Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ

УСТАНОВКИ КОСВЕННОГО НАГРЕВА

С АВТОМАТИЧЕСКИМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

ТЕМПЕРАТУРЫ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу «Электротехнологические установки и системы»

для студентов дневной и заочной форм обучения

специальностей ЭТС-180500 и ЭПП -100400

Электронное издание локального распространения

Одобрено

редакционно-издательским

советом Саратовского

государственного

технического университета

Саратов – 2006

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составитель: доц. Калганова Светлана Геннадьевна

Рецензент проф. Архангельский Ю.С.

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Научно-техническая библиотека СГТУ

Тел. 52-63-81, 52-56-01

htpp : // lib.sstu.ru

Регистрационный номер……

© Саратовский государственный

технический университет, 2006

Введение

Данная лабораторная работа входит в цикл работ по курсу «Электротехнологические установки и системы» и предназначена для ознакомления студентами с электротермической установкой косвенного нагрева, изучение ее основных конструктивных особенностей, энергетических и эксплуатационных характеристик, возможностей применения для различных технологических процессов, связанных с нагревом материалов.

Подготовка к выполнению работы ведется студентами самостоятельно путем изучения общих характеристик электротермической установки косвенного нагрева. Студентам необходимо использовать материалы данных методических указаний, учебников, конспектов лекций. К выполнению работы допускаются студенты, усвоившие материал основных разделов методических указаний.

При выполнении лабораторной работы студенты изучают условия эксплуатации электротермической установки косвенного нагрева, знакомятся с технической характеристикой и схемой двухпозиционного регулирования температурой.

Цель работы: знакомство со схемой управления, автоматического контроля и регулирования температуры в электротермической установке с вынужденной конвекцией, оснащенной тиристорным прерывателем.

1. Теоретические сведения

Электротермические установки косвенного нагрева широко распространены во всех отраслях народного хозяйства и существенно различаются по технологическим, конструктивным, эксплуатационным и энергетическим признакам. Они находят широкое применение в быту, сельском хозяйстве и промышленности для обогрева помещений, термической и пластической обработки различных материалов, для сушки, осуществления химических процессов и т. п.

В установках косвенного нагрева тепло выделяется при протекании электрического тока в специальных нагревательных элементах, а затем передается нагреваемому материалу путем теплопроводности, конвекции и излучения. В зависимости от вида нагреваемого материала и температуры нагревательного элемента может преобладать тот или иной способ теплопередачи.

Нагревательные элементы могут выполняться из различных материалов: карборунда, графита, дисилицид-молибдена, сплавов хрома, никеля, алюминия, железа и других металлов.

Нагревательные элементы и нагреваемый материал обычно помещают в нагревательную камеру, выполненную из огнеупорного материала, например, шамотного кирпича, и имеющую соответствующую тепловую изоляцию из нескольких слоев асбеста, стекловаты или других материалов с низким коэффициентом теплопроводности. Такое устройство в виде теплоизолированной нагревательной камеры с размещенными в ней нагревательными элементами называют электрической печью.

В электрических нагревательных печах осуществляется нагрев материалов до определенной, заранее заданной температуры. Большей частью после этого следует период выдержки, необходимый для выравнивания температуры в изделиях или для протекания в них внутренних процессов. Следовательно, основная задача устройств автоматического регулирования в установках косвенного нагрева — поддержание температуры на заданном уровне с требуемой точностью путем изменения напряжения на нагревательных элементах.

При конструировании и расчете нагревательных элементов печей косвенного нагрева предусматривается возможность их параллельного, последовательного или комбинированного включения с целью приближения конкретного технологического режима к напряжению источника питания.

Снизить подводимое к печи напряжение можно путем включения балластных резисторов, однако при этом уменьшается к.п.д. установки η_э, так как

г де U_с — напряжение сети; U₆ — напряжение на балластных резисторах.

Включение же балластных индуктивностей L_б снижает cos φ установки:

cos φ≈ U_п /U_c,

где U_n — напряжение на нагревательных элементах.

Применение для этих же целей секционированных трансформаторов или автотрансформаторов значительно удорожает установку.

В последние годы разработаны и широко применяются различные схемы встречно-параллельного включения тиристоров, позволяющие регулировать действующее напряжение на нагрузке путем изменения угла включения тиристоров а, что приводит к изменению угла их проводимости. Это в значительной степени повышает точность поддержания температурных режимов.

Наиболее часто в электрических печах применяется двух-позиционное регулирование, при котором печь периодически включается на номинальную мощность или полностью отключается. Изменением соотношения времени включенного и отключенного состояния печи можно в широких пределах менять среднюю подводимую мощность или поддерживать ее на определенном уровне. При данном способе регулирования во всем интервале изменения мощности от максимума до нуля коэффициент мощности печи остается постоянным, а кпд. не ухудшается. Этими преимуществами двухпозиционного регулирования объясняется его широкое распространение.

В настоящей работе, посвященной исследованию электротермической установки с автоматическим регулированием температуры, применена схема двухпозиционного регулятора температуры с использованием в качестве пускорегулирующего аппарата тиристорного контактора.

При двухпозицнонном регулировании (рис.1,а) температура поддерживается у заданного значения T_зад в пределах ΔT, определяемой зоной нечувствительности регулятора. При включении электротермической установки температура в печи растет. Так как номинальная мощность Р_н нагревательных элементов выбирается с запасом, то максимальная температура в печи может значительно превосходить рабочую T_зад.

Рис.1. Рост температуры электротермической установки (а) при разогреве печи с нагрузкой и без нагрузки; средняя мощность печи в режиме регулирования (б)

При разогреве печи потребляемая мощность постоянна, и в момент времени t_l температура достигает значения T_зад + ΔT₁. Сразу же срабатывает регулятор, и потребляемая мощность уменьшается или становится равной нулю, а температура в печи уменьшается до тех пор, пока не достигнет нижней границы T_зад − ΔT₂ зоны нечувствительности регулятора.

Средняя мощность печи Р_ср в режиме регулирования (рис.1,6) зависит от соотношения сумм интервалов времени ее включенного (t_вкл) и отключенного (t_откл) состояний в течение всего времени регулирования:

Основное условие нормальной эксплуатации электротермических устройств косвенного нагрева заключается в том, чтобы на каждом участке нагревательного элемента существовало равновесие между подводимой мощностью и мощностью, рассеиваемой в окружающее пространство без превышения установленной температуры нагревательных элементов Т_нэ.

При питании нагревательного элемента с поперечным сечением S, длиной l, удельным сопротивлением ρ и напряжением U_р в нем выделяется мощность

С учетом поверхностной удельной мощности p_F для известной конечной температуры нагрева можно получить удобное для расчетов соотношение

где П — периметр нагревательного элемента.

Задаваясь прямоугольным профилем сечения материала нагревательного элемента с толщиной ленты h и шириной nh, где п — коэффициент отношения сторон, можно из предыдущей формулы получить

а для круглого сечения диаметр материала определяется из выражения

.