Тепловыделение в электроустановках

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. Причины тепловыделения в электроустановках

2. Расчет теплового состояния выпрямительной установки

3. Перспективные способы охлаждения полупроводниковых преобразовательных приборов

4. Тепловыделение в электрических проводниках

5. Тепловое действие электромагнитного поля

6. Тепловые процессы при электродуговом контакте

Заключение

Библиографический список

тепловыделение электроустановка полупроводниковый

Введение

Установки, в которых происходит превращение электрической энергии в другие виды с одновременным осуществлением технологических процессов, называют электротехнологическими. Эти установки имеют довольно сложное оборудование, включающее в себя рабочий орган - плазмотрон, плазменный реактор, электронную пушку, электродные системы дуговых и ионных агрегатов, специфические источники питания, автоматически поддерживающие заданный режим работы или управляемые с помощью микропроцессорной техники. Производственная деятельность человека и его быт стремительно насыщаются электротехнологическими установками. Это обусловлено не только ростом потребности в них, но и в немалой степени сокращением природных запасов и повышением стоимости углеводородного топлива, необходимостью принятия кардинальных мер по охране окружающей среды, созданию безотходных технологий. Развитие электротехнологических процессов обеспечивается развивающейся энергетикой страны, строительством новых атомных и тепловых электростанций, сооружением мощных линий электропередач.

Электротехнологические процессы, особенно их новые разновидности, имеют весьма короткий срок перехода из стен лаборатории в науку, технику, быт и производство. Это относится к тем процессам, которые не могут быть выполнены без электроэнергии дает несоизмеримые преимущества. Развитие физики и электротехники позволило создать и предложить производству технологические процессы, в которых используются свойства самых обрабатываемых веществ и материалов, обнаруживающиеся в электрических и магнитных полях.

Электрическое и магнитное поля могут быть постоянными или быстроменяющимися во времени и в пространстве, иметь широкий диапозон изменения напряженности. Посредством электрических и магнитных полей с веществом, находящимся в каждом из агрегатных состояний, можно совершать бесчисленное множество операций - изменение температуры, формы, структуры, состава, свойств в разных направлениях и т. д. В огромный перечень электротехнологических установок индивидуального изготовления или серийного производства введена некоторая систематизация.

Их группируют по результирующему действию электрического тока и магнитного поля, проявляющемуся в различных условиях.

1. Установки, основанные на тепловом действии тока. К ним относят бытовые нагревательные приборы, печи сопротивления прямого и косвенного действия, установки для нагрева жидкостей и газов - электрические котлы разных типов и калориферы, а также электродные ванны, где нагревательным элементом служит расплав щелочи или оксидов.

Установки электрошлакового переплава металлов и электрошлаковой сварки используют явление выделения тепловой энергии преимущественно в шлаке, заполняющем пространство между электродами.

В установках контактной сварки электрическая энергия преобразуется в тепловую в переходном сопротивлении в точке контакта двух деталей. Процесс происходит только при импульсном протекании тока, что определяет особенности электроснабжения и схемы сварочных машин.

В установках индукционного нагрева используется преобразование энергии переменного тока промышленной или повышенной частоты в энергию переменного магнитного поля, которая преобразуется вновь в электрическую, а затем в тепловую в нагреваемом теле. Этот способ применим для нагрева проводящих тел.

Для нагрева диэлектриков применяются установки, использующие высокочастотное электрическое поле, где преобразование электрической энергии в тепловую идет через процессы поляризации веществ.

Установки, принцип действия которых основан на нагреве электрической дугой, включают в себя электродуговые и рудотермические печи для выплавки металлов, а также вакуумно-дуговые печи для переплава и рафинирования металла. Сюда же относятся установки плазменной и плазмодуговой обработки металлов и неметаллических материалов, которыми производят переплав металлов, нанесение защитных покрытий, наплавку и другие операции.

В электродуговых сварочных установках выделение мощности в основном происходит в опорных пятнах электрической дуги, однако и столб ее играет существенную роль в протекании сварочного процесса.

Возможность получения высококонцентрированных потоков тепловой энергии реализована в электронно-лучевых и лазерных установках.

В установках электроэрозионной обработки тепловая энергия выделяется в канале разряда в жидкости при импульсном протекании тока большой силы.

2. Установки, основанные на электрохимическом действии тока.

К ним относят электролизные ванны, заполняемые растворами или расплавами, установки для нанесения защитных и декоративных покрытий, а также установки для изготовления изделий методом гальванопластики, установки электрохимико-механической обработки изделий в электролитах.

3. Электромеханические установки, где прохождение импульсного тока вызывает возникновение механических усилий в обрабатываемом материале.

Особый класс составляют установки ультразвукового воздействия, осуществляющие технологический процесс путем создания в веществе механических колебаний высокой частоты, получаемых от ультразвуковых генераторов.

4. Электрокинетические установки, принцип действия которых основан на преобразовании энергии электрического поля в энергию движущихся частиц. К ним относят установки электронно-ионной технологии - электрофильтры, установки по разделению сыпучих материалов и эмульсий, очистке сточных вод, электроокраске.

Приведенное разделение в большой степени условное, поскольку многие технологические процессы могут обеспечиваться (или сопровождаться) несколькими способами преобразования энергии, расширяя возможности электротехнологических процессов.

1 Причины тепловыделения в электроустановках

Понятие «электротермия» объединяет большой класс технологических процессов в различных отраслях промышленности, основой которых служит нагрев материалов и изделий с помощью электрической энергии. Применение электрической энергии для нагрева имеет ряд преимуществ: существенное снижение загрязнения окружающей среды; получение строго заданных значений температур, в том числе и превосходящих уровни, достигаемые при сжигании любых видов топлива; создание сосредоточенных интенсивных тепловых потоков; достижение заданных полей температур в нагреваемом пространстве; строгий контроль и точное регулирование длительности выделения энергии; гибкость управления потоками энергии; возможность нагрева материалов и изделий в газовых средах любого химического состава и в вакууме; выделение тепловой энергии непосредственно в нагреваемом веществе.

Применение электронагрева вместо пламенного в некоторых технологический процессах позволяет получить большую экономию топлива и сократить обслуживающий персонал.

В электротермии можно выделить следующие способы преобразования электрической энергии в тепловую.

Нагрев сопротивлением происходит за счет выделения теплоты в проводящем материале при протекании по нему электрического тока. Этот вид нагрева основан на законе Джоуля - Ленца и применяется в установках прямого и косвенного действия.

В установках прямого действия теплота выделяется непосредственно в нагреваемом изделии, включаемом в цепь. В установках косвенного действия тепловая энергия выделяется в специальных нагревательных элементах и затем по законам теплопередачи поступает в нагреваемый объект. В обоих случаях нагреваемые объекты могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Индукционный нагрев, основанный на преобразовании энергии электромагнитного поля в тепловую по средством наведения в нагреваемом теле вихревых токов и тепловыделения в нем по закону Джоуля - Ленца. Нагрев может осуществляться прямым или косвенным методом.

Диэлектрический нагрев помещенных в высокочастотное электрическое поле непроводящих материалов и полупроводников, происходящий за счет сквозных токов проводимости и смещения при поляризации.

Дуговой нагрев, при котором материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена с дугой и электродами.

Электронно- и ионно-лучевой нагрев, в результате которого тепловая энергия выделяется при столкновении быстродвижущихся электронов или ионов, ускоренных электрическим полем, с поверхностью нагреваемого тела.

Плазменный нагрев, основанный на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле. Полученная таким образом низкотемпературная плазма используется для нагрева различных сред.

Лазерный нагрев, происходящий за счет нагрева поверхности объектов при поглощении ими высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах - оптических квантовых генераторах.

Основные параметры электротермических установок (мощность, КПД, удельный расход электроэнергии) определяют в результате расчета теплоты, требуемой для технологического процесса, а также расчета процессов теплообмена между источником теплоты и окружающей средой. Теплообмен определяется законами теплопередачи. Процесс теплообмена является сложным, поэтому в инженерных расчетах его подразделяют на более простые составляющие - теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность - это передача теплоты внутри твердого тела или неподвижной жидкости (газа) от областей с более высокой температурой к областям с более низкой температурой.

Конвекция - теплопередача в жидкостях и газах, при которой перемещаются отдельные частицы и отдельные элементы объема вещества, переносящие присущий им запас тепловой энергии. Перенос теплоты вместе с переносом массы вещества называют конвективным теплообменом.

Излучение - передача теплоты в невидимой и видимой частях спектра. При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн.

2. Расчет теплового состояния выпрямительной установки

Встроенный вентилятор, укрепленный на валу электрической машины, должен создавать напор, достаточный для того, чтобы обеспечить необходимый расход охлаждающей среды в каналах вентиляционной системы машины. Вентиляторы проектируются с учетом особенностей конструктивного исполнения конкретного типа машины.

Ниже приводится упрощенный метод поверочного расчета встроенного вентилятора, основанный на данных серийных машин общего назначения. В таких машинах используют преимущественно центробежные вентиляторы с радиальными лопатками, рабочее колесо которых изменяет осевое направление потока на радиальное.

Внешний диаметр вентиляторного колеса выбирают в соответствии с типом вентиляционной системы и конструкции машины. При аксиальной вентиляции внешний диаметр рабочего колеса D2 выбирают максимально возможным.

По выбранному внешнему диаметру вентилятора определяют окружную скорость, м/с:

v2 = ( рD2 n)/60.

Максимальное значение КПД вентилятора приблизительно соответствует режиму, когда номинальное давление вентилятора Нном = 0,75Н0, где Н0 - давление, развиваемое вентилятором в режиме холостого хода, т.е. при закрытых отверстиях по внешнему диаметру, когда расход воздуха равен нулю. Номинальное значение расхода приблизительно равно:

Vном ? Vmax /2,

где Vmax - расход вентилятора, м/с, работающего в режиме короткого замыкания (по аналогии с электрической цепью), т.е. открытом пространстве.

Из условия максимального КПД принимается

Vmax = 2 Vном.

Сечение на выходной кромке вентилятора, м,

S = ,

где 0,42 - номинальный КПД радиального вентилятора.

Ширина колеса вентилятора

b = S2 / (0,92 рD2)

где 0,92 - коэффициент, учитывающий наличие вентиляционных лопаток на поверхности вентиляционной решетки (поверхности S2).

Внутренний диаметр колеса D1 определяют условия, что вентилятор работает при максимальном значении КПД, т.е. при V = 0,5 Vmax и Н = 0,75Н0. Используя уравнения статистического давления, развиваемого вентилятором, Па, найдем давление, развиваемое вентилятором при холостом ходе:

H0 = з с(v- v),

где за=0,6 для радиальных лопаток;

Зная расход воздуха V, сопротивление вентиляционной системы Z и определив окружную скорость на внутренней кромке вентилятора:

v = ,

Найдем внутренний диаметр колеса вентилятора, м:

D1 = 60

Во встроенных вентиляторах отношение D1/D2 лежит в пределах 1,2…1,5.

Число лопаток вентилятора принимают:

= (6…10)

Для уменьшения вентиляционного шума рекомендуется выбирать число лопаток вентилятора таким, чтобы оно равнялось нечетному числу. При вытяжной вентиляции могут быть рекомендованы числа в зависимости от диаметра вентилятора при: D2 = 200 мм Nл = 13, при D2 = 250 мм Nл = 17, при D2 = 300 мм Nл = 23, при D2 = 350 мм Nл = 29.

Для вентиляторов асинхронных двигателей серии 4А рекомендуется выбирать число лопаток согласно таблице.

Высота оси вращения, мм	Число лопаток при
	2р = 2	2р = 4, 6, 8
50…63	4	4
71…100	10	10
112…132	5	8
160…250		9
280…355	6

Число лопаток вентиляторов машин постоянного тока выбирают ориентировочно:

Nл = D2/20.

Значение Nл округляют до ближайшего простого числа.

После расчета вентилятора необходимо уточнить результаты вентиляционного расчета.

Для определения действительного расхода воздуха V в и давления Нв строят совмещенные характеристики вентилятора и вентиляционного тракта машины. Характеристика вентилятора может быть выражена с достаточной точностью уравнением

Н = Н0 [1 - (VB / Vmax)]

Характеристика вентиляционного тракта Н = ZV.

Мощность, потребляемая вентилятором, Вт,

PB ?(НномVном)/ зэ?

где - энергетический КПД вентилятора, который может быть принят равным примерно

зэ ? 0,19sinр().

Вентиляционный расчет электрической машины при курсовом проектировании проводится по упрощенной методике.

3. Перспективные способы охлаждения полупроводниковых преобразовательных приборов

Согласно ГОСТ 20459-87 обозначения способов охлаждения электрических машин, принятые в технической документации всех видов, состоит из латинских букв IC - первых букв английских слов International Cooling и следующих за ними буквы, характеризующей вид хладагента (А - воздух, Н - водород, N азот, C - диоксид углерода, Fr - фреон, W - вода, U - масло, Kr - керосин) и двух цифр: первая условно обозначает устройство цепи для циркуляции хладагента, вторая - способ перемещения хладагента. Условное обозначение устройства цепи циркуляции содержит 10 цифр (от 0 до 9) : 0 - свободная циркуляция наружного воздуха; 1 - 3 - охлаждение при помощи проводящей (1), отводящей (2) или обеих труб (3); 4 - охлаждение наружной поверхности с использованием окружающей среды; 5,6 - охлаждение окружающей средой при помощи встроенного (5) или пристроенного (6) теплообменника; 7,8 - охлаждение при помощи встроенного (7) или пристроенного (8) охладителя; 9 - охлаждение при помощи охладителя, установленного отдельно от машины. Способы перемещения хладагента обозначаются второй цифрой: 0 - свободная конвекция; 1 - самовентиляция; 2 и 3 - перемещение хладагента встроенным и пристроенным устройством, установленным непосредственно на валу машины (3) или связанным с валом через зубчатую или ременную передачу (2); 5 и 6 - то же, при независимом устройстве; 7- перемещение хладагента осуществляется отдельным устройством.

Если в машинах применяют двухконтурные системы охлаждения, то способы охлаждения обозначают, начиная с цепи более низкой температуры. Например, закрытая машина с водородным охлаждением и встроенным водяным охладителем, циркуляция воды в охладителе которой осуществляется отдельным и независимым от охлаждаемой машины насосом или водопроводной сети, имеет обозначение IC37H71. Закрытая машина, которая имеет обмотку статора с непосредственным водяным охлаждением и обмотку ротора, охлаждаемую водородом, и циркуляция воды в обмотке статора которой осуществляется отдельным насосом, обозначается так: ICW87 - обмотка статора, Н71 - обмотка ротора.

Самой простой схемой охлаждения, которая применяется преимущественно в машинах мощностью до 1 кВт, является схема с естественной вентиляцией без применения особых средств для повышения интенсивности охлаждения.

Большинство электрических машин общего назначения, за исключением турбо- и гидрогенераторов, а также синхронных компенсаторов охлаждаются воздухом и имеют принудительную схему вентиляции. В случае принудительной вентиляции цепь охлаждения машины может быть:

разомкнутой - воздух поступает из окружающей среды, проходит каналы тракта охлаждения машины и выбрасывается снова в окружающую среду;

замкнутой - поток охлаждающего воздуха не связан с окружающей средой, а циркулирует по замкнутому контуру, включающему в себя и внутренний объем закрытой машины. При замкнутой вентиляции охлаждающий воздух отдает свою теплоту либо воде в специальном газоохладителе, либо корпусу машины через его внутреннюю поверхность, как это осуществляется, например, в асинхронных двигателях закрытого исполнения, обдуваемых наружным вентилятором.

В зависимости от направления движения воздуха (газа) внутри машины различают аксиальную, аксиально-радиальную и радиальную схемы вентиляции.

Если электрическая машина имеет схему вентиляции, то напор в вентиляционной системе создается вентилятором, установленным на валу машины. Эта схема вентиляции подразделяется на два класса: нагревательную и вытяжную. При нагревательной схеме вентиляции охлажденный газ под воздействием избыточного давления, создаваемого нагревателем, поступает в вентиляционные каналы активной зоны машины. При вытяжной вентиляции газ охлаждающий поступает в вентиляционные каналы машины под действием разряжения, создаваемого вентилятором.

Вытяжная вентиляция обладает тем преимуществом, что газ поступает в машину без предварительного его подогрева вентилятором, что несколько снижает превышение температуры обмоток.

В практике электромашиностроения применяют как нагревательные, так и вытяжные схемы вентиляции, которые по числу струй бывают одноструйными и многоструйными. При многоструйной схеме вентиляции каналы каждой струи имеют независимые выходы подогретого воздуха в сборную зону перед нагревателем.

Схему принудительной вентиляции с помощью независимого вентилятора применяют в машинах с широким диапазоном регулирования частоты вращения, когда система самовентиляции при малых частотах вращения ротора не является эффективной. По этой схеме выполняют отдельные модификации асинхронных двигателей серии 4А и машин постоянного тока Сирии 2П.

По способу отвода тепла от тепловыделяющих элементов электрических машин различают схемы косвенного и непосредственного охлаждения: в первом случае отвод тепла осуществляется с открытых поверхностей активных частей машины, во втором хладагент по специальным каналам проводится к проводникам обмоток машины, отбирая тепло непосредственно от обмоток.

Все электрические машины общего назначения выполняются по системе косвенного воздушного охлаждения.

Особенности конструктивного исполнения отдельных типов машин с косвенным воздушным охлаждением определили и их схему вентиляции: крупные машины постоянного тока и синхронные двигатели выполняются преимущественно с радиальной схемой вентиляции. Асинхронные машины большой мощности имеют радиальную, аксиальную и аксиально-радиальную схемы.

С ростом единичной мощности электрических машин возрастают удельные потери в объеме машины, поэтому воздушные системы охлаждения становятся неэффективными и для охлаждения турбо- и гидрогенераторов и синхронных компенсаторов применяют схемы косвенного охлаждения водородом совместно со схемами непосредственного жидкостного охлаждения. В качестве хладагента в этих случаях используют воду, которая обеспечивает самую высокую по сравнению с другими жидкостями эффективность охлаждения. Схема непосредственного водяного охлаждения обмоток статора и ротора находят применение в конструкциях мощных турбо- и гидрогенераторов.

Система непосредственного водяного охлаждения обычно сочетается с системой косвенного газового охлаждения активных частей машины.

4. Тепловыделение в электрических проводниках

Электрический ток - это направленное движение положительных или отрицательных электрических зарядов под действием электрического поля. Он может обеспечиваться движением только электронов, как это имеет место в вакууме при эмиссии электронов накаленным катодом, металлах и материалах, проявляющих свойство сверхпроводимости. Вещества, обладающие электронной проводимостью, называют проводниками первого рода. Проводящие среды, в которых прохождение тока обеспечивается движением частиц вещества - ионов, называют проводниками второго рода. К ним относятся электролиты - растворы и расплавы. Плазма имеет смешанную проводимость.

В соответствии с электронной теорией у металлов, которые являются кристаллическими веществами, ядра атомов находятся в узлах кристаллических решеток, а пространство между ними заполнено электронами.

Согласно электронной теории в идеальной кристаллической решетке не происходит ни рассеяния, ни отражения, ни торможения движущихся электронов, т.е. нет никаких препятствий прохождению электрического тока и электропроводность металлов должна быть бесконечно большой. В действительности этого не происходит. Электропроводность металлов является конечной величиной и зависит от многих факторов, в частности от наличия дефектов в его структуре. Дефектами структуры могут быть геометрические искажения решетки, а также всевозможные примеси.

С увеличением температуры металла его атомы в узлах кристаллических решеток колеблются с большими и большими амплитудами. Это увеличивает вероятность столкновения с ними свободных электронов. Соответственно с повышением температуры увеличивается и сопротивление прохождению электрического тока.

Проводники второго рода - электролиты-растворы или расплавы кислот солей, щелочей, оксидов и плазма - имеют два вида электропроводности - электронную и ионную. При постоянном токе у растворов и расплавов наблюдается преимущественно ионная проводимость в соответствии с законом Фарадея. Доля электронного тока в этом случае невелика. При переменном токе появляется существенная доля электронного тока, увеличивающаяся с повышением частоты тока. Процессы переноса вещества в этом случае явно не проявляются, так как наступающая в новом периоде полярность электродов аннулирует действие предыдущей.

В плазме наблюдается оба вида проводимости, причем доля электронного и ионного токов зависит от давления, температуры и состава плазмы.

В нагревательных процессах используется оба вида проводников, причем тепловая эффективность их прямо пропорциональна электронной составляющей протекающего тока.

5. Тепловое действие электромагнитного поля

Индукционный нагрев проводящих тел - проводников первого и второго рода - основан на поглощении ими электромагнитной энергии, возникновении наведенных вихревых токов, нагревающих тело по закону Джоуля-Ленца. Переменное магнитное поле создается индуктором, который по отношению к нагреваемому телу является первичной обмоткой трансформатора. Нагреваемое тело выполняет роль вторичной обмотки трансформатора, содержащей короткозамкнутый виток.

Переменный магнитный поток Ф создаваемый первичной обмоткой - индуктором, пропорционален его МДС и обратно пропорционален сопротивлению магнитной цепи. Возникающая в нагреваемом теле ЭДС

Е = 4,44Фwf10^-8

при известном значении сопротивления нагреваемого тела обеспечивает возникновение в нем вихревого тока I и выделение соответствующей мощности

P = I²r = E²r/z².

Таким образом, индукционный нагрев является прямым нагревом сопротивлением, а включение нагреваемого тела в цепь тока производится за счет магнитной связи. Индукционный нагрев обладает достоинствами прямого нагрева сопротивлением - высокая скорость нагрева, пропорциональна вводимой мощности, неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева, расплава, испарения материалов т получения плазмы.

Режим выделения мощности при индукционном нагреве обладает большим быстродействием и легко поддается автоматизации по требованию технологических процессов, проходящих в открытой атмосфере, в защитных газах и вакууме.

Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов. Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела. Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит кроме других факторов от частоты тока индуктора. Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении. Как и нагрев сопротивлением, индукционный нагрев обеспечивает высокую производительность и хорошие санитарно-гигиенические условия труда, хотя для его осуществления требуется более сложные источники питания и повышенный удельный расход электроэнергии на технологические операции.

Принципиальная схема индукционного нагрева включает в себя индуктор, зазор и нагреваемое тело. Эти элементы определяют эффективность преобразования электрической энергии, получаемой от источника питания в тепловую. Индуктор создает переменный во времени магнитный поток, т.е. электромагнитную волну, падающую на нагреваемое тело. Сам индуктор, находящийся в созданном им электромагнитном поле, тоже поглощает энергию, которая выделяется в нем в виде потерь.

Формы индукторов весьма разнообразны - цилиндрическая, плоская, фасонная. Как правило, индукторы изготовляют из меди - немагнитного металла и охлаждаются водой. В большинстве случаев индукторы имеют много витков и изоляции между витками. При выполнении нагревательных операций индуктор может находиться снаружи нагреваемого тела либо внутри его. В последнем случае внутри индуктора помещают сердечник из листовой трансформаторной стали. Наиболее распространенным является внешнее расположение индуктора на цилиндрическом нагреваемом теле. При прохождении по индуктору переменного тока в соответствии с теорией, напряженность магнитного поля в полости одинакова во всех его точках. Мощность в полости индуктора чисто реактивная и идет на создание переменного магнитного поля.

Регулирование мощности при индукционном нагреве может осуществляться за счет изменения числа витков индуктора тока намагничивания и его частоты. При прочих равных условиях выделяющаяся мощность больше для тел, имеющих высокие удельное сопротивление и магнитную проницаемость. При нагреве до высоких температур, когда заметным становится изменение удельного сопротивления, необходимо регулирование напряженности магнитного поля или частоты.

Электрический КПД системы индуктор - металлический цилиндр определяется из соотношения полезной активной мощности, выделяющейся в металле, и активных потерь в индукторе.

Максимальное значение КПД составляет 0,7-0,881. Для получения высоких КПД частота при уменьшении диаметра цилиндра должна повышаться до некоторого предела, после которого КПД остается неизменным.

Потери энергии в зазоре снижают КПД системы приблизительно на 10%. Индукционный нагрев сплошных металлических цилиндров из хорошо проводящих материалов меди или алюминия неэкономичен.

Магнитное поле, выходя из индуктора, встречает поверхность нагреваемого тела, в которой сразу начинается выделение тепловой энергии. По мере продвижения в глубину тела в механизм проведения тока включаются более глубокие слои, а ток проводимости в это же время создает встречное магнитное поле, препятствующее продвижению внешнего поля. Поэтому индукционный нагрев по своей природе является поверхностным и поток энергии на глубине меньше потока на поверхности. Глубина нагрева тела увеличивается с ростом тока.

Наличие в системе индуктор - нагреваемое тело двух потоков магнитной энергии - прямого и встречного, вызванного наведенными токами, приводит к возникновению механической силы, действующей на каждый элемент нагреваемого тела, называемой электродинамической силой.

В индукционных нагревательных установках имеют место: поверхностный эффект - вытеснение тока к поверхности проводника при увеличении частоты изменения тока; эффект близости - повышение плотности тока на внутренних сторонах двух проводников; катушечный эффект - повышение плотности тока на внутренней стороне кольцевого проводника с током.

Индуктор с точки зрения электротехники представляет собой в большинстве случаев соленоид, имеющий один или несколько добавочных отводов от внутренних витков. Витковое напряжение изменяется в широких пределах от 20-175 В до 400-600 и даже 1000 В. Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч ампер при средней плотности тока порядка 20 А/мм². Потери энергии в индукторах могут достигать 20-30% полезной мощности установки. В силу того что индуктор находится под напряжением и охлаждается хладоагентом, а изделие нагревается до высокой температуре, между индуктором и изделием создается зазор, влияние которого на энергетические характеристики установок мы рассмотрели ранее. В этом зазоре помещается электрическая и огнеупорная изоляция, толщина которой зависит от свойств применяемых материалов. Нагреваемое тело может быть в твердом, жидком и плазменном состояниях. В силу этого индукционный способ нагрева применяется при следующих технологических процессах: плавка металлов и неметаллов; поверхностная закалка; нагрев заготовок под пластическую деформацию или термохимическую обработку; сварка и пайка; зонная очистка металлов и полупроводников, плавка во взвешенном состоянии; получение монокристаллов из тугоплавких оксидов; получение плазмы.

6. Тепловые процессы при электродуговом контакте

В ряде электротермических процессов, идущих с поглощением большого количества тепловой энергии, применяется электродуговой разряд, или электрическая дуга, которая позволяет нагреть различные среды до высоких температур, не достижимых при сжигании топлива. Такие возможности электрической дуги пробудили значительный интерес к изучению ее физических свойств и энергетических возможностей.

Термины «разряд», «дуговой разряд» возникли как описание явления потери «заряда» батареей гальванических элементов или конденсаторов через газы и вакуум.

Электрическая дуга является одним из явлений, возникающих при прохождении электрического тока через газ, пары или вакуум.

По внешнему признаку и особенностям электрические разряды в газах очень разнообразны. В общем случае их подразделяют на самостоятельные и несамостоятельные.

В самостоятельных разрядах заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет энергии источника тока. Для поддержания несамостоятельного разряда необходимо воздействие внешних факторов, обеспечивающих ионизацию газов. Дуговой разряд или электрическая дуга характеризуются высокой плотностью тока в канале разряда (порядка 10² - 10⁶ А/см² ), низким катодным падением потенциала (менее 20 В), высокой температурой газовой среды в межэлектродном пространстве, достигающей в зависимости от условий существования дуги значений порядка (3 ч 5) 10³ К и выше.

Чтобы обеспечить прохождение тока по цепи, в которую включена электрическая дуга, электрон должен покинуть электрод - катод, для чего ему необходимо преодолеть силы притяжения к атому, а затем войти в анод.

Чтобы электрон вышел из катода, ему необходимо преодолеть силу статического взаимодействия с электронной оболочкой атома и потенциальный барьер электрода, т.е. совершить работу выхода. Для различных веществ она не одинакова. Так, для магния работа выхода составляет 1,0 эВ; алюминия - 2,8; ниобия - 4,0; вольфрама - 4,5; железа - 4,77 эВ и т.д.

Чтобы вывести электрон из металла, необходимо повысить его энергию. Это может быть достигнуто следующими способами: наложением мощного электрического поля (автоэлектронная эмиссия); повышением температуры электрода (термоэлектронная эмиссия).

Разогрев электродов в самостоятельном разряде осуществляется за счет бомбардирования поверхности электрода ионами.

С увеличением температуры ток эмиссии быстро возрастает. Так, для вольфрамового катода в вакууме плотность тока термоэлектронной эмиссии при 1500 К составляет менее 10^-7 А/см², а при 3500 К она возрастает более чем на девять порядков до ~ 220 А/см².

На холодных электродах при напряженности электрического поля у электродов 10⁶ - 10⁷ В/см возникает автоэлектронная эмиссия (вырывание электронов электрическим полем).

Контакт электрической дуги с электродами происходит в электродных пятнах (катодном и анодном), которые различаются проходящими в них явлениями и элементарными процессами.

Из прикатодных участков плазмы ионы движутся к катоду и разогревают его за счет передачи ему энергии нейтрализации и собственной кинетической энергии. Таким образом, у поверхности катода образуется положительный электрический заряд, а у поверхности анода - отрицательный. При прохождении заряженных частиц - электронов и ионов - через эти пространственные заряды образуются анодное и катодное падения потенциалов.

Энергию, поступающую в электрод, можно представить состоящей из компонентов:

1) внутреннего источника (I²R - джоулева теплота, выделяющаяся на границе электрода с плазмой);

2) внешнего источника, связанного с приходом электрических зарядов на электрод. Энергия внешнего источника теплоты обусловлена мощностью, выделяющейся в приэлектродных областях;

3) излучения плазмы дуги;

4) конвективного нагрева окружающим газом. Выделение теплоты за счет конвективного теплопереноса наблюдается в том случае, когда высокотемпературный газ обтекает электрод;

5) теплоты от экзотермических реакций материала электродов с окружающими газами. Теплота, обусловленная прохождением на электродах экзотермических реакций, зависит от химической активности системы плазма - материал электрода.

Пути отвода энергии.

1. За счет теплопроводности в тело электрода.

2. В результате уноса теплоты при испарении и разбрызгивании электрода.

3. В результате уноса энергии электронами, которые эмиттируют разогретые поверхности электродов. Вышедшие из электрода частицы обладают определенной энергией, которую они уносят с собой.

4. За счет отвода теплоты от электродов излучением вследствие того, что электродные пятна имеют высокую температуру.

Заключение

Совершенствование электротехнологии повлекло за собой создание материалов, обладающих новыми свойствами: более высокими прочностью, термостойкостью, устойчивостью к агрессивному действию химических реакций, и имеющих высокие электроизоляционные свойства и низкую теплопроводность. Были получены высококачественные проводниковые и полупроводниковые материалы и изделия из не использовавшегося ранее сырья или отходов производств, работающих по старой технологии. Современные успехи большинства отраслей промышленности и науки достигнуты благодаря применению электротехнологических процессов.

Библиографический список

1. Мамошин, Р.Р. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / Р.Р. Мамошин, А.Н. Зимакова. М.: Транспорт, 1980. 296 с.

2. Копылов, И.П. Электрические машины / И.П. Копылов. М.: Логос, 2000. 607 с.

3. Миронов, Электрооборудование и электроснабжение в электротермических, плазменных, электролучевых установках /

Размещено на Allbest.ru

...