Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования .11
1.1 Существующие устройства для электронагрева жидкостей, их преимущества и недостатки 14
1.1.1 Электродные нагреватели жидкостей 14
1.1.2 Элементные водонагреватели 21
1.1.3 Электрические индукционные нагреватели жидкостей 24
1.1.3.1 Трубчатый индукционный нагреватель фирмы Сименс 24
1.1.3.2 Нагреватель с индукционными нагревательными элементами .25
1.1.3.3 Индукционный пастеризатор молока 27
1.1.3.4 Индукционный нагреватель жидкостей конструкции Добрякова Д. Д 27
1.1.3.5 Нагреватель-трансформатор Киселя О. Б 28
1.1.3.6 Индукционный нагреватель Серикова А. В 28
1.2 Обзор существующих методов расчета индукционных нагревателей.ЗО
1.2.1 Векторная диаграмма и схема замещения нагревателя 30
1.2.2 Расчет активного и реактивного сопротивлений индуктора 35
1.2.3 Расчет активного и реактивного сопротивлений стального сердечника нагревателя 37
1.3 Научная гипотеза о возможности уменьшения металлоемкости индукционных нагревателей 41
Основные выводы по главе. Цель и задачи исследования 44
ГЛАВА 2 Теоретический анализ работы проточных индукционных нагревателей жидкости. поиск и обоснование оптимальных вариантов конст рукции нагревателей с пониженной металло емкостью 47
2.1 Влияние отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционных нагревателей 47
2.2 Влияние металлического неферромагнитного покрытия на электромагнитные характеристики индукционных нагревателей .53
2.2.1 Влияние металлического неферромагнитного покрытия на глубину проникновения электромагнитной волны в ферромагнетик ..53
2.2.2 Влияние металлического неферромагнитного покрытия на коэффициент мощности индукционных нагревателей. Пути повышения cos(p индукционных нагревателей 59
2.2.3 Влияние металлического неферромагнитного покрытия на электрическое сопротивление индукционных нагревателей 62
2.3 Магнитное поле в тороидальном индукционном нагревателе жидкости. Зависимость коэффициента мощности проточных торои дальных нагревателей жидкости от напряженности магнитного поля 65
2.3.1 Магнитный поток и средняя относительная магнитная проницаемость сердечника нагревателя в постоянном поле 66
2.3.2 Магнитный поток и средняя относительная магнитная проницае мость сердечника нагревателя в переменном поле. Коэффициент мощно сти проточных тороидальных нагревателей жидкости 73
2.4 Металлоемкость и удельная мощность проточных тороидальных на гревателей жидкости 81
2.4.1 Металлоемкость стального сердечника нагревателя 81
2.4.2 Металлоемкость индуктора и удельная мощность нагревателя 85
2.5 Тепловые характеристики проточных тороидальных нагревателей жидкости 88
2.5.1 Оценка тепловых потерь в окружающую среду 88
2.5.2 Оценка коэффициента теплоотдачи с внутренней поверхности трубы змеевика, теплового КПД нагревателя и разности между средними температурами сердечника и нагреваемой жидкости.. 89
2.6 Предлагаемые конструкции проточного индукционного нагревателя жидкости пониженной металлоемкости .96
2.7 Разработка методики инженерного расчета проточного индукционно го нагревателя жидкости пониженной металлоемкости 99
Основные результаты и выводы по главе 105
ГЛАВА 3 Программа и методики экспериментальных исследований 107
3.1 Программа экспериментальных исследований 107
3.2 Лабораторные модели индукционного проточного нагревателя жидкости 108
3.3 Методика экспериментального исследования зависимости магнитной проницаемости стали от напряженности магнитного поля 109
3.4 Методика экспериментального исследования зависимости удельного сопротивления стали от температуры 112
3.5 Методика экспериментального исследования влияния отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционных нагревателей 115
3.6 Методика экспериментального исследования электромагнитных характеристик индукционного нагревателя 118
3.7 Методика экспериментального исследования влияния неферромагнитного металлического покрытия стальной трубы змеевика на электромагнитные характеристики нагревателя 121
3.8 Методика исследования зависимости теплового КПД проточного индукционного нагревателя жидкости от скорости течения 122
3.9 Программа и методика производственных испытаний проточного индукционного нагревателя жидкости 123
Основные результаты по главе 124
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 125
4.1 Исследование зависимости относительной магнитной проница емости стали от напряженности магнитного поля 125
4.2 Исследование зависимости удельного сопротивления стали от температуры 126
4.3 Исследование влияния отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционного нагревателя 128
4.4 Исследование электромагнитных характеристик нагревателя 131
&.- 4.4.1 Оценка вклада потока рассеяния в электромагнитные свойства индукционного нагревателя 132
4.4.2 Экспериментальная проверка правильности выбора оптимально го варианта взаимного расположения витков змеевика и стальной ленты в сердечнике нагревателя 133
4.4.2.1 Сравнение экспериментальных значений магнитного потока в кольце и змеевике из стальной трубы 134
4.4.2.2 Коэффициент мощности в змеевике из стальной трубы с обмоткой из стальной ленты и без нее 135
4.4.2.3 Электрическое сопротивление индукционного нагревателя 136
4.5 Исследование влияния неферромагнитного металлического покрытия стальной трубы змеевика на электромагнитные характеристики индукционного нагревателя 139
4.5.1 Исследование влияния слоистой структуры ферромагнетика и металлического неферромагнитного покрытия на глубину проникновения электромагнитной волны в ферромагнетик139
4.5.2 Исследование влияния металлического неферромагнитного покрытия на коэффициент мощности индукционного нагревателя 142
4.5.3 Исследование влияния металлического неферромагнитного покрытия трубчатого змеевика на электрическое сопротивление индукционного нагревателя 144
4.6 Исследование зависимости теплового КПД индукционного нагревателя от скорости течения жидкости и от наличия проволочной спирали в
просвете трубы змеевика 147
4 Л Результаты производственных испытаний проточного индукционного нагревателя жидкости пониженной металлоемкости 148
Основные результаты и выводы по главе 149
ГЛАВА 5 Технико-экономическая эффективность применения проточного индукционного нагревателя жидкости пониженной металлоемкости 151
Основные результаты и выводы по главе 156
Общие результаты и выводы 157
Литература
- Электрические индукционные нагреватели жидкостей
- Влияние металлического неферромагнитного покрытия на глубину проникновения электромагнитной волны в ферромагнетик
- Методика экспериментального исследования зависимости удельного сопротивления стали от температуры
- Исследование влияния отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционного нагревателя
Введение к работе
Актуальность темы. Традиционные способы получения тепловой энергии, связанные с сжиганием углеводородов; дров, каменного угля, мазута, природного газа, обладают рядом существенных недостатков: низкий КПД, определенные сложности в доставке тепла потребителю и т.д. Поэтому представляет значительный интерес электронагрев, реализация которого не требует значительных капиталовложений, строительных работ и постоянного обслуживающего персонала. При этом повышается надежность оборудования, облегчается контроль и регулирование температуры. Вопросами электронагрева в сельскохозяйственном производстве занимались такие ученые как Евреинов М. Г., Листов П. Н., Прищеп Л. Г., Назаров Г. И., Цекулина А. А., Климов А. А., Изаков Ф. Я., Рубцов П. А., Златковский А. П., Смирнов В. И., Клюшин Г. В., Корсак СП,, Яровиков И. П., Кисель О. Б., Сазыкин В. Г., Шабалин Ю. А, Баранов Л. А., Цугленок Н. В. и многие другие.
Среди электронагревателей различного назначения важнейшее значение для сельскохозяйственного производства имеют нагреватели жидкостей. Разработаны и используются электронагреватели различных типов: рези-стивные, электродные, индукционные, из которых индукционные нагреватели обладают рядом существенных преимуществ над другими видами электронагрева. Но широкому распространению этого типа нагревателей препятствует их большая металлоемкость (до десяти килограммов на киловатт мощности). Разработка индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости позволит использовать преимущества нагревателей такого типа и, одновременно, уменьшить их себестоимость, а, следовательно, и себестоимость сельскохозяйственной продукции.
Работа выполнена в соответствии с общероссийской отраслевой программой 0.51.21. «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства» и перечнем целевых программ, п. 29 «Разработать основные направления долгосрочной федеральной техни-
ческой политики, систему энергетического обеспечения, развития автоматизации производства и экологии энергетических средств в сельскохозяйственном производстве России» (приказ №10 от 17.03.95 г. По Главному управлению вузов Минсельхозпрода России).
Цель исследования - Повышение удельной мощности проточных индукционных нагревателей жидкости сельскохозяйственного производства за счет снижения их металлоемкости
Под удельной мощностью понимается полученная тепловая энергия за единицу времени в расчете на единицу массы нагревателя:^ = Р/т (кВт/кг).
Объект исследования: Совокупность свойств исходных материалов, конструктивных параметров и режимов работы , влияющих на металлоемкость проточных индукционных нагревателей жидкости.
Предметом исследования являются зависимости металлоемкости проточного индукционного нагревателя жидкости от конструктивных параметров, от физических свойств исходных материалов, используемых для изготовления нагревателя, и от режимных параметров его работы.
Научная новизна:
Показано, что в отличие от магнетиков с постоянной магнитной проницаемостью в ферромагнетиках в области сильных полей отраженная электромагнитная волна не поглощается. Разработан метод обнаружения отраженной электромагнитной волны в ферромагнетиках и установлено ее влияние на коэффициент мощности проточных индукционных нагревателей.
Установлено влияние металлического неферромагнитного покрытия трубы, из которой изготовлен сердечник нагревателя, на электрические параметры нагревателей.
В результате исследования тепловых процессов в нагревателе найдены условия повышения теплопередачи и теплового КПД нагревателя.
Установлена зависимость магнитного сопротивления сердечника нагревателя от взаимного расположения его частей.
5. Раскрыта зависимость металлоемкости индукционных нагревателей от напряженности магнитного поля и мощности нагревателя. Определены параметры нагревателя, соответствующие его минимальной металлоемкости. На защиту выносятся следующие основные положения:
Конструкция проточного индукционного нагревателя жидкости пониженной металлоемкости.
Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния отраженной электромагнитной волны в ферромагнетиках на коэффициент мощности индукционных нагревателей.
Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния металлического неферромагнитного покрытия стальной трубы, используемой для изготовления сердечника нагревателя, на электромагнитные параметры индукционных нагревателей.
Результаты теоретического и экспериментального исследования зависимости электромагнитных параметров индукционных нагревателей от взаимного расположения витков в трубчатом змеевике и обмотки из стальной ленты.
Методика инженерного расчета проточного индукционного нагревателя жидкости пониженной металлоемкости.
Практическая ценность работы.
Обнаруженная в работе особенность поведения отраженной электромагнитной в ферромагнетиках может быть учтена и использована при разработке новых электрических машин и механизмов. Для этой цели могут быть использованы и полученные зависимости электромагнитных характеристик ферромагнетиков от толщины металлического неферромагнитного покрытия.
Реализованы пути миниминизации металлоемкости индукционных нагревателей. Впервые предложены варианты конструкции проточного индукционного нагревателя жидкости с такой минимальной металлоемкостью, которая сопоставима с металлоемкостью широко применяемых в настоящее время электродных и элементных нагревателей. Это открывает возможность
более широко использовать индукционный способ нагрева жидкостей в практике сельскохозяйственного производства.
Разработана методика инженерного расчета такого нагревателя. По конструкциям проточных индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости подано две заявки на изобретение (приоритет 2004110282 и 2004110283 от 5 апреля 2004 г.).
Реализация результатов работы. Проточной индукционный нагреватель жидкости пониженной металлоемкости внедрен в сельском кооперативном хозяйстве «Орион» в селе Сумки Половинского района, на Лебяжьев-ском элеваторе и ОАО «Кетовская агрохимия» Курганской области. Результатом внедрения является экономия металла, используемого на изготовление нагревателя. Ожидаемый расчетный экономический эффект составил по 4200 руб./год на 1 нагреватель мощностью 15 кВт. Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются на практических занятиях по дисциплинам «Электротехника и электроника» и «Физика».
Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных конференциях в Курганской ГСХА (17-18 марта 2004 г.), в Курганском государственном университете (23 декабря 2003 г.), в Челябинском государственном агроинженерном университете (28-29 января 2004 г.), в Пермской ГСХА (19-21 апреля 2004 г.) и в ВИЭСХ, г. Москва (12-13 мая 2004 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в девяти научных статьях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений. Объем диссертации - 225 страницы машинописного текста, в том числе 55 страницы приложений, 57 рисунков, 24 таблицы. Список используемой литературы содержит 124 источника.
Электрические индукционные нагреватели жидкостей
Недостатков, которыми обладают электродные и элементные нагреватели, лишены индукционные нагреватели жидкостей. Рассматриваемые ниже конструкции индукционных приборов для нагревания жидких материалов относятся к наиболее типичным индукционным приборам косвенного нагрева. Они отличаются весьма небольшим перепадом температуры между источником тепла и нагреваемым материалом. Тепловая инерция этих приборов мала, что обеспечивает хорошие условия их автоматизации.
Описание дается по материалам, изложенным в [22]. Этот нагреватель состоит из стального корпуса цилиндрической формы. В корпус вставляется сердечник особой конструкции, изготовленный из электротехнической стали. Во внутренних пазах сердечника располагается сосредоточенная трехфазная обмотка и система труб, проходящая через сердечник и выступающая с каждой стороны, представляющая собой нагреваемую вторичную обмотку. Через трубы протекает жидкость и нагревается. Конструкция этого прибора соответствует конструкции трехфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, работающего в режиме короткого замыкания, причем первичная обмотка прибора представляет собой статорную обмотку, а система труб -короткозамкнутую обмотку неподвижного ротора. Мощность трубчатого индукционного нагревателя 150 кВт; число фаз - 3; сетевое напряжение - 380 В; частота тока - 50 Гц; число полюсов - 4. Нагреваемой поверхностью является внутренняя поверхность труб, которые замкнуты накоротко в верхних и нижних фланцах. Длина труб 3 м, они имеют теплостойкую изоляцию по всей длине. На рисунке 1.4 приведен схематический разрез нагревателя. По трубам нагревателя прокачивается нефть или масло, которые подлежат нагреву. Коэффициент мощности нагревателя достигает 0,94, а коэффициент полезного действия - 0,92. Основным недостатком нагревателя является его конструктивная сложность, а, следовательно, и его высокая стоимость.
Описание дается по данным, приведенным в [23]. Нагреватель этого типа представляет собой стальную емкость цилиндрической формы, в которую помещают нагреваемую жидкость. Толщина стали, из которой изготовлена емкость, равна 4 мм, для увеличения cos (р и коэффициента полезного действия г[, сталь покрыта сверху слоем меди толщиной 1,5 мм. Емкость бака - 3000 литров; мощность - 100кВт; напряжение сети - 380В; коэффициент мощности до 0,9; коэффициент полезного действия до 0?9; частота тока -50Гц.
Нагревательные элементы представляют собой магнитопроводы, набранные из электротехнической стали сдвоенной Щ - образной формы, на средний стержень которых наматывается обмотка из медного провода. Всего таких элементов - 6, они размещаются равномерно по окружности на нижней части корпуса. На рисунке 1.5 показано размещение индукционного нагревательного элемента на баке. Магнитный поток, создаваемый элементом, показан пунктирными линиями. Вихревые токи возникают в стальной стенке корпуса и в покрывающем ее слое меди. В промежутках между нагревательными элементами стенки покрываются тепловой изоляцией. Нагреватель применяется для нагревания нефти на нефтеочистительных заводах. Основной недостаток нагревателя - большая конструктивная сложность.
Профессор А. А. Климов в [7] дает описание индукционного пастеризатора молока, который по своей конструкции аналогичен индукционному трубчатому нагревателю фирмы Сименс. Там он указывает, что индукционные пастеризаторы молока нуждаются в дальнейшей конструктивной доработке и соответствующем технико-экономическом обосновании их применения.
Этот нагреватель описан в работе [24]. Для изготовления нагревателя используются обычные стальные трубы и изолированный медный или алюминиевый провод. Берется два одинаковых по длине отрезка трубы - один с меньшим, другой с большим диаметрами. Трубы соосно располагаются одна в другой, образуя между собой щель. С одной стороны концов труб эта щель заваривается. В образующийся такого рода канал вставляется катушка, намотанная из изолированного провода, служащая индуктором для возбуждения электромагнитного поля. Концы катушки выводятся через патрубок для присоединения их к источнику переменного тока частотой 50 Гц. С другой стороны канал закрывается стальным фланцем, выполненным в виде кольца, края которого для обеспечения магнитного контакта тщательно подгоняются к стенкам канала. Для устранения попадания влаги в катушку эту сторону канала герметизируют прокладкой. Толщина стенок труб должна быть не менее 3 мм. Указанное устройство помещается в бак с жидкостью, подключается к сети и жидкость нагревается. По данным автора мощность одного однофазного нагревателя равна 0,7 кВт; напряжение - 105В; ток - 1,6A, coscp =0,88 и коэффициента полезного действия близок к единице. Нагреватель имеет весьма малую мощность, длительное время нагрева малого количества жидкости.
Влияние металлического неферромагнитного покрытия на глубину проникновения электромагнитной волны в ферромагнетик
При распространении плоской электромагнитной волны в проводнике с постоянной магнитной проницаемостью происходит поглощение энергии волны в результате образования вихревых токов. При этом модуль напряженности зависит от глубины следующим образом: H = Hee k s\ (2.3) где к\ - лі—г , уу удельная проводимость, /JQ магнитная постоянная, д\ толщина слоя неферромагнитного покрытия.
Зависимость (2.3) показывает, что при толщине покрытия 8 Імм в слое неферромагнетика поверхностный эффект практически не проявляется. Это} на первый взгляд, не должно приводить к изменению глубины проникновения поля в ферромагнетик, так как напряженность магнитного поля на поверхности ферромагнетика с применением неферромагнитного покрытия и без него как будто одинаковы. На самом деле это не так. В слое неферромагнетика возникает вихревой ток, направленный противоположно току индуктора, что неизбежно приводит к существенному ослаблению магнитного поля на поверхности ферромагнетика. Для оценки влияния неферромагнитиого металлического покрытия на глубину проникновения электромагнитной волны в стенку стальной трубы используем соотношение (1.12), из которого следует, что индукционный ток в трубе с покрытием и без него будет одинаковым при одном и том же токе индуктора. Кроме этого, используем зависимость напряженности электрического поля от координаты z, когда ось z направлена от поверхности вглубь стали, полученную в работе [55]. где До - глубина проникновения электромагнитной волны в сталь, п - показатель степени в зависимости индукции В от напряженности Н магнитного поля, который может принимать для разных материалов значения от 4 до 20. Для углеродистой стали п равен 6.
Из закона Ома в дифференциальном виде следует, что и плотность тока от z будет зависеть аналогично (2.4). Чтобы не путать толщину стенки трубы и плотность тока, обозначим последнюю буквой/.
Согласно (1.12), площадь под кривой зависимости j(z) будет одинакова для трубы с покрытием и без него при одинаковом токе индуктора. Эти зависимости изображены на рисунке 2.1, для ситуации, когда на оцинкованную трубу намотана стальная лента с толщиной слоев 5Л и когда используется не-оцинкованная труба с обмоткой из стальной ленты. A
Так как на границах раздела сталь-цинк и цинк-сталь напряженности электрического и магнитного полей не терпят разрыва и внутри цинка эти величины практически постоянны, то наличию цинкового слоя толщиной 8 внутри ферромагнетика соответствует появление прямоугольника в графике зависимости j(z).Согласно рисунку 2.1 где J2me и j ime - плотности тока на поверхности сердечника нагревателя, где используется неоцинкованная труба и где используется оцинкованная труба, j - плотность тока в цинке, 5 - толщина цинкового покрытия, А2 и А і - глубины проникновения электромагнитной волны в ферромагнетик при использовании неоцинкованной и оцинкованной трубы.
Как видно из формул (2.8) и (2.9), наибольшее влияние неферромагнитное покрытие оказывает,, когда оно располагается на внешней поверхности ферромагнитного сердечника нагревателя. Относительное уменьшение глубины проникновения электромагнитной волны в ферромагнетик є при наличии на его внешней поверхности металлического неферромагнитного слоя согласно (2.9) будет равно
Зависимость (2.11) для стали со слоем цинка (п = в и ргірх & 2,5) и со слоем алюминия (рг/рі « 3,94), изображена на рисунке 2,3. Рис. 2.3. Зависимость относительного уменьшения глубины проникновения электромагнитной волны в сталь от относительной толщины слоя металлического неферромагнитного покрытия: 1 - алюминий; 2 -цинк.
Эта зависимость получена для одинаковых значений напряженностей магнитного поля индуктора. Опираясь на нее найдем соотношение между напряженностями магнитного поля на поверхности стали без металлического неферромагнитного слоя Н2 и на по верхности сердечника нагревателя при наличии такого слоя Щ, при которых глубины проникновения Д2СН2) и Ai(Hi) одинаковы: 2() = Ai(Hi). L A2(HQ Согласно (2.8), д ( Н У 1-- - А1У +1 n-1 2л A2(HQ А2(Н2) При 5Л =0 )..(,+1)2- ,) А НО ч у Д2(Н2) Учитывая, что глубина проникновения поля в ферромагнетик обратно пропорциональна корню квадратному из относительной магнитной проницаемости на его поверхности, возведем полученное выражение в квадрат. В результате этого будем иметь Их Г (. вЛ .1 У 1—п- +1 L AJ п Л п (2.12) У где ju2 и щ - относительные магнитные проницаемости ферромагнетика при напряженностях магнитного поля Нг и Н] соответственно. Так как связь меж 1-и B.J" ду а и Н имеет вид J А то (2.13) Н При 8л =0 і _ н. у+ A
Таким образом, для того, чтобы электромагнитная волна проникла в ферромагнетик с металлическим неферромагнитным покрытием на ту же глубину, что и в ферромагнетик без такого покрытия, необходимы в (у + 1) раз более сильные поля.
Для практических расчетов можно использовать формулы (2.9) и (2.13). Соотношение (2.8) получено для ситуации, когда относительная магнитная проницаемость и удельное сопротивление материалов ленты и трубы одинаковы. Но удельные сопротивления материала стальной ленты и углеродистой стали неодинаковы, поэтому применение этой формулы может привести к существенным отклонениям от экспериментальных значений. Пригодное для практических расчетов выражение для ситуации, когда на змеевик, изготовленный из оцинкованной стальной трубы, наложена обмотка из нескольких слоев стальной ленты,, можно получить, исходя из следующих соображений. Согласно [55] напряженность магнитного поля на поверхности трубы Hi и относительная магнитная проницаемость стали // равны 2п_ V-1 1-д V нх=не где Не - напряженность на внешней поверхности обмотки из стальной ленты, До - глубина проникновения поля в сталь, определяемая по формуле (1.47), 5Л — толщина слоев стальной ленты, К — коэффициент пропорциональности, п - показатель степени в параболической зависимости индукции магнитного поля от напряженности.
Методика экспериментального исследования зависимости удельного сопротивления стали от температуры
Для измерения сопротивления в установке, схема которой приведена на рисунке 3.3, использовался мост постоянного тока М062, Он позволяет определять сопротивления до 104 Ом при четырехпроводной схеме подключения, с погрешностью, не превышающей 1%. Для измерения удельного сопротивления в направлении прохождения вихревых токов из стальной трубы было вырезано кольцо толщиной 0,5 мм. Поверхность кольца была тщательно обработана так, чтобы внешний и внутренний радиусы и толщина в различных частях кольца были постоянными. Различие этих параметров в разных частях кольца составляло не более 0,05 мм. Для измерений была использована половина кольца, к торцам которой припаивались медные провода диаметром 1,2 мм длиной 12,5 см для подключения к мосту постоянного тока. Все это помещалось в стеклянную пробирку, которая устанавливалась в термостат. Для исключения влияния проводов, соединяющих мост с измеряемым сопротивлением стального полукольца и проводов, помещенных в термостат, применялись калиброванные проводники с сопротивлением 0,01 Ом (на рисунке 3.3 выделены жирными линиями).
Схема экспериментальной установки для определения температурной зависимости удельного сопротивления стали.
Для изменения температуры в термостате он подключался к лабораторному автотрансформатору, позволяющему регулировать напряжение в диапазоне от 0 до 250 В. Величина силы тока измерялась амперметром электродинамической системы с классом точности 1%. Цепь питания термостата на рисунке 3.3 не изображена. Температура в пробирке измерялась ртутным термометром. Каждое измерение сопротивления проводилось в стационар ном режиме, то есть спустя 15 минут после выставления тока в цепи питания термостата, когда изменение температуры в нем прекращалось.
Для исключения влияния сопротивления подводящих проводов, находящихся в пробирке, на результаты эксперимента были произведены следующие измерения. Стальное полукольцо отпаивалось от медных проводов, Затем концы этих проводов соединялись с помощью пайки, провода помещались в пробирку, и производилась серия измерений их сопротивления при тех же температурах.
Определение удельного сопротивления производилось, исходя из следующих соображений. Электрическая проводимость стального полукольца состоит из суммы проводимостеи слоев толщиной dr поэтому 1 \ dS \ bdr Ъ , г0 Rcm lpr{2n-q ) jpr{2x- p) pa r где dS = bdr - площадь поперечного сечения слоя толщиной dr, b - толщина полукольца, р - удельное сопротивление стали, го - внешний радиус полукольца, г - внутренний радиус полукольца, а = 2тс - ф = тс - угол между прямыми, проведенными из центра окружности к концам полукольца.
Из (3.2) следует, что удельное сопротивление стали будет равно ОЬ {R-RCu)b\n У т р== _ = fL (3.4) а а где R — суммарное сопротивление стального полукольца R T и медных проводов R u , находящихся в термостате. Формула (3.4) была использована для определения удельного сопротивления углеродистой стали, а относительная погрешность определялась по формуле 8Р = s2R + e2b+el+s2ai (3.5) _AR + ARCu_ R + Rg. „,rto/ где SR — D D k Й J070 - относительная погрешность измере к кс« к кси ния сопротивления стали (є =1% - основная погрешность моста), 115 sb = -— -100% = 2% - относительная погрешность измерения толщины полу кольца, п ь r A,J/O „ относительная погрешность логарифма отно г шения внешнего радиуса полукольца к его внутреннему радиусу () = 0.,5% относительная погрешность измерения внешнего радиуса полукольца), Aft єа - " 100% = 2,8% _ относительная погрешность измерения угла а.
Таким образом, измерение удельного сопротивления углеродистой стали, в соответствии с (3.5) было произведено с погрешностью 5,5%. Аналогично были произведены измерения удельного сопротивления материала стальной ленты. Для этих измерений была использована полоска стальной ленты толщиной bi = 0,55 мм , шириной Ьг = 2 мм и длиной 1 = 40 мм. Относительная погрешность этих измерений составила 4,0%.
Методика экспериментального исследования влияния отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционных нагревателей
Как следует из раздела 2.1 разность фаз между напряженностями электрического Е и магнитного Н полей в отраженной волне больше, чем в прямой волне, поэтому на осциллограммах зависимости H(t) при появлении отраженной волны должны появляться дополнительные пики, смещенные относительно максимумов, соответствующих прямой волне. Следовательно, для обнаружения отраженной электромагнитной волны в ферромагнетиках следует использовать осциллограф.
Исследование влияния отраженной электромагнитной волны на коэффициент мощности индукционного нагревателя
Исследование электромагнитных характеристик нагревателя: оценка вклада потока рассеяния в электромагнитные свойства индукционного нагревателя, сравнение экспериментальных значений магнитного потока в кольце и змеевике из стальной трубы, измерение коэффициента мощности в змеевике из стальной трубы с обмоткой из стальной ленты и без нее, измерение электрического сопротивления индукционного нагревателя с различным взаимным расположением витков трубчатого змеевика и обмотки из стальной ленты (для экспериментальной проверки правильности выбора оптимального варианта взаимного расположения витков змеевика и стальной ленты в сердечнике нагревателя) производилось по методике, изложенной в 3.6.
Нами была произведена оценка вклада потоков рассеяния как в слоях обмоток индукторов, так и вне их. В первом случае были использованы две индикаторные катушки по 100 витков каждая, намотанные одна непосредственно на сердечник и вторая на обмотку индуктора. Так как возникающая в катушках ЭДС пропорциональна амплитуде переменного магнитного потока, то измерение напряжения на катушках позволяет оценить, какую часть spacc от магнитного потока в ферромагнетике составляет поток рассеяния, существующий в слоях обмотки индуктора. Действительно, так как Ui Фре a U2 Фре + Фраес» то Єрасс (U2 - U])/ Ui. В таблице 4.1 приведены результаты таких измерений для нагревателя, сердечник которого состоит из двух витков трубы с внутренним диаметром 15 мм без обмотки из стальной ленты. Как видно из этой таблицы, поток рассеяния, возникающий в слоях обмотки индуктора, составляет от основного потока не более 1 - 2%. Аналогичные результаты были получены и для других нагревателей.
Во втором случае для оценки вклада потока рассеяния, возникающего вне обмотки индуктора, использовался милливольтметр ВЗ-38 с приведенной погрешностью 2,5%, к которому с помощью скрученных проводов подключался образцовый виток диаметром 35мм из медного провода. При различной ориентации витка вблизи обмотки индуктора было определено напряжение, возникающее в нем. Оно принимало значения от 0,1 до 0,3 мВ, что составляло от напряжения, снимаемого с такого же витка, охватывающего сердечник нагревателя, 0,2 — 0,4%.
Таким образом, произведенные измерения показали, что суммарный вклад потока рассеяния в электромагнитные свойства нагревателя составляет около 2%, то есть им можно пренебречь.
В разделе 2.3.2 было теоретически показано, что наилучшим является вариант взаимного расположения витков трубчатого змеевика и стальной ленты в сердечнике нагревателя, изображенный на рисунке 2.76. Для экспериментальной проверки соображений, высказанных в данном разделе, которые привели к этому выводу, нами было сделано следующее: 1) осуществлено сравнение экспериментальных значений магнитного потока в постоянном и переменном поле, который возникает в тороидальном витке из стальной трубы и в змеевике того же диаметра из двух витков стальной трубы; 2) произведено измерение коэффициента мощности в змеевике с витками, стянутыми хомутами из стальной ленты и в этом же змеевике с обмоткой из стальной ленты в зависимости от напряженности магнитного поля; 3) было определено электрическое сопротивление нагревателя при различных вариантах взаимного расположения витков трубчатого змеевика и обмотки из стальной ленты.
Было осуществлено сравнение экспериментальных значений магнитного потока в постоянном и переменном поле, который возникает в тороидальном витке из стальной трубы (рис. 3.1) и в змеевике того же диаметра из двух витков стальной трубы, стянутых хомутами из стальной ленты с площадью сечения 20 мм2. Магнитный поток в постоянном поле измерялся на установке, схема которой изображена на рисунке 3.2, по методике, описанной в разделе 3.3. Сравнение магнитных потоков в переменном поле производилось по результатам измерения ЭДС, которые возникали в индикаторных катушках, намотанных непосредственно на виток трубы и змеевик. Так как площадь поперечного сечения стали в витке вдвое меньше, чем в змеевике, то для большей наглядности в сравнении число витков в индикаторной катушке витка было вдвое больше, чем в катушке змеевика (50 и 25 витков).
