4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1.Ознакомиться с электрооборудованием нагревательных установок и образцом (в качестве образца используется стальная заготовка с помещенным в нее терморезистором).

а)

V1 А1

V

Рис. 3. Электрические схемы:

а) – контактного нагрева; б) – косвенного нагрева

4.2.Образец поместить в зажимы контактного нагревателя, выводы от терморезистора соединить с омметром, включить установку.

4.3.Определить зависимость температуры образца t от времени нагрева τ. Измерение производить каждые τ = 0,05ч. По значениям R определить температуру образца по графику зависимости R=ƒ(t). Измерения проводятся до установившегося значения температуры образца.

4.4.Отключить установку. Охладить образец на воздухе.

4.5.Поместить стальной образец с терморезистором в нагревательную печь. Произвести измерения согласно п.п.4.3.

4.6.Рассчитать полный КПД установки для контактного и косвенного

нагрева:

где Рпр - потребляемая мощность установки, Вт;

11

Рст - мощность необходимая для нагрева заготовки до заданной температуры за заданное время, Вт;

где Сст – удельная теплоемкость материала заготовки, Дж/кг°С, (Сст = 0,46 Дж/кг°С);

γст – плотность материала заготовки, кг/м3 ( γст = 7,8 кг/м3 ); Vcт – объем нагреваемой заготовки, м3;

∆t – разность между конечной и начальной температурами заготовки, °С; τ – время нагрева заготовки, ч.

Потребляемая мощность нагревательной установки определяется:

где ток и напряжение для первичной и вторичной обмоток трансформатора определяются по стендовым приборам.

4.7.Результаты измерений и расчетов занести в табл.2.

4.8.Построить графики зависимости для каждого вида нагрева Рст=ƒ(t).

Таблица 2

Результаты измерений и расчетов

5.ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ

5.1.Что такое электрический нагрев?

5.2.Какие способы электронагрева токопроводящих и непроводящих материалов существуют? Какова их сущность?

5.3.Область применения различных способов нагрева.

5.4.Объяснить физические процессы, протекающие при прямом нагреве.

5.5.Объяснить физические процессы, протекающие при косвенном нагреве.

5.6.Объясните чем характеризуется и от чего зависит электропроводность, теплопроводность, теплоемкость.

5.7.Сравнить КПД контактного и косвенного нагревов.

5.8.Каковы пути повышения КПД нагревательных установок?

12

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить устройство, принцип действия и определить основные энергетические показатели установки для низкотемпературного индукционного нагрева.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЯСНЕНИЯ

Элементарный нагрев при сушке материалов, а также при обогреве помещений может осуществляться с помощью специальных индукционных нагревателей.

Индукционный нагрев осуществляется в переменном магнитном поле вихревыми токами, наводимыми в проводниках по законам электромагнитной индукции.

Взависимости от применяемых частот установки индукционного нагрева делятся:

1. Промышленной (низкой) частоты - 50 Гц; 2. Средней (повышенной) частоты - до 10 кГц; 3. Высокой частоты - свыше 10 кГц.

Воснову расчета индукционных нагревателей положены уравнения Максвелла:

На основании приведенных уравнений, представляется возможным найти напряженность электромагнитного поля, а затем поглощаемую индукционным устройством мощность и его электрические параметры.

В результате решения приведенных выше уравнений (1) - (3) удельная мощность, поглощаемая трубой, будет равна:

P0=1,3 .Hℓ/( ∆.γ), Вт/м2 (3.4)

где Hℓ - напряженность магнитного поля на поверхности стержня или внутренней поверхности трубы, А/м,

- глубина проникновения электромагнитной волны в толщу стержня или трубы, м,

γ – удельная электрическая проводимость, См/м.

Глубина проникновения электромагнитной волны в толщу стержня или трубы

13

где ω = 2πf – угловая частота, с-1;

µ0 = 4π.10-7 Гн/м – магнитная постоянная;

µr – относительная магнитная проницаемость, Гн/м ; ρ – удельное электрическое сопротивление, Ом.м;

f – частота, Гц.

Учитывая глубину проникновения электромагнитной волны в глубь металла, предусматривается применение стальных труб с толщиной стенки, равной двойной глубине проникновения электромагнитной волны.

3. ОБОРУДОВАНИЕ

Основными элементами низкотемпературного нагревателя (рис. 4) является токопроводящий, стальной стержень 1 (диаметром 8-14 мм), изоляционная прокладка (асбест толщиной 4-6 мм) и стальная труба 3 (диаметром 14-25 мм).

1- токопроводящий, стальной стержень, 2- изоляционная

прокладка, 3- стальная труба.

Рис. 4. Устройство индукционного низкотемпературного нагревателя

При протекании переменного тока по стержню 1 возникает переменный магнитный поток, пронизывающий изоляцию 2 и наводящий вихревые токи в трубе 3, которая нагревается ими до определенной температуры.

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1.Изучить схему электрической цепи установки (рис.5).

Рис. 5. Электрическая схема лабораторной установки

14

4.2.Снять основные энергетические показатели установки при I2 = 40А,

50А, 60А.

4.3.Включить цепь и через каждые τ=3 минуты измерять температуру

трубы (индуктора) tтр и стержня tст. Температура трубы и стержня определяются по значениям сопротивления терморезисторов, установленных на них. Показания приборов занести в табл.3.

4.9. Глубина проникновения электромагнитной волны в толщину трубы при полученном значении Н2:

15

где ρтр = ρст – удельное электрическое сопротивление трубы, Ом.м; μтр – относительная магнитная проницаемость трубы для значения Н2

определяется по рис. 6.

1200

μ

1000

800

600

400

200

Рис. 6. Зависимость относительно магнитной проницаемости от напряженности электромагнитного поля

4.10. Поглощаемая трубой мощность:

4.11. Определить отношение поглощаемых мощностей:

4.12. Определить коэффициент мощности нагревателя:

4.13. По экспериментальным данным и расчетным результатам построить графические зависимости:

а) зависимости нагрева стержня и трубы во времени tст = f(τ), tтр = f(τ); б) зависимость cosφ = f(H2);

в) зависимость Ртр = f(H2); г) зависимость cosφ = f(I2).

16

5.ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ

5.1.В чем особенности устройства низкотемпературного индукционного нагревателя?

5.2.От каких факторов зависит глубина проникновения электромагнитной волны в металл?

5.3.Какие факторы влияют на напряженность магнитного поля?

5.4.Объясните характер полученных экспериментальных кривых.

5.5.Какие факторы оказывают влияние на скорость нагрева трубыиндуктора?

5.6.Каково распределение токов в стержне и трубе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОСВАРОЧНОГО

ТРАНСФОРМАТОРА ВСС-300-3

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с устройством, принципом действия и способами регулирования сварочного тока. Исследовать характеристики электросварочного трансформатора.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Электрическая дуговая сварка применяется, как один из способов соединения различных металлов и сплавов. Нагрев металла при сварке электрической дугой происходит вследствие большой концентрации выделения тепла, высокой температуры дуги, имеющей 6000-8000°C, и высокого КПД дуги, достигающего 70-85% при работе плавящимися электродами.

Явление электрической дуги, возникающее вследствие ударной ионизации газа и его пробоя, характеризуется сильным излучением электронов с поверхности катода. Высокая температура катода - основное условие возникновения электрической дуги.

При соприкосновении электродов в цепи с протекающим током, место контакта сильно нагревается, что создает условия для возникновения электрической дуги.

В дальнейшем активирование катода поддерживается электрической энергией, расходуемой в объеме дуги, благодаря притоку тепла от нагретых до высокой температуры газов в столбе дуги.

Напряжение и ток в электрической дуге связаны между собой иначе, чем в твердых проводниках. В то время как падение напряжения на металлическом проводнике пропорционально току, напряжение между электродами горящей

17

дуги с увеличением тока понижается до некоторого предельного значения и снова повышается при уменьшении тока.

Можно выделить, три области распределения потенциала вдоль дуги, показанные на рис. 7: анодное падение Ua, катодное падение Uк и падение напряжения Uстд на длине дугового столба.

A K

Под действием электрического поля из очень сильно разогретого катодного пятна выбрасываются электроны. Сталкиваясь с нейтральными молекулами, они расщепляют их, т.е. ионизируют. При движении электронов и ионов в дуге отрицательно заряженные частицы накапливаются у анода, а положительно заряженные частицы - у катода. Этим пространственным скоплением зарядов и обусловлено резкое возрастание падения потенциала вблизи анода и катода.

Электрическая энергия, преобразуемая в дуге в тепло, рассеивается главным образом путем теплопроводности и конвекции.

Тепловая мощность дуги легко регулируется изменением тока. Электрическая дуга, как потребитель электроэнергии, имеет падающую, вначале круто, а затем полого, вольтамперную характеристику. В определенных пределах в зоне рабочих токов можно принять напряжение, на дуге при неизменной ее длине постоянным и не зависящим от тока. При ручной сварке длина дуги меняется, а, следовательно, меняется и падение напряжения на дуге. Для получения хорошего колебания тока в дуге должны быть минимальными, что обеспечивается за счет мягкопадающей внешней вольтамперной характеристики сварочного агрегата.

колебаниями необходимо, чтобы внешняя характеристика источника питания была круто падающей. При крутопадающей внешней характеристике меньше ток короткого замыкания. Чрезмерно большой ток короткого замыкания будет вызывать перегрев электрода, оплавление его, что затрудняет зажигание дуги. Поэтому при расчете внешних характеристик сварочного трансформатора придерживаются следующего соотношения между током короткого замыкания Iк и рабочим током Iр

1,25<Iк/Iр<2. (4.1)

При сварке переменным током для обеспечения непрерывности горения дуги необходимо, чтобы напряжение холостого хода источника в 1,8-2,5 раза превышало напряжение дуги.

Это необходимо для пробоя дугового промежутка в момент времени, когда ток проходит нулевые значения.

Источники питания сварочной дуги различают по роду тока, мощности, назначению и конструктивному оформлению.

Широко применяются источники переменного тока, к которым относятся сварочные трансформаторы и преобразователи повышенной частоты.

В зависимости от величины тока источники могут быть разделены на источники малой мощности (ток до 100-150 А), средней мощности (ток до 350380 А) и большой мощности (ток до 2000-2500А). В зависимости от назначения различают источники для ручной дуговой сварки, для автоматической сварки под флюсом, для электрошлаковой сварки и т.д.

Источники сварочного тока должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1.Напряжение холостого хода источника должно быть достаточным для лёгкого возбуждения дуги и безопасным для человека.

2.После возникновения дуги напряжение источника должно уменьшаться до значений, соответствующих напряжению горения дуги.

3.При изменении длины дуги не должно происходить значительного изменения сварочного тока.

4.При коротких замыканиях ток в цепи не должен превышать рабочий ток при сварке более чем на 20-40 %.

5.Источник тока должен обеспечивать возможность легкого и плавного регулирования сварочного тока.

6.Источник должен обладать хорошими динамическими свойствами, т.е. должен реагировать на изменение тока и напряжения в сварочной дуге.

7.К.п.д. источника тока должен быть достаточно высоким. Источники сварочного тока в большинстве случаев имеют крутопадающую внешнюю характеристику.

19

3.ОБОРУДОВАНИЕ

Малогабаритные сварочные трансформаторы типа ВСС-300-3 предназначены для ручной дуговой сварки в условиях монтажа или ремонта и выполняются с повышенным рассеиванием, регулируемым путем изменения расстояний между первичными и вторичными обмотками. Принципиальная электрическая схема трансформатора представлена на рис. 9.

Рис. 9. Схема принципиальная электрическая

У трансформатора ВСС-300-3 плавное и ступенчатое регулирование сварочного тока. На обоих стержнях магнитопровода расположены по одной катушке первичной и вторичной обмоток. Катушки обмоток соединяются последовательно или параллельно. Неподвижно катушки первичной обмотки закреплены у нижнего ярма. Подвижные катушки вторичной обмотки перемещаются вручную ходовым винтом и несущей гайкой. Наибольший сварочный ток достигается при сближении обмоток, а наименьший – при удалении.

Трансформаторы снабжаются механическими токоуказателями. Алюминиевые обмотки трансформаторов армированы на выводах медью. Охлаждение трансформаторов естественное воздушное. Трансформаторы снабжаются фильтрами против радиопомех.

Схема стенда для исследования сварочного трансформатора приведена на рис. 10.

Основные технические данные трансформатора ВСС-00-3:

20