 |
|
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Саратовский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ИЗДЕЛИЙ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ИНФРАКРАСНОГО НАГРЕВА
Методические указания
к выполнению лабораторной работы 2
по курсу «Электротермические установки и системы»
для студентов специальности 180500
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного
технического университета
Саратов 2006
Цель работы: экспериментально изучить технологию обработки материалов в электропечи сопротивления инфракрасного нагрева, измерить потребляемую мощность печи.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Любая электрическая печь сопротивления является установкой инфракрасного нагрева, так как основное количество тепла передается в ней изделиям излучением с длиной волны большей, чем длины волн видимого диапазона. Лишь при температуре излучателя больше 400 К максимум энергии излучения заходит в зону видимых лучей (рис.1). Вместе с тем данный рисунок показывает, что, меняя температуру излучателя, мы можем передвигать максимум излучения в сторону более длинных или более коротких волн. У непрозрачных тел излучение проникает лишь в очень тонкий поверхностный слой, а далее, вглубь, тепло передается теплопроводностью.
Рис. 1. Спектральное распределение энергии излучения некоторых излучателей, отнесенное к одинаковому суммарному излучению: 1– фотолампа, 3500 К; 2 – лампа накаливания, 2800 К;
3 – инфракрасный (светлый) излучатель, 2200 К;
4 – инфракрасный (темный) излучатель, 1000 К.
Для неметаллических тел, обладающих, как правило, весьма низкой теплопроводностью, это очень медленный процесс. Если, однако, тело полупрозрачное, то его нагрев можно значительно ускорить за счет проникновения лучистой энергии в его толщу. Это иллюстрирует рис. 2, на котором сверху показан случай нагрева тела со слабым поглощением, а снизу – с сильным поглощением.
Рис. 2. Теплообразование внутри облучаемого однослойного полупрозрачного тела при слабом (а) и сильном (б) поглощении
Как видим, тело со слабым поглощением прогревается более равномерно, но значительная часть излучения проходит через него насквозь и пропадает. Телом с сильным поглощением усваивается все тепло, но сильно возрастает неравномерность нагрева, поэтому поверхность, на которую падает излучение, перегревается. Так как полупрозрачные тела обладают для разных длин волн различными коэффициентами поглощения, то, подбирая длину волны излучателя, можно получать в нагреваемом теле различное теплообразование по его толщине, по возможности более близкое к желаемому.
Таким образом, сущность инфракрасного нагрева заключается в том, что при нагреве полупрозрачных, селективно поглощающих материалов подбором спектра излучателя получают эффект глубинного прогрева материала при заданной интенсивности тепловыделения по его толщине. Процесс глубинного нагрева позволяет намного ускорить нагрев тела, например, при сквозном нагреве пластмасс и особенно при сушке. Дело в том, что при сушке имеющаяся в материале влага стремится двигаться от более нагретых слоев к менее нагретым, поэтому при поверхностном нагреве влага не движется к поверхности тела, пока оно все не прогреется за счет теплопроводности.
Эффективным инфракрасный нагрев является при сушке окрашенных металлических поверхностей, он также эффективен при сушке селективно поглощающих материалов (овощи, фрукты, реактивы), а также при облучении растений и животных, особенно молодняка, благодаря получаемому биологическому эффекту.
Из рис. 1 следует, что управление спектром может осуществляться путем изменения температуры излучателя. Поэтому применяются высокотемпературные источники излучения(так называемые светлые нагреватели) и низкотемпературные источники излучения (темные нагреватели).
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для экспериментального изучения технологии обработки сыпучих материалов в электропечи сопротивления инфракрасного нагрева, измерения потребляемой мощности печи используется следующее оборудование:
- электропечь сопротивления инфракрасного нагрева, питающаяся от промышленной сети 220 В и частотой 50 Гц;
- устройство для измерения потребляемой мощности лабораторной печи;
- весы для взвешивания сыпучего материала;
- ртутный термометр;
- часы.
Для измерения потребляемой мощности необходимо осуществить подключение электропечи сопротивления инфракрасного нагрева и устройства измерения потребляемой мощности так, как показано на рис. 3, в следующей последовательности:
- подключить электропечи сопротивления инфракрасного нагрева к устройству измерения потребляемой мощности, для чего вилку шнура питания печи вставить в розетку на корпусе устройства;
- подключить вилку шнура питания устройства измеряющего потребляемую мощность в сеть питания (220 В, 550 Гц);
- с помощью ручки переключателя, расположенного в левой нижней части печи, осуществляется дискретное варьирование мощности печи, что и отображается на приборах измерителя потребляемой мощности.
Рис. 3. Измерение мощности электропечи сопротивления инфракрасного нагрева: а) структурная схема; б) общий вид
Рассмотрим принцип лабораторной работы по обработке сыпучего материала в электропечи сопротивления инфракрасного нагрева. Для начала выбирается материал обработки (древесные опилки, нашинкованные фрукты, пшено и т.п.).
Выбранный сыпучий материал предварительно увлажняется, после чего производится его взвешивание на весах и замер его начальной температуры. Далее выбранный материал помещается в специальный печной противень, который устанавливается в печь для сушки при выбранной мощности.
Электропечь сопротивления инфракрасного нагрева внешне представляет собой прямоугольный металлический короб, на лицевой части которого имеется прозрачная дверца, обеспечивающая загрузку и выгрузку материала, а также позволяет наблюдать за ходом процесса обработки. В левой нижней части лицевой панели расположены переключатель режима работы (вкл/выкл, 1, 2, 3) и кнопка включения привода вертела. Противень в печи может располагаться на трех уровнях: нижнем, среднем и верхнем положении.
В процессе обработки материала, через равные интервалы времени, регистрируется масса материала и его температура.