Определение геометрии индуктора

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Диаметр индуктора D₁ с учётом толщины изоляционных слоёв и достижения максимального КПД установки равен:

D₁ = D₂ + 2(δ_ф + δ_из + δ_з) ≈ (1,4 ÷ 2) · D₂, (4.1)

где δ_ф — толщина внутреннего слоя футеровки;

δ_из — толщина теплоизоляционного слоя ;

δ_з — величина воздушного зазора меду заготовкой и внутренним слоем футеровки, м.

D₁ = м

Для получения равномерного нагрева по поверхности заготовки длину индуктора определяют по следующей зависимости, м

α₁ = n · α₂ + 2∆α = α₂+ 2∆α, (4.2)

где ∆α — величина заглубления заготовки в индукторе (положительный свес индуктора).

∆α = 0,2 · D₁ = м

α₁ = n · α₂ + 2∆α = м

В величину D₁ входит диаметр заготовки D_2., толщина футеровки из искусственного диатомитового кирпича (δ_ф = 20 мм), толщина тепловой изоляции из асбеста (δ_из = 2,5 мм), тогда величина воздушного зазора будет равна δ_з = (D₁ – D₂ - 2 δ_ф - 2 δ_из) · 0,5.

δ_з = мм

Найдём величину D₃:

D₁ – D₂ = мм.

Сюда входит: δ_з = мм, δ_ф = мм и δ_из = мм.

Следовательно, D₃ = D₂ + 2δ_з = мм.

Электрический расчёт индуктора.

При расчёте параметров системы индуктор — деталь необходимо привести параметры детали к параметрам индуктора. Коэффициент приведения параметров

P_ω² = α · ω², (5.1)

где ω — число витков индуктора;

α — поправочный коэффициент,

, (5.2)

для нагреваемой заготовки:

По приложению Е [1] находим, что K_H = ;

По приложению Ж находим, что K₂ = ;

В пункте 2 мы рассчитали, что ∆K = м

По приложению И находим, что А = .

Т. к. расчёт ведётся сначала для одновиткового индуктора ( ω = ), тогда формула (5.1) приобретёт вид P_ω² = α.

Пользуясь формулой (5.2) вычислим α:

Приведённые сопротивления нагреваемой заготовки равны:

- активное сопротивление заготовки

, (5.3)

где p — удельное электросопротивление, p = Ом · м (из пункта 2)

- реактивное сопротивление заготовки

, (5.4)

где

По приложению И находим, что B =

Активное сопротивление индуктора

r₁ = k_r · r_1П, (5.5)

где r_1П — омическое сопротивление индуктора,

, Ом, (5.5.1)

где δ₁ — толщина стенки трубки индуктора, выбираем из условия δ₁ ≥ · Δ₁, м.

- глубина проникновения тока в медь (для меди p₁ = Ом·м, μ = ).

δ₁ ≥ 1,3 · Δ₁≥ = м = мм. Принимаем, что δ₁= м = мм;

D₁^' – расчётный диаметр. Сравниваем δ₁с выражением 1,5 · Δ₁ = мм.

> δ₁ следовательно,

D₁^' = D₁ + δ₁ = м;

k_r – коэффициент, определяемый по рис. 3.2 [1]. При k_r = 1,27;

g — коэффициент заполнения индуктора, g = . Принимаем g = .

Подставляем полученные значения в формулу (5.5.1)

Теперь рассчитаем активное сопротивление индуктора по формуле (5.5):

r₁ = Ом

Реактивное сопротивление индуктора

, (5.6)

где k_x – коэффициент, определяемый по рис. 3.2 [1]. При

По приложению Ж находим, что K₁ =

Эквивалентное сопротивление системы индуктор-изделие равно:

- активное

r_э^* = r₁ + r₂^' = Ом, (5.7)

- реактивное

x_э^* = x₁ + x₂^' = Ом, (5.8)

- полное (5.9)

Коэффициент полезного действия

η_и = r₂^'/ r_э^* = (5.10)

Коэффициент мощности индуктора

cosφ_и = r_э^* / z_э^* = (5.11)

Далее сделаем расчёт для многовиткового индуктора.

Для этого необходимо определить потребляемую мощность, напряжение и ток на индукторе.

Потери теплоты нагреваемой деталью происходят теплопроводностью и излучением (конвекцией в воздушном зазоре из-за его малости можно пренебречь).

Потери теплоты излучением, Вт,

, (5.12)

где ε_м — степень черноты нагреваемого металла, ε_м = 0,057 (для полированного алюминия);

ε_ф — степень черноты внутренней поверхности футеровки индуктора, ε_ф = 0,45;

F_м — площадь боковой поверхности нагреваемого металла, м².

F_м = π · D₂ · α₂ = м²— для одной заготовки;

F_м = 0,2276 · 32 = м²— для тридцати двух заготовок;

F_ф – площадь боковой поверхности внутренней поверхности футеровки индуктора, м²

F_ф = π · D₃ · α₁ = м²;

Т_м — средняя от начала до конца нагрева температура поверхности металла, К

;

Т_ф — температура внутренней поверхности футеровки индуктора, К

Т_ф = К

Подставляем полученные значения в формулу (5.12):

Потери теплоты теплопроводностью в воздушном зазоре, Вт

, (5.13)

где λ — коэффициент теплопроводности воздуха, его выбирают по приложению К при средней температуре воздуха λ = Вт/(м·К), тогда

Суммарная потребляемая мощность

,(5.14)

здесь полезно затраченная мощность Р_т определена выше по формуле (3.1).

Сила тока в одновитковом индукторе

(5.15)

Напряжение на одновитковом индукторе

U_и^' = Z_э^* · J_и^'= В (5.16)

Мощность, подведённая к индуктору

Р = Р_т / η_и = Вт (5.17)

Число витков индуктора

ω = U_и / U_и^'=

где U_и = В — напряжение на индукторе.

Ширина индуктирующей трубки по длине индуктора

, (5.18)

здесь коэффициент заполнения индуктора g берётся таким же, как и при расчёте r_1п (3.14). Ширина трубки в выбрана правильно, если удовлетворяются следующие требования: минимальная толщина изоляции между витками составляет Δ_из._min = 1,5÷2, а межвитковое напряжение не более (10÷40) В/мм, т.е. выполняются условия:

(5.19)

здесь ви Δ_из выражены в мм.

> мм, следовательно, условие выполняется;

и (5.20)

< В/мм — условие выполняется, перерасчёт не требуется.

Далее делаем расчёт многовиткового индуктора.

Определим эквивалентные сопротивления многовиткового индуктора:

r_э = ω² · r_э^*= Ом, (5.21)

x_э = ω² · x_э^*= Ом, (5.22)

z_э = ω² · z_э^*= Ом. (5.23)

Сила тока в многовитковом индукторе

J_и = J_и^' / ω = А (5.24)

Активная мощность установки

Р_a = J_и² · r_э = Вт

(5.25)

Реактивная мощность установки

Р_р = J_и² · x_э · 10^-3= квар

(5.26)

Коэффициенты полезного действия, характеризующие установку:

- тепловой КПД

η_т = Р_т / Р_Σ = (5.27)

- электрический КПД

η_э = Р_Σ/ Р_a = (5.28)

- полный КПД

η = η_т · η_э = (5.29)

или η = Р_т / Р_a =

Ёмкость конденсаторной батареи, необходимая для полной компенсации реактивной мощности,

, (5.30)

где U_k = U_и = В — напряжение на конденсаторах.

Расчёт охлаждения индуктора.

Индуктирующая трубка нагревается за счёт протекающего по ней электрического тока и за счёт тепловых потерь нагреваемой заготовки, потому вода, протекающая по трубке, должна отвести тепловой поток равный Р_охл

(6.1)

Требуемое количество воды для охлаждения индуктора

, (6.2)

где t_вх — температура воды на входе в индуктор, t_вх = 15 ˚C; t_вых — температура воды на выходе из индуктора, t_вых = 50 ˚C. Цикл охлаждения не замкнутый.

При таком расходе и допустимой скорости течения воды (W = 1,5 м/с) внутреннее поперечное сечение трубки

S_тр = G_охл / W = см². (6.3)

Этой площади поперечного сечения соответствует эквивалентный внутренний диаметр

(6.4)

Определяем внутренние размеры индуктирующего витка при полученном поперечном сечении.

Профиль сечения трубки — прямоугольный. Площадь её внутреннего сечения будет равна S_тр= a^' · в^'.

Толщина стенки (δ₁ = 4мм) и ширина трубки (в = 175 мм) были рассчитаны ранее. На основании этих значений внутренняя высота витка в радиальном направлении равна

(6.5)

Принимаем S_тр = см², тогда, исходя из формулы S_тр= a^' · в^', в^'будет равна

в^' = S_тр / a^' = мм.

Внешняя высота трубки

a = a^' + 2δ₁= мм. (6.6)

Делаем проверку возможности отвода всей потерянной теплоты:

Р_отв = a_к (t_и — t_{в ср}) · F_охл, (6.7)

здесь F_охл — площадь поверхности охлаждения. Её можно определить по формуле:

F_охл = 4d_тр.э · D₁ω = м², (6.8)

средняя температура воды

t_{в ср}= (t_вых + t_вх) · 0,5 = ≈ ˚C,

температуру индуктора принимаем равной t_и = ˚C.

Для нахождения коэффициента теплоотдачи конвекцией a_ксначала определяем режим течения воды:

значит режим турбулентный. Коэффициент кинематической вязкости воды V_в выбираем по приложению Л при t_{в ср}= ˚C, V_в = м²/с.

При Re_в > 10000 критерий Нуссельта рассчитываем по формуле

(6.9)

при t_{в ср}= ˚C, по приложению Л определяем, что Pr_в = , тогда

При t_{в ср}= ˚C, по приложению Л определяем, что λ_в = Вт/(м²·К). Отсюда

При этом значении a_к, количество тепловой энергии, отводимое водой, равно

Р_отв = Вт.

Так как Р_отв> P_охл ( > Вт), отвод теплоты обеспечен.

В связи с тем, что охлаждение индуктора осуществляется путём подвода воды из магистрали, перепад давления ∆Р на входе и выходе из индуктора не должен превышать 202,6 кН/м³.

Перепад давления по длине трубки определяем по формуле:

Н/м², (6.10)

где λ_тр — коэффициент трения, ;

К_Ш - коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности трубки (К_Ш = 2 ÷ 3), примем К_Ш = ;

У_пов — коэффициент, учитывающий сопротивления поворота. Его определяем по приложению Н. При , У_пов = ;

ρ_в – плотность воды, равна кг/м³.

Подставляем полученные данные в формулу (6.10):

Поскольку ∆Р < ∆Р_КРИТ ( < кН/м²), то число секций охлаждения оставляем прежним, т. е. m = .

Техника безопасности.

Так как в индукторе находится высокое напряжение, которое в мощных установках может достигать сотен вольт, индуктор представляет опасность для персонала. Действие электрического тока на живую ткань носит разносторонний характер. Проходя через организм человека, электроток производит термическое, электрическое, механическое и биологическое действие.

Термическое действие тока проявляется ожогами отдельных участков тела, нагревом до высокой температуры органов, расположенных на пути тока, вызывая в них значительные функциональные расстройства.

Электрическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, в том числе крови, в нарушении ее физико-химического состава.

Механическое действие тока приводит к расслоению, разрыву тканей организма в результате электродинамического эффекта, а также мгновенного взрывоподобного образования пара из тканевой жидкости и крови.

Биологическое действие тока проявляется раздражением и возбуждением живых тканей организма, а также нарушением внутренних биологических процессов.

Для защиты от поражения электрическим током всё оборудование должно быть заземлено, все работы должны проводиться только в специальной одежде и рукавицах, возле электрических печей должны быть постелены резиновые коврики.

Возникающие при использовании токов высокой частоты электромагнитные поля представляют определенную профессиональную вредность – изменения нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной и других систем организма человека. Наблюдаются повышенная утомляемость, вялость, снижение точности рабочих движений, изменение кровяного давления и пульса, возникновение болей в сердце (обычно сопровождается аритмией), головные боли. Поэтому необходимо принимать меры защиты от их воздействия на организм.

Основные меры защиты от воздействия электромагнитных излучений: уменьшение излучения непосредственно у источника (достигается увеличением расстояния между источником направленного действия и рабочим местом, уменьшением мощности излучения генератора); рациональное размещение СВЧ и УВЧ установок (действующие установки мощностью более 10 Вт следует размещать в помещениях с капитальными стенами и перекрытиями, покрытыми радиопоглощающими материалами – кирпичом, шлакобетоном, а также материалами, обладающими отражающей способностью – масляными красками и др.); дистанционный контроль и управление передатчиками в экранированном помещении (для визуального наблюдения за передатчиками оборудуются смотровые окна, защищенные металлической сеткой), экранирование источников излучения и рабочих мест (применение отражающих заземленных экранов в виде листа или сетки из металла, обладающего высокой электропроводностью – алюминия, меди, латуни, стали); организационные меры (проведение дозиметрического контроля интенсивности электромагнитных излучений – не реже одного раза в 6 месяцев; медосмотр – не реже одного раза в год; дополнительный отпуск, сокращенный рабочий день, допуск лиц не моложе 18 лет и не имеющих заболеваний центральной нервной системы, сердца, глаз); применение средств индивидуальной защиты (спецодежда, защитные очки и др.). Пребывание персонала в зоне воздействия электромагнитных полей ограничивается минимально необходимым для проведения операций временем. Генераторы токов высокой частоты устанавливают в отдельных огнестойких помещениях, машинные генераторы – непроницаемых кабинах.

Стенки защитной камеры изготавливают из стекла, цемента, пластмасс, дерева – эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки.

К средствам индивидуальной защиты от электромагнитных излучений относят переносные зонты, комбинезоны и халаты из металлизированной ткани, осуществляющие защиту организма человека по принципу заземленного сетчатого экрана.

Заключение.

Спроектировали индукционную установку для нагрева алюминиевых заготовок марки А1. Напряжение питающей сети U_и — 380 В, производительность установки 2300 кг/ч по 32 заготовки в загрузку. Суммарная потребляемая мощность печи Р_∑ составляет 371468 Вт, электрический КПД составляет 42%, полный КПД — 40%. Исходя из заданных размеров заготовок, высота печи составляет 250 мм. Из них:толщина футеровки з искусственного диатомитового кирпича — 20 мм; толщина тепловой изоляции из асбеста — 2,5 мм; величина воздушного зазора — 30 мм. Выбранные характеристики позволяют снизить тепловую и излучательную способность распространения в окружающую среду. Длина индуктора составляет 175 мм, в которую укладываются 87 витков размерами 15х160 мм

Для охлаждения индуктора используется вода с температурой на входе 15 ˚C, на выходе из индуктора — 50 ˚C. Результаты расчёта Р_отви P_охл показывают, что отвод теплоты будет обеспечен (556304 > 525642,5 Вт).

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 271; Мы поможем в написании вашей работы!
Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 12

Мы поможем в написании ваших работ!