3.2 Установки нагрівання опором

3.2.1 Установки прямого нагрівання опором

Суть процесу в них полягає в тому, що через тіло, яке нагрівають, проходить електричний струм і при наявності опору цього тіла у ньому виділяється джоулєва теплота. Крім того, у магнітних матеріалах при застосуванні змінного струму виділяється ще деяка кількість тепла за рахунок перемагнічування речовин, тобто гістерезису.

Хоча ці установки називаються електроконтактними, термін «електроконтактне нагрівання» умовний, оскільки він не відображає ні фізичної, ні технічної суті явища. Така назва пояснюється тим, що до тіла, яке нагрівають, електричний струм підводиться за допомогою струмопідвідних затискних контактів.

Для установок прямого нагрівання опором може використовуватися як постійний, так і змінний струм. Використання постійного струму стає важчим у зв'язку з відсутністю чи більшою вартістю генераторів невеликої напруги на значні струми. Тому, як правило, для таких установок використовується змінний струм.

Рис. 1. Принципова схема

установки прямого нагрівання опором

Принципова схема найпростішої установки прямого нагрівання опором показана на рис. 1. Основні елементи схеми: струмопідвідні контакти КП, через які змінний струм підводиться до деталі Д, яку нагрівають, від знижувального трансформатора Т, проводи, шини, затискні пристрої. Для надійного притискання контактів КП використовують різноманітні пристрої (гідравлічні, пневматичні, електромагнітні та ін.), які створюють додаткове зусилля F. Контакти виконуються масивними із матеріалу з високою електропровідністю і міцністю. Часто їх виготовляють порожнистими та охолоджують водою.

Перевагами установок є:

• швидке нагрівання заготовок (одиниці і десятки секунд), що забезпечує високу продуктивність, невеликі втрати теплоти і високий коефіцієнт корисної дії ( );

• практична відсутність втрат металу на окалину;

• малі габарити установки;

• сприятливі санітарно–гігієнічні умови праці.

До недоліків установок можна віднести неможливість рівномірного нагріву деталей складної конфігурації через неоднакову густину струму у різних перерізах. Густина струму за перерізом деталі змінюється внаслідок поверхневого ефекту – витиснення струму до поверхневих шарів. Густина струму експоненційно зменшується від поверхні ј_х у напрямку до його осі згідно з виразом

,

де ј_х – густина струму в шарі деталі на відстані х (м) від його поверхні, А/мм²;

z₀ – еквівалентна глибина проникнення струму, тобто така відстань від поверхні деталі, на якій густина струму в е = 2,71 рази менше, ніж на поверхні, м.

,

де – питомий опір матеріалу деталі при температурі нагрівання, Омּм;

μ – відносна магнітна проникність матеріалу деталі;

f – частота змінного струму, Гц.

В деталях з магнітних матеріалів еквівалентна глибина проникнення струму різко зростає при нагріванні вище точки Кюрі.

Установки прямого нагрівання опором бувають періодичної та безперервної дії, останні, наприклад, використовуються для нагрівання дроту.

Корисна потужність Р_кор (Вт), яка витрачається на нагрівання деталі, визначається за виразом

,

де m – маса деталі, яку нагрівають, кг;

c – питома теплоємність матеріалу деталі, Дж/(кгּ^оС);

∆τ– температура нагрівання деталі, ^oC;

t – тривалість нагрівання, с.

Загальна потужність із врахуванням к.к.д. установки

.

К.к.д. установки характеризує як теплові, так і електричні втрати. К.к.д. залежить від геометричних розмірів деталі та при її сталому перерізі за довжиною має вигляд

.

де – питомий опір матеріалу деталі, Омּм;

l – довжина деталі, м;

S – переріз деталі, м²;

U₂ – вторинна напруга трансформатора, В;

Таким чином, чим більше відношення довжини до перерізу деталі, тим ефективніше використання установки.

Середня вторинна напруга трансформатора

,

де R_сер – середнє значення опору деталі за час нагрівання, Ом;

При роботі установки у повторно–короткочасному режимі роботи потужність трансформатора (ВּА) визначається

,

де η_ТР – к.к.д. трансформатора, ;

cosφ – середній коефіцієнт потужності установки, cosφ=0,6÷0,85;

ТВ – відносна тривалість вмикання установки.

До трансформатора установки ставляться наступні вимоги :

• наявність відпайок на первинній обмотці для регулювання напруги вторинної сторони;

• мінімальні габарити трансформатора;

• мінімально можливі значення потужності втрат і напруги к.з. та незалежності їх від величини вторинної напруги.

Установки прямого нагріву використовуються при куванні, висадці, загартовуванні виробів, при виробленні дроту та стрічки, розігріванні замерзлих металевих труб та ін.

До установок прямого нагріву опором належать печі з електродним нагрівом речовини з іонною провідністю. Як правило, для нагрівання використовують змінний струм, так як при постійному струмі проходить процес електролізу.

Як приклад, на рис. 2 наведено схему конструкції електричної скловарної печі. Піч є ванною, яка складається з декількох відділень, призначених для розплавлення шихти, варіння скла з доданням присадок та видачі готової скломаси. У відділеннях ванни, футерованих вогнетривкими матеріалами, є електроди із сталі, яка не ржавіє, молібдену чи графіту, форми електродів – пластинчасті, циліндричні чи прямокутні.

Електричне навантаження кожного відділення (кількість електродів і напруга на них) підбирається для забезпечення потрібного технологічного процесу. Живлення електродів проводиться від однофазних чи трифазних понижувальних трансформаторів з регульованою напругою вторинної обмотки в межах 50–200 В.

Рис. 2. Схема конструкції електричної скловарної

печі

Печі прямого нагрівання використовуються також для графітації вугільних виробів (отримання штучного графіту), отримання карборунду, підігріву води, випікання хлібу, розмороження блоків з мілкою замороженою рибою, при консервуванні продуктів та ін.