Sb98328

УДК 621.365.5 ББК 31.22

П82

Авторы: А. Н. Шатунов, И. В. Позняк, А. Ю. Печенков,

М. Н. Кудряш, М. Ю. Суворова

П82 Промышленные электротехнологические установки: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 26 с.

ISBN 978-5-7629-2482-5

Рассматривается работа установки косвенного нагрева, индукционной печи с холодным тиглем и установки для закалки. Проводится ознакомление с режимами работы промышленных электротехнологических установок, измерение электрических и тепловых параметров.

Предназначено для подготовки магистров по направлению 13.04.02 – «Электроэнергетика и электротехника», образовательная программа «Электротехнологии».

УДК 621.365.5 ББК 31.22

Рецензент канд. техн. наук В. С. Федорова (ПГУПС Императора Александра I).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Лабораторная работа 1

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Цель работы: расчетное и экспериментальное определение основных параметров печи сопротивления – времени разогрева, мощности тепловых потерь через футеровку и полного КПД.

1.1.Общие сведения

Впаспорте любой электропечи указываются ее параметры: мощность, мощность тепловых потерь через футеровку и время разогрева и т. п. Значения тепловых потерь рассчитываются исходя из свойств стандартных футеровочных материалов. Тепловые потери конкретной печи зависят от качества материалов, использованных для изготовления футеровки печи, и качества ее сборки.

Чтобы правильно подобрать режим эксплуатации, необходимо для каждой печи экспериментально определить потребляемую мощность, тепловые потери через футеровку и время разогрева печи до установившегося теплового режима. Эти характеристики и будут определены в данной работе.

1.2.Описание установки

Работа проводится на лабораторной электропечи сопротивления фирмы

«Strohlein», Германия.

Технические характеристики электропечи:

На рис. 1.1 приведен эскиз электропечи. Кожух печи 1 изготовлен из нержавеющей стали толщиной 2 мм. Печь установлена на стальном основании 3. Между кожухом и основанием проложены теплоизолирующие втулки. Рабочее пространство печи находится внутри трубы из огнеупорного материала 7,

3

на которую намотан проволочный нагреватель 4. Печь загружается через крышку 5. С противоположной стороны рабочее пространство закрыто теплоизоляционной заглушкой 2. Футеровка печи 6 изолирует нагреватель от внешней среды. Температуры в рабочем пространстве и на поверхности кожуха печи измеряются термопарами ТП1 и ТП2 соответственно. Размеры элементов печи представлены в табл. 1.1. Названия и свойства материалов футеровки даны в табл. 1.2.

Теплоемкость материала кожуха (нержавеющая сталь) cp = 480 Дж/(кг∙К); масса кожуха 1 кг.

3

Рис. 1.1. Электропечь фирмы «Strohlein»

4

* tср = (tвнут + tнар ) / 2 – средняя температура по объему материала футеровки, где tвнут и tнар – температуры на внутренней и наружной поверхностях слоев теплоизоляции

(считать, что изменение температуры по толщине футеровки происходит по линейному закону).

Схема включения электропечи представлена на рис. 1.2. Питание установки осуществляется через автоматический выключатель (BA1). Для поддержания заданной температуры в рабочей области печь управляется вручную или с использованием прибора теплового контроля (ПТК). Ручное управление осуществляется с помощью регулирования напряжения на выходе питающего автотрансформатора (АТ). В автоматическом режиме ПТК поддерживает температуру, попеременно включая и выключая нагрев. При этом напряжение на выходе АТ должно соответствовать паспортному напряжению питания печи.

На стенде расположены: вольтметр V, измеряющий напряжение питания печи; амперметр А, измеряющий ток, проходящий через нагревательный

ПТК

К1

ТП1

mV

ТП2

V

~ 220 В

Рис. 1.2. Схема включения печи

5

элемент печи; фазометр φ, измеряющий разность фаз между током и напряжением питания печи; милливольтметр mV с переключателем термопар К1 для измерения термо-ЭДС термопар ТП1 и ТП2 (термопара ТП1 установлена в рабочем пространстве печи; при помощи термопары ТП2 измеряются температуры различных частей кожуха).

1.3. Задание

1.При подготовке к работе:

–заготовить таблицы для записи результатов эксперимента и расчетных величин (табл. 1.3–1.5);

–ознакомиться с конструкцией и схемой включения электропечи;

–определить:

•расчетные тепловые потери через футеровку печи,

•тепло, аккумулированное футеровкой и кожухом печи,

•время разогрева печи до установившегося режима (температура в

рабочем пространстве печи tраб задается преподавателем в преде-

лах 300–400 °С).

U – напряжение по показаниям V (на рис. 1.2); I – ток по показаниям A; V1 – термо-ЭДС термопары ТП1 в рабочей области; V2–V8 – термо-ЭДС термопары ТП2 в различных точках поверхности кожуха.

6

2.При выполнении работы определить:

–активную мощность печи;

–среднюю мощность в загрузке;

–температуру внутри печи и на поверхности кожуха.

3.Построить графики средней мощности печи и тепловых потерь с кожуха печи.

4.Сравнить результаты расчета и эксперимента.

1.4.Порядок выполнения работы

1.Установить на приборе теплового контроля температуру tраб, задан-

ную преподавателем.

2.Подготовить калориметр с заданным объемом воды.

3.Включить ВА1. Установить выходное напряжение автотрансформатора 127 В (по показаниям вольтметра V).

4.Включить электропечь в автоматическом режиме.

5.Записывать электрические и тепловые параметры печи (табл. 1.3) через каждые 3–5 мин до выхода печи на стационар (по показаниям ТП1 ).

Как только начнется срабатывание ПТК, делать измерения сразу после момента включения либо выключения нагрева.

6.Поместить в печь металлическую деталь. Продолжать заполнять табл. 1.3. Делать записи в моменты внесения и выемки детали.

7.После разогрева детали (выхода печи на стационар) провести калориметрирование детали (табл. 1.4).

1.5.Тепловой расчет печи

1.Тепловые потери печи для установившегося режима (футеровка полностью разогрета) определяются по формулам теплопередачи через сложную стенку (цилиндрическую и плоскую) при граничных условиях третьего рода.

Тепловые потери через боковую стенку печи:

где L – длина наружного слоя футеровки, м; tраб – температура в рабочем пространстве печи и на внутренней поверхности футеровки, °С; tнар = 20 °С –

7

температура наружной среды; αнар – коэффициент теплоотдачи наружной

поверхностью кожуха [1, прил. I, табл. III-I]. Определяется в соответствии со средней температурой кожуха tк , °С; d1, d2, d3 – внешние диаметры внутреннего, наружного слоев футеровки и кожуха соответственно, м; λ1, λ2 – коэффициенты теплопроводности внутреннего и наружного слоев футеровки соответственно при средних температурах слоя (tср = (tвнут + tнар )2 ), Вт/(м·°С).

Тепловые потери через фронтальную часть кожуха рассчитываются как для однородной однослойной стенки, т. е. без учета крышки:

где h1 = 0.02 м – толщина фронтального слоя футеровки, м; λ1 – коэффициент теплопроводности наружного слоя футеровки при средней температуре слоя (tср = (tвнут + tнар )2 ), Вт/(м∙К); S1 – площадь фронтальной поверхно-

сти теплоотдачи футеровки, м2 (принять равной площади внешней футеров-

ки); S2 – площадь фронтальной поверхности кожуха, м2.

Потери через тыльную часть кожуха печи qпот.т определяются аналогично qпот.фр с использованием размеров и свойств материала заглушки.

Суммарные тепловые потери печи в установившемся режиме (потери холостого хода):

)× K , Вт,

где K = 1.3 – коэффициент, учитывающий потери через тепловые короткие замыкания, возможное старение теплоизоляции печи, неплотности в стыке кожуха и крышки.

2. Время разогрева печи определяется по формуле

tp = ( qак ) , ч,

Pпср - P0ср ×3600

где qак – тепло, аккумулированное футеровкой и кожухом печи, Дж, qак = m1 c1t1ср + m2 c2 t2ср + ...+ mk ck tkср ,

8

где m1, m2 , ... , mk – масса огнеупорной и теплоизоляционной частей футеровки, крышки, заглушки и кожуха; c1, c2, ... , ck – теплоемкость материалов теплоизоляции и кожуха, Дж/(кг·ºС); t1ср, t2ср, ... , tk cp – средние температу-

ры теплоизоляции и кожуха (из теплового расчета), °С; Pп.ср = 0.65 Pном –

и наносится на график в середине интервала Δτi (рис. 1.3), где τ0 – время начала нагрева.

4. График мощности тепловых потерь (рис. 1.4) с кожуха печи строится следующим образом. Для момента времени Δτi мощность тепловых потерь равна

P0i = αi (tiср −tнар)S , Вт,

где S – площадь поверхности кожуха, заглушки и крышки печи, м2; αi –

жуха печи и крышки,°С; tнар = 20 °С – температура окружающего воздуха;

9

где e = 0.6 – относительный коэффициент лучеиспускания для нержавеющей стали.

5. В эксперименте с деталью КПД печи определяется как отношение количества тепла, переданного в деталь за время нахождения в печи, к количеству тепла, потребленного печью за это же время:

h = qдет , qсет

где количество тепла, потребленное печью от сети, рассчитывается как qсет = U1I1cosj1 +2U2I2 cosj2 × t , Дж,

где τ – время между внесением детали в печь и ее выемкой, с.

Количество тепла (в джоулях), переданное в деталь, определяется по данным калориметрирования:

qдет = cm(t1 − t0) ,

где с = 4192 Дж/(кг·К) – удельная теплоемкость воды; m – масса воды в калориметре, кг; t1 и t0 – конечная и начальная температуры воды, °С.

10