Практическая работа №3
Тема: Расчет нагревательных элементов термической установки (печи).
Цель: Определение диаметра и длины нагревателя (нихромовой проволоки) для заданной мощности печи.
Материальное обеспечение:
Инструкция к практической работе;
Конспект лекций по дисциплине «Электрическое и электромеханическое оборудование»;
Калькулятор.
Теоретическая часть: Непосредственно нагреватель – один из самых важных элементов печи, именно он осуществляет нагрев, имеет наибольшую температуру и определяет работоспособность нагревательной установки в целом. Поэтому нагреватели должны соответствовать ряду требований, которые приведены ниже.
Основные требования к нагревателям (материалам нагревателей):
Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью (окалиностойкостью) и жаропрочностью. Жаропрочность - механическая прочность при высоких температурах. Жаростойкость - сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах.
Нагреватель в электропечи должен быть сделан из материала, обладающего высоким удельным электрическим сопротивлением. Говоря простым языком, чем выше электрическое сопротивление материала, тем сильнее он нагревается. Следовательно, если взять материал с меньшим сопротивлением, то потребуется нагреватель большей длины и с меньшей площадью поперечного сечения. Не всегда в печи может быть размещен достаточно длинный нагреватель. Также стоит учитывать, что, чем больше диаметр проволоки, из которой сделан нагреватель, тем дольше срок его службы. Примерами материалов, обладающих высоким электрическим сопротивлением являются хромоникелевый сплав нихром Х20Н80, Х15Н60, железохромоалюминиевый сплав фехраль Х23Ю5Т, которые относятся к прецизионным сплавам с высоким электрическим сопротивлением.
Малый температурный коэффициент сопротивления является существенным фактором при выборе материала для нагревателя. Это означает, что при изменении температуры электрическое сопротивление материала нагревателя меняется не сильно. Если температурный коэффициент электросопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.
Физические свойства материалов нагревателей должны быть постоянными. Некоторые материалы, с течением времени могут изменять свои физические свойства, в частности электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления используют трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.
Металлические материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, а именно: пластичностью и свариваемостью, - чтобы из них можно было изготовить проволоку, ленту, а из ленты - сложные по конфигурации нагревательные элементы. Также нагреватели могут быть изготовлены из неметаллов. Неметаллические нагреватели прессуются или формуются, превращаясь в готовое изделие.
Задание к работе: Устройство мощностью P = 800 Вт; напряжение сети U = 220 В; температура нагревателя tнг = 800 °C. В качестве нагревательного элемента используется нихромовая проволока Х20Н80.
Определить диаметр и длину нагревательного элемента?
Выписать элементы управления входящие в состав принципиальной электрической схемы управления печью сопротивления и дать им определение. Внести изменения в схему, опираясь на ПУЭ.
Порядок выполнения работы:
Изучить инструкцию к практической работе.
Произвести расчет.
Сделать вывод.
Содержание отчета:
Тема.
Цель.
Материальное обеспечение.
Исходные данные.
Расчетная часть.
Вывод.
Вопросы для самоконтроля:
От чего зависит срок службы нагревательного элемента?
Для каких целей в ЭПС используют трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений?
Дать определение понятиям жаропрочность и жаростойкость?
Диаметр нихромовой проволоки, мм |
Площадь поперечного сечения нихромовой проволоки, мм2 |
Температура нагрева нихромовой проволоки, °C |
||||||
200 |
400 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
||
Максимальная допустимая сила тока, А |
||||||||
5 |
19,6 |
52 |
83 |
105 |
124 |
146 |
173 |
206 |
4 |
12,6 |
37,0 |
60,0 |
80,0 |
93,0 |
110,0 |
129,0 |
151,0 |
3 |
7,07 |
22,3 |
37,5 |
54,5 |
64,0 |
77,0 |
88,0 |
102,0 |
2,5 |
4,91 |
16,6 |
27,5 |
40,0 |
46,6 |
57,5 |
66,5 |
73,0 |
2 |
3,14 |
11,7 |
19,6 |
28,7 |
33,8 |
39,5 |
47,0 |
51,0 |
1,8 |
2,54 |
10,0 |
16,9 |
24,9 |
29,0 |
33,1 |
39,0 |
43,2 |
1,6 |
2,01 |
8,6 |
14,4 |
21,0 |
24,5 |
28,0 |
32,9 |
36,0 |
1,5 |
1,77 |
7,9 |
13,2 |
19,2 |
22,4 |
25,7 |
30,0 |
33,0 |
1,4 |
1,54 |
7,25 |
12,0 |
17,4 |
20,0 |
23,3 |
27,0 |
30,0 |
1,3 |
1,33 |
6,6 |
10,9 |
15,6 |
17,8 |
21,0 |
24,4 |
27,0 |
1,2 |
1,13 |
6,0 |
9,8 |
14,0 |
15,8 |
18,7 |
21,6 |
24,3 |
1,1 |
0,95 |
5,4 |
8,7 |
12,4 |
13,9 |
16,5 |
19,1 |
21,5 |
1,0 |
0,785 |
4,85 |
7,7 |
10,8 |
12,1 |
14,3 |
16,8 |
19,2 |
0,9 |
0,636 |
4,25 |
6,7 |
9,35 |
10,45 |
12,3 |
14,5 |
16,5 |
0,8 |
0,503 |
3,7 |
5,7 |
8,15 |
9,15 |
10,8 |
12,3 |
14,0 |
0,75 |
0,442 |
3,4 |
5,3 |
7,55 |
8,4 |
9,95 |
11,25 |
12,85 |
0,7 |
0,385 |
3,1 |
4,8 |
6,95 |
7,8 |
9,1 |
10,3 |
11,8 |
0,65 |
0,342 |
2,82 |
4,4 |
6,3 |
7,15 |
8,25 |
9,3 |
10,75 |
0,6 |
0,283 |
2,52 |
4 |
5,7 |
6,5 |
7,5 |
8,5 |
9,7 |
0,55 |
0,238 |
2,25 |
3,55 |
5,1 |
5,8 |
6,75 |
7,6 |
8,7 |
0,5 |
0,196 |
2 |
3,15 |
4,5 |
5,2 |
5,9 |
6,75 |
7,7 |
0,45 |
0,159 |
1,74 |
2,75 |
3,9 |
4,45 |
5,2 |
5,85 |
6,75 |
0,4 |
0,126 |
1,5 |
2,34 |
3,3 |
3,85 |
4,4 |
5,0 |
5,7 |
0,35 |
0,096 |
1,27 |
1,95 |
2,76 |
3,3 |
3,75 |
4,15 |
4,75 |
0,3 |
0,085 |
1,05 |
1,63 |
2,27 |
2,7 |
3,05 |
3,4 |
3,85 |
0,25 |
0,049 |
0,84 |
1,33 |
1,83 |
2,15 |
2,4 |
2,7 |
3,1 |
0,2 |
0,0314 |
0,65 |
1,03 |
1,4 |
1,65 |
1,82 |
2,0 |
2,3 |
0,15 |
0,0177 |
0,46 |
0,74 |
0,99 |
1,15 |
1,28 |
1,4 |
1,62 |
0,1 |
0,00785 |
0,1 |
0,47 |
0,63 |
0,72 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
14
Таблица 4 - Исходные данные
Таблица 5 - Удельное электрическое сопротивление нихрома (номинальное значение) - по ГОСТ 12766.1-90
Марка сплава |
Диаметр, мм |
Удельное электрическое сопротивление ρном, мкОм·м |
Х20Н80 |
от 0,1 до 0,5 включ. |
1,08 |
от 0,5 до 3,0 включ. |
1,11 |
|
Св. 3,0 |
1,13 |
Расчетные формулы для выполнения работы:
Сила тока, которая будет проходить через нагревательный элемент [А]:
Сопротивление нагревателя [Ом]:
где:
I
- Сила
тока проходящего через нагревательный
элемент [А].
Исходя из значения силы тока, проходящего через нихромовый нагреватель, выбираем диаметр проволоки из таблицы 4.
Длина нагревателя [м] :
где: ρ - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя [Ом · мм2 / м], R - сопротивление проводника (нагревателя) [мм], S - площадь поперечного сечения проводника (нагревателя) [мм2].
Рисунок 3– Принципиальная электрическая схема управления печью сопротивления