чем определяются максимальные рабочие температуры проводниковых материалов
Допустимые максимальные температуры электрических аппаратов
Чем выше температура, воздействию которой подвергаются изоляционные материалы, входящие в конструкцию ЭА, тем быстрее ухудшаются их механические и электрические качества: уменьшаются механическая и электрическая прочность, эластичность; при переменном токе увеличиваются диэлектрические потери, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее повышение температуры изоляции и ее быстрое старение. Ухудшение электрических и механических свойств изоляционных материалов приводит к нарушению нормальной работы аппарата. С другой стороны, при прочих равных условиях, чем большие температуры допускаются в ЭА, тем требуется меньший расход проводниковых материалов, следовательно, снижаются вес и стоимость электрического аппарата. Срок службы ЭА определяется не превышением температуры, а температурой нагрева, и вследствие этого превышения температуры могут быть допущены разные, в зависимости от температуры окружающей среды (воздуха).
При номинальных режимах работы длительно допустимые температуры нагрева ЭА зависят от класса нагревостойкости изоляционных материалов, используемых в данном ЭА, и определяются стандартом для соответствующего класса.
При коротких замыканиях по проводникам электроустановок протекают токи, значительно превышающие токи номинальных режимов. Так как длительность протекания токов к.з. измеряется обычно от долей до единиц секунд, то естественно, что и допустимые температуры в конце короткого замыкания могут быть значительно выше температур, допустимых при длительной нормальной работе. В настоящее время предлагается предъявлять требования к ЭА: быть пригодным к дальнейшей эксплуатации после протекания тока короткого замыкания данной длительности (1 с, 5 с и т.д.). Предельно допустимые температуры в конце короткого замыкания, которые обычно принимаются за основу при расчете устойчивости ЭА при КЗ:
· для медных проводников, неизолированных или покрытых изоляцией органического происхождения, – 250 0С;
· для медных проводников, покрытых изоляцией неорганического происхождения, – 350 0С;
· для алюминиевых проводников – 200 0С.
При таких больших температурах слой изоляции, непосредственно прилегающий к проводнику, повреждается, однако срок службы ЭА остается довольно большим и экономически приемлемым. При таких температурах, как 200…350 0С, особое внимание должно быть уделено уменьшению механической прочности и температурным деформациям частей ЭА во избежание неудовлетворительной работы ЭА.
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ».
Вопросы к экзамену по курсу
Классификация материалов, строение вещества
1. На какие группы можно разделить вещества по строению.
2. Чем отличаются полярные вещества от неполярных (нейтральных).
3. Отличия диэлектриков, полупроводников и проводников с точки зрения зонной теории электропроводности твёрдых тел.
4. На какие группы можно разделить все вещества по магнитным свойствам? Какие значения принимает магнитная проницаемость у материалов различных групп?
1. Что такое поляризация диэлектрика? Какие основные виды поляризации существуют? Знать какие виды поляризации существуют в веществах различного строения: полярных, нейтральных, ионного строения (с плотной и неплотной упаковкой ионов), неоднородной структуры.
2.Диэлектрическая проницаемость: что показывает, какая размерность, какие значения принимает для различных диэлектриков?
3.Электропроводность диэлектриков. Какие носители зарядов, создают токи в диэлектриках. При каких условиях в диэлектриках выполняется закон Ома? Вольтамперные характеристики твёрдых, жидких, газообразных диэлектриков.
4.В каких единицах выражают удельное объёмное и удельное поверхностное сопротивление диэлектриков? Какие значения могут принимать эти величины для диэлектриков? Зависимость удельного сопротивления изоляционных материалов от температуры.
5. Виды диэлектрических потерь. Указать в каких веществах существует каждый вид. Какой вид потерь преобладает при повышенных температурах. Угол диэлектрических потерь: что за характеристика, размерность, какие значения может принимать у различных диэлектриков? Виды потерь в газах при различных значениях напряжения.
6. Какое явление называют пробоем диэлектриков? Основные виды пробоя диэлектриков (электрический, электрохимический, тепловой). Электрическая прочность: что за характеристика, размерность, какие значения может принимать у различных диэлектриков? Как зависит от давления у газообразных, жидких диэлектриков? Какими процессами объясняются эти зависимости?
7. Под действием каких факторов происходит старение диэлектриков? Какие диэлектрики в большей мере подвержены старению.
8. Неэлектрические свойства диэлектриков: (тепловые, влажностные, механические) как они связаны с видом диэлектрика?
7.Газообразные диэлектрики. Электрические свойства воздуха, элегаза.
8.Применение жидких диэлектриков. Что такое кислотное число?
9.Термопластичные смолы (состав, свойства применение.)
10.Термореактивные смолы (состав, свойства применение.)
11.Эластомеры (состав, свойства применение.)
12.Воскообразные диэлектрики (состав, свойства применение.)
13.Волокнистые материалы и материалы на их основе.
14.Твёрдые неорганические материалы. Стёкла, слюда, асбест и материалы на их основе.
15.Состав, свойства и применение керамических материалов.
Каковы структуры таких диэлектриков как фторопласт-4, полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, текстолит, гетинакс, стекло, керамика, стеклотекстолит, трансформаторное масло, совол, совтол, кремнийорганические соединения? Какие в них виды поляризации
и причины диэлектрических потерь в них?
1.Укажите носители зарядов в проводниковых материалах. Какие значения может принимать удельное сопротивление проводниковых материалов? Что выше удельное сопротивление чистого металла или его сплава, почему?
2.Как изменяется удельное сопротивление проводниковых материалов с повышением температуры? Как объяснить эти изменения. Что показывает температурный коэффициент удельного сопротивления, его размерность. Какие значения он может принимать для чистых металлов и для сплавов? Какие материалы имеют температурный коэффициент удельного сопротивления близкий к нулю?
3. Основные материалы высокой проводимости (состав, свойства, применение)
4. Основные материалы высокого сопротивления (состав свойства применение)
5. Материалы для изготовления резисторов. Какой материал можно использовать для образцовых сопротивлений?
6. Какие материалы можно использовать для нагревательных элементов. Влияет ли режим работы на срок службы нагревательного элемента?
7.Что такое термопары. Для чего они применяются?
8.Чем ограничиваются максимальные рабочие температуры проводниковых материалов?
9.Влияет ли на сопротивление проводника частота приложенного напряжения.
10 Что такое сверхпроводимость? Влияет ли магнитное поле на явление сверхпроводимости?
Знать свойства меди, алюминия, стали, сплавов: константан, манганин, нихром, фехраль, хромаль, сплавы для термопар.
1. На какие группы можно разделить все вещества по магнитным свойствам? Какие значения принимает магнитная проницаемость у материалов различных групп?
2. Почему магнитные материалы взаимодействуют с магнитным полем? Что представляет собой домен? Как происходит намагничивание ферромагнетика?
3. Указать основные магнитные характеристики веществ.
4. Петля гистерезиса, указать основные точки. Предельная петля гистерезиса.
5.Какие вещества называют магнитомягкими, где они применяются?
6.Какие вещества называют магнитотвёрдыми, где они применяются?
7.Как зависят магнитные свойства от температуры, как изменяются магнитные свойства материала при нагреве выше точки Кюри?
8.Почему сердечник трансформатора изготовляют в виде тонких изолированных пластин?
9. Что такое магнитная анизотропия?
10. Какое явление называют магнитострикцией?
11. Как влияют механические напряжения на магнитную проницаемость магнитных материалов?
12. Какие виды магнитных потерь вы знаете. Каким параметром характеризуются магнитные потери в материале?
13. Какими свойствами должны обладать материалы, работающие при высоких частотах?
Знать свойства основных магнитных материалов, таких как кремнистая электротехническая сталь, пермаллой, альсиферы, легированные мартенситные стали, сплавы типа альни, ферриты, магнитодиэлектрики, РЗМ – магниты.
ЭЛЕКТР О ТЕХНОЛОГИЯ
электронный учебно-методический комплекс
Лекция 2
 |
В зависимости от характера свободных электрических зарядов принято различать проводники первого и второго рода. Под действием электрического поля в проводниках первого рода (металлы) свободные заряды (электроны) направленно перемещаются. В проводниках второго рода (электролиты) под действием электрического поля перемещаются ионы.
Отдельные проводники первого и второго рода характеризуются различной способностью проводить электрический ток.
 , | (2.1) |
Для растворов электролитов плотность электрического тока также определяется выражением (2.1), но коэффициент γ зависит от концентрации ионов, их заряда и подвижности.
Сопротивление, Ом, проводника, поперечное сечение которого по всей длине постоянное,
 , | (2.2) |
Удельное сопротивление проводниковых материалов зависит от наличия в них примесей. В электротехнике в качестве, проводниковых материалов используют главным образом медь, алюминий, сталь и сплавы высокого сопротивления. Удельное сопротивление чистых металлов меньше, чем металлов, содержащих примеси. Если в медь добавить 0,1. 0,2 % железа, то ее удельное сопротивление повысится в 1,5. 2 раза.
С увеличением температуры проводника возрастает его сопротивление. Зависимость удельного сопротивления от температуры может быть выражена формулой
 , | (2.3) |
При невысоких температурах проводниковых материалов ( 
300 °С) можно ограничиться первым членом ряда, принимая
 , | (2.4) |
Удельное сопротивление электролита зависит от степени диссоциации, которая определяется отношением числа диссоциированных молекул к общему их числу, находящемуся в растворе. Степень диссоциации зависит от природы и концентрации электролита.
Удельное сопротивление водных растворов электролитов можно легко найти экспериментально, при помощи коаксиально расположенных полых металлических цилиндров (рис. 2.1). Дно внешнего цилиндра выполнено из электроизоляционного материала, а внутреннее пространство между электродами заполнено исследуемым раствором. Цилиндры, подключенные к источнику переменного напряжения, являются электродами, подводящими электрическое напряжение к раствору. Контролируют силу тока, напряжение и температуру раствора. Сопротивление, Ом, раствора, заключенного между электродами, рассчитывают при температуре 20°С:
 , | (2.5) |
 |
| Рис. 2.1. Схема для определения удельного сопротивления электролитов. |
Для того чтобы это сопротивление выразить через удельное сопротивление и конструктивные параметры, определим сопротивление, Ом, бесконечно тонкого слоя раствора, находящегося на расстоянии r от оси цилиндров
 , | (2.6) |
Сопротивление всего объема раствора
 , | (2.7) |
Приравнивая выражения (2.2) и (2.4), можно определить удельное электрическое сопротивление
 , | (2.8) |
Или удельную электропроводимость
 , | (2.9) |
С повышением температуры увеличивается степень диссоциации водных растворов электролитов, и поэтому возрастает их электропроводимость. Удельная электропроводимость, Ом/м, при любой температуре
 , | (2.10) |
Приняв а =0,025, формулу (2.9) можно переписать в виде
 , | (2.11) |
удельное электрическое сопротивление
 , | (2.12) |
При температуре 20°С в зависимости от концентрации солей удельное сопротивление воды колеблется от 2 до 100 Ом· м. Оно уменьшается при нагреве в соответствии с формулой (2.12), а при закипании возрастает вследствие образования в воде воздушных пузырьков.
Электроконтактный нагрев, связанный с преобразованием электрической энергии в теплоту непосредственно в металлическом нагреваемом изделии (детали), применяют при нагреве заготовок или деталей из черных и цветных металлов для последующей горячей обработки давлением (ковка, штамповка, гибка и т. п.), для термической обработки (закалка, отпуск, отжиг), а также с целью контактной электрической сварки давлением.
Принципиальная схема простейшей установки электроконтактного нагрева изделий D показана на рисунке 2.2. Основные элементы схемы: токоподводящие контакты К, через которые напряжение переменного тока вторичной обмотки трансформатора Т подводится к нагреваемому изделию, токопроводящие провода, шины, зажимные устройства и т. д. Для надежного прижатия контактов К. используют различные приспособления (гидравлические, пневматические, электромагнитные и др.), создающие дополнительное усилие F.
Количество теплоты, выделяемой в единицу времени, т. е. мощность, Вт,
 , | (2.13) |
 |
| Рис. 2.2. Схема установки электроконтактного нагрева |
Так как сопротивление R металлических тел с хорошей электропроводностью небольшое, для прямого их нагрева требуются значительные токи (сотни и тысячи ампер) при напряжении 5. 25 В. Для прямого нагрева применяют переменный ток благодаря относительной простоте получения низкого напряжения от понижающих трансформаторов.
При протекании переменного электрического тока по проводнику (металлическая деталь) проявляется поверхностный эффект, заключающийся в неравномерном распределении плотности тока по сечению проводника, которая экспоненциально уменьшается по направлению к его оси, т. е.
 , | (2.14) |
 , | (2.15) |
Для f=50 Гц формула (4.15) приобретает вид
 , | (2.16) |
Эквивалентная глубина проникновения электрического тока на трех частотах для некоторых металлов и сплавов приведена в таблице 4.1.
Рассмотрим процесс нагрева проводника длиной l поперечного сечения S, изготовленного из немагнитного металла и имеющего форму цилиндра диаметро d.
Если плотность j тока распределяется одинаково по всему сечению проводника, как при постоянном токе то мощность, выделяющаяся в нем,
 , | (2.17) |
а при переменном токе с учетом неравномерного распределения плотности тока, т. е. поверхностного эффекта, мощность
 , | (2.18) |
Коэффициент поверхностного эффекта
 , | (2.19) |
Приняв во внимание, что
 , | (2.20) |
 , | (2.21) |
выражение (2.19) можно переписать в виде
 , | (2.22) |
Мощность, выделяющаяся в проводнике при переменном токе,
 , | (2.23) |
С учетом эквивалентной глубины проникновения тока коэффициент поверхностного эффекта
 , | (2.24) |
Здесь 
— площадь поперечного сечения проводника, в котором переменный ток протекает только на глубине z o от поверхности при постоянной плотности тока.
С некоторым приближением можно считать 
,
Для проводника круглого сечения единичной длины
 , | (2.25) |
 , | (2.26) |
 , | (2.27) |
Для проводников из ферромагнитных материалов мощность определить сложно, так, как нужно учесть перемагничивание материала, а также зависимость магнитной проницаемости от тока, протекающего по проводнику.
В устройствах и установках электроконтактного нагрева определяют не параметры нагревательных устройств, поскольку ими служат нагреваемые детали, а параметры источника питания. Для выбора трансформатора необходимо знать его мощность S тр и вторичное напряжение U2.
Если известны масса m, кг, детали, начальная t 1 и конечная t 2 температуры нагрева, °С, а также его продолжительность τ, с, то полезная мощность, Вт,
 , | (2.28) |
С учетом электрических и тепловых потерь общая мощность, Вт, подводимая к электронагревательному устройству,
 | (2.29) |
Чтобы сократить электрические потери и достичь максимального КПД, суммарное сопротивление вторичной обмотки понижающего трансформатора, соединительных проводов и контактов должно быть минимальным.
Среднее значение вторичного напряжения за время нагрева
 | (2.30) |
— среднее значение сопротивления детали при переменном токе за время нагрева.
Мощность трансформатора, В∙А, с учетом повторно-кратковременного режима работы установки
 | (2.31) |
Относительная продолжительность включения установки
 , | (2.32) |
Электроконтактный нагрев применяют главным образом для деталей, имеющих одинаковое сечение по длине. При этом тепловой КПД, определяемый как
 | (2.33) |
зависит от геометрических параметров детали. Чем больше отношение длины l детали к поперечному сечению, S
, тем выше КПД. При небольшом значении этого отношения КПД резко снижается.
В электродных нагревателях материал с ионной проводимостью, заключенный между электродами, образует проводник, в котором при протекании электрического тока по закону Ленца-Джоуля выделяется теплота, используемая для нагрева воды, молока, почвы и др. В устройствах электродного нагрева применяют исключительно переменный ток, так как при постоянном токе возникает электролиз. Несмотря на то, что принято считать, что при переменном токе электролиз не происходит, при больших плотностях тока это явление все же наблюдается. Поэтому нагрев выполняют при небольших плотностях тока, максимальное значение которых зависит от конфигурации применяемых электродов.
В качестве материалов для электродов можно использовать любые проводники. Однако следует помнить, что они должны противостоять коррозии в электрическом поле, при высокой температуре и большой влажности. При нагреве материалов, предназначенных для технических нужд, электроды изготавливают из конструкционной стали или латуни. При нагреве продуктов, идущих на кормление или поение животных, электроды не должны образовывать токсичные оксиды. В большей мере этому требованию отвечают уголь и графит. Однако их используют редко из-за нетехнологичности. Более распространены электроды из нержавеющей стали.
 |
| Рис. 2.3. Электродные системы: a) из электродов, изогнутых под углом 120 о ; б) из коаксиальных цилиндрических электродов: в) из плоских электродов |
Схема замещения устройств электродного нагрева зависит от конструкции систем и способности материала емкости проводить электрический ток. В случае применения емкости из электроизоляционного материала и электродных систем (см. рис. 2.3,а и 2.3,в) схемы замещения представляют собой треугольник, а в системе на рисунке 2.3, б-звезду независимо от электропроводящих свойств материала емкости. При использовании электродных систем (рис. 2.3a, и 2.3.в) с электропроводящими емкостями в схемах замещения появляются дополнительные резисторы, включенные в звезду.
Рассмотрим процесс нагрева в устройстве с одной парой плоских электродов.
Тепловая мощность, Вт, выделяющаяся в одном межэлектродном промежутке,
 , | (2.34) |
Если принять, что напряжение U в процессе нагрева постоянное и конструктивные параметры S и l не изменяются, то вследствие зависимости удельной электрической проводимости нагреваемого материала от температуры мощность в процессе нагрева будет изменяться. Удельная электрическая проводимость увеличивается в соответствии с выражением (2.11) и мощность, Вт, при любом значении температуры t.
 , | (2.35) |
При закипании воды мощность нагревателя снижается, так как при этом уменьшается удельная электропроводимость воды.
 , | (2.36) |
В установках периодического действия при неизменном напряжении на электродах плотность тока не остается постоянной в процессе нагрева. Она возрастает из-за уменьшения удельного электрического сопротивления материала при увеличении температуры. При конечной температуре нагрева плотность тока не должна превышать допустимого значения. В установках непрерывного действия она изменяется только в первоначальный период, когда установка выходит на сбалансированный по теплоте режим, т. е. температура выходящего из нагревателя продукта стабилизируется. Во всех зонах межэлектродного промежутка плотность тока определяется удельным сопротивлением материала при постоянном питающем напряжении и неизменных конструктивных параметрах электродной системы. Напряженность электрического поля в нагреваемом материале, зависящая от подведенного к электродной системе напряжения и расстояния между электродами, во время работы остается неизменной.
Вместе с этим по мере продвижения материала в нагревателе температура его повышается, а удельное сопротивление уменьшается. При входе в нагреватель холодный материал имеет минимальное удельное сопротивление, а на выходе-максимальное, соответствующее конечной температуре нагрева.
 , | (2.37) |
 , | (2.38) |
Из формулы (2.38) следует, что плотность тока на электродах системы неодинакова. Она минимальна на внешнем электроде и максимальна на внутреннем.
 , | (2.39) |
Электрическое поле в межэлектродном пространстве, образованном плоскопараллельными электродами, однородно и его напряженность. В/см,
 , | (2.40) |
Напряженность электрического поля, В/см, в межэлектродном пространстве, образованном двумя коаксиальными цилиндрами,
 , | (2.41) |
Из отношения (2.41) следует, что напряженность электрического поля максимальна на внутреннем электроде и минимальна на внешнем.
Фактическая максимальная напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве не должна превышать пробивную напряженность нагреваемого материала. Допустимая напряженность
 , | (2.42) |
Пробивная напряженность материалов при прочих равных условиях зависит от их удельного сопротивления.
Полезную мощность нагревателей находят по формулам (1.4) и (1.5), а потребную по выражению
 , | (2.43) |
Вычисленная таким образом Р потр предполагает работу с постоянной мощностью, что справедливо лишь для нагревателей непрерывного действия.
В нагревателях периодического действия мощность возрастает от P1 при начальной температуре t1 до P2 при конечной температуре t2. Мощность определяется удельным сопротивлением материала при соответствующих температурах. С учетом формулы (2.12)
 , | (2.44) |
Потребную мощност I>Р потр можно найти чере I>P1 I>P2 как
 , | (4.45) |
 , | (2.46) |
Расчетная мощность, Вт, для однофазных нагревателей
 , | (2.47) |
Для трехфазных нагревателей расчет выполняют для одной фазы, т. е.
 , | (2.48) |
Расчетный ток, А, нагревателя
 , | (2.49) |
 , | (2.50) |
По вычисленному значени I>S с учетом конструктивных ограничений определяют высот I>h, см, и ширин I>b, см, электродов так, чтоб I>hb=S
Межэлектродное расстояние, см,
 , | (2.51) |
На заключительном этапе расчета по формуле (2.40) определяют действительную напряженность электрического поля и сравнивают ее с допустимой. При этом должно выполняться условие (2.42),
Для цилиндрических коаксиальных электродов по выражению (2.50) находят площадь S внутреннего электрода. Приняв один из параметров h (высота электродов) или d 1 (диаметр внутреннего электрода), рассчитывают другой параметр так, чтобы S=πd 1 h.
Затем находят диаметр внешнего электрода по формуле
 , | (2.52) |
 , | (2.53) |
Действительную напряженность электрического поля определяют по формуле (2.41) и проверяют по условию (2.42).
При расчете однофазных нагревателей непрерывного действия принимают
 , | (2.54) |
 , | (2.55) |
Конструктивные их параметры рассчитывают по удельному электрическому сопротивлению ρ кр материала
 , | (2.56) |
соответствующему средней температуре
 , | (2.57) |
Рассмотренную методику можно использовать для расчета нагревателей с электродными системами любой конструкции. Однако при этом эквивалентное сопротивление материала, заключенного в межэлектродном пространстве, определяют с учетом геометрических коэффициентов электродных систем. Их находят по известным формулам, которые приведены в литературе.
Материал нагревателей выбирают в первую очередь в зависимости от требуемой рабочей температуры оборудования и условий работы нагревательных элементов. Эти материалы должны быть жаростойкие (не окисляться в условиях высокой температуры), жаропрочны (сохранять прочностные качества при высоких температурах) и технологичны (легко поддаваться обработке при изготовлении установки). Перечисленным требованиям должны отвечать материалы всех конструктивных элементов, находящихся в рабочем пространстве электротермического оборудования.
Характеристики хромникельалюминиевых сплавов (например, Х15Н60ЮЗА) по сравнению с безникелевыми улучшены (рабочая температура до 1100°С), и стоимость их более низкая за счет уменьшения содержания никеля.
В электротермических установках с рабочей температурой выше 1250 °С применяют неметаллические нагреватели из карборунда, дисилицида молибдена, графита или из тугоплавких металлов (вольфрама, тантала, ниобия и др.).
Температурный коэффициент сопротивления нагревателей, изготовленных из обычной стали, большой, жаростойкость и жаропрочность невысокие, сопротивление зависит от значения тока, протекающего по нагревателю. Однако вследствие дешевизны и недефицитности их широко применяют в низкотемпературных электротермических устройствах с рабочей температурой 300. 400°С.
Нагревательные элементы по конструктивному исполнению принято разделять на открытые, закрытые и герметические.
Открытые нагреватели из металлических сплавов изготавливают из проволоки или ленты, свернутых в спираль или изогнутых зигзагообразно (рис. 2.4, а) и б). Открытые спиральные и зигзагообразные нагреватели крепят на керамических жаропрочных изоляторах в рабочем пространстве электротермических установок. Теплота от таких нагревателей передается конвекцией и излучением. Чем выше температура нагревателя, тем большая часть энергии инфракрасным излучением передается нагреваемому материалу.
Помимо проволочных нагревателей в качестве источников инфракрасного излучения в электротермических установках используют специальные лампы (см. раздел «Электрическое освещение и облучение»).
В нагревательных элементах закрытого исполнения (рис 2.4, в) нагреватель находится в защитном кожухе, предохраняющем его от механического воздействия окружающей среды. Защищенные нагревательные элементы передают теплоту в основном конвекцией.
В электротермических устройствах открытые и закрытые элементы используют из-за их простоты и невысокой стоимости. Однако наиболее распространены в электротермическом оборудовании сельскохозяйственного назначения герметические нагревательные элементы или ТЭНы.
Трубчатые нагревательные элементы (ТЭНы) применяют для нагрева воды, воздуха, растворов электролитов и других сред. ТЭНы можно размещать в нагреваемой среде. Они надежно работают при вибрациях и ударных нагрузках, отличаются электро- и пожароопасностью, повышенным сроком службы.
Материал оболочки (медь, латунь, углеродистая и нержавеющая сталь) определяет механическую прочность ТЭНа, его химическую стойкость и зависит от назначения электронагревателя. ТЭНы с оболочкой из нержавеющей стали, имеющей повышенную жаропрочность и коррозионную стойкость, применяют для нагрева агрессивных сред, а также при работе с температурой на оболочке ТЭНа свыше 450 °С. ТЭНы с медной оболочкой используют при небольших температурах в средах, вызывающих коррозию других металлов. Например, для подогрева воды предназначены трубчатые нагревательные элементы из медной трубки, покрытой оловом, никелем или хромом. Стальные трубы используют для изготовления ТЭНов, нагревающих сухой воздух, масло и т. и. при температуре оболочки, не превышающей 400. 450 °С. Для ТЭНов, работающих при повышенной влажности воздуха, температура которых может превышать 450 °С, чаще всего применяют трубы из высоколегированной стали.
Для рационального размещения ТЭНов в рабочей зоне электротермического оборудования им придают различную форму (рис. 2.5, б) и устанавливают при помощи крепежных устройств (штуцеров, планок и т. п.), соединенных с оболочкой сваркой, пайкой, или опрессовкой.
При нагреве газообразных сред для увеличения теплоотвода от ТЭНов применяют оребрение 6 (рис. 2.5, б), выполняемое из металла с хорошей теплопроводностью. Это способствует сокращению габаритных размеров электротермических установок и, следовательно, их металлоемкости.
 , | (2.58) |
 , | (2.59) |
Для равномерной загрузки трехфазной питающей сети число ТЭНов должно быть кратным трем.
Расчет основывается на том, что нагреватель можно рассматривать как элемент электрической цепи, для которого справедливы законы электротехники.
Так, мощность, Вт, нагревателя в соответствии с законом Ленца-Джоуля
 , | (2.60) |
Одновременно нагреватель можно рассматривать как нагретое тело, участвующее в теплообмене с окружающей средой. В стационарном режиме мощность Рн полностью передается окружающей среде. Уравнение теплообмена нагревателя с окружающей средой при теплопередаче:
 , | (2.61) |
 , | (2.62) |
 , | (2.63) |
Удельная поверхностная мощность нагревателей при теплопередаче:
 , | (2.64) |
 , | (2.65) |
 , | (2.66) |
Зная конкретные условия работы нагревателей, можно определить соответствующие удельные поверхностные мощности. Однако их расчет по формулам (2.64), (2.65) и (2.66) носит приближенный характер, так как входящие в них коэффициенты являются сложными функциями многих переменных.
Обозначив в общем случае удельную поверхностную мощность нагревателя основные размеры нагревателей находят из следующих уравнений:
 , | (2.67) |
 , | (2.68) |
Из уравнений (2.67) и (2.68)
 , | (2.69) |
 , | (2.70) |
Для нагревателя круглого сечения
 , | (2.71) |
Подставив эти значения в формулу (5.13), получим расчетный диаметр нагревателя
 , | (2.72) |
По значению d подбирают ближайший больший стандартный диаметр проволоки нагревателя. Длина проволочного нагревателя
 , | (2.73) |
Для ленточного нагревателя
 , | (2.74) |
Расчетная толщина нагревателя прямоугольного сечения
 , | (2.75) |
 , | (2.76) |
При рабочей температуре больше 700°С не рекомендуется применять для элементов проволоку диаметром меньше 5 мм и ленту толщиной менее 1,5 мм, так как малое сечение из-за окисления материала приводит к значительному сокращению срока службы нагревателей.
Из формул (2.72) и (2.75) видно, что при снижении напряжения питания расчетное сечение нагревателей увеличивается, а расчетная длина уменьшается. Значит, размещение нагревателей в рабочем пространстве печи облегчается. При этом повышается срок их службы.
Основные параметры нагревателей можно рассчитать упрощенно по рабочему току и расчетной температуре. Температуру рабочей поверхности нагревателя t раб принимают такой, чтобы она была больше технологически необходимой температуры материала.
Для открытого нагревательного элемента
 , | (2.77) |
Зная рабочий ток и расчетную температуру, по таблице 5.1 Определяют диаметр проволоки. Таблица составлена для нагревательного элемента из неизолированной нихромовой проволоки круглого сечения, подвешенного в неподвижной воздушной среде.
Нагревательный провод может быть намотан в виде спирали или уложен равномерно на керамический каркас и защищен пластинами из жаропрочного электроизоляционного материала или металла, что повышает температуру элементов.
Чтобы выбрать сечение нагревателя по таблице 5.1, находят расчетную температуру по формуле
 , | (2.78) |
Температура рабочей поверхности нагревателя должна удовлетворять следующему условию:
 , | (2.79) |
По известной расчетной мощности нагревательного элемента определяют его рабочий ток
 , | (2.80) |
С учетом выражений (2.67) и (2.70) длина нагревателя
 , | (2.81) |
Проволочные нагреватели ориентировочно можно также рассчитать по допустимой плотности тока материала. Сечение нагревателя
 , | (2.82) |
По вычисленному сечению рассчитывают диаметр проволоки нагревателя, принимают стандартное его значение и по выражению (2.81) находят длину.
В рабочем пространстве электротермических устройств нагреватели изгибают зигзагообразно или придают им форму спирали.
Для проволочных зигзагообразных нагревателей диаметром d=6... 15 мм высоту А зигзага принимают от 200 до 400 мм по условию механической прочности (см. рис. 2.4,6). Шаг волны выбирают 
, с тем, чтобы бездефектно изогнуть проволоку.
 | (2.83) |
Для спиральных нагревательных элементов из проволоки принимают шаг спирали h > (2. 4)d, с тем чтобы соседние ее витки существенно не экранировали одна другую.
Конструктивная длина спирального нагревательного элемента
 | (2.84) |
Специальные, провода и кабели, являясь разновидностью нагревательных элементов при электронагреве сопротивлением, имеют токопроводящую жилу из стали или нихрома, покрытую сверху специальной изоляцией.
Провода используют в технологических процессах сельскохозяйственного производства, в которых рабочая температура не превышает 40°С и применение других нагревательных устройств затруднено по условиям обеспечения электробезопасности или по другим причинам; для обогрева почвы и воздуха в сооружениях защищенного грунта, пола в животноводческих и птицеводческих помещениях, водопроводов на вводе в производственные помещения и т.д.
Нагревательные провода ПОСХП, ПОСХВ и ПОСХВТ имеют однопроволочную стальную токоведущую жилу и полиэтиленовую или поливинилхлоридную изоляцию. В проводе ПНВСВ повышенной надежности, кроме того, есть дополнительная изоляция из фторопластовой ленты, экран из стальных проволочек диаметром 0,3 мм и наружная поливинилхлоридная оболочка. Такая конструкция нагревательного провода позволяет в 4. 5 раз увеличить срок его службы.
Основные технические данные проводов приведены в таблице 5.2.
В отличие от проводов нагревательные кабели могут иметь до трех токопроводящих жил из нихрома. Их изолируют асбестом, селиконом, кристаллическим оксидом магния, кремний с органической резиной, периклазом и другими теплостойкими материалами.
Снаружи кабель покрыт оболочкой из свинца, алюминия, меди, нержавеющей стали или поливинилхлоридного пластика, предохраняющей его от воздействия внешней среды и механических повреждений. По сравнению с нагревательными проводами кабели имеют большие удельные, мощности и рабочие температуры. Так, кабели с наружной оболочкой из нержавеющей стали и магнезитовой изоляцией рассчитаны на температуру до 400 °С. В некоторых случаях их удобнее использовать, чем ТЭНы, так, как при монтаже кабели можно свободно изгибать, придавая им необходимую форму без нарушения их целостности.
Нагревательные устройства из проводов и кабелей выполняют фиксированным монтажом. В зависимости от технологического назначения они могут быть уложены зигзагообразно или в виде параллельных нитей непосредственно в нагреваемую среду (почву, бетонный пол и др.), подвешены на изоляторах (при обогреве воздуха в парниках и теплицах), проложены в трубах (обогрев насестов).
Расчет выполняют в такой последовательности. Задаются рабочей удельной мощностью провода или кабеля длиной 1 м по условию
 , | (2.85) |
По технологически необходимой общей мощности Р уст устройства и принятому значению р 1раб находят общую длину, м, нагревательного провода
 , | (2.86) |
Принятому значению мощности р 1раб соответствует напряжение, В, приходящееся на нагреватель длиной 1 м.
 | (2.87) |
 | (2.88) |
 , | (2.89) |
Число секций n должно быть целым и кратным трем, с тем чтобы равномерно загрузить фазы питающей сети нагревательными секциями. Если это не получилось сразу, то изменяют значение р 1раб и повторяют весь расчет.
Нагревательные элементы электротермических установок и устройств рассчитывают на определенную мощность и определенное напряжение. Чтобы обеспечить номинальный режим, нагревательный элемент подключают к питающей сети соответствующего напряжения. Количество теплоты, выделяемое нагревателем в единицу времени, т. е. его мощность, находят по уравнению (2.60).
В процессе работы электротермических установок мощность электронагревателей можно регулировать, изменяя напряжение и сопротивление.
Наиболее просто мощность регулируют ступенчато, переключая нагревательные элементы на различные схемы. При этом изменяются либо число подключенных к сети элементов и их общее сопротивление, либо напряжение на каждом из них.
В большинстве элементов электротермических установок применяют стандартное сетевое напряжение.
Однофазные установки с регулируемой мощностью имеют два или более нагревательных элемента (секции) (рис. 2.6, а). При использовании двух нагревательных элементов мощность регулируют за счет переключения секций, включаемых параллельно (максимальная мощность) или последовательно (минимальная мощность). Среднюю мощность нагрева получают при включении одной секции.
 , | (2.90) |
При включении одного нагревателя полное сопротивление устройства
 , | (2.91) |
При последовательном включении n секций полное сопротивление нагревательного устройства
 , | (2.92) |
Для рассмотренных здесь способов включения нагревательных элементов мощность составит соответственно:
 , | (2.93) |
 , | (2.94) |
 , | (2.95) |
Если принять мощность P2 за единицу, то соотношение мощностей
 , | (2.96) |
Так, при n=2 соотношение мощностей
 , | (2.97) |
т.е. диапазон регулирования мощности равен 4.
Для равномерной загрузки питающей сети в трехфазных электротермических устройствах число секций кратно трем.
При включении трехфазных приемников в симметричную звезду или треугольник (рис. 2.6, б) мощность определяют по формуле
 , | (2.98) |
Для трехфазной симметричной системы справедливы следующие соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами:
для симметричной звезды
 , | (2.99) |
для симметричного треугольника
 , | (2.100) |
При соединении секции звездой мощность нагревательных элементов
 , | (2.101) |
При соединении секции треугольником мощность нагревательных элементов
 , | (2.102) |
Отношение мощностей РY и РΔ составит
 , | (2.103) |
Таким образом, переключением со звезды на треугольник можно получить общую мощность нагревательных элементов в соотношении 1:3.
Изменяя схему их включения, мощность можно регулировать ступенчато, что приемлемо в тех случаях, когда по условиям технологического процесса не требуется точное поддержание температуры.
При плавном регулировании мощности изменением напряжения, питающего электротермическую установку, можно более точно поддерживать температуру.
1. Расскажите об устройстве и области применения электрокалорифер-ных установок серий СФОО и СФОЦ.
2. Как регулируют тепловую мощность установки и температуру воздуха на выходе калорифера?
3. Почему калорифер устанавливают со стороны всасывающего патрубка вентилятора?
4. Какая максимальная температура воздуха допускается в отопительных калориферах?
5. Как изменятся потребляемая мощность и температура поверхности ТЭНов при остановке вентилятора?
6. Какая блокировка предусмотрена в схеме управления электрокалориферной установкой?
7. Объясните работу электрокалориферной установки в автоматичском режиме.
8. К каким последствиям может привести неработающий вентилятор?
9. Чем измеряют скорость воздуха в калорифере?
10. Как будет работать установка, если изменится фазировка в сети?
1. Как обнаружить неисправные ТЭНы в электрокалорифере?
12. В каких случаях выходят из строя предохранители ТЭНов?
13. Расскажите о преимуществах ТЭНов, сравнивая их с другими нагревателями.
14. По каким параметрам выбирают ТЭНы?
15. Какими свойствами должен обладать материал наполнителя?
16. От чего зависит удельная мощность ТЭНа?
17. Почему при включении водонагревателя без воды ТЭНы выходят из строя?
18. Структура условного обозначения ТЭНа.
19. Каким должно быть сопротивление изоляции ТЭНов в течение всего срока эксплуатации?
20. Что необходимо выполнить, если сопротивление изоляции ТЭНа не соответствует норме?
21. От чего зависят параметры трубки ТЭНа?
22. Достоинства и недостатки элементных водонагревателей.
23. Области использования элементных водонагревателей.
24. Расскажите об устройстве и принципе действия аккумуляционного водонагревателя.
25. Перечислите основные правила техники безопасности при использовании элементных водонагревателей и особенности их эксплуатации.
26. Где устанавливаются датчики контроля температуры воды водонагревателей?
27. Перечислите c.-х. технологические процессы, выполнение которых связано с использованием электроводонагревателей.
28. Каковы преимущества электроводонагревателей перед огневыми водонагревателями?
29. В каких режимах могут работать электроводонагреватели?
30. Чем отличаются электродные водонагреватели от элементных?
31. Расскажите об устройстве и принципе работы электродного нагревателя.
32. Почему в электродных водонагревателях ограничиваются плотность тока на электродах и напряжённость поля между ними?
33. Когда на корпусе электродного водонагревателя появляется наибольший потенциал по отношению к земле?
34. Как находят удельное электрическое сопротивление воды опытным путём?
35. Как регулируется мощность в электродном водонагревателе?
36. От каких параметров зависит КПД электродного нагревателя?
37. Назовите преимущества и недостатки электродного водонагревателя с системой автоматического регулирования постоянной мощности нагрева по сравнению с другими электродными нагревателями.
38. Принцип действия электродного водонагревателя с системой автоматического регулирования постоянной мощности нагрева.
39. Где применяется электродный нагрев?
40. Назовите типы электродных систем.
41. Каким недостатком обладает установка с изменением напряже-ния на электродной системе?
42. Какие установки являются наиболее перспективными?
43. Принцип действия саморегулирующихся нагревательных устройств.
|
|
|
|
© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006