Светотехника и электротехнология лекция

Светотехника и электротехнология.

Преподаватель: Котов Александр Валентинович.

Литература: Баранов Захаров Светотехника. Тарасенко Заяц Баран Электротехнология.

Кудрявцев Тарасенко Электронагрев и электротехнология 1975 советуется!

Введение.

Под электротехнологией понимают область науки и техники охватывающие изучение и использование технологических процессов, в которых электрическая энергия участвует непосредственно преобразуясь в рабочей зоне в различные виды энергии.

..1 Основы теории электрического нагрева. 06.02.2013

Электрический нагрев происходит в электромагнитом поле в результате поглощения веществом электромагнитной энергии.

Под воздействием электромагнитного поля элементарные заряды вещества приходят в движение (приобретают запас кинетической энергии), часть которой передают нейтральным молекулам атомам вещества при столкновение.

Электромагнитное поле — носитель энергии.

Элементарные заряды — промежуточные энергоносители передающие энергию и поля нагреваемому веществу.

Уравнение электромагнитного поля. ̅ = − -̅При протекание по проводнику тока вокруг него создаётся магнитное поле.

Rot – rotor – вихрь.

Ротор вектора напряженности магнитного поля H.

J – вектор плотности тока проводимости (вектор полного тока).

̅ − ̅=

̅= ̅ + ̅ = ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ + ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅- Закон Ома в дифференциальной форме.

проводимости смещения

– удельная электропроводность материала.— вектор электрической индукции.

Электромагнитная энергия втекает в тело (нагреваемое) в виде потока вектора ПойтингаП̅ = ̅ЕН̅ через замкнутую поверхность ограничивающую этот объем.

Вектор Пойтинга представляет собой количество энергии проходящий в единицу времени через единичную поверхность ориентированное перпендикулярным распространением волны.

Основы нагрева проводников.

Проводники:

1.Первого рода. Наблюдается электронная проводимость. Металлы, сплавы, уголь, графит. Вся потребляемая энергия преобразуется в тепловую.

2.Второго рода. Положительно и отрицательно заряженные ионы, в качестве проводимости. Водные растворы кислот, солей, щелочей, ионизированные газы — Электролиты. Энергия электромагнитного поля преобразуется в тепловую, перенос вещества, химические превращения.

Токи в проводниках создаются либо путём непосредственного их включения в электрическую цепь (низкие частоты) (токи проводимости), либо индицированием высокочастотным полем (вихревые токи).

Основы нагрева диэлектрика.

Электронная и ионная поляризации не вызывает нагрев.

Дипольная, междуслойная, релаксационная, спонтанная сопровождаются нагревом диэлектрика.

В таком случае нагрева не происходит.

= пр

см

= пр = м

= 0,5552

..2 Способы электронагрева.

1.Прямой. Энергия электромагнитного поля преобразуется в тепловую непосредственно в объеме нагреваемого материала.

2.Косвенный. Энергия электромагнитного поля преобразуется в тепловую в специальных

нагревательных устройствах, от которых за счёт теплопроводности, конвекции или излучения передаётся нагреваемому веществу или телу.

Различают следующие способы электронагрева:

1.Нагрев сопротивления.

2.Дуговой.

3.Индукционный.

4.Диэлектрический.

5.Электронный.

6.Лазерный.

7.Термоэлектрический.

8.Ионный.

..3 Электронагревательные установки и их классификации.

Электронагревательная установка — агрегат или оборудование включающие в себя электрические нагреватели, рабочую камеру и другие элементы связанные в одно целое в едином корпусе и предназначенные для определённого технологического процесса.

Классификация электронагревательных установок:

1.По особенностям нагрева:

1.Прямой.

2.Косвенный.

2.По характеру нагрева:

1.Периодического действия.

2.Непрерывного действия.

3.По режиму энергопотребления:

1.Работающие по свободному графику.

2.Работающие по принудительному графику.

4.По температуре нагрева:

= 1 −

= − 0- текущее превышение температуры над окружающей средой.у = у − 0- текущее превышение температуры нагретого тела Термический КПД максимальный в начале нагрева.

Когда = у; = 0Вся подводимая мощность идёт на компенсацию тепловых потерь с поверхности тела.

−

=

..6 Определение мощности электро-

потребл = полезая + огр + Рпотерь

огр— мощность на нагрев ограждающих конструкций.

Электрический КПД показывает эффективность передачи электромагнитной энергии нагреваемому веществу.

Тепловой КПД показывает эффективность использования нагреваемым телом выделившейся в нём тепловой энергии.

Рпол = 22 = 1 1 + + 2 2

1 1твёрдое - жидкое– удельная теплота плавления (парообразования).

2 2Нагрев в жидком, газообразном состоянии.- масса нагреваемого вещества.

- удельная теплоёмкость.

2- масса ограждающих конструкций образующие рабочий объем.3- удельная теплоёмкость ограждающих конструкций (металла).

Рпотерь

– термическое сопротивление излучения.

В электронагревательных установках присутствуют все три вида тепловых потерь, меняется лишь их доля

(%) в общих потерях.

..7 Выбор тепловой изоляции.

Чтобы снизить тепловые потери и увеличить термический КПД применяют изоляцию. Требования предъявляемые к тепловой изоляции:

1.Низкая теплопроводность.

2.Способность выдерживать высокие температуры при работе.

3.Малая (низкая) электропроводность.

4.Достаточная механическая прочность.

электропроводность раствора.

= ; ( = 0,025)

..11 Электроконтактный нагрев.

1.Понижающий трансформатор.

2.Зажимы.

3.Металлическая деталь.

Так как сопротивление деталей низкое, чтобы заготовке выделилось необходимое количество тепла Q нужен большой ток. Применяется для нагрева металлических деталей простой формы перед последующий закалки или отпуском, отжигом, а также при электроконтактной сварки.

Достоинства способа нагрева:

1.Можно использовать постоянный или переменный ток.

2.Высокая производительность при малых габаритах.

3.Высокая скорость нагрева (примерно 40 градусов в секунду).

4.Низкие тепловые потери.

Недостатки способа нагрева:

1.трудность создания хороших контактов между зажимами и деталью (сложность автоматизации).

2.Трудность измерения и автоматического регулирования температуры.

Вустановках электроконтактного нагрева определяют не параметры нагревательных устройств, а параметры источника питания.

Выбор нагревательных трансформаторов.

тр; 2Для выбора трансформатора определяют полную мощность и вторичное напряжение.

При известной массе детали, начальной и конечной температуры и времени нагрева, можно определить

полезную мощность, которая выделиться в нагреваемой детали.

, н, к, → полн = (к н)общ = полн ; = э т; э = 1

т = пол 2

- среднее значение сопротивления детали за период нагрева.

2 = √ общ + индук

тр = 0,9 … 0,95cos = 0,6 … 0,85 √ПВ— продолжительность включения.

ПВ = цикла = + охл- определяется самим трансформатором.

Внешние характеристики трансформатора.

При выборе нагревательного трансформатора, желательно, чтобы его характеристика была более мягкая.

Электроконтактная сварка.

Разновидности:

1.Стыковая.

1.С оплавлением.

2.Без оплавления.

2.Точечная.

3.Роликовая.

Нагрев проводников второго рода (электродный нагрев).

Применяют для нагрева проводников второго рода: воды, молока, соков, сочных кормов, грунтов теплиц, бетона.

Данный способ является прямым нагревом, так как сам нагреваемый материал является средой, в которой электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Электроды служат, лишь, только для подвода тока, а сами в процессе нагрева не нагреваются.

..12 Допустимая плотность тока на электродах. 27.02.2013.

Плотность тока нельзя превышать предельно допустимого значения. Если превысить, то возможен эффект разложения воды около электродов на водород и кислород, которые затем в смеси образуют гремучий газ, то есть установка может взорваться.

доп =доп = 1,52 смА2для стержневых электродов. Для конструкционной стали.

доп = 0,5 смА2для плоских электродов. Для конструкционной стали.

Материал электродов: Конструкционная сталь, не ржавеющая сталь, титан, графит, угольные электроды. Запрещённые материалы: оцинкованная сталь, алюминий.

Допустимая напряженность электрического поля между электродами.

Для нагрева используют только переменный ток, для избежания процесса электролиза (переноса материала с одного электрода на другой).

Едоп = пр

1,5 2

=

=— удельное сопротивление воды к концу нагрева.

Достоинства электродного способа нагрева:

1.Простой в реализации.

2.Высокий КПД.

3.Не высокая стоимость материала и оборудования.

Недостатки:

1.Могут нагреваться только электропроводящие среды.

2.Не постоянство мощности в процессе нагрева.

3.Не рациональное использование проводникового материала (выбор сечения проводов)

4.Повышенная электроопасность.

5.Ток проходящий через материал может влиять на его вкусовые качества.

..13 Электродные нагреватели.

Типы электродных систем.

1.Плоская однофазная.

2.Коаксиальный одноразовый.

3.Соединением треугольник (плоская трёхфазная)

4.Плоская трёхфазная система (схема замещения зависит от соединения нуля).

5.Стержневая трёхфазная. (тоже треугольник)

6.Коаксиальная трёхфазная (соединение звезда).

Расчёт электродных нагревателей.

Дано: , 20,Ом м, , > , н, к,

расчёт электродных нагревателя определяемая длительностью нагрева.

b – ширина электрода (задаются).

h – высота электрода.

К — геометрический коэффициент электродный системы. Рассчитывается по формулам представленным в таблицах для соответствующей электродной системы.

3) К

4) = 40 20 п 20+ 22 20+1

5) действ = н 2

=

Для плоских электродов S – ширина

Для коаксиальных электродов длинна окружности.

Если все параметры соблюдены, то определяется конечная мощность водонагревателя.

Достоинства и недостатки электродных водонагревателей. Достоинства:

1.Высокая надёжность работы.

2.Простая схема управления.

3.Высокий срок службы.

4.Большее значение мощности на единицу массы и объема по сравнению с другими установками.

5.Не бояться упуска воды.

6.Имеет широкое и плавное регулирование мощности.

7.Могут быть отремонтированы в условиях хозяйства.

Недостатки:

1.Надёжность и долговечность работы зависит от параметров воды.

2.Имеет место электрохимическая коррозия электродов.

3.Наличие в воде продуктов разложения железа.

Область применения:

1.Горячие водоснабжение (технические нужды).

2.Обогрев помещений.

3.Подогрев воды через теплообменник на питьевые нужды.

..14 Косвенный электронагрев сопротивлений (элементный нагрев) 06.03.2013.

Требования предъявляемые к нагревательным элементам:

1.Жаростойкость. Стойкость к окислению при высоких температурах.

2.Жаропрочность. Способность материалов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах.

3.Высокое удельное сопротивление.

4.Малый температурный коэффициент сопротивления. = 20(1 + )Чем меньше , тем меньше броски пускового тока в холодном состоянии.

5.Постоянство электрических свойств.

6.Постоянство размеров. Со временем размеры остаются постоянны.

7.Хорошая обрабатываемость.

8.Низкая стоимость.

Типы нагревателей:

1.Не металлические. Угольные, графитовые, титановые... Применяются в электротермических установках с рабочей температурой 1200-1300 градусов Цельсии. Работают при высоких температурах. Большая окисляемость, большое значение , низкий срок службы.

2.Металлические. Нихромы, Фекраль, стальная оцинкованная проволока. Типы нагревателей:

1.Открытые. Изготавливают из металлической проволоки, либо ленты. Нагревает излучением или конвекцией.

2.Закрытые. Нагревательный элемент или провод находится в защитной оболочке. Защищён от механических повреждений, более электробезопасен, чем открытый. Передача теплоты за счёт конвекции.

3.Герметичные. ТЭНЫ (трубчатые электронагреватели). Состоит из:

1.Провод.

2.Защитная оболочка. Медь, латунь, сталь.

3.Наполнитель. Материал периклас или кварцевый песок.

Требования для наполнителя:

1.Высокая теплопроводность.

2.Обладает высокими электроизоляционными свойствами.

Достоинства:

1.Меньшее окисление (больший срок службы).

2.Лучшая электробезопасность.

3.Универсальность для нагрева любых сред.

Срок службы — время по истечению которого поперечное сечение нагревательного элемента уменьшается на 20% от своего первоначального значения. Зависит от рабочий температуры (чем больше, тем быстрее окислится), Зависит от сечения самого нагревательного элемента, Зависит от числа включений.

Выбор питающего напряжения.

= ; =2

Вывод:

Заданную мощность можно достичь:

1.Увеличением напряжения питания (но оно ограничено напряжением сети).

2.Увеличивая объем нагревательного элемента.

Мощность установки как правило регулируют за счёт переключения нагревательных элементов, их схемы включения (звезда — треугольник — параллельное соединение — последовательное соединение) Недостатки косвенного нагрева:

1.Низкий срок службы нагревателя.

2.Более высокий удельный расход эклектическим нагревом.

3.Как правило не ремонтопригодный

Достоинства:

1.Электрический ток не воздействует на нагревательный материал

2.Можно нагревать любые среды.

3.Работают на переменном и постоянном токе.

4.Достаточно электробезопасны в обслуживание.

..15 Тепловой расчёт нагревателей.

Тепловой расчёт сводиться к определению рабочей температуры нагревателей и удельного поверхностного теплового потока или необходимой площади поверхности нагревателя при заданной мощности и

определённых условиях теплообмена. уд =

Температура поверхности для воды принимается 103-113 градусов Цельсия. Температура рассчитывается именно для нагревательного элемента.

..16 Электрический расчёт нагревательного элемента.

Сводиться к определению геометрических размеров нагревательного сопротивления, обеспечивающих необходимую мощность и температуру тепло-отдающей поверхности тепло-нагревателя.

По расчётному значению выбирается из справочника ближайший больший диаметр, после рассчитывается длинна провода.

Либо второй вариант расчёта — упрощённый расчёт по токовым таблицам.

=

Если открытый нагреватель. расч = раб Если закрытый или герметичный нагреватель. расч = рабм– коэффициент монтажа.

Кср— коэффициент среды.

Маркировка трубчатых электронагревателей.