Нагрівання мідного дроту струмами високої частоти

Нагрівання мідного дроту застосовується для досягнення різних цілей: нагрів перед первинної або повторної ізоляцією проводи, відпустку дроту, гаряче волочіння і отжиг дроту, який тягне за собою поліпшення механічних властивостей дроту [3]. Існують різні способи нагріву дроту, але далеко не всі з них є ефективними.

Газополум'яний нагрів використовують не тільки при з'єднанні деталей з різною теплопровідністю і поверхневої газопламенной гарту, але і для термічної обробки виробів. Недолік даного способу - це повільна швидкість нагріву, що призводить до тривалого перебування металу в зоні високих температур, що тягне за собою утворення окалини, можливий угар металу. Крім того даний вид нагріву тягне за собою забруднення навколишнього середовища і не є екологічно безпечним [4].

Нагрівання інфрачервоними випромінювачами в печах також використовується для нагріву проводу. Ці печі є низькотемпературними і в них, замість звичайних нагрівальних елементів, які передають енергію нагрівається виробам в основному за рахунок конвекції, джерелами виділення теплоти служать інфрачервоні випромінювачі, в даному випадку нагрів відбувається за рахунок поглинання енергії виробом. Недоліком також є нерівномірність нагрівання, низький ККД, тривалий час нагрівання і дороге устаткування.

Індукційний нагрів є ефективним для нагріву сталевого дроту, але не підходить для вирішення завдання нагріву мідного дроту. Так як мідь, на відміну від сталі, немагнітний матеріал, величина скін-шару буде недостатня для ефективного вирішення проблеми, що призводить до основного недоліку індукційного нагріву, яким є низький ККД.

Прямий контактний нагрів на промисловій частоті ускладнюється контактними ушкодженнями і опалювальному контактів, в зв'язку з протіканням через них великих струмів, що веде до пошкодження поверхні дроту [1].

З огляду на все вищесказане, нагрів і отжиг мідної жили є в даний час завданням, що вимагає ефективного рішення.

У даній роботі мною буде розглянута актуальна задача дослідження можливості прямого контактного нагріву струмами високої частоти. Так як частота нагріву висока відпадає необхідність в пропущенні великих струмів, а протікання невеликих струмів вирішує проблему з пошкодженням контактів і погіршенням поверхні проводу. Крім того, при контактному нагріванні струмами високої частоти за рахунок малої глибини проникнення збільшується щільність струму, що протікає, а внаслідок цього збільшується питома потужність, що виділяється в дроті, що в свою чергу тягне за собою ще одну перевагу - малу довжину нагрівальної установки.

На високій частоті конструкція токоподводов має основне значення, індуктивність може зробити істотний вплив на збільшення реактивної потужності. Для вирішення даної проблеми слід використовувати установку з малою індуктивністю, для цього мною обрана коаксіальна система з суцільним внутрішнім і порожнистим зовнішнім проводом, роль якого виконує труба, також були переплетені проводи токоподводов.

У процесі даної роботи мною буде розрахована виробнича установка для нагріву і відпалу мідної жили, а також розглянуті переваги високочастотного нагріву.

Технічне завдання: необхідно зробити отжиг мідного дроту діаметром 2 мм, при температурі 620 ˚С, продуктивність відпалу -1 тонна / год. Для виконання завдання були обрані частота, довжина нагрівальної установки, діаметр трубки в коаксіальної системі. Вихідні дані представлені в таблиці 1.

Розрахунок активного опору системи

Для знаходження активного опору системи необхідно знайти ефективну площу перетину, так як на високій частоті струм буде протікати не по всьому перетину провідника.

Так як мідь яляется немагнітним матеріалом.

Знаючи глибину проникнення, можна знайти ефективні перерізи і активні опори елементів системи.

Активний опір дроту довжиною 1 метр:

Sп еф - ефективний перетин дроту

Активний опір трубки довжиною 1 метр:

Так як установка являє собою послідовно з'єднані провід і трубку, знайдемо спільне активний опір як суму опорів трубки і дроту:

Проведемо розрахунок індуктивності установки, скориставшись формулою (5) [1, c. 133]. Система для розрахунку індуктивності представлена ​​на малюнку 1.

Малюнок 1. Схематичне зображення установки для розрахунку індуктивностей.

Формула для розрахунку погонного індуктивності даної системи:

Дана формула враховує, що нагрівання відбувається на високій частоті [1].

Так як метою є нагрів дроту, то згідно із законом Джоуля-Ленца ККД нагрівальної установки:

I - струм, що протікає через установку, А.

Знаючи необхідну продуктивність, ми можемо знайти потужність, яка буде її забезпечувати і підібрати генератор і блок узгодження.

Корисна потужність, необхідна для забезпечення заданої продуктивності:

У зв'язку з тим, що блок узгодження, нагрівальна установка і сам генератор мають не стовідсотковий ККД, то необхідна потужність генератора:

ŋтгі - ККД транзисторного генератора;

ŋбс - ККД блоку узгодження;

ŋнагр - ККД нагрівальної установки.

З урахуванням двадцяти процентного запасу по потужності отримаємо необхідну потужність генератора:

Розрахуємо швидкість протягування дроту, що забезпечує необхідну температуру нагрівання.

Розділивши обидві частини формули (10) на t. в лівій частині отримаємо продуктивність. Звідси можна знайти необхідну швидкість протягування дроту.

Таким чином, необхідна швидкість протягування дроту:

Знаючи індуктивність системи і робочу частоту, визначимо компенсуючу ємність:

Для реалізації компенсує ємності обрані поліпропіленові конденсатори фірми АТ «Гіріконд» К78-21, що застосовуються в ланцюгах змінного струму для компенсації реактивної потужності. Технічні характеристики даного конденсатора представлені в таблиці 2.

Технічні характеристики конденсатора К78-21

За розрахованими значеннями був обраний генератор, що випускається ТОВ «Інтерм» ТГИ 100/66 [1].

Розрахуємо коефіцієнт трансформації:

Для наочного уявлення переваги контактного нагріву на високій частоті, наведемо порівняльну таблицю частоти і протікає по установці струму.

Опір є функцією від частоти. При зміні частоти змінюється глибина проникнення струму, внаслідок чого змінюється ефективний перетин і змінюється опір.

Струм, що протікає в установці:

У таблиці 3 наведені розраховані значення струму, що протікає через установку на різній частоті.

Струм, що протікає по установці на різних частотах

Для наочності уявлення зміни величини струму в залежності від частоти побудуємо графік, він представлений на малюнку 2.

Малюнок 2. Графік залежності струму, що протікає від використовуваної частоти.

З графіка, представленого на малюнку 2 видно, що значна зміна величини протікає в установці струму відбувається в області частот від нуля до 500 кГц. Надалі з наростанням частоти струм продовжує спадати, але набагато повільніше. Таким чином, для високочастотного контактного прямого нагріву мідного дроту досить використовувати генератори з робочою частотою до 440 кГц. Робота на даній частоті можна реалізувати на транзисторних малогабаритних генераторах. Застосування високих частот може зажадати використання лампових генератров [1]. Крім того при збільшенні робочої частоти буде споживатися більше реактивної потужності.

Також для зменшення величини струму, що протікає можна збільшити довжину установки. З формули (17) видно, що при збільшенні довжини нагрівальної установки, струм буде зменшуватися пропорційно квадратному кореню цього збільшення.

Схема нагрівальної установки представлена ​​на малюнку 3.

На малюнку 4 представлена ​​електрична схема нагрівальної установки.

Малюнок 4. Електрична схема нагрівальної установки.

Таким чином, високочастотний контактний нагрів мідного дроту є доцільним, так як має високий ККД. Запропонована система має малі втрати на реактивну потужність за рахунок невеликої індуктивності, але і малий опір, тому нагрів варто проводити на високій частоті в десятки і сотні кГц. Рекомендується використовувати генератори з робочою частотою до 440 кГц, так як вони забезпечують найбільш ефективне частотне регулювання. Мінімізувати протікає через контакти струм можна за допомогою збільшення частоти і подовженням нагрівальної установки.