70 мм ниже оси трубопровода, по которому движется измеряемая среда).

Соблюдение этого условия может быть достигнуто применением различных способов установки (монтажа) приборов для измерения температуры). Приборы для измерения температуры, устанавливаемые на стене, монтируют на типовых конструкциях: рамах или кронштейнах.

Крепление рамы к кирпичной (бетонной) стене производят пристрелкой дюбелями из строительно-монтажного пистолета, к металлической стене или конструкции раму за скобу крепят сваркой.

Кронштейн для установки приборов на стене имеет 10 типоразмеров в зависимости от размеров корпуса конкретного прибора, расположения и диаметра отверстий для его крепления. Крепление кронштейна производится аналогично креплению рамы.

При размещении приборов для измерения температуры на щитах и пультах учитывают удобство обслуживания, конструктивные особенности щитов, пультов и самих приборов, а также требования техники безопасности. При этом широко используют конструктивные нормы, учитывающие необходимые расстояния между приборами.

Монтаж приборов для измерения температуры на технологическом оборудовании, трубопроводах выполняется, как правило, с помощью закладных конструкций – бобышек. Бобышка представляет собой деталь, привариваемая в отверстие или на поверхности технологического трубопровода. В бобышке имеется резьба для закрепления первичного измерительного преобразователя через установочный штуцер.

Размеры и формы штуцеров приборов для измерения определяет ГОСТ 25164-82 «Приборы и устройства. Присоединительные». По типу и параметрам приварные бобышки подразделяются на прямые (БП) и скошенные (БС). Они бывают первой величины (БП1 и БС1) на давление до 20 МПа, второй величины (БП2 и БС2) на давление от 20 до 40 МПа и на атмосферное давление для поверхностных первичных преобразователей.

Для поверхностных первичных преобразователей бобышки могут иметь следующие размеры резьбы: М12х1,5, М18х2. Высота бобышек: БП1

– 55 и 100 мм, БП2 – 50, 60 и 100 мм, БП3 – 25, БС1, БС2 – 115 и 140 мм.

Высоту бобышек выбирают от толщины слоя изоляции на трубопроводе.

116

Монтаж наиболее широко применяемых приборов для измерения различных параметров производят по типовым схемам.

Организации, монтирующие технологическое оборудование, выполняют по типовым монтажным чертежам установку предварительно изготовленных закладных конструкций. Закладные конструкции устанавливают на резервуарах[6].

5.3.Определение мощности ЭТУ

На практике расчетная мощность ЭТУ определяется по формуле

элементах ЭТУ; Ф – полезный тепловой поток, необходимый для осуществления

термического процесса (нагрева, испарения, плавления и т.п.), Вт. Значения m для некоторых ЭТУ приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Значения термического КПД для некоторых ЭТУ сельскохозяйственного назначения

Потери в электрических элементах ЭТУ зависят в основном от наличия преобразователей электрической энергии. В случае наличия понижающего трансформатора эти потери составляют 2....5 % от P , в высокочастотных

установках индукционного и диэлектрического нагрева электрические потери в преобразователях могут достигать 25 %. Однако в большинстве ЭТУ сельскохозяйственного назначения преобразователи отсутствуют и потерями в них можно пренебречь.

Полезный тепловой поток

где М – масса обрабатываемого материала, кг;

cм – удельная теплоемкость материала, Дж/(кг К);– удельная теплота плавления материала, Дж/Вт; v – удельная теплота испарения материала, Дж/кг;

Тн и Тк – начальная я конечная температура обрабатываемого материала,

К;

где К3 =1,1...1,3 – коэффициент запаса, учитывавший старение нагревательных элементов, снижение термического сопротивления изоляции и возможное снижение напряжения сети [1].

118

ГЛАВА 6

ЭЛЕКТРОНАГРЕВ СОПРОТИВЛЕНИЕМ. УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО НАГРЕВА

6.1. Способы электронагрева сопротивлением

В электротермических процессах широкое распространение получил электрический нагрев сопротивлением, при котором электрическая энергия преобразуется в тепловую непосредственно в проводящем материале, являющемся элементом электрической цепи.

При подключении проводящего материала к источнику ЭДС в нем создаётся электрическое поле, под действием которого свободные заряды (ионы, электроны) начинают перемещаться. Сталкиваясь с нейтральными атомами и молекулами, они сообщают им запас кинетической энергии, который расходуется на увеличение теплового движения частиц, что приводит к повышению температуры вещества.

Количество теплоты, выделенное в нагреваемом материале, пропорционально квадрату силы тока проводимости I (см. гл. 5) и зависит от сопротивления нагреваемого материала R и времени нагрева t:

( Дж ). (6.1)

По способу выделения и передачи тепловой энергии нагреваемой среде различают прямой и косвенный нагрев.

Прямой нагрев сопротивлением применяется для электропроводящих сред и материалов, нагрев которых осуществляется за счет пропускания электрического тока.

С другой стороны, прямой нагрев проводников первого рода, переносчиками тока в которых является электроны (ферромагнитные материалы) называется электроконтактным.

Сопротивление проводника постоянному току определяется по формуле

где T – удельное электрическое сопротивление проводника, Ом м; l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения, м2.

Удельное электрическое сопротивление металлических проводников (проводников первого рода) зависит от материала, химического состава и

T –температурный коэффициент сопротивления соответствующего материала, К–1;

T – превышение температуры проводника над 293 К, T T 293 . Активное сопротивление цилиндрического проводника с учетом

поверхностного эффекта:

где r – радиус цилиндрического проводника, м ; f– частота тока, Гц ;

r – относительная магнитная проницаемость;0 – магнитная постоянная, 0 4 10 7 , Гн/м.

Индуктивное сопротивление проводника:

Полное сопротивление металлических проводников переменному току

Прямой нагрев проводящих материалов с ионным типом проводимости (проводники второго рода) называется электродным.

При этом сам материал (водные растворы электролитов, увлажненная биомасса, растительная ткань и т.д.) является средой, в которой электрическая энергия превращается в тепловую. Электроды служат лишь для подвода электрического тока к материалу.

В практических расчетах удельное электрическое сопротивление слабых растворов электролитов (в том числе и природной воды) по упрощенному выражению

40 293 ( Ом м ), (6.10)

где 293 – удельное электрическое сопротивление при температуре 93К,

Ом м ;

T– температура электролита, K.

При косвенном нагреве сопротивлением нагрев материала или среды осуществляется за счет теплопроводности, конвекции и излучения от специальных нагревательных устройств при пропускании по ним электрического тока [1].

Способы электронагрева (способы преобразования электрической энергии в тепловую) различают по следующим основным признакам:

-виду «греющего» электрического тока или электромагнитной волны;

120