Дисциплина Электротехника и электронная техника
Дисциплина Электротехника и электронная техника
Тема Электрический нагрев
УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ
Общие сведения об электрическом нагреве.
Использование электрической энергии для тепловых целей постоянно расширяется. Электротепловые установки обладают значительными преимуществами по сравнению с огневыми. Они малогабаритны, не требуют больших производственных площадей и менее пожароопасны. Электротепловые установки обладают малой металлоемкостью, постоянно готовы к действию, а управление ими можно легко автоматизировать. Им следует отдавать предпочтение, когда по технологии производства требуется точно поддерживать температуру (в инкубаторах, пастеризаторах, хранилищах и т. п.), когда электронагрев приводит к значительному росту производительности труда, когда есть возможность использовать энергию в ночные часы, так как электростанции не нагружены промышленными предприятиями (аккумуляционный водонагрев).
Существуют два вида нагрева: прямой и косвенный. Прямой нагрев характерен тем, что тепло в нагреваемом теле выделяется в результате прохождения через него электрического тока. При косвенном нагреве тепло нагреваемому телу передается от нагревательного элемента.
Способы нагрева.
По способу преобразования электрической энергии в тепловую различают нагрев сопротивлением, электроконтактный, электродный, электродуговой, индукционный, диэлектрический, нагрев излучением и др.
|
|
|
Нагрев сопротивлением основан на законе Джоуля — Ленца. При прохождении тока по проводнику выделяется тепло, количество которого пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока.
Резистивные нагреватели просты по устройству и достаточно безопасны в работе, поэтому в сельском хозяйстве и промышленности они нашли наибольшее применение. В качестве резисторов используют различные проводниковые и полупроводниковые материалы. Наиболее распространены металлические проводники — высокоомные сплавы: хромоникелевые (нихромы), железохромоалюминиевые (фехрали), медноникелевые (константан), углеродистые стали и чугун.
К достоинствам этих нагревателей относится их универсальность: возможность нагрева любых материалов (до температуры 1500°С), отсутствие
Рис.1. Трубчатый электронагреватель (ТЭН) герметического U -образного исполнения:
1 —нихромовая спираль; 2— трубка; 3— наполнитель; 4— выводная шпилька;
5 — герметирующая втулка; 6 — гайка; 7 —вывод.
воздействия электрического тока на нагреваемую среду, возможность использования как переменного, так и постоянного тока. К недостаткам резистивных нагревателей следует отнести ограниченный срок службы, дефицитность материалов и малую ремонтопригодность.
|
|
|
Электроконтактный нагрев поясняется рисунком 2. Тело 2(труба, пруток, вал и др.) включают во вторичную цепь понижающего (нагревательного) трансформатора 4. Так как сопротивление тела мало, то для нагрева необходим большой ток, который подводят при помощи массивных медных зажимов 1. Иногда этот способ используют для размораживания трубопроводов в зимнее время, подогрева циркулирующей в трубах жидкости и т. п.
Рис. 2. Схема электроконтактного нагрева:
1 – зажим; 2 – нагреваемое тело; 3 – подводящий проводник;
4 – трансформатор
Помимо нагрева тел простой формы, электроконтактный нагрев широко применяется в установках электроконтактной сварки (точечной, шовной, стыковой), а также для электроконтактной наплавки при восстановлении изношенных поверхностей деталей машин.
Электродный нагрев получил в сельскохозяйственном производстве широкое распространение в электродных водонагревателях, водогрейных и паровых котлах. Он может также использоваться для тепловой обработки влажных кормов, пастеризации молока, стерилизации парниковой почвы, прогреве бетона и др. Материал с ионной проводимостью помещают между электродами и нагревают электрическим током, протекающим от электрода к электроду (рис. 3).
|
|
|
1
Рис. 3. Схема электродного нагрева:
1 – нагревательная среда; 2 – электроды
2
Электроды, предназначенные для подвода электрического тока к нагреваемой среде, образуют электродную систему, или электродный нагреватель. Установки электродного нагрева (водонагреватели, паровые котлы, пастеризаторы, кормозапарники и т. п.) просты по устройству, надежны и экономичны. Электродный нагрев осуществляется только на переменном токе, чаще всего промышленной частоты 50 Гц. Основной недостаток установок электродного нагрева — необходимость дополнительных мер по обеспечению безопасности обслуживания.
Электродуговой нагрев. Электрическая дуга — это устойчивый самостоятельный электрический разряд в газах или парах металлов, характеризующийся высокой плотностью тока и низким значением катодного падения напряжения. По физической природе электрическая дуга представляет собой низкотемпературную плазму, состоящую из электронов, положительных ионов и небольшого количества отрицательных ионов. Температура дуги находится в пределах 5000...12 000 °С и способна плавить и испарять самые тугоплавкие материалы. Плотность тока дуги достигает значений 106...108 А/м2. Электроды нагреваются и плавятся за счет энергии падающих на них потоков электронов (анод) и положительных ионов (катод), а также за счет потока инфракрасных излучений столба дуги. Катод нагревается меньше, чем анод, за счет расходования части энергии, приносимой на катод потоком положительных ионов, на работу выхода электронов (термоэлектронная эмиссия). Горение дуги сопровождается следующими эффектами, определяющими области использования электродугового нагрева:
|
|
|
1) большим выделением теплоты на электродах, на чем основана электросварочная техника, а также промышленные
электродуговые печи прямого нагрева;
2) высокоинтенсивным инфракрасным излучением, что используется в электродуговых печах косвенного нагрева;
3) мощным потоком видимых излучений, что используется в установках прожекторного освещения;
4) интенсивным ультрафиолетовым излучением. Как генератор ультрафиолетовых излучений электрическая дуга не используется из-за низкого энергетического КПД.
Основное применение электродугового нагрева – электросварка, без которой невозможны эксплуатация и ремонт современной техники.
Индукционный нагрев основан на явлении электромагнитной индукции. В металлах, помещенных в переменное магнитное поле, индуктируются вихревые токи, вызывающие нагрев металла. В конструкциях электрических машин, трансформаторов и других электромагнитных аппаратах принимают специальные меры для уменьшения вихревых токов. При индукционном нагреве, специально создают условия для максимального действия вихревых токов. Индукционный нагрев используют для нагрева различных металлических емкостей, в которых нагревается вода, молоко и другие жидкости, а также для нагрева деталей машин. В ремонтном производстве токи средней и высокой частоты применяются для сквозного и поверхностного нагрева деталей из чугуна и стали под закалку, перед горячей деформацией (ковкой, штамповкой), при восстановлении деталей методами наплавки и высокочастотной металлизации, при пайке твердыми припоями и др. Особое место занимает поверхностная закалка деталей. Возможность концентрации мощности в заданном месте детали позволяет получать сочетание наружного закаленного слоя с пластичностью глубинных слоев, что значительно повышает износостойкость и устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам.
в
Рис. 4. Схемы индукционных печей: а — тигельная, б — канальная, в - для ремонтного производства; 1 — индуктор; 2 — расплавленный металл; 3 — тигель; 4 — магнитный сердечник; 5 — подовый камень с каналом тепловыделения.
При диэлектрическом нагреве происходит преобразование высокочастотного электромагнитного поля в тепловую энергию. Это преобразование происходит непосредственно в толще диэлектрик, помещенного в переменное электромагнитное поле. Поляризация, сопровождающаяся смещением ионов, перестройкой или поворотом дипольных молекул, связана с затратами энергии на преодоление инерционных сил и межмолекулярного «трения». Эта энергия увеличивает тепловое колебание частиц, то есть превращается в теплоту. Основной частью таких установок является дефицитный и дорогостоящий ламповый генератор высокой частоты. Поэтому данные установки применяются редко. Они применяются при сушке зерна и фруктов, консервировании и стерилизации сельскохозяйственных продуктов.
Воздухонагреватели.
Калорифер электрический предназначен для нагрева воздуха в вентиляционных системах сельскохозяйственного, промышленного, коммунального назначения при условии, если окружающая среда невзрывоопасная и не содержит значительного количества токопроводящей пыли. Преимущество их состоит в том, что в одном агрегате совмещаются функции отопления и вентиляции. Они имеют простую регулировку теплового потока и количества подаваемого воздуха.
В качестве побудителей движения воздуха используют осевые и центробежные вентиляторы, сочлененные с калорифером переходными вставками и конфузором. Для равномерного обдувания нагревательных элементов калорифер размещают перед входом в вентилятор. Нагревательные элементы выполняют в виде ТЭНов из нихромовой или фехралевой проволоки с гладкой или оребренной наружной поверхностью.
Рис. 5. Электрокалориферная установка СФОА-25/0,5:
1 —рама; 2— переходный патрубок; 3 — электрокалорифер; 4— мягкая вставка;
5 —электровентилятор.
Электрический калорифер серии ЭКО представляет собой каркас прямоугольного сечения, внутри которого расположены трубчатые оребренные электронагреватели: ТЭНы расположены в два или три ряда, каждый из которых представляет автономную электрическую секцию. Выводы ТЭНов размещаются в коробках, которые закрываются крышками. Электронагреватели ТЭНов соединены в звезду для того, чтобы при подключении электрокалорифера к сети 380 В на каждом ТЭНе было 220 В. В корпусе установлены два независимых биметаллических нормальнозамкнутых термовыключателя с самовозвратом. Один с температурой срабатывания 70-100°С как защита против перегрева воздушного потока, а второй с температурой срабатывания 100-130° С для защиты от пожара при перегреве корпуса. Он выпускается мощностью 5, 10, 15, 22,5 и 45 кВт.
Рис. 6. Калорифер ЭКО
Водонагреватели.
Элементные водонагреватели работают по принципу косвенного электронагрева воды при помощи ТЭНов. Они обладают достаточной электробезопасностыо в обслуживании и широко применяются для нагрева воды непосредственно в местах ее потребления. Основная особенность этих водонагревателей — сравнительно небольшая производительность при высокой электробезопасности и простоте обслуживания, доступной для неэлектротехнического персонала. В элементных водонагревателях электрический ток не влияет на качество воды, мощность водонагревателей за время нагрева практически не меняется. Недостатки элементных водонагревателей заключаются в сравнительно низкой эксплуатационной надежности из-за ограниченного срока службы ТЭНов и большом удельном расходе электроэнергии на нагрев воды (более низкий КПД).
Емкостные водонагреватели имеют значительную емкость для воды, имея малую установочную мощность не перегружают подстанции и сети. Благодаря хорошей теплоизоляции, такие водонагреватели способны длительное время (8... 10 ч) поддерживать температуру нагретой воды, поэтому их можно включать в ночное время, запасать горячую воду и затем отдавать ее потребителям по мере необходимости.
Емкостные электрические водонагреватели типа УАП, из которых наиболее распространен водонагреватель УАП-400/0.9-М1 (рис. 7), предназначены для нагрева воды на животноводческих фермах, в гаражах, мастерских, предприятиях бытового и коммунального назначения. В обозначении водонагревателя: 400 — вместимость резервуара в литрах, 0,9 — температура горячей воды (90 °С). Мощность водонагревателя 12 кВт (6 ТЭНов по 2 кВт), продолжительность нагрева воды до максимальной температуры 4 ч. Автоматическое поддержание температуры осуществляется при помощи температурного реле SС, которое через контакт промежуточного
реле KV включает или обесточивает катушку электромагнитного пускателя КМ,включающего или отключающего ТЭНы водонагревателя. Свечение лампы НG сигнализирует о включенном состоянии аппарата.
Рис.7. Емкостной водонагреватель УАП-400/0,9 (а) и его электрическая схема (б):
1 — резервуар; 2— тепловая изоляция; 3— термометр; 4,8— патрубки для
горячей и холодной воды; 5 — нагревательный блок; 6 — трубка для питающих
проводов; 7— ТЭНы (6 нагревателей); 9— обратный клапан; 10—запорный вентиль.
Проточные (скоростные) водонагревателикомпактны, позволяют получать горячую воду сразу после включения. Однако они не способны аккумулировать горячую воду, требуют свободного электропотребления и надежного электроснабжения. Водонагреватели типа САЗС оборудованы циркуляционным насосом, что позволяет непрерывно подавать нагретую воду в трубопроводную систему (в автопоилки, для подмывания вымени коров и т. п.). Управление включением водонагревателя осуществляется температурным реле, а насосом — терморегулятором, установленным в наиболее холодном месте подачи воды.
Рис. 8. Электроводонагреватель САЗС-400/90-И1:
1 — электроводонагреватель;
2— термометр водонагревателя;
3— изолирующая вставка;
4— насос;
5 — трубопроводная система;
6 — термометр в трубопроводной
системе.
Электродные водонагреватели работают по принципу прямого нагрева: вода нагревается протекающим по ней электрическим током, подводимым при помощи электродов. Электродные нагреватели по сравнению с ТЭНами более просты, дешевы и долговечны. Электродные водонагреватели имеют более высокий КПД, и для них не опасен перегрев даже в отсутствие воды, что в элементных водонагревателях недопустимо. Наиболее широкое применение среди них нашли водонагреватели типа ЭПЗ (электродный подогреватель с замкнутым контуром).
Конструкция водонагревателя ЭПЗ-100/0,4-И2 (мощность 100 кВт, питающее напряжение 0,4 кВ,) приведена на рисунке 9. Водонагреватель состоит из стального цилиндрического корпуса 2, верхней крышки 14, фазных 6и регулирующих 5электродов, электроизоляционных экранов 4, 18, 22,бокового 3и верхнего 12 кожухов и щита управления. В корпус вварены нижний (подводящий) 20и верхний (отводящий) 15патрубки для воды. К верхнему патрубку 15крепится съемный патрубок (на рисунке не показан) с гнездами для установки предохранительного устройства, регулирующего и защитного датчиков температуры. На верхней крышке 14смонтированы элементы подвода тока к подвешенной на ней электродной системе. Внутренняя поверхность корпуса и днище покрыты электроизоляционными экранами 4 и 22. Электродная система состоит из трех двухпластинчатых фазных 6и трех однопластинчатых регулирующих 5 электродов. Пластины электродов выгнуты по дугам концентрических окружностей. Пары фазных электродов соединены между собой металлическими скобами 1, к верхним скобам приварены токоподводящие шпильки 7. Регулирующие электроды 5 укреплены между диэлектрическими траверсами — верхней и нижней 19, смонтированными на поворотной оси 17, снабженной рукояткой 8 для регулирования мощности. Внутренний трехгранный диэлектрический экран 18с радиальными пластинами делит внутреннее пространство корпуса на три фазных сектора. Вода нагревается электрическим током, протекающим от одного фазного электрода к другому через промежуточный регулирующий электрод 5. Значение тока (мощности) определяется углом поворота (от 0 до 60°) регулирующих электродов относительно фазных. При совмещении регулирующих электродов с фазными мощность минимальна (25 %), а при симметричном положении относительно соседних фазных электродов — максимальна (100 %). Электрическая схема (рис. 8) обеспечивает работу водонагревателя в ручном режиме (переключатель 5Ав положении «Р») или в автоматическом (положение «A»). Автоматическое двухпозиционное управление осуществляется по температуре выходящей воды, которая контролируется манометрическим термометром SK. Контакты SК1замыкаются, когда температура воды ниже минимального значения, а SК2— когда температура воды достигает максимальной уставки. Включение происходит через промежуточные реле КV2— КVЗконтактором КМ, отключение — по цепочке КV1— КV2 — КVЗ — КМ. В случае отказа регулирующего термометра SК1 — SК2и повышения температуры выше заданной водонагреватель отключается при размыкании контакта аварийного реле SКЗ(типа ТР-200). Повторное включение возможно только вручную после устранения причины отказа.
При появлении в нулевом проводе тока, равного 25 % номинального тока фазы, или при коротком замыкании аппарат отключается контактом КАтокового реле, включенного в нулевой провод.
Электроводонагреватели типа ЭПЗ и КЭВЗ предназначены для работы в первичном контуре теплообменников (рис. 18.5) во избежание быстрого образования накипи на электродах и изменения их мощности.
Рис. 9. Электродный водонагреватель ЭПЗ-100-И2: 1 — скобы; 2— корпус; 3 и 12— кожухи; 4, 18и 22— экраны; 5, 6— электроды; 7 — шпилька; 8— рукоятка; 9— табличка; 10—токопроводящая шина; 11 — изолятор; 13 — трубка; 14— крышка; 15, 20 и 21— патрубки; 16— изоляционная пластина; 17— ось; 19— траверса.
Холодильные установки.
Принцип работы холодильной машины основан на свойствах ряда веществ находиться в жидок и газообразном состоянии. Такое вещество называется хладагент. Наиболее популярным хладагентом является фреон-12 (хладон-12). Фреон – газ или жидкость без цвета, без запаха. Как и любая жидкость, в состоянии кипения (то есть образования пара) забирает много тепла извне (охлаждает) и как большинство газов, при определённом давлении и температуре, способен конденсироваться (превращаться в жидкость), отдавая тепло в окружающую среду. При нормальном атмосферном давлении фреон закипает уже при температуре минус 29,4С0, поэтому при комнатной температуре вскипает и испаряется мгновенно. Рабочий процесс холодильной машины проходит в замкнутом цикле. При работе компрессора пары хладона засасываются им, сжимаются и выталкиваются в конденсатор, в котором при охлаждении водой или воздухом пары превращаются в жидкость при высоком давлении.
Рис. 10. Холодильная установка: схема и общий вид.
Далее жидкий хладон проходит через ресивер (накопитель) и фильтр-осушитель, в котором освобождается от влаги и примесей, дроссель терморегулирующего вентиля и становится парожидкостной смесью, которая кипит в испарителе и отбирает теплоту от омывающей испаритель воды, и, далее, всасываются компрессором с повторением цикла. Таким образом, испаритель становится источником холода.
Терморегулирующий вентиль (ТРВ) обеспечивает заданную температуру в аккумуляторе холода и препятствует попаданию жидкого фреона в компрессор, его регулируют на заданный перепад температур паров хладагента на входе и выходе из испарителя. Термобаллон вентиля установлен на всасывающем трубопроводе испарителя. При повышении температуры паров на выходе из испарителя увеличивается подача в испаритель жидкого хладона. При снижении температуры паров клапанное устройство вентиля закрывает отверстие.
Для уменьшения негативных последствий при неисправностях в схему технологического процесса включено реле давления РД. При разгерметизации и падении давления на входе в компрессор менее 2 кг/см2, а также при закупорке и повышении давления на выходе компрессора свыше 11 кг/см2 реле выключает компрессор. Реле настраивают изменением натяжения регулировочных пружин в приборе. В случае остановки компрессора автоматически прекращается (при помощи соленоидного вентиля) поступление жидкого хладона из конденсатора в испаритель. Соленоид клапана при этом обесточен. При включении компрессора в соленоид поступает ток и клапан открывает путь хладону.
Кроме того, работой компрессора управляет температурное реле ТР, которое включает и выключает установку при достижении заданной температуры в испарителе.
Дисциплина Электротехника и электронная техника
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 139; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!