Лабораторные работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКРЫТЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

Цель работы: 1. Ознакомиться с методикой исследования открытых проволочных нагревателей.

2. Получить характеристики работы нагревателей в воздушной среде при различной скорости воздуха.

1. Общие сведения:

Для исследования нагревателей используется центробежный вентилятор регулируемой производительности с коротким воздуховодом прямоугольного сечения.

Рис.1 Схема расположения нагревательных элементов в воздуховоде:

1, 2, 3, 4 - нагревательные элементы (1 - проволока нихромовая диаметром 1 мм; 2 - проволока диаметром 1,5 мм; 3 - спираль из проволоки нихромовой диаметром 1,5 мм; 4 - спираль из проволоки диаметром 1,5 мм на керамическом стержне); 5, 6 - верхняя и нижняя крышки воздуховода; 7 - изолирующая планка для крепления нагревательных элементов; 8 - воздуховод; 9 - жалюзийная заслонка.

Внутри воздуховода (рис.1) расположены нагреватели (нагревательные элементы) в виде проволок 1 и 2 из нихрома диаметром 1 и 1,5 мм, открытой спирали 3 и спирали на керамическом стержне 4, выполненных также из нихромовой проволоки диаметром 1,5 мм. Нагревательные элементы расположены горизонтально и перпендикулярно к направлению движения воздуха. Верхняя 5 и нижняя 6 крышки камеры воздуховода, в которой размещены нагревательные элементы, сделаны съемными.

Диаметры проволок всех элементов и их активная длина должны быть известны. На середине каждого элемента в стороне, обратной направлению потока воздуха, тонкой проволочкой закрепляют спаи хромель-копелевых термопар. Выводы термопар подключают к переключателю с общим холодным спаем и выходом на потенциометр, или гальванометр (рис.2).

Рис. 152. Электрическая схема.

2. Программа работы и порядок выполнения

Подобрать оборудование и электроизмерительные приборы для регулирования и измерения напряжения от 0 до 220 В, тока до 50 А, термо-э.д.с. термопар от 0 до 10 мВ, активного сопротивления от 0 до 50 Ом, приборы для измерения скорости воздуха.

Работа выполняется в следующем порядке:

1. Собрать электрическую схему, изображенную па рисунке 2.

2. Измерить сопротивление спирали на керамическом стержне в холодном состоянии и по результатам опытов определить температурный коэффициент сопротивления нихрома.

3. Исследовать зависимость температуры нагревательных элементов от силы тока нагрузки и скорости обдувающего воздуха.

4. Определить постоянные времени нагрева и коэффициенты монтажа и среды нагревательных спиралей.

Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу 1.

Таблица 1

Здесь ω - скорость воздуха, обдувающего элементы;

t_l, t₂, t₃, t₄ - установившаяся температура нагревательных элементов (1, 2, 3-го и т.д.);

α. - температурный коэффициент сопротивления нагревательного сплава;

Т - постоянная времени нагрева спиралей;

К_н, К_с - коэффициенты монтажа и среды спиралей.

Скорость воздуха, обдувающего нагревательные элементы, регулируют жалюзийной заслонкой на входе в воздуховод. Температуру нагревательных элементов для каждого значения тока измеряют только после наступления установившегося режима. Зависимость t = f(I) для каждого элемента исследуют:

1. в спокойном воздухе (ω = 0) при снятых верхней и нижней крышках камеры воздуховода;

2. для 5 - 6 значений скорости воздуха (в пределах 0,5 - 5 м/с) при закрытых крышках.

По результатам опытов строят:

1. кривые нагрева t = f₁ (τ) при w = 0;

2. зависимости t = f₂(I) при ω = 0;

3. зависимости t = f₃(ω) при I постоянном и одинаковом для всех элементов.

Для вычислений используют зависимость:

где: I₀ - ток в спирали в холодном состоянии при температуре t₀;

I_t - то же, при температуре t

Постоянные времени определяют графически по кривым нагрева.

Коэффициент монтажа спиралей определяют при ω = 0 и одном и том же значении тока для 2, 3 и 4-го элементов, где t_пр - установившаяся температура проволоки (2-го элемента); t_cп - установившаяся температура спирали.

Коэффициент среды определяют как:

где: t_пр - установившаяся температура проволоки (2-го элемента) в спокойном воздухе (при ω = 0);

t'_cп - установившаяся температура спиралей при данном значении ω.

По данным измерений и вычислений строят зависимости К_с= f₄(ω) для обеих спиралей.

3. Содержание отчета

В отчете должно быть приведено:

1.Схема расположения нагревательных элементов в воздуховоде.

2.Электрическая схема.

3.Таблица наблюдений.

4.Графики зависимостей К_с= f₄(ω) для обеих спиралей.

5.График зависимости нагрева t = f₁ (τ) при w = 0;

6.График зависимости t = f₂(I) при ω = 0;

7.График зависимости t = f₃(ω) при I постоянном и одинаковом для всех элементов.

8.Выводы.

4. Контрольные вопросы

1.Какова методика исследования открытых проволочных нагревателей?

2.Каковы характеристики работы нагревателей в воздушной среде при различной скорости воздуха?

3.Какова особенность схемы расположения нагревательных элементов в воздуховоде?

4.Как объясняется характер полученных экспериментальных кривых?

5.Какие факторы оказывают влияние на скорость воздуха?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ

Цель работы: 1. Изучить принцип действия и устройство установки.

2. Определить основные энергетические показатели установки.

3. Описать установку.

1. Общие сведения:

Элементы нагрева при сушке материалов, сельхозпродуктов, а также при обогреве парников, теплиц и пола осуществляется с помощью специальных нагревателей, и широко применяются на сельскохозяйственных предприятиях.

Индукционный нагрев осуществляется в переменном магнитном поле вихревыми токами, наводимыми в проводниках по законам электромагнитной индукции. В зависимости от применяемых частот установки индукционного нагрева бывают:

1. Промышленной (низкой) частоты -50 Гц;

2. Средней (повышенной) частоты -до 10 кГц;.

3. Высокой частоты - свыше 10 кГц.

Основными элементами низкотемпературного индукционного нагревателя (рис.1) является токопроводящий стальной стержень 1 (диаметром 8-14 мм), изоляционная прокладка (например, асбест толщиной 4-6 мм) и стальная труба 3 (диаметром 14-25 мм)

Принцип действия нагревателя заключается в следующем: при протекании переменного тока по стержню 1 возникает переменный магнитный поток, пронизывающий изоляцию 2 и наводящий вихревые токи в трубе 3, которая нагревается ими до определенной температуры.

В основу расчета индукционных нагревателей положены уравнения Максвелла:

(1)

(2)

Рис.1. Схема индукционного низкотемпературного нагревателя

1 - токопроводящий стальной стержень; 2 - изоляционная прокладка; 3 - стальная труба

А также выражение вектора Пойнтинга:

(3)

На основании приведенных уравнений представляется возможным найти напряженность электромагнитного поля, а затем поглощаемую индукционным устройством мощность и его электрические параметры.

В результате решения приведенных выше уравнений (1-3) удельная мощность, поглощаемая трубой, будет равна:

; Вт/см² (4)

где Не - напряженность магнитного поля на поверхности стержня или внутренней поверхности трубы.

Глубина проникновения электромагнитной волны в толщу стержня или трубы:

(5)

Учитывая глубину проникновения электромагнитной волны в глубь металла, предусматривается применение стальных труб с толщиной стенки, равной двойной глубине проникновения электромагнитной волны.

2. Программа работы и порядок выполнения

Собрать электрическую цепь установки по прилагаемой схеме (рис2). Снять основные энергетические показатели установки при подключении трансформатора на напряжения 127 и 220В и при различных напряжениях вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 2. Электрическая схема установки

Включить цепь и через каждые 3 минуты измерять температуру индуктора и записывать ее значения, а также показания приборов в таблицу 1.

Таблица 1

Результаты исследований

Токопроводящий элемент выполнен из стали диаметром d_ст=12мм. Труба имеет внутренний диаметр d_тр=15,75 мм, толщина стенки трубы δ_тр=2,0 мм. Длина отрезка трубы l=1,18 м, а общая длина трубы l_тр=3,54 м. Общая длина стержня l_с=4,3м. Определить напряженность магнитного поля стержня:

;А/м (6)

При выполнении расчета нагревателя при нагрузке h использовать кривую относительной магнитной проницаемости (рис.3.). При построении используется кривая намагничивания для литой стали. Глубина проникновения электромагнитной волны в стержень:

μ₁ при H₁ - определяется по рис.3.

Поглощаемая стержнем мощность: ; Вт (7)

Рис.3. Кривая относительной магнитной проницаемости

Определить напряженность магнитного поля трубы

;А/н (8)

Глубина проникновения электромагнитной волны в толщу трубы при полученном значении Н₂

(9)

(μ₂ при Н₂ по рис.3.)

Поглощаемая трубой мощность:

Вт (10)

Определение отношения поглощаемых мощностей

(11)

Очевидно, что поглощаемая трубой мощность меньше поглощаемой мощности стержня, так как длина трубы меньше длины стержня в соотношении:

(12)

Определить коэффициент мощности нагревателя:

(13)

По экспериментальным и расчетным результатам построить графические зависимости:

а) кривую нагрева индуктора трубы во времени t = f(t);

б)зависимость cosу=f(H₂);

в)зависимость Р_тр=f(H₂);

г) зависимость cosγ=f (I₂).

3. Содержание отчета

В отчете должно быть приведено:

9.Электрическая схема установки.

10.Таблица наблюдений.

11.График зависимостей t = f (τ); cos γ = f (Н₂);

Р_тр = f (Н₂); cos γ = f (I₂).

12.Выводы.

4. Контрольные вопросы

6. В чем особенности устройства низкотемпературного индукционного нагревателя?

7. От каких факторов зависит глубина проникновения электромагнитной волны в металл?

8. Какие факторы влияют на напряженность магнитного поля?

9. Как объясняется характер полученных экспериментальных кривых?

10. Какие факторы оказывают влияние на скорость нагрева трубы-индуктора?

11.Каково распределение токов в стержне и трубе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВКИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ВОДЫ

Цель работы: Изучить устройство и исследовать основные энергетические параметры установки индукционного нагрева воды.

1. Общие сведении:

В сельском хозяйстве потребности в тепловой энергии больше, чем в других отраслях народного хозяйства. Известно, что в общем количестве энергии, затраченной на получение сельскохозяйственной продукции, доля тепловой энергии составляет до 90 %. Особенно велика необходимость тепла для нагрева воды, молока, почвы и т д. Одним из методов нагрева этих и других объектов является индукционный метод.

Основными частями индукционного нагревателя (рис.1) является индуктор (7), служащий для создания переменного магнитного поля, и металлический нагреватель (1),устанавливаемый таким образом, чтобы он пересекался магнитным полем индуктора.

Рис. 1. Схема индукционного нагревателя:

1 - сердечник; 2 - водяной патрубок; 3 - прижимные гайки; 4 - фланец; 5 – уплотнения; 6 - диэлектрический цилиндр; 7 – обмотка.

При прохождении переменного тока по обмотке переменное магнитное поле наводит в сердечнике 1 вихревые токи. Получаемое таким образом тепло передаётся воде, которая заполняет внутреннюю полость нагревателя.

Индукционный водонагреватель уступает элементному и электродному по ряду характеристик: cos γ меньше, потери в обмотках снижают КПД, расходуется цветной металл на обмотки. Однако индукционному водонагревателю присуща высокая эксплуатационная надежность. Это особенно важно при установке нагревателей в автоматических и полуавтоматических технологических линиях.

Элементные и электродные водонагреватели отличаются повышенной опасностью для людей и животных при переходе электрического потенциала на корпус нагревателя. В индукционном нагревателе пробой на корпус практически исключен.

2. Программа работы и порядок выполнения

1. Изучить принцип действия и устройство установки индукционного нагрева воды.

2. Определить основные электрические показатели установки

Работа выполняется в следующем порядке:

Собрать электрическую цепь - установки по прилагаемой схеме (рис. 2).

Рис.2.Электрическая схема установки.

Сиять основные энергетические показатели установки при подключении двух обмоток индуктора последовательно или подключении двух обмоток индуктора последовательно или параллельно к источнику питаем на 127 и 220В.

Для одной из схем осуществить нагрев воды в баке до температуры 50°С записывать показания приборов схемы и термометра через каждые 5 минут. Объем воды в баке -45 л.

Для остальных схем соединения обмоток и питающих напряжений определить параметры установки без нагрева воды.

Полученные данные занести в таблицу 1.

Определить потери в обмотке:

,Ом (1)

где l_вит – длина витка, l_вит = 0,4 м;

W – количество витков в обмотках = 1040;

S – сечение провода обмотки = 4 мм;

j – удельная проводимость = 32 .

Определить удельную мощность в сердечнике:

,Вт/см². (2)

где D – диаметр сердечника, D = 8 см²,

L – длина сердечника, L_обм = L = 80 см.

Рассчитать напряженность магнитного поля катушки:

А/м (3)

где IW – намагничивающаяся сила катушки;

L_обм – длина обмотки.

Определить сos γ:

(4)

По результатам расчетов построить графические зависимости:

а) кривую нагрева воды в баке: t = f(t),

б) зависимость мощности в сердечнике от напряженности магнитного поля катушки: Po=f(H),

в) зависимость Cos у от напряженности магнитного поля катушки сosγ=f₂(H),

г) зависимость потерь в сердечнике ΔР от величины тока ΔР = f_з(I)

3. Содержание отчета

1.Электрическая схема установки

2.Таблица экспериментальных результатов

3.Графики зависимостей сos γ = f₂(H), t = f (t), Po = f (H), ΔP = f_з(I)

4.Выводы

4. Контрольные вопросы

1. В чем особенности устройства индукционных водонагревателей?

2. Какие требования предъявляются к обмотке индуктора?

3. Как объясняется характер получения экспериментальных кривых?

4. Какие факторы оказывают влияние на скорость нагрева воды в баке?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТНОГО

ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ

Цель ра6оты: Изучить устройство, принцип действия, электрическую схему управления и исследовать режимы работы электроводонагревателя с трубчатым электронагревательным элементом.

1.Общие сведения:

Спирали нагревательных элементов изолируются от стенок трубки наполнителем из кварцевого песка при рабочей температуре трубки до 450°С или периклаза (кристаллическая соль магния) - при температуре выше 450°C. Эти материалы обладают высокими электроизоляционными свойствами и хорошо проводят тепло. После засыпки наполнителя трубка опресовывается.

Под большим давлением наполнитель превращается в твердый монолитный материал, надежно фиксирующий и изолирующий спираль внутри трубки. Опресованная трубка может быть изогнута для придания нагревателю необходимой формы. Торцы трубки герметизируются огнеупорным составом и изолирующими втулками.

Наиболее совершенным типом электрического подогревателя воды является такой, в котором вода не соприкасается электрическими токоведущими частями нагревательного устройства.

К подобным нагревателям относятся трубчатые электронагревательные элементы (ТЭН), либо из проволочных или ленточных спиралей, размещенных обычно под дном бака подогревателя, и называемых элементными.

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) являются универсальными нагревательными устройствами, пригодными для подавляющего большинства сельскохозяйственных установок. Они используются в водонагревателях, парообразователях, калориферах и т.п.

ТЭН представляет собой металлическую трубку, внутри которой смонтирована нихромовая спираль. Концы спирали привариваются к выводным шпилькам, служащим для подключения ТЭНа к сети. Выбор металла трубки зависит от ее рабочей температуры и условий работы. Это может быть углеродистая сталь (ст.10, ст.20), нержавеющая сталь (Х18Н10Т), медь, латунь и др. Наибольшая рабочая температура парусной поверхности ТЭНов составляет около 700°С, что вполне обеспечивает проведение подавляющего большинства сельскохозяйственных тепловых процессов.

Промышленность выпускает ТЭНы мощностью от 100 до 800 Вт. Длина трубок колеблется от 200 до 6000 мм, а их диаметр от 7 до 19 мм.

Питающее напряжение может быть 65, 127, 220, 380 В.

ПО конструкции в характеру работы элементные водонагреватели делятся на:

1. Водонагреватели периодического действия.

2. Водонагреватели непрерывного действия (проточного типа)

К водонагревателям периодического действия относятся водонагреватели-термосы типа ВЭТ. Технические данные водонагревателей типа ВЭТ, приводятся в таблице 1.

В водонагревателях непрерывного действия относятся проточные водонагреватели типа ЭПВ (табл. 2)

Достоинствами элементных водонагревателей является: простота управления, возможность автоматизации процесса, возможность осуществления аккумуляционного нагрева, позволяющего выравнивать суточный график электрических нагрузок и др.

Таблица 1

Таблица 2

К недостаткам элементных водонагревателей относятся: перегорание включенных нагревательных элементов.

Рис.1. Схема испытания установки

2.Программа работы и порядок выполнения

1. Ознакомиться с назначением и устройством элементного водонагревателя.

2. Изучить схему электрического управления электрическим водонагревателем.

3. Определить основные параметры работы элементного электроводонагревателя: мощность P, ток I, напряжение U, производительность Q, при нагреве воды от t₁ до t₂, удельный расход электроэнергии А при нагреве 1 литра воды на 1°С, коэффициент полезного действия электроводонагревателя n, коэффициент теплоотдачи К, стоимость нагрева 1 литра воды от t₁ до t₂.

4. Построить графики зависимостей:

а) мощность водонагревателя в функции времени Р = f(t);

б) температура воды в функции времени t, = f(t).

Работа выполняется в следующем порядке:

1. Ознакомиться с работой и устройством электроводонагревателя.

2. Собрать электрическую схему установки (рис.1).

3. Залить воду и измерить ее объем - V в литрах - 20л.

4. Замерить начальную температуру воды t₁ при помощи термометра.

5. Включить установку в работу.

6. Через каждые 5 минуть заносить в таблицу 1: температуру воды t_в, ток I, напряжение U.

7. Энергия, подведенная к элементному водонагревателю, за время нагрева воды от t₁ до t₂ определяется:

, кВт×с (1)

где P₁ и Р₂ – мощность в начале и конце нагрева.

8. Энергия, запасенная водой:

, кВт×с (2)

где V – объем воды, л;

С_V – удельная общая теплоемкость воды, 4,19

9. Коэффициент теплоотдачи от трубки к воде определиться из уравнений (1) и (2).

, (3)

10. Из совместного решения уравнений (1) и (3) определим КПД - коэффициент полезного действия нагревательной установки:

(4)

11. Производительность установки при нагреве воды от t₁ до t₂

, час (5)

12. Удельный расход энергии при нагреве 1 л воды на 1°С определиться:

, (6)

13. Стоимость нагрева I л воды от t₁ до t₂ равна:

(7)

где C₁ - стоимость 1 кВт/час.

14. Полученные экспериментальные и расчетные данные сводятся в таблицу3.

Таблица 3

3. Содержание отчета

1. Электрическая схема установки.

2. Расчетные формулы.

3. Таблицы экспериментальных расчетов.

4. Графики зависимостей: Р=f(t); t_в=f(t).

5. Выводы.

4. Контрольные вопросы:

1. Каково устройство элементного водонагревателя?

2. Почему электрокипятильник нельзя включать в работу без воды?

3. От каких факторов зависит величина коэффициента теплоотдачи?

4. Что такое температурный напор?

5. Какие специальные меры по технике безопасности необходимо соблюдать при эксплуатации водонагревателей?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДАТЧИКИ

Цель работы: Изучить принцип работы и исследовать основные электрические параметры установок.

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 156; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!