Примеры решения задач по электрическим аппаратам

1. Определить длительно допустимую величину плотности переменного тока для бескаркасной цилиндрической катушки индуктивности, намотанной медным проводом диаметром d = 4мм. Изоляция провода хлопчатобумажная без пропитки, число витков катушки w = 250, остальные необходимые размеры даны на рис. 1. Катушка находиться в спокойном воздухе.

Решение: Исходя из закона Джоуля-Ленса потери энергии, выделяющейся в катушке,

В длительном режиме работы вся выделенная энергия в катушке должна быть отведена в окружающую среду. Мощность, отводимая в окружающую среду, , где С – температура окружающей среды; в качестве ϑ берем величину допустимой температуры для данного класса изоляции ϑдоп = 90 оС.

Коэффициент теплоотдачи

.

Поскольку должно быть равенство между выделенной в катушке и отводимой с ее поверхности тепловыми мощностями, то исходным уравнением для нахождения допустимой плотности тока будет:

,

Откуда

,

где,  – площадь поперечного сечения провода; r0 = 1,62 ∙ 10-6 Ом ∙ см; a = 0,0043 1/град; ;

 – длина среднего витка катушки. Тогда

,

а плотность переменного тока

Ответ: j = 1,5 А/мм

2. Написать уравнение кривой нагрева круглого медного проводника диаметром d = 10 мм, по которому протекает постоянный ток I = 400 А. Известно, что средний коэффициент теплоотдачи с поверхности проводника kT = 10 Вт/(м2∙град), температура окружающей среды, которой является спокойный воздух, ϑ0 = 35°С, а средняя величина удельного сопротивления меди за время нарастания температуры r = 1,75-10-8 Ом∙м

Решение: Уравнение кривой нагрева в простейшем случае имеет вид

где θуст = P/(kxF) — установившееся превышение температуры. Расчет θуст и Т произведем на единице длины проводника l = 1 м, поэтому

Постоянная времени нагрева

,

где с — удельная теплоемкость меди; М = γ V— масса стержня длиной в 1 м; γ — плотность меди; V — объем проводника; F — охлаждающая поверхность.

Таким образом, уравнение кривой нагрева θ = 113 (1 – e-t/850)

Ответ: θ = 113 (1 – e-t/850)

3. Определить, какое количество тепла передается излучением в установившемся режиме теплообмена от нагретой шины к холодной, если шины размером 120 х 10 мм2 расположены параллельно друг другу на расстоянии S = 20 мм. Шина, по которой протекает переменный ток, нагревается до температуры ϑ1 = 120 °С. Температура другой шины ϑ1 = 35 °С. Обе шины медные и окрашены масляной краской

Решение: Количество тепла, передающееся излучением от нагретой шины к холодной,

Рассчитаем теплообмен на длине шин l = 1м. Учитывая, что F1φ12= F2φ21, имеем

,

где F1 – теплоотдающая поверхность нагретой шины.

Коэффициент

Обозначения показаны на рис. 2: ; FBC’C = FBC = FAD;

Поскольку F1 = F2 = 120 ∙ 10-3 м2, то φ21 = φ12 = 0,82.

Тогда

Ответ: РИ = 77,5 Вт/м

4. Определить установившееся значение температуры медного круглого стержня диаметром d = 10 мм на расстоянии 0,5 м от его торца, который находится в расплавленном олове, имеющем температуру ϑmах = 250°С. ............