Электротехнологические установки
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Автор:
Суворин Алексей Васильевич
Год издания: 2011
Кол-во страниц: 376
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7638-2226-7
Артикул: 617579.01.99
Рассмотрено устройство и принцип действия электротехнических установок, используемых как на промышленных предприятиях, так и в сельском хозяйстве. Особое внимание уделено применению электротехнологического оборудования, обеспечивающего надежное электроснабжение и управление электротехнологическими процессами.
Предназначено для студентов направления подготовки специалистов 140610.65 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» укрупненной группы 140000 «Энергетика».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ А. В. Суворин ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротех ники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140610 – «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» направления подготовки 140600 – «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», 25.01.2010 Красноярск СФУ 2011
УДК 621.3(07) ББК 31.2я73 С891 Рецензенты: Б. И. Кудрин, д-р техн. наук, проф., ген. директор ООО «Технетика» (г. Москва); Я. А. Кунгс, канд. техн. наук, проф., зав. каф. «Системоэнергетика» ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» Суворин, А. В. С891 Электротехнологические установки : учеб. пособие / А. В. Су ворин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. – 376 с. ISBN 978-5-7638-2226-7 Рассмотрено устройство и принцип действия электротехнических устано вок, используемых как на промышленных предприятиях, так и в сельском хозяйстве. Особое внимание уделено применению электротехнологического оборудования, обеспечивающего надежное электроснабжение и управление электротехнологическими процессами. Предназначено для студентов направления подготовки специалистов 140610.65 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» укрупненной группы 140000 «Энергетика». УДК 621.3(07) ББК 31.2я73 ISBN 978-5-7638-2226-7 © Сибирский федеральный университет, 2011
Предисловие 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Намеченное Правительством Российской Федерации интенсивное развитие производства страны на 2010−2020 гг. предполагает перевод всех отраслей на прогрессивные технологии, при этом особое внимание уделяется внедрению нанотехнологий. Запланированное повышение производительности труда в 3−4 раза за этот период предусматривает разработку новых технологических процессов и установок с высокой степенью электрификации и автоматизации. Планомерное совершенствование производства электроэнергетических мощностей соответствует современным требованиям сокращения вредных выбросов в окружающую среду и резкого снижения доли углеводородных материалов, используемых в нагревательных процессах. Данная стратегия определяет последовательное интенсифициро вание различных электротехнологий, которые способствуют дальнейшему развитию науки о технологических возможностях электричества. Результатом практического использования этой науки является создание большого разнообразия электротехнологических установок, применяемых в машиностроении, металлургии, химической отрасли, в различных отраслях сельского хозяйства. Кроме этого данная наука позволит обеспечить эффективное применение электроэнергии в преобразовании и получении веществ с новыми физико-механическими свойствами. Амбициозные планы России по интеграции в мировой технический прогресс выдвинули такие приоритетные направления, как использование электроэнергии для получения и применения низкотемпературной плазмы, для создания электронно-ионной, импульсной и лазерной техники. Успешное решение намеченных задач позволит создать современное поколение высокопроизводительных экологически чистых установок и технологических производств. В настоящее время сельскохозяйственные производства ориентируют свои усилия на применение современных технологий, широко использующих электрическую энергию. Электротехнологические методы воздействия на обрабатываемые материалы характеризуются высокой эффективностью и универсальностью. Их можно с успехом применять для воздействия на растения, животных и среду их обитания. Так, например, при помощи переменных электромагнитных полей различной частоты можно избирательно
Предисловие 4 нагревать магнитные и немагнитные материалы, закалять поверхности стальных деталей. Используя электростатическое поле, можно воздействовать на семена растений, улучшая их всхожесть и урожайность. Специфические особенности электрооборудования электротехноло гических установок органически связаны с технологическим процессом. Такое оборудование может создаваться разработчиками и эксплуатироваться потребителями только при глубоком знании и понимании теми и другими физических основ электротехнологии. Эти особенности электротехнологических установок отражены в данном учебном пособии. Настоящее учебное пособие соответствует требованиям учебной программы дисциплины «Электротехнологические установки» и предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности 140610 – «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» направления подготовки 140600 – «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Данное учебное пособие также может быть использовано в практической работе инженерно-техническим и обслуживающим персоналом, связанным с эксплуатацией различных электротехнологических установок и процессов производства. Кроме этого оно может быть полезно научным работникам и аспирантам, специализирующимся в этой области, а также слушателям курсов повышения квалификации специалистов данного профиля. Учебное пособие состоит из семи частей, каждая часть включает несколько глав. В конце каждой главы даны примеры решения задач и задачи для самостоятельной работы, а также вопросы для самопроверки. В первой части пособия изложены теоретические основы электро термических установок, способы получения тепла и использования его в печах сопротивления, при контактной сварке и в установках индукционного и диэлектрического нагрева. Во второй части пособия рассмотрены вопросы, связанные с получением и использованием дугового электрического нагрева в электротехнологических установках: в дуговых электрических печах, плазменных установках, при дуговой сварке. Третья часть посвящена технологическим установкам, использующим электронно-лучевой нагрев и лазерные технологии. Технологии электрохимической и электрофизической обработки рассмотрены в четвертой части пособия. К ним относятся электроэрозионная обработка металлических изделий, электрохимико-механические процессы электротермии. Пятая часть пособия знакомит с электромеханическими технологиями: магнитно-импульсной обработкой металлов, электрогидравлической обработкой материалов, получением и использованием ультразвука. В шес
Предисловие 5 той части рассмотрены теоретические основы и особенности электронноионных процессов, а также устройство, применение и работа электростатических установок. Седьмая часть посвящена использованию электротехнологии в сельском хозяйстве, а именно в животноводческих и птицеводческих комплексах, а также в сооружениях защищенного грунта. Автор выражает искреннюю признательность коллективу кафедры «Электроснабжение и электрический транспорт» (ЭСиЭТ) Политехнического института Сибирского федерального университета и заведующему кафедрой ЭСиЭТ доктору технических наук, профессору В. И. Пантелееву, кандидату технических наук, доценту кафедры ЭСиЭТ Г. П. Образцову и инженеру кафедры ЭСиЭТ В. П. Мисюревой за полезные замечания и предложения, сделанные ими в процессе работы над рукописью данного пособия; а также благодарность рецензентам: кандидату технических наук, профессору Я. А. Кунгсу, кандидату технических наук, профессору М. В. Лукьяненко − за ценные советы и замечания при рецензировании учебного пособия.
Введение 6 ВВЕДЕНИЕ Электротехнология − это способ обработки материала, при кото ром электрическая энергия является непосредственным инструментом выполнения определенной операции. Электрическая энергия в этом случае может выступать в разных видах: в виде теплового воздействия, дугового или тлеющего разряда, механического действия электрического поля, искрового электрического разряда, плазмы, концентрированных пучков света, токов высокой частоты, ультразвука и т. д. Электротехнологические установки имеют довольно сложное ос новное и вспомогательное оборудование. Так, например, производство, использующее плазменный процесс, включает в себя следующее основное оборудование: плазмотрон, плазменный реактор, электронную пушку и еще ряд устройств. В составе же вспомогательного оборудования имеются система обеспечения водой, газом, система создания и поддержания вакуума и др. Отдельные виды электротехнологической обработки применяются самостоятельно, например дуговая электрическая сварка, обработка токами высокой частоты, электровзрывная и магнитно-импульсная обработка и др. А некоторые виды воздействия, например ультразвуковая обработка, энергия ударных волн и др., осуществляются через промежуточное технологическое звено. Сложность используемого оборудования обуславливает и слож ность его разработки, монтажа и наладки, выполнить которые без знания технологического процесса практически невозможно. В настоящее время электротехнологические установки особенно широко внедряются в практическую деятельность человека и его среду обитания. Следует отметить, что это обусловлено не только объективной потребностью в них, но и другим не менее важным фактором − стремительным сокращением запасов углеводородного сырья. Более того, реальная угроза глобального изменения климата на Земле поставила перед человечеством новые проблемы, связанные с необходимостью принятия кардинальных мер по охране окружающей среды: создание безотходных технологий и разработку новых возобновляемых источников электрической энергии. Развитие электротехнологий может быть обеспечено только непре рывным совершенствованием энергетики страны, поэтому актуальной
Введение 7 задачей государства является активное строительство новых атомных и тепловых электростанций и сооружение мощных линий электропередач с учетом последних достижений в области электроэнергетики. Не случайно электротехнологии иногда называют «новыми техно логиями». Они характеризуются целым рядом существенных преимуществ перед традиционными (механическими) методами обработки материалов. К таким преимуществам следует отнести: • возможность обработки материалов практически с любыми свойствами без существенного механического воздействия (электроэрозионная, электрохимическая, электролучевая обработка); • возможность обработки сверхтвердых материалов при отсутст вии специальных инструментов. В этих случаях используются электроискровая, электроэрозионная технологии; • существенную экономию материала за счет оптимального рас кроя и меньшей толщины швов заготовок, что важно при обработке дорогостоящих материалов, таких как рубин, кварц, алмаз, полупроводниковые кристаллы, золото, платина; • высокую точность изготовления деталей (в пределах единиц микрометров), не всегда достижимую другими способами обработки; • высокую производительность и экономическую эффективность, например при обработке твердых и хрупких материалов, по сравнению с механической обработкой; • широкие возможности механизации и автоматизации процессов обработки материалов, что позволяет существенно сократить численность работников, повысить производительность и улучшить условия труда. Совершенствование электротехнологических процессов позволило создать материалы, обладающие новыми свойствами: более высокой прочностью, термостойкостью, химической нейтральностью, более прочными изоляционными свойствами и др. Более того, благодаря электротехнологии были получены сверхчистые проводниковые и полупроводниковые материалы. А использование новых технологий позволило получать изделия и материалы из отходов производств, работающих по старым схемам. Настоящим прорывом стало внедрение электротехнологий в ра диотехнику и микроэлектронику. Так, при работе по старым технологиям радиотехнические устройства, ЭВМ, управляющие комплексы содержали сотни тысяч, а порой и миллионы элементов, объединенных в системы сотнями тысяч соединений, занимали огромные площади и потребляли сотни киловатт электроэнергии. Последние достижения
Введение 8 в области плазменных технологий позволили получать на основе современных материалов принципиально новые устройства микроэлектроники − микросхемы, на которых все составляющие элементы размещены в одном микроблоке без единого внешнего соединения. Сегодня для нас уже стали привычными компьютеры и микрокалькуляторы, многофункциональные сотовые телефоны, микротелевизоры, ЭВМ, обладающие фантастическими быстродействием и памятью. Внедрение контактной сварки в производство позволило в сотни раз повысить уровень механизации сборочных работ в машиностроительной индустрии, обеспечивая при этом высокую скорость изготовления изделий и материалов и их безупречное качество. Следует отметить, что электротехнологические процессы, особен но их новые разновидности, имеют короткий путь от исследовательских лабораторий до производственных цехов. К таким процессам можно отнести высокочастотную закалку металлических изделий, высокочастотную сушку сыпучих неэлектропроводных материалов, индукционный нагрев и плавку металлов, нагрев и сушку с использованием инфракрасных излучателей и т. д. Вышеназванные технологии не исчерпывают всего многообразия возможностей электротехнологических методов обработки материалов. С учетом ограниченного объема учебного пособия представляется целесообразным дать в нем общую классификацию электрофизических и электрохимических методов обработки изделий и материалов. В электротехнологиях используются тепловые, механические и химические воздействия электрического тока: • тепловое действие электрического тока: нагрев сопротивлени ем, индукционный и диэлектрический нагрев, нагрев в электролитах; электроискровая, электроимпульсная, светолучевая, электронно-лучевая, ионная и плазменная обработка; • механическое действие электрического тока: ультразвуковая, магнитно-импульсная и электровзрывная обработка; • химическое действие электрического тока: гальваника, анодно механическая обработка, электрохимическая размерная обработка, электрохимическое полирование. Итак, спектр применения электротехнологических методов воз действия на материалы и изделия необычайно широк. Поэтому интерес к электротехнологическим установкам постоянно растет. Для того чтобы совершенствовать и автоматизировать электротехнологические процессы, необходимо знать не только физические законы, на которых они
Введение 9 основаны, но и их характеристики. Так, к основным характеристикам электрохимических процессов следует отнести: уровень напряжения, способ его подвода (прямой или косвенный), род, силу, частоту и плотность тока. В электротехнологиях используется как переменный (чаще всего), так и постоянный электрический ток, а в отдельных случаях – тот и другой (например, в гальванике). Сила тока может варьировать от миллиампера до килоампера, частота тока − от 50 Гц до десятков мегагерц. Таким образом, зная основные характеристики электротехнологи ческих процессов, их можно с успехом как оптимизировать, так и автоматизировать, идя в ногу с научно-техническим прогрессом.
Часть I. Электротермия 10 Часть I. ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 1.1. Способы преобразования электрической энергии в тепловую Электрическая энергия, применяемая для нагрева, имеет целый ряд преимуществ перед другими способами нагрева: существенное снижение загрязнения окружающей среды; достижение значений температур значительно более высоких, чем при сжигании каких-либо видов топлива; строгий контроль и точное регулирование длительности выделения тепловой энергии; возможность управления тепловыми потоками энергии; возможность нагрева материалов и изделий в различных газовых средах и в вакууме; выделение тепловой энергии в самом нагреваемом материале [3, 34]. В электротермии, как правило, рассматривают следующие спосо бы преобразования электрической энергии в тепловую: • нагрев сопротивлением. При протекании в проводящем мате риале электрического тока происходит выделение теплоты. Такой вид нагрева основан на законе Джоуля − Ленца и осуществляется в термических установках прямого и косвенного действия. В термических установках прямого действия теплота выделяется в нагреваемом материале или изделии, включаемом в силовую цепь. В установках косвенного действия тепловая энергия выделяется в нагревательных элементах, размещенных в камере, и затем по законам теплопередачи поступает в нагреваемое изделие или материал; • индукционный нагрев заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля в тепловую за счет наведения в нагреваемом теле вихревых токов и тепловыделения в нем по закону Джоуля − Ленца. Индукционный нагрев может осуществляться как прямым, так и косвенным методами; • диэлектрический нагрев: материалы и полупроводники, поме щенные в высокочастотное электрическое поле, нагреваются за счет сквозных токов проводимости и смещения при поляризации;