Нагревательные элементы и их устройство

Размещено на http://www.allbest.ru/

Билет 1

1. Электролиз водных растворов

В растворах электролитов помимо ионов, образуемых электролитами, имеются ионы, образующиеся в результате диссоциации воды:

H2O H+ OH-

которые могут принимать участие в электролизе.

Для выбора наиболее вероятного процесса на аноде и катоде при электролизе растворов солей с нерасходуемым электродом (материал электрода не участвует в электрохимической реакции) используют следующие правила:

1. На аноде могут образовываться следующие продукты:

а) при электролизе растворов, содержащих в своем составе анионы F-, SO42-, NO3-, PO43-, а также растворов щелочей выделяется кислород:

(+) 2H2O - 4e > O2^ + 4H+.

б) при окислении анионов Cl-, Br-, I- выделяется соответственно хлор, бром, иод, например,

(+) 2Cl- - 2e > Cl2

в) при окислении анионов органических кислот происходит процесс:

2R-COO- > R-R + 2CO2^.

2. На катоде могут протекать следующие реакции восстановления:

а) при электролизе растворов солей, содержащих ионы, расположенные в ряду напряжений после водорода, происходит выделение металлов на катоде:

(-) Cu2+ + 2e > Cu.

б) при электролизе растворов солей, содержащих катионы, расположенные между алюминием и водородом, на катоде могут протекать конкурирующие процессы как восстановления катионов, так и выделения водорода:

(-) Zn2+ + 2e > Zn;

(-) 2H2O + 2e > H2^ + 2OH-.

2. Нагревательные элементы и их устройство

Электрические нагревательные элементы применяются в бытовой и промышленной технике. Применение различных нагревателей известно всем. Это электрические плиты, жарочные шкафы и духовки, электрокофеварки, электрические чайники и отопительные приборы всевозможных конструкций.

Электрические водонагреватели, чаще именуемые бойлерами, тоже содержат нагревательные элементы. Основой многих нагревательных элементов служит проволока с высоким электрическим сопротивлением. И чаще всего эта проволока изготовлена из нихрома.

Открытая нихромовая спираль.

Самым старым нагревательным элементом является, пожалуй, обычная нихромовая спираль. Когда-то давно, в ходу были самодельные электрические плитки, кипятильники для воды и обогреватели типа «козёл». Имея под рукой нихромовый провод, которым можно было «разжиться» на производстве, изготовить спираль требуемой мощности не представляло никаких проблем.

Конец провода нужной длины вставляется в пропил воротка, сам провод пропускается между двумя деревянными брусками. Тиски нужно зажать так, чтобы вся конструкция держалась, как показано на рисунке. Усилие зажима должно быть таким, чтобы провод проходил сквозь бруски с некоторым усилием. Если усилие зажима будет велико, то провод попросту оборвется.

Рисунок Навивка нихромовой спирали

Вращением воротка проволока протаскивается сквозь деревянные бруски, и аккуратно, виток к витку, укладывается на металлический стержень. В арсенале электриков был целый набор воротков различного диаметра от 1,5 до 10 мм, что позволяло навивать спирали на все случаи жизни.

Известно было, какого диаметра провод и какая длина требуется для намотки спирали нужной мощности. Эти магические числа до сих пор можно найти в сети интернет. На рисунке 2 показана таблица, где приведены данные о спиралях различной мощности при напряжении питания 220В.

сварочный трансформатор ультразвук электролиз



3. Дуговые рудотермические печи

Рудовосстановительные и рудоплавильные печи, охватываемые более общим и распространенным термином «руднотермические печи» являются наиболее широким и сложным классом печей, различающихся по назначению, особенностям технологического процесса и конструктивного исполнения, виду источника питания и т.д.

Такая дуговая печь служит основным элементом технологической цепочки, включая в себя оборудование:

- для приемки сырья, его подготовки к плавке, транспортировки к дуговой печи и загрузке в нее;

- для изготовления самоспекающихся электродов или хранения готовых графитированных или угольных электродов;

- для удаления и приемки из печи продуктов плавки (сплавов, шлаков и газов) и их последующей переработки.

Кроме того, к этой цепи относятся:

- источник электропитания с необходимыми устройствами;

- системы подготовки воды для охлаждения элементов и узлов дуговых печей;

- системы подачи сжатого воздуха;

- насосная или насосно-аккумуляторная станция для питания гидроприводов;

- система автоматического регулирования вводимой электрической мощности;

- система контрольно-измерительных приборов (КИП).

Руднотермические дуговые печи применяются в черной и цветной металлургии (для выплавки ферросплавов, чугуна, медных и никелевых штейнов, получения плавленых огнеупоров, синтетических шлаков), в химической (получение фосфора, карбида кальция и т.д.) и других отраслях промышленности.

Руднотермическая дуговая печь также эффективна при получении базальтового волокна (минеральной ваты), что связано с высоким уровнем интенсификации процессов плавления, гибкостью управления технологическим процессом, доведением модуля кислотности расплава до 2, а также возможностью полной автоматизации процесса.



Билет 2

1. Электрические печи сопротивления

Печь сопротивления представляет собой футерованную камеру. Тепло выделяется в нагревателе, после чего отдается нагреваемому изделию.

Электрические печи сопротивления по способу превращения электрической энергии в тепловую разделяются на печи косвенного действия и установки прямого нагрева.

Классификация печей нагрева сопротивлением по технологическому назначению

По технологическому назначению печи сопротивления косвенного нагрева можно разделить на три группы:

1) термические печи для различных видов термической и термохимической обработки черных и цветных металлов, стекла, керамики, металлокерамики, пластмасс и других материалов;

2) плавильные печи для плавки легкоплавких цветных металлов и химически активных тугоплавких металлов и сплавов;

3) сушильные печи для сушки лакокрасочных покрытий, литейных форм, обмазок сварочных электродов, металлокерамических изделий, эмалей и т. п.

Классификация электрических печей нагрева сопротивления по характеру работы

Электрические печи сопротивления обычно используют для термической обработки изделий, которые должны изменять свою температуру в соответствие с заданным режимом обработки. По первому способу изделие помещается в камеру печи и изменяют температуру внутри камеры в соответствии с графиком обработки, потом изделие выпускают, загружают новое, цикл повторяется. Такой способ принят в печах периодического действия (садочные печи). Есть два вида садочных печей - камерные и шахтные.

Для печи периодического действия (садочной) характерно неизменное положение нагреваемого тела (садки) в течение всего времени пребывания в печи. Цикл работы печи включает загрузку, тепловую обработку по заданному режиму и выгрузку. Печь может работать круглосуточно (тогда циклы непрерывно следуют друг за другом) или с перерывами - в одну или две смены.

По второму способу камерные печи сопротивления создают несколько температурных зон в соответствии с требуемым графиком обработки изделия. Обрабатываемое изделие перемещается с заданной скоростью от загрузочного окна к разгрузочному. При такой организации процесса возможно движение изделий непрерывным потоком. Это печи непрерывного действия (методические).

Эти печи используют в условиях серийного производства, автоматизация технологического процесса предполагает обеспечение:

1. Автоматического перемещения изделия с заданной скоростью внутри печи.

2. Автоматическую подачу необработанных изделий и уборки обработанных.

3. Автоматическая стабилизация t° в температурных зонах печи.

Печи непрерывного действия особенно удобны для работы в поточных технологических линиях с металлообрабатывающими станками и другими агрегатами и устройствами.

Классификация электрических печей нагрева сопротивлением по температурному режиму

Печи сопротивления косвенного нагрева разделяются по температурному режиму на низко-, средне- и высокотемпературные.

У первых верхняя температурная граница лежит в пределах 600-650°С и процессы теплообмена идут с значительной или даже преобладающей ролью конвекции. Низкотемпературные печи часто называют конвекционными печами.

В средне- и высокотемпературных печах теплообмен внутри печи осуществляется в основном излучением, а доля конвективного теплообмена незначительна. Печи с преобладающим лучистым теплообменом иногда называют радиационными.

Среднетемпературные печи имеют верхнюю температурную границу 1200-1250 °С, определяемую возможностью применения для нагревательных элементов специальных сплавов сопротивления. Технологические применения этих печей весьма обширны: процессы закалки, нормализации, отжига, термохимическая обработка черных металлов, нагрев под обработку давлением черных и цветных металлов и т. п.

Названные группы печей отличаются как конструктивно, так и механизмом передачи тепла от нагревателя к изделию. Таким образом, в низкотемпературных печах основным механизмом передачи тепла является конвекция, т.е. в таких печах тепло передается потоком циркулирующего воздуха. Для интенсификации процесса теплопередачи низкотемпературные печи обычно снабжают вентилятором и нагреватель иногда размещается в отдельной камере. Эта камера связана с основной камерой каналами для циркуляции воздуха. В средне и высоко температурных печах основное тепло от нагревателя к изделию передается излучением. Т.о., в данных печах установка вентилятора не нужна, но необходимо наличие оптической связи между нагревателем и изделием, т.е. они должны быть размещены в общей камере.

Другие конструктивные отличия связаны с устройством футеровки и материалом нагревательных элементов. В низкотемпературных печах футеровка содержит только теплоизоляционный слой, а жесткость футеровки обеспечивается двумя связанными между собой внешними и внутренними каркасами.

В среднетемпературных печах в футеровке появляется огнеупорный слой, выполненный их легковеса. Этот слой имеет механическую связь с внешним каркасом печи, в связи с чем надобность во внутреннем каркасе отпадает.

В высокотемпературных печах огнеупорный слой выполнен из шамота. Между огнеупорным слоем и слоем теплоизоляции вводится дополнительный слой легковеса для снижения температуры теплоизоляции до допустимой.

В низко и средне температурных печах используются металлические нагреватели их фехраля и константана при t° до 800 °С и нихрома до 100 °С.

В высокотемпературных печах обычно используют неметаллические нагреватели (карборундовые, графитовые, угольные). Такие нагреватели могут значительно изменять свое сопротивление при нагреве и в процессе эксплуатации. Кроме того, для надежной работы такие нагреватели должны разогреваться постепенно при малой мощности (иначе они растрескаются).

Учет этих специфических особенностей приводит к необходимости применять в высокотемпературных печах те или иные средства регулирования подводимого напряжения (автотрансформатор, регулируемый трансформатор).

Для многих технологических процессов требуются вакуум или инертные газы в рабочем пространстве печи, поэтому в ряде случаев печи сопротивления выполняют вакуумными, газонаполненными или вакуумно-компрессионными.

Типы и конструкции печей сопротивления косвенного нагрева.

Электрические печи сопротивления периодического действия

Электропечи сопротивления периодического действия разнообразны по конструкции, их применяют в индивидуальном или мелкосерийном производстве. Из них наиболее широко распространены колпаковые, элеваторные, камерные и шахтные печи.

Колпаковая печь - печь периодического действия с открытым снизу подъемным нагревательным колпаком и неподвижным стендом. Нагреваемые детали (садка) 5 с помощью подъемно-транспортных устройств помещаются на стенд 1. Поверх них сначала устанавливается жаропрочный колпак - муфель 3, а затем основной колпак 2 камеры печи, выполненной из металлического каркаса с огнеупорной футеровкой. Нагревательные элементы 4 расположены по боковым стенкам колпака и в кладке стенда. Питание нагревательных элементов осуществляется с помощью гибких кабелей и штепсельных разъемов.

Рисунок Печи сопротивления периодического действия: а - колпаковая; б - элеваторная; в - камерная; г - шахтная; 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

По окончании нагрева электропитание колпака отключается и он переносится на соседний стенд, где уже установлена очередная загрузка для нагрева. Остывание садки происходит на стенде под жароупорным муфелем, что обеспечивает необходимую скорость остывания.

В колпаковых печах при каждом цикле теряется лишь теплота, запасенная в муфеле и кладке стенда, что составляет 10-15 % от теплоты, запасенной в кладке колпака.

Мощность колпаковых печей достигает нескольких сотен киловатт. Благодаря тому что колпак и муфель могут быть герметизированы, нагрев и остывание садки можно проводить в защитной атмосфере.

Элеваторная электропечь - печь периодического действия с открытой снизу неподвижной камерой нагрева 2 и с опускающимся подом 6. Она 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 электромеханическим подъемником, который установлен под камерой нагрева. Нагреваемые изделия - садку 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 снимается.

В низкотемпературных печах нагреватели 4 расположены на стенках. В высокотемпературных печах нагреватели расположены на стенках и в поду.

Элеваторные печи служат для отжига, эмалирования, цементации, обжига керамических изделий, спекания и металлизации деталей.

Печи комплектуются многоступенчатыми трансформаторами.

Камерная электропечь - печь периодического действия с камерой нагрева, загрузка и разгрузка садки которой производятся в горизонтальном направлении. Камерная печь состоит из прямоугольной камеры 2 с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекрытой сводом 8 и помещенной в металлический кожух. Печь загружается и выгружается через закрываемое дверцей отверстие в передней части.

В поду камерной печи обычно имеется жароупорная плита, на которой расположены нагреватели 4. В печах до 1000 К теплообмен обеспечивается за счет излучения или вынужденной конвекции, обеспечиваемой замкнутой циркуляцией печной атмосферы.

Шахтная печь представляет собой круглую, квадратную или прямоугольную шахту. Корпус печи заглублен в землю и перекрывается сверху крышкой с затвором и электроприводом. Нагревательные элементы в ней установлены обычно по боковым стенкам.

Электропечи сопротивления непрерывного действия (методические печи)

При установившемся технологическом процессе термообработки для увеличения производительности предпочтительно применять непрерывнодействующие печи. В зависимости от требований технологического процесса в таких печах кроме нагрева изделий до заданных температур можно производить выдержку при этой температуре, а также их охлаждение. В таком случае печи выполняют состоящими из нескольких зон, протяженность которых зависит от конкретных условий проведения технологического процесса.

Часто печи непрерывного действия объединяют в один полностью механизированный и автоматизированный агрегат, состоящий из нескольких печей. В частности, такая линия может включать в себя закалочную и отпускную печи, закалочный бак, моечную машину и сушилку.

Конструкции печей непрерывного действия различаются в основном механизмами перемещения нагреваемых изделий в рабочем пространстве печи.

Конвейерная печь - печь непрерывного действия с перемещением садки на горизонтальном конвейере.

Рисунок Схема конвейерной электропечи: 1 - теплоизолированный корпус; 2 - загрузочное окно; 3 - нагреваемое изделие; 4 - нагревательные элементы; 5 - конвейер

Под печи представляет собой конвейер - полотно, натянутое между двумя валами, которые приводятся в движение специальными двигателями. Нагреваемые изделия укладываются на конвейер и передвигаются 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 возрастают потери теплоты в связи с остыванием конвейера у разгрузочных и загрузочных концов. Нагреватели в конвейерных печах чаще всего размещаются на своде или в поду под верхней частью ленты конвейера, реже на боковых стенках.

Конвейерные нагревательные печи в основном применяются для нагрева сравнительно мелких деталей до температуры около 1200 К.

Рисунок Схема толкательной печи: 1 - толкатель с приводным механизмом; 2 - нагреваемые изделия; 3 - теплоизолированный корпус; 4 - нагревательные элементы; 5 - подина печи; 6 - закалочная ванна

Для высоких температур (выше 1400 К) применяются печи непрерывного действия с перемещением садки путем проталкивания вдоль рабочего пространства - толкательные печи. Они применяются для нагрева как мелких, так и крупных деталей. На поду таких печей устанавливаются направляющие в виде труб, рельсов или роликового пода, изготовленных из жароупорного материала, и по ним в сварных или литых специальных поддонах перемещаются нагреваемые изделия.

Перемещение поддонов обеспечивается электромеханическими или гидравлическими толкающими устройствами. Основное преимущество таких печей перед другими типами - их относительная простота, отсутствие сложных деталей из жароупорных материалов. Их недостатки - наличие поддонов, применение которых ведет к увеличению тепловых потерь и к повышенному расходу электрической энергии, ограниченный срок службы поддонов.

Толкательные печи, предназначенные для нагрева крупных заготовок правильной формы, выполняют без поддонов. При этом нагреваемые изделия укладывают в печь вплотную непосредственно на направляющие.

Толкательные водородные печи предназначены для различных технологических процессов, требующих нагрева в водороде или диссоциированном аммиаке. Они широко применяются в электроламповом производстве, при производстве металлокерамических деталей и твердых сплавов, для обжига и спекания керамики, для отжига и пайки металлических деталей и т. д.

При использовании в качестве защитного газа водорода или диссоциированного аммиака на загрузочных и разгрузочных камерах печи предусмотрены «свечи» для контроля заполнения ее рабочим газом. Состав рабочего газа каждой печи регулируется самостоятельно и расход его контролируется с помощью расходомеров для водорода и азота. Разгрузочные камеры печей имеют предохранительные клапаны для защиты от разрушения в случае образования в них взрывоопасной смеси.

Протяжная электропечь - печь непрерывного действия для нагрева проволоки, прутков или ленты путем непрерывной протяжки через камеру нагрева. Она представляет собой муфель с нагревателями, через который пропускается нагреваемое изделие.



Рисунок. Протяжная электропечь: 1 - теплоизолирующий корпус; 2 - нагреватель; 3 - муфель; 4 - нагреваемое изделие

В протяжных печах применяется также смешанный способ нагрева; прямой - с помощью контактных приводных роликов и косвенный - с помощью нагревателя. Косвенный нагрев обеспечивает термообработку концов прутка в начале и в конце процесса, когда прямой нагрев не может быть осуществлен.

2. Индукционные нагревательные установки

Индукционные нагревательные установки предназначены для сквозного нагрева стальных деталей и заготовок прутков, труб и других изделий для механической и термической обработки. В частности, для пластической деформации, горячей посадки, закалки, отпуска, а также иных технологических целей на предприятиях машиностроения.

Нагреваемые заготовки могут иметь круглое, квадратное (прямоугольное) и нестандартное сечение. Диапазон типоразмеров: от O 5мм до 400 мм, квадрат от 5 мм Х 5 мм до 300 мм Х 300 мм.

Применение индукционных нагревательных установок является не только альтернативой, но и экономически эффективной и обоснованной заменой иных способов нагрева, таких как нагрев в газовых, муфельных и мазутных печах.

Применение индукционного нагрева в машиностроении позволяет существенно повысить качество продукции, резко увеличить производительность, сократить затраты энергоносителей, производственного времени, снизить себестоимость продукции, а также способствует улучшению экологической обстановки.

Кроме того, индукционный нагрев не дает обезуглероженного слоя и окалины, что отражается на качестве. Оперативно изменяя мощность преобразователя частоты, изготавливая индукторы специальной конструкции, оказывается возможным регулирование температуры нагрева заготовок. Выбор рабочей частоты генератора позволяет управлять глубиной прогрева.

В состав входят:

1. Тиристорный преобразователь частоты ТПЧ;

2. Пост нагревательный ИНУ;

3. Пульт управления и сигнализации ИНУ;

4. ЗиП к ТПЧ;

5. Шкаф теплообменный ИМ;

6. Комплект монтажных принадлежностей;

7. Комплект эксплуатационной документации.

Применение индукционных нагревательных установок обладает целым рядом преимуществ:

- позволяет нагревать определенную часть детали;

- управление передаваемой мощностью;

- контроль частоты и времени нагрева;

- контроль охлаждения;

- экономия энергии;

- отсутствие физического контакта;

- контроль и локализация теплоты;

- возможность интеграции в производственные линии;

- повышение производительности и экономия места;

- меньшая длительность циклов процесса;

- контроль повышения температуры при помощи оптических пирометров или термовыключателей, образующих замкнутый контур;

- большая точность и скорость;

- достижение равномерной температуры поверхности благодаря конструкции катушки.

3. Стыковая сварка

Стыковая сварка -- сварочный процесс, при котором детали соединяются по всей плоскости их касания, в результате нагрева. В зависимости от марки металла, площади сечения соединяемых деталей и требований к качеству соединения стыковую сварку можно выполнять несколькими способами: сопротивлением, непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Один из процессов сварки давлением.

Рисунок Схема машины для стыковой контактной сварки: 1 -- станина машины; 2 -- направляющие; 3 -- неподвижная плита; 4, 7 -- свариваемые заготовки; 5, 8 -- зажимы-электроды; 6 -- подвижная плита; 9 сварочный трансформатор; Р -- сжимающее усилие



Сварка сопротивлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 200 мм?. Применяется в основном при сварке проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений.

Сварка оплавлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 100000 мм?, таких как трубопроводы, арматура железобетонных изделий, стыковые соединения профильной стали. Применяется для соединения железнодорожных рельсов на бесстыковых путях, для производства длинноразмерных заготовок из сталей, сплавов и цветных металлов. В судостроении используется для изготовления якорных цепей, змеевиков холодильников рефрижераторных судов. Также сварка оплавлением используется в производстве режущего инструмента (например, для сварки рабочей части сверла из инструментальной стали с хвостовой частью из обычной стали).

Стыковая сварка является разновидностью контактной сварки, поэтому в основу ее технологии заложены тепловое воздействие электрического тока по закону Джоуля -- Ленца и усилие сжатия свариваемых деталей. Стыковая сварка с разогревом стыка до пластического состояния называется сваркой сопротивлением; с разогревом стыка до оплавления -- сваркой оплавлением.

Сварка сопротивлением происходит следующим образом: закрепленные в зажимах сварочной машины детали плотно прижимают друг к другу свариваемыми поверхностями, а затем пропускают через них электрический ток. После нагрева стыкуемых поверхностей до пластического состояния производится осадка (сжатие) деталей с одновременным отключением тока. Для обеспечения равномерного нагрева контактирующие торцы свариваемых заготовок должны быть тщательно подготовлены. Необходимо удалить неровности, загрязнения и окислы, так как неравномерность нагрева и окисление металла на торцах понижают качество сварки сопротивлением. Чем больше сечение свариваемых поверхностей, тем ниже качество сварного соединения, главным образом из-за образования окислов в стыке. Этим объясняется ограниченное применение сварки сопротивлением, которая используется для соединения деталей с площадью сечения до 200 мм?.

Применяется в основном при сварке проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сеченийтакже сварка сопротивлением даёт хорошие результаты для металлов, обладающих хорошей свариваемостью в пластическом состоянии -- малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей.



Билет 3

1. Законы тепло передачи

Теплопередача -- наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов -- нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания -- и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процессы перегонки, сушки и др.), а также химических процессов, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

Закон Ньютона-Рихмана (основной закон теплоотдачи)

Теплоотдача - это теплообмен между теплоносителем и твердым телом.

Теплопередача - это теплообмен между двумя теплоносителями, разделенных твердым телом.

Теплопередача состоит из теплоотдачи на границах и теплопередачи в твердом теле.

Закон Ньютона-Рихмана о теплоносителях



Количество теплоты, передаваемое на границы площадью F за время, пропорционально температурному напору.

- коэффициент теплоотдачи

- количество теплоты, отдаваемое с 1 м2 поверхности за единицу времени при единичном температурном напоре.

зависит:

от вида теплоносителя и его температуры;

от температуры напора, вида конвекции и режима течения;

от состояния поверхности и направления обтекания;

от геометрии тела

- функция процесса теплоотдачи; величина расчетная, а не табличная; определяется экспериментально.

Основной закон теплопроводности, установленный Фурье (1768--1830) и названный его именем, гласит, что количество теплоты dQ, переданное теплопроводностью, пропорционально градиенту температуры, времени и площади сечения dF, перпендикулярного направлению теплового потока:

где: - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м*К)

Сварочный трансформатор содержит силовой трансформатор и устройство регулирования сварочного тока.

В сварочных трансформаторах в связи с необходимостью большого сдвига фаз напряжения и тока для обеспечения устойчивого зажигания дуги переменного тока при смене полярности требуется обеспечить увеличенное индуктивное сопротивление вторичной цепи.

С ростом индуктивного сопротивления растет и наклон внешней статической характеристики источника питания сварочной дуги на ее рабочем участке, что обеспечивает получение падающих характеристик в соответствии с требованиями общей устойчивости системы «источник питания - дуга».

В конструкциях сварочных трансформаторов первой половины 20-го века применялись трансформаторы с нормальным рассеянием магнитного поля в сочетании с отдельным или совмещенным дросселем. Регулирование тока производилось изменением воздушного зазора в магнитопроводе дросселя.

В современных сварочных трансформаторах, которые выпускаются с 60-х годов 20-го века эти требования обеспечиваются за счет увеличения рассеяния магнитного поля.

Трансформатор как объект электротехники имеет эквивалентную схему, содержащую активное и индуктивное сопротивление.

Для сварочных трансформаторов, работающих в режиме нагрузки, потребляемая мощность на порядок больше, чем потери холостого хода, поэтому при работе под нагрузкой эту схему можно не учитывать.

Рис. Классификация сварочных трансформаторов



Для типичной схемы трансформатора основные потери магнитного поля на пути от первичной к вторичной обмотке происходят между стержнями магнитопровода.

Управление рассеянием магнитного поля производится изменением геометрии воздушного промежутка между первичной и вторичной обмотками (подвижные обмотки, подвижный шунт), согласованным изменением числа витков первичной и вторичной обмоток, изменением магнитной проницаемости между стержнями магнитопровода (подмагничиваемый шунт).

При рассмотрении упрощенной схемы трансформатора с разнесенными обмотками можно получить зависимость индукционного сопротивления от основных параметров трансформатора

Rm - cопротивление на пути магнитного потока рассеяния, ? - относительное перемещение обмоток, W- число витков обмоток.

Тогда ток во вторичной цепи:

Диапазон плавного регулирования у современных сварочных трансформаторов: 1:3; 1:4.

У многих сварочных трансформаторов есть ступенчатое регулирование переключение и первичной и вторичной обмотки на параллельное или последовательное включение.

I = K/W2

У современных сварочных трансформаторов для снижения веса и стоимости на ступени больших токов сделано понижение напряжения холостого хода.

Сварчоные трансформаторы с подвижными обмотками

Рис. Устройство сварочного трансформатора с подвижными обмотками: при полностью сдвинутых обмотках сварочный ток максимальный, при раздвинутых - минимальный

Такая схема используется и в сварочных выпрямителях регулируемых трансформаторов.

Рис. Конструкция трансформатора с подвижными обмотками: 1 - ходовой винт, 2 - магнитопровод, 3 - ходовая гайка, 4,5 - вторичная и первичная обмотки, 6 - рукоятка.



Сварочные трансформаторы с подвижным шунтом

Рис. Устройство сварочного трансформатора с подвижным шунтом

2. Электрофильтр

Устройство, предназначенное для очистки технологических газов и аспирационного воздуха от находящихся в них взвешенных частиц посредством воздействия электрического поля.

Процесс улавливания взвесей в электрофильтре можно условно разделить на несколько этапов:

· зарядка взвешенных частиц;

· движение заряженных частиц к электродам;

· осаждение заряженных частиц на электродах;

· регенерация электродов -- удаление с поверхности электродов уловленных частиц;

· удаление уловленной пыли из бункерной части электрофильтра

При прохождении пылегазовой среды через активную зону электрофильтра взвешенные частицы (аэрозоли) попадают в зону действия коронного разряда в неоднородном электродном поле.

При определенной величине напряжения, приложенного к межэлектродному промежутку, напряженность поля около коронирующего электрода становится достаточной для появления коронного разряда, следствием которого является заполнение внешней части межэлектродного промежутка в основном отрицательно заряженными ионами. Отрицательно заряженные ионы под действием сил электрического поля движутся от коронирующих электродов к осадительным. Взвешенные частицы, находящиеся в потоке, в результате адсорбции на их поверхности ионов, приобретают в межэлектродном промежутке электрический заряд и под влиянием сил электрического поля движутся к электродам, на поверхности которых и осаждаются.

Уловленные частицы периодически удаляются с электродов с помощью механизмов встряхивания, попадают в бункеры, расположенные под электродной системой, и через них выводятся из электрофильтра



Билет 4

1. Материалы применяемые в электропечестроении

Теплопроводность материалов оказывается недостаточной,, чтобы снизить потери печи, поэтому за слоем огнеупора следуют слоитеплоизолирующих материалов.

Требования:

1. Малая теплопроводность

2. Малая теплоемкость

3. Некоторая огнеупорность

4. Некоторая механическая прочность

5. Дешевизна

Одними из самых распространенных теплоизолирующих материалов являются деотомит и трепел. Деотомит - скопления скелетов водорослей, состоящих из кремниевой кислоты (90% SiO2) и пронизанных мельчайшими порами. Трепел имеет тот же состав, но поры меньше (почти чистый кремнезем). Из-за мелкопористой структуры имеют малый объемный вес и низкую теплопроводность. Их используют в виде порошка (засыпки). Из них изготавливают кирпичи с различной средней прочностью. Применяются при температуре 1000 °С.

Ряд теплоемких материалов изготавливаются из асбеста. Он используется в виде засыпки при 600 °С.

Также используется стекловата, минвата и стекловолокно. Стекловата и стекловолокно до 600 °С, минвата и шлаковата до 650 °С.

Хороший теплоизоляционный материал - занолит (обожженная слюда) - до 1100 °С.

Жароупорные материалы.

Из них выполняются элементы, несущие мех. нагрузку в условиях высоких температур. К жароупорным материалам предъявляются следующие требования:

1. Достаточная жаростойкость. Материалы должны достаточно долго работать при высоких температурах не окисляясь, либо окисляясь очень мало.

2. Достаточная жаропрочность. В пределах рабочих температур материал должен сохранять достаточную механическую прочность.

3. Достаточная крипоустойчивость (явление ползучести, т.е. явление необратимой деформации проявляющееся при высоких температурах и нагрузках много меньше предела упругости.

4. Хорошая обрабатываемость.

5. Дешевизна и недефицитность.

Для ненагруженных конструкций обычно применяют хромистые стали (до 1100 °С). Для нагруженных - хромоникелевые стали (до 1100 °С). В наиболее ответственных конструкциях применяют более дорогие стали, легированные алюминием или вольфрамом. В ряде случаев можно обойтись более дешевыми сталями (аллитированная конструкционная сталь для элементов, не несущих мех. нагрузки при t° до 800 °С, легированные чугуны, хромоникелевые чугуны при t° до 800 °С, хромистые до 100 °с, хромоалюминиевые до 900 °С. В высокотемпературных вакуумных печах применяются в качестве жароупорных материалов молибден и графит.

Материалы для нагревательных элементов.

Нагревательные элементы, как и жароупорные, работают в зоне повышенных температур. В электропечестроении кроме вышеперечисленных, предъявляют к ним еще ряд требований, связанных их эл. свойствами. Таким образом, данные материалы должны обладать:

1. Жаростойкость, т.е. они не должны окисляться под действием кислородного воздуха, высоких температур.

2. Достаточная жаропрочность может быть невелика, достаточно, чтобы нагреватели поддерживали сами себя.

3. Большое удельное сопротивление. Это объясняется тем, что тонкие и длинные нагреватели не прочны, не удобны конструктивно, имеют малый срок службы.

4. Малый ТКС. Это необходимо для того, чтобы сократить пусковые толчки тока. Толчки могут достигать 4-5 кратного значения и длиться длительное время из-за большой инерционности печи.

5. Электрические свойства нагревателей должны быть постоянны.

6. Нагреватели должны иметь постоянный размер.

7. Материалы должны хорошо обрабатываться.

Основными материалами для нагревательных элементов являются сплавы никеля, хрома, железа (нихромы). Они могут использоваться до 1100 °С. При t° до 600 °С используются фехраль и константан. При высоких t° до 1400 °С используются карборундовые нагреватели и нагреватели из платины. В высокотемпературных вакуумных печах при t° от 2200 до 3000 °С применяются нагреватели из тантала, молибдена, вольфрама, угольные или графитовые нагреватели.

2. Стыковая сварка

Стыковая сварка -- сварочный процесс, при котором детали соединяются по всей плоскости их касания, в результате нагрева. В зависимости от марки металла, площади сечения соединяемых деталей и требований к качеству соединения стыковую сварку можно выполнять несколькими способами: сопротивлением, непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Один из процессов сварки давлением.



Рисунок Схема машины для стыковой контактной сварки: 1 -- станина машины; 2 -- направляющие; 3 -- неподвижная плита; 4, 7 -- свариваемые заготовки; 5, 8 -- зажимы-электроды; 6 -- подвижная плита; 9 -- сварочный трансформатор; Р -- сжимающее усилие

Сварка сопротивлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 200 мм?. Применяется в основном при сварке проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений.

Сварка оплавлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 100000 мм?, таких как трубопроводы, арматура железобетонных изделий, стыковые соединения профильной стали. Применяется для соединения железнодорожных рельсов на бесстыковых путях, для производства длинноразмерных заготовок из сталей, сплавов и цветных металлов. В судостроении используется для изготовления якорных цепей, змеевиков холодильников рефрижераторных судов. Также сварка оплавлением используется в производстве режущего инструмента (например, для сварки рабочей части сверла из инструментальной стали с хвостовой частью из обычной стали).

Стыковая сварка является разновидностью контактной сварки, поэтому в основу ее технологии заложены тепловое воздействие электрического тока по закону Джоуля -- Ленца и усилие сжатия свариваемых деталей. Стыковая сварка с разогревом стыка до пластического состояния называется сваркой сопротивлением; с разогревом стыка до оплавления -- сваркой оплавлением.

Сварка сопротивлением происходит следующим образом: закрепленные в зажимах сварочной машины детали плотно прижимают друг к другу свариваемыми поверхностями, а затем пропускают через них электрический ток. После нагрева стыкуемых поверхностей до пластического состояния производится осадка (сжатие) деталей с одновременным отключением тока. Для обеспечения равномерного нагрева контактирующие торцы свариваемых заготовок должны быть тщательно подготовлены. Необходимо удалить неровности, загрязнения и окислы, так как неравномерность нагрева и окисление металла на торцах понижают качество сварки сопротивлением. Чем больше сечение свариваемых поверхностей, тем ниже качество сварного соединения, главным образом из-за образования окислов в стыке. Этим объясняется ограниченное применение сварки сопротивлением, которая используется для соединения деталей с площадью сечения до 200 мм?. Применяется в основном при сварке проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений, также сварка сопротивлением даёт хорошие результаты для металлов, обладающих хорошей свариваемостью в пластическом состоянии -- малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей, алюминиевых

3. Ультразвук, или «неслышимый звук»

Ультразвук, или «неслышимый звук», представляет собой колебательный процесс, осуществляющийся в определенной среде, причем частота колебаний его выше верхней границы частот, воспринимаемых при их передаче по воздуху ухом человека. Физическая сущность ультразвука, таким образом, не отличается от физической сущности звука. Выделение его в самостоятельное понятие связано исключительно с его субъективным восприятием ухом человека. Ультразвук, наряду со звуком, является обязательным компонентом естественной звуковой среды.

Ультразвук - упругие волны с частотами приблизительно от (1,5 - 2)·104Гц (15 - 20 кГц) до 109 Гц(1ГГц); область частотных волн от 109 до 1012 - 1013 Гц принято называть гиперзвуком. По частоте ультразвук удобно подразделять на 3 диапазона: ультразвук низких частот(1,5·104 - 105Гц), ультразвук средних частот(105 - 107Гц), область высоких частот ультразвука(107 - 109Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

По физической природе ультразвук представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн, имеет место ряд особенностей распространения ультразвука.

Ввиду малой длины волны ультразвука, характер его определяется прежде всего молекулярной структурой среды. Ультразвук в газе, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, - затухание в них значительно меньше. Поэтому области использования ультразвука средних и высоких частот относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и в газах применяют ультразвук только низких частот.

Ультразвуковым волнам было найдено больше всего применения во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, в медицине, в быту, ультразвук использовали для бурения нефтяных скважин и т.д. От искусственных источников можно получить ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см2.

Ультразвуки могут издавать и воспринимать такие животные, как собаки, кошки, дельфины, муравьи, летучие мыши и др. Летучие мыши во время полёта издают короткие звуки высокого тона. В своём полёте они руководствуются отражениями этих звуков от предметов, встречающихся на пути; они могут даже ловить насекомых, руководствуясь только эхом от своей мелкой добычи. Кошки и собаки могут слышать очень высокие свистящие звуки (ультразвуки).



Билет 5

1. Индукционный нагрев

Индукционный нагрев (англ. Induction Heating) -- метод бесконтактного нагрева электропроводящих материалов токами высокой частоты.

Индукционный нагрев -- это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно -- это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля).

Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца).

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является как бы вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки ? (Поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое ? плотность тока увеличивается в e раз относительно плотности тока в заготовке, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости ? материала заготовки.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри ? имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электропроводящая керамика и т. д.) ? примерно равна единице. Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием -- этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.

Получение опытных образцов сплавов.

Гибка и термообработка деталей машин.

Ювелирное дело.

Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.

Поверхностная закалка.

Закалка и термообработка деталей сложной формы.

Обеззараживание медицинского инструмента.

Распыление геттера и прогрев (активация и тренировка) катода в процессе производства вакуумных электронных приборов.

2. Параметры электрической дуги.

Строение дуги

Lк - катодная область;

Lа - анодная область (Lа = Lк = 10-5-10-3см);

Lст - столб дуги;

Lд - длина дуги;

Lд = Lк + Lа + Lст

К анодному пятну устремляются потоки электронов и отрицательно заряженных ионов, которые передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности анода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 4000°С. Температура столба дуги при сварке плавящимся электродом составляет от 7 000 до 18 000°С (для сравнения: температура плавления стали равна примерно 1500°С).

3. Источники питания применяемые при электролизе

Источники питания для проведения электролиза при постоянном наложенном напряжении или при постоянной силе тока выпускаются промышленностью в различном исполнении. Однако подходящий источник постоянного тока можно составить из 6 - или 12-вольтных аккумуляторных батарей, соединенных последовательно с переменным сопротивлением. Ячейка для электрогравиметрического анализа обычно представляет собой высокий стакан, накрытый двумя половинками часового стекла так, чтобы в стакан можно было поместить и катод, и анод. Часовое стекло предохраняет раствор от разбрызгивания, вызываемого энергичным выделением газа.



Билет 6

1. Установки диэлектрического нагрева

По сравнению с индукционным нагревом, применяемом для разогрева электропроводящих материалов переменным током частотой не более 30 МГц, диэлектрический нагрев проводится на более высоких частотах. В качестве генераторов применяются либо электронные генераторы на лампах (до 300 МГц), либо магнетроны (выше 300 МГц).

На полупроводниках установки диэлектрического нагрева не строятся, так как мощные транзисторы, работающие на высоких частотах, пока не разработаны.

В качестве обкладок конденсатора иногда применяют толстую фольгу, которую расстилают над и под заготовками

Диэлектрический нагрев - метод нагрева диэлектрических материалов переменным во времени электрическим полем. Если поле изменяется со сверхвысокой (СВЧ) частотой (в диапазоне 0,4 - 10 ГГц), то это СВЧ нагрев, если с частотой в диапазоне 10 - 100 кГц, то - ТВЧ нагрев (нагрев токами высокой частоты). ТВЧ нагрев диэлектриков проводят в конденсаторах, а СВЧ нагрев - в волноводах и объемных резонаторах. Т.к. глубина проникновения электромагнитного поля в диэлектрическую среду определяется частотой (чем выше частота, тем меньше глубина проникновения и наоборот), то на ТВЧ как правило глубина прогрева значительно больше, чем на СВЧ. Отличительной особенностью диэлектрического нагрева от двух других, физически возможных способов нагрева - кондуктивного (от греющей стенки) или конвективного (горячим потоком теплоносителя, воздухом например) является объемность тепловыделения в нагреваемой диэлектрической среде. Диэлектрический нагрев - объемный нагрев, однако не обязательно однородный. Если глубина проникновения больше толщины прогреваемого слоя, что обычно характерно для ТВЧ нагрева, то тепловыделение более однородно. При глубине проникновения меньшей, чем толщина прогреваемого слоя (что обычно характерно для СВЧ энергоподвода), то объемный нагрев не является однородным. Прогревается только слой, в который проникает электромагнитное поле. Более глубокие слои остаются непрогретыми. Кроме того, если прогреваемый объект своими размерами превышает длину волны поля в среде нагреваемого объекта, то в нем, в силу волнового характера поля, возникает картина стоячих волн, что тоже приводит к неоднородности нагрева.

2. Анодно-механическая обработка

Анодно-механическая обработка основана на сочетании электротермических и электромеханических процессов и занимает промежуточное место между электроэрозионным и электрохимическим методами.

Заготовку подключают к аноду, а инструмент - к катоду. В качестве инструмента используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоку. Обработку ведут в среде электролита ( водный раствор жидкого натриевого стекла). Рабочие движения, как при механической обработке резанием. Электролит в зону обработки подают через сопло.

Рисунок Схема анодно-механической обработки

При пропускании через раствор электролита постоянного электрического тока происходит процесс анодного растворения, как при электрохимической обработке.

При соприкосновении инструмента с микронеровностями заготовки происходит электроэрозия, присущая электроискровой обработке. Металл заготовки в месте контакта с инструментом разогревается и разжижается. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются при относительных движениях инструмента и заготовки.

Этим способом обрабатывают заготовки из высокопрочных и труднообрабатываемых сплавов, вязких материалов.

Этим способом разрезают заготовки на части, прорезают пазы и щели, обрабатывают поверхности тел вращения, шлифуют плоские поверхности и поверхности, имеющие форму тел вращения, полируют поверхности, затачивают режущий инструмент.

3. Шовная сварка

Шовная контактная сварка, также встречается название Роликовая сварка -- сварочный процесс, при котором детали соединяются швом, состоящим из ряда отдельных сварных точек (литых зон), частично перекрывающих или не перекрывающих одна другую. В первом случае шов будет герметичным. Во втором случае шовная сварка выполненная отдельными точками без перекрытия практически не будет отличаться от ряда точек, полученных при точечной сварке. Процесс шовной сварки осуществляется на специальных сварочных станках с двумя (или одним) вращающимися дисковыми роликами-электродами, которые плотно сжимают, прокатывают и сваривают соединяемые детали. Толщина свариваемых листов колеблется в пределах 0,2--3 мм. Применяется при изготовлении различных емкостей, где требуются герметичные швы -- бензобаки, трубы, бочки, сильфоны и др.

Шовная сварка является разновидностью контактной сварки, поэтому в основу ее технологии заложены тепловое воздействие электрического тока по закону Джоуля -- Ленца и усилие сжатия свариваемых деталей. Существует три способа выполнения шовной сварки: непрерывная, прерывистая и шаговая.

...