Исследование печи сопротивления с двухпо-зиционным регулированием температуры.

Лабораторная работа №1

Цель работы: изучить особенности конструкции и электрооборудования электротермической установки косвенного нагрева - электрической печи сопротивления, исследовать её энергетические и эксплутационные характеристики в режиме автоматического контроля и двухпозиционного регулирования температур.

1. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ

Физические основы нагрева сопротивлением.

Современное промышленное производство характеризуется широким применением электротехнологического оборудования для нагрева металлов и сплавов под обработку давлением, термообработку, сушку различных материалов и других целей. Электронагрев осуществляется в электротермических установках (ЭТУ), в основе работы которых лежит принцип элекронагрева за счёт выделения теплоты в проводниках при прохождении по ним электрического тока.

Тепловая энергия W, выделяемая в проводнике, определяется законом Джоуля-Ленца

W=I²Rτ (1)

где I - действующее значение переменного тока;

R - активное сопротивление проводника;

τ - время прохождения тока.

Различают прямой и косвенный нагрев. При прямом (электроконтактном) нагреве проводником служит непосредственно нагреваемое тело (заготовка), обладающее сопротивлением R. При косвенном нагреве проводниками являются специальные нагревательные элементы (н.э.), от которых выделяемая тепловая энергия W передаётся нагреваемой заготовке путём теплопроводности, конвекции и излучения. В зависимости от температуры н.э. и материала заготовки может преобладать тот или иной способ теплопередачи. В отличие от установок электроконтактного нагрева, косвенный нагрев производится с помощью н.э., размещённых в нагревательных камерах, выполненных из огнеупорного материала (футеровки) и имеющих теплоизоляцию из нескольких слоев асбеста, стекловаты и других материалов с низким коэффициентом теплопроводимости. Такие ЭТУ называются электрическими печами сопротивления (ПС). В качестве материала для н.э. используются обладающие высоким удельным сопротивлением, жаростойкие материалы и сплавы с малым температурным коэффициентом сопротивления (нихром, фехраль вольфрам и др.), а также неметаллические - карборундовые, графитовые, металлические - из дисилицида молибдена.

При питание н.э. с поперечным сечением S, длиной l, удельным сопротивлением ρ, напряжением сети U, в нём выделяется мощность

; где или (2)

с учётом поверхностной удельной мощности Р_F для известной конечной температуры нагрева расчётное соотношение для нахождения основных параметров н.э. имеет вид:

(3)

где П - периметр н.э.

Задаваясь прямоугольным профилем сечения материала н.э., лента с толщиной h и шириной n•h,

где n- коэффициент отношения сторон, получим:

S=nh² (4)

а для проволочного н. э. круглого сечения диаметр проволоки:

где (5)

при малом ρ нагреватель, питаемый от сети с U=(220-380)В, получается чрезмерно большой длины и малого сечения. Такой н.э. трудно разместить в рабочей камере печи. Кроме того, н.э. малого сечения имеет небольшой срок службы. Если материал н.э. обладает большим температурным коэффициентом, то получится большая разница в сопротивление холодного и горячего н.э., а следовательно, и в мощности, потребляемой печью из сети.

Понятие о двухпозиционном регулировании температуры в ПС.

В электропечах сопротивления осуществляется нагрев материалов до определённой, заданной технологическим процессом температуры t_зад с дальнейшей её выдержкой. Для поддержания температуры на заданном уровне с требуемой точностью путём изменения напряжения на н.э. наиболее часто в ПС применяется автоматическое двухпозиционное регулирование. При этом ПС периодически включаются на номинальную мощность или полностью отключаются. В простейшем двухпозиционном регуляторе сигнал с датчика температуры (термопары, термометра сопротивления, пирометра и т.д.) поступает на измерительную схему (автоматически компенсатор, - электронный потенциометр типа КПС или электронный мост типа КСМ), контакты которого размыкаются при достижении t_зад и через линейный контактор разрывают цепь питания н.э. На рис.1 представлены графики изменения температуры t, потребляемой мощности Р при двухпозиционном регулировании.

В процессе регулирования (рис.1 а) t_зад поддерживается в пределах ±Δt, определяемой зоной нечувствительности регулятора, включающего в себя датчик температуры, измерительную схему, исполнительные элементы (реле). При разогреве (включении) ПС потребляемая мощность Р, номинальная Р=Р_Н (рис.1б). В момент времени τ₁, когда температура достигает t_зад +Δt, срабатывает регулятор и Р уменьшится или становится равной нулю. t в печи уменьшается до тех пор, пока не достигнет нижней границы t_зад- Δt зоны нечувствительности регулятора (момент времени τ₂).

Средняя мощность печи Р_ср при двухпозиционном регулировании зависит от соотношения сумм интервалов времени её включения τ _в и отключения τ₀ в течение всего времени регулирования:

(6)

2. Методика и техника эксперимента.

Описание объекта и средств исследования.

Объектом исследования являются муфельная лабораторная электропечь сопротивления типа МП-2УТ, предназначенная для термообработки металлов: закалки, обжига, отжига и других работ при температуре до 900°С.

ПС состоит из стального кожуха (рис.2), в котором находится керамический муфель (футеровка) 1 с намотанным на него н.э. 2. Пространство между муфелем и кожухом заполнено теплоизоляцией 3. Загрузка ПС производится через проём, закрываемый дверцей 4 с вкладышем из шамота, установленной на шарнирных рычагах. Выводные контакты 5 находятся на левой стороне печи. В дверце ПС предусмотрено отверстие для термопары. Двухпозиционное регулирование термопары осуществляется дилатометрическим терморегулятором. Измерение температуры и градуировка шкалы терморегулятора производится термопарой с соответствующим измерительным прибором.

Техническая характеристика ПС и технические данные нагревателя.

1. Питание – от однофазной сети напряжением 220 В, 50 Гц.

2. Мощность - 1800: +240 Вт.

-120 Вт

3. Максимальная рабочая температура - 900°С.

4. Время разогрева до максимальной температуры не более 2 часов.

5. Рабочая среда - воздух.

6. Диапазон автоматического регулирования температуры в рабочем пространстве 100÷900° С

7. Колебание температуры нагреваемого образца ± 6°С в диапазоне 400÷900°С.

8. Размер рабочей камеры, мм 263 х 175 х 95.

9. Габариты, мм 460x500x440.

10. Вес -35 кг.

Нагреватель - проволока из высокоомического сопротивления марки ОХ23Ю5 диаметр проволоки -1,8 мм, сопротивление с выводными концами - 1 8,6 Ом, проволока наматывается с равномерным шагом на муфель, замазывается составом, состоящим из 75% шамотной крошки и 25% огнеупорной глины и просушивается при температуре 20° С.

Рис. 3

S – автоматический выключатель;

КК1-КК2 – контакты терморегулятора;

КМ1 – контакты магнитного пускателя;

БД – добавочное сопротивление;

КМ – катушка магнитного пускателя;

ЕГ – сигнальная лампа;

R_н – нагревательный элемент.

На рис.3 представлена схема лабораторной установки. В силовую часть схемы входят: н.э. электропечи ПС, предохранительные элементы F с плавкой вставкой на 15 А, магнитный пускатель КМ с автоматическим выключателем S. Для измерения величины тока I, напряжения U_НЭ на н.э. и мощность Р в силовой цепи служат соответственно: амперметр РА на 15 А, вольтметр РV на 250 В, класс точности 2,5 и ваттметр РW электродинамической системы, класс точности 0,5.

Для регистрации температуры установка содержит два датчика температуры - термопары ТП1 и ТП2, которые соединяются с показывающим прибором. С помощью термопары ТП1 производится измерение температуры в рабочей камере ПС при её нагреве. Термопарой ТП2 - измеряется температура нагреваемой заготовки. Деления на шкале терморегулятора -относительные числа, поэтому необходимо проградуировать шкалу термопары. Градуировку терморегулятора просушенной печи начинают производить с низших значений температуры. О том, что установилась постоянная температура, символизируют периодические включения и отключения сигнальной лампы.

Увеличение температуры в рабочем пространстве выше 900° С недопустимо. Небольшое повышение этой температуры резко сокращает срок службы нагревателя. Пользоваться печью без термопары на определенной температуре не рекомендуется.

Печь рассчитана на разогрев до 900° С в течении двух часов. Для увеличения срока службы нагревателя разогрев до требуемой температуры выше 700° С следует производить, лишь давая некоторое время поработать на промежуточном значении температуры. Это производится при помощи соответствующей установки и выдержки ручки терморегулятора на промежуточных значениях шкалы.

В качестве нагреваемого образца используется металлическая стальная заготовка массой m=2 кг с удельной теплоёмкостью c₂=405 Дж/кг°К. В образец вставляется термопара ТП2 для измерения его температуры в процессе нагрева до t_зад.

Дата добавления: 2015-07-25