электротехнология

приводит к увеличению термического КПД. Повысить значение термического КПД ( m) также можно, увеличив постоянную времени нагрева Т, т.е. снизив теплоотдающую способность установки. Для этого нужно применять более качественную теплоизоляцию или увеличивать её толщину, или уменьшать площадь ограждающей поверхности, так как:

где V – рабочий объём ЭТУ, м3; – плотность нагреваемого материала, кг/м3; с –

удельная теплоёмкость материала, Дж/кг·0С; F – площадь поверхности ограждения, м2; – коэффициент теплоотдачи через ограждающую поверхность; Fуд = F/ V – удельная площадь ограждения, 1/м.

Для повышения термического КПД ( m) электротермические установки проектируют таким образом, чтобы удельная площадь ограждения (Fуд) была бы минимальной.

Для практических расчётов термический КПД можно определить по формулам:

Удельный расход электрической энергии определяют на единицу объёма или массы нагреваемого материала, при обогреве поверхности – на единицу площади и т.д.

Удельный расход электрической энергии на единицу объёма определяют по формуле:

а) для установок периодического действия:

V

б) для установок непрерывного действия:

2.5. Выбор тепловой изоляции

Тепловая изоляция предназначена для снижения потерь теплового потока в окружающую среду. Уменьшить потери теплоты, и

следовательно, увеличить КПД электротермических установок можно двумя способами: 1) увеличить толщину изоляции; 2) применить изоляцию с меньшей теплопроводностью.

Вид изоляции обуславливается её стоимостью, температурными режимами, окружающей средой, санитарно – гигиеническими условиями и др.

Требования, предъявляемые к тепловой изоляции, многогранны и противоречивы: она должна быть как можно дешевле, тоньше, легче,

обладать достаточной механической прочностью, малыми теплопроводностью и электрической проводимостью, выдерживать высокие температуры.

Существующие термоизоляционные материалы не удовлетворяет всем этим требованиям в полной мере. Поэтому тепловую изоляцию делают многослойной. Слой изоляции, прилегающий к нагревателю,

выполняют из термостойкого материала. Его назначение – снизить температуру до уровня, который может выдерживать следующий слой тепловой изоляции, имеющий меньшую теплопроводность .

При выборе изоляционного материала следует учитывать такие важные факторы, как: температурные характеристики; теплопроводность изоляции ; механические свойства; химическую совместимость и коррозионную стойкость; влагостойкость; характеристики безопасности для персонала; огнестойкость; токсичность при горении; стоимость.

Выбор материала каждого слоя и его толщины есть технико-

экономическая задача по определению минимума приведенных затрат.

Рассмотрим методику её решения на примере однослойной тепловой изоляции.

Приведенные затраты:

где Т – разность температур, К; RТ – термическое сопротивление, К/Вт; сТ – стоимость тепловой энергии, руб/Дж; τИ – продолжительность работы установки в году, с; са – коэффициент, учитывающий издержки на амортизацию и ремонт, 1/год; Е – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, 1/год;

сИ – оптовая цена тепловой изоляции, руб/м3; И – теплопроводность изоляции, Вт/м·К.

Возьмём производную dЗ/dR и, приравняв её нулю, найдём экономически целесообразное термическое сопротивление:

2.6 Схемы включения нагревательных элементов и способы

регулирования мощности электротермических установок

Нагревательные элементы электротермических установок рассчитаны на конкретные значения мощности и напряжения. Чтобы обеспечить номинальный режим, нагревательные элементы подключают к питающей сети соответствующего напряжения.

В процессе работы электротермической установки мощность электрических нагревателей можно регулировать, например, изменяя напряжение питания Uн или сопротивление нагревателя Rн. Наиболее просто мощность регулировать ступенчато, переключая нагревательные элементы электротермических установок на различные схемы соединения.

При этом изменяются либо число подключенных к сети элементов и их общее сопротивление, либо напряжение на каждом из них.

Нагреватели мощностью до 1 кВт обычно выполняют однофазными,

а свыше 1 кВт - трёхфазными.

Однофазные нагревательные установки с регулируемой мощностью имеют два и более нагревательных элемента (секции). Регулируют мощность таких установок, переключением секций, включая их параллельно или последовательно. Так максимальная мощность будет у параллельно включённых секций:

В случае последовательно включённых секций электротермической

установки, её мощность будет минимальной:

Отношение этих мощностей при одинаковом значении питающего напряжения составляет:

Для трёхфазных электротермических установок число секций кратно трём, поэтому с учётом того, что такое соединение представляет собой симметричную систему:

б

Рис. 2.4 Схемы включения нагревательных секций: а и б – одно- и трёхфазных электронагревательных устройств

Для трёхфазных электротермических установок, у которых элементы

в секциях соединены по схеме «звезда»:

Для трёхфазных электротермических установок, у которых элементы в секциях соединены по схеме «треугольник»:

Изменяя схему включения нагревательных элементов, мощность можно регулировать ступенчато, что применимо, когда не требуется точное поддержание температуры и такое регулирование называется ступенчатым.

Регулировать мощность ЭТУ также можно отключая или включая часть электронагревательных элементов ЭТУ или полностью всей установки. Такой принцип изменения мощности ЭТУ достаточно просто реализовать на практике используя для этих целей релейно-контактную аппаратуру.

Изменением напряжения питания Uпит тоже можно регулировать мощность и более точно поддерживать температуру. Такое регулирование называется плавным.

Контрольные вопросы и задания. 1. Объясните, почему процесс нагрева ЭТУ имеет динамический характер? 2. Какие параметры входят в дифференциальное уравнение теплового баланса ЭТУ? 3. Какие постоянные параметры уравнения нагрева (охлаждения) Вы знаете и как они определяются? 4. Как изменяется процесс нагрева (охлаждения), скорость нагрева (охлаждения) и термический КПД от температуры и времени нагрева? 5. Какие тепловые потоки учитываются при составлении уравнения теплового баланса объекта? 6. Как определяются полезная, потребная и расчетная мощности ЭТУ? 7. Как определяется полезная мощность ЭТУ с учетом фазовых преобразований? 8. Как определяется тепловой поток, передаваемый конвективно или излучением? 9. Как определяются тепловой, электрический и общий КПД ЭТУ? 10. Перечислите способы регулирования мощности ЭТУ? 11. По каким показателям выбирается теплоизоляция?

РАЗДЕЛ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ МЕТОДОМ

СОПРОТИВЛЕНИЯ

3.1Способы электрического нагрева сопротивлением

Втехнологических процессах широко используют электронагрев сопротивлением, при котором электрическая энергия преобразуется в тепловую непосредственно в проводящей среде или проводнике,

включённых в цепь электрического тока.

В электротермических установках низкотемпературного нагрева (до

673…873 К) теплообмен происходит в основном за счёт теплопроводности

иконвекции. Такие установки применяют для нагрева воздуха, воды, для сушки с.х. материалов и других процессов.

Электротермические установки средне – и высокотемпературного нагрева используют для закалки, отжига, термической обработки металлов

ит.д. В этих установках температура нагреваемого материала или среды может достигать 1473…1523 К, а процессы теплообмена осуществляются за счёт конвекции и излучения.

Количество теплоты, выделенное в нагреваемом материале или среде, зависит от квадрата силы тока I, сопротивления нагреваемого материала R и времени нагрева τ и определяется по закону Ленца-Джоуля:

Электронагрев сопротивлением – наиболее простой и экономичный способ преобразования электрической энергии в тепловую. По способу выделения и передачи тепловой энергии нагреваемой среде или материалу различают прямой и косвенный нагрев.

Прямой нагрев сопротивлением применяют для электропроводящих сред и материалов. Нагрев осуществляется за счёт

заряды (электроны) направленно перемещаются. В проводниках второго рода (электролиты) под действием электрического поля перемещаются ионы.

Проводники I и II рода характеризуются различной способностью проводить электрический ток. Сопротивление проводника, Ом, сечение которого по всей длине постоянно:

где – удельное электрическое сопротивление материала проводника, Ом·м; l – длина проводника, м; S – площадь поперечного сечения проводника, м2.

С увеличением температуры проводника возрастает и его

где 20 – удельное электрическое сопротивление при температуре 200 С, Ом · м; ,

, = const – постоянные коэффициенты.

При невысоких температурах проводниковых материалов ( 3000 С)

можно записать:

(3.4)

Удельное сопротивление электролитов (проводников II рода) зависит от степени диссоциации, а сама степень диссоциации зависит от природы и концентрации электролита. Удельное сопротивление водных растворов можно определить экспериментальным путем.

С повышением температуры увеличивается степень диссоциации водных растворов, и, следовательно, изменяются удельное электрическое сопротивление и проводимость, которые можно определить по формулам

(для = 0,025 1/ºС):

. (3.5)

20 t 20

40

3.3 Электроконтактный нагрев

Электроконтактный нагрев связан с преобразованием электрической энергии в теплоту непосредственно в металлическом нагреваемом изделии

(детали) и применяется при нагреве заготовок или деталей из чёрных и цветных металлов, для термической обработки (закалка, отпуск, отжиг), а

так же с целью контактной электрической сварки давлением.

Электроконтактный нагрев деталей простой формы (валов, осей,

лент) (рис. 3.1) применяют, если необходимо их подвергнуть последующей термической и механической обработке. Деталь (заготовку) 1 включают в электрическую цепь и нагревают протекающим по ней электрическим током. Так как сопротивление детали мало, то, согласно уравнению (3.2),

для нагрева необходим ток большой силы, который подводят к ней при помощи массивных медных или бронзовых зажимов (контактов) 3 и 4,

подключенных во вторичную обмотку понижающего трансформатора 2.

Рис. 3.2. Простейшая схема установки для электроконтактного нагрева