электротехнологии задачи. Задача Электрический и конструктивный расчет нагревательного элемента Исходные данные

• Название: Задача Электрический и конструктивный расчет нагревательного элемента Исходные данные
• Дата: 25.04.2022
• Размер: 289.29 Kb.
• Имя файла: электротехнологии задачи.docx
• Тип: Задача; #496043

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего образования

«Омский государственный технический университет»

Кафедра «Электрическая техника»

Домашнее задание

По дисциплине «Электротехнологии»
Вариант 243

Выполнил: ст.гр. ТЭ-202

Мерлинг Э.Д.

Проверил: доц., к.т.н.

Коврижин Б.Н.

Омск 2022

Задача 1. Электрический и конструктивный расчет нагревательного элемента

Исходные данные:

Циф ра шиф ра	Первая		Вторая				Третья
	Мощност ь нагревате ля, кВт	Напря жение, В	Удельн ая мощнос ть Руд, 104 *Вт/м2	Рабочая температ ура нагревате ля, оС	Плотност ь тока нагревате ля, А/мм2	Конструкц ия нагревател я		Условия работы нагреват еля
243	10	127	5	700	6	Проволочный зигзаг		Свободн ая конвекци я

Решение:

Определим размеры нагревателя методом с использованием удельной

поверхностной мощности:

Определяем диаметр нагревателя круглого сечения.
d= = =0,0037 м

По рассчитанному значению диаметра d подбираем ближайший, стандартный диаметр проволоки нагревателя:

d=3,6∙ м

Подбираем ближайшую по сечению стандартную спираль, получаем

Диаметр проволоки dили размер ленты (aхb), 10-3м	Площадь поперечного сечения Sнэ, 10- 6м2	Поверхност ь погонного метра, 10- 4м2	Масса погонного метра, г
			Х12Н6 0 Х20Н8 0	Х25Н80 ХН70Ю	ОХ23Ю5 А ЩХ27Ю5 А
Проволочный зигзак
3,6	10,00	113,0	85,5	80,3	73,8

Длину выбранного стандартного провода определяют по формуле:

l= = = =16,42 м

Определить размеры нагревателя методом с использованием рабочего тока и расчетной температуры.

Чтобы выбрать сечение нагревателя, находят расчетную температуру по формуле

𝑡_расч = 𝑡_раб к_м к_с = 700 560 ^оС

k_м - 0,8...0,9 – свободно подвешенный проволочный или ленточный нагреватель (спираль или зигзаг), принимаем значение равное 0,8.

kс = 1 – для свободной конвекции

По известной расчетной мощности нагревательного элемента определяют его рабочий ток
= = =78,74 A

Диамет р проволо ки, мм	Сечени е, мм2	Ток нагревателя, А, при расчётной температуре, С
		200	400	600	700	800	900	1000
4,0	12,6000	37,00	60,00	80,00	93,00	110,00	129,00	151,00

Зная рабочий ток и расчетную температуру определяем диаметр и сечение проволоки
𝑑 = 4 мм 𝑆 = 12,60 м
l= = = 20,32 м

Определить размеры нагревателя методом с использованием допустимой плотности тока материала нагревателя:
S = = = 13,12
Размеры ближайшей стандартной проволоки:

d=4,5мм ; S= 15,8м

для выбранных проволоки определим длину по формуле:
l= = = 25,48 м
В соответствии с заданной конструкцией нагревателя, используя рекомендации по размерам для спирали, определим длину спирали в свернутом виде

Определение размеров нагревателя
= = = 1,91 м

Задача 2. Расчет установки электроконтактного нагрева

Исходные данные:

Цифр а шифр а	первая		вторая		третья
	Материа л детали	Конечная температур а нагрева, оС	Длин а детал и l, м	Диамет р детали d, мм	Время нагрев а τ, с	Продолжительнос ть включения ПВ, о.е.
243	Медь	600	0,9	50	50	0,6

Физические свойства нагреваемого материала:

Материал детали	Плотность материала D, кг/м3	Удельная теплоемкость C, Дж/кг·оС	Удельное сопротивление ρ, Ом·м при (оС)	Температурный коэффициент сопротивления, α, оС-1
Медь	8800	389	0,07·10-6 (600) 0,017·10-6 (20)	0,0043

Решение:

Масса нагреваемой части детали
M = = ·6·8800 = 17,28 кг

Полезная мощность

Р_пол = = = 78,0 кВт

С учетом электрических и тепловых потерь общая активная мощность, подводимая к электронагревательному устройству
Р_общ = = 111,43 кВт

где: 𝜂э , 𝜂т , η – соответственно электрический, тепловой и общий коэффициент полезного действия установки электроконтактного нагрева (η =0,55...0,82). Принимаем значение равное 0,7.
Полная мощность трансформатора с учетом повторно- кратковременного режима работы установки

S_тр = = = 147,965 кВА
k_з=1,2- коэффициент запаса;

cosφ= 0,7- средний коэффициентмощности;
Среднее значение температуры детали за время нагрева
Ɵ = = = 290 ℃
Расчетное значение удельного сопротивления материала детали в процессе нагрева

ρ_t = ρ₂₀(1+α Ɵ)=0,017 (1+0,0043 = 3,8 Ом∙м

Эффективная глубина проникновения тока в металл детали

Z_a= 503∙ = 503· = 0,013 м

f=50 Гц, - относительная магнитная проницаемость нагреваемого материала. Для меди .

Коэффициент поверхностного эффекта

k_п = = = = 1,299 о.е.

Поперечное сечение детали

S = м²

Активное сопротивление R_t нагреваемой части детали с учетом нагрева и поверхностного эффекта

R_t = k_п· · = 1,299·3,8 = 0,000222 Ом
Напряжение на нагреваемой части детали

U_д = = = 4,16 В

Вторичное напряжение трансформатора с учетом падения напряжения в контактах и питающих проводниках

U₂ = = = = = 5,94 В
= = 23,225 кА

Задача 3. Расчет электродного нагревательного устройства

Исходные данные:

Цифра шифра	первая				вторая			третья
	Объем емкости V,м3	Времянагрева,τ,104· с	Производительность,10-5·м3/с	Конечная температура t2,оС		Напряжение ,В	Удельноесопротивление ρ20,Ом·м		Конструкция электродов	Условияработы
243	2	2	3	80		220	1,5		коаксиальная	непроточная

Нагреваемый материал -вода, её физические свойства:

Удельная теплоемкость С=4,18·10³, Дж/(кг∙°С); плотность δ=1000,кг/м³; удельное электрическое сопротивление ρ=0,02 Ом∙м.

Решение

1. Расчет потребной мощности переодического действия:

P_потр = P₂= 36560 Вт

2. Определение расчетной мощности одной фазы

Расчетная мощность для однофазных нагревателей
𝑃_расч= 𝑃_потр = 36560 Вт

Расчетный ток нагревателя

3. Определение допустимой плотности тока на электродах

Для электродов цилиндрической формы плотность тока на поверхности внутреннего электрода не должна превышать допустимую величину 1,5...2 А/см² , причем рекомендуемое значение 1,2 A/см² .

Возьмем значение j=1,2 А/см²

Удельное сопротивление воды 𝜌_𝑡 в зависимости от температуры 𝑡 , ^оС



Расчет размеров электродов

Необходимая площадь электродов


Для цилиндрических коаксиальных электродов принимают действительную плотность тока на внутреннем электроде. Находят площадь S внутреннего электрода. Приняв один из параметров h (высота электродов) или d2 (диаметр внутреннего электрода), рассчитывают другой параметр так, чтобы S=πd2h. При этом следует учесть, что для нагревателя проточного действия желательно выбрать соотношение ℎ⁄𝑑2 , больше, а для непроточного действия – меньше.

Принимаем h=6,5 cм, d2=6,8 см
S = π d₂ h = 3,14 0.0139 м²

Затем находят диаметр внешнего электрода по формуле:

d₁ = d₂ = 0,068 0,1923 м
Межэлектродное расстояние:

l= = 0,0622 м

Для коаксиальных электродов напряженность электрического поля, В/см, в межэлектродном пространстве зависит от текущего радиуса r точки в межэлектродном промежутке


E = = 62,217

напряженность электрического поля максимальна на внутреннем электроде и минимальна на внешнем. Фактическая максимальная напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве 𝐸макс не должна превышать пробивную напряженность 𝐸пр нагреваемого материала.

Допустимая напряженность



Пробивная напряженность материалов при прочих равных условиях зависит от их удельного сопротивления.

- для непроточной воды Eдоп=150….400 В/см

Задача 4. Расчет электрокалорифера

Исходные данные:

Цифрашифра	Первая		Вторая	Третья
	Воздухообмен L, м3/с	Площадь проходного сечения калорифераSк,м2	Температура воздуха на входекалорифераt1,°С	Температура воздуха на выходе калорифера t2,°С
243	0,3	0,02	-5	55

Решение:

1.Определение расчетной мощности калорифера

Тепловая мощность

Примем коэффициент запаса равным k_з = 1,2

δ - плотность воздуха, причем при низкотемпературном нагреве можно принять δ = 1,205 кг/м³

С = 1,0·10³ Дж/кг·^oC – удельная теплоемкость воздуха

t₂ - температура воздуха на выходе калорифера, °С;

t₁ – температура воздуха на входе в калорифер,°С


2.Расчетная мощность калорифера:

Здесь η – тепловой КПД калорифера, приближенно η = 0,7

3.Выбор мощности и количества ТЭН

Мощность, приходящуюся на одну фазу:

где: n – количество ТЭН в секции, P_ТЭН – мощность одного ТЭН.

Количество ТЭН в секции n = 12;Мощность одного ТЭНP_ТЭН= 1 кВт

Выбираем максимальную мощность ТЭН по таблице:

Условное обозначение нагреваемой среды	Нагреваемая среда	Характернагрева	Удельная мощность, Вт/см2,неболее	Материал оболочки ТЭН	Диаметр ТЭН (мм)	Максимальная мощность ТЭН(кВт)
		Газы,
R	Воздух и прочие смеси газов	Движущиеся со скоростью не менее 6,0 м/с,до 450	3,5	Углеродистая сталь	10	1.0
		оС

Общее количество нагревательных элементов в трех секциях

N_общ=3·n=3·12=36

Уточненная общая мощность нагревателей в ЭКУ с учетом выбранных мощности и количества ТЭН:

Р_к= N_общ∙P_тэн=12∙1= 12 кВт

4.Расчет рабочей температуры на поверхности наиболее нагретого ТЭН на выходе калорифера

Скорость потока воздуха


Диаметр ТЭН по таблице d_тэн=10 мм,а длину ТЭН l_тэн можно ориентировочно принять равной 1м. Коэффициент теплоотдачи конвекцией α определяем по рисунку, зная скорость потока воздуха Ʋ,м/с и диаметр ТЭН d_тэн, мм.



𝑆_тэн = 𝜋 ∙ 𝑑_тэн· 𝑙_тэн= 3,14 ∗ 0,01 ∗ 1 = 0,0314 м²- площадь поверхности одного ТЭН
Температура поверхности наиболее нагретого ТЭН


Выбор вентилятора

Часовая производительность вентилятора Q=3600·L=3600·0,3 = 1080 м^3/ч

Вывод: По производительности вентилятора выбираем подходящий вентилятор:

Вентилятор	Электродвигатель		Параметры			Масса,не более кг
	Тип	Мощность /частота вращения, кВт/мин-1		Производительность,х103 м3/ч	Полное давление,Па
ВР-80-75-4	АИР63A6	0,18/915		1,1 — 2,3	240 — 150		52

Задача 5. Расчет установки диэлектрического нагрева

Исходные данные:

Цифра шифра	первая	вторая			третья
	Производительность 𝑔,кг/ч	Влажность материала на входе 𝜔1,%	Влажность материала на выходе 𝜔2,%	Допустимая напряженность электрического поля𝐸доп, кВ/см
243	200	26	14	0,25

Справочные данные для сушки зерна:

• 
  Температура материала перед сушкой,t₁=20°С;
  
• 
  Диэлектрическая проницаемость материала ε=6,5;
  
• 
  Тангенс угла потерь tgδ= 0,2
  
• 
  Объемная плотность зерновой массы D=800кг/м³;
  

-удельная теплота испарения влаги при начальной температуре зерна 20^оС

q=2510кДж/кг.

Решение:

1. 
   Определение потребляемой мощности
   

Определить количество влаги, испаряемой в единицу времени при заданной производительности

2. 
   Полезная номинальная мощность генератора в период постоянной скорости сушки
   

3. 
   Допустимая скорость сушки с учетом допустимого времени нахождения зерна в тепловом поле
   

4. 
   Определить минимальную частоту поля конденсатора
   

Количество испаряемой влаги из единицы сырой массы материала за время Δτ:

Допустимое время нахождения зерна в тепловом поле:

Минимальная частота поля конденсатора:

Фактор потерь:

К = ε tgδ= 6,5·0,2 =1,3

Выбираем ближайшую стандартную частоту f, МГц по таблице:

Номинальное значение частоты, МГц	Полоса частот, МГц	Назначение устройства
5,28  2,5 %	5,15 - 5,41	Промышленное, научное, медицинское

Удельная мощность, выделяемая в единице объема:

5. 
   Необходимый объем камеры
   

Для двойной камеры нагрева с центральным высоковольтным электродом зададим расстояние между обкладками конденсатора d=40 см и ширину электрода b=50 см.Тогда высота электрода составит

6. 
   Напряжение на конденсаторе при выбранном расстоянии между обкладками
   

𝑈_к=𝑑·𝐸_доп=40·0,25=10 кВ

7. 
   Мощность, потребляемая генератором из сети
   

8. 
   Удельный расход электроэнергии на испарение1кг влаги