2205

6. Активная длина нагревательной проволоки

lan=R/Rl, м,

где Rl- электрическое сопротивление 1 м проволоки, Ом/м (табл.12). 7. Действительный удельный тепловой поток на поверхности нагревательной проволоки

ФАпр=Р/(Аllan),

где Аl поверхность 1 м нагревательной проволоки, см2/м (табл.12). Если ФАпр>ФАдоп.пр, то необходимо увеличить диаметр проволоки. 8. Активное число витков спирали

nab=lan103/lв

где lв – длина витка спирали, мм (табл.12). Таблица 12 Параметры нихромовой проволоки (Х15Н60)

где Rab – сопротивление ленточного нагревателя, Ом. Расчетный диаметр нагревателя круглого сечения (спиральный,

проволочный зигзаг, стержень) определяют по 64, а средний диаметр спирали проволочного нагревателя выбирается из условия обеспечения его требуемой механической прочности:

-для хромоалюминиевых сплавов Х23Ю5, Х271О5Е и фехраля Х13Ю4 – диаметр спирали D=(4…6)d;

-для нихромов и сплавов ХН70Ю, ХН60Ю3 – D=(7…10)d.

Шаг спирали должен удовлетворять условию lш 5d Шаг ленточного зигзагообразного нагревателя рекомендуется брать lш 2b, а высоту петли hз 100a.

2.8.4. Особенности расчета стальных нагревателей.

В низкотемпературных ЭТУ сельскохозяйственного производства удешевление тепловой энергии можно достичь применением электрических нагревателей из стали там, где значительная длина не является препятствием для их применения: обогрев панелей в животноводческих помещениях, обогрев почвы и воздуха в парниках и теплицах и т.д.

Нестабильность основных электрических параметров стальных нагревателей определяют приближенность осуществляемых расчетов. В расчетах следует учитывать также и то, что из-за внутренней индуктивности коэффициент мощности стальных нагревателей всегда меньше единицы.

Полное сопротивление стального нагревателя переменному току с учетом поверхностного эффекта и внутренней индуктивности определяется зависимостью

Z=Rkn/cos , Ом,

где kn –коэффициент поверхностного эффекта.

Для диаметров стальных проводов d=1…6 мм и удельной мощности P= 20…100 Вт/м коэффициент поверхностного эффекта k n=1+0,0176d2. Диаметр стального провода

2.9. Электродуговой нагрев

Дуговой разряд – самостоятельный электрический разряд в газах или парах металла, характеризующийся большой плотностью тока и высокой температурой канала разряда. В момент короткого замыкания электроды разогреваются и при их отводе за счет термоэлектронной ионизации возникает электрическая дуга. Дуга представляет собой сильно ионизированную смесь газов и паров материалов анода и катода. В основном столбе дуги напряженность электрического поля составляет 1500…5000 В/м. Температура может достигать 6000…12000 К, а концентрация ионов – 1024 1/м3. Таким образом, столб дуги представляет собой плазму с очень высокой удельной проводимостью. Горение электрической дуги сопровождается эффектами, определяющими области ее применения:

-большим выделением теплоты на электродах (температура анода может достигать 2700…4500 К). На этом основана работа электродуговых печей прямого нагрева и техника электродуговой сварки; -мощным лучистым потоком в оптическом диапазоне электромагнитных

колебаний. Это свойство используется в электродуговых печах косвенного нагрева и газоразрядных источниках оптического излучения. Электрическая дуга, как потребитель электрической энергии, достаточно полно характеризуется статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) (рис.7). Ее условно можно разделить на области малых (80…100 А), средних (100…800 А) и больших (свыше 800 А) токов. В области малых токов ВАХ имеет падающий характер, что объясняется тем, что с увеличением силы тока площадь поперечного сечения и удельная электрическая проводимость столба дуги увеличиваются быстрее, чем ток. При этом плотность тока и напряженность электрического поля уменьшаются.

В области средних токов напряжение на дуге практически постоянно и не зависит от силы тока, так как площадь поперечного сечения увеличивается пропорционально току.

При больших токах возрастание силы тока не сопровождается пропорциональным ростом катодного пятна, так как оно заняло всю площадь катода. В результате, ВАХ имеет явно выраженный возрастающий характер.

В сварочной технике электрическая дуга классифицируется по роду среды, в которой происходит разряд: -открытая дуга, горящая в воздухе, парах металла и компонентах электродных покрытий; -закрытая дуга, горящая под флюсом в парах металла и флюса;

-дуга, горящая в защитных газах (аргон, гелий, двуокись углерода). ВАХ открытой дуги имеет падающий вид, а закрытой и защищенной – возрастающий.

Источник питания дуги должен обеспечивать устойчивое ее горение, стабильность режимов сварки и безопасность обслуживания установок. Эти требования выполняются соответствующим выбором параметров источников питания: рода тока, напряжения холостого хода, внешней характеристики, способа регулирования сварочного тока.

Дуга и источник питания образуют систему, которая будет находится в устойчивом равновесии, если при падающей характеристике дуги внешняя характеристика источника будет более круто падающей. Устойчивость дуги с возрастающей ВАХ обеспечивается, если внешняя характеристика источника менее возрастающая. дуга, горящая в защитных газах (аргон, гелий, двуокись углерода). Электрическая дуга может быть на переменном

или постоянном токе. Устойчивость горения дуги на переменном токе снижается из-за ее угасания при каждом переходе тока через нуль. Поэтому горение дуги является прерывистым и неустойчивым. Статическая вольт-амперная характеристика дуги на переменном токе подобна этой же характеристике на постоянном токе.

Напряжение зажигания дуги постоянного тока составляет 30…40 В, а переменного – 50…55 В. Напряжение холостого хода источника питания должно быть больше напряжения зажигания на 10…50 В.

Регулирование сварочного тока необходимо при сварке деталей различной толщины. Для этого источники питания снабжают устройствами ступенчатого или плавного регулирования сварочного тока. В качестве источников питания дуги применяют сварочные трансформаторы, генераторы постоянного тока и полупроводниковые выпрямители.

3. ИНДУКЦИОННЫЙ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ

3.1. Основы индукционного нагрева

Индукционным называется нагрев токопроводящих сред в электромагнитном поле за счет индуктированных в них вихревых токов. При этом происходит тройное преобразование энергии: при помощи индуктора – в энергию переменного магнитного поля, затем, в обрабатываемом теле, - в энергию электрического поля, под действием которого в токопроводящем материале начинают двигаться заряды, увеличивающие из-за столкновения с нейтральными атомами и молекулами температуру тела.

Плотность тока по сечению нагреваемого материала (проводника) не постоянна из-за поверхностного эффекта. В слое z= 2 ( 2 – глубина проникновения) выделяется 87% тепловой энергии. На расстоянии 2 мощность снижается в 7,4 раза, а плотность тока – в 2,7 раза.

На интенсивность и характер нагрева влияют частота тока, напряженность электрического и магнитного полей.

В зависимости от используемых частот установки индукционного нагрева подразделяются на:

-низкочастотные (50 Гц); -среднечастотные (до 10 кГц); -высокочастотные (свыше 10 кГц).

Токи средней и высокой частоты применяют для сквозного нагрева деталей перед горячей деформацией, при восстановлении их методом наплавки, при поверхностной закалке и т.д. Для нагрева или поверхностной закалки применяют специальные индукционные нагреватели, основным элементом которых является индуктор.

В зависимости от назначения и формы нагреваемой детали применяют цилиндрические, овальные, щелевые, стержневые, плоские и петлевые индукторы. Изделия прямоугольной формы нагревают в овальных, плоских и петлевых индукторах. Для нагрева цилиндрических изделий может использоваться любой индуктор.

Наиболее просты цилиндрические индукторы (рис.8). Их обмотка обычно выполняется из медной трубки, по которой пропускается охлаждающая жидкость. В индукторах для сквозного нагрева используется тепловая изоляция.

Цилиндрический индуктор

индуктор

деталь

l2

l1

Рис. 8

Перспективны индукторы промышленной частоты, так как это повышает технико-экономические показатели установки. Для низкотемпературных электротермических процессов часто применяют нагреватели типа «многовитковый индуктор в ферромагнитной трубе» (рис.9) Нагреватель представляет собой ферромагнитную трубу, внутри которой расположена индуктирующая обмотка, выполненная из стержней, установочного провода или контрольного кабеля. Ферромагнитная труба одновременно является приемником энергии магнитного поля и генератором частоты, служит несущей конструкцией и защищает обмотку от механических воздействий.

Многовитковый индуктор в ферромагнитной трубе

Рис.9: 1- стальная труба: 2 –индуктирующий провод

Переменный магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой, наводит в трубе вихревые токи, которые нагревают ее. В трубе выделяется 80…85% всей тепловой энергии, остальная часть – в индукторе. Коэффициент мощности установки составляет 0,88…0,92 в зависимости от конструктивных параметров (зазора между трубой и индуктором, материала и диаметра трубы и т.д.). Нагреватели трансформаторного типа (рис.10) применяют при теплоснабжении и горячем водоснабжении жилых и производственных помещений. Конструктивно они выполнены в виде трехфазного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена из стальных труб в виде электрически замкнутых накоротко змеевиков, по которым пропускается нагреваемая вода.

Нагреватель трансформаторного типа

Рис. 10: 1 –магнитопровод-сердечник; 2 – вторичная обмотка из стальных труб; 3 – первичная обмотка; 4 – закорачивающие шины.

3.2. Расчет индукционных нагревателей промышленной частоты

В инженерной практике используются графоаналитические методы расчета, основанные на эмпирических данных устройств определенного топа. Ниже приводится методика расчета для наиболее распространенных индукционных нагревателей.

3.2.1. Многовитковый индуктор в ферромагнитной трубе (рис.9)

Для труб с внутренним диаметром dтр=0,015, 0,02 и 0,025 м нагреве до 373 К рассчитывается тепловой поток на 1 м длины нагревателя

Фе=k2 -k1 Вт/м

где -перепад температур между окружающей средой и трубой; k1, k2 – эмпирические коэффициенты (табл.7).

Напряжение, которое нужно приложить к нагревателю длиной 1 м,

Ue=k3+0,006 В/м,

где k3 – эмпирический коэффициент (табл.13).

Таблица 13

Значения коэффициентов k1, k2, k3

Длина провода индуктора на фазу

lпр=Uф/Ue м

Длина нагревателя, подключаемого на фазное напряжение Uф питающей сети lф=Рф/Фе м, где Рф – мощность нагревателя на фазу, Вт.

Число проводников, прокладываемых в трубе nпр=lпр/lф. Ток индуктора I=1,09 Рф/Uф А.

По расчетному току индуктора и температуре поверхности нагревателя Тп выбирают марку и сечение провода.

3.2.2. Индуктор, охватывающий изделие снаружи (рис.8)

Реактивным сопротивлением индуктора пренебрегают ввиду его малости по сравнению с реактивным сопротивлением нагреваемого ферромагнитного цилиндра.

По заданным технологическим условиям мощность электрической установки определяют по формулам (15)…(19).

Удельный поверхностный тепловой поток (Вт/м2) при известных габаритах нагреваемого цилиндра и расчетной мощности ЭТУ определяют по формуле

ФА=Рр/S2,

где Рр- расчетная мощность установки в соответствии с (15), Вт; S2 – площадь поверхности нагреваемого цилиндра, м2.

При низкотемпературном нагреве трубопроводов диаметром 20…1000 мм значение ФА не превышает (0,1…0,2)104 Вт/м2.

Активное и реактивное сопротивления нагреваемого цилиндра

поверхности нагреваемого цилиндра, длиной 1 м, м2; l2 =1 – длина цилиндра, м; 2 –удельное электрическое сопротивление материала цилиндра, Ом м; f -частота тока, Гц; г2 –относительная магнитная проницаемость ферромагнитного материала, определяемая в зависимости