Расчет основных параметров установки

Работа добавлена на сайт samzan.net:

1. Расчет основных параметров установки.

1.1 Выбор частоты.

Выбор частоты при сквозном нагреве определяется двумя основными факторами:

1) электрическим КПД индуктора, который не должен сильно отличаться от предельного;

2) временем нагрева, которое должно быть минимальным.

Для полых цилиндров, в отличие от сплошных, имеется оптимальная частота, при которой КПД максимален. Этот максимум заметно выражен лишь при малых толщинах стенки ()[2]. В нашем случае: .

Определим оптимальную частоту по формуле [3]:

. (1)

Где мм — средний диаметр цилиндра,

коэффициент k2 при может быть найден по формуле:

Удельное электрическое сопротивление для стали 08Х18Н10Т примем равным: [1].

Получим для трубы 105: Гц

Для трубы 8.25: Гц

Так как экономически нецелесообразно приобретать несколько генераторов частоты примем для всех типов труб частоту равной Гц.

1.2 Выбор основных размеров индуктора.

Цилиндрические индукторы характеризуются внутренним диаметром ; длиной и числом витков обмотки w, а также толщиной теплоизоляции и теплопроводностью ее слоев. Внутренний диаметр теплоизоляции определяется максимальным диаметром нагреваемых заготовок D2 и зазором h3, зависящим от размера и качества заготовок, а также от принятого способа транспортировки: .

Толщина тепловой изоляции dф выбирается из условия получения максимального КПД индуктора. Оптимальная толщина изоляции тем больше, чем выше температура и теплопроводность материала футеровки, а также чем меньше удельная мощность, передаваемая в заготовку. Из условия механической прочности толщина футеровки должна быть не менее 10 мм.

Принятые размеры индуктора.

	0.00825..0.105 м
	0.3 м
w	Определяется расчетом
D1=Dф1	0.115 м
h3	0.005 м
	м
dф	0.05 м
	м

1.3 Время нагрева.

Так как скорость движения трубы нам задана, то считаем что время нагрева заготовки равно времени ее прохождения через индуктор:

1.4 Полезная мощность.

Часть мощности, передаваемой в проводник, достаточная для нагрева требуемого объема до заданной температуры, считается полезной мощностью. Она определяется формулой:

где G – вес нагреваемого объема проводника, кг; температура начальная Т1 и Т2, С;

Q – производительность, кг/с.

Для трубы 105:

Для трубы 8.25:

1.5 Потери тепла.

Установим, целесообразно ли использование теплоизоляции. Для этого рассчитаем потери на излучение и конвекцию по формулам, предложенным в [2].

Удельная мощность потерь на излучение определяется уравнением:

Здесь kи – коэффициент излучения материала, зависящий от температуры и состояния поверхности; Tп, Tо – температуры поверхности и окружающей среды в градусах Цельсия.

Потери на конвекцию в спокойном воздухе:

Для цилиндрического индуктора с однослойной теплоизоляцией мощность тепловых потерь определяется из решения уравнения, учитывающего передачу тепла путем излучения в воздушном зазоре и теплопроводностью через изоляцию. Но при высокой температуре нагрева и большей толщине изоляции тепловым сопротивлением зазора можно пренебречь и считать , а тепловые потери найти сразу, без решения уравнения. Тогда потери тепла, отнесенные к единице поверхности нагреваемой заготовки, равны:

— коэффициент теплопроводности для минеральной ваты [6].

Термический КПД:

Сравнив тепловые потери через теплоизоляцию и без нее, становится очевидной необходимость ее применения, так как это позволит сократить потери более чем в 20 раз. Примем суммарную мощность равной .

Тогда удельную мощность для остальных расчетов примем равной:

1.6 Мощность индуктора периодического действия.

Как указывается в [3] мощность, подводимая к индуктору, в течение цикла нагрева меняется вследствие изменения удельного сопротивления и магнитной проницаемости заготовок. Бóльшая часть времени нагрева (около 70%) приходится на горячий режим, когда параметры индуктора и потребляемая мощность практически постоянны. Можно считать, что мощность P2Г в конце нагрева стальной заготовки связана со средней мощностью соотношением:

Средняя за время нагрева мощность:

Рассчитав индуктор на мощность P2Г – только в заключительной стадии горячего режима, мы обеспечим весь нормальный цикл нагрева и требуемую среднюю мощность P2ср.

2. Расчет параметров электромагнитной системы.

Основной задачей расчета электромагнитной системы для индукционного нагрева является определение входных параметров нагруженного индуктора: активного и реактивного сопротивлений, КПД, коэффициента мощности, тока, напряжения и числа витков по заданным геометрическим размерам, частоте тока, мощности и электрическим свойствам материала индуктора и детали. Первоначально произведем расчет для трубы 105 мм.

2.1 Сопротивление пустого индуктора.

Принимаем, что индуктор изготовлен в виде однослойной катушки из медной трубки. Для индукторов следует использовать только электротехническую медь марок М0 и М1, так как наличие нежелательных добавок, например, фосфора, резко увеличивает ее удельное сопротивление. При рабочей температуре (2050С) сопротивление меди можно считать [2]. Трубка индуктора обычно профилируется на прямоугольник. В индукторах основная часть тока протекает по стенке трубки, обращенной в сторону детали.

Для индуктора длиной a1, из w витков трубки с толщиной стенки 1 активное сопротивление равно:

где 1 – глубина проникновения тока в медь:

ПЭ – эквивалентный периметр окна индуктора. Для цилиндрического индуктора с внутренним диаметром D1:

Коэффициент увеличения сопротивления учитывает толщину стенки трубки. Его минимальная величина, равная 0.92, соответствует . Поскольку минимальному r1 соответствуют минимальные потери тепла, толщину трубки следует брать в пределах [2]. Примем .

в соответствии с (рис.13, [2])

Так как число витков неизвестно, в расчете полагаем w=1. Тогда:

Ом

Реактивное сопротивление индуктора определяется по формуле:

— поправочный коэффициент самоиндукции, зависящий от длины индуктора:

в соответствии с (рис.14, [2])

2.2 Расчет вносимых сопротивлений деталей.

Для расчета будем пользоваться методом расчета по общему потоку [5]. Метод основан на составлении схемы замещения нагруженного индуктора. Допускается, что все его витки охвачены одним общим потоком. Участок прохождения магнитного потока по детали и по зазору вдоль ее поверхности является полезным и рабочим, а участок внутри индуктора, но вне детали (при l1> l2) и снаружи индуктора – участком замыкания потока. Сопротивления, обусловленные наличием зазора (xs) и детали (r2 и x2м), рассчитываются, как для отрезка длиной l2 бесконечной системы. Расчет прост и универсален. Ошибка расчета обычно не превышает 8% по xн и 10-15% по rн.

Полное сопротивление индуктора равно:

где x0 – сопротивление обратного замыкания; С – коэффициент приведения параметров.

Порядок расчета следующий:

1. Находим расчетные геометрические размеры индуктора и детали в каждом режиме в соответствии с (табл.13, [2] ). В горячем режиме расчетные размеры равны истинным.

Величина — глубина проникновения тока в материал, определяет линейные размеры нагреваемых тел и индуктора. В общем случае является расчетной величиной и зависит только от его свойств и частоты тока:

Активное сопротивление:

M – коэффициент зависящий от относительных размеров сечения цилиндра:

(по рис. 11, [2] )

Индуктивное сопротивление потоку внутри заготовки:

N – коэффициент зависящий от относительных размеров сечения цилиндра:

(по рис. 10, [2] )

2. По формулам (табл.13, [2] ) рассчитываем сопротивления и коэффициент С:

Индуктивное сопротивление в зазоре между индуктором и заготовкой:

Индуктивное сопротивление обратного замыкания:

Здесь принято:

Коэффициент приведения параметров:

3. Сопротивления нагруженного индуктора:

4. Электрический КПД.

5. Коэффициент мощности:

6. Ток в индукторе:

7. Напряжение на индукторе:

8. Число витков. Если число витков заранее неизвестно в расчете полагаем, что оно равно 1 и затем находим число витков по формуле:

2.3 Пересчет с учетом полученного количества витков.

Активное сопротивление равно:

Ом

Реактивное сопротивление индуктора определяется по формуле:

Индуктивное сопротивление обратного замыкания:

Коэффициент приведения параметров:

3. Сопротивления нагруженного индуктора:

4. Электрический КПД.

5. Коэффициент мощности:

6. Ток в индукторе:

7. Напряжение на индукторе:

3. Система охлаждения.

Высокочастотные генераторы, конденсаторы, понижающие трансформаторы, а в отдельных случаях шинопроводы и конструктивные элементы требуют интенсивного охлаждения. Для осуществления закалки, кроме того, требуется вода или другая охлаждающая среда. От системы водоснабжения в большинстве случаев зависит надежность работы установки в целом, так как выход из строя элементов установки чаще всего наблюдается по причине засорения каналов охлаждения грязью и накипью. Расходы на охлаждение составляют значительный процент от общих затрат. Опыт убедительно показывает, что меньшие расходы получаются при замкнутой системе, когда вода из градирни или резервуара насосами подается для охлаждения и затем возвращается обратно.

Интенсивность отвода тепла жидкостью, протекающей по трубам, определяется коэффициентом теплоотдачи. Этот коэффициент зависит главным образом от скорости и характера протекания жидкости и состояния поверхности. При малых скоростях характер движения ламинарный. При этом режиме не вся жидкость участвует в теплообмене, а только слои примыкающие к поверхности стенок. Коэффициент теплоотдачи весьма мал. С увеличением скорости движение становится турбулентным. Коэффициент теплоотдачи при этом резко возрастает. Переход из ламинарного режима в турбулентный определяется критерием Рейнольдса:

Где dэ – эквивалентный гидравлический диаметр, равный:

v – скорость воды, м/с; S0 – площадь отверстия трубки, м2; П – периметр внутренний периметр, участвующий в теплообмене, м;  -- коэффициент кинематической вязкости воды при средней ее температуре Тср, м2/с.

где T1 и T2 – температура воды на входе и выходе трубки, С.

В расчетах можно принять и , тогда получим:

С , отсюда [2].

Полагая, что все тепло, теряемое в индукторе, уносится водой, а средняя температура не превышает температуры на выходе, расчет можно проводить следующим образом.

Количество охлаждающей воды:

Где P – полные потери мощности, кВт.

Для индукторов: кВт

Где Pи – мощность, подводимая к индуктору, кВт; э, t – электрический и тепловой КПД индуктора.

Площадь сечения трубки:

Где v – скорость воды, протекающей по трубке; обычно м/с [3].

Отсюда внутренний диаметр трубки:

по ГОСТ 617-72 примем медную трубку со следующими параметрами [7]:

наружный диаметр 10 мм

толщина стенки – 2 мм

Тогда

Перепад давления по длине токопроводов:

МПа

Здесь о – удельная масса воды, ; l – длина канала (длина трубки)

-- коэффициент сопротивления при шероховатости первого рода равный:

где k – коэффициент шероховатости, равный 1.55 м, принимаем для трубок с налетом накипи м.

Так как индуктор должен охлаждаться от городского водопровода, то соответственно МПа. Это условие не выполняется. Увеличим диаметр медной трубки, примем его равным 28 мм.

Тогда

Эквивалентный гидравлический диаметр:

Перепад давления по длине токопроводов:

МПа МПа

4. Определение тепловых потерь через футеровку.

Как указывалось выше футеровка представляет собой однослойную стенку из минеральной ваты.

Исходные данные для расчета:

Расчет.

Потери тепла определяем по формуле:

Так как весь тепловой поток, попадающий на шины индуктора, поглощается ими, то из площади внутренней стенки вычтем площадь закрытую медной трубкой.

А) Зададимся значениями температур t1, t2.

Условия, накладываемые на значения температур:

Таблица 4.1

i	,С	,С	,С
1	1135	1135,87	1135,87
2	230	233,6609	233,6609

— коэффициент теплопроводности для минеральной ваты [6].

Подставив полученные значения, получим:

Осуществим проверку:

Полученные значения заносим в таблицу 4.1.

Разница между минимальным и максимальным значениями должна быть:

Вывод: выбранное значение температуры t1 удовлетворяет наложенным условиям. Но полученная нами температура наружной поверхности футеровки t2 слишком высока, чтобы снизить ее увеличим толщину стенки.

Б) Увеличим толщину стенки в 4 раза.

Условия, накладываемые на значения температур:

Значения площадей:

Таблица 4.2

i	,С	,С	,С
1	1150	1152,039	1152,039
2	70	67,52603	67,52603

— коэффициент теплопроводности для минеральной ваты [6].

Подставив полученные значения, получим:

Осуществим проверку:

Полученные значения заносим в таблицу 4.2

Разница между минимальным и максимальным значениями должна быть:

Вывод: выбранные значения температур t1, t2 удовлетворяют наложенным условиям.
5. Расчет параметров индуктора для отжига трубы 8,65.

5.1 Проверка возможности использования одного и того же индуктора для нагрева всех типов труб.

Активное сопротивление:

M – коэффициент зависящий от относительных размеров сечения цилиндра:

(по рис. 11, [2] )

Индуктивное сопротивление потоку внутри заготовки:

N – коэффициент зависящий от относительных размеров сечения цилиндра:

(по рис. 10, [2] )

2. По формулам (табл.13, [2] ) рассчитываем сопротивления и коэффициент С:

Индуктивное сопротивление в зазоре между индуктором и заготовкой:

Индуктивное сопротивление обратного замыкания:

Коэффициент приведения параметров:

3. Сопротивления нагруженного индуктора:

Активное сопротивление равно:

4. Электрический КПД.

5. Коэффициент мощности:

6. Ток в индукторе:

7. Напряжение на индукторе:

Из расчета видно, что применение одного и того же индуктора для всего сортамента труб невозможно и необходимо проектировать несколько индукторов для труб разного диаметра.

Проведем расчет для индуктора способного обрабатывать помимо труб самого маленького диаметра, несколько сортов проката, чтобы минимизировать количество индукторов.

5.2 Расчет параметров индуктора.

Принятые размеры индуктора.

	0.00825..0.02 м
	0.06 м
w	6
D1=Dф1	0.03 м
h3	0.005 м
	м
dф	0.05 м
	м

1. Сопротивление пустого индуктора:

Для индуктора длиной a1, из w витков трубки с толщиной стенки 1 активное сопротивление равно:

Ом

ПЭ – эквивалентный периметр окна индуктора. Для цилиндрического индуктора с внутренним диаметром D1:

Реактивное сопротивление индуктора определяется по формуле:

2. Находим расчетные геометрические размеры индуктора и детали в соответствии с (табл.13, [2] ). В горячем режиме расчетные размеры равны истинным.

Активное сопротивление:

M – коэффициент зависящий от относительных размеров сечения цилиндра:

(по рис. 11, [2] )

Индуктивное сопротивление потоку внутри заготовки:

N – коэффициент зависящий от относительных размеров сечения цилиндра:

(по рис. 10, [2] )

2. По формулам (табл.13, [2] ) рассчитываем сопротивления и коэффициент С:

Индуктивное сопротивление в зазоре между индуктором и заготовкой:

Индуктивное сопротивление обратного замыкания:

Здесь принято:

Коэффициент приведения параметров:

3. Сопротивления нагруженного индуктора:

4. Электрический КПД.

5. Коэффициент мощности:

6. Ток в индукторе:

7. Напряжение на индукторе:

5.3 Расчет системы охлаждения

Где dэ – эквивалентный гидравлический диаметр, равный:

где T1 и T2 – температура воды на входе и выходе трубки, С.

В расчетах можно принять и , тогда получим:

С , отсюда [2].

Количество охлаждающей воды:

Где P – полные потери мощности, кВт.

Для индукторов: кВт

Где Pи – мощность, подводимая к индуктору, кВт; э, t – электрический и тепловой КПД индуктора.

Площадь сечения трубки:

Где v – скорость воды, протекающей по трубке; обычно м/с [3].

Отсюда внутренний диаметр трубки:

по ГОСТ 617-72 примем медную трубку со следующими параметрами [7]:

наружный диаметр 8 мм

толщина стенки – 2 мм

Тогда

Перепад давления по длине токопроводов:

МПа

Здесь о – удельная масса воды, ; l – длина канала (длина трубки)

-- коэффициент сопротивления при шероховатости первого рода равный:

где k – коэффициент шероховатости, равный 1.55 м, принимаем для трубок с налетом накипи м.

Так как индуктор должен охлаждаться от городского водопровода, то соответственно МПа. Это условие выполняется.

5.4 Определение тепловых потерь через футеровку.

Как указывалось выше, футеровка представляет собой однослойную стенку из минеральной ваты.

Исходные данные для расчета:

Расчет.

Потери тепла определяем по формуле:

А) Зададимся значениями температур t1, t2.

Условия, накладываемые на значения температур:

Таблица 4.1

i	,С	,С	,С
1	1110	1110,072	1110,072
2	190	190,5255	190,5255

— коэффициент теплопроводности для минеральной ваты [6].

Подставив полученные значения, получим:

Осуществим проверку:

Полученные значения заносим в таблицу 4.1.

Разница между минимальным и максимальным значениями должна быть:

Б) Увеличим толщину стенки в 4 раза.

Условия, накладываемые на значения температур:

Значения площадей:

Таблица 4.2

i	,С	,С	,С
1	1150	1153,043	1153,043
2	70	68,25299	68,25299

— коэффициент теплопроводности для минеральной ваты [6].

Подставив полученные значения, получим:

Осуществим проверку:

Полученные значения заносим в таблицу 4.2

Разница между минимальным и максимальным значениями должна быть:

Вывод: выбранные значения температур t1, t2 удовлетворяют наложенным условиям.

6. Технические требования.

Опыт эксплуатации индукционных установок показал их высокую надежность и безопасность при обслуживании. Монтаж индукторов и линий передач должен производится с учетом требований ПУЭ. Конструкция должна исключать возможность случайного прикосновения к элементам, находящимся под высоким напряжением (конденсаторы, выводы первичной обмотки трансформатора и т.п.). Вторичная обмотка трансформатора и все металлические конструкции установки должны быть заземлены. Напряжение на индукторе составляет несколько десятков, а иногда и сотни вольт и может служить причиной поражения персонала. Запрещается прикасаться к индуктору, находящемуся под напряжением, или менять деталь без его отключения. Санитарно-гигиеническими нормами ограничиваются напряженности магнитного и электрического полей в зоне расположения обслуживающего персонала (5А/м и 20В/м соответственно). Обычно эти нормы соблюдаются без применения специальных мер. В противном случае используют экранирование индуктора магнитопроводами или кожухами. На установках с ламповыми генераторами дополнительно контролируется уровень создаваемых ими радиопомех. Персонал, работающий на установке должен пройти обучение и инструктаж на рабочем месте. Характер индивидуальных средств защиты определяется конкретным типом процесса.

EMBED Equation.3

1. Правовое положение филиалов и представительств
2. Многоэтажный жилой дом из крупноразмерных элементов
3. Финансовокредитный энциклопедический словарь
4. Інноваційний менеджмент Лекції
5. Курсовая работа- Таможенный склад
6. Тема 3 Європейський валютний союз- критерії та проблеми фінансування 1
7. КОДИРОВАНИЕ В ЦСПИ
8. тема Узбекистана
9. Словацкий язык
10. Тема 4 Тропосферные станции Занятие 1
11. Реферат- Иностранные инвестиции в России- основные доноры, масштабы, направления и перспективы
12. Парадигма РЕФЛЕКСИЯ Журнал основан в январе 2007 года Выходит 6 раз в год
13. Сутність кредиту і його роль в світовій практиці
14. Лабораторная работа 1112 Тема- Создание и печать отчетов Цель- Овладеть практическими навыками проект
15. ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ БЕЛГОССТРАХА ЗАДАЧИ ФУНКЦИИ И СТРУКТУРА КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГА
16. Уменьшающегося остатка
17. Экологические основы природопользования
18. Маусымашар2014 атты Жайдарман фистиваліні~ ~тініш пара~ы Начало формы Топты~ атауы
19. Политические права и свободы человека
20. Введение В настоящее время практически все радиотехнические системы в которых происходит обмен информ

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе