Учебное пособие 1500
.pdfСиловые трансформаторы электроконтактных установок работают в повторно-кратковременном режиме, который характеризуется относительной продолжительностью включения
x=tн/(tн+tз), (43)
где tн – время нагрева заготовок, с; tз – время загрузочно-разгрузочных и транспортных операций, с.
С учетом (43), расчетная мощность трансформатора
S p |
S |
x |
|
, кВА. |
(44) |
|
|
||||
|
|
|
|||
1000 |
|
||||
|
|
|
|
КПД (а) и коэффициент мощности (б) электроконтактных установок
а) б)
Рис.2: 1-двухпозиционные установки при поочередном нагреве двух заготовок; 2-двухпозиционные установки при одновременном нагреве двух заготовок; 3-однопозиционные установки.
2.4. Электроконтактная сварка
При контактной сварке места соприкосновения деталей нагреваются до температуры пластического состояния. Количество теплоты, выделяемое при пропускании электрического тока в месте сварки, пропорционально сопротивлению Rn контакта стыка
Rn |
k1kT |
|
,Ом, |
(45) |
(0,1F ) |
m |
|||
|
|
|
|
где k1- коэффициент, зависящий от материала свариваемых деталей; m- показатель, зависящий от формы поверхностей контактируемых деталей (табл.2); F –усилие сжатия контакта, Н;
kT=1+0,67 Т(Тк-293)- |
(46) |
температурный коэффициент; Т- температурный коэффициент сопротивления контактов, К-1, Тк- температура контакта, К.
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
Значения коэффициента k1 |
и показателя m |
|
|||
|
Материал контактов |
|
k1 |
Форма поверхностей |
m |
|
|
|
|
|
|
|
Алюминий-алюминий |
|
0,00б0 |
Плоскость-плоскость |
1,00 |
|
Алюминий-сталь |
|
0,0044 |
Сфера-сфера |
0,75 |
|
Латунь-сталь |
|
0,0030 |
Линейный контакт |
0,50 |
|
Сталь-сталь |
|
0,0076 |
----------- |
- |
|
|
|
|
|
|
2.5. Электродный нагрев
Применяют для нагрева материалов, обладающих ионной проводимостью, Используется только переменный ток во избежание электролиза воды, Электроды металлические – из титана, углеродистой или нержавеющей стали, электротехнического графита. При плотности тока до 2*103 А/м2 для изготовления электродов целесообразно применять нержавеющую сталь по условиям коррозионной стойкости, а при больших плотностях тока – углеродистую сталь.
Для горячего водоснабжения, теплоснабжения и получения пара низкого давления применяют электрические водонагреватели и паровые котлы. Режим работы электродных аппаратов нагрева воды зависит от ее удельного электрического сопротивления, колеблющегося от 5 до 300 Ом м. Точное определение удельного электрического сопротивления возможно только опытным путем (используются кондуктометры, например типа ММ 34-04). Для ориентировочного определения удельного сопротивления возможно применение зависимости, вида
T |
|
|
293 |
,Ом м, |
(47) |
|
1 |
T1(T 293) |
|||||
|
|
|||||
|
|
|
где Т1- температурный коэффициент электрического сопротивления, отражающий относительное уменьшение электрического сопротивления при повышении температуры на 1 К; Т – температура, для которой рассчитывается удельное сопротивление.
Для растворов щелочей и солей Т1=0,02…0,035 К-1, кислот –0,01…0,016 К-1, что позволяет на практике применять упрощенную зависимость,
справедливую для усредненного значения |
Т1=0,025 К-1 |
|||
|
40 |
293 |
|
|
T |
|
. |
(48) |
|
|
|
|||
T 253 |
|
|||
|
|
В отличие от водонагревателей, физическое состояние воды в котлах в установившемся режиме работы меняется по высоте электродной системы. В нижней зоне вода нагревается до 358…368 К, в средней – до температуры кипения при заданном давлении, а в верхней интенсивно образуется насыщенный пар. Удельное электрическое сопротивление сложной системы –пароводяной смеси, - зависит от температуры и концентрации солей в котловой воде, объемного паросодержания, конструктивных параметров электродной системы и ряда других факторов. На практике удельное сопротивление определяют опытным путем, а для электродной системы с коаксиальными цилиндрическими электродами оно может быть рассчитано по формуле
|
|
|
3 |
|
|
nc T |
T 1 27,4 |
P |
|
Ом м |
(49) |
|
|
||||
|
|
dbhr |
|
||
|
|
n |
|
где Т –удельное электрическое сопротивление воды при температуре кипения, Ом м; - коэффициент, учитывающий влияние парообразования на удельное электрическое сопротивление котловой воды; Р- мощность электродной системы парового котла, Вт; db- диаметр внутреннего электрода, м; h – высота электродной системы, м; r - теплота парообразования, Дж/кг; n-плотность пара при заданном давлении, кг/м3. Для экранированной электродной системы с пластинчатыми электродами, расположенными по углом 120о и термосифонной циркуляцией воды, влияние парообразования на удельное электрическое сопротивление может быть учтено значением =1,25…1,3.
Безаварийность и нормальное функционирование котла обеспечиваются при контроле и стабилизации на расчетном уровне удельного электрического сопротивления рабочей среды, плотность тока на электродах и напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве. Необходимо стремиться к созданию условий, выравнивающих по зонам нагрева удельное электрическое сопротивление смеси, напряженность электрического поля и плотность тока на электродах.
В системах с дуговыми пластинчатыми и коаксиальными цилиндрическими электродами напряженность поля и плотность тока в
поперечном сечении межэлектродного пространства не постоянны и определяются зависимостями
E |
U |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
r ln |
rn |
, |
(50) |
|||
|
||||||
|
rv |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
J |
U |
|
|
E |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
r T ln |
rn |
|
|
T , |
(51) |
||
|
|
|
|||||
|
rv |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где U – напряжение между электродами, В; rn, rv- радиусы наружного и внутреннего электродов, м; r- текущий радиус точки в межэлектродном пространстве, м.
При r=rv E=Emax ,J=Jmax и, поскольку объемная плотность мощности Pv=EJ, у электрода с меньшим радиусом все эти параметры максимальны.
Поэтому, коаксиальные и дуговые электроды непригодны для использования в котлах.
В электродных системах с плоскопараллельными электродами электрическое поле однородно. Его напряженность
E |
U |
const , |
|
|
|
(52) |
|||
hэ |
||||
|
|
|
где hэ- расстояние между электродами, м.
Условия, создающиеся при этом, наиболее благоприятны для работы электродных аппаратов.
2.6. Расчет электродных водонагревателей и паровых котлов
Цель расчета – выбор рациональной формы электродов и определение размеров электродной системы, определение мощности и диапазона ее регулирования, проверка работоспособности аппарата по напряженности поля и плотности тока на электродах.
Необходимые исходные данные: а) проточные водонагреватели -объемный расход воды, Vt,
-температура воды на входе Твх и выходе Твых б) непроточные водонагреватели
-объем нагреваемой воды V,
-время нагрева t,
-начальная Т1 и конечная Т2 температура воды в) паровые котлы
-массовый расход пара mt, -рабочее давление Hp,
-температура Тs кипения воды при заданном давлении.
В водонагревателях можно использовать любую электродную систему, в паровых котлах – экранированные электродные системы с плоскопараллельными или пластинчатыми электродами, расположенными под углом 120о (рис.3).
Электрическая схема соединений электродных систем с цилиндрическими и пластинчатыми электродами ( рис.3,а,б) –типа “звезда”, с плоскопараллельными – “треугольник”. Максимальные значения соответствующих напряженностей электрического поля и геометрические коэффициенты формы электродных систем приведены в таблице 3.
Электрические схемы соединений трехфазных электродных систем
2rn
2rv
а)
r2 |
hэ |
|
|
|
hh h |
h |
h hh |
r1 |
rэ |
|
|
|
б) |
b |
hэ |
в)
Рис.3:а) с цилиндрическими коаксиальными электродами; б) с пластинчатыми электродами; в) с плоскопараллельными электродами.
Электрический расчет электродных систем состоит из следующих этапов: 1.Расчет фазного сопротивления
|
3U |
2 |
|
|
|
Rф |
|
л |
|
|
|
P |
|
, |
(53) |
||
|
|
||||
|
|
2 |
|||
|
U |
|
|
||
|
|
л |
|
|
Rф P
где Rф , Rф - фазное сопротивление электродной системы при ее
соединении треугольником и звездой, Ом; Uл- линейное напряжение, В; P- мощность электродного аппарата, Вт.
Таблица 3 Значения максимальной напряженности электрического поля и
геометрического коэффициента формы для электродных систем по рис.3
Схема |
Максимальное значение |
Геометрический |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
электродной |
напряженности |
|
|
|
коэффициент формы |
|
||||||||||||||||||||||
системы |
электрического поля, В/м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Рис.3,а |
|
|
|
|
|
|
U ф |
|
|
|
kэг |
|
1 |
ln |
rn |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Emax |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
rv ln |
|
rn |
|
2 |
|
rv |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
rv |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Рис.3,б |
|
|
|
Uф |
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
rэ |
|
|
|
ln |
r1 |
|
ln |
rэ |
|
|||||
|
Emax |
k |
, k |
1 |
эг |
|
|
|
r1 |
|
r |
r |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
hэ |
|
|
b ln |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
э |
2 |
|
|||||||
Рис.3,в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U л |
|
|
|
|
|
|
k эг |
|
|
hэ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Emax |
k |
|
hэ |
, k |
1 |
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Приближенно значение фазного сопротивления может быть определено по геометрическим размерам электродной системы
Rф |
kэг |
T , |
(54) |
|
h |
||||
|
|
|
||
где h – высота электродной системы, м; |
Т- удельное электрическое |
сопротивление нагреваемого материала, Ом м.
Значения фазного сопротивления, определенные по (53) и (54) должны совпадать. При этом (54) может использоваться как для расчета фазного сопротивления, так и для определения геометрических параметров электродной системы при заданном (рассчитанном по (53)) значении Rф. 2.Мощность электродной системы, Вт
|
3U 2 |
|
3U 2 h |
|
3U 2 h(T |
253) |
|
|
|
P |
ф |
|
ф |
|
ф |
|
|
|
|
Rф |
|
T kэг |
40 293 |
k |
. |
(55) |
|||
|
|
||||||||
|
|
эг |
|
3.Ширину электрода выбирают по конструктивным соображениям.
4. Расстояние между плоскопараллельными электродами
hэ U ф ,
Eдоп
где Eдоп – допустимая напряженность электрического поля, В/м.
Для коаксиальных цилиндрических электродов оптимальное отношение диаметров
dn/dv=e=2,718
Минимальный диаметр внутреннего электрода dv определяют исходя из допустимой плотности тока и допустимой напряженности электрического
поля. Максимальная плотность тока на электродах J max K Н I / Aэ , где
KН=1,1…1,4 – коэффициент учета неравномерности плотности тока по поверхности электрода, I – сила тока, стекающего с электрода, А; Аэ – наименьшая активная поверхность электрода, м2.
С учетом (55) максимальное значение плотности тока можно определить в виде
J max |
K Н U ф h K Н U ф h |
|
2K Н U ф |
|
|||||||
k |
А |
|
k |
d h |
|
|
dn |
. |
(56) |
||
T эг |
э |
|
T эг |
n |
|
T dv ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dv |
|
Если ln |
d n |
1 , то |
|
dv |
|||
|
|
Jmax |
|
2K НUф |
|
|
|||
|
T dv |
. |
(57) |
||||
|
|
|
|
|
|
||
Учитывая, что Eдоп=Jдоп Т |
, из (57) можно определить внутренний диаметр |
||||||
электрода |
|
|
|
|
|
|
|
dv |
2K НUф |
|
|
|
|
||
|
Eдоп |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
Для водонагревателей |
=1. |
|
Для паровых котлов с пластинчатыми электродами, расположенными под углом 120о (рис.3,б) расстояние между электродами определяется по формуле
h 2,18 |
KэпPAh |
(1 |
Tnc 273 |
) |
2,18 |
KэпPAh |
|
546 Tnc |
, м |
|
|
|
|
||||||
э |
|
273 |
|
|
|
273 |
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
n n |
|
|
|
n n |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
где Kэп – электрический паровой эквивалент (отношение массы образованного пара к подведенной электрической энергии), кг/Дж; PA – удельная поверхностная мощность, снимаемая с электродов, Вт/м2; h- высота электродов в зоне интенсивного парообразования, м; n=0,28…0,3 – скорость движения пузырьков пара, м/с; nc – плотность пара при заданном давлении, кг/м3; Tnc- температура пароводяной смеси в котле, К.
5. Высота электродов для проточных и непроточных водонагревателей с цилиндрическими коаксиальными электродами
h |
40 293kэгCm |
вVt |
|
ln |
Tвых |
253 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
253 ,м, |
(58) |
||||||||
|
|
3U 2 |
|
|
|
|
|
|
Tвх |
|||||
|
|
|
ф Т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
в – плотность воды, кг/м3. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Для непроточных водонагревателей в (58) следует принять |
|
|||||||||||||
Vt |
V / t;Tвх |
T1;Tвых |
|
T2. |
|
|
|
|||||||
6.Мощность водонагревателя |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
P |
Cm вVt |
(T |
|
T ) |
|
Cm вVt |
(T 253)(e A /Vt |
1) Вт, |
||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
вых |
|
вх |
|
|
|
|
вх |
|
|||
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
||
(59) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3U |
2 |
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
A |
|
|
ф Т |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
|
|
|
|
|
|
- расчетная величина, не зависящая от |
|||||||
40 293kэгCm в |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
расхода воды.
2.7. Косвенный нагрев
Основной элемент ЭТУ косвенного нагрева – электрический нагреватель. По исполнению различают открытые, защищенные и герметические нагреватели.
В нагревателях открытого исполнения (рис.4) нагревательное сопротивление не изолируют от нагреваемой среды. Их изготовляют из материала с высоким удельным сопротивлением в виде проволочных или ленточных зигзагов, проволочных спиралей, и крепят на керамических стержнях, трубах или изоляторах в воздушном потоке (электрические калориферы) или воздушном пространстве (электрические печи).
Конструкция нагревателей открытого исполнения Рис.4
В нагревателях защищенного исполнения резистивное тело размещают в защитном корпусе, предохраняющем от механических воздействий и нагреваемой среды.
Наиболее совершенными и универсальными являются герметические трубчатые электронагреватели (ТЭН, рис.5), выпускаемые на напряжения от 12 до 380 В, мощностью от 100 Вт до 25 кВт, развернутой длиной от 0,25 до 6,3 м и диаметром трубки от 6 до 16 мм.
Трубчатый электронагреватель (ТЭН)
Рис. 5 : 1- контактный стержень; 2- нагревательная спираль; 3- оболочка (трубка); 4 – контактное устройство; 5 – наполнитель (периклаз). Трубки ТЭН изготавливают из углеродистой стали, меди, латуни и нержавеющей стали.
ТЭН с трубками из нержавеющей стали применяют при нагреве свыше 720 К и для нагрева агрессивных сред. Поскольку спираль плотно запрессована в трубку, ТЭН обладает повышенной ударо- и вибростойкостью.
Маркировка ТЭН ТЭН – 123/456,
где 1-развернутая длина, см; 2-условное обозначение длины контактного стержня в заделке (табл.4); 3-наружный диаметр оболочки, мм; 4- номинальная мощность, кВт; 5- условное обозначение нагреваемой среды (табл.5); 6- номинальное напряжение питания, В.
В развитии низкотемпературного нагрева перспективным является создание тонкослойных поверхностно - распределенных резистивных электронагрева тельных элементов (ПЭН).
Таблица 4 Длина контактного стержня для разных обозначений
Обозначение |
А |
Б |
В |
Г |
Д |
Е |
Ж |
З |
Длина, мм |
40 |
65 |
100 |
125 |
160 |
250 |
400 |
630 |
Наиболее перспективны ПЭН на основе композиционных материалов, выпускаемые как в виде съемных электронагревателей, так и в виде элементов конструкции ЭТУ. В съемном ПЭН нагревательное сопротивление в виде токопроводящих нитей, длинных волокон или зернистой структуры герметически изолировано от нагреваемой среды стеклотканевым, полимерным, резиновым или другим теплостойким покрытием. Такие ПЭН размещают в нагреваемой среде или крепят на поверхности нагреваемых конструкций. В совмещенных конструкциях ПЭН он в виде тонкой пленки наносится на электроизолированный нагреваемый элемент ЭТУ (емкость, воздуховоды, стены, панели, коврики и т.д.)
Токопроводящая пленка изготавливается из материала с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, что обеспечивает работу нагревателя в режиме саморегулирования. При отсутствии теплосъема с поверхности ПЭН он нагревается только до температуры устойчивого равновесия. При уменьшении коэффициента теплоотдачи сопротивление пленки снижается, что приводит к автоматическому росту потребляемой мощности и температуры нагревательного устройства. Прозрачность ПЭН позволяет применять их для обогрева стеклянных поверхностей для исключения их замораживания.
Таблица 5 Условные обозначения нагреваемой среды и допустимые значения
удельного поверхностного теплового потока ФАдоп *104 Вт/м 2 для ТЭН
Обознач |
Нагреваемая |
Характер нагрева |
Материал оболочки |
ФАдоп |
ение |
среда |
|
|
|
среды |
|
|
|
|