Электротехнологические установки - файл n1.docx

приобрести
Электротехнологические установки
скачать (383.8 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx504kb.05.06.2010 20:17скачать

n1.docx

Контрольная работа №1

«Электрооборудование печей сопротивления»
Для трехфазной печи сопротивления выбрать материал нагревателя и определить конструктивные размеры нагревателя.

Исходные данные

Конструкция нагревателя

Относи-тельные витковые расстояния

Нагре-ваемый металл

Схема соединения нагревателей

Мощность печи, кВт

Рабочая темпе-ратура в печи, оС

Напря-жение сети, В

Ленточный зигзаг

2,0

сталь



54

700

380

Решение:

1) По рабочей температуре в печи (максимальная температура нагрева изделия Qизд) выбирается материал нагревательного элемента. Рабочая температура нагревателя принимается на 50ч200оС выше температуры изделия





Выбираем материал нагревательного элемента нихром.
2) Для выбранного материала с учетом его рабочей температуры и температуры изделия по рис.6 определяется удельная поверхностная мощность идеального нагревателя, ?ид.


3) Для заданной конструкции рассчитываем реальную удельную поверхностную мощность, ?.



где ?эф = 0,4– коэффициент эффективности излучения нагревателя

“ ленточный зигзаг ” при минимальных относительных витковых расстояниях; ?г = 1,55– коэффициент шага, учитывающий влияние на ? относительных витковых расстояний; Спр – приведенный коэффициент излучения изделия.



где - коэффициенты теплового излучения материала нагревателя и изделия (сталь – 0,8; нихром – 0,8).



тогда
4) Определяем основные размеры нагревателей.

Для нагревателей прямоугольного сечения задаются соотношением сторон сечения В/а=m=10

мм

где - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя при рабочей температуре 0м∙м Ом∙м;

Р=54/3=18 кВт - мощность одной фазоветви;

U=380В - напряжение на нагревателе данной фазы;

? - удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/м2.

Выбирается стандартное ближайшее сечение нагревателя 1х10, из следующей шкалы, мм ,

1х10; 1,5х15; 2,0х15; 2,2х20; 2,5х20; 3,0х20; 2,2х25; 2,5х25; 3,0х35; 2,2х30; 2,5x30; 3,0х30; 2,2х36; 2,5х36; 3,0х36; 2,2х40; 2,5х40; 3,0х40.
5) Рассчитываем активное сопротивление нагревателя и вес нагревателя для всей печи:

Ом

А
м

где n - количество фазоветвей

м

кг

где ? - плотность материала нагревателя (нихром), ? = 7800 кг/м3,
5) Уточняем значение удельной поверхностной мощности:

Вт/м2

Сравнивая со значением, положенным в основу расчета, можно сделать заключение о наличии незначительного расхождения. Основные характеристики нагревателя и печи сведены в таблицы 1.1 и 1.2.
Таблица 1.1

Характеристика нагревательного элемента

Материал,

конструкция

Для одной фазоветви

?исходн

?уточн.

Вт/м2 104

а*В

мм

l,
м

G,
Кг

P,

кВт

U,

В

I,

A













Нихром,

Ленточный зигзаг

18

380

47,37

1,35,

1,53

1х10

160,44

12,514


Таблица 1.2

Характеристика печи как потребителя электроэнергии

P,

кВт

U,

В

Схема

соединения нагревателей

Количество фазоветвей

Ток фазы,

А

Ток

линейный,

А

54

380



3

47,37

82,05

Контрольная работа №2

«Электрические дуговые печи»
В ходе выполнения работы необходимо построить круговую диаграмму, рабочие и электрические характеристики дуговой печи. Определить возможные и оптимальные режимы работы печи. Рассчитать изменение активного и индуктивного сопротивления двух индуктивно связанных электрических цепей в результате действия эффекта переноса мощности.

Исходные данные

Вторичное напряжение трансформатора,

, В

Среднее активное сопротивление схемы замещения (из опыта 3-х фазного к.з.), , мОм

Мощность тепловых потерь, , кВт

Среднее индуктивное сопротивление схемы замещения (из опыта 3-х фазного к.з.), , мОм

269,8

0,9

520

4,2


Для определения возможных и оптимальных режимов работы печи необходимо рассчитать и построить круговую диаграмму, рабочие и электрические характеристики печи.

1. Построение круговой диаграммы

1.1. Построение схемы замещения реальной трехфазной схемы электроснабжения ДСП. Расчет фазного напряжения. Схема замещения (рис 2.1), правомерна только при наличии следующих допущений:

- ДСП является симметричной трехфазной нагрузкой в системе электроснабжения, поэтому достаточно рассмотреть одну из фаз в сети;

- все сопротивления (активные и реактивные) элементов схемы электроснабжения: кабельной линии (КЛ), трансформатора (Т), «короткой сети» (КС) постоянны и не зависят от силы тока. Только сопротивление дуги () может произвольно изменяться в зависимости от длины.

Фазное напряжение на вторичной обмотке трансформатора:



безымянный

Рисунок 2.1 – Схема замещения

1.2. Определение тока К.З.

При К.З. сопротивление дуги равно нулю (электрод отпущен в металлическую ванну), поэтому согласно закона Ома:

А

1.3. Построение треугольника напряжения при коротком замыкании (рис. 2.2).

Индуктивное падение напряжения В

Активное падение напряжения В.

Угол - сдвиг фаз и напряжения печи при коротком замыкании.

Фазное напряжение .

Таким образом и при всех других режимах, сумма всех активных и индуктивных падений напряжения в схеме равна , то вершина вектора лежит на окружности.

Так как индуктивное сопротивление Х неизменно, то величина отрезка пропорциональна величине тока. Получаем следующий масштаб тока:

мм/кА или кА/мм

1.4. Построение треугольника напряжений при произвольном значении тока.

Допустим, задан ток кА. В этом случае по горизонтали откладываем отрезок мм. Из точки С восстанавливаем перпендикуляр до окружности в

результате получим отрезок и В - падение напряжения.

Круговая диаграмма позволяет построить электрические характеристики печной установки в функции тока . Расчетные выражения для различных характеристик сведем в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 – Расчет характеристик дуговой печи

Наименование характеристики

Расчетное выражение

Аналитическое

на основе круговой диаграмме

Мощность электрических потерь, , кВт





Активная мощность, , кВт





Мощность дуги,, кВт





Электрический КПД, о.е.





Коэффициент мощности, о.е.





Напряжение на дугах, , В





Рисунок 2.2 – Круговая диаграмма дуговой печи
2. Расчет электрических характеристик в относительных единицах. Графическое построение электрических характеристик.

За базовую величину принимаем ток идеального короткого замыкания:

кА

Базовая мощностькВА

Получаем следующие текущие значения тока и мощности в относительных единицах:

; ; .

В этом случае рабочие электрические характеристики, построение в относительных единицах будут одинаковы для печей с одним и тем же значением и рассчитываются по формулам:

Коэффициент мощности:

КПД:

Активная мощность печи:

Мощность электрических потерь:

Напряжение дуги:

Мощность дуги:

Значение электрических параметров определяем при относительном значении тока в пределах , и заносим в таблицу 2.2.

Абсолютные значения параметров определяются по формулам:



Таблица 2.2 – Расчет электрических параметров печи

I*

0,1

0,25

0,4

0,5

0,7

0,82

0,98

Относительные значения



0,995

0,968

0,917

0,866

0,714

0,572

0,20



0,979

0,945

0,907

0,876

0,79

0,693

0



0,0995

0,242

0,367

0,433

0,5

0,469

0,196



0,002

0,013

0,034

0,054

0,105

0,144

0,206



0,974

0,915

0,831

0,760

0,564

0,396

0



0,097

0,23

0,332

0,38

0,395

0,325

0

Абсолютные значения



1729,6

4206,67

6379,53

7526,8

8691,46

8152,6

3407,05



34,77

225,98

591,02

938,68

1825,2

2503,14

3580,88



1686,14

3998,07

5771,13

6605,5

6866,25

5649,45

0



151,95

142,74

129,64

118,56

87,98

61,78

0



3,71

9,30

14,86

18,57

26,00

30,46

36,40

3. Построение рабочих характеристик. Определение оптимальных режимов работы печи.

Для определения рабочих характеристик используем следующие выражения:







где , , , – активная, полезная мощность, мощность дуги и тепловых потерь, кВт;

, - теоретический и физический расход электроэнергии, кВт ч/т; принимаем кВт ч/т;

- часовая производительность, т/час;

- время расплавления 1т металла, час/т.

Результаты расчета данных характеристик при различных значениях тока сведены в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 – Расчет рабочих параметров печи




0,1

0,25

0,4

0,5

0,7

0,82

0,98



3,43

10,23

15,45

17,90

18,67

15,09

0

, кВт ч/т

504,26

411,21

412,92

420,49

465,53

540,27

0



0,674

0,827

0,823

0,810

0,730

0,629

0

Расчет данных характеристик при различных значениях тока позволяет построить рабочие характеристики (рисунок 2.3). Совместный их анализ с электрическими характеристиками печи позволяет определить оптимальные режимы работы печи.

По характеристикам определяем токи, которые дают возможные пределы работы печи. Возможные пределы работы задаются пересечением характеристики и прямой, параллельной оси токов, представляющей мощность тепловых потерь . В установившемся режиме, когда температура в печи относительно стабильна, мощность тепловых потерь также стабилизируется и не зависит от величины тока. Физически возможные пределы работы определяем тем, что печь может работать только в том случае, если мощность, выделяемая в дугах, будет превышать мощность тепловых потерь печи.

при .

Зависимость УРЭ от тока имеет минимальное значение при токе , этому же соответствует максимальное значение КПД . То есть ток определяет оптимальный энергетический режим.

Зависимость производительности печи от тока имеет максимальное значение при токе , который соответствует максимальному значению мощности дуг. Этому току соответствует минимальное время расплавление металла. Ток определяет режим максимальной производительности. Работа печи в диапазоне токов называется оптимальным режимом работы. Для удобства построения графиков сведем все данные в таблицу 2.4.
Таблица 2.4 - Электрические и рабочие характеристики печи



Электрические характеристики

Рабочие характеристики





























3,43

504,26

0,674













10,23

411,21

0,827













15,45

412,92

0,823













17,90

420,49

0,810













18,67

465,53

0,730













15,09

540,27

0,629













-

-

-

На рисунке 2.3 приведены рабочие характеристики печи.


Рисунок 2.3 – Рабочие характеристики дуговой печи
На рисунке 2.4 приведены электрические характеристики печи.




Рисунок 2.4 – Электрические характеристики дуговой печи

Контрольная работа №3

«Расчет электрического баланса печи сопротивления периодического действия»
Рассчитать энергетический баланс печи сопротивления периодического действия на основе исходных данных приведенных ниже. Составить сводную таблицу статей энергетического баланса. Сделать выводы по возможному улучшению режима электропотребления на исследуемой печи.

Исходные данные

Нагреваемый металл

Загрузка печи, т

Температура внутренней поверхности кладки в начале отжига, 0С

Время нагрева до температуры отжига, ч

Температура подсушивания, 0С

Мощность печи, кВт

высокопрочный чугун

15

50

9

650

900


Электротермические установки являются одними из наиболее крупных потребителей электроэнергии в промышленности, поэтому особо важна оптимизация их режима работы. Энергетический баланс позволяет выявить потери и определить возможности экономии электроэнергии.

Энергетический баланс выявляет соотношение между общим количеством электроэнергии потребляемой печью, полезным расходом (нагрев заготовок), сопутствующим расходом (нагрев печи, поддона и т.д.) и величиной потерь энергии передачи и трансформации.
1. Полезный расход энергии на нагрев металла до температуры отжига



где - удельная теплоемкость металла, в 1 цикл отжига - Дж/кг0С; во 2 - Дж/кг0С;

- вес отжигаемого металла, кг;

, - температура металла в начале и конце нагрева,

1 цикл отжига: 0С, 0С;

2 цикл отжига: 0С, 0С;

Получаем следующие значения полезного расхода:

1 цикл отжига: МДж

2 цикл отжига: МДж
2. Потери энергии через футеровку печи

Расчет ведется для каждой поверхности печи по формуле расчета теплопередачи через плоскую многослойную стенку.



где - удельный тепловой поток, в 1 цикл отжига - Вт/м2; во 2 - Вт/м2;

- расчетная площадь поверхности, м2;

- время потерь, с.

На 1 цикле отжига время потерь складывается из времени нагрева до температуры отжига и времени самого цикла отжига .

с

На 2 цикле отжига время потерь складывается из времени нагрева от температуры подстуживания металла до температуры 2 цикла отжига (0,5 часа) и времени 2 цикла отжига .

с

Получаем:

1 цикл отжига: МДж

МДж

МДж

2 цикл отжига: МДж

МДж

МДж
3. Потери энергии на тепловые короткие замыкания

Данный расход энергии появляется вследствие нарушения сплошности кладки печи трубками термопар и выводами нагревателей. Величина потерь принимается равной 50% от потерь теплопередачей через кладку печи.



где , , - потери энергии теплопередачей через стены, свод и под печи, МДж.

Получаем:

1 цикл отжига: МДж

2 цикл отжига: МДж
4. Расход энергии на аккумуляцию тепла кладкой печи



где - количество циклов отжига;

- удельная теплоемкость материала i-го слоя кладки,

шамот - Дж/кг0С; диамот - Дж/кг0С;

шлаковата - Дж/кг0С; кожух - Дж/кг0С;

засыпка пода - Дж/кг0С; асбест пода - Дж/кг0С;

жароупорная плита - Дж/кг0С;

- вес материала i-го слоя, кг;

шамот - кг; диамот - кг;

шлаковата - кг; кожух - кг; засыпка пода - кг;

асбест пода - кг; жароупорная плита - кг;

, - средняя температура i-го слоя в начале и конце нагрева, принимается одинаковой для всех слоев равной разности температур внутреннего слоя камеры печи в начале и конце нагрева.

1 цикл отжига: 0С, 0С, т.е. 0С;

2 цикл отжига: 0С, 0С, т.е. 0С.

Получаем:

1 цикл отжига:



МДж

2 цикл отжига:



МДж
5. Суммарные тепловые потери энергии

Суммарный расход энергии, обусловленный неизбежными потерями тепловой энергии рассчитывается за все циклы отжига



где - энергия, аккумулируемая печью за j-й цикл отжига, МДж;

- потери энергии теплопередачей через кладку печи за j-й цикл отжига, МДж;

- потери энергии на тепловые короткие замыкания за j-й цикл отжига, МДж

Получаем:

1 цикл отжига: МДж

2 цикл отжига: МДж
6. Электрические потери, связанные с трансформацией и передачей энергии

Электрические потери представляют сумму потерь энергии в трансформаторе и кабельной сети



где - потери энергии в трансформаторе, МДж;

- потери энергии в кабельной сети, МДж;
6.1 Потери энергии в трансформаторе



где - мощность холостого хода трансформатора, Вт;

- мощность короткого замыкания трансформатора, Вт;

- коэффициент загрузки трансформатора;

- время потерь, в расчете берется время нагрева, с

Коэффициент загрузки трансформатора:



где - расчетная мощность печи, Вт;

- мощность трансформатора, кВА;

- коэффициент мощности печи;

Расчетная мощность печи:



где - коэффициент загрузки нагревателей, принимается равным в режиме нагрева 1, в режиме отжига – 0,333;

- номинальная мощность нагревателей, кВт;

- коэффициент включения нагревателей, принимается равным в режиме нагрева 1, в режиме отжига – 0,5;

Таким образом, подставив числовые значения в выражения получим расчет потерь энергии в трансформаторе для режима нагрева и отжига. Расчет сведен в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 – Расчет потерь энергии в трансформаторе

Режим работы

Нагрев

Отжиг

Расчетная мощность печи , кВт

900

149,85

Коэффициент загрузки трансформатора

1,0

0,167

Потери энергии , МВт

474,66

50,22


6.2 Потери энергии в кабельной сети



где - ток в фазе, А;

- сопротивление жилы кабеля, Ом;

- время потерь, с

Ток в фазе сети определяем по формуле:



где - напряжение сети, В;

Сопротивление жилы кабеля:



где - сопротивление жилы кабеля на единицу длины, 1 участок - Ом/м; 2 участок - Ом/м

- длина участка кабельной линии, 1 участок - м; 2 участок - м.

Подставив числовые значения в выражения получим расчет потерь энергии в кабельной сети для режима нагрева и отжига. Расчет сведен в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Расчет потерь энергии в кабельной сети

Режим работы

Нагрев

Отжиг

Ток в фазе, , А

1299,04

216,29

Сопротивление жилы, , Ом

0,016

Потери энергии, , МВт

2624,41

40,42

Получаем электрические потери;

МДж

МДж

7. Общий расход и приход энергии из электрической сети

Общий расход энергии за весь технологический цикл включает:

- расход энергии на нагрев металла;

- расход энергии на тепловые потери;

- расход энергии на электрические потери.



Получаем:

1 цикл отжига: МДж

2 цикл отжига: МДж

Расход энергии на весь технологический процесс:

МДж

8. Энергетические показатели работы печи сопротивления

- удельный расход электроэнергии:

МДж/кг

- термический коэффициент полезного действия:



- электрический коэффициент полезного действия:



- полный коэффициент полезного действия:



В таблице 3.3 приведены статьи энергетического баланса.
Таблица 3.3 – Энергетический баланс электрической печи сопротивления периодического действия

Показатели работы

Наименование

Ед. изм.

Величина

Вес отжигаемого металла

кг

15000

Температура отжига по 1 циклу

град

945

Температура отжига по 2 циклу

град

730

Температура после 1 цикла

град

650

Температура кладки начальная

град

50

Время 1 цикла

час

3

Время 2 цикла

час

5

Удельный расход электроэнергии

МДж/кг

2,98

кВт.ч/т

827,95

Электрический КПД

-

0,93

Термический КПД

-

0,19

Полный КПД

-

0,17

Статьи баланса

Расход энергии

МДж

кВт.ч

%

Нагрев металла

7718,85

2144,13

17,27

Потери тепловые

33800,96

9389,17

75,60

через свод

648,227

180,06

1,45

через под

487,556

135,43

1,09

через стены

1351,858

375,52

3,02

аккумуляция кладкой печи

30069,502

8352,65

67,26

тепловые к.з

1243,82

345,51

2,78

Потери электрические

3189,71

886,03

7,13

в трансформаторе

524,88

145,80

1,17

в кабельной сети

2664,83

740,23

5,96

ИТОГО

44709,52

12419,33

100

Вывод: из анализа энергетического баланса печи сопротивления следует, что на покрытие тепловых потерь расходуется 75% энергии. Также велики потери на аккумуляцию тепла кладкой печи. Они на прямую зависят от температуры камеры печи в начале цикла отжига. То есть, чем дольше длиться замена тележки с металлом, тем ниже температура в начале нового цикла, тем больше уходит энергии на нагрев новой партии металла. Не выгодны получаются длительные простои сутки и более. Дополнительное снижение фактических удельных расходов электроэнергии может быть достигнуто за счёт следующих мероприятий:

а) уменьшение потерь энергии на аккумуляцию тепла кладкой печи при применении лёгких и эффективных огнеупорных и теплоизоляционных материалов (легковесов);

б) уменьшение тепловых потерь через футеровку, что достигается применением материалов с улучшенными теплофизическими свойствами, повышением герметичности камеры печи, поддержанием футеровки в исправном состоянии;

в) своевременная замена выгоревших нагревателей, что приводит к повышению мощности печи до проектной и уменьшению времени нагрева.

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации