Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнологические процессы электроэнергетики. В 2-х частях. Ч.1. Электротермические установки. Учебное пособие.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Е. А. ПЕЧАГИН
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
В двух частях
Часть 1. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия
для студентов технических специальностей вузов,
изучающих электротехнологию и обучающихся
по профилям бакалавриата 13.03.02
направления «Электроэнергетика и электротехника»,
очной, очно-заочной, заочной форм обучения
Учебное электронное издание
Тамбов
Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2019
1
УДК 621.31(075.8)
ББК
Á292-5я73
П31
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры «Биомедицинская техника»
ФГБОУ ВО «ТГТУ»
Е. И. Глинкин
Ведущий инженер ОТС ЦУС
филиала ПАО «МРСК-Центра»-«Тамбовэнерго»
П31
Печагин, Е. А.
Электротехнологические процессы электроэнергетики [Элек-
А. А. Иванов
тронный ресурс] : учебное пособие : в 2-х ч. / Е. А. Печагин. –
Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2019.
ISBN 978-5-8265-2048-2
Ч. 1. Электротермические установки. – 2019. – 1 электрон. опт.
диск (CD-ROM). – Системные требования : ПК не ниже класса
Pentium II ; CD-ROM-дисковод ;
95/98/XP ; мышь. – Загл. с экрана.
ISBN 978-5-8265-2049-9
Представлен обширный теоретический материал по различным видам
электротехнологий, применяемых на производственных объектах различной
направленности. Содержащаяся в данном издании информация поможет
лучше ориентироваться всем специалистам, занимающимся эксплуатацией
электротехнологических установок на промышленных предприятиях.
Предназначено для студентов технических специальностей вузов, изу-
чающих электротехнологию и обучающихся по профилям бакалавриата
13.03.02 направления «Электроэнергетика и электротехника», очной, очнозаочной, заочной форм обучения.
23,0 Mb ; RAM ; Windows
УДК 621.31(075.8)
ББК
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
ISBN 978-5-8265-2048-2 (общ.)
ISBN 978-5-8265-2049-9
(ч. 1)
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2019
Á292-5я73
2
ВВЕДЕНИЕ
Электротехнология – это группа различных технологических
процессов, объединённых тем, что все они используют для воздействия на заготовку электрический ток. Электротехнология – одно
из ведущих направлений современных технологий. Внедрение
электротехнологических методов обеспечивает значительное повышение производительности труда практически во всех отраслях
производства, способствует улучшению качества продукции, позволяет получать новые материалы и продукты с заданными свойствами, экономить материальные и трудовые ресурсы, снижать
вредное воздействие производства на окружающую среду. Возникновение электротехнологии неразрывно связано с первыми открытиями в области электричества.
Электротермические установки предназначены для выполнения определённых технологических операций. При проектировании ЭТУ технологические требования являются определяющими.
Для их выполнения можно использовать различные виды нагрева,
а также разнообразные значения электрических, теплотехнических,
гидравлических и механических параметров ЭТУ. Например, для
обогрева животных можно применить: инфракрасный нагрев (теплота от нагре
вателя перед
плоносителя); индукционный и нагрев сопротивлением (теплота
сначала передаётся воде или воздуху, а от них животным)
Данное учебное пособие позволяет сформировать у слушателей компетенцию ПК-1 (способность участвовать в планировании,
подготовке и выполнении типовых экспериментальных исследований по заданной методике). Реализация на практике данной компетенции позволит использовать знание методов расчёта, элементной
базы, характеристик и регулировочных свойств электротехнологических установок.
аётся животным без промежуточного те-
3
1. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Задача проектирования – создание действующего электротермического оборудования, которое обеспечивает данный технологический процесс с максимальным использованием возможности установок и минимальные приведённые затраты, создаёт условия для
наибольшей производительности труда обслуживающего персонала; соответствует правилам техники безопасности, правилам устройства и эксплуатации электроустановок.
Классификация электротермических установок по способу
нагрева:
– сопротивлением (прямой, косвенный) – нагре
плавка металла, электродный нагрев воды и т.д.;
– электрической дугой (дуговые печи, руднотермические,
электрошлаковые, сварка);
– индукционный нагрев (в переменном магнитном поле) обработка, закалка металлов, водонагреватели и т.д.;
– диэлектрический (в переменном электрическом поле) сушка
древесин, нагрев пластмасс (частный вид печи СВЧ);
– электронно-лучевой (резка, плавка металлов в вакууме);
– инфр
акрасный и лазерный (обогрев, резка и сварка
металлов).
Приступая к проектированию ЭТУ, нужно иметь техническое
задание, разработанное и согласованное с технологами и инженерами. В техническом задании оговаривается назначение ЭТУ,
её производительность, температурные режимы, скорость нагрева, условия эксплуатации, требования техники безопасности, осо-
в воздуха,
4
бенности окружающей среды, условия электроснабжения, требования к автоматизации, пределы регулирования мощности.
Различают проверочный и конструктивный (полный) расчёт
ЭТУ. Проверочный расчёт выполняют для определения паспортных данных ЭТУ (при их отсутствии) или для установления возможности использования готовой установки в конкретных (отличающихся от паспортных) условиях эксплуатации.
Полный расчёт ЭТУ включает тепло
вой, электриче
ский, аэро-
динамический, гидравлический и механический.
Тепловой расчёт проводят в целях определения технических
данных установок (мощности, температуры поверхности нагревательных элементов, интенсивности теплоотдачи, параметров тепловой изоляции, теплового к.п.д.), обеспечивающих технологические требования, которые определяют по единой для всех ЭТУ методике.
Электрический расчёт тесно связан с тепловым и состоит в
пряжения питания, рода тока, частоты, в определении
выборе н
а
геометрических размеров нагревателя, электрического к.п.д. и коэффициента мощности, разработке схемы управления и способа
регулирования мощности.
Аэродинамический расчёт связан с нахождением расхода воздуха (газа), проходящего через установку, выбором вентиляторов,
определением сечения воздухопроводов и размеров распределительных решёток. От
правильности решения этого вопроса зависит
теплоотдача нагревательных элементов, а следовательно, срок
службы, тепловой и электрический к.п.д.
Гидравлический расчёт выполняют для определения расхода
жидкости через установку, выбора насоса и сечения трубопроводов.
Механический расчёт проводят в целях определения геометрических размеров установки, массы и материалоёмкости.
5
1.2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Мощность электротермической установки может быть опреде-
лена по следующему выражению:
ΚΡ
зпотр
=
P
уст
где
Р
потр
нимается 1,1…1,3; η
– установленная мощность (подводимая к оборудованию);
P
уст
– потребляемая мощность, Вт; Kз – коэффициент запаса, при-
– электрический к.п.д.
э
Коэффициент запаса (K
= 1,1...1,3) учитывает уменьшение
з
, (1)
η
э
фактической мощности электротермической установки вследствие
снижения питающего напряжения, старения материалов нагревателей, а также возможное отклонение условий эксплуатации от расчётных значений.
Потребляемая электротермической установкой мощность
PPPP ++=
, (2)
где P
– полезная тепловая мощность, Вт; P
пол
щая на нагрев вспомогательных устройств, Вт; P
потвспполпотр
– мощность, иду-
всп
– мощность те-
пот
пловых потерь, Вт.
Полезная мощность
Q
пол
P
=
пол
, (3)
τ
где τ – время нагрева, с.
Для электротермической установки периодического действия
полезная теплота
),(
ttcVQ −ρ=
(4)
12пол
где V – объём материала, м3; ρ – плотность материала кг/м; c –
удельная теплоёмкость материала Дж/(кг·°С); t
, t1 – конечная, на-
2
чальная температуры материала, °С.
6
При нагреве материала и его плавлении полезная теплота оп-
−
ρ
ределяется по формуле
+−ρ= )(
MQttcVQ
п
1пол2
, (5)
где М – масса материала; Q – удельная теплота плавления материала, Дж/кг.
При нагреве материала и его испарении полезная теплота оп-
ределяется по формуле
MrttcVQ
+−ρ= )(
п
1пол3
, (6)
где r – удельная теплота испарения, Дж/кг.
Полезная теплота при нагреве непрерывного действия опреде-
ляется по формуле
)(
=
ttcLQ
, (7)
12пол4
где L – объёмная подача нагреваемого материала, м3/с; при этом
P
= Q
; P
пол
пол
устройств; Q
– мощность, идущая на нагрев вспомогательных
пол
– мощность тепловых потерь.
пол
При проектировании с достаточной степенью точности можно
пользоваться формулой для определения потерь через плоскую
стенку:
,Ф
FP =
(8)
расчудпот
где F
– расчётная поверхность стенки, м2.
расч
Тепловые потери электротермических установок связаны с
тремя способами передачи теплоты: теплопроводностью, конвекцией и излучением, причём в установках передача тепла может
осуществляться одновременно двумя или всеми тремя перечисленными способами. Расчёт мощности тепловых потерь проводят по
формулам, известным из курса «Теплотехника и термодинамика».
Теплопроводность – процесс передачи теплоты в неравномерно
нагретом теле или непоср
едственно соприкасающихся телах, при
котором теплоту переносят микрочастицы веществ, перемещаю-
7
щиеся из областей высокой температуры в области низких темпе-
F
F
ратур. В наиболее чистом виде теплопроводность проявляется
внутри твёрдых монолитных тел или в очень тонких неподвижных
слоях жидкости или газа. Теплота передаётся лишь при наличии
разности температур между частями тела, системами тел и т.д., т.е.
в температурном поле. На основании гипотезы Фурье пове
ная плотность теплового потока (Вт/м
2
), передаваемого, например,
рхност-
через плоскую стенку определяется как
t
t Δ
λΔ
=
Ф
уд
l
, (9)
=
R
Т
l
где −
R
Т
ки, м;
площадь поверхности стенки, м
стенки, Вт/(м·
тепловое сопротивление стенки; l – толщина стен-
λ=F
tΔ – разность температур на поверхности стенки, °С;
2
; λ– теплопроводность материала
°С).
Конвекция – процесс переноса теплоты текущей жидкостью
или газом из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела одной температуры и потоком жидкости или газа с другой температурой называют конвективной теплоотдачей. Различают теплоотдачу при вынужденном движении жидкости или газа
(вынужденная конвекция) и при свободном движ
ении (естествен-
ная конвекция).
Тепловой поток (Вт) при конвективном теплообмене рассчитывают по формуле Ньютона:
tFΔα=
, (10)
кк
где
Ф
α
– коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2·°С); tΔ–
к
разность температур между твёрдым телом и газом или жидкостью;
– площадь поверхности твёрдого тела, м2.
–
8
Формула для удельного конвективного потока:
,Ф
tΔα=
(11)
кк.уд
4
26,3 tΔ=α
к
– для вертикальных стенок и труб;
к
4
55,2 tΔ=α
– для
горизонтальных, обращённых теплоотдающей поверхностью вверх;
4
64,1 tΔ=α – для горизонтальных, обращённых теплоотдающей
к
78,0
поверхностью вниз;
12,7 υ=α
к
– принудительное движение
воздуха.
Излучение – процесс переноса теплоты от одного тела к другому посредством электромагнитных волн через разделяющую тела
(прозрачную для волн) среду. Плотность теплового потока (Вт/м
передаваемого от излучателя, имеющего температуру Т
ваемому телу с температурой Т
, определяют по формуле закона
2
, к нагре-
1
2
),
Стефана–Больцмана: для абсолютно чёрного тела
4
)100/(Ф TС= , (12)
где С
– постоянная излучения абсолютно чёрного тела С0 =
0
= 5,67 Вт/(м
0к.уд.
2·К4
); T – абсолютная температура тела.
Формула передачи тепла излучением для системы из двух тел:
42
пр0к.уд
TTCC −=
4
(13)
1
],)100/()100/[(Ф
где С
– приведённая степень черноты для системы двух тел.
пр
Общий к.п.д. электротермических установок определяется
следующим способом:
(14)
,
ηη=η
где
η – электрический к.п.д.; тη – тепловой к.п.д.
э
тэобщ
Электрический к.п.д. зависит главным образом от способа
электронагрева:
1. Нагрев методом сопротивления –
η ≈ 1,0;
э
9
2. Электродуговой нагрев –
τ
η≈ 1,0;
э
3. Индукционный нагрев –
4. Диэлектрический нагрев (установки ВЧ) –
5. Диэлектрический нагрев (установки СВЧ) –
η
= 0,5…0,7;
э
η
= 0,4…0,5;
э
η = 0,7.
э
Термический к.п.д. показывает, какая часть тепловой энергии,
выделенной в нагревателе ЭТУ, идёт на повышение теплосодержания материала.
η
Для повышения термического к.п.д. (
) электротермические
т
установки проектируют таким образом, чтобы удельная площадь
ограждения (F
) была бы минимальной. Для практических расчё-
уд
тов термический к.п.д. можно определить по формуле
P
=η . (15)
т
пол
++ PPP
потвсппол
Удельный расход электрической энергии определяют на единицу объёма или массы нагреваемого материала. Удельный расход
электрической энергии на единицу объёма определяют по формулам:
а) для установок периодического действия
P
уст
=ω
1
; (16)
V
б) для установок непрерывного действия
P
уст
. (17)
=ω
1
L
Процессы нагрева электротермических установок, их отдельных элементов и нагреваемых материалов являются динамическими. Рассмотрим процесс изменения температуры электротермической установки или нагреваемого материала во времени. Для простоты допустим, что:
10