Основы электрического контактного нагрева

Область применения

1. Прямой нагрев металлических деталей сложной формы (валы, оси)

2. Контактная сварка

3. Наплавка при восстановлении изоляции деталей

4. Прогрев трубопроводов с целью размораживания, подогрева циркуляции жидкости

Для нагрева металлических используют в основном переменный ток (проще получить), так как 10000А от долей вольт до 12В наиболее просто получить с понижающим трансформатором.

Преимущество контактного нагрева

1. Способ более универсальный чем индуктивный нагрев, так как при индуктивном нагреве необходимо использовать различные индукторы.

2. Большая скорость нагрева (40 ^оС в секунду), что позволяет получить более качественную структуру металла.

3. Значительно меньше (в 9-10 раз) окисление и угар металла, по сравнению с печами сопротивления

4. Высокая технологическая культура и санитарные условия.

Недостатки: возможность нагрева деталей простых форм, использование специальных нагревательных трансформаторов.

Электронный нагрев. Электрическая проводимость воды.

На удельное сопротивление воды большое влияние оказывает ее температура и содержание примесей.

;

 - температурный коэффициент сопротивления воды, в среднем составляет 0,025 1/^оС.

С ростом температуры удельное сопротивление воды уменьшается, например, от 0 до 100^оС в 6 раз, следовательно, в 6 раз возрастает сила тока и мощность потребления из сети.

Геометрический коэффициент электродной системы независимо от схемы электродной системы.

h – длина (высота) электродов

 - удельное сопротивление нагревательного материала

Rф - сопротивление

Uф – фазное напряжение

С – коэффициент зависящий от параметров электродной системы С=l/S

Значение Кэг приводится в таблице для различных схем нагревателей.

Допустимая плотность тока на электродах

Плотность тока определяется по максимальной силе тока стекающей с электрода с его активной поверхности.

J=I/Aэ

Аэ – площадь поверхности

Для различных материалов и форм электродов имеются рекомендуемые плотности тока.

Значение допустимой напряженности электрического поля ??? электродном промежутке, приводится для водогрейных и паровых лотков в таблице или графиков в зависимости от удельного сопротивления воды.

Электроды выполняют функцию подвода тока к нагреваемой среде, а сами током практически не нагреваются.

Изготовляются электроды из стали или графита. Наилучшие электроды из нержавеющие стали и титана.

Электродный нагрев получил распространение в водогрейных и паровых котлах.

Часть II

Электротехнология

Электротермия

Электрохимия

ЭИТ

Ультразвуковые технологии

Магнитная обработка материалов

Электроимпульсная

Основные понятия и определения

Электротехнология – область науки и техники изучающая и использующая технологические процессы, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в другие виды энергии.

В зависимости от вида преобразованной энергии различают:

1. Электротермию

2. Электрохимию

3. Электрохимическая и электрофизическая обработка материалов

4. Процесс электронной технологии

Электрохимия - применение технологических процессов физико-химического действия тока.

ЭИТ – электрическая энергия сосредоточена в электрических полях, непосредственно воздействует на материал без каких либо промежуточных преобразований другие виды энергии (сортировка семян, влияние отрицательных магнитных ионов на живые организмы).

Обработка семян и почвы электрическим током.

Обработка почвы используется для ее ???, насыщения микроорганизмами.

Электроимпульсная техника – изучает воздействие импульсного тока на природу, электрогидравлический эффект (электрические изгороди, приготовление кормов, пастеризация)

Ультразвуковая обработка – оказывает механическое, термическое, биологическое, физико-химическое воздействие на объект, в частности на живые организмы (используют для приготовления эмульсии, обработки семян, дефектоскопия).

Магнитная обработка материала (очистка семян от сорняков, очистка кормов от металлических включений, магнитная обработка воды)

Физическое воздействие тока

Прохождение тока по проводнику сопровождается появлением электромагнитного поля, воздействие электромагнитного поля с внешним полм приводит к механическому воздействию на проводники.

Непосредственное воздействие электромагнитного поля используется для изменения структуры и свойств живой и неживой материи (производство магнитов)

Термическое воздействие тока – проявляется в нагреве сред в котором он протекает.

Механические силы поля – воздействуют на крупные заряженные тела, на проводники с током, магнитострикционные веществами вызывают перемещение этих тел или изменение их размеров.

Химическое действие токов – возникает при протекании токов в проводниках второго рода (газы, электролиты, в первую очередь в электролитах и сопровождается электролизом)

Электролиз – восстановительная, окислительная реакция на электродах. При этом, как правило, вещество анода переходит в электролит.

Электрокоагуляция – метод очистки воды от взвешенных мельчайших частиц металла – током введения в систему воды коагулянтов и привода взвешенных частиц в осадок.

Сущность метода в том, что при электролизе анод выполнен из алюминия или железа, он растворяется и образует в воде гидроокись алюминия или железа: Al(OH)₃; Fe(OH)₃, который не растворяется и образует рыхлую структуру, выпадая в осадок вместе с взвешенными частицами. Плотность тока для очистки воды в проточных системах очистки: j=10…50А/м².

Электродиализ – перенос ионов под действием электрического поля через ионоселективные мембраны – из специальных ионообменных материалов (пластмассы, смолы).

Сущность метода – пропускает соленую воду между анионовой и катионовой мембранами, между которыми создается электрическое поле.

Происходит рассоление по схеме:

М - мембрана

Под действием поля катионы двигаются к «-» элементу; анионы к «+», каждая мембрана пропускает только определенный вид ионов, вода опресняется.

Раствор находящийся в при анодном пространстве имеет кислотный характер, а при катодном – щелочной (анолит и католит).

Анолит – обладает бактерицидными свойствами.

Католит – стимулирует развитие клеток, от сюда их называют мертвей и живой водой соответственно.

Э лектроосмос – движение под действием электрического поля жидкости относительно твердого тела. На границе между фазой за счет перераспределения заряда образуется второй электрический слой.

Диполи в двойном слое начинают двигаться и тянут за собой молекулы воды за счет взаимодействия с соседними диполями.

Второй электрический слой имеет толщину в несколько молекул, образуется своего рода конденсатор. Одна обкладка с зарядом на поверхности твердого тела, другая в жидкости. Под действием внешнего поля заряженный слой начинает перемещаться, захватывая соседние слои молекул воды.

Э лектроосмос применяют для сушки сильно увлажненной почвы. Устанавливают ряд труб и стержней с расстоянием между ними приблизительно 5м. Трубы присоединяют к отрицательному полюсу, а стержни к положительному. Трубы имеют отверстия для откачки воды. Трубы диаметром 50-70мм, глубина заделки 1,2-2м, j=1-1,5А/м², Uпит=100В.

Электроосмос – применяют для воздействия на растения, отрицательный полюс – к верхушке растения, а положительный в почве, растение хорошо развивается. Напряжение 50…60В. Если полярность поменять – растение чахнет, гибнет.

Применение сильных электрических полей

Электронноионная технология (ЭИТ)

ЭИТ – область электротехнологии в которой используется взаимодействие сильных электрических полей с заряженными и заряженными в них частицами твердого и жидкого вещества.

Рабочим органом в аппаратах ЭИТ является само электрическое поле напряженность примерно 100кА на м (Е=100кВ/м).

Объекты воздействия – частицы размером от доли микрометров до десятков миллиметров. (пыль, волокна, семена).

В сельском хозяйстве ЭИТ используют:

1. разделение доброкачественных и не доброкачественных семян.

2. Отделение культурных семян от сорняков.

3. Отделение семян подсолнечника от лузги.

4. Семян пшеницы от спорыньи.

5. Очистка воздуха от пыли.

6. Нанесение ядохимикатов на семена и растения.

7. Электрическая окраска изделия.

8. Смешивание частей комбикормов.

9. Дозировка семян при посеве.

10. Распыление лекарственных препаратов в животноводческих помещениях.

11. Предпосевная обработка семян.

12. Искусственная аэроионизация.

Аэронизация сельскохозяйственных помещений

Естественный воздушный состав характеризуется наличием ионов обусловленных космическим излучением и радиацией земли (заряженные частицы).

Легкие ионы – ионизированные молекулы, окруженные нейтральными молекулами водяного пара.

Тяжелые ионы – заряженные аэрозольные частицы (воды, пыль в воздухе).

На 1 см3 воздуха приходится 500-1000 легких ионов и несколько тысяч тяжелых.

Для организмов наибольшее значение имеют легкие отрицательные ионы, они усиливают окислительно-восстановительные, обменные процессы, усиливают легочно-газовый обмен, активизируют ферменты, усиливают сопротивляемость болезням. При определенных режимах аэроионизации повышаются все показатели сельского хозяйства животных. (выход цыплят при инкубации до 6%, сохранность при выращивании до 10%, яйценоскость –10%, прирост – 20%, удой –10%, прирост поросят на 15%).

Положительные аэроионы действуют на живые организмы отрицательно, приводят к заболеваниям сердечно-сосудистой системы, повышается усталость.

В производственных помещениях, организациях ионизация «+» ионов повышена.

Искусственно аэроионизация осуществляется аэроионизатором. Наиболее простой «люстра Чижевского», представляет собой металлическую сетку с острыми иглами (400-500шт на 1м2) U=40-50кВ. Подвешивается к потолку помещения, отрицательный подается на люстру, положительный на пол (металлический).

Ток разряда Iраз=0,1Ма, создает 1010 ионов в секунду.

Положительное влияние:

Создают легкие отрицательные ионы в нужной концентрации.

Создается азон.

Очищается воздух, так как пыль заряжается и осаждается на пол.

Методика расчета на проволочных электродах.

Определение исходных данных: вид, возраст животного, кормление, способ вентиляции его;

Определяем, рекомендуемое значение концентрации легких отрицательных ионов;

Находят удельную силу тока (на единицу объема помещения) по формуле Багирова:

IV=0,44·10-12 n2 [мкА/м3];

n – количество ионов в единице объема.

Определяем общую силу тока на всю систему электродов.

I=IV·V·10-6, [A];

Рассчитывают удельную силу тока на единицу длины коронируемого электрода.

IL=I/L, [A/м];

Из ВАХ определяем значение напряжения коронного разряда.

ВАХ экспериментальна или по формуле.

IL=k·ε0·G

k – подвижность ионов, м2/(В·с),

G – функция напряженности поля и геометрических параметров электродов.

[В2/м2]

h – высота размещения коронируемого электрода над полом;

U – напряжение на коронируемых электродах.

А – функция, зависящая от коронируемой системы.

Из формулы находим требуемое напряжение.

Аэрозольная техника.

Аэрозольной называется система состоящая из твердых или жидких частиц взвешенных в воздухе.

Размеры частиц от 1нм до 1мм.

Аэрозоли из-за высокой площади поверхности на единицу объема обладают большой физико-химической активностью (мука –300гр на м3 взрывоопасна).

С помощью аэрозолей проводят дезинфекцию и дезинсекцию, обработку ядохимикатами семян и растений, окраску изделий.

Аэрозольный генератор

Электрофильтрация воздуха

1. Электрические фильтры:

по способу очистки:

а) сухой очистки

б) мокрой очистки

в) электрические фильтры

по конструкции:

а) пластинчатые

б) трубчатые

сухая:

1) однозонная

2) двухзонная

В однозонных фильтрах заряд и осаждение происходит в одной зоне, в двухзонных - в двух.

Двухзонный электрофильтр

Недостатки: частица может перезарядится и улететь. Удаляют – электрод и у диэлектрика.

Физические основы электрической очистки газа.

Фаза очистки:

Зарядка взвешенной частицы происходит во внешней зоне коронного разряда, эта зона заполнена отрицательными ионами и свободными электронами. При пропускании через электрический фильтр запыленного газа частицы его поляризуются, к частицам его прилипают ионы из объемного заряда, созданного короной. Заряд идет до тех пор, пока заряд осевших на частицах ионов не сравняется с внешним полем.

Заряженная частица движется к осадительному электроду.

Осаждение частиц на электрод.

Удаление осевших частиц с электрода.

Зарядка частиц: производится во внешней зоне коронного разряда. Эта зона заполнена отрицательными ионами и свободными электронами (есть объемный заряд) скорость движения ионов 10-60 м/с. Характеризуется подвижностью ионов k.

Подвижность ионов k – это скорость движения ионов при тнапряжении поля в 1 В/м.

Газ	k·104
Азот	8
Водород	8,13

Подвижность отрицательных ионов выше

Подвижность ионов зависит от температуры, влажности, давления газа, чистоты газа. В однородном газе подвижность в десятки раз выше. При пропускании через электрический фильтр запыленного газа или пыли, частицы его поляризуется.

К частицам налипают ионы из объемного разряда, созданного короной.

Заряд идет до той поры, пока заряд осевших на частице ионов не сравниться с внешним полем.

З аряд частицы

е – заряд электрона;

n0 – концентрация отрицательных ионов ( );

t - время зарядки;

ε0 – диэлектрическая проницаемость.

Сущность 2 механизма зарядки.

1. Ударная, для частиц > 1 мкм.

2. Диффузионная для частиц до 0,1 мкм.

Максимальный заряд при ударной зарядке.

где εr – диэлектрическая проницаемость частицы;

Eз – напряженность поля в точке зарядки частицы;

r - радиус частицы.

Максимальный заряд получается ≈ за 0,1 сек.

Для диффузионной зарядки:

К – постоянная Больцмана;

m – масса частицы;

А – const;

Т – температура.

А – функция зависящая от начальной концентрации частиц электронов.