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
Мощность
P
определяется как
2
PP
потр2
t
+
20
⎛
⎜
+=
12
⎜
⎝
⎞
1
⎟
. (45)
⎟
t
+
20
⎠
2
Расчётная мощность:
– для однофазных нагревателей
;
PP =
(46)
2расч
– для трёхфазных нагревателей
1
. (47)
PP =
2расч
3
Расчётный ток нагревателя
P
I
расч
расч
= . (48)
U
При использовании нагревателей в виде двух плоскопараллельных пластин, размещённых в ёмкости из электроизоляционно-
j
го материала (при j <
), рабочая площадь, см2, каждого из элек-
доп
тродов
I
расч
S
=
расч
. (49)
j
По значению рабочей площади электродов S, с учётом конструктивных ограничений, определяют высоту h (см) и ширину b (см)
электродов так, чтобы hb = S, а межэлектродное расстояние, см:
2
SU
lρ= . (50)
P
расч2
Для цилиндрических коаксиальных электродов определяют
площадь S внутреннего электрода. Приняв один из параметров h
(высоту электродов) или d
(диаметр внутреннего электрода), рас-
2
21
считывают другой параметр как S = d2h. Затем находят диаметр
внешнего электрода:
2
2ρπ
=
fU
edd . (51)
12
P
2
Межэлектродное расстояние
−=dd
⎛
⎜
l
⎜
⎝
⎞
12
(52)
⎟
.
⎟
2
⎠
1.3.2. Косвенный электронагрев сопротивлением
Основным узлом ЭТУ, реализующим косвенный нагрев методом сопротивления, являются нагревательные элементы. Материал
нагревательных элементов выбирают в зависимости от значения
рабочей температуры и условий работы. Эти материалы, прежде
всего, должны быть:
1) жаростойкими;
2) жаропрочными;
3) технологичными.
Кроме перечисленных, добавляются также специфические
требования, обусловленные особенностями работы электронагревательных элементов:
я под действи-
1. Жаростойкость, т.е. они не должны окис
ем кислородного воздуха, высоких температур.
2. Достаточная жаропрочность может быть невелика, доста-
точно, чтобы нагреватели поддерживали сами себя.
3. Большое удельное сопротивление. Это объясняется тем, что
тонкие и длинные нагреватели не прочны, не удобны конструктивно, имеют малый срок службы.
4. Малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС).
имо для того, чтобы сократить пусковые толчки тока.
Это необ
ход
лятьс
22
Толчки могут достигать 4…5-кратного значения и длиться длительное времени из-за большой инерционности печи.
5. Электрические свойства нагревателей должны быть постоянны.
6. Нагреватели должны иметь постоянный размер.
7. Материалы должны хорошо обрабатываться.
Основные материалы, из которых изготавливаются нагрева-
тельные элементы ЭТУ – это, прежде всего, следующие сплавы:
– хромникелевые (нихромы);
– хромалюминивые (фехрали);
– хр
омник
ельалюминивые (нихром с алюминием).
Наиболее применяемые и отвечающие требованиям – это нихромы: Х20Н80; Х15Н60; Х25Н20; Х23Н18 и т.д. Чем больше никеля в сплаве, тем выше его качество и рабочая температура, но
одновременно с этим они и дороже. У фехралей более низкая
стоимость, но прочность пр
соких температурах хуже. Более
и вы
высокая прочность у фехралей – хромникельалюминивые сплавы
(Х15Н60Ю3А).
В ЭТУ с рабочими температурами
раб
применяют
С1250
°>t
неметаллические нагреватели из графита, тугоплавких металлов
и т.д.
Температурный коэффициент сопротивления нагревателей,
изготовленных из обычной стали, большой, жаростойкость и жаропрочность невысокие, сопротивление зависит от значения протекающего по ним тока. Однако они дешевы и недефицитны, поэтому их применяют для ЭТУ низкотемпературного нагрева
(300…400 °С).
Трубчатые электронагреватели (ТЭН) применяют для нагрев
а
воды, воздуха, растворов электролитов и других сред. ТЭН можно
размещать непосредственно в нагреваемой среде.
23
Рис. 4. Схема трубчатого нагревателя
ТЭН состоит из: 1) тонкостенной металлической трубки (оболочки); 2) ТЭН состоит из 1) тонкостенной металлической трубки
(оболочки); 2) нагревательной спирали, изготовленной из проволоки с большим удельным электрическим сопротивлением; 3) наполнителя (кристаллический оксид магния, или кварцевый песок);
4) контактных стержней; 5) изоляторов; 6) креплений. Контактные
стержни и проходные изоляторы надёжно герметизируют термовлагостойким лаком (рис. 4). В качестве материала оболочки об
используют: медь; латунь; углеродистую и нержавеющую сталь.
но
ыч-
Для рационального размещения ТЭНов в рабочей зоне электротермической установке им придают различную форму и устанавливают с помощью крепёжных устройств (штуцеров, планок
и т.п.).
Нагревательные элементы электротермических установок рассчитаны на конкретное значение мощности и напряжения. Чтобы
обесп
ечить номи
нальный режим, нагревательные элементы подключают к питающей сети соответствующего напряжения. В процессе работы электротермической установки мощность электрических нагревателей можно регулировать, например, изменяя напряжение питания U
или сопротивление нагревателя Rн. Наиболее
н
просто мощность регулировать ступенчато, переключая нагревательные элементы электротермических установок на различные
схемы соединения.
24
При этом изменяются либо число подключенных к сети элемен-
тов и их общее сопротивление, либо напряжение на каждом из них.
Нагреватели мощностью до 1 кВт обычно выполняют одно-
фазными, а свыше 1 кВт – трёхфазными.
Однофазные нагревательные установки с регулируемой мощностью имеют два или более нагревательных элемента (секции).
Регулируют мощность таких установок переключением секц
включая
их параллельно или последовательно.
ий,
По количеству всех электротермических установок электрические печи сопротивления ЭПС составляют 90%.
Методические ЭПС – рассчитаны на продолжительный режим
работы (непрерывный); садочные ЭПС – циклический периодический характер работы (рис. 5).
камерная камерная с выдвижным пазом шахная
колпаковая конвейерные
протяжённая туннельная
Рис. 5. Конструкции печей
25
Срок службы самых лучших 5…10 тыс. часов, тогда как кон-
π
=
струкционные части ЭТУ служат 5 – 10 лет.
Требования: 1) жаростойкость (окисление); 2) жаропрочность
(к механическим воздействиям); 3) большое удельное электрическое сопротивление; 4) малый температурный коэффициент сопротивления; 5) постоянство электрических свойств (удельное электрическое сопротивление); 6) постоянство размеров («растут», изменяются размеры на 30…40%); 7) хорошая обрабатываемость;
8) невысокая стоимость.
Чистые металлы ограниче
нно применяются: вольфрам, молиб-
ден, тантал, ниобий. В большей степени применяются нихромы
(сплавы) ρ = 1…1,2·10
–4
Ом·см.
Цель электрического расчёта нагревателей – определение их
размеров (сечение и длины).
Исходные данные для расчёта: напряжение питания U
мощность одного нагревателя Р
; условия работы нагревательных
н
пит
;
элементов, температурный режим. Расчёт нагревателей основан на
совместном решении, связывающих электрические и тепловые параметры нагревателей:
U
2
(53)
;
R ρ=
н
2
SU
=
l
=
ρ
P
П
н
=
IS
lS
P
н
P
н
, отсюда
P
2
ρ
P
2
. (54)
2
PU
Для круглого нагревателя сечение:
;П d
2
dSπ
=
.
4
26
Подставляем в формулу (54) и выражаем диаметр нагревателя:
+=+==
I
j
2
4PUP
ρ
н
d
=
3
π
;
l
22
=
= . (55)
ρ
UPRS
н
4 P
πρ
2
2
Для ленточного нагревателя:
,)1(2)(2П ; ambaabS
где
S
,/ abm =
2
R
ρ
=
a
н
– сечение нагревателя.
=
доп
н
2
2(1)
Um mP
2
mUPSR
;
l
= , (56)
−
=
ρ
нн
2
2
)1(4 Pm
ρ+
Также можно производить расчёт по допустимой плотности
тока материала (для нихрома j
= 4…30 А/мм2).
доп
Основные параметры можно рассчитать упрощённо с использованием таблиц по значениям рабочего тока и расчётной температуре. Температуру рабочей поверхности нагревателя t
принима-
раб
ют такой, чтобы она была больше технологически необходимой
температуры материала.
1.4. ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАГРЕВ
Коронный заряд – это устойчивый самостоятельный электрический разряд в газах или парах металла, характеризующийся
большой плотностью тока, низким падением напряжения на катоде
и высокой температурой канала разряда. В ЭТУ возбуждение дуги
происходит при первоначальном касании электродов, к которым
подведено напряжение. В момент короткого замыкания электроды
27
разогреваются. При отводе электродов за счёт термоэлектронной
(
ионизации газа возникает электрическая дуга, представляющая собой сильно ионизированную смесь газов и паров материала анода и
катода. Канал дуги по длине неоднороден и состоит из трёх последовательных участков:
1) прикатодный (–);
2) основной столб дуги;
3) прианодный участок (+).
Длина прикатодного участка около 10…6 м, напряженность
электрического поля ра
вн
Е
а
= 107…108 В/м, катодное паде-
эл.поле
ние напряжения 10…20 В (в зависимости от рода тока, материала
электрода, состояния газа). Температура прикатодного участка
составляет Т
10…6 м, анодное падение напряжения U
на участке достигает Т
= 2500…2800 К. Длина анодного участка более
катода
= 2…6 В, а температура
а
= 2700…4500 К.
анода
Электрическая дуга как потребитель электрической энергии
достаточно полно характеризуется статической вольт-амперной
)
характеристикой (ВАХ)
,ддIfU =
которую можно разбить на
область малых токов (до 80…100 А); средних токов (100…800 А);
высоких токов (больше 800 А) (рис. 6).
В I области
что с увеличением тока дуги
ВАХ имеет падающий вид. Это объясняется тем,
I
площадь поперечного сечения и
д
удельное электрическое сопротивление дуги увеличиваются быстрее, чем ток. При этом плотность тока j и напряжённость электрического поля Е уменьшаются.
Во II области напряжение на дуге практически не зависит от
силы тока, так как площадь поперечного сечения столба увеличивается пропорционально току.
28
Рис. 6. Вольт-амперная характеристика
электродугового нагрева
В III области при больших токах возрастание силы тока не сопровождается пропорциональным ростом катодного пятна. ВАХ
дуги получается возрастающей.
Для маломощных дуг напряжение
меньше напряжения
напряжение
U
U
зажигания. При силе тока дуги более 100 А
з
мало отличается от
п
практически не зависит от тока дуги, т.е.
U
погасания несколько
п
U
и напряжение Uд горения
з
.
UUU =≅
дпз
При включении индуктивности последовательно с дугой сдвигается ток относительно напряжения на угол φ. Изменяя значение
индуктивности, можно получить такой угол сдвига фаз, что при
уменьшении напряжения источника ниже напряжения горения дуги
ЭДС самоиндукции, складывающаяся с напряжением источника,
обеспечит напряжение, достаточное для поддержания горения дуги
начен
до тех пор, пока ток не перейдёт через нулевое з
ие. В этот
момент напряжение источника будет иметь другой знак и увеличится до значения, достаточного для зажигания дуги, т.е. ток в дуге
возникает без всякого перерыва.
29
Рис. 7. Синусоида при малом значении индуктивности
Рис. 8. Синусоида при большом значении индуктивности
При включении индуктивности последовательно с дугой –
кривая тока без перерывов (рис. 7 – 9).
30