ЭТУ_Куликова_2014

убывающая от поверхности вглубь объекта. Очевидно, что непостоянство удельного сопротивления существенно лишь в пределах участка, равного глубине проникновения электромагнитной волны: х = (1,5 2,0) 2. На таком расстоянии от поверхности температура и удельное сопротивление, как это следует из расчета и опыта, падают не более, чем в два раза, что несоизмеримо с изменением магнитной проницаемости, возрастающей от поверхности вглубь в сотни и тысячи раз. Поэтому в практических расчетах удельное сопротивление в этом режиме может быть принято равным его значению на поверхности. Обычно расчет ведется для

температуры поверхности Т0 = 600 650 °С, при которой в среднем2 (6,0 6,5) 10-7 Ом м;

- горячий режим. Начало горячего режима соответствует образованию у поверхности слоя глубиной хк, нагретого выше точки магнитных превращений, в то время как остальная часть сечения, имеющая более низкую температуру, постепенно спадающую по мере удаления от поверхности, остается ферромагнитной. Переменными являются 2 и , причем изменяется почти скачком на границе слоя хк. Расчетной моделью этой стадии нагрева является двухслойная среда, в которой на границе слоев магнитная проницаемость меняется скачком от = 1 до некоторого значения > 1.

В предельном случае горячего режима все сечение прогрето, и 2 и можно считать постоянными ( = 1, 2 = к).

При расчете установок для сквозного нагрева стальных объектов горячий режим будет подразделяться на две стадии: второй промежуточный режим (хк < к) и собственно горячий режим (хк > к).

При этом КПД индуктора от начала первой стадии нагрева к концу второй стадии повышается вследствие роста удельного сопротивления. С начала третьей стадии нагрева КПД падает, так как сталь теряет магнитные свойства.

Описание лабораторного стенда

Исследования проводятся на лабораторном стенде, электрическая схема которого представлена на рисунке 12.9.

Питание индуктора L осуществляется от машинного преобразователя частоты (генератор тока повышенной частоты типа 4С-7) через контактор КМ1 и понижающий трансформатор Т3. Регулирование тока возбуждения генератора осуществляется автотрансформатором (АОМН-40) Т4, установленным в нижней части стенда.

Включение и отключение машинного преобразователя производится кнопочными выключателями SB1 и SB2 соответственно.

На стенд питание подается включением автоматического выключателя QF.

281

Индуктор изготовлен из медной трубки круглого профиля с внутренним каналом для прохождения охлаждающей воды. В полость индуктора вставлена водоохлаждаемая плексигласовая камера, куда помещается нагреваемый металлический цилиндр. Камера закрывается крышкой, которая с помощью винтов и резиновой кольцевой прокладки плотно прижимается после установки детали в камере.

Для охлаждения индуктора и нагреваемой детали, размещенной в камере, через вентили В2, В3 и В4 (рисунок 12.11) и резиновые шланги подается вода, которая после прохождения индуктора и камеры, направляется по сливным трубам в сливную воронку. Количество воды, протекающее через камеру с нагреваемой деталью, определяется по ротаметру РМ-А-0,16ГУ3 и рисунок 4.9. Разность температур Т воды на входе и выходе камеры с деталью определяется по прибору В1, в качестве которого используется микроамперметр М265М, схема которого представлена на рисунке 12.10. Для получения температуры в градусах Цельсия, показания прибора умножаются на коэффициент 0,25.

Потребление активной мощности Ри, значения тока Iи и напряжения Uи определяется по щитовым измерительным приборам РW1, PA1, PV1, установленным на лицевой панели стенда.

Для снижения реактивной энергии, потребляемой индуктором, параллельно ему подключен конденсатор С.

Для защиты ключевых узлов установки предусмотрены следующие блокировки: по воде и по току обмотки возбуждения.

С целью предотвращения возможности включения индуктора без подачи охлаждающей воды, в схему установки включен датчик протока воды, контакт КТ1 которого находится в цепи управления индуктором (рисунок 12.10). Электроды, помещенные в трубы слива, имеют электрическую связь с базой и коллектором транзистора VT2. При протекании воды между электродами появляется электрическая цепь. Транзистор, открываясь, замыкает контакт КТ1 в цепи управления и блокировка отключается. Для снятия блокировки по воде необходимо открыть вентиль ротаметра. Наличие блокировки определяется по горящей лампе НL4.

Для предотвращения броска тока в момент пуска генератора, предусмотрена блокировка по току обмотки возбуждения (контакт SB3.1), которая позволяет запустить генератор только при отсутствии напряжения на обмотке возбуждения. Для снятия блокировки необходимо установить ручку автотрансформатора Т4 в крайнее положение вращением по часовой стрелке. Наличие блокировки показывает горящая лампа HL3.

При проведении лабораторной работы особое внимание следует обратить на то, что при установке нагреваемой детали в плексигласовую камеру индуктора, крышку можно открывать только при закрытом вентиле ротаметра.

282

Инструкция по выполнению эксперимента

Эксперимент необходимо выполнять в следующей последовательности :

а) осмотреть стенд. Найти расположение всех элементов установки; б) установить нагреваемую деталь (из указанного преподавателем

металла) в плексигласовую камеру, закрыть крышку и плотно завинтить прижимающие винты;

в) подать напряжение на стенд, включив автоматический выключатель QF;

г) снять блокировку по воде, открыв вентиль ротаметра (расход воды устанавливается преподавателем);

д) снять блокировку по току обмотки возбуждения генератора, установив ручку автотрансформатора Т4 в крайнее правое положение;

е) подать питание на машинный преобразователь частоты, включив кнопочный выключатель SB1;

ж) вращая ручку автотрансформатора Т4 против часовой стрелки, установить рабочий режим (задается преподавателем);

з) при установившемся режиме (фиксированном положении стрелки прибора В1) записать в таблицу 12.1 показания измерительных приборов;

и) отключить питание машинного преобразователя частоты, выключив кнопочный выключатель SB2;

к) отключить питание стенда автоматическим выключателем QF; л) закрыть вентиль ротаметра; м) сменить нагреваемую деталь;

н) повторить эксперимент с пункта в) по пункт м) (эксперимент проводить с тремя нагреваемыми деталями одного диаметра (задается преподавателем) из различных металлов (медь, латунь, сталь), затем с тремя нагреваемыми деталями из одного металла (задается преподавателем) различного диаметра (D2 = 30, 40, 50 мм).

о) после окончания эксперимента отключить питание стенда автоматическим выключателем QF.

283

Таблица 12.1- Показания измерительных приборов

окончание таблицы 12.1

Расчетные данные

284

285

Рисунок 12.9 – Электрическая схема лабораторной установки

Рисунок 12.10 – Схема устройства для измерения разности температур на входе и выходе индуктора

286

Рисунок 12.11 – Гидравлическая схема установки

Рисунок 12.12 – График для определения расхода воды, протекающей через индуктор

287

Указания по обработке результатов эксперимента

При обработке результатов эксперимента необходимо руководствоваться следующей методикой :

а) определить глубину проникновения электромагнитной волны в материал нагреваемой детали

где ρ2 – удельное электрическое сопротивление материала загрузки, Ом·м;

μ2 – относительная магнитная проницаемость материала загрузки;

f – частота тока источника питания, Гц (f = 200 Гц).

Электрофизические параметры используемых металлов: сталь - = 20, = 1,2·10-7 Ом·м; медь - = 1, = 2·10-8 Ом·м; латунь - = 1, = 6·10-8

Ом·м.

б) определить коэффициент мощности индукционного нагревателя Соs = Pи /Sи,

где Pи – удельное электрическое сопротивление материала загрузки, Ом·м;

Sи – относительная магнитная проницаемость материала загрузки.

Построить график зависимости Соs = f(D2).

в) определить электрический коэффициент полезного действия индукционного нагревателя

= P2 /Ри,

где P2 – полезная мощность, выделившаяся в нагреваемом цилиндре,

Вт.

Мощность P2 определяется калориметрическим методом по разности температур охлаждающей воды Т на входе и выходе индуктора.

P2 = Св gв Т,

где Св – теплоемкость воды, Дж/кг;

288

gв – расход воды, л/с.

Построить графики зависимостей = f(D2) и = f( ).

Указания по оформлению отчета

Отчет по работе должен содержать : а) цель работы;

б) электрическую схему лабораторной установки; г) таблицу с результатами эксперимента;

е) расчетные значения величин, необходимые для построения графических зависимостей;

д) графические зависимости = f(D2), = f( ) и Соs = f(D2).

Вопросы для защиты выполненной работы

1.Объяснить принцип индукционного нагрева.

2.Объяснить физическую сущность глубины проникновения электромагнитной волны в материал нагреваемой детали.

3.Как влияют электрофизические свойства ( и ) нагреваемой детали на выделение активной мощности P2 и индукционного нагревателя?

4.Как влияет диаметр D2 нагреваемой детали на электрический индукционного нагревателя?

12.3 Контрольная работа «ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ

(ЭПС)»

Целью теплового расчета является определение параметров (энергетических, тепловых, геометрических), при которых обеспечивается проведение заданного технологического процесса. По результатам расчета определяют установленную мощность, проводят выбор материалов и толщины футеровки [17].

Для ЭПС непрерывного действия выбирает число тепловых зон и мощности каждой зоны. При подборе разработанной ранее конструкции электропечей для проведения требуемого режима термообработки, а также при смене номенклатуры обрабатываемых изделий проводят поверочный расчет, т.е. определяют возможность проведения заданного технологического режима с требуемой производительностью.

289

Исходные данные:

Определить:

1.Время цикла, нагрева и приведенный коэффициент излучения.

2.Потребляемое тепло и мощность печи.

3.Удельный расход электроэнергии и производительность печи.

4.Тепловой коэффициент полезного действия.

Решение:

Определяется продолжительность цикла термообработки и производительность ЭПС, это является одним из основных показателей технологического режима электропечи.

В общем случае время цикла, сек

τц = τн + τвыд + τохл + τз,в = 1244 + 1800+ 2520 + 540 = 6104 cек

ЭПС рассматривается как значение, заданное технологией процесса. Время процесса загрузки-выгрузки определяют для ЭПС периодического

действия либо по данным эксплуатации аналогичной конструкции, либо на основе таких соображений, как масса и геометрические размеры обрабатываемых изделий, тип ЭПС (камерная, шахтная, колпаковая и др.), способ загрузки, степени механизации загрузки и т.п.

Время нагрева теплотехнических тонких изделий (загрузок). В режиме постоянной температуры печи время нагрева определяют по формуле