Міністерство освіти і науки україни

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЙ

Конспект лекцій

Львів 20 12

УДК 621

Основи електротехнологій. Конспект лекцій для студентів спеціальності “електротехнічні системи електроспоживання”/ Укладач: Олійник М.Й., Шелех Ю.Л. –Львів: Національний університет “Львівська політехніка”, 2011. -____ с.

ЗМІСТ

1. Вступ.. 4

2. Типи, конструкція та технічні характеристики печей резистивного нагрівання.. 5

3. Енергетичний баланс електротермічних установок.. 10

3.1. Загальні положення. 10

3.2. Способи зменшення теплових втрат через стінки печі 11

3.3. Зменшення втрат через отвори і щілини. 19

3.4. Втрати тепла через теплові короткі замикання. 20

3.5. Розрахунок втрат з газами. 21

3.6. Зменшення втрат на акумуляцію тепла у стінах печі. 21

4. Раціональне використання електроенергії в електричних печах резистивного нагрівання.. 22

4.1. Експлуатаційні характеристики печей. 22

4.2. Заходи з економії електроенергії в резистивних печах. 25

5. Установки індукційного та діелектричного нагрівання.. 26

5.1. Загальні відомості 26

5.2. Канальні індукційні електричні печі 32

5.3. Тигельні індукційні електричні печі 37

5.4. Індукційні нагрівальні устави. 41

5.5. Електропостачання індукційних установок. 44

5.6. Техніко-економічні аспекти застосування індукційного нагрівання. 50

.

Вступ

 

Використання електричної енергії в електротермічних установках має суттєві переваги порівняно з іншими енергоносіями:

· можливість концентрації великої потужності в робочих об’ємах чи в нагріваних матеріалах, що забезпечує отримання високих температур (до 5000^оС при дуговому нагріві та 20 000^оС і більше при плазмовому нагріві), які не можуть бути досягнуті з використанням інших енергоносіїв (нафта, газ, вугілля тощо);

· велика швидкість нагрівання (через концентрацію потужності), що забезпечує інтенсифікацію виробництва та високу продуктивність установок;

· зниження питомих витрат матеріалів, енергетичних і трудових витрат;

· можливість використання збіднених руд чи вторинної серовини, перероблення яких в печах з іншими енергоносіями неможливе чи економічно невигідне;

· менші енергетичні витрати, що забезпечує для широкого кола технологічних процесів значну економію первинних енергоресурсів;

· відносна простота здійснення процесу виділення теплової енергії, в тому числі на необхідних ділянках та в потрібних кількостях, що дозволяє автоматично регулювати хід технологічних процесів, здійснювати їх за будь якою програмою і, як наслідок, забезпечує високу і стабільну якість матеріалів, що нагріваються;

· висока рівномірність нагрівання і висока точність забезпечення температурних режимів (нерівномірність температурного поля в прецизійних електропечах може складати 0,5 ^оС);

· відносна легкість створення різних атмосфер (захисних чи інертних) в робочому просторі;

· відсутність впливу енергоносія на атмосферу робочого середовища, відсутність забруднення виробу продуктами спалювання палива;

· компактність та мобільність установок;

· легкість транспортування енергоносія; відсутність потреби в транспортуванні та збереженні палива і видаленні продуктів його спалення;

· кращі соціальні умови праці.

Спрощений підхід до аналізу енерговикористання під час електронагріву може наштовхнути на хибну думку про ніби-то гірше використання первинних енергоресурсів в цих установках внаслідок дворазового перетворення енергії (спочатку теплової енергії палива в електричну на електростанції, потім – електричної в теплову). Ретельніший аналіз показує, що, у більшості випадків, застосування електронагріву забезпечує економію первинних енергоресурсів. Це зумовлено такими чинниками:

· вищим ККД електронагріву порівняно з полуменевим (ККД електричних печей 55-85%; полуменевих 16-40%);

· застосування для отримання електроенергії відносно дешевого палива (низькосортне вугілля тощо);

· можливість здійснення локального нагрівання у процесі термічного оброблення деталей;

· можливість проведення технологічного процесу без застосування дорогих та дефіцитних ресурсів (наприклад коксу).

Зауважимо, що сказане стосується, у певній мірі, не лише промислового, а й побутового нагрівання, в тому числі й електроопалення.

 

Загальні положення

Енергетичний баланс печі є основою для теплового розрахунку установки та оцінки ефективності її роботи. Рівняння енергетичного балансу відтворює рівновагу приходу тепла W _пр у простір печі і його витрати W _витр:

W _пр = W _витр

Джерела тепла у робочому просторі печі:

· електрична енергія, що перетворюється у тепло,

· енергія екзотермічних (з виділенням тепла) реакцій, що проходять у матеріалах у процесі нагрівання,

· енергія додаткових джерел тепла.

Спожита з мережі електрична енергія витрачається на:

· нагрівання садки та здійснення у ній усіх необхідних фізико-хімічних перетворень – корисна енергія – W _кор,

· нагрівання допоміжних засобів, з якими садка завантажується у піч (тара, транспортні засоби, тиглі, коробки тощо) – W _доп,

· нагрівання футерування (стін, склепіння, подини, дверей тощо) – W _ак,

· покриття втрат тепла через стіни, отвори, теплові короткі замикання, з охолоджувальною водою, змінною атмосферою
тощо – W _втр,

· покриття втрат у електричних колах системи електропостачання печі – W _ел.втр.

Таким чином формула складових витрат енергії набуває такого вигляду:

W _витр = W _кор + W _доп + W _ак + W _втр + W _ел.втр

Складова витрат W _ак, яка визначає кількість акумульованої енергії обладнанням та стінами печі більше характерна для печей періодичної дії, у яких названі елементи періодично розігріваються і охолоджуються.

Коефіцієнт корисної дії печі

, %

Питомі витрати енергії на технологічний процес у печі

,

де: G – маса корисного завантаження (садки) печі.

Кількість енергії, що споживається з мережі, а також встановлена потужність печі залежать від температурного режиму термооброблення, або циклу роботи печі. На рис. 3.1. наведені характерні цикли роботи печей.

У циклі роботи печей розглядають час циклу τ _ц, який у загальному випадку складається з

· часу розігрівання – τ _роз,

· часу витримування при сталій робочій температурі – τ _витр,

· часу охолодження у просторі печі – τ _ох,

· часу виробничої паузи – τ _п.

 

Рис. 3.1. Характерні цикли роботи печей: а – нагрівання без витримування; б – нагрівання з витримуванням; в – нагрівання з витримуванням і охолодженням у печі

Цикл термічного оброблення садки задається технологічними умовами:

· розігрівання без витримки – для вирівнювання температури металевих виробів з високим коефіцієнтом теплопровідності,

· розігрівання з витримуванням – для вирівнювання температури в об’ємі садки, отримання необхідних перетворень у матеріалі (гартування, відпуск, нормалізація, перед штампуванням, куванням тощо),

· розігрівання з витримуванням і охолодженням у просторі печі – відпал металів, кераміки, спікання металокерамічних виробів, отримання кристалів тощо.

У процесі термічного оброблення найбільша кількість енергії вноситься у завантажену піч протягом часу розігрівання – τ _роз. Від тривалості τ _роз залежить установлена електрична потужність печі (трансформатора, нагрівника):

де: k – коефіцієнт запасу потужності, значення якого приймається у межах:

- k =1.2÷1.4 – для печей потужністю понад 300 кВт,

- k =1.25÷1.5 – для печей потужністю від 100 до 300 кВт,

- k =1.3÷1.6 – для печей потужністю до 100 кВт.

Розрахунок втрат з газами

В електротермічних установках втрати тепла з газами розглядають у разі зміни у просторі печі газової атмосфери та у разі проникнення у піч повітря через нещільності та отвори.

Втрати тепла при наявності нещільностей і виникненні природної тяги можуть бути значними, особливо у печах неперервної дії, та у високих шахтних печах з нижнім завантаженням садки.

У печах з контрольованою атмосферою створюється незначний надлишковий тиск, щоб уникнути всмоктування холодного повітря. У цьому випадку існують майже неуникні втрати тепла з втраченим газом. Розрахунок кількості втраченого тепла за одиницю часу проводиться за формулою:

Q _г = g _г · с_г (t _г - t ₀)

де g _г – витрата газу за одиницю часу, кг/год; с_г – середня питома теплоємність газу в діапазоні температур від початкової t₀ до температури в печі t ₂, Вт·год/(кг·°С).

Кількість газу g _г залежить від технологічних умов термічної обробки – захист від окиснення чи утворення спеціальної технологічної атмосфери (азотування, цементування). Як правило існують технологічні норми витрат газу на одиницю продукції.

Загальні відомості

Індукційне нагрівання поширене у таких технологічних операціях: плавлення (топлення) металів, нагрівання металів перед пластичною деформацією чи термообробленням, зварювання та паяння, плавлення напівпровідників, нагрівання газів (плазми).

Індукційне нагрівання – спосіб нагрівання провідникових матеріалів (провідників першого та другого роду), який базується на поглинанні електромагнітної енергії змінного електромагнітного поля, що збуджується (утворюється) змінним струмом, який проходить по обмотці індуктора.

Енергія електромагнітної хвилі індукує в системі "індуктор–тіло" активну і реактивну енергію. Вектор поверхневої густини потоку електромагнітної енергії визначається вектором Умова–Пойтинга:

де  – комплекс напруженості електричного поля;  – спряжений комплекс напруженості магнітного поля.

Якщо амплітуда напруженості магнітного поля біля поверхні провідного тіла дорівнює , то активна і реактивна потужності, що виділяються у тілі, можуть бути визначені за такими формулами:

– для нагрівання плити з провідного матеріалу питомі поверхневі потужності

 (кВт/м²),

 (квар/м²),

де  – напруженість магнітного поля, що припадає на одиницю довжини індуктора;  – кількість витків індуктора, що припадає на одиницю довжини індуктора; ,  – функції, що залежать від відносної товщини плоского тіла (плити) ,  – товщина плити, що нагрівається;  – глибина проникнення струму у плиту;

– для нагрівання циліндричної садки питомі погонні потужності

 (кВт/м²),

 (квар/м²),

де  – діаметр циліндричної садки; ,  – функції, що залежать від відносного радіуса циліндра .

Значення , , , наведені на рис. 5.1, а , , , – за рис. 8.2.

Глибина проникнення струму  розраховується за формулою

,

де  – питомий опір матеріалу;  – колова частота струму;  (Гн/м) – абсолютна магнітна проникність матеріалу виробу.

У більшості матеріалів питомий електричний опір зростає зі збільшенням температури і його можна розрахувати за такою формулою:

,

де  – питомий опір при t ₀ =0⁰C;  – температурний коефіцієнт опору;  – температура тіла.

 

Рис. 5.1. Функції ,  і  для плити

 

Рис. 5.2. Функції ,  і  для циліндра

 

Магнітна проникність  залежно від температури змінюється інакше у магнітних і немагнітних матеріалів:

– для немагнітних матеріалів відносна магнітна проникність  =1 в цілому діапазоні температур.

– у феромагнітних матеріалів  стрибкоподібно знижується від високого початкового значення до одиниці після досягнення температури Кюрі (табл.5. 1.)

Таблиця 5.1.

Температура Кюрі деяких речовин

Речовина	Температура Кюрі, ^0С	Речовина	Температура Кюрі, ^0С
Залізо Кобальт Нікель	770 1331 358	Сплави нікелю(70%) і міді (30%) Сульфід хрому	67 30

Глибина проникнення струму  у феромагнітних матеріалів змінюється після досягнення температури Кюрі (Тк). На рис. 5.3.а і б наведені залежності зміни питомого опору, магнітної проникності та глибини проникнення струму  залежно від температури.

 

Рис. 5.3. Залежність питомого опору , магнітної проникності  і глибини проникнення струму  від температури: а – не феромагнітні матеріали; б – феромагнітні матеріали.

Глибина проникнення струму  залежить також від частоти : зі зростанням частоти глибина проникнення струму зменшується. Динаміку зміни  залежить від частоти  можна простежити за даними табл. 5.2.

Оцінюючи вплив частоти струму на характер нагрівання тіла, можна зробити висновок, що глибина проникнення струму зі збільшенням частоти зменшується у  разів, а питома поверхнева потужність  зростає у  разів.

Крім наведених вище особливостей (поверхневий ефект, зміна властивостей матеріалів) спостерігаються й інші явища, серед яких

– ефект близькості,

– кільцевий ефект,

– ефект виникнення електродинамічних сил у тілі, що нагрівається.

Таблиця 5.2.

Глибина проникнення , 10^{-3 м}

Параметр	Метал
	Сталь		Мідь		Латунь		Алюміній
Температура, 0С	20	1000	20	1000	20	850	20	600
Питомий електричний опір , Ом·м	10·10^-8	130·10^-8	2·10^-8	10·10^-8	7·10^-8	14,7·10^-8	2,9·10^-8	11,3·10^-8
Відносна магнітна проникність,	60	1	1	1	1	1	1	1
Частота , Гц 50 1000 2500 8000 70000 150000 250000	2,8 0,64 0,4 0,22 0,07 0,05 0,04	85,5 19,0 12,0 6,7 2,21 1,55 1,20	9,5 2,1 1,34 0,75 0,35 0,16 0,13	23,5 5,1 3,3 1,8 0,55 0,39 0,32	18,7 4,2 2,57 1,48 0,45 0,32 0,26	27,4 6,1 3,86 2,16 0,66 0,47 0,39	12,0 2,7 1,7 0,95 0,31 0,21 0,17	24,0 5,4 3,4 1,7 0,60 0,42 0,34

 

Природа ефекту близькості така ж, як у поверхневого ефекту. Він зумовлений витисканням струму з поверхні провідника, якщо поряд розташований інший провідник зі струмом. Наприклад, струми в індукторі і у садці знаходяться у протифазі, тому тут спостерігається ефект близькості при зустрічному спрямуванні струмів (рис. 5.4,а). Тоді струми витісняються до наближенних між собою поверхонь. Те саме спостерігається при зустрічному спрямуванні струмів у коаксіальних трубах (рис. 5.4.б). Підбираючи бажану форму індуктора можна зосередити енергію на потрібних ділянках нагрівного тіла. При однаково спрямованих струмах найбільша густина струму спостерігається на зовнішніх, віддалених поверхнях провідників (рис.5.4.в).

При розрахунку площі поперечного перерізу провідників індукторів необхідно враховувати кільцевий ефект, внаслідок якого найбільша густина струму спостерігається на внутрішніх боках витків індуктора (рис. 5.4. г і д).

Електродинамічні явища виникають внаслідок взаємодії струму індуктора зі струмом, що індукується у тілі садки. Вони можуть бути корисні, наприклад при перемішуванні рідкого металу, і шкідливі, коли при великих зусиллях руйнуються індуктори чи здійснюється непередбачене технологією переміщення металу.

Коефіцієнт потужності ,

де  – відповідно активна і реактивна потужності,що виділяються у матеріалі садки (плиті, циліндрі).

 

Рис. 5.4. Розподіл змінного струму у поперечному перерізі провідників: а – при зустрічному спрямуванні струмів; б – у коаксіальних трубах при зустрічних струмах; в – при однаково спрямованих струмах; г – кільцевий ефект у одновитковій котушці; д – у багатовитковій котушці.

Якщо , а для циліндрів , то функції  і  набувають однакового значення і коефіцієнт потужності

.

Для порівняно тонких плит і циліндрів

Питомі погонні втрати потужності у циліндричному індукторі розраховуються так само як у садці, з врахуванням коефіцієнта заповнення :

 (кВт/м²),

 (квар/м²),

де  – питомий опір матеріалу індуктора;  – висота витка індуктора;  – крок навивки витків індуктора,  – середній діаметр індуктора.

Величина  та  визначають за графіками рис. 5.1.

Коефіцієнт корисної дії системи "індуктор-нагрівне тіло" визначається

Коефіцієнт корисної дії  і коефіцієнт потужності  зменшуються зі збільшенням проміжку між садкою (деталлю) і індуктором та зі зменшенням  – коефіцієнта заповнення індуктора.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЙ

Конспект лекцій

Львів 20 12

УДК 621

Основи електротехнологій. Конспект лекцій для студентів спеціальності “електротехнічні системи електроспоживання”/ Укладач: Олійник М.Й., Шелех Ю.Л. –Львів: Національний університет “Львівська політехніка”, 2011. -____ с.

ЗМІСТ

1. Вступ.. 4

2. Типи, конструкція та технічні характеристики печей резистивного нагрівання.. 5

3. Енергетичний баланс електротермічних установок.. 10

3.1. Загальні положення. 10

3.2. Способи зменшення теплових втрат через стінки печі 11

3.3. Зменшення втрат через отвори і щілини. 19

3.4. Втрати тепла через теплові короткі замикання. 20

3.5. Розрахунок втрат з газами. 21

3.6. Зменшення втрат на акумуляцію тепла у стінах печі. 21

4. Раціональне використання електроенергії в електричних печах резистивного нагрівання.. 22

4.1. Експлуатаційні характеристики печей. 22

4.2. Заходи з економії електроенергії в резистивних печах. 25

5. Установки індукційного та діелектричного нагрівання.. 26

5.1. Загальні відомості 26

5.2. Канальні індукційні електричні печі 32

5.3. Тигельні індукційні електричні печі 37

5.4. Індукційні нагрівальні устави. 41

5.5. Електропостачання індукційних установок. 44

5.6. Техніко-економічні аспекти застосування індукційного нагрівання. 50

.

Вступ

 

Використання електричної енергії в електротермічних установках має суттєві переваги порівняно з іншими енергоносіями:

· можливість концентрації великої потужності в робочих об’ємах чи в нагріваних матеріалах, що забезпечує отримання високих температур (до 5000^оС при дуговому нагріві та 20 000^оС і більше при плазмовому нагріві), які не можуть бути досягнуті з використанням інших енергоносіїв (нафта, газ, вугілля тощо);

· велика швидкість нагрівання (через концентрацію потужності), що забезпечує інтенсифікацію виробництва та високу продуктивність установок;

· зниження питомих витрат матеріалів, енергетичних і трудових витрат;

· можливість використання збіднених руд чи вторинної серовини, перероблення яких в печах з іншими енергоносіями неможливе чи економічно невигідне;

· менші енергетичні витрати, що забезпечує для широкого кола технологічних процесів значну економію первинних енергоресурсів;

· відносна простота здійснення процесу виділення теплової енергії, в тому числі на необхідних ділянках та в потрібних кількостях, що дозволяє автоматично регулювати хід технологічних процесів, здійснювати їх за будь якою програмою і, як наслідок, забезпечує високу і стабільну якість матеріалів, що нагріваються;

· висока рівномірність нагрівання і висока точність забезпечення температурних режимів (нерівномірність температурного поля в прецизійних електропечах може складати 0,5 ^оС);

· відносна легкість створення різних атмосфер (захисних чи інертних) в робочому просторі;

· відсутність впливу енергоносія на атмосферу робочого середовища, відсутність забруднення виробу продуктами спалювання палива;

· компактність та мобільність установок;

· легкість транспортування енергоносія; відсутність потреби в транспортуванні та збереженні палива і видаленні продуктів його спалення;

· кращі соціальні умови праці.

Спрощений підхід до аналізу енерговикористання під час електронагріву може наштовхнути на хибну думку про ніби-то гірше використання первинних енергоресурсів в цих установках внаслідок дворазового перетворення енергії (спочатку теплової енергії палива в електричну на електростанції, потім – електричної в теплову). Ретельніший аналіз показує, що, у більшості випадків, застосування електронагріву забезпечує економію первинних енергоресурсів. Це зумовлено такими чинниками:

· вищим ККД електронагріву порівняно з полуменевим (ККД електричних печей 55-85%; полуменевих 16-40%);

· застосування для отримання електроенергії відносно дешевого палива (низькосортне вугілля тощо);

· можливість здійснення локального нагрівання у процесі термічного оброблення деталей;

· можливість проведення технологічного процесу без застосування дорогих та дефіцитних ресурсів (наприклад коксу).

Зауважимо, що сказане стосується, у певній мірі, не лише промислового, а й побутового нагрівання, в тому числі й електроопалення.