Рисунок 4.1 - Схема расположения контактов относительно заготовки и направлений отвода тепла от нее теплопроводностью

а — контакты радиальные; б — контакты торцовые; 1 — заготовки;

2 — контакты; 3 — перемычки; 4 — трансформатор.

охлаждение. Поэтому при электроконтактном нагреве влиянием перечисленных выше факторов можно пренебречь.

Потери теплопроводностью. При электроконтактном нагреве заготовок потери вследствие теплопроводности представляют собой довольно значительную величину, но обычно их не учитывают, так как считают, что они небольшие по сравнению с потерями вследствие излучения и магнитными потерями.

Особенность механизма теплообмена вследствие теплопроводности заключается в том, что тепловая энергия отводится от зоны детали, находящейся между зажимными контактами, в массу контактов и в ненагреваемые концы детали.

На рисунке 4.1 приведены простейшие схемы расположения зажимных контактов относительно заготовок и указаны направления отвода тепловой энергии от нагреваемой части заготовки.

Наибольшее количество тепла отводится через зажимные токоподводящие контакты, изготовляемые обычно из меди и охлаждаемые водой, наименьшее количество — в нагреваемые (холодные) концы детали при радиальных контактах; при использовании торцовых зажимных контактов отвод тепла происходит только через контакты.

Интенсивность отвода тепла зависит от разности температур между двумя соприкасающимися телами или зонами одной детали. В данном случае такими телами являются контакты и участки нагреваемой детали, соприкасающиеся между собой, а при наличии холодных концов — нагретые участки заготовки между контактами, контакты и зона холодного конца у контакта.

Поэтому в зависимости от температуры контакта, находящегося в непосредственной близости от заготовки, отвод тепла контактом от заготовки будет меньшим или большим.

Для уменьшения этого вида потери энергии было бы целесообразно поддерживать на контактах как можно более высокую температуру; однако это нельзя осуществить по следующим соображениям:

а)из-за возможности местных перегревов в точках контактирования вследствие выделения тепла в контактном сопротивлении;

б)из-за окисления поверхности контакта и образования не проводящей пленки на нем.

Образование пленки окисления приводит к увеличению переходного контактного сопротивления, а следовательно, к росту потерь энергии в нем; к местному перегреву, к росту температурного перепада между заготовкой и контактом, т. е. приводит к результатам, противоположным тем, которые достигаются при холодном контакте.

Учитывая это обстоятельство, в электроконтактных установках предусматривают режимы работы с холодными контактами, изготовляемыми из меди и охлаждаемыми водой.

Неохлаждаемые контакты, как правило, быстро выходят из строя, способствуют местному перегреву деталей у контактов, выплеску металла, а в конечном счете — некачественному нагреву.

При электроконтактном нагреве отвод тепла контактами от заготовки нежелателен с экономической точки зрения, так как это приводит к снижению к. п. д., недогреву конца детали под контактами или вблизи последних; в то же время он способствует выравниванию температуры по длине (на участке вблизи контакта), повышению срока службы контактов, улучшению условий эксплуатации.

К сожалению, все эти вопросы еще недостаточно исследованы, а потому о них можно говорить только в самой общей форме.

Электрические потери. Другой составной частью потерь энергии при электроконтактном нагреве являются электрические потери.

В зависимости от типа электронагревательной установки, конструкции контактов, типоразмера нагреваемой детали и режима нагрева электрические потери либо примерно равны, либо больше или меньше тепловых потерь.

Электрические потери наблюдаются в следующих элементах электроконтактной установки:

1. В медных элементах вторичной цепи — в токоподводящих шинах, контактных колодках, зажимных контактах, переходных контактных сопротивлениях этих элементов.

2.  В обмотках силового трансформатора.

3.  В трансформаторном железе.

4.  В металлических деталях конструкции установки. Характерной для электрических потерь является зависимость

этих потерь от квадрата силы тока, электрических и магнитных

свойств материала.

Рассмотрим хотя бы приближенно вопрос о каждом из перечисленных видов потерь.

Потери в медных элементах вторичной цепи. Вторичная электрическая цепь электроконтактной установки состоит из вторичной обмотки силового трансформатора, токоподводящих шин, подконтактных колодок и токоподводящих зажимных контактов.

Мощность потерь в медных элементах можно выразить формулой:

 (13)

где /2 — сила тока во вторичной цепи в а;

Σri—сумма сопротивлений шин, подконтактных колодок, переходных контактов и т. д.

Вычисление этих сопротивлений обычно производится по известным формулам и не представляет особого труда, если не считать контактных сопротивлений болтовых соединений и сопротивлений других элементов цепи переменному току с учетом явления скинн-эффекта.

Для уменьшения электрических потерь, как видно из формулы (13), нужно прежде всего стремиться к уменьшению тока, а при постоянном значении последнего — к уменьшению электрического сопротивления токоподводящих элементов, вторичной цепи установки, т. е. к увеличению, в разумных пределах, поперечного сечения и к уменьшению длины их в направлении тока.

Так как на практике могут встретиться самые разнообразные случаи, когда по конструктивным соображениям нельзя уменьшить до определенных пределов длину шин и других элементов и увеличить их сечение, то при этом следует руководствоваться следующим общим правилом: сечение, длина шин и других элементов должны быть такими, чтобы общая величина сопротивления их составляла не более 4—5% от величины сопротивления нагреваемой детали при температуре последней более 800—900° С.

Сопротивление меди в подконтактных колодках и контактах в худшем случае близко к сопротивлению шин, а в лучшем случае значительно меньше его, а потому им обычно пренебрегают.

Контактное сопротивление болтовых соединений имеет особое значение при электроконтактном нагреве, потому что оно не только соизмеримо с общим сопротивлением остальных элементов вторичной цепи, но часто значительно его превышает. Если в электроконтактной установке, только что вступившей в эксплуатацию, контактное сопротивление проводников, стягиваемых болтами, мало, то после некоторого периода эксплуатации оно становится во много раз больше первоначального и больше сопротивления всех элементов вторичной цепи.

Контактное сопротивление контактов более чем в 2 раза превышает сопротивление меди.

Это позволяет сделать важный для практики вывод: экономическую эффективность электроконтактной установки нельзя повысить за счет увеличения сечения меди свыше определенного предела или несущественного сокращения длины элементов цепи.

Целесообразнее в этом случае идти по линии уменьшения тока и контактного сопротивления. Последнее подтверждается тем, что электрические потери пропорциональны квадрату силы тока и сопротивлению, а контактное сопротивление является основным фактором.

Потери в активных материалах трансформаторов. Активными элементами силового трансформатора считаются обмотки и трансформаторное железо.

Потери в обмотках зависят от сопротивления последних и тока и носят название электрических потерь.

Кроме этих потерь, в трансформаторе имеются еще и электромагнитные потери в трансформаторном железе, зависящие от марки и веса железа.

В том случае, когда трансформатор используется при постоянной настройке на заданную нагрузку без перенастройки на различное число витков первичной обмотки, т. е. когда индукция в железе остается постоянной, то потери в трансформаторном железе также будут постоянными. Так как в производственной практике, как правило, сталкиваются с такими случаями, то можно считать потери в железе постоянными, не зависящими от типа нагреваемых заготовок и режимов нагрева.

Конструкция обмоток, сечение провода и марка железа выбираются обычно исходя из того, чтобы потери энергии в них не превышали 5—6% от общей мощности трансформатора.

Потери в металлических деталях каркаса. Электрические потери в металлических деталях конструкции нагревательной установки возникают вследствие наличия магнитного потока рассеяния элементов, обтекаемых электрическим током.

Потери такого рода очень трудно поддаются учету. В лучшем случае их можно учесть теоретически весьма приближенно, так как такие расчеты сопряжены с большими трудностями из-за неопределенности магнитных характеристик (магнитной проницаемости) материала. В практике электроконтактного нагрева эти потери не принимают во внимание (не рассчитывают) и относят их к тепловым.

Но, как показали эксперименты и опыт эксплуатации электроконтактных установок, потери в стальных деталях конструкции часто составляют основную часть не только электрических, но и тепловых потерь.

Чем отличаются тепловые потери от электрических и расчетные данные от экспериментальных, видно из табл. 4.1, в ней приведены данные для однопозиционной электроконтактной установки мощностью- 150 ква, при нагреве заготовок диаметром 45 мм.

Данные, приведенные табл. 6, позволяют сделать следующие выводы:

Таблица 4.1 - Значения потерь различного вида в электроконтактной установке в квт

1. Электрические потери, полученные расчетным путем по сопротивлению элементов вторичной цепи и путем замеров, тока и сопротивления примерно в 2 раза меньше действительных, полученных по показаниям прибора (ваттметра). Несоответствие этих данных вызывается токами Фуко и явлением скинн-эффекта в толстых шинах, подконтактных колодках и других медных элементах цепи.

2.Действительные тепловые потери примерно в 1,5 раза больше расчетных, что указывает на наличие неучтенных потерь за счет вихревых токов, индуктированных в металлических деталях, вследствие магнитных потоков рассеяния в них.

3.Потери вследствие теплопроводности и конвекции несколько больше потерь излучения. Основную часть составляют потери вследствие теплопроводности зажимных токоподводящих контактов

Они приблизительно в 3—5 раз больше потерь конвекции.

Это говорит о том, насколько важен правильный выбор размеров контактов, их конструкции и системы охлаждения.

4.Наличие относительно больших потерь в металлических деталях нагревательной установки указывает на необходимость избегать размещения стальных и вообще каких-либо металлических деталей вблизи токоведущих элементов силовой цепи.

Тепловую энергию вихревых токов, возбуждаемых в металлических деталях, находящихся в магнитных полях рассеяния цилиндрических проводников стоком, приближенно можно записать в следующем виде:

 (14)

Где /2 - ток в проводе в а;

dn диаметр провода в см;

lпр длина детали в см;

h – расстояние металлической детали от оси провода в см;

ς - удельное электрическое сопротивление детали в ом-см;

μ— магнитная проницаемость материала детали.

Формула (14) справедлива для цилиндрического проводника, поперечные размеры которого малы по сравнению с расстоянием до металлической детали.

Так как шины в электроконтактных установках в большинстве случаев прямоугольного сечения с конечными размерами, соизмеримыми с расстоянием до металлических деталей, то для этого случая можно рекомендовать несколько другую формулу:

 (15)

Из формул (14) и (15) видно, что потери энергии в стальных деталях, находящихся в магнитном поле рассеяния токов, прямо пропорциональны квадрату тока, ширине детали и обратно пропорциональны квадрату расстояния от проводника до детали.

В формулы не входят толщина детали, так как предполагается, что она значительно больше глубины проникновения тока в сталь.

Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия любой электроконтактной нагревательной установки является основным техническим показателем, характеризующим эффективность и целесообразность ее применения.

К. п. д. всякого нагревательного устройства зависит от конструкции последнего, от способа нагрева и от геометрических размеров нагреваемых деталей.

Чтобы вывести формулу для определения общего к. п. д. любого нагревательного устройства, необходимо записать выражение баланса энергии, справедливое для любого момента нагрева той или иной детали (речь идет об общей мощности, потребляемой электронагревательной установкой из сети):

 (16)

где Рп — полезная мощность, затрачиваемая на нагрев детали

до заданной температуры;

Р1 — мощность, теряемая в силовом трансформаторе;

Рц — мощность, теряемая в элементах вторичной электрической цепи;

Р3 — мощность тепловых потерь вследствие излучения, конвекции и теплопроводности;

Р4 — мощность потерь в металлических деталях вследствие наличия магнитных потоков рассеяния проводников с током.

Тогда общий к. п. д. нагревательного устройства может быть найден из формулы:

(17)

Если в эту формулу подставить значение отдельных видов потерь, то получим зависимость к. п. д. от конкретных параметров детали и нагревательной установки (геометрических размеров детали и шин и их свойства).

Для практического использования формулы ее целесообразно представить в виде

ή о = ήтр ήэ ή t (18)

где ήтр — коэффициент полезного действия трансформатора;

ήэ — коэффициент, учитывающий электрические потери в

элементах вторичной цепи;

ή t — коэффициент, учитывающий тепловые потери, в том числе и потери в металлических массах, и носящий название теплового к. п. д.

Обычно в литературе по электронагреву к. п. д. трансформатора и вторичных элементов цепи ήэ объединяются одним коэффициентом, называемым электрическим к. п. д. установки. Но в данном случае будет удобнее пользоваться двумя коэффициентами — для учета потерь в трансформаторе и в элементах вторичной цепи.

К. п. д. силового трансформатора электроконтактных установок учитывает потери энергии в обмотках и в трансформаторном железе, а также в металлических крепежных деталях.

Поскольку токи и электрическое сопротивление в обмотках, а также индукция в трансформаторном железе и вес его известны, то определение потерь в них не представляет особых затруднений.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7