Электротехнологические промышленные установки
Введение
электроэнергия
печь нагревательный
Установки, в которых происходит
превращение электрической энергии в другие виды с одновременным осуществлением
технологических процессов, называют электротехнологическими. Современные успехи
большинства отраслей промышленности и науки достигнуты благодаря применению
электротехнологических процессов.
Современные электротехнологические
процессы стимулируют получение новых материалов, выдерживающих более высокие
напряжения, температуры, обладающих высокими эмиссионными свойствами и т.п. Эти
материалы широко используются для создания нового поколения
электротехнологических установок с более высокими возможностями. Происходит
взаимное совершенствование, позволяющее глубже проникнуть в природу материи и
создать на этой основе динамично развивающуюся науку - электротехнологию.
Задача 1
.1 Расчет нагревательных
элементов
По максимальной температуре нагрева
изделия определим предельно допустимую температуру нагревательного элемента.
Выберем материал ОХ23Ю5А (ЭИ-595). (1 - стр. 358):
-
плотность при 0°С.
-
удельное электрическое сопротивление при 1100°С
Зная температуру нагрева изделия и
температуру нагревательного элемента, по графику определим удельную
поверхностную мощность для идеального нагревателя.
(1 -
стр. 362).
По таблице П7-2 (1 -
стр. 362) определим отношение 
.
- для ленточного
зигзагообразного нагревателя.
- для проволочной
спирали на керамической полочке.
Определим 
.
W=0.46*3=1,38
Вт/
-
ленточный зигзагообразный нагреватель.
W=0,39*3=1,17
Вт/-
проволочная спираль на керамической полочке.
Проведем расчет
нагревательных элементов.
Расчет ленты:
1. Соединение звездой.
Определим размер а.
(2 - стр. 14).
Выбираем стандартное
значение а.
а=1,6 мм
b=16
мм.
- сечение ленты.
Определи сопротивление
фазы.
Вычислим длину ленты на
фазу.
Вычислим действительную
удельную поверхностную мощность.
Определим массу
нагревателя одной фазы.
Определим массу
нагревателя всей печи (запас 10%).
. Соединение треугольником.
.
Определим размер а.
Определим стандартное значение а:
а=1,2 мм
b=12 мм.
-
сечение ленты.
Определи сопротивление:
Вычислим длину ленты:
Вычислим действительную удельную
поверхностную мощность.
Определим массу нагревателя одной
фазы.
Определим массу нагревателя всей
печи (запас 10%).
Расчет проволоки:
1. Соединение звездой.
Определим диметр d и сечение S.
Выбираем стандартное значение d.
d =7 мм (1 - стр. 364, таб. П7-6).
Вычислим длину проволоки нагревателя
фазы.
Вычислим действительную удельную
поверхностную мощность.
Определим массу нагревателя одной
фазы.
Определим массу нагревателя всей
печи (запас 10%).
. Соединение треугольником.
Определим диметр d.
Стандартное значение d.
d=5 мм (1 - стр. 364, таб. П7-6).
Вычислим длину проволоки нагревателя
фазы.
Вычислим действительную удельную
поверхностную мощность.
Определим массу нагревателя одной
фазы.
Определим массу нагревателя всей
печи.
Сведем основные результаты в
таблицу.
Таблица 1
|
Тип нагревательного элемента
|
Соединение
|
a,
мм
|
b,
мм
|
d,
мм
|
L,
м
|
G,
кг
|
|
лента
|
Y
|
1,6
|
16
|
-
|
38,57
|
23,68
|
|
Д
|
1,2
|
12
|
-
|
64,7
|
22,35
|
|
проволока
|
Y
|
-
|
-
|
7
|
57,99
|
53,52
|
|
Д
|
-
|
-
|
5
|
88,22
|
41,54
|
.2 Выбор и размещение
нагревательных элементов в печном пространстве
По меньшей массе и размерам выбираем
ленточный зигзагообразный нагреватель, соединенный в звезду.
Выбираем камерную печь
Определим размеры
печного пространства 
.
Рисунок 1- Размеры
печного пространства
Печное пространство принимаем
.
Высота печи без допусков
.
Высота ряда
Высота волны
.
Длина волны
Число волн на фазу
Длина нагревателя
.
Шаг волны
Площадь, которую занимает
нагреватель
1.3 Определение расхода
электроэнергии. Энергетический баланс
Общий расход электроэнергии на
обработку изделия определяется по формуле:
.
Определим расход
электроэнергии на нагрев.
где 
- теплоемкость нагреваемого изделия.
(2 - стр. 16) -
температура окружающей среды.
- масса изделия.
Зная время цикла печи,
определим время выдержки.
.
(2 - стр. 16) - время
цикла печи.
Время цикла 8 часов. Работа 3-х
сменная. В сутки выполняют 3 садки. Рабочих дней в неделю 5. В неделю возможно
выполнение 15 садок. В понедельник 1 смена на разогрев, то есть 14 садок в
неделю.
- время холостого хода.
Вычислим расход
электроэнергии на выдержку.
Вычислим общий расход электроэнергии
за цикл.
Вычисли потери на холостой ход.
Определим тепловые потери.
,
(2 - стр. 16) - удельные
потери через стенки печи.
-
площадь боковых стен печи, на
которых расположены нагревательные элементы.
W=127,4+39,16+12,54+44,07=223,17 кВт*ч.
Рисунок 2-
Энергетический баланс
1.4 Влияние показателей
качества электроэнергии на режим работы печей сопротивления
Определим полезный
расход электроэнергии.
Так как 
,
то данная печь эффективна.
Определим потери электроэнергии на
нагрев.
Вычислим потери мощности на нагрев.
Произведем расчеты для
различных значений коэффициента отклонения напряжения
.
Определяем время
нагрева, принимая 
.
Вычислим время нагрева в
относительных единицах.
,
Определим расход
электроэнергии за цикл.
,
Вычислим удельный расход
электроэнергии.
Переведем данную величину в о.е.
,
Определим
производительность печи.
,
7,18+2,35=9,53 ч
Вычислим
производительность печи в о.е.
,
Скорость окисления
нагревательного элемента равна
Вычислим срок службы нагревательного
элемента.
,
Определим время службы
нагревательного элемента.
,
где 
от
толщины нагревательных элементов.
- толщина окислительного
слоя.
Вычислим время службы
нагревательного элемента в о.е.
,
Определим коэффициент по
сроку службы нагревательного элемента.
,
Расчеты при других значениях
коэффициента отклонения напряжения проведем с помощью программы Microsoft Office Excel.
Таблица 2- Влияние
показателей качества электроэнергии на режим работы печей сопротивления
|
 -0,90,9511,051,1
|
|
|
|
|
|
|
|
 ч9,398,167,186,375,69
|
|
|
|
|
|
|
|
 о.е.0,30770,13640-0,1128-0,2075
|
|
|
|
|
|
|
|
  206,58179,52157,99140,14125,18
|
|
|
|
|
|
|
|
 302,35275,29253,76235,91220,95
|
|
|
|
|
|
|
|
  0,302350,275290,253760,235910,22095
|
|
|
|
|
|
|
|
 о.е.0,19140,08480-0,07030,1292
|
|
|
|
|
|
|
|
 ч11,7410,519,538,728,04
|
|
|
|
|
|
|
|
  85,1795,14104,931114,67124,37
|
|
|
|
|
|
|
|
 о.е.-0,1883-0,093300,09280,1852
|
|
|
|
|
|
|
|
  1,149    
|
|
|
|
|
|
|
|
 -1,17491,080410,93070,8704
|
|
|
|
|
|
|
|
 ч2,7236    2,0631
|
|
|
|
|
|
|
|
 о.е.0,14910,080-0,0691-0,1294
|
|
|
|
|
|
|
|
 -0,87010,925411,07421,1487
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 3- Графики 
,
,
и
.
Вывод: по построенным характеристикам видно, что уменьшение значения
номинального напряжения ведет к увеличению расхода электроэнергии, времени службы и времени нагрева, и
к уменьшению производительности печи. При увеличении номинального напряжения
увеличивается производительность печи, но при этом снижается время службы.
Проанализировав данные факторы можно сделать вывод, что самый оптимальный
вариант будет при номинальном напряжении.
1.5 Расчет ущерба от
неудовлетворительного качества электроэнергии
Вычислим ущерб от изменения
производительности.
,
- годовая
производительность печи.
- годовое число часов
работы печи.
- себестоимость тонны
изделия,
,
Ущерб от брака продукции
,
так как при отклонении ±10% от Uн
брака продукции не наблюдается.
Определим ущерб от
изменения потребления активной мощности.
,
,
,
где 
-
удельная стоимость электроэнергии.
Определим ущерб от потерь активной
мощности.
Ущерб от изменения потребления
реактивной мощности У5=0, так как печь сопротивления является
потребителем преимущественно активной мощности.
Определим ущерб от изменения срока
службы нагревателя.
,
Суммарный ущерб:
Расчеты при других значениях
коэффициента отклонения напряжения проведем с помощью программы Microsoft Office Excel.
Таблица 3- Ущербы от
неудовлетворительного качества электроэнергии
|
0,90,9511,051,1
|
|
|
|
|
|
|
 -106924,2-52979,4052695,5105163,9
|
|
|
|
|
|
|
 212847,5105081,90-106427,4-211698,1
|
|
|
|
|
|
|
 7888134978,90-28911,1-54182,2
|
|
|
|
|
|
|
 -39,3-19,64019,6539,31
|
|
|
|
|
|
|
 184843,687060,860-82623,35-160677,08
|
|
|
|
|
|
Рисунок 4- Графики 
,
,
,
и
Вывод:
с увеличением напряжения большинство ущербов в связи с некачественной
электроэнергией снижается. При этом следует учитывать, что при снижении
напряжения уменьшается ущерб от изменения производительности, это происходит
из-за снижения производительности. Этот фактор отрицательно влияет на работу
предприятия. Следовательно, самый благоприятный режим будет при номинальном
напряжении.
Задача 2
.1 Построение круговой
диаграммы
Рисунок 5- Схема
замещения дуговой печи
Определим суммарное
сопротивление.
По таблице выбираем
следующий тип печи: ДСП-3.
В режиме короткого
замыкания сопротивление дуги 
.
Определим ток короткого
замыкания печи.
- фазное напряжение
печи.
Диаграмму строим на основе
уравнения:
Определяем масштаб тока и масштаб
напряжения:
Рисунок 6- Круговая
диаграмма
Определим следующие величины и
занесем данные в таблицу:
- сопротивление дуги.
- мощность
электрических потерь
- активная мощность.
- мощность дуги.
- электрический КПД
установки.
- коэффициент мощности.
Таблица 4
|
№
|
 , кА , мОм , В , МВт , МВт , МВт 
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
30,13
|
5,04
|
152,13
|
2,505
|
20,466
|
17,961
|
0,87
|
0,9317
|
|
2
|
41,71
|
4,3
|
179,44
|
4,801
|
25,938
|
21,137
|
0,82
|
0,853
|
53,28
|
3,8
|
202,6
|
7,834
|
28,954
|
21,141
|
0,73
|
0,7454
|
|
4
|
64,86
|
3,447
|
223,58
|
11,61
|
27,635
|
16,025
|
0,57
|
0,5848
|
|
5
|
76,5
|
0
|
0
|
16,152
|
16,1709
|
0
|
0
|
0,2899
|
2.2 Построение рабочих
характеристик и определение показателей работы печи
Определим часовую производительность
печи.
Вычислим удельный расход
электроэнергии.
Вычислим время плавления одной тонны
стали.
Определим полный КПД печи.
Сведем все полученные результаты в
таблицу.
Таблица 5
|
, кА , т/ч , кВт·ч/т ,ч/т
|
|
|
|
|
|
30,13
|
36,97
|
485,82
|
0,027
|
0,69
|
|
41,71
|
43,51
|
569,13
|
0,022
|
0,57
|
|
53,28
|
43,52
|
665,3
|
0,022
|
0,51
|
|
64,86
|
32,99
|
837,67
|
0,03
|
0,4
|
|
76,5
|
0
|
∞
|
∞
|
0
|
Рисунок 7-
Характеристики 
,
,
,
,
.
Рисунок 8-
Характеристики 
,
,
,
.
Вывод: для данной печи
оптимальный режим работы заключен в промежутке от 30,13 кА до 53,28 кА, так как
при таком токе часовая производительность печи растет, а удельный расход
электроэнергии увеличивается незначительно.
2.3 Определение расхода
электроэнергии на плавку металла. Составление энергетического баланса печи.
Общий расход
электроэнергии на плавку металла находиться по формуле.
.
- полезная
электроэнергия.
- емкость печи.
Определим расход
электроэнергии на нагрев.
,
где 
-
удельная теплоемкость стали.
(2 - стр. 16) -
температура окружающей среды.
- температура
расплавленного металла.
- скрытая теплота
плавления.
.
Определим электрические
потери.
,
- потери в короткой
сети.
- время цикла печи.
Определим потери в
печном трансформаторе.
,
.
Потери в печном
трансформаторе зависят от типа трансформатора, для печи 
рекомендован
трансформатор типа 
.
Номинальная мощность - 
.
;
.
Вычислим потери в электрод ванне.
Определим тепловые потери энергии.
,
,
Определим удельный
расход электроэнергии.
,
где 
-
коэффициент годности выхода металла.
Примем 
,
и вычислим остальные составляющие в процентах.
Рисунок 9-
Энергетический баланс
2.4 Влияние показателей
качества электроэнергии не режим работы печи
Время плавки рассчитывается по
формуле.
,
где 
-
поправочный коэффициент.
- потери мощности при
горении дуги.
- ток дуги.
,
,
,
А, В и С коэффициенты
для расчета тока дуги.
,
По следующей формуле
вычислим ток дуги в относительных единицах.
,
Определим потери
мощности при горении дуги.
Вычислим потери мощности
в относительных единицах.
Вычислим электрические
потери мощность.
Определим тепловые
потери мощности.
Вычислим время
плавления.
Вычислим время плавки в
относительных единицах.
Определим
производительность.
Вычислим
производительность в относительных единицах
Вычислим удельный расход
электроэнергии.
,
где -
коэффициент годности выхода металла.
Вычислим удельный расход
электроэнергии в относительных единицах.
Расчеты при других
значениях коэффициента отклонения напряжения проведем с помощью программы Microsoft Office Excel.
Таблица 6- Показатели
качества электроэнергии
|
 -0,90,9511,051,1
|
|
|
|
|
|
|
|
 кА5,787545,9304856,0756,25386,37474
|
|
|
|
|
|
|
|
о.е.
|
-0,04748
|
-0,0238
|
0
|
0,0294
|
0,0493
|
|
кВт1433,0511469,0451505,91550,4331580,951
|
|
|
|
|
|
|
|
о.е.
|
-0,04837
|
-0,02447
|
0
|
0,02957
|
0,04883
|
|
 ч0,670,630,60,570,54
|
|
|
|
|
|
|
|
о.е.
|
0,116
|
0,05
|
0
|
-0,05
|
-0,1
|
|
П
|
т/ч
|
4,029
|
4,285
|
4,5
|
4,736
|
5
|
|
о.е.
|
-0,105
|
-0,047
|
0
|
0,0524
|
0,1
|
|
Н
|
кВт∙ч/т
|
372,865
|
393,58
|
414,29
|
435,009
|
455,724
|
|
о.е.
|
-0,1
|
-0,05
|
0
|
0,05
|
0,1
|
Рисунок 10- Графики 
,
,
,
и
.
Вывод: при увеличении
напряжения увеличивается производительность печи и уменьшается время плавки,
что естественно является хорошими показателями. Но при этом увеличивается
расход электроэнергии, что не желательно. Следовательно, наиболее благоприятным
режимом является режим при номинальном напряжении.
.5 Расчет ущерба от
неудовлетворительного качества энергии
Вычислим ущерб от
изменения производительности.
,
(2 - стр. 17) - годовое
число часов работы печи.
- себестоимость тонны
изделия,
,
Ущерб от брака продукции
.
Определим ущерб от
изменения потребления активной энергии.
,
,
,
,
- удельная стоимость
электроэнергии.
Определим ущерб от
изменения потерь активной мощности.
,
,
,
,
,
Вычислим ущерб от
изменения потребления реактивной мощности.
,
- экономический
коэффициент реактивной мощности.
,
,
,
,
Определим ущерб от
изменения срока службы расхода электродов при плавке.
,
.
Расчеты при других
значениях коэффициента отклонения напряжения проведем с помощью программы Microsoft Office Excel.
Таблица 7- Ущерб
от неудовлетворительного качества энергии
|
0,90,9511,051,1
|
|
|
|
|
|
|
-25552800-1143792001275206424336000
|
|
|
|
|
|
|
16750646,978595726,730-9036533,23-18513872,96
|
|
|
|
|
|
|
-271602,67-148224,260172228,19372460,97
|
|
|
|
|
|
|
 3163019,95361623128,66040-1706366,02-3495969,42
|
|
|
|
|
|
|
-6,999893601e-11-3,19042769e-1103,190427e-116,999893601e-11
|
|
|
|
|
|
|
-5910735,74-1367288,8702181392,942698618,59
|
|
|
|
|
|
Так как ущерб слишком
мал то примем равным его 0.
Рисунок 11-
Графики ,
,
и
Вывод:
аналогично печам сопротивления в дуговых сталеплавильных печах при увеличении
напряжения резко возрастают ущербы от изменения производительности, при этом
этот ущерб на порядок выше остальных, из-за высокой себестоимости. Для
достижения минимальных ущербов необходимо чтобы печь работала в режиме
номинального напряжения.
Задача 3
3.1 Расчет и построение
графика глубины проникновения электромагнитной волны в глубь металла при
индукционном нагреве
Глубина проникновения
электромагнитной волны вглубь металла вычисляется по формуле:
,
- удельное
электрическое сопротивление.
- удельное электрическое
сопротивление при температуре 20°С.
- температурный
коэффициент сопротивления.
- разность между
заданной температурой и температурой окружающей среды.
Определим удельное
электрическое сопротивление для температуры от 20 до 880°С.
Определим глубину
проникновения электромагнитной волны.
Расчеты при других значениях
проведем с помощью программы Microsoft Office Excel.
Таблица 8- Глубина проникновения
электромагнитной волны вглубь металла
|
 ,°С20100200300400500600700800
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 ,Ом/м45,286,888,4810,0811,6813,2814,8816,48
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 ,
м3,80234,368544,9866995,53626526,0366,49741176,92816147,33365427,7178719
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 12-
Характеристика 
Вывод:
из графика видно, что при увеличении удельного сопротивления увеличивается и
глубина проникновения электромагнитной волны вглубь материала. Это приводит к
более быстрому нагреву материала, следовательно, уменьшается время его
обработки.
3.2 Влияние показателей
качества электроэнергии на режим работы индукционных печей
По заданной частоте выбираем
генератор и определяем номинальный ток установки.
,
- мощность генератора.
- напряжение генератора.
.
Вычислим мощность
установки.
,
- активное
сопротивление установки.
Расчеты при других
значениях коэффициента отклонения напряжения проведем с помощью программы Microsoft Office Excel.
Таблица 9- Влияние
показателей качества электроэнергии на режим работы индукционных печей
|
0,90,9511,051,1
|
|
|
|
|
|
|
 4,7614,511 4,0813,896
|
|
|
|
|
|
|
 113,42126,36140154,37169,4
|
|
|
|
|
|
|
 79,39488,45298108,059118,58
|
|
|
|
|
|
|
 1,799631,79991,79991,79961,7999
|
|
|
|
|
|
Рисунок 13- Графики 
и
Вывод:
увеличение или уменьшение номинального напряжения приводит к уменьшению или
уменьшению тока, а мощности индукционной печи не меняется.
Задача 4
.1 Определение мощности
высоковольтного генератора для питания установки
Определим мощность, выделяемую в 1 м3
диэлектрика.
Определим мощность, выделяемую во
всем объеме диэлектрика.
Зададимся размерами древесины.
Рисунок 14- Размеры древесины
,
,
Вычислим мощность
генератора.
Найдем напряжение между обмотками
конденсатора.
Определим емкость конденсатора и
емкостное сопротивление.
,
- диэлектрическая
проницаемость вакуума.
,
Вычислим ток через
конденсатор.
Определим активное и реактивное
сопротивление генератора.
,
4.2 Схема и векторная
диаграмма, поясняющая явление нагрева диэлектрика в электрическом поле
Определим падение
напряжения на генераторе и конденсаторе.
Построим векторную диаграмму.
Масштаб по току: 10 А/мм.
Масштаб по напряжению: 50 В/мм.
Измерим напряжение Uг.
4.3 Влияние показателей
качества электроэнергии на режим работы высокочастотного оборудования
Определим напряженность
электрического поля.
Вычислим напряженность
электрического поля в относительных единицах.
Определим мощность,
выделяемую в 1 м3 диэлектрика.
Вычислим мощность в относительных
единицах.
Определим мощность,
выделяемую во всем объеме диэлектрика.
Вычислим мощность
генератора.
Вычислим мощность
генератора в относительных единицах.
Вычислим угол
диэлектрических потерь.
,
Найдем угол
диэлектрических потерь в относительных единицах.
Расчеты при других
значениях коэффициента отклонения напряжения проведем с помощью программы Microsoft Office Excel.
Таблица 10- Влияние
показателей качества электроэнергии на режим работы высокочастотного
оборудования
|
-0,90,9511,051,1
|
|
|
|
|
|
|
|
 кВ/м1980020900220002310024200
|
|
|
|
|
|
|
|
о.е.
|
-0,1
|
-0,05
|
0
|
0,05
|
0,1
|
|
 Вт/м356397,3062837,7369626,30476763,084247,82
|
|
|
|
|
|
|
|
о.е.
|
-0,19
|
-0,0975
|
0
|
0,1025
|
0,21
|
|
 Вт56397,3062837,7369626,30476763,084247,82
|
|
|
|
|
|
|
|
о.е.
|
-0,19
|
-0,0975
|
0
|
0,1025
|
0,21
|
|
 0,444440,398890,360,3265310,297521
|
|
|
|
|
|
|
|
о.е.
|
0,234567901
|
0,108033
|
0
|
-0,09297
|
-0,17355
|
Вывод: при увеличении напряжения значение угла диэлектрических потерь
уменьшается, расход электроэнергии на нагрев самого изделия (диэлектрика)
уменьшается, а это доказывает невыгодность такого режима эксплуатации
установки.
Заключение
В ходе выполнения работы, были
закреплены теоретические знания по расчетам печей сопротивления, дуговых печей,
индукционных печей, установок диэлектрического нагрева. Выявлено влияние
показателей качества электроэнергии на режим работы этих электротехнологических
установок - наиболее благоприятным режимом является режим при номинальном
напряжении. Рассчитаны ущербы от неудовлетворительного качества электроэнергии.
Список использованных
источников
1. Электрические
промышленные печи: Электрические печи сопротивления. Учебник для вузов в 2-х ч.
А.Д. Свенчанский. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: - Энергия, 1975 - 384 с.
. Электротехнологические
промышленные установки: Методические указания к курсовой работе по
электротехнологическим установкам для студентов специальности 100400 -
«Электроснабжение»/ Сост. Н.В, Дулесова, И.Н. Колосов. Красноярск: КГТУ, 2004 -
39c.
. Электроснабжение
электротехнологических установок. Борисов Б.П., Вагин Г.Я. - Киев: Наук. думка,
1985 - 248 с.