2205

Силовые трансформаторы электроконтактных установок работают в повторно-кратковременном режиме, который характеризуется относительной продолжительностью включения

x=tн/(tн+tз), (43)

где tн – время нагрева заготовок, с; tз – время загрузочно-разгрузочных и транспортных операций, с.

С учетом (43), расчетная мощность трансформатора

КПД (а) и коэффициент мощности (б) электроконтактных установок

а) б)

Рис.2: 1-двухпозиционные установки при поочередном нагреве двух заготовок; 2-двухпозиционные установки при одновременном нагреве двух заготовок; 3-однопозиционные установки.

2.4. Электроконтактная сварка

При контактной сварке места соприкосновения деталей нагреваются до температуры пластического состояния. Количество теплоты, выделяемое при пропускании электрического тока в месте сварки, пропорционально сопротивлению Rn контакта стыка

где k1- коэффициент, зависящий от материала свариваемых деталей; m- показатель, зависящий от формы поверхностей контактируемых деталей (табл.2); F –усилие сжатия контакта, Н;

температурный коэффициент; Т- температурный коэффициент сопротивления контактов, К-1, Тк- температура контакта, К.

2.5. Электродный нагрев

Применяют для нагрева материалов, обладающих ионной проводимостью, Используется только переменный ток во избежание электролиза воды, Электроды металлические – из титана, углеродистой или нержавеющей стали, электротехнического графита. При плотности тока до 2*103 А/м2 для изготовления электродов целесообразно применять нержавеющую сталь по условиям коррозионной стойкости, а при больших плотностях тока – углеродистую сталь.

Для горячего водоснабжения, теплоснабжения и получения пара низкого давления применяют электрические водонагреватели и паровые котлы. Режим работы электродных аппаратов нагрева воды зависит от ее удельного электрического сопротивления, колеблющегося от 5 до 300 Ом м. Точное определение удельного электрического сопротивления возможно только опытным путем (используются кондуктометры, например типа ММ 34-04). Для ориентировочного определения удельного сопротивления возможно применение зависимости, вида

где Т1- температурный коэффициент электрического сопротивления, отражающий относительное уменьшение электрического сопротивления при повышении температуры на 1 К; Т – температура, для которой рассчитывается удельное сопротивление.

Для растворов щелочей и солей Т1=0,02…0,035 К-1, кислот –0,01…0,016 К-1, что позволяет на практике применять упрощенную зависимость,

В отличие от водонагревателей, физическое состояние воды в котлах в установившемся режиме работы меняется по высоте электродной системы. В нижней зоне вода нагревается до 358…368 К, в средней – до температуры кипения при заданном давлении, а в верхней интенсивно образуется насыщенный пар. Удельное электрическое сопротивление сложной системы –пароводяной смеси, - зависит от температуры и концентрации солей в котловой воде, объемного паросодержания, конструктивных параметров электродной системы и ряда других факторов. На практике удельное сопротивление определяют опытным путем, а для электродной системы с коаксиальными цилиндрическими электродами оно может быть рассчитано по формуле

где Т –удельное электрическое сопротивление воды при температуре кипения, Ом м; - коэффициент, учитывающий влияние парообразования на удельное электрическое сопротивление котловой воды; Р- мощность электродной системы парового котла, Вт; db- диаметр внутреннего электрода, м; h – высота электродной системы, м; r - теплота парообразования, Дж/кг; n-плотность пара при заданном давлении, кг/м3. Для экранированной электродной системы с пластинчатыми электродами, расположенными по углом 120о и термосифонной циркуляцией воды, влияние парообразования на удельное электрическое сопротивление может быть учтено значением =1,25…1,3.

Безаварийность и нормальное функционирование котла обеспечиваются при контроле и стабилизации на расчетном уровне удельного электрического сопротивления рабочей среды, плотность тока на электродах и напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве. Необходимо стремиться к созданию условий, выравнивающих по зонам нагрева удельное электрическое сопротивление смеси, напряженность электрического поля и плотность тока на электродах.

В системах с дуговыми пластинчатыми и коаксиальными цилиндрическими электродами напряженность поля и плотность тока в

поперечном сечении межэлектродного пространства не постоянны и определяются зависимостями

где U – напряжение между электродами, В; rn, rv- радиусы наружного и внутреннего электродов, м; r- текущий радиус точки в межэлектродном пространстве, м.

При r=rv E=Emax ,J=Jmax и, поскольку объемная плотность мощности Pv=EJ, у электрода с меньшим радиусом все эти параметры максимальны.

Поэтому, коаксиальные и дуговые электроды непригодны для использования в котлах.

В электродных системах с плоскопараллельными электродами электрическое поле однородно. Его напряженность

где hэ- расстояние между электродами, м.

Условия, создающиеся при этом, наиболее благоприятны для работы электродных аппаратов.

2.6. Расчет электродных водонагревателей и паровых котлов

Цель расчета – выбор рациональной формы электродов и определение размеров электродной системы, определение мощности и диапазона ее регулирования, проверка работоспособности аппарата по напряженности поля и плотности тока на электродах.

Необходимые исходные данные: а) проточные водонагреватели -объемный расход воды, Vt,

-температура воды на входе Твх и выходе Твых б) непроточные водонагреватели

-объем нагреваемой воды V,

где Rф , Rф - фазное сопротивление электродной системы при ее

соединении треугольником и звездой, Ом; Uл- линейное напряжение, В; P- мощность электродного аппарата, Вт.

Таблица 3 Значения максимальной напряженности электрического поля и

геометрического коэффициента формы для электродных систем по рис.3

Приближенно значение фазного сопротивления может быть определено по геометрическим размерам электродной системы

сопротивление нагреваемого материала, Ом м.

Значения фазного сопротивления, определенные по (53) и (54) должны совпадать. При этом (54) может использоваться как для расчета фазного сопротивления, так и для определения геометрических параметров электродной системы при заданном (рассчитанном по (53)) значении Rф. 2.Мощность электродной системы, Вт

3.Ширину электрода выбирают по конструктивным соображениям.

4. Расстояние между плоскопараллельными электродами

hэ U ф ,

Eдоп

где Eдоп – допустимая напряженность электрического поля, В/м.

Для коаксиальных цилиндрических электродов оптимальное отношение диаметров

dn/dv=e=2,718

Минимальный диаметр внутреннего электрода dv определяют исходя из допустимой плотности тока и допустимой напряженности электрического

поля. Максимальная плотность тока на электродах J max K Н I / Aэ , где

KН=1,1…1,4 – коэффициент учета неравномерности плотности тока по поверхности электрода, I – сила тока, стекающего с электрода, А; Аэ – наименьшая активная поверхность электрода, м2.

С учетом (55) максимальное значение плотности тока можно определить в виде

Для паровых котлов с пластинчатыми электродами, расположенными под углом 120о (рис.3,б) расстояние между электродами определяется по формуле

где Kэп – электрический паровой эквивалент (отношение массы образованного пара к подведенной электрической энергии), кг/Дж; PA – удельная поверхностная мощность, снимаемая с электродов, Вт/м2; h- высота электродов в зоне интенсивного парообразования, м; n=0,28…0,3 – скорость движения пузырьков пара, м/с; nc – плотность пара при заданном давлении, кг/м3; Tnc- температура пароводяной смеси в котле, К.

5. Высота электродов для проточных и непроточных водонагревателей с цилиндрическими коаксиальными электродами

расхода воды.

2.7. Косвенный нагрев

Основной элемент ЭТУ косвенного нагрева – электрический нагреватель. По исполнению различают открытые, защищенные и герметические нагреватели.

В нагревателях открытого исполнения (рис.4) нагревательное сопротивление не изолируют от нагреваемой среды. Их изготовляют из материала с высоким удельным сопротивлением в виде проволочных или ленточных зигзагов, проволочных спиралей, и крепят на керамических стержнях, трубах или изоляторах в воздушном потоке (электрические калориферы) или воздушном пространстве (электрические печи).

Конструкция нагревателей открытого исполнения Рис.4

В нагревателях защищенного исполнения резистивное тело размещают в защитном корпусе, предохраняющем от механических воздействий и нагреваемой среды.

Наиболее совершенными и универсальными являются герметические трубчатые электронагреватели (ТЭН, рис.5), выпускаемые на напряжения от 12 до 380 В, мощностью от 100 Вт до 25 кВт, развернутой длиной от 0,25 до 6,3 м и диаметром трубки от 6 до 16 мм.

Трубчатый электронагреватель (ТЭН)

Рис. 5 : 1- контактный стержень; 2- нагревательная спираль; 3- оболочка (трубка); 4 – контактное устройство; 5 – наполнитель (периклаз). Трубки ТЭН изготавливают из углеродистой стали, меди, латуни и нержавеющей стали.

ТЭН с трубками из нержавеющей стали применяют при нагреве свыше 720 К и для нагрева агрессивных сред. Поскольку спираль плотно запрессована в трубку, ТЭН обладает повышенной ударо- и вибростойкостью.

Маркировка ТЭН ТЭН – 123/456,

где 1-развернутая длина, см; 2-условное обозначение длины контактного стержня в заделке (табл.4); 3-наружный диаметр оболочки, мм; 4- номинальная мощность, кВт; 5- условное обозначение нагреваемой среды (табл.5); 6- номинальное напряжение питания, В.

В развитии низкотемпературного нагрева перспективным является создание тонкослойных поверхностно - распределенных резистивных электронагрева тельных элементов (ПЭН).

Таблица 4 Длина контактного стержня для разных обозначений

Наиболее перспективны ПЭН на основе композиционных материалов, выпускаемые как в виде съемных электронагревателей, так и в виде элементов конструкции ЭТУ. В съемном ПЭН нагревательное сопротивление в виде токопроводящих нитей, длинных волокон или зернистой структуры герметически изолировано от нагреваемой среды стеклотканевым, полимерным, резиновым или другим теплостойким покрытием. Такие ПЭН размещают в нагреваемой среде или крепят на поверхности нагреваемых конструкций. В совмещенных конструкциях ПЭН он в виде тонкой пленки наносится на электроизолированный нагреваемый элемент ЭТУ (емкость, воздуховоды, стены, панели, коврики и т.д.)

Токопроводящая пленка изготавливается из материала с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, что обеспечивает работу нагревателя в режиме саморегулирования. При отсутствии теплосъема с поверхности ПЭН он нагревается только до температуры устойчивого равновесия. При уменьшении коэффициента теплоотдачи сопротивление пленки снижается, что приводит к автоматическому росту потребляемой мощности и температуры нагревательного устройства. Прозрачность ПЭН позволяет применять их для обогрева стеклянных поверхностей для исключения их замораживания.

Таблица 5 Условные обозначения нагреваемой среды и допустимые значения

удельного поверхностного теплового потока ФАдоп *104 Вт/м 2 для ТЭН