3. Расход электроэнергии при высокочастотном нагреве

При нагреве энергия, выделившаяся в толще материала в виде тепла, может расходоваться на:

1. нагрев материала;

2. возмещение скрытой теплоты парообразования, плавления, химической реакции, растворения;

3. потери в окружающую среду.

Мощность, кВт, необходимую для нагрева вещества можно рассчитать по формуле

(6.1)

где G – вес нагреваемого материала, кг;

с – удельная теплоемкость, ккал/(кг∙⁰С);

t₁ – начальная температура материала, ⁰С;

t₂ – конечная температура материала, ⁰С;

τ₁ – время нагрева, с.

Мощность для нагрева материала можно определить также по номограмме, показанной на рис. 6.4, где по оси абсцисс отложен вес материала, умноженный на скорость нагрева (кг∙⁰С/мин), а по оси ординат – необходимая для нагрева мощность (Вт). Прямые имеют различный наклон в зависимости от удельной теплоемкости материала.

При сушке материала, например, древесины, наряду с нагревом происходит испарение влаги. В этом случае мощность, потребляемая на парообразование, кВт, определяется по формуле:

(6.2)

где G₂ –G­₁ – изменение веса материала, кг;

q – скрытая теплота парообразования, ккал/кг;

τ₂ – время, затраченное на испарение влаги, с.

Полезную мощность, необходимую для перехода вещества из одного состояния в другое, можно определить также с помощью номограммы (рис. 6.5). По оси абсцисс отложен вес материала, переходящего из одного состояния в другое в течении одной минуты, а по оси ординат – мощность необходимая для плавления или испарения.

Кроме того, при нагреве часть полезной мощности расходуется на тепловые потери, которые зависят от характера поверхности материала, температуры и скорости движения воздуха, а также от температуры окружающих тел. При приближенных расчетах процессов, когда скорость нагрева велика, потерями можно пренебречь.

Таблица 6.1.

Материал	с, ккал/(кг∙^0С)	ε	tgδ
Асбест	0,57
Вода	1	80,08
Смола мусковит	0,2	4,5-8
Абсолютно сухая древесина	0,38
Дуб (8% весовой влажности)	0,57
Сосна (8% весовой влажности)	0,65
Стекло	0,2	4-10	1,5∙10^-3
Фарфор электротехнический	0,26	6,5	20∙10^-3
Эбонит	0,34	2,7-3,7	(4-20)∙10^-3
Мрамор	0,21	8-10	(10-80)∙10^-3
Асбестцемент	1,13

Таблица 6.2.

Материал	Теплота, ккал/кг		Температура, ^0С
	Плавление	Испарение	Плавление	Испарение
Аммиак	-	300	-	-33
Вода, лед	80	539	0	100
Парафин	35	-	54	300
Сера	9	362	113	444
Этиловый спирт	23	85	-144	78

Рис. 6.4. График для определения мощности нагрева

Рис. 6.5. График для определения мощности плавления и испарения

Описание лабораторной установки

Высокочастотная установка ВЧД2-1,6/40 предназначена для предварительного нагрева таблетированных пресспорошков в электрическом поле высокой частоты при изготовлении пластмассовых изделий.

Установка имеет следующие основные параметры:

Мощность, потребляемая от сети - 3,7 кВА,

Мощность номинальная колебательная - 1,6 кВт,

Напряжение питающей сети - 380/220 В,

Рабочая частота -40,68±1% МГц.

Анодный ток - до 0.8 А,

Сеточный ток - 0.2..0.27 А,

Загрузка конденсатора - 0.2..0.6 кГ,

Конечная температура нагрева таблеток - 110±5⁰ С,

Время нагрева - 30..90 сек,

КПД генератора - выше 0.55,

Производительность - 9 г/c.

Установка состоит из генератора, механизма перемещения пластин, листа выдвижного, панели приборов, выпрямителя, анодного трансформатора, вентилятора. Установка выполнена в виде металлического шкафа 1 (рис.6.6), в котором размещены: генераторный блок 2 с камерой рабочего конденсатора, анодный трансформатор 3, высоковольтный выпрямитель 4, вентилятор 5, аппаратура цепей питания и управления 6. Приборы контроля и управления смонтированы на лицевой панели 7. Доступ к оборудованию осуществляется через двери 8 и 9, имеющие электромеханическую блокировку. Установка имеет механизм перемещения верхней пластины рабочего конденсатора 10 с выведенной наружу рукояткой управления 11. Экранирована от излучения радиопомех.

Рис. 6.6. Высокочастотная установка:

1 – шкаф; 2 – генераторный блок; 3 – анодный трансформатор;

4 – выпрямитель; 5 – вентилятор; 6 – панель питания и управления;

7 – панель лицевая; 8 – дверь; 9 – дверь; 10 – механизм перемещения пластин; 11 – рукоятка управления

Принцип работы установки заключается в преобразовании переменного напряжения промышленной частоты в высокое напряжение с частотой 40,68 МГц. Схема установки состоит из следующих основных элементов:

а) цепей высоковольтного выпрямителя,

б) лампового генератора,

в) цепей управления, защиты, сигнализации.

Питание высоковольтного выпрямителя осуществляется от анодного трансформатора. Высоковольтный выпрямитель собран по двухполупериодной трехфазной схеме на диодах Д-1009 А (рис.6.7).

В схеме предусмотрено одноступенчатое переключение выпрямленного напряжения с половинного на полное переключателем 2П.

Высокое напряжение от выпрямителя подается через проходной конденсатор 5С и анодно-разделительный дроссель 1L на анод генераторной лампы 1Л. Ламповый генератор собран на генераторном триоде ГУ-56 по схеме с общим анодом и обратной связью за счет емкостной проводимости на участке «сетка-катод». Анодный колебательный контур состоит из регулируемой анодной индуктивности 5L, рабочего конденсатора 14С и переменного регулировочного конденсатора 13С.

Изменение коэффициента обратной связи осуществляется сеточной индуктивностью 2L. Напряжение отрицательного сеточного смещения образуется за счет протекания постоянной составляющей сеточного тока по сопротивлению 7R. Сопротивление 6R – антипаразитное. Разделение постоянной и переменной составляющих анодного и сеточного токов осуществляется дросселями 1L, 3L, и конденсаторами 6С и 7С соответственно.

Дроссель безопасности 4L служит для защиты рабочего конденсатора от попадания постоянного высокого напряжения в случае пробоя анодно-разделительного конденсатора 6С. Конденсаторы 4С, 11С, 12С, блокируют сопротивление 6R и измерительные приборы от попадания на них токов высокой частоты.

Цепи управления допускают включение установки только в определенной последовательности, обеспечивающей правильную эксплуатацию всей аппаратуры. Включение установки производится пакетным выключателем 1ПВ. Если закрыть двери установки, то при включении пакетного выключателя 1ПВ и автоматического выключателя 2АВ начинает работать электродвигатель вентилятора 1ДВ.

Первая ступень накала лампы включается пакетным выключателем 2ПВ через пусковое сопротивление 5R. Включение второй ступени накала происходит автоматически через 30 сек. после включения первой. Этот промежуток времени обеспечивается термореле времени 1РВ, которое после разогрева замыкает свой контакт и включает магнитный пускатель 2ПМ. Последний блокирует контакты реле времени 1РВ, разрывает цепи питания этого реле и шунтирует пусковое сопротивление 5R, в результате чего на накал генераторной лампы подается номинальное напряжение и загорается лампочка Л1 зеленого цвета.

Включение высокого напряжения осуществляется следующим образом:

а) выдвигается до отказа поднос, вследствие чего замыкается микровыключатель 4МП;

б) нажимается кнопка 1КУ «нагрев», при этом включается магнитный пускатель 3ПМ, который подает напряжение на анодный трансформатор 1Т, а блок-контакт пускателя 3ПМ блокирует кнопку 1КУ. В момент начала нагрева загорается красная сигнальная лампочка Л2.

При обслуживании и ремонте установки необходимо строго соблюдать правила по технике безопасности. Условия безопасной работы с установкой являются:

а) исправность блокировки дверей, подноса;

б) наличие на месте съемной крышки генераторного блока;

в) надежность заземления корпуса установки;

г) наличие резиновых высоковольтных ковриков или изоляционных подставок на полу перед установкой.

К работе с установкой могут быть допущены лица, имеющие группу по технике безопасности не ниже II – ой и прошедшие инструктаж по ТБ.

Рис.6.7. Двухполупериодная трехфазная схема высоковольтного выпрямителя

Программа работы

1. Подготовить установку к работе, для этого:

а) включить вводной автомат,

б) включить пакетный выключатель 1ПВ, при этом включается двигатель вентилятора;

в) включить пакетным выключателем 2ПВ первую степень накала генераторной лампы. Через 30 сек. должна автоматически включиться вторая ступень накала и загореться сигнальная лампочка зеленого цвета;

г) выдержать установку в этом режиме в течение 15 мин (операция «жесточения» генераторной лампы);

д) вдвинуть поднос без образца до отказа, переключатель анодного напряжения 2П установить в положение 50%, нажать на кнопку «нагрев» и регулировкой зазора рабочего конденсатора произвести предварительную настройку рабочего режима. Показания приборов должны быть равными половине значения, заданных преподавателем;

е) выдержать установку в этом режиме работы в течении 15 мин (тренировка генераторной лампы), после чего ее можно считать готовой к работе.

2. Произвести нагрев образцов в соответствии с заданием преподавателя (нагревается три образца – из сухой древесины, из влажной древесины, асбестцемента) в следующем порядке:

а) поместить образец в зазор рабочего конденсатора

Примечание: перед выдвижением подноса из установки обязательно отключить анодное напряжение кнопкой 2КУ, при выдвижении не прилагать значительных усилий и следить за отсутствием перекосов;

б) переключатель анодного напряжения 2П установить в положение «100%»;

в) нажать на кнопку 1КУ «нагрев»;

г) произвести подстройку рабочего режима в соответствии с заданием преподавателя на полном (100%) анодном напряжении.

д) произвести нагрев образца в течение заданного времени, измерив предварительно начальную температуру. Замерять температуру образца через каждые 10 сек. во время нагрева и конечную температуру. Данные замеров занести в таблицу 6.3.

е) повторить опыты нагрева на других образцах.

Примечание:

1. При регулировке режима работы генератора надо учитывать, что увеличение зазора рабочего конденсатора ведет к уменьшению мощности генератора и величин анодного и сеточного токов. Однако чрезмерное уменьшение зазора может привести к пробою рабочего конденсатора и, как следствие, к отключению генератора цепями защиты. Номинальный зазор между верхней пластинкой конденсатора и образцом равен 5…6 мм.

2. При желании время нагрева образцов можно задавать при помощи реле времени 2РВ, для этого тумблер 1ТП ставиться в положение «автомат», а на реле времени выставляется уставка времени, при этом нагрев прекращается автоматически после срабатывания реле времени; при ручном управлении тумблер должен быть в положении «ручное»;

3. По окончании работы отключить вентилятор охлаждения генераторной лампы можно только спустя 15 мин. после выключения накала (в противном случае происходит повреждение генераторной лампы и выход установки из строя).

Содержание отчета

1. Формулировка задачи лабораторного исследования.

2. Схема установки ВЧД2.

3. Эскиз нагреваемого изделия с указанием основных размеров.

4. Таблица опытных и расчетных данных (таблица 6.3)

Таблица 6.3.

№ образца	Материал	Ток анода, А	Ток сети, А	Время нагрева, с	Температура t, ^0C	Мощность Р, Вт	η, %

Примечание

Мощность, необходимая для нагрева вещества, определяется по формуле (6.1) (удельная теплоемкость для сухой и влажной древесины различна (таблица 6.1), вес воды составляет 8% от веса сухого бруска). При нагреве влажной древесины при температуре 100 ⁰С начинается испарение влаги. Мощность, потребляемую на испарение, определить по формуле (6.2). Мощность, необходимую для нагрева вещества и испарения воды, определить также с помощью номограмм (рис. 6.4, 6.5). КПД определяют по формуле:

,

г

Графики полученных зависимостей: а) t⁰ = f(t); б) Р = f(t); в) η = f(t)

в)

деI_A – ток анода, А;

U_A =3000 В – напряжение на аноде.

5. Графики полученных зависимостей

t⁰ = f(t), P = f(t), η = f(t).

6. Выводы о характере полученных зависимостей.

Контрольные вопросы

1. Область применения нагрева электрическим полем высокой частоты.

2. Принцип высокочастотного нагрева диэлектриков.

3. Эквивалентные схемы замещения материала, помещенного между пластинами диэлектрика.

4. Влияние параметров материала на параметры схемы замещения.

5. Расход электроэнергии при нагреве материала токами высокой частоты.

6. Назначение и устройство высокочастотной установки ВЧД2.

7. Электрическая схема и принцип действия установки.

8. Порядок включения и работа с установкой.