WWW.METODICHKA.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Методические указания, пособия
 
Загрузка...

Pages:   || 2 |

«И.Г. Голованов ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Методические указания по практическим занятиям и самостоятельной работе студентов Для студентов всех форм обучения по ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО

Ангарская государственная техническая академия

______________________________________________________________

И.Г. Голованов

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

УСТАНОВКИ

Методические указания по практическим занятиям

и самостоятельной работе студентов

Для студентов всех форм обучения по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника»



Ангарск 2014 Голованов И.Г. Промышленные электротехнологические установки.

Методические указания к практическим занятиям и самостоятельной работе/ Голованов И.Г. – г. Ангарск: Изд-во АГТА, 2014.– 28с. – 28 с.

Методические указания содержат информацию по изучению дисциплине «Промышленные электротехнологические установки». Содержание основных разделов дисциплины, основные задачи и правила самостоятельной работы студентов над дисциплиной, задания для контрольной работы.

Для студентов всех форм обучения по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника»

Рецензенты:

к.т.н., доцент Павлов Владимир Евгеньевич кафедры «Электрический привод и электрофицированный транспорт» НИ ИрГТУ (г. Иркутск) к.т.н., профессор Войтов Олег Николаевич, ведущий научный сотрудник ИСЭ СО РАН им. Л.А. Мелентьева (г. Иркутск) Рекомендовано к изданию учебно-методическим советом факультета технической кибернетики Ангарской государственной технической академии.

© Ангарская государственная техническая академия, 2015 г.

© Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий»

Содержание Введение…………………………………………………………………………4

1. Переходные процессы в электротехнологических установках…………

2. Электрический расчёт печей сопротивления……………………………...11

3. Определение параметров нагревательных элементов………………….19

4. Индукционные тигельные печи………………………………………………25

5. Электрическая сварка. Расчёт сварочного трансформатора…………..40

6. Электролизные установки…………………………………………………….45

7. Электроэрозионные установки………………………………………………57

8. Ультразвуковые установки……………………………………………………62

9. Установки электронно-ионной технологии…………………………………71 Методические указания к самостоятельной работе студентов………...76 Контрольные задания………………………………………………………….88 Список литературы………………………………………………………….....95 Введение В соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта содержание дисциплины «Промышленные электротехнологические установки» для бакалавриата направления «Электроэнергетика и электротехника» определяется следующими видами профессиональной деятельности выпускника вуза:

– эксплуатационная;

– исследовательская по оценке эксплуатационных параметров систем электроснабжения;

–проектно-конструкторская и производственно-технологическая;

организационно-управленческая.

Промышленные электротехнологические установки изучаются для обеспечения подготовки к работе выпускника в области профессиональной деятельности по направлению «Электроэнергетика и электротехника».

Объектами профессиональной деятельности являются:

– электрические станции и подстанции, линии электропередачи;

– системы электроснабжения объектов и отраслей хозяйства;

– устройства автоматического управления, устройства контроля и измерения.

Бакалавр по данному направлению подготавливается к решению следующих задач:

– расчет схем и элементов защиты сетей и оборудования;

– определение оптимальных технологических режимов работы объектов электроэнергетики;

– испытание параметров электротехнологических процессов.

Предметом изучения данной дисциплины являются «Промышленные электротехнологические установки» как преобразователи электрической энергии в другие виды энергии и процессы, происходящие в этих установках, особое внимание уделяется влиянию их на электрическую сеть.

Главной целью дисциплины является подготовка бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника» в соответствии с требованями Государственного образовательного стандарта, формирование знаний по физическим основам, принципам действия, схемным и конструкторским решениям и управлению работой основных промышленных типов электротехнологических установок. По тематическому плану в дисциплине изучаются установки электротермии, электрической сварки, электролиза, электрофизической и электрохимической обработки материалов, ультразвуковой, электронно-ионной технологии.





Задачи дисциплины: овладение теорией и практикой технологических процессов, овладение знаниями в области конструкции и принципа действия электротехнологических установок, овладение навыками электротехнических расчетов, методами измерения и контроля параметров процессов, навыками анализа показаний измерительных приборов и систем т.п.

Материал дисциплины базируется и тесно связан с курсами: «Физика», «Химия», «Теоретические основы электротехники», «Информационноизмерительная техника и электроника», «Автоматизированный электропривод»

и используется в курсах «Оптимизация систем электроснабжения», «Электроснабжение промышленных предприятий», а также при выполнении курсовых и дипломных проектов и в практической деятельности инженераэлектрика.

Распределение времени на изучение данной дисциплины и сроков осуществляется в соответствии с учебным планом и графиком учебного процесса. Материал дисциплины прорабатывается на лекционных и аудиторно

– практических занятиях в сочетании выполнения самостоятельных аудиторных и домашних заданий.

–  –  –

Тема 1. Переходные процессы в электротехнологических установках В целом, промышленные электротехнологические установки - это преобразователи электрической энергии в другие виды энергии.

Причем процесс преобразования в большинстве случаев является циклическим, и каждый цикл характеризуется переходными процессами, в которых происходит изменение (уменьшение, увеличение) какой-либо физической величины. Например, изменение температуры, изменение тепловой энергии, изменение электрического напряжения, тока, кинетической энергии, частоты вращения, момента и т.п.

По этому вопросу подробно основной материал излагается на лекционных занятиях. Вместе с тем, основные положения считается необходимым кратко изложить в настоящих методических указаниях.

Так как любые переходные процессы совершаются во времени, то они могут быть описаны зависимостью x = f ( t ). Здесь х - конкретное значение физической величины, которая рассматривается в переходном процессе. Эти зависимости имеют между собою качественное сходство и в большинстве случаев могут быть описаны дифференциальными уравнениями первой степени, что вполне удовлетворительно для большинства инженерных расчетов (погрешность 3 – 5%).

dx а bx c, dt где a, b, c – постоянные величины уравнения, рассматриваемого процесса.

Решением данного уравнения являются равенства:

–  –  –

tnn = (3 – 4)Т. При этом физическая величина х достигает 95% и 98% от своего установившегося значения, т.е.

при t = 3T, x = 0,95xy; при t = 4T, x = 0,98xy; при t = 5Т, x = 0,9933xy.

Таким образом, равенства (1.1) и (1.2) описывают изменение физической величины во времени, кривая этих равенств называется экспонентой, которая может быть возрастающей (кривая 1) на рисунке 1.1 или спадающей (кривая 2).

Причем, и возрастающая и спадающая экспоненты, характеризующие изменение физической величины, стремящейся к установившемуся значению, ограничиваются асимптотами (рисунок 1.1), параллельными оси абсцисс.

–  –  –

Перед решением задач по переходным процессам студенту рекомендуется строить графики переходных процессов (схематично), без указания количественных значений параметров на графике и на координатных осях. По условию задачи и кривым на графике установить хнач, х у и другие значения параметров.

–  –  –

После отключения работающей печи на 20 мин., печь вновь была включена. За какое время печь нагреется до температуры 1000°С, если рабочая температура печи 1400°С, температура окружающей среды 20°С, постоянные времени нагрева и охлаждения равны, Тнагр = Тохл = 600о С.

–  –  –

1400о С, промежуточная температура, при которой печь вновь была включена, равна 0, а у = 2 0 ° С, Определяем температуру, соответствующей точке В, которая является начальной температурой возрастающей экспоненты ВСЕ.

Тогда на спадающей экспоненте:

–  –  –

Электрическая печь при включении нагревается от температуры окружающей среды нач = 2 5 ° С. Определить температуру печи через 20 мин.

После включения, если известно, что печь нагревается до температуры у =1800°С, постоянная времени нагрева печи Т = 800 с.

–  –  –

За какое время температура печи достигнет = 1000° С после включения, если известно, что печь нагревается до у = 1800° С. Температура окружающей среды нач = 20°С, а Т = 600°С. За какое время tm печь полностью нагреется?

–  –  –

Электрическая печь при включении нагревается от температуры окружающей среды нач = 2 5 ° С. Определить температуру печи через 20 мин. После включения, если известно, что печь нагревается до температуры у = 2000°С, постоянная времени нагрева печи Т = 900 с.

Тема 2. Электрический расчёт печей сопротивления

2.1 Методические указания Всю выделяющуюся в нагревателе мощность можно разбить на три составляющих:

1) мощность Pпол, воспринимаемую изделием от нагревателя (полезная мощность);

2) мощность Pпот, воспринимаемую футеровкой (мощность тепловых потерь);

3) мощность переизлучения между футеровкой и изделием.

Схема теплопередачи в электрической печи сопротивления представлена на рисунке 2.1.

Схемы расположения нагревательных элементов в электрическая печь сопротивления (ЭПС) показаны на рисунке 2.2.

Первый вариант (рисунке 2.2) соответствует реально существующим, но не широко применяемым печам; он близок к идеализированному варианту теплообмена системы «нагреватель–нагреваемое изделиефутеровка» – «идеальному нагревателю».

Два других варианта (рисунок 2.3 и рисунок 2.4) наиболее широко применяемые схемы рабочей камеры ЭПС.

–  –  –

Если в первом случае нагреватель, отдавая тепло нагреваемому изделию и футеровке, экранирует их друг от друга, то во втором и третьем – футеровка и нагреваемое изделие «видят друг друга». При рассмотрении процессов теплопередачи в печи с таким нагревателем приходится базироваться на следующих допущениях:

1) процесс теплообмена в камере печи принимается стационарным, соответствующим режиму наибольшей температуры нагреваемых изделий;

2) все участвующие в теплообмене тела являются серыми;

3) температуры всех точек поверхностей каждого из тел принимаются равными;

–  –  –

На рисунках 2.1, 2.2, 2.3 – 1) – нагреватель; 2) – изделие; 3) – футеровка.

Тогда можно представить энергетический баланс нагревателя, нагреваемого изделия и футеровки следующим образом: Энергетический баланс нагревателя:

–  –  –

– конвейер – металлический;

– теплоемкость материала конвейера – 477 Дж/кг·°С;

– начальная температура – 20о С;

– температура сушки – 200о С;

– сушатся влажные металлические изделия;

– средняя теплоемкость материала изделий – 963 – (в интервале температур 20 - 200°С);

– в течение одного часа прогревается 300 кг изделий;

– средняя теплоемкость воды – 4,187·103 Дж/кг ·оС;

– скорость испарения влаги – 4,16·10-3 кг/с;

– скрытая теплота испарения воды – 2,26·106 Дж/кг;

– средняя теплоемкость водяного пара при атмосферном давлении (в интервале температур от 100 - 200°С) – 2012 Дж/кг·°С;

– в печи в течение часа осуществляется четырехкратный воздухообмен;

– объем печи 100 м3;

– удельная теплоемкость сухого воздуха – 1021 Дж/кг·°С;

– плотность сухого воздуха – 0,916 кг/м3;

– мощность тепловых потерь с наружных поверхностей стенок печи составляет 20 % полезной мощности.

Решение:

Установленная мощность:

Р уст к3 Рпотр, где k3 - коэффициент запаса (принимаем k3 = 1,3).

Потребляемая мощность Рпотр Рпол Рвспом Рпотерь Рак, где Рпол – мощность, затрачиваемая на разогрев изделий;

Рвспом – мощность, затрачиваемая на разогрев вспомогательного оборудования (тары, транспортирующих устройств и т.д.);

Рпотерь – мощность, идущая на восстановление тепловых потерь;

Рак – мощность, аккумулируемая ограждающими конструкциями, находящимися в зоне повышенных температур; эта мощность требует сложного расчета нестационарных процессов, сопровождающих прогрев установки.

–  –  –

Таблица 2.1 – Значения коэффициента эф На рисунке 2.

5 представлены графики для определения коэффициента шага элемента нагревателя.

Рисунок 2.5 – Определение коэффициента г, в зависимости от типа

–  –  –

Электрическое сопротивление нагревателя (фазоветви) и удельная поверхностная мощность реального нагревателя рассчитывается по формулам:

–  –  –

– Параметры нагревательного элемента d, W, Lф, Rф, Wд;

– Массу и способ укладки нагревательного элемента в печи;

– Отношение ширины к толщине нагревательного элемента m.

–  –  –

гор удельное электрическое сопротивление материала в горячем где состоянии,Ом·м;

Wд – допустимая удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/м2 Рф – мощность на фазу, Вт.

–  –  –

где R – сопротивление нагревательного элемента.

Определение параметра нагревательного элемента в фазе ленты или стержня прямоугольного сечения; размер сечения,

–  –  –

Метод укладки нагревательного элемента в камере зависит от конструктивных размеров проволочного нагревателя спирального и ленточного зигзагообразного.

Тема 4. Индукционные тигельные печи Индукционные тигельные печи (ИТП) широко применяются в промышленности для плавки черных и цветных металлов как на воздухе, так и в вакууме и в защитных атмосферах.

В настоящее время используются такие печи емкостью от десятков грамм до десятков тонн. Тигельные индукционные печи применяют главным образом для плавки высококачественных сталей и других специальных сплавов, требующих особой чистоты, однородности и точности химического состава, что недостижимо при плавке в пламенных и дуговых печах.

4.1 Электрический расчёт индукционной тигельной печи

В данной главе приводятся последовательность инженерного электрического расчета с элементами расчета по [2, 3, 6, 7] индукционной тигельной печи и примеры расчета по отдельным этапам. Для проведения электрического расчета в качестве исходных данных необходимо знать:

– наименование расплавляемого металла или марку сплава и его состав;

– конфигурацию и характерные размеры кусков шихты;

– исходную температуру загружаемой шихты, для ферромагнитных материалов – температуру точки Кюри, температуру плавления и температуру разливки;

– удельные электрическое сопротивление шихты для вышеуказанных температур;

– теплосодержание или энтальпию, теплоемкость и скрытую теплоту плавления металла или сплава для вышеуказанных температур;

– емкость тигля;

– производительность печи;

– длительность процесса плавки;

– длительность вспомогательных операций;

– параметры питающей сети.

4.2 Расчет мощности индукционной тигельной печи

–  –  –

сопротивление расплавляемого металла или сплава. По данным [3], при плавке алюминия э = 0,5 – 0,6, при плавке чугуна и стали э = 0,7 – 0,85.

Мощность источника питания Рист должна быть несколько больше (на 5 – 10%) Ра активной мощности. Это связано с тем, что источник питания должен покрывать потери Р т.к. в токоподводе и в конденсаторах.

–  –  –

Рассчитать мощность источника питания индукционной тигельной печи емкостью G = 6 тонн.

Печь предназначена для плавки стали, имеющей следующие характеристики:

– температура разливки: t k 1600 о С;

–  –  –

– теплосодержание при температуре разливки: q = 1,42·106 Дж/кг;

– энтальпия при температуре разливки: Cp = 0,385 кВт·ч/кг;

– удельное сопротивление стали в холодном состоянии: х 0,2·10-6 Омм;

– удельное сопротивление стали при температуре потери магнитных свойств: ш 1·10-6 Ом·м;

– удельное сопротивление стали перед сплавлением кусков шихты:

'ш 1,2·10-6 Омм;

– удельное сопротивление стали при температуре разливки:

2 1,37·10-6 Ом·м.

Плавка стали производится без рафинирования, режим работы – на твердой завалке. Время плавки tпл = 1,5 ч. Средний диаметр кусков шихты dш = 0,8 м. В таблице 4.1 приведены удельные сопротивления в жидком состоянии.

–  –  –

4.3 Расчет частоты источника питания индукционной тигельной печи Расчет частоты индукционных тигельных печей производится исходя из выражения для определения глубины проникновения тока в загрузку:

–  –  –

где - удельное сопротивление загрузки, r относительная магнитная проницаемость загрузки, Гн/м;

0 – магнитная проницаемость вакуума, 0 = 4 107 Гн/м;

f – частота питающей сети, Гц.

Из (4.7) частота ИТП в общем виде равна:

–  –  –

При нагреве стали изменяются ее удельное сопротивление и магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость слабо зависит от температуры примерно до 650 – 700 oС, после чего быстро уменьшается и достигает значения, примерно равного проницаемости вакуума. B 1 в приближенных расчетах обычно считается, что она падает скачком до точке магнитных превращений (точке Кюри), примерно соответствующей температуре 750 – 770 oC.

На рисунке 4.1 исходное значение магнитной проницаемости принято равным 16, что объясняется применением при индукционном нагреве весьма сильных магнитных полей. Часто её исходное значение составляет 5 –

6. Зависимость удельного сопротивления от температуры для стали с содержанием углерода 0,4 - 0,5 % приведена на том же рисунке 4.1.

Из кривой видно, что в промежутке 15 – 800 оС удельное сопротивление возрастает примерно в 5 раз. В дальнейшем рост удельного сопротивления замедляется, причем значения его для разных сортов стали становятся почти равными. В среднем можно принять, что в интервале

–  –  –

шкалы частот источников питания электротермических установок – 50, 500, 1000, 2400, 4000, 8000, 10 000 Гц.

В тех случаях, когда выбор частоты ограничен в связи с наличием определенных источников питания, может оказаться целесообразным изменение гранулометрического состава шихты, увеличение среднего диаметра кусков.

–  –  –

Рассчитать частоту источника питания и выбрать источник питания индукционной тигельной печи. В качестве исходных данных принять исходные данные и результаты расчета примера 1. Минимальная частота тока индукционной тигельной печи, определяемая по (4.10):



–  –  –

Mcм – сменная производительность, т/см;

tпл – время плавки;

t всп – время разливки, загрузки и вспомогательных операций;

Таблица 4.2 – Удельное сопротивление некоторых металлов и сплавов в жидком состоянии

–  –  –

где – плотность металла или сплава при температуре разливки, т/м3.

Для определения формы тигля и соотношения между высотой загрузки и индуктора следует задаться значениями коэффициентов:

С1 D2 / a 2 ; C2 ф / D2 ; С3 а1 / а 2.

Выбор значений коэффициентов С1, С2 и С3, и основывается на технико-экономических факторах. Для удобства ведения металлургического процесса и из условия минимизации тепловых потерь диаметр и глубина загрузки должны быть приблизительно одинаковыми; для повышения же электрического КПД следует увеличивать высоту загрузки, уменьшая диаметр (пока сохраняется достаточно большое отношение радиуса садки к глубине проникновения тока).

Требования к толщине футеровки также противоречивы: с ее увеличением термический КПД печи растет, а электрический падает.

Кроме того, толщина футеровки должна быть достаточной для того, чтобы ее механическая прочность обеспечила надежную эксплуатацию тигля. По соображениям механической прочности внутреннюю поверхность тигля делают не цилиндрической, а конической с углом между образующей конуса и осью тигля в пределах 2 – 5о; при этом толщина стенки растет от поверхности металла к дну тигля в соответствии с ростом гидростатического давления. В условиях противоречивых требований целесообразно для выбора коэффициентов С1 и С2 применять экономический критерий. Значения коэффициента С1 должны лежать в таком диапазоне, чтобы соотношения между диаметром и высотой загрузки были приемлемы с точки зрения удобства ведения плавки.

–  –  –

Высота индуктора (без учета холостых витков) определяется по выражению:

а1 С3 а 2, м.

Как указывалось ранее, значение коэффициента С1 = 1,1 – 1,3.

Взаимное расположение индуктора и загрузки, а также индуктора и магнитопровода ( D м ) определяют из конструктивных соображений. Для ориентировочной оценки D м можно использовать отношение Dм / D1 1,1 1,5.

В печах средней частоты (открытых и вакуумных) обычно принимают симметричное расположение индуктора по отношению к загрузке. В печах промышленной частоты верхний уровень индуктора располагают на 10 30 % ниже номинального уровня расплава.

Для выравнивания температурного поля в стенке тигля непосредственно над рабочими витками индуктора устанавливают «холостую»

водоохлаждаемую катушку, не подключаемую к источнику питания.

Толщина футеровки в среднем сечении тигля определяется по выражению:

ф С2 D2, м.

Из графика (рисунка 2.3) определяется С2, как функция полезной ёмкости тигля G. Ориентировочно толщина футеровки в среднем сечении тигля может быть определена по эмпирической формуле [3]:

–  –  –

2 – удельное сопротивление расплава, Омм;

f – частота источника питания, Гц.

Высота мениска ( h м ) обычно не превышает 15 % полной высоты металла по оси тигля (а2).

–  –  –

Список литературы к индукционным печам

1. Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи; Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1967. – 416 с.: ил.

Фарбман С.А., Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки 2.

металлов и сплавов. Изд. доп. и перераб. – М.: Металлургия, 1968. – 496 с.

3. Фомин Н.И., Затуловский Л.М. Электрические печи и установки индукционного нагрева. – М.: Металлургия, 1979. – 247 с.

4. Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов /А.Е.Слухоцкий, В.С.Немков, Н.А.Павлов, А.В.Бамунэр; Под.

ред.А.Е.Слухоцкого. – Л.: Энергоиздат, Ленинградское отд-ние, 1981. – 328 с.

–  –  –

Представлены в таблице 4.2. Условия задач для самостоятельного решения брать в примерах №1, №2, №3 параметры берутся из таблицы 4.2 по вариантам (по последней цифре зачётной книжки).

Тема 5.Электрическая сварка.

Расчёт сварочного трансформатора Принцип действия сварочного трансформатора состоит в том, что его нагрузка непостоянна. Обычно считают, что доля времени работы под нагрузкой в цикле, состоящем из собственно сварки и паузы, не превышает 60%. Для бытовых сварочных трансформаторов нередко принимают еще меньшую величину – 20%, что позволяет без значительного ухудшения теплового режима увеличить плотность тока в обмотках трансформатора и уменьшить площадь окна его магнитопровода, необходимую для размещения обмоток. При сварочном токе до 150 А считают допустимой плотность тока в медной обмотке 8 А/мм 2, в

– 5 А/мм2. При заданной мощности габариты алюминиевой и масса сварочного трансформатора будут минимальны, если индукция в его магнитопроводе достигает максимально допустимого для выбранного материала значения.

Но самодеятельный конструктор обычно не знает этой величины, так как имеет дело с электротехнической сталью неизвестной марки. Чтобы избежать неожиданностей, индукцию обычно занижают, что приводит к неоправданному увеличению размеров трансформатора.

Расчет сварочного трансформатора

При создании сварочного трансформатора под конкретные цели приходится определять его рабочие характеристики заранее. Кроме этого, расчет сварочного трансформатора выполняется для определения количества витков первичной и вторичной обмоток, площади сечения сердечника и его окна, мощности трансформатора, напряжения дуги и прочего.

–  –  –

Для выполнения расчетов потребуются следующие исходные данные:

U1 – входящее напряжение первичной обмотки, В;

U2 – номинальное напряжение вторичной обмотки, В;

I – номинальная сила тока вторичной обмотки, А;

Sс – площадь сердечника, см2;

Таблица 4.2 – Исходные данные к задачам для самостоятельного решения

–  –  –

So – площадь окна, см2;

j – плотность тока в обмотке, A/мм2.

Рассмотрим на примере расчета для тороидального трансформатора со следующими параметрами: входящее напряжение U1=220 В, номинальное напряжение вторичной обмотки U2 = 70 В, номинальная сила тока вторичной

–  –  –

Данная формула применима только для тороидальных трансформаторов. Для трансформаторов с сердечником типа ПЛ, ШЛ используется коэффициент 1,7. Для трансформаторов с сердечником типа П, Ш

– 1,5.

Следующим шагом будет расчета, является определение количества витков для первичной и вторичной обмоток. Чтобы это сделать, вначале придется вычислить необходимое количество витков на 1 В. Для этого используем следующую формулу:

–  –  –

вторичной обмотки силу тока берем за константу в 200 А, так как возможно придётся использовать электроды с диаметром от 2 до 3 мм металл различной толщины. Конечно, на практике 200 А – это предельная сила тока, но запас в пару десятков ампер позволит аппарату работать более надежно.

Теперь на основании полученных данных рассчитываем количество витков для первичной и вторичной обмоток в трансформаторе со ступенчатым регулированием в первичной обмотке. Расчет для вторичной обмотки выполняем по следующей формуле:

w 2 U 2 K 70 0,77 54, (4) в результате получим w 2 = 54 витка. Далее переходим к расчету

–  –  –

Осталось рассчитать сечение провода для первичной и вторичной обмоток. Для этого используем показатель плотности тока в проводе, который равен j = 3 A/мм2. Формула довольно проста – необходимо максимальный ток каждой из обмоток разделить на плотность тока в проводке. В результате получим для первичной обмотки сечение провода Sперв = 10 мм2. Для вторичной обмотки сечение провода Sвтор = 66 мм2.

Тема 6. Электролизные установки Методические указания для практического решения задач Электрохимическим эквивалентом называется теоретическое q количество вещества, которое должно участвовать в электрохимическом процессе при прохождении через электролизёр (или элемент) единицы количества электричества.

Электрохимический эквивалент выражают в [г/А·ч]. Вычисление его основано на законах Фарадея, согласно которым:

M M q, z F z 2,68 где М – вес моля вещества (или А – вес грамм-атома вещества);

z – число электронов в реакции, оно соответствует количеству фарадеев электричества, участвующему в электрохимическом преобразовании одного моля (грамм-атома) вещества:

F – число Фарадея, равное 26,8 Ач.

Расчёты количества реагирующего вещества по его электрохимическому эквиваленту применимы для всех видов электрохимических процессов – катодных и анодных: для выделения на катоде металлов и газов, для растворения анодного металла и выделения на аноде продуктов электрохимического окисления, для электрохимических процессов, протекающих без образования новой фазы и т.д.

Значение электрохимического эквивалента для одного и того же вещества может быть различным в зависимости от вида электрохимического процесса, в котором данное вещество участвует. Например, для сернокислых растворов медного купороса, где медь двухвалентна, её электрохимический эквивалент равен 1,185 г/Ач, а для медноцианистых ванн, где медь одновалентна, электрохимических эквивалент меди вдвое больше и равен 2,37 г/Ач.

Количество электричества Q применительно к химическим источникам тока (ХИТ) принято именовать – ёмкостью. При расчёте теоретической ёмкости источника тока следует учитывать, что активные вещества в разнополярных электродах закладываются обычно в неэквивалентных количествах.

Важным параметром ХИТ являются их удельные характеристики:

– удельная ёмкость ХИТ определяется отношением величины фактической ёмкости к массе или объёму ХИТ:

–  –  –

Катодное выделение рафинированной меди производится на так называемых маточных листах, получаемых электролитическим осаждением меди на матричных основах в специальных ваннах.

Каковы будут масса и толщина маточного листа (без ушков) габариты 0,86х0,86 м, если длительность его наращивания составляет одни сутки при D = 200 A/м2 и выходе по току катодной плотности тока Вт = 96%?

–  –  –

Для устранения избытка меди, переходящей в электролит ванн рафинирования меди вследствие некоторого превышения анодного выхода по току над катодным, в медерафинировочном цехе устанавливают ванны регенерации электролита с нерастворимыми свинцово-сурьманистыми анодами. В таких ваннах раствор обедняется медью и обогащается серной кислотой.

Рассчитать количество меди, которое необходимо извлечь за сутки в ванных регенерации, чтобы поддержать постоянство состава циркулирующего электролита в цехе с n = 925 одновременно работающими ванными рафинирования меди нагрузкой I 10 кА. Катодный выход по току для ванн к обоих типов В т 95%. Количество меди, переходящей в раствор из анодов ванн рафинирования, на 2 % превышает количество катодно-осаждённой меди.

Сколько необходимо установить в цехе ванн регенерации нагрузкой I = 10 кА?

Решение:

1) Определяем суммарный процесс в ванне регенерации:

–  –  –

Анодная медь, подвергается электролитическому рафинированию, содержит 99,35% меди, 0,16% никеля, 0,017% мышьяка и некоторые другие примеси. При анодном растворении такой меди в электролит переходит К1 = 75% примеси никеля и К2 = 65% мышьяка. Объёмная плотность тока в ваннах D 2,8 А/л; объём электролита вне ванн равен 15% от объёма электролита в ваннах (к = 1,15). Анодный выход по току Вт = 96% (снижение в основном за счёт появления межэлектродных шунтирующих замыканий) После, какой продолжительности электролиза будет достигнуто

–  –  –

3 ]пред 3г / л (пренебречь осаждением этих примесей на катоде)? Какую и [As минимальную долю электролита необходимо выводить из оборота, чтобы не допустить превращения предельного содержания примесей в ходе процесса электролиза?

–  –  –

выводимого для удаления примесей, будет достигнут при постоянном предельном содержании основной примеси ( в данном случае – никеля) в растворе.

Поэтому минимальная доля объёма электролита, выводимая за сутки из оборота определяется:

–  –  –

На аффинажной переработке по извлечению серебра используются аноды из серебряно-медного сплава, содержащие 87,5% серебра и 12,5% меди. Анодно растворяются оба компонента сплава; полезное использование анодного тока 100%. Толщина анодов = 15 мм; плотность сплава d = 10,1 г/см3. Анодная плотность тока Da = 200 А/м2, аноды работают двухсторонне.

Скрап (анодный остаток) составляет 15% от первоначальной массы анодов.

–  –  –

На рафинирование никеля поступили аноды, содержащие: 90% Ni; 4% Cu; 3% Fe; 1% Co и другие примеси. Анодные примеси железа и кобальта растворяются полностью, медь – на (к = ) своего состава (считать, что при анодном процессе образуется только двухвалентная медь).

Каков состав анолита, выходящего из электролизёра, если в ванне рафинирования никеля нагрузкой I = 9000 A скорость циркуляции электролита Vэ = 0,65 м3/час?

–  –  –

катодный ток тратится на выделение водорода). использование тока на растворение анодного металла принять равным 100% (не учитывать расход тока на окисление сульфидов и других неметаллических примесей). Каково содержание никеля в католите при протекании его в анодное пространство?

–  –  –

H2SO4 в отработанном электролите? Катодный выход по току В т = 92%.

Считать, что анодный ток полностью расходуется на выделение О2. каковы нормальные объёмы газов, выделяющихся при электролизе (Н2 и О2)?

Рассчитать часовой расход воды на ванну (без учёта расхода охлаждающей воды), если зеркало раствора в ванне S = 1,8 м2, скорость испарения воды К1 = 0,7 кг/м2, уходящие газы содержат m = 40 воды/нм3. Принять, что объём растворов при электрохимическом превращении ZnSO4 H2SO4 не меняется.

–  –  –

Рассчитать теоретическое значение напряжения разложения сернокислого раствора ZnSO4 (с учётом выделения на катоде только цинка)

–  –  –

При электролитическом получении железного порошка на катоде лабораторной ванны нагрузкой I = 1,6 A выделилось за 40 мин процесса t 110 мл водорода, насыщенного парами воды (сбор газа над водой;

температура t = + 20о С, давление В = 740 мм. рт. ст.

Рассчитать выход по току для выделившегося порошка железа (на катоде протекают только два процесса – выделение железа и водорода).

Задача № 5

Скорость циркуляции электролита рафинирования меди через ванну регенерации раствора нагрузкой 10 кА равна 20 л/мин; концентрация поступающего раствора: 86,6 г/л СuSO4, 160 г/л H2SO4.

Рассчитать концентрацию компонентов в электролите, выходящем из ванны регенерации. Какой объём кислорода (приведённый к нормальным условиям) выделяется из ванны за 1 час (аноды нерастворимые)? Катодный (по меди) и анодный (по кислороду) выхода по току равны 97%.

Задача № 6

Ванна рафинированного свинца с кремнефтористым электролитом, основой которого является PbSiF6, работает при катодной плотности тока Dk = 150 А/м2, выходе по току Вт = 96% и среднем рабочем напряжении 0,42 В.

наращивание рафинированного металла проводят на свинцовых маточных листах толщиной 1,0 мм и габаритами 800х600 мм. Цикл наращивания катодов длится 6 суток.

–  –  –

Скорость циркуляции электролита в ванне рафинирования никеля нагрузкой 9000 А составляет 0,6 м3/ч.

Какова концентрация никеля в католите при переходе последнего в анодное пространство, если в катодные ящики ванны подаётся раствор, содержащий 65 г/л Ni ? Катодный выход по току равен 96%.

–  –  –

Рабочая поверхность одной стороны алюминиевой основы катода электролизёра для получения цинка составляет 600Х980 мм.

Продолжительность осаждения цинка на катоде 24 часа.

Каковы масса и средняя толщина полученного цинкового катодного, листа если рабочая плотность тока равна 500 А/м2, а катодный выход по току Вт = 90 %?

Задача № 9

Средняя напряжение на одиночную ванну рафинирования никеля равно 2,7 В; потери напряжения в соединительных и главном шинопроводах цеха составляют примерно 3% от напряжения ванн, выход по току никеля Вт = 96 %.

Каков удельный расход электроэнергии на 1 тонну рафинированного никеля?

Задача № 10

При электролитическом получении металлического хрома из раствора хромово-аммонийных квасцов [(NH4)2SO4·Cr2(SO4)3] выход по току для хрома составляет около 40 %.

Рассчитать:

а) суточную производительность по хрому электролизёра нагрузкой 5000 А;

б) удельный расход электроэнергии на 1 кг катодного хрома, если напряжение на ванне равно 4,5 В.

Тема № 7 Электроэрозионные установки Методические указания На рисунке 7.1 представлена схема импульсного генератора электроэрозионной установки типа RC.

–  –  –

В этом генераторе конденсатор С периодически заряжается от источника постоянного тока напряжением U (100 – 250 B) через токоограничивающее сопротивление R1. При достижении на конденсаторе некоторого значения напряжения происходит пробой межэлектродного промежутка (разрядное сопротивление), и энергия, Rp накопленная конденсатором, выделяется практически мгновенно, в виде мощного импульса тока. Длительность импульса зависит от ёмкости конденсатора. По мере разряда конденсатора напряжение на нем снижается и при значении его, несколько меньшем необходимого, для поддержания дугового разряда разрядный ток между электродами прекращается, хотя конденсатор еще полностью не разрядился, т.е. на конденсаторе будет остаточное напряжение. Однако при наличии некоторой индуктивности (часто, достаточно собственной индуктивности цепи разрядного контура конденсатора) оказывается иногда достаточным для поддержания тока за счет ЭДС самоиндукции через междуэлектродный промежуток еще некоторое время после окончания импульса, вследствие чего конденсатор полностью разряжается.

Частота следования импульсов разряда конденсатора на междуэлектродный промежуток зависит не только от ёмкости конденсатора, но и от параметров цепи разряда конденсатора.

Задача № 1

На схеме (рисунок 7.1) напряжение питания импульсного генератора U = 180 В, R 1 = 1 0 Ом, R 2 = 0,5 Ом, R p = 0, 5 Ом, конденсатор имеет емкость С = 12 мкФ, напряжение пробоя разрядного промежутка U n = 1 4 0 В, остаточное напряжение на конденсаторе после его разряда U0CT = 6 В. Определить:

1 ) время полного заряда конденсатора, если бы он заряжался до напряжения питания U = 180 В;

2 ) запасенную энергию конденсатора при U = 180 В;

3) время заряда конденсатора от нуля до напряжения пробоя Un = 140 В (участок OA на рисунок 7.2);

–  –  –

Д А С Е 6

–  –  –

4) запасенную энергию конденсатора при Un =140 В;

5) остаточную энергию конденсатора после разряда;

6) время заряда конденсатора после разряда (U0CT) до напряжения пробоя (Un);

7)время разряда конденсатора на разрядный промежуток (от Un до U0CT);

8)частоту следования импульсов разряда конденсатора.

–  –  –

Для решения задачи необходимо построить график кривых заряда и разряда конденсатора, а также определить постоянные времени переходных процессов заряда и разряда конденсатора.

постоянная времени переходного процесса (заряд, разряд) конденсатора определяются:

–  –  –

где Rp – сопротивление цепи разряда конденсатора, Ом.

1) Время полного переходного процесса заряда конденсатора определяется независимо от напряжения:

–  –  –

U нач 0 напряжение на конденсаторе в начале переходного процесса, В;

U напряжение на конденсаторе по истечению времени t от начала переходного процесса, В;

U у напряжение на конденсаторе в конце переходного процесса, вы данном случае U = 180 В.

4) Запасённая энергия конденсатора при U = 140 В (перед разрядом) определяется:

–  –  –

U у установившееся напряжение при заряде конденсатора равное 180 В.

7) Время разряда конденсатора на разрядный промежуток (часть

ДЕ характеристики разряда) от Uп до Uост определится:

–  –  –

U у 0 установившееся напряжение конденсатора при разряде, В.

8) Частоту следования импульсов разряда конденсатора можно определить через период времени «Заряд + разряд», т.е.:

–  –  –

Задачи для самостоятельного решения Для самостоятельного решения задач используйте условия задачи № 1, а данные из таблицы 7.1. Решение выполняется по вариантам, которые выбираются по последней цифре зачётной книжки.

Тема 8. Ультразвуковые установки

8.1 Ультразвуковые системы обработки металлов Ультразвуковая обработка металлов применяется в электротехнологических установках с помощью создания ультразвуковых колебаний с частоты выше 16 кГц. Основным источником ультразвуковых колебаний является генератор ультразвуковых колебаний. Принципиальная схема такого генератора представлена на рисунке 8.1. Поэтому основным теоретическим электротехническим расчётом будет являться расчёт в определении параметров частоты излучения, генератора ультразвукового излучения для обработки площади поверхности металлической заготовки.

Методические указания Таблица 7.1 – Параметры к задаче для самостоятельного решения

–  –  –

В такой схеме включения корректирующий фильтр образуется собственной электрической емкостью пьезоэлементов С и индуктивностью дросселя L. Электрическое соединение собственной емкости пьезоэлементов С и активного сопротивления потерь R совместно с индуктивностью L дросселя обеспечивает электрический резонанс на частоте, близкой или соответствующей механической частоте, используемой ультразвуковой колебательной системы. Амплитудно-частотная характеристика электрического колебательного контура, соединяющего генератор электрических колебаний и ультразвуковую колебательную систему, показана кривой 1 на рисунке 8.2 Добротность этого электрического колебательного контура не превышает нескольких единиц. Из рисунка 8.2 следует, что fэл соответствует резонансной частоте электрического колебательного контура и на нем возникает некоторое электрическое напряжение Uс, Ультразвуковая колебательная система с каждым из используемых рабочих инструментов обладает собственной резонансной частотой механического резонанса.

Рисунок 8.2 - Распределение электрических напряжений при различной частоте обработки металла В качестве примера рассмотрим ультразвуковую колебательную систему с пятью различными рабочими инструментами (для выполнения отверстий диаметрами 25, 20, 15, 10, и 5 мм), характеризуемыми собственными частотами механического резонанса f1, f2, f3, f4, f5.

Частота f5 больше частоты f1. При отсутствии корректирующего фильтра, представляющего собой электрический колебательный контур, и совпадении электрической частоты генератора с собственной частотой механических колебаний каждого из рабочих инструментов на колебательные системы будут подаваться одинаковые электрические напряжения U1, и все рабочие инструменты будут обеспечивать ввод в обрабатываемые объекты ультразвуковых колебаний равной мощности.

При наличии согласующего электрического колебательного контура, характеризуемого наличием собственной амплитудно-частотной характеристики (схематично показанной на рисунке 8.2 кривой 1), и рабочих инструментов, обеспечивающих различные собственные частоты механических резонансов колебательных систем, возбуждение колебательных систем будет происходить различными электрическими напряжениями. На рисунке 8.2 показано, что низкочастотные колебательные системы с большими по диаметру рабочими инструментами будут возбуждаться большими электрическими напряжениями. Из приведенных рассуждений очевидно, что выполнение рабочих инструментов с большей рабочей поверхностью (например 75,5 мм2) низкочастотными, а рабочих инструментов с меньшей рабочей поверхностью (до 12,5 мм2) более высокочастотными, обеспечивает их возбуждение различными электрическими напряжениями и позволяет получить равные амплитуды колебаний (или интенсивности) всех рабочих инструментов.

Обеспечение равных интенсивностей обеспечивает равную производительность и энергоемкость процесса ультразвуковой обработки хрупких твердых материалов. Кроме обеспечения равной производительности и энергоемкости, предложенный способ управления процессом ультразвуковой размерной обработки позволяет расширить функциональные возможности ультразвуковой размерной обработки за счет резонансного повышения амплитуды электрического напряжения, воздействующего на колебательную систему с большими по размеру выполняемых отверстий рабочими инструментами. Практически это позволяет выполнять отверстия диаметром до 25 мм с помощью ультразвукового генератора, позволявшего ранее выполнять отверстия диаметром до 13…15 мм. Следует отметить, что симметричность амплитудно-частотной характеристики электрического колебательного контура позволяет выполнять большие по диаметру рабочие инструменты более высокочастотными (приближая их рабочую частоту к резонансной частоте электрического колебательного контура), а меньшие по диаметру рабочие инструменты выполнять все более низкочастотными по мере уменьшения их диаметра. Однако такой путь менее практичен, так как большие по диаметру и, следовательно, по массе рабочие инструменты легче выполнить более низкочастотными, чем меньшие по диаметру и более легкие инструменты.

Для установления аналитических зависимостей между площадью рабочей поверхности инструмента и собственной рабочей частотой ультразвуковой колебательной системы рассмотрим электрическую схему корректирующего фильтра, представляющего собой последовательный резонансный электрический колебательный контур. Этот электрический колебательный контур состоит из последовательно включенных активного сопротивления собственных потерь R, индуктивности дросселя L и электрической емкости пьезоэлектрических элементов С. Параметры контура на практике легко измеряются по известным методикам. Для установления величины электрического напряжения, обеспечивающего воздействие на ультразвуковую колебательную систему, определим электрическое напряжение Uc на собственной ёмкости пьезоэлемента С.

–  –  –

I A.

k Таким образом, полученное аналитическое выражение позволяет определить рабочую частоту колебательной системы по заданной площади рабочего инструмента колебательной системы. На основе выше изложенной методики были проведены расчеты частоты рабочего органа колебательной системы, которая питается генератором электрических колебаний с частотой 22 кГц. Внешний (рабочий) диаметр рабочего инструмента в расчетах принимался различным от 3 до 25 мм, и ставилось условие обеспечения интенсивности ультразвукового поля на излучающей поверхности рабочего органа, равной 5 Вт/см2. Толщина стенки рабочего инструмента цилиндрической формы для обеспечения заданной интенсивности варьировалась от 0,5 до 1 мм. В результате теоретических расчетов были определены рабочие частоты колебательной системы с различными рабочими инструментами.

Для быстрой смены всех инструментов используются лыски на боковой поверхности вблизи места контакта с поверхностью концентратора. На цилиндрическом участке поверхности концентратора также выполняются лыски под ключ.

–  –  –

1. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки/ Под ред В.А. Волосатова. – Л.: Машиностроение. Ленинград. отдние, 1988. – 719 с.

<

–  –  –

Определить рабочую частоту излучателя генератора ультразвуковых колебаний. Исходные данные для расчёта представлены в таблице 8.1.

Таблица 8.1 – Исходные данные для решения задач

–  –  –



Pages:   || 2 |




Загрузка...




 
2016 www.metodichka.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Методички, методические указания, пособия»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.