Серед електронагрівачів різного призначення велике значення для сільськогосподарського виробництва мають нагрівачі рідин.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Русинів В. А.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2005


    Журнал: Аграрний вісник Уралу


    Наукова стаття на тему 'Конструктивно простий індукційний нагрівач рідини і його металоємність'

    Текст наукової роботи на тему «Конструктивно простий індукційний нагрівач рідини і його металоємність»

    ?Механізація. Інженери - сільському господарству

    КОНСТРУКТИВНО ПРОСТИЙ ІНДУКЦІЙНИЙ Нагрівач РІДИНИ І його металоємність

    В.А. РУСИНОВ,

    доцент кафедри фізики, Курганська ГСХА

    Розроблено і використовуються електронагрівачі різних типів: резистивні, електродні, індукційні, з яких в сільськогосподарському виробництві досить широкого поширення набули електродні нагрівачі рідин, так як вони мають малу металоємність і високими енергетичними характеристиками. Разом з тим вони мають ряд суттєвих недоліків, основним з яких є те, що ці нагрівачі (особливо проточні) мають підвищену небезпеку ураження людей і тварин електричним струмом. Індукційні нагрівачі мають ряд істотних переваг над іншими видами електронагріву: ймовірність ураження електричним струмом практично дорівнює нулю; немає перегріву рідини, так як різниця температур нагрівального елементу і рідини не перевищує 10-15 ° С; відсутні хімічні реакції поблизу нагрівального елементу; можна нагрівати як провідні, так і непровідні електричний струм рідини і т.д. Але широкому розповсюдженню цього типу нагрівачів перешкоджає їх велика металоємність (до десяти і більше кілограмів на кіловат потужності) і конструктивна складність.

    Мета і методика досліджень

    Для потреб сільськогосподарського виробництва необхідний простий у виготовленні і надійний в експлуатації нагрівач, що володіє малу металоємність. Таким вимогам відповідає індукційний проточною нагрівач з поєднаним нагрівальним елементом, магніто-проводом і паливопроводом, роль яких грає змійовик зі сталевої труби з щільно прилеглими витками. Для зменшення потоку розсіювання магнітного поля на змійовик необхідно щільно накласти обмотку з залізної стрічки товщиною 1,5-2,5 мм. Цей додатковий шар «замикає» магнітний потік усередині сердечника. Крім того він запобігає появі відбитої електромагнітної хвилі, яка погіршує робочі характеристики нагрівача, і грає роль короткозамкнутого витка. На такий сердечник накладається обмотка індуктора з ізольованого проводу з провідникового матеріалу високої провідності. По трубі сердечника пропускається нагрівається рідина.

    Зробимо оцінку металоємності таких проточних тороїдальних індукційних нагрівачів. Повна потужність нагрівача S = I • і = і 2 ^,

    серед

    електронагрівачів різного призначення велике значення для

    сільськогосподарського виробництва мають нагрівачі рідин.

    Механізація. Інженери - сільському господарству

    де I - сила струму в обмотці індуктора, і - напруга, Z - повний опір нагрівача. Вважаючи, що опір індуктора становить не більше 5% від приведеного опору сердечника нагрівача, згідно [1], маємо

    г »і ^ Цб -, / (>м:, ір = \ 21е1н \ Р н2ац0 ^ = \ .2ац0 ^ П2У {* ш, 1Н у пц0ц

    де ю - число витків індуктора, 1Е - довжина периметра перетину сталевого тороида, 1 н - довжина тороїда по середньої лінії, щ - кругова частота струму, м0 - магнітна постійна, м - відносна магнітна проникність на поверхні стали, з - питомий опір стали, п - число витків на одиницю довжини індуктора, V-- обсяг активного заліза. Звідси

    і

    1,2п / І0 \ хп Б

    (1)

    Співвідношення (1) відповідає еквівалентній глибиною проникнення, на якій рівномірно розподілений ток виділяє таку ж кількість теплоти, як і регресний зі збільшенням глибини ток разом з теплотою, що виділяється при перемагничивании. Але суттєве зменшення коефіцієнта потужності нагрівача починається, коли енергія відбитої електромагнітної хвилі становить понад 1% енергії прямий хвилі, що відповідає вдвічі більшій товщині феромагнетика. Тому обсяг активного заліза треба збільшити в два рази. Відповідно до цього, маємо

    V,.

    2І2

    Висловимо п через п ^ й ^ то ^ и про щность S. Напруженість мага ітного поля Н = пі. Звідси

    Н ні

    п

    (2)

    I Б

    При заданому значенні напруженості магнітного поля число тково на одиницю довжини індуктора обернено пропорційно повної потужності нагрівача.

    Підставами вираз, отримане для п, в формулу обсягу стали сердечника V

    1,7

    п / Л0 ^ Н

    -Б.

    (3)

    Обсяг активного заліза в осерді при заданій напруженості магнітного поля Н пропорційний повній потужності нагрівача Б.

    Помноживши (3) на щільність заліза, отримаємо

    т

    1,3 • 104

    Б.

    п / І0 ЦН

    Введемо змінні у = т ^ (кг / кВА) і х = Ні = пБ

    (КВА / м) і, з огляду на, що

    1-П

    п [1], де К - коефіцієнт пропорційності, який визначається експериментально, п - показник ступеня в залежності індукції від напруженості магнітного поля, отримаємо

    П + 1 * г \ г \ 4 п + 1

    - 1,3 • 10 -

    п 7. п

    ш ^ 0 До

    х

    Підставивши чисельні значення величин (для вугіллі-

    родістой стали і заліза К = 1013,6 ​​(КАМ) '

    6), для

    напруги 220В, отримаємо

    Y = 17600х -1-1667 (5)

    На рис.1 наведено графік цієї залежності, з якого випливає, що при збільшенні напруженості магнітного поля маса активного заліза, в якому відбувається тепловиділення, значно зменшується від 4,98 кг / кВА при 5 кам до 0,440 кг / кВА при 40 Кам.

    Активний шар феромагнетика має товщину

    А 0 01 яка дорівнює

    А

    0,01

    р

    1-п

    зі1п.

    р

    пц0 До

    п-1

    х ~ п, (6)

    де р - питомий опір заліза. Використовуючи залежність ц = АН), маємо при 50 ° С

    А001 = 1,29 * 104 х0'4167. (7)

    Вважаючи, що при утворенні свищів в стінках труби, в результаті корозії, відбувається зменшення шару стали уздовж всієї труби в середньому на половину товщини стінки 5, приймемо в якості робочої товщину А шару феромагнетика А = А0 01 + 5/2.

    Проведемо оцінку металоємності нагрівача при використанні труби з внутрішнім діаметром 15мм і товщиною стінок 2,5 мм при діаметрі тороида 300 мм для напруги 220 В. Обсяг активного заліза дорівнює

    Vре АКШ = 2,26х-1 1667 5 = ™ 1тр = пА 0,01 (й 0 + А 0,1 + 8) 1тр,

    ± - площа поперечного перерізу актив-

    ного шару заліза в одному витку змійовика, / тр - довжина труби, d0 - внутрішній діаметр труби. Звідси

    де 5

    2,26х "1'1667 Б

    Б

    ,001 (й0 + А0,01 + б) 0,179 • 10-6 х1'5833 (17,5 + 0,129х0'4

    7)

    Т оли число витків змійовика при заданому діаметрі тороида D дорівнюватиме 1тр / nD.

    Площа поперечного перерізу робочого шару заліза в витку змійовика Б ± = р (Д001 + д / 2) + Д001 +

    2д). Отже, маса заліза буде дорівнює Маса міді дорівнює

    / Я \ / 6 \

    = ті

    1+-

    б

    2А,

    '0,01

    1+-

    й0 + б + А0.0:

    , (8)

    Маса міді дорівнює тс

    : З ", S ,. nL </>, де з ", - пліт-

    2

    2

    Механізація. Інженери - сільському господарству

    ність міді, Б + - площа поперечного перерізу проводу, L - довжина тороїда, </> - середня довжина витка проводу, яку можна визначити, обчисливши число витків

    труби в змійовику за відомою масою феромагнетика і його робочої товщині.

    Результати розрахунку залежно металоємності

    Мал. 1. Залежність маси активної сталі і заліза від числа витків на одиницю довжини індуктора (зміни величини х на 1100 кВА / м відповідає зміна напруженості

    магнітного поля на 5 кА / м)

    нагрівача від напруженості магнітного поля і від повної потужності наведені на рис.2. (При розрахунках допустима щільність струму прийнята рівною 3 А / мм2.) Ці результати показують, що при сильних полях і великих потужностях металоємність нагрівачів пропонованої конструкції зменшується до 1,5 кг / кВА. Залежно металоємності від напруженості спостерігається

    пологий мінімум, який при збільшенні потужності зміщується в область більш сильних полів.

    Таким чином, металоємність індукційних проточних нагрівачів пропонованої конструкції порівнянна з матеріаломісткістю електродних нагрівачів. Отже, даний тип нагрівачів може успішно з ними конкурувати.

    Мал. 2. Залежність металоємності нагрівача а) від напруженості магнітного поля (Б =

    10 кВА), б) від повної потужності (Н = 40 кА / м)

    література

    1. Л. Р. Нейман. Поверхневий ефект в феромагнітних тілах. - Л .: Г осенергоіздат, 1949. - 190 с.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити