foto1
foto1
foto1
foto1
foto1

Знання - це скарб, а навчання - ключ до нього.

Навчання - світло, а не навчання тьма.

Знання за гроші не купиш.

Знання - це сила, а незнання - робоча сила?

Хорошого спеціаліста робота сама шукає.

Електротехніка

1.3. Електронагрівальні та електротехнологічні установки.

У виробництві  та у побуті використовують дуже багато теплової енергії. В структурі енергобалансу вона становить понад 65 %. Залежно від способу перетворення електричної енергії в теплову розрізняють такі способи електронагрівання: опором, електричною дугою, індукційний, діелектричний, електронний, лазерний та мікрохвильовий.

Електронагрівання опором. У твердих і рідких провідниках при проходженні по них електричного струму виділяється теплота. Кількість теплоти, яка виділяється, визначають за законом Джоуля - Ленца:

Q = I2Rt

де Q-кількість теплоти, Дж; І- сила струму, А;  R - електричний опір, Ом; t - час,с

Електронагрівання опором може бути:

- прямим, коли струм проходить безпосередньо через тіло, що нагрівається,

побічним, коли використовуються тени для перетворення електричної енергії в теплову, а потім теплота від них передається тілу.

Провідники електричного струму поділяють на провідники першого роду (метали, сплави, графіт), які мають електронну провідність, та провідники другого роду (звичайна вода, рідини та вологі продукти), які мають іонну провідність. Пряме електронагрівання опором поділяють на два види: електроконтактне - нагрівання металевих тіл застосовують для нагрівання заготовок або деталей з чорних і кольорових металів для їх подальшої термічної обробки, а також контактного електричного зварювання під тиском, та електродне – нагрівання провідників другого роду.

При прямому електродному нагріванні матеріал (вода, вологі корми тощо) вміщують між електродами, на які подають напругу. Матеріал, через який проходить струм, нагрівається. Пряме електродне нагрівання здійснюють тільки змінним струмом, бо постійний струм спричинює електроліз матеріалу і псування його, а при нагріванні води може призвести до вибуху внаслідок виділення гримучого газу.

Нагрівання електричною дугою. Перетворення електричної енергії в теплоту відбувається в електричній дузі, що виникає між електродами в газовому середовищі. На електроди подають напругу. Потім на мить торкаються одним електродом іншого для запалювання електричної дуги і повільно розводять електроди на певну відстань. Внаслідок іонізації газове середовище між електродами стає електропровідним. Пряме нагрівання електричною дугою широко застосовується в електрозварювальних установках.

Електронне електронагрівання відбувається при зустрічі потоку електронів, прискорених в електричному полі, з тілом, яке потрібно нагріти. Електронне електронагрівання застосовують у промисловості для зварювання дрібних деталей.

Світлове (лазерне) електронагрівання відбувається під дією випромінювання оптичних квантових генераторів (лазерів). Енергія пучка когерентних оптичних променів при зустрічі з поверхнею тіла, що нагрівається, перетворюється в тепло. Лазери використовують для зварювання мікро деталей, проведенні операцій та для інших цілей.

Індуктивне нагрівання металів. Якщо провідник помістити в змінне магнітне поле, то він нагріватиметься струмами, які наводяться в ньому за законами електромагнітної індукції. Інтенсивне нагрівання буває в полях великої напруженості і високої частоти. Ці поля утворюються в спеціальних установках, які називають індукторами. Індуктор це первинна обмотка повітряного трансформатора, вторинною обмоткою якого є тіло, що нагрівається. Індукційні установки поділяють на установки низької (50 Гц); установки середньої частоти 10кГц та високої частоти до 100 МГц). Чим більша частота струму індуктора, тим на меншу глибину проникають струми в деталь. Тому струми високої частоти використовують для поверхневого нагрівання.

Інфрачервоне нагрівання.  Інфрачервоні промені проникають в органічну речовину на деяку глибину, і нагрівання речовини відбувається відразу на всій глибині проникання променів. Інфрачервоні промені можна досить точно сфокусувати на певний об'єкт або його частину за допомогою відбивачів і екранів. При цьому можна досягти дуже високої інтенсивності нагрівання з високим енергетичним коефіцієнтом корисної дії.

Діелектричне нагрівання. Під впливом електричного поля в матеріалах з поганою електропровідністю заряди, зв'язані міжмолекулярними силами, орієнтуються або зміщуються в напрямі електричного поля. Ці заряди називають зв'язаними на відміну від вільних зарядів, які утворюють струм провідності. Зміщення зв'язаних зарядів під дією електричного поля називають поляризацією. Якщо електричне поле змінне, то відбувається безперервне зміщення зарядів. Енергія, яка витрачається на поляризацію молекул не провідникових матеріалів, виділяється у вигляді теплоти. При нагріванні в полі конденсатора матеріалів з поганою електричною провідністю теплота виділяється одночасно по всьому об'єму матеріалу. Це сприяє швидкому видаленню надлишкової вологості.

Мікрохвильове електронагрівання відбувається під впливом поглинання тілом енергії електромагнітного випромінювання  частотою 2 ГГц і виділенням тепла. Нагрівання вологих продуктів  відбувається під дією високочастотних хвиль. Мікрохвилі, проходячи всередину об'єкта, ефективно поляризують молекули води. Під дією випромінювання молекули будуються вздовж силових ліній електромагнітного поля. Мікрохвилі «бомбардують» молекули води в їжі, змушуючи їх обертатися з частотою в мільйони разів в секунду, створюючи молекулярне тертя, яке і нагріває продукти. Мікрохвилі, які проникають в глибину об'єкта на 2 - 3 см, розігрівають молекули води. Вже розігріті ділянки  передають тепло далі внаслідок теплопровідності чи конвекції   і таким шляхом прогрівається весь об’єм.

 Нагрівальні елементи.

Виділення тепла відбувається в нагрівальних елементах, які виготовляють з матеріалів, що мають великий питомий електричний опір, високу механічну міцність і термостійкість. До таких матеріалів належать ніхром та фехраль.

Нагрівальні елементи бувають відкриті, закриті і герметичні. Відкриті елементи виготовляють з ніхромових спіралей, які закріплюють на керамічних ізоляторах. Розжарені до видимого світіння, вони є добрими джерелами інфрачервоного випромінювання.

Закриті елементи виготовляють у вигляді спіралей або дротів, намотаних на електроізоляційний матеріал - слюду, кераміку. Інколи спіралі запресовують в електроізоляційну масу. Такі елементи передають тепло завдяки теплопровідності.

Герметичні трубчасті  електро нагрівачі  скорочено називаються ТЕН, виготовляють із стальних, латунних або мідних трубок діаметром 10 ... 24 мм. Всередині металевої трубки 1 вміщують ніхромову спіраль , ізольовану від стінок трубки периклазом прожареним окисом магнію або кварцевим піском . Виводи від спіралі  у вигляді стальних шпильок  виходять із трубки через фарфорові або керамічні ізолятори , які герметизують теплостійкими лаками. Засипавши трубку периклазом, його ущільнюють методом вібрації, а потім трубку обтискують — спіраль добре запресовується. Це дає змогу надавати ТЕНам різної форми.

При електродному нагріванні велике значення мають матеріали, з яких виготовлено електроди. Залізні електроди застосовують тільки при нагріванні води для технічних цілей. В установках для нагрівання рідких кормів, запарювання соломи та нагрівання води не для технікних цілей використовують електроди з неіржавіючої сталі, графітні та з титанових сплавів.

У плівкових обігрівниках нагрівні елементи виготовляють з вуглеграфітної струмопровідної тканини, сажонаповненої гуми, металонаповнених склоемалей, склоцементів та інших струмопровідних плівок. Плівкові обігрівачі з нагрівними елементами на основі резистивних плівок мають корпус із листової сталі, покритий електроізоляційною емаллю, на яку методом пневматичного розпилювання нанесено пастоподібну масу композиційного резистивного матеріалу. Зверху електропровідна плівка покривається термостійким електроізоляційним лаком, органічною емаллю або епоксидною смолою.

У сільському господарстві часто виникає потреба одні продукти нагрівати, а інші охолоджувати. «Переносити » теплоту від одних продуктів до інших з невеликою затратою електричної енергії можуть компресійні та термоелектричні теплові насоси. Компресійні теплові насоси працюють подібно до холодильних машин. Тепловий насос можна використати для одночасного нагрівання води і охолодження молока. У таких пристроях компресор подає газоподібний фреон з температурою 80...90 °С в конденсатор-теплообмінник, де фреон, віддаючи тепло воді, охолоджується і перетворюється в рідину. Далі фреон надходить у випарник, занурений в розсіл. Під час випаровування фреон охолоджує розсіл.

Холодний розсіл насосом подається в охолоджувач молока. Із випарника газо подібний фреон знову надходить у компресор, і далі його цикл повторюється.

Термоелектричні теплові насоси. Принцип їх дії грунтується на явищі, яке в 1834 р. відкрив французький фізик Пелтьє. Суть цього явища полягає в тому, що при пропусканні постійного струму через напівпровідник на одному з його спаїв теплота виділяється, а на іншому - поглинається. Після зміни напрямку протікання струму тепла сторона стане холодною, а холодна теплою. Тому напівпровідникові теплові насоси можна використовувати зимою для опалення приміщень, а літом для кондиціювання повітря. Напівпровідникові теплові насоси мають високий коефіцієнт корисної дії.