Ополева Г.Н. Электротехнологические установки

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

УСТАНОВКИ

Конспект лекций

по дисциплине «Электротехнологические установки и освещение»

Раздел: Установки нагрева, нагревательные и плавильные печи

Иркутск 2010

УДК 621.311

ББК 31.2

Э 45

Составитель:

Г.Н. Ополева, доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного

транспорта»

Рецензенты:

М.О. Умнова, доцент кафедры «Электротехника и электроснабжение» ИрГТУ;

В.В. Потапов, доцент кафедры «Электротехника и электроснабжение» ИрГТУ

Электротехнологические установки : конспект лекций / сост.

Г.Н. Ополева. – Иркутск : ИрГУПС, 2010. – 74 с.

Э 45

Конспект лекций содержит описание принципов действия, конструкции,

области применения плавильных и нагревательных электротехнологических

установок. Рассмотрены режимы работы электроустановок, основные техниче-

ские характеристики, влияние на системы электроснабжения.

Конспект лекций предназначен для студентов очной и заочной форм обу-

чения направления подготовки 190401.65 «Электроснабжение железных до-

рог» по специализации 190401.65.03 «Электроснабжение предприятий желез-

нодорожного транспорта».

Ил

. 42. Табл. 13. Библиогр.: 5 назв.

УДК 621.311

ББК 31.2

путей сообщения, 2010

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОБ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Электротехнологическими установками (ЭТУ) называются уста-

новки, в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды

энергии с одновременным выполнением технологического процесса.

По характеру действия на обрабатываемое вещество все ЭТУ условно

делятся на электротермические, электрохимические, электромеханические

и электрокинетические.

Классификация ЭТУ представлена на рис. 1.1.

Электротермические установки – это установки, в которых электри-

ческая энергия

служит для нагрева материалов и изделий. В электротерми-

ческих установках преобразование электрической энергии в тепловую

производится следующими способами:

- нагрев сопротивлением;

- индукционный нагрев;

- диэлектрический нагрев;

- дуговой нагрев;

- электронно- и ионно-лучевой нагрев;

- плазменный нагрев;

- лазерный нагрев.

В электрохимических и электрофизических установках использу-

ется электрохимическое действие тока. К ним

относятся: электролизные;

электрохимические; электроэрозионные; электрохимико-механические ус-

тановки.

В электромеханических установках действие электрического тока

приводит к каким-то механическим усилиям. К ним относятся: магнито-

импульсные; электромагнитные; электрогидравлические; ультразвуковые.

Электрокинетические установки – установки, в которых использу-

ется электронноионная технология, включающая в себя: электризацию ве-

щества, формирование движения в электрическом поле и др.

Развитие по-

лучили следующие виды установок. Электрогазоочистка – выделение из

газового (воздушного) потока твердых тел или жидких частиц. Электросе-

парация – разделение многокомпонентных систем на составные части.

Электроокраска – нанесение твердых или жидких покрытий на изделия и

др.

Рис. 1.1. Классификация электротехнологических установок

2. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ НАГРЕВА

СОПРОТИВЛЕНИЕМ

2.1. Общие сведения

Нагрев сопротивлением происходит за счет выделения теплоты в про-

водящем материале при протекании по нему электрического тока. Этот вид

нагрева основан на законе Джоуля-Ленца. Выделяемая в проводнике тепло-

вая энергия Q в ккал пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению

проводника и времени протекания тока:

Q = 0,00024I

Rt (ккал),

где Q – количество выделяющейся теплоты, ккал;

I – ток, A;

R – сопротивление, Ом;

t – время, с.

Активная мощность, выделяемая при протекании тока:

P = U

R = U

F/(ρ l),

где Р – мощность, выделяющаяся в проводнике, Вт;

U – напряжение, В;

F – площадь сечения, м

;

ρ – удельное сопротивление проводника, Ом·м;

l – длина проводника, м.

Выделяемая в проводнике тепловая энергия может быть использо-

вана непосредственно для нагрева самого проводника, который в этом

случае является нагреваемым телом (принцип прямого нагрева). При кос-

венном нагреве энергия нагрева передается специальными проводниками

(нагревателями), по которым проходит электрический ток к другим изде-

лиям, подлежащим нагреву путем конвекции и излучения тепловой энер-

гии. В обоих случаях нагреваемый объект может быть в твердом, жидком

или газообразном состоянии.

2.2. Электрические печи сопротивления

Электрические печи сопротивления (ЭПС) применяются в машино-

строении, металлургии, легкой и химической промышленности, строи-

тельстве, коммунальном и сельском хозяйстве и др.

По назначению ЭПС подразделяются:

– на нагревательные, которые служат для обработки материалов (на-

грева, термической, химико-термической и вакуумной обработки,

а также обжига, сушки, спекания различных металлических и ке-

рамических материалов);

– плавильные, предназначенные для плавки металлов.

Достоинства печей:

– возможность получения в печной камере любых температур до

3000 °С;

– достаточно равномерный нагрев изделия путем соответствующего

расположения нагревателей по стенкам печной камеры или приме-

нением принудительной циркуляции печной атмосферы;

– легкость автоматического управления мощностью, а следователь-

но, и температурным режимом печи;

– удобство механизации и автоматизации печей;

– компактность.

2.2.1. Нагревательные печи

Классификация нагревательных печей.

1. По принципу действия: косвенного и прямого действия. В ЭПС кос-

венного действия электрическая энергия превращается в тепловую в спе-

циальных нагревателях, а затем передается в рабочее пространство по-

средством теплопроводности, конвекции и излучения. В ЭПС прямого дей-

ствия нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую

цепь. Нагревательные элементы в печах косвенного действия и нагревае-

мые тела, включаемые в цепь ЭПС прямого действия, могут быть провод-

никами первого и второго рода.

2. По уровню достигаемых температур печи подразделяются: на низ-

котемпературные (до 650 ºС); среднетемпературные (до 1250 ºС); высоко-

температурные (выше 1250 ºС).

3. По режиму работы: периодического и непрерывного действия.

4. По конструктивному исполнению печи периодического действия

могут быть камерными, шахтными, колпаковыми, элеваторными. Печи не-

прерывного действия – конвейерные, рольганговые, карусельные, с ша-

гающим подом, барабанные, протяжные.

Электропечи сопротивления с нагревательными элементами пе-

риодического действия.

Печи с нагревательными элементами (рис. 2.1) представляют собой

футерованную камеру, в которой размещены нагреватели и обрабатывае-

мое изделие. По нагревателю пропускают электрический ток, температура

нагревателя повышается, тепло от нагревателя передается нагреваемому

изделию.

Рис. 2.1. Устройство

электропечи сопротивления

с нагревательными элементами

периодического действия

Футеровка. В низкотемпературных печах футеровка содержит только

теплоизоляционный слой, а жесткость футеровки обеспечивается двумя

связанными между собой внутренним и внешним каркасами.

В среднетемпературных печах в футеровке появляется огнеупорный

слой, выполненный из легковесных волокнистых огнеупоров.

В высокотемпературных печах огнеупорный слой выполнен из ша-

мота. Между огнеупорным слоем и слоем теплоизоляции вводится до-

полнительный слой легковеса для снижения температуры теплоизоляции

до допустимой.

Нагревательные элементы (НЭ). В низко- и среднетемпературных пе-

чах с температурой до 800 °С НЭ выполняются из фехраля и константана, с

температурой до 100 °С – из нихрома. Нихромы представляют собой сплав

никеля (75–78 %) и хрома (около 25 %); фехрали – сплав железа (73 %), хрома

(13 %,) алюминия (4 %); хромоникелевые жаропрочные стали – сплав же-

леза (до 61 %), хрома (22–27 %), никеля (17–20 %).

В высокотемпературных печах используются неметаллические нагре-

вательные элементы: карборундовые; угольные; графитовые или металли-

ческие. Карборундовые получаются при спекании кремнезема и угля. Ме-

таллические выполняются из тугоплавких металлов (молибдена, тантала,

вольфрама и др.). Во избежании растрескивания неметаллические нагре-

вательные элементы должны разогреваться постепенно при малой мощно-

сти, что

требует применения средств регулирования подводимого напря-

жения.

По форме среднетемпературные НЭ выполняются в виде зигзагов,

проволочных и ленточных, или спиралей, а высокотемпературные – в виде

стержней круглого или квадратного сечения и труб.

Для низкотемпературного нагрева широко применяются трубчатые

электронагреватели – ТЭНы, которые представляют собой металлическую

трубку, заполненную теплопроводным электроизоляционным материалом

с электронагревательной спиралью. ТЭНы электробезопасны, могут рабо-

тать в любой среде, стойки к вибрациям. Мощность ТЭНов до 15 кВт, на-

пряжение до 380 В, ресурс до 40 тыс. ч, рабочая температура до 730 °С.

Основные элементы и конструкция печей периодического дейст-

вия. На рис. 2.2 представлены колпаковые, элеваторные, камерные и шахт-

ные печи, которые отличаются расположением и материалом НЭ, спосо-

бами установки обрабатываемых изделий в камеру печи, устройством фу-

теровки и т.д., а также механизмами передачи тепловой энергии от НЭ к

изделию.

В низкотемпературных

печах основным механизмом передачи тепла

является конвенция (тепло передается потоком циркулирующего воздуха).

Для интенсификации процесса теплопередачи печи снабжаются вентиля-

торами.

В средне- и высокотемпературных печах основное тепло от нагрева-

теля к изделию передается излучением в форме электромагнитных волн. В

таких печах необходимо наличие оптической связи между НЭ и изделием.

Колпаковая печь – печь периодического действия с открытым снизу

подъемным нагревательным колпаком и неподвижным стендом (рис. 2.2 а).

Нагреваемые детали (садка) 5 с помощью подъемно-транспортных уст-

ройств помещаются на стенд. Поверх них сначала устанавливается жаро-

прочный колпак – муфель 3, а затем основной колпак 2 камеры печи, вы-

полненной из металлического каркаса с огнеупорной футеровкой. Нагре-

вательные элементы 4 расположены по боковым стенкам колпака и в клад-

ке стенда. Питание НЭ осуществляется с помощью гибких кабелей и штеп-

сельных разъемов. По окончании нагрева электропитание колпака отклю-

чается и он переносится на соседний стенд, где уже установлена очередная

загрузка для нагрева. Остывание садки происходит на стенде под жаро-

упорным муфелем, что обеспечивает необходимую скорость остывания.

В колпаковых печах при каждом цикле теряется лишь теплота, запа-

сенная в муфеле и кладке стенда, что составляет 10–15 % от теплоты, запа-

сенной в кладке колпака. Мощность колпаковых печей достигает несколь-

ких сотен киловатт. Благодаря тому, что колпак и муфель могут быть гер-

метизированы, нагрев и остывание садки можно проводить в защитной ат-

мосфере.

Элеваторная электропечь – печь периодического действия с от-

крытой снизу неподвижной камерой нагрева 2 и с опускающимся подом 6.

Печь представляет собой цилиндрическую или прямоугольную камеру,

установленную на колоннах на высоте 3–4 м над уровнем пола цеха.

Под печи поднимается и опускается гидравлическим или электро-

механическим подъемником, который установлен под камерой нагрева.

Нагреваемые изделия 5 нагружают на тележку, затем с помощью лебедки

продвигают под печь и поднимают подъемником 7, вдвигая в камеру. По

окончании технологического процесса под опускается и изделие снимает-

ся. В низкотемпературных печах нагревательные элементы 4 расположены

на стенках, в высокотемпературных печах – на стенках и в поду.

Элеваторные печи служат для отжига, эмалирования, цементации,

обжига керамических изделий, спекания и металлизации деталей. Печи

комплектуются многоступенчатыми трансформаторами, рассчитаны на

емкости в десятки тонн, мощности до 600 кВт и температуру до 1500 К.

Камерная электропечь – печь периодического действия с камерой

нагрева, загрузка и разгрузка садки которой производятся в гори-

зонтальном направлении. Камерная печь состоит из прямоугольной каме-

ры 2 с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекрытой сводом 8 и

помещенной в металлический кожух. Печь загружается и выгружается че-

рез закрываемое дверцей отверстие в передней части.

В поду камерной печи обычно имеется жароупорная плита, на кото-

рой расположены нагреватели 4. В печах до 1000 К теплообмен обеспечи-

вается за счет излучения или вынужденной конвекции, обеспечиваемой

замкнутой циркуляцией печной атмосферы. Печи с номинальной темпера-

турой до 1800 К работают как с воздушной, так и с контролируемой атмо-

сферой. В крупных печах загрузка и разгрузка механизированы.

Шахтную печь выполняют в виде круглой, квадратной или прямо-

угольной шахты, перекрываемой сверху крышкой. Нагревательные эле-

менты в ней установлены обычно по боковым стенкам.

Электропечи сопротивления с нагревательными элементами не-

прерывного действия (методические печи). Конструкции печей непре-

рывного действия различаются в основном механизмами перемещения на-

греваемых изделий в рабочем пространстве печи. По способу перемеще-

ния изделия внутри печи различают конвейерные, толкательные, протяж-

ные, туннельные и карусельные печи.

Конвейерная печь – с перемещением садки на горизонтальном кон-

вейере (рис. 2.3). Под печи представляет собой конвейер – полотно, натя-

нутое между двумя валами, которые приводятся в движение специальны-

ми двигателями. Нагреваемые изделия укладываются на конвейер и пере-

двигаются на нем через рабочее пространство печи. Конвейерная лента

может быть выполнена плетеной из нихромовой сетки, штампованных

пластин и соединяющих их прутков, а также для тяжелых нагреваемых

изделий – из штампованных или литых цепных звеньев.

Конвейер размещается целиком в камере печи и не остывает. Однако

валы конвейера находятся в очень тяжелых условиях и требуют водяного

охлаждения. Поэтому часто концы конвейера выносят за пределы печи. В

этом случае значительно облегчаются условия работы валов, но возраста-

ют потери теплоты в связи с остыванием конвейера у разгрузочных и за-

грузочных концов. Нагреватели в конвейерных печах чаще всего разме-

щаются на своде или в поду под верхней частью ленты конвейера, реже на

боковых стенках.

1 – стенд; 2 – камера печи; 3 – жаропрочный муфель; 4 – нагревательные элементы; 5 – нагреваемое изделие

(садка); 6 – опускающийся под; 7 – подъемное устройство; 8 – свод; 9 – механизм подъема свода.

Рис. 2.2. Печи сопротивления периодического действия:

а – колпаковая; б – элеваторная; в – камерная; г – шахтная