ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2024
Просмотров: 17
Скачиваний: 1
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
ПРИ ГОСПЛАНЕ СССР
УДК 621.365.39
О. Л. АЛФЕРЬЕВСКАЯ, Г. Н. КАГАН
КОНТАКТНЫЙ НАГРЕВ
в н и и э м
ОТДЕЛЕНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ, СТАНДАРТИЗАЦИИ И НОРМАЛИЗАЦИИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
М О С К В А |
1964 |
гос: ПУБЛИЧНАЯ
Н^УЧНО-ТЕХКЛЧЕСКАЯ
БИБЛИОТЕКА ССОР
КОНТАКТНЫЙ НАГРЕВ
Большой интерес, проявляемый в настоящее время к электроконтактному нагреву, объясняется тем, что он обладает следующими преимуществами по сравнению с другими спосо- -бами нагрева:
высокая скорость процесса нагрева, благодаря чему исклю чается окисление и не происходит обезуглероживания изде лий;
равномерный прогрев и высокий к. п. д., достигающий в действующих установках 80%, а в отдельных случаях 90%;
возможность встраивать установку в автоматическую ли нию;
экономия производственных площадей и простота обслу живания;
установки для контактного нагрева не требуют времени для предварительного разогрева.
При контактном нагреве в процессе нагрева изделие может находиться в неподвижном положении — статический нагрев и в движении — непрерывный нагрев. Явления, происходящие при этом различны, хотя в обоих случаях речь идет о мощно сти (р), напряжении (U) трансформатора, который позволяет нагреть изделие до температуры (tn).
ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДЛЯ СТАТИЧЕСКОГО НАГРЕВА
Тело одинаковое по всей длине (/) сечением (S) изменяет при нагреве с помощью пропускания по нему электрического
тока при напряжении (U) свою |
температуру (/) в зависимос |
ти от продолжительности нагрева |
(Z) в соответствии с кривой, |
представленной на рис. 1. Кривая получена при решении урав нения баланса тепла в изделии
|
|
<7i = |
<72+<7:! |
(О |
где <7i — подведенное к телу тепло, |
|
|||
<7г |
— тепло, |
необходимое |
для повышения |
температуры |
|
тепла, |
|
|
|
<7з |
— тепловые потери. |
|
|
3
г* г,
Рис. I. Изменение мощности, погло щаемой изделием в зависимости от времени нагрева
|
Это уравнение можно решить, если допустить |
следующие |
|||||
упрощения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
удельное сопротивление стали: |
|
|
|
|
||
|
|
|
р=а t |
|
|
|
(2) |
где |
а — коэффициент |
пропорциональности, |
имеющий |
постоян |
|||
|
ное значение. |
определяются |
только энергетическим |
||||
|
Тепловые |
потери |
|||||
излучением |
изделия. |
До 1300°С мощность |
тепловых |
потерь |
|||
может быть приближенно выражена |
|
|
|
(3) |
|||
|
|
|
Яа = Ы% |
|
|
|
|
где |
Ь = const и определяется значением |
коэффициента излу |
|||||
|
чения и поверхностью тела. |
|
|
конечную |
|||
|
Решение |
уравнения (1), позволяет определить |
|||||
температуру изделия |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
t , = A V U - |
f ~ ;, |
|
. |
(4) |
постоянную времени Z0, т. е. время по прошествии которого из
делие приняло бы свою конечную температуру, если бы не теп ловые потери
< 5 >
температуру изделия (в любой момент времени Z)
; |
(6) |
4
сопротивление изделия (в любой момент времени Z)
( 7)
В этих уравнениях АВСД — константы, зависящие от при нятых единиц,
F — поверхность изделия, излучающая тепловую энергию. Уравнение (7) можно применять только в тех случаях, ко гда температура выше нуля, так как уравнение (2) становится неправильным при t = 0°С. Если температура изделия равна нулю или близка к нему, то при определении сопротивления стали вместо удельного сопротивления, определенного по урав нению (2), подставляется удельное сопротивление стали, соот
ветствующее данной температуре. Исходя из зависимости
определяется изменение по времени мощности, поглощаемой изделием, в зависимости от продолжительности нагрева, изме нение тепловых потерь (Р ), соответствующее потерям на излу чение, а также изменение к.п.д. нагрева изделия
р _о |
(9) |
W т г д . |
Если необходимо получить полную картину процесса нагре ва изделия определенных размеров и свойств, нужно исследо вать характеристики его нагрева при различных напряжениях.
На рис-. 1 дополнительно даны характеристики t',
для напряжений U'< U также подсчитанных из выше приве денных уравнений.
Если изделие должно быть нагрето до ^ и имеются харак теристики нагрева, можно легко установить, при какой мощно сти и к.п.д. изделие воспримет эту температуру и через какой промежуток времени. Чем выше будет напряжение, тем короче продолжительность нагрева при лучшей производительности. Однако слишком сильно повышать напряжение нельзя, так как это вызывает возрастание мощности установки, что в свою оче редь затрудняет ее конструктивное решение.
Принятые при расчетах упрощения, основанные на том, что тепловые потери происходят только из-за излучения, допустимы в том случае, когда процесс нагрева изделия протекает при вы соких температурах, продолжительность нагрева мала, кроме того, если отношение длины изделия к его диаметру велико.
При условии, что длина изделия по отношению к его сече нию мала, потери в контактах из-за теплопроводности возра стают и по приведенным уравнениям вести расчет нельзя.
5
Рис. 2. Зависимость к п д. уста новки от отношения длины за готовки к квадрату ее диа метра
На рис. 2 показана зависимость к. п. д. установки для кон
тактного нагрева от отношения---- . Из диаграммы видно, что d2
значительное уменьшение этого отношения (ниже 1,5) вызыва ет понижение к. п. д. установки.
ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО НАГРЕА
Нагрев изделия, например, стальной ленты во время движе ния отличается от статистического нагрева. Температура ленты, начиная от первоначальной постепенно увеличивается и через некоторое время под роликом на входе ленты в установку стано вится равной tp и под роликом на выходе равна 4. В дальней шем нагрев ленты рассматривается в установившемся режиме, то есть когда температуры tp и 4 более не изменяются. Если в данном случае исходить из того же уравнения (1), но приме нить его не ко всей длине нагреваемого участка, а только к эле менту dx, то получим уравнение:
где А и А2, А 3 константы, зависящие от массы тела, I = 2,718.
Из уравнения (10) следует, что температура изделия меняет ся в зависимости от расстояния х , величины тока / и скорости движения изделия v. Если принять определенные значения для / и v и знать tp, то можно подсчитать распределение температу ры вдоль изделия. В свою очередь tp зависит от многих факто ров, в том числе от конструкции токоподводящих роликов, спо соба их охлаждения, поэтому не может быть определена зара нее.
Температуру изделия можно повысить путем снижения ско рости движения изделия или увеличением тока при возрастании напряжения.
Сопротивление изделия между роликами при определенных значениях tp и 4 постоянно и не зависит от скорости нагрева,
6
как при стационарном нагреве. Сопротивление нагретого отрез ка изделия определяется уравнением
Тепловые потери на разных участках нагреваемого изделия различны, а для всего изделия постоянны, следовательно и
У| = |
будет при стабильной работе установки постоян |
ным. Наиболее благоприятны условия работы в том случае, когда применяются высокие скорости подачи изделия, так как количество энергии, подводимое к единице объема изделия, при этом не изменяется, а потери энергии из-за сокращения продол жительности нагрева уменьшаются. Однако чрезмерное увели чение скорости движения изделия также невозможно, так как потребуется значительное увеличение мощности для нагрева, что вызывает усложнение и удорожание установки.
Таким образом, наиболее благоприятные условия как для стационарного, так и непрерывного нагрева могут быть опреде
лены аналитически, что особенно важно при разработке нагре вательных устройств большой мощности. Точность, полученная при этих расчетах, достаточна для правильного проектирова ния таких установок. Несовпадение между расчетом и получен ными эксплуатационными данными может быть легко устране но регулировкой напряжения и скорости подачи при непрерыв ном нагреве. Поэтому установки для контактного нагрева все гда работают с трансформаторами, имеющими регулируемое напряжение, а в установках для непрерывного нагрева необхо димо еще иметь и возможность регулирования привода ро ликов.
Несмотря на то, что контактный нагрев по сравнению с дру гими методами нагрева имеет явные преимущества, он не мо жет быть применен во всех случаях. Применять этот метод рекомендуется тогда, когда нагреваемое изделие имеет одина ковое сечение по всей длине и отношение его длины к диа метру сечения не слишком мало. Наилучшие результаты дости гаются при нагреве материала диаметром 20—70 мм и отноше
нии —• > 3. d*
Применение контактного нагрева для движущихся изделий ограничивается случаями, когда длина изделия значительно больше расстояния между токоподводящими роликами. Следу ет учитывать, что начало ленты или проволоки не может быть нагрето правильно, так как температура нагретого участка ста билизируется только через какой-то промежуток времени.
7
ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОГО НАГРЕВА
Особенностью контактного нагрева является распределение тока по сечению нагреваемого изделия. На рис. 3 показано из менение температуры в 'процессе нагрева в зависимости от вре мени.
Сплошными линиями показана температура в сердцевине, а пунктирными — на поверхности изделия.
В начале нагрева температура на поверхности выше, чем сердцевины, что является следствием скинэффекта. В дальней шем происходит уравнивание температур, а в конце процесса, благодаря увеличивающемуся тепловому излучению поверхно сти, температура внутри изделия будет выше, чем на его по верхности, что создает идеальные условия для обработки изде лий прокаткой или ковкой.
Точка пересечения кривых внутренней и наружной темпера тур зависит от продолжительности нагрева — при более быст ром нагреве она будет смещена в сторону более высоких темпе-
ратур.
Фирма ВВС разработала двц исполнения блок-схемы уста новки электроконтактного нагрева (рис. 4). В варианте А уста новка состоит из высоковольтного распределительного’устрой ства, трансформатора, контактных устройств и измерительных приборов для контроля.
Рис. 3. Распределение температуры в |
сердцеви |
Рис. 4. Блок-схема уста |
||
не (а) и на |
поверхности болванки (б) |
при кон |
новки контактного нагре |
|
тактном |
нагреве в зависимости от времени |
ва |
|
|
|
|
|
1 — предохранители, |
2 — вы |
|
|
|
соковольтный выключатель; |
|
|
|
|
3 — трансформатор; |
4 — на |
|
|
|
греваемое тело, 5— выпря |
|
|
|
|
мители |
|
8