электропечь сопротивления СШОД -1. 1 Теоретическая часть
 Скачать 350.42 Kb.
|
Определение диаметра и длины нагревателя (нихромовой проволоки) для печи.Расчет, представленный в данном пункте, является более сложным, чем выше. Здесь мы учтем дополнительные параметры нагревателей, попытаемся разобраться с вариантами подключения нагревателей к сети трехфазного тока. Расчет нагревателя будем проводить на примере электрической печи. Пусть исходными данными являются внутренние размеры печи. Первое, что необходимо сделать - посчитать объем камеры внутри печи. В данном случае возьмем h = 490 мм, d = 350 мм и l = 350 мм (высота, ширина и глубина соответственно).Таким образом, получаем объем:
 Далее необходимо определить мощность, которую должна выдавать печь. Мощность измеряется в Ваттах (Вт) и определяется по эмпирическому правилу: для электрической печи объемом 10 - 50 литров удельная мощность составляет 100 Вт/л (Ватт на литр объема), объемом 100 - 500 литров - 50 - 70 Вт/л. Возьмем для рассматриваемой печи удельную мощность 100 Вт/л. Таким образом мощность нагревателя электрической печи должна составлять  Стоит отметить, что при мощности 5-10 кВт нагреватели изготовляют, обычно, однофазными. При больших мощностях для равномерной загрузки сети нагреватели делают трехфазными. Затем нужно найти силу тока, проходящего через нагреватель I = P / U, где P- мощность нагревателя, U- напряжение на нагревателе (между его концами), и сопротивление нагревателя R = U / I. Промышленная сеть трехфазного тока При данном типе подключения нагрузка распределяется равномерно на три фазы, т.е. по 6 / 3 = 2 КВт на фазу. Таким образом, нам требуется 3 нагревателя. Далее необходимо выбрать способ подключения непосредственно нагревателей (нагрузки). Способов может быть 2: “ЗВЕЗДА” или “ТРЕУГОЛЬНИК”. Стоит заметить, что в данной статье формулы для расчета силы тока (I) и сопротивления (R) для трехфазной сети записаны не в классическом виде. Это сделано для того, чтобы не усложнять изложение материала по расчету нагревателей электротехническими терминами и определениями (например, не упоминаются фазные и линейные напряжения и токи и соотношения между ними). С классическим подходом и формулами расчета трехфазных цепей можно ознакомиться в специализированной литературе. В данной статье некоторые математические преобразования, проведенные над классическими формулами, скрыты от читателя, и на конечный результат это не оказывает никакого влияния. При подключении типа “ЗВЕЗДА” нагреватель подключается между фазой и нулем. Соответственно, напряжение на концах нагревателя будет U = 220 В. Ток, проходящий через нагреватель , расчёт производиться по формуле 1.  Сопротивление одного нагревателя, расчёт производиться по формуле 2.  При подключении типа “ТРЕУГОЛЬНИК” нагреватель подключается между двумя фазами. Соответственно, напряжение на концах нагревателя будет U = 380 В. Ток, проходящий через нагреватель, расчёт производиться по формуле 1.  Сопротивление одного нагревателя, расчёт производиться по формуле 2.  После определения сопротивления нагревателя при соответствующем подключении к электрической сети необходимо подобрать диаметр и длину проволоки. При определении указанных выше параметров необходимо анализировать удельную поверхностную мощность нагревателя, т.е. мощность, которая выделяется с единицы площади. Поверхностная мощность нагревателя зависит от температуры нагреваемого материала и от конструктивного выполнения нагревателей. Для каждого материала в зависимости от требуемой температуры нагрева определено допустимое значение поверхностной мощности. Оно может определяться с помощью специальных таблиц или графиков. В данных расчетах используются таблицы. Предположим, что температура нагревателя 1000 °С, и хотим нагреть заготовку до температуры 700 °С. Тогда по таблице 3 подбираем βэф = 8,05 Вт/см2, α = 0,2, βдоп = βэф · α = 8,05 · 0,2 = 1,61 Вт/см2 = 1,61 · 104 Вт/м2. После определения допустимой поверхностной мощности нагревателя необходимо найти его диаметр (для проволочных нагревателей) или ширину и толщину (для ленточных нагревателей), а также длину. Диаметр проволоки можно определить по следующей формуле:
где D - диаметр проволоки, [м]; P - мощность нагревателя, [Вт]; U - напряжение на концах нагревателя, [В]; βдоп - допустимая поверхностная мощность нагревателя, [Вт/м2]; ρt - удельное сопротивление материала нагревателя при заданной температуре, [Ом·м].
где ρ20 - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя при 20 С, [Ом·м] k - поправочный коэффициент для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры (по ГОСТ 12766.1-90). Длину проволоки можно определить по следующей формуле:
где l - длина проволоки, [м]. Подберем диаметр и длину проволоки из нихрома Х20Н80. Удельное электрическое сопротивление материала нагревателя составляет (по формуле 7).  Промышленная сеть трехфазного тока Также можно найти диаметр и длину проволоки, необходимой для изготовления нагревателей печи, подключенной к сети трехфазного тока. Как описано в п. 3, на каждый из трех нагревателей приходится по 2 КВт мощности. Найдем диаметр, длину и массу одного нагревателя. Подключение типа “ЗВЕЗДА” (по формуле 6 и 8).
В данном случае, ближайшим большим стандартным размером является Ø 1,4 мм. Диаметр нагревателя d = 1,4 мм.  Длина одного нагревателя l = 30 м. Масса одного нагревателя m = l · μ = 30 · 0,013 = 0,39 кг. Проверка: Был получен диаметр проволоки 1,4 мм. Тогда нужная нам длина составит.
 Данное значение практически совпадает со значением, полученным в результате другого расчета. Поверхностная мощность составит
 она не превышает допустимую. Итоги: Для трех нагревателей, подключенных по схеме “ЗВЕЗДА”, потребуется l=  3 · 30 = 90 м проволоки, что составляет m = 3 · 0,39 = 1,2 кг.Подключение типа “ТРЕУГОЛЬНИК” по формуле (6) и (8).  В данном случае, ближайшим большим стандартным размером является Ø 0,95 мм. Диаметр нагревателя d = 0,95 мм.  Длина одного нагревателя l = 43 м. Масса одного нагревателя m = l · μ = 43 · 0,006 = 0,258 кг. Проверка Был получен диаметр проволоки 0,95 мм. Тогда нужная нам длина составит (по формуле 9).  Данное значение практически совпадает со значением, полученным в результате другого расчета. Поверхностная мощность составит (по формуле 10)  она не превышает допустимую. Итоги: Для трех нагревателей, подключенных по схеме “ТРЕУГОЛЬНИК”, потребуется l = 3 · 43 = 129 м проволоки, что составляет m = 3 · 0,258 = 0,8 кг. Если сравнить 2 рассмотренных выше варианта подключения нагревателей к сети трехфазного тока, то можно заметить, что для “ЗВЕЗДЫ” требуется проволока большего диаметра, чем для “ТРЕУГОЛЬНИКА” (1,4 мм против 0,95 мм), чтобы обеспечить заданную мощность печи 6 кВт. При этом требуемая длина нихромовой проволоки при подключении по схеме “ЗВЕЗДА” меньше длины проволоки при подключении типа “ТРЕУГОЛЬНИК” (90 м против 129 м), а требуемая масса, наоборот, больше (1,2 кг против 0,8 кг). Для эксплуатации рассчитанной нихромовой проволоки из нее необходимо сделать спираль. Диаметр спирали нагревателя принимают равным: D = (4÷6)·d - для хромоалюминиевых сплавов, D = (7÷10)·d - для хромоникелевых сплавов, где D - диаметр спирали [мм], d - диаметр проволоки [мм]. Для устранения местных перегревов спираль необходимо растянуть, чтобы расстояние между витками было в 1,5-2 раза больше диаметра проволоки. 2.1.3 Расчёт и выбор питающего кабеля, аппаратов управления и защиты Проектирование электропроводок заключается в выборе типа используемого провода или кабеля и сечения токопроводящего проводника, а также способов их прокладки. В пределах жилых зданий используются, как правило, изолированные провода и кабели с медными жилами напряжением до 1000 В. Типы проводов или кабелей определяют: - вид изоляции токоведущих жил (резиновая, поливинилхлоридная, полиэтиленовая и пр.); - наличие общих оболочки и оплетки; - горючесть изоляционного материала провода или кабеля; - материал токоведущих жил (медь, алюминий); - гибкость материала токоведущей жилы; - конструктивное выполнение (круглый, плоский, самонесущий и др.); - специальное назначение (например: для водопогружных насосов; повышенной термической стойкости и др.); - напряжение (250, 380, 660 и 1000 В); - число токоведущих жил. Выбор типа провода или кабеля зависит от следующих факторов: - от предполагаемого места прокладки и способа монтажа (в земле, в воздухе, в трубах, в коробах, на лотках и кронштейнах, открыто без крепления, открыто на изоляторах, скрыто); - от категории помещений (сухие, влажные, сырые, особо сырые, особо сырые с химически активной средой); - от влияния внешних воздействий (температура окружающей среды; наличие воды, пыли, коррозионно-активных и загрязняющих веществ; механические внешние воздействия; наличие флоры и фауны; солнечное излучение; конструкция здания); - от уровня напряжения питающей сети. Электроснабжение коттеджей в большинстве случаев выполняется голыми (неизолированными) алюминиевыми или медными проводами. Эти провода при помощи фарфоровых, стеклянных или пластиковых изоляторов подвешиваются на деревянные или железобетонные опоры. Электрический ввод непосредственно в коттедж осуществляется от ближайшей опоры изолированным проводом. Выбранные проводники и защищающие их устройства должны удовлетворять следующим условиям: - проводить, не перегреваясь, расчетный ток нагрузки, а также выдерживать кратковременные перегрузки; - падение напряжения в проводнике не должно превышать нормированных значений; - защитные устройства (автоматические выключатели, предохранители) должны защищать проводники от перегрузки и коротких замыканий. Кроме вышеперечисленного проводники выбираются и по механической прочности. Номинальный ток электрооборудования I; А.
 Выбран кабель марки ВВГНГ-LS 4х1,5 с допустимым током Iдоп = 10 А Выбор аппаратов защиты. Аппараты защиты - это устройства, которые предназначены для защиты электрических цепей, электрооборудования, машин и других агрегатов от любых угроз, мешающих нормальной работе этих устройств, а также для их защиты от перегрузок. Здесь важно отметить, что они должны быть правильно установлены, а эксплуатация должна проводиться точно в соответствии с инструкцией, иначе аппараты защиты сами могут стать причиной выхода оборудования из строя, взрыва, пожара и прочего. Основные требования к приспособлениям Для того чтобы прибор мог успешно эксплуатироваться, он должен удовлетворять следующим требованиям: Аппараты защиты ни в коем случае не должны иметь температуру сверх допустимой для них под нормальной нагрузкой электрической сети или электрического оборудования. Прибор не должен отключать оборудование от питания во время кратковременных перегрузок, к которым часто относится пусковой ток, ток при самозапуске и т. д. При выборе плавких вставок для предохранителей необходимо основываться на номинальном токе в участке цепи, который и будет защищать данное устройство. Это правило выбора аппаратов защиты актуально в любом случае при выборе любого приспособления для защиты. Также важно понимать, что при длительном перегреве защитные качества значительно снижаются. Это негативно сказывается на приборах, так как в момент критической нагрузки они могут, к примеру, просто не отключиться, что приведет к аварии. Аппараты защиты должны обязательно отключать сеть при возникновении длительных перегрузок внутри этой цепи. При этом должна обязательно соблюдаться обратная зависимость от тока по времени выдержки. В любом случае устройство защиты должно отключать цепь в конце при возникновении короткого замыкания (КЗ). Если КЗ происходит в однофазной цепи, то отключение должно происходить в сети с глухозаземленной нейтралью. Если короткое замыкание происходит в двухфазной цепи, то в сети с изолированной нейтралью. У аппаратов защиты электрических цепей имеется отключающая способность I пр. Значение этого параметра должно соответствовать току короткого замыкания, который может возникнуть в начале защищаемого участка. Если же это значение будет ниже, чем максимально возможный ток КЗ, то процесс отключения участка цепи может не произойти вовсе или же произойти, но с задержкой. Из-за этого могут быть повреждены не только приборы, подключенные к этой сети, но и сам аппарат защиты электрической цепи. По этой причине коэффициент отключающей способности должен быть больше или же равен максимальному току короткого замыкания. Номинальный ток теплового расцепителя  , А
 Номинальный ток электромагнитного расцепителя  , А
 Выбран автоматический выключатель марки ВА9-1 с номинальным током Iном = 10 А, Автомати́ческий выключа́тель — контактный коммутационный аппарат (механический или электронный), способный включать токи, проводить их и отключать при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение нормированного (заданного) времени и автоматически отключать токи при нормированных ненормальных условиях в цепи, таких как токи короткого замыкания. Автоматические выключатели играют ту же роль, что и плавкие предохранители, но при этом их конструкция более сложная. Однако это компенсируется тем, что использовать выключатели гораздо удобнее, чем предохранители. К примеру, если в сети появится короткое замыкание по причине старения изоляции, то выключатель способен отключить от питания поврежденный участок электрической цепи. При этом же аппарат управления и защиты сам по себе достаточно легко восстанавливается, после срабатывания он не требует замены на новый, а после проведения ремонтных работ способен снова надежно защищать подконтрольный ему участок цепи. Использовать такого рода выключатели очень удобно, если необходимо провести какие-либо регламентные ремонтные работы. Что касается производства данных приборов, то основной показатель - это номинальный ток, на который рассчитан прибор. В этом плане наблюдается огромный выбор, что позволяет подобрать под каждую цепь наиболее подходящее устройство. Если говорить о рабочем напряжении, то они, как и предохранители, делятся на два вида: с напряжением до 1 кВ и высоковольтные с рабочим напряжением выше 1 кВ. Здесь важно добавить, что высоковольтные аппараты защиты электрооборудования и электрических цепей производятся вакуумными, с инертным газом или маслонаполненными. Такое исполнение позволяет на более высоком уровне осуществлять расцепление цепи при возникновении такой необходимости. Еще одно существенное отличие автоматических выключателей от предохранителей состоит в том, что они изготавливаются для эксплуатации не только в однофазных, но и в трехфазных цепях.   Выбор магнитный пускатель КМ1  К установке принят магнитный пускатель типа ТАLHAE 1100 с номинальным током Iном = от 9 до 110 А. Магнитный пускатель предназначены, главным образом, для дистанционного управления электродвигателями, а именно: для пуска непосредственным подключением к сети и остановки (отключения) электродвигателя (нереверсивные пускатели), для пуска, остановки и реверса электродвигателя (реверсивные пускатели). Выбор теплового реле КК1.  К установке принят тепловое реле типа КНИ-11211 с номинальным током Iном = 9-13 А. Тепловые реле - это электрические аппараты, предназначенные для защиты электродвигателей от токовой перегрузки. Тепловое реле наиболее распространенное устройство, которое способно защищать электрические двигатели, нагреватели, любые силовые приборы от такой проблемы, как ток перегрузки. Принцип действия данного прибора очень прост, и основан он на том, что электрический ток способен нагревать проводник, по которому он протекает. Основная рабочая деталь любого теплового реле - это биметаллическая пластина. При нагреве до определенной температуры эта пластина изгибается, чем и разрывает электрический контакт в цепи. Естественно, что нагрев пластины будет происходить до тех пор, пока не достигнет критической точки. Выбор предохранителя FU  Выбран предохранитель марки ППНИ-33 с номинальным током Iном = 10 А. Предохранитель это – защитное устройство, которое размыкает электрическую цепь при превышении номинального тока в цепи, благодаря чему предупреждает электротравмы и выход оборудования из строя. Из этой статьи вы узнаете, какими бывают предохранители, как они работают и какие предохранители лучше использовать. При коротком замыкании в сети падает сопротивление и за доли секунды увеличивается сила тока. Увеличение силы тока выводит из строя электроприборы, приводит к расплавлению или возгоранию проводки. А человек или животное в такой ситуации может получить опасный для жизни удар током. Предохранители в цепях уменьшают опасность. Эти устройства размыкают цепь при увеличении силы тока выше предусмотренного значения. |
