Такое влияние магнитной проницаемости объясняется тем, что толщина поверхностного слоя детали, в котором концентрируется ток, тем меньше, чем больше проницаемость.
Как известно, сущность явления скинн-эффекта заключается и том, что электрический ток распределяется неравномерно по поперечному сечению нагреваемой детали, концентрируясь в периферийном слое определенной толщины.
Чем больше магнитная проницаемость, тем меньше глубина слоя концентрации тока и тем более резко выражена неравномерность распределения тока в этом слое.
Дли упрощения расчетов неравномерное распределение переменного тока заменяется условно током постоянного значения, равным току на поверхности детали, распределенному в поверхностном слое определенной толщины, и носящим название глубины проникновения тока. Последняя определяется из условия одинаковой тепловой эффективности неравномерно распределенного тока с равномерно распределенным на глубину проникновения и равного по величине значению тока на поверхности.
Исходя из этого условия глубину проникновения δ (в см) можно определить из формулы:
(7)
Где ς - удельное электрическое сопротивление в ом-см;
f — частота тока в гц;
μ— магнитная проницаемость материала детали.
Из формулы следует, что глубина проникновения обратно пропорциональна корню квадратному из магнитной проницаемости. Следовательно, значение величины μ для данного материала в известной степени определяет значение указанных выше характеристик. Однако вопрос осложняется тем, что μ находится в своеобразной зависимости от температуры и тока. Поэтому изменение соответствующих характеристик детали и нагревательной установки в процессе нагрева определяется преимущественно характером зависимости магнитной проницаемости от температуры и в меньшей степени от тока.
До температуры точки Кюри, различной для различных материалов, магнитная проницаемость почти не изменяется или изменяется очень незначительно. При переходе через точку Кюри магнитная проницаемость независимо от дальнейшего повышения температуры быстро падает до постоянной величины.
Исходя из этого можно сделать вывод, что и указанные выше характеристики, зависящие от магнитной проницаемости, претерпевают аналогичные изменения, когда деталь достигнет температур, близких к температуре точки Кюри. Однако это не так — изменение характеристик происходит плавно во всем диапазоне температур нагрева.
Изложенное может быть объяснено следующим образом:
1. Явление скинн-эффекта при использовании тока промышленной частоты сравнительно слабо выражено.
2. На изменение тока и мощности, кроме магнитной проницаемости, влияют и другие факторы, в частности, удельное электрическое сопротивление, возрастающее с ростом температуры.
Зависимость магнитной проницаемости от тока (напряженности магнитного поля) показана на рисунке 3.2
Из кривой видно, что при определенном значении тока или напряженности магнитного поля магнитная проницаемость достигает максимума, после которого она сравнительно быстро падает до примерно постоянного значения, мало изменяющегося с дальнейшим повышением тока.
Рисунок 3.2 - Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля
При электроконтактном нагреве магнитная проницаемость лежит, как правило, далеко справа от максимума кривой на рисунке 3.2. Поэтому изменение проницаемости от тока при электроконтактном нагреве не учитывают, считая ее постоянной для соответствующего интервала температур.
При электроконтактном нагреве магнитная проницаемость лежит, как правило, далеко справа от максимума кривой на рисуке 3.2. Поэтому изменение проницаемости от тока при электроконтактном нагреве не учитывают, считая ее постоянной для соответствующего интервала температур.
Магнитная проницаемость влияет на количество энергии, выделяемой в стали вследствие перемагничивания (так называемые потери гистерезиса), и считается в электрических машинах и трансформаторах явлением отрицательным.
При электронагреве эта энергия — явление положительное, так как она возникает в массе нагреваемой заготовки.
Энергия, выделяемая в заготовке вследствие гистерезиса, может быть вычислена по формуле Штейметца [7]:
Pг = kB1.6mfv(8)
Где k — коэффициент Штейметца, 0.6…..0.75 зависящий от свойства материала нагреваемой детали, значения которого для различных материалов приведены ниже; Вт — максимальная индукция в гс;
f—-частота перемагничивания в гц;
V — объем материала, подвергающегося нагреву, в см3
Если подставить в формулу Штейметца значения коэффициента k, максимальной магнитной индукции Вт и выразить энергию в вт, то применительно к сталям, нагреваемым для обработки давлением, получим величины в долях ватта на единицу объема, что по отношению к энергии, необходимой для повышения температуры материала (единицы объема)
на 1 °С, не превышает нескольких процентов даже в начальной стадии нагрева, когда температура нагреваемой детали низкая. При температурах, близких и выше точки магнитного превращения (точка Кюри), когда материал теряет магнитные свойства, потери на гистерезис практически будут отсутствовать. Поэтому при электроконтактном нагреве до температуры 1000—1200° С тепловую энергию гистерезиса не учитывают.
Но в тех случаях, когда нагревают до 200—400° С и когда магнитная проницаемость велика, а температура нагрева регулируется достаточно точно, энергию гистерезиса, выделяющуюся в нагреваемой детали, необходимо учитывать.
Удельное электрическое сопротивление материала нагреваемой детали является одним из основных физических факторов, от которого непосредственно или косвенно зависят электротехнические характеристики режима нагрева и технико-экономические показатели электроконтактной нагревательной установки.
От него прежде всего зависит величина тока и напряжения на нагреваемой детали. Электрическое сопротивление изменяется в зависимости от температуры, этим вызывается изменение соответствующих характеристик и показателей.
Аналитически значение удельного электрического сопротивления для данной температуры определяется по формуле:
(9)
где ς t — удельное электрическое сопротивление заготовки при
температуре t2;
ς 0 — удельное электрическое сопротивление при t1 ~ 20° С; α — температурный коэффициент сопротивления для соответствующего материала нагреваемой заготовки. При электроконтактном нагреве зависимость удельного электрического сопротивления от температуры сказывается на технологическом режиме нагрева.
3. Потери энергии
Экономическая эффективность любого способа нагрева и оборудования зависит от потерь энергии при нагреве данной конкретной детали или заготовки.
При электронагреве различают два вида потерь: тепловые и электрические. Первые обусловливаются наличием трех видов или процессов теплообмена между телами с различной температурой: излучения, теплопроводности и конвекции.
В частности, при электроконтактном нагреве тепловые потери могут быть следствием указанных трех видов теплообмена.
Обычно трудно провести четкое разграничение между процессами, так как они могут проявляться одновременно, но в разной степени. Поэтому тот процесс, который будет преобладать над другим, является основным и определяющим процессом теплообмена.
Рассмотрим каждый вид тепловых потерь применительно к электроконтактному нагреву.
Потери излучением с поверхности нагреваемой заготовки составляют существенную долю тепловых потерь при электроконтактном нагреве.
Как уже указывалось такого вида потери зависят от температуры нагрева, типоразмера нагреваемой заготовки и состояния ее поверхности.
Зная удельные потери, нетрудно вычислить мощность потерь излучением со всей поверхности нагреваемой заготовки для соответствующей температуры
P3=5,7e0(T24 - T14)10-12 вт/см2, (10)
где е0 — коэффициент излучения поверхности в вт/(см2-град)4;
Т1и Т2—абсолютная температура (исходная и конечная) поверхности заготовки.
Приближенно полную энергию потерь вследствие излучения с нагреваемой заготовки за период нагрева можно вычислить исходя из следующего допущения: удельная мощность излучения в среднем равна 12 вт/см2, это соответствует примерно температуре 1100—1200 ° С при коэффициенте излучения поверхности, равном 0,8.
Такое допущение заранее предопределяет некоторое завышение потерь излучением по сравнению с расчетными, которые могут быть получены для каждого конкретного случая аналитическим путем, если воспользоваться зависимостью роста температуры от времени нагрева. Следует учитывать, что потери такого рода при принятой в настоящее время продолжительности нагрева малы, а при температуре 700—750° С они еще меньше (продолжительность нагрева до этих температур всегда больше половины общего времени нагрева). Поэтому при принятых допущениях и значении средней удельной мощности, соответствующей температуре 1100—1200° С, в процессе нагрева можно учесть с достаточной для практики точностью все потери излучением с нагреваемых заготовок различных типоразмеров. В тех случаях, когда интенсивность нагрева мала (продолжительность нагрева большая), т. е. когда время повышения температуры от 800—900 до 1100—1200° С больше половины всей продолжительности нагрева, удельные потери излучения и общие потери следует рассчитывать с учетом зависимости температуры от времени в процессе нагрева.
Общие потери излучения цилиндрической детали найдем из формулы:
(11)
Где τ — время нагрева в сек;'
l2 — длина нагреваемой зоны детали в см;
рэ — удельная мощность излучения в впг/см2;
d2 — диаметр детали в см.
Потери конвекцией. Тепловые потери с нагреваемой детали вследствие конвекции составляют значительно меньшую часть от общих тепловых потерь по сравнению с потерями излучением.
Мощность потерь конвекцией с цилиндрической детали можно определить по формуле
(12)
где F2 — поверхность детали в см2.
При подсчете потерь, вызванных конвекцией, необходимо иметь н пиду, что они зависят не только от температуры тела, но и от температуры воздуха, от направления и турбулентности потока, от формы и ориентации тела в пространстве и т. д.
В электроконтактных установках, как правило, нагреваемые детали или заготовки расположены горизонтально, имеют простую форму (цилиндрическую или прямоугольную), охлаждение воздухом естественное, так как на установках и вблизи них нет воздушных вентиляторов или других устройств, создающих принудительное
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
