Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра  электроснабжения промышленных предприятий

 

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Конспект лекций
для студентов  специальности
5B081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства

 

Алматы 2013

СОСТАВИТЕЛИ: Е.С. Умбетов., Т.Н. Агимов. Электротехнологии в сельском хозяйстве. Конспект лекций, для студентов, обучающихся по специальности 5B081200– Энергообеспечение сельского хозяйства – Алматы: АУЭС, 2013. – 50 с.

Сборник содержит конспекты одиннадцати лекций согласно темам рабочей программы дисциплины "Электротехнологии в сельском хозяйстве". Конспекты лекций, при отсутствии цельного учебника по курсу, позволяют студентам усвоить теоретический материал, подготовиться к текущему и итоговому контролю, выполнению и защите лабораторных и расчетно-графических работ.

Библиогр.–10 назв.

Рецензент: доцент Р.М. Кузембаева

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества "Алматинский университет энергетики и связи" на 2012г.

© НАО "Алматинский  университет  энергетики и связи", 2013 г.

 

Содержание

Введение	4
1 Лекция №1. Основы теории и расчета электротермических устройств	5
2 Лекция №2. Электротермическоеоборудование сельскохозяйствен-ного назначения	9
3 Лекция №3. Элементные водонагреватели	13
4 Лекция №4. Электротермическое оборудование для создания и регулирования микроклимата	17
5 Лекция №5. Отопительные электрические печи и котельные	21
6 Лекция №6. Электротермическое оборудование для сушки и тепловой обработки сельскохозяйственных материалов	25
7 Лекция №7. Электротермическое оборудование овощехранилищ и сооружений защищенного грунта	29
8 Лекция №8. Электротермическое оборудование  ремонтного  производства и бытовые электронагревательные приборы	33
9 Лекция №9. Электронно-ионная технология	37
10 Лекция №10. Ультразвуковая техника и технология	41
11 Лекция №11. Электроимпульсная техника и технология	45
Список  литературы	49

 

Введение

Все процессы в сфере материального производства связаны с потреблением того или иного вида энергии. Чем больше энергии приходится на одного рабочего, то есть чем выше энерговооруженность труда, тем больше выработка, выше производительность труда. Это целиком относится и к сельскохозяйственному производству.

Сельскохозяйственное производство неразрывно связано с живыми организмами, жизнедеятельность которых в огромной степени зависит от условий внешней среды и важнейшего из них – температуры. Тепловая энергия выступает как мощный фактор воздействия человека на природу, в одних случаях тепло используется для создания наиболее благоприятных температурных условий для растений, животных и низших живых организмов, в других – для подавления вредителей и вредных микроорганизмов, вызывающих порчу продукции, снижение плодородия почвы (в закрытом грунте) и т. д. 

Основным потребителем тепловой энергии является животноводство, где потребность в ней значительно превышает потребность в других видах энергии и составляет до 90% всего энергопотребления.

Огромная роль тепловой энергии в современном интенсивном сельскохозяйственном производстве требует надежного теплоснабжения, которое в ряде отраслей приобретает исключительное значение. Традиционные способы теплоснабжения, распространенные в городах,- теплофикация на базе ТЭЦ и районных котельных и газификация в сельских районах – оказываются в большинстве случаев экономически нецелесообразными главным образом из-за низких плотностей тепловых нагрузок.

Основные области применения электронагрева:

– технологические нужды сельскохозяйственного производства;

– создание микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях;

– обогрев парников и теплиц;

– приготовление пищи и горячее водоснабжение в быту.

Использование электронагрева в сельском хозяйстве имеет свои особенности, предстоят большие работы по исследованию и разработке новых рациональных областей и способов использования электронагрева, созданию нового, высокоэффективного оборудования. Для этого необходимы глубокие знания физических основ электронагрева, его технических и технологических возможностей, способов рационального использования.

 

1 Лекция № 1. Основы теории и расчета электротермических устройств

 

Цель: ознакомление студентов с методологией классификации электротермического оборудования.

План: введение. Способы электрического нагрева и классификация электротермического оборудования. Элементы кинетики нагрева.

Электротехнология – область науки и техники, изучающая приемы, способы и средства выполнения производственных процессов, использующих электрическую энергию непосредственно или с предварительным преобразованием в другие виды.

Технологические процессы, связанные с преобразованием электрической энергии в тепловую и ее использованием, объединяют термином «Электротермия».

 

1.1 Способы электрического нагрева и классификация электротермического оборудования

 

В основе классификации электротермического оборудования лежит способ электронагрева – способ преобразования электрической энергии в тепловую [1]. Различают следующие способы электронагрева.

Нагрев сопротивлением – электронагрев за счет электрического сопротивления электронагревателя или загрузки.

Дуговой нагрев – электронагрев загрузки электрической дугой. Электрическая энергия преобразуется в тепловую в дуге, горящей в газовой среде.

Индукционный нагрев– электронагрев электропроводящей загрузки электромагнитной индукцией.

Диэлектрический нагрев – электронагрев неэлектропроводящей загрузки токами смещения при поляризации, а также проводников II рода, имеющих ионную проводимость.

Электронно-лучевой нагрев –   загрузки сфокусированным электронным лучом в вакууме.

Лазерный нагрев – электронагрев в результате последовательного преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения и затем в тепловую в облучаемой загрузке.

Ионный нагрев – электронагрев потоком ионов, образован­ным электрическим разрядом в вакууме.

Плазменный нагрев – электронагрев стабилизированным высокотемпературным ионизированным газом, образующим плазму.

Инфракрасный нагрев – электронагрев инфракрасным излучением при условии, что излучательные спектральные характеристики излучателя соответствуют поглощательным характеристикам нагреваемой загрузки.

Термоэлектрический нагрев – нагрев сред теплотой Пельтье, переносимый электрическим током термоэлектрической батареи от источника, имеющего температуру более низкую, чем температура потребителя.

Классификация электротермического оборудования по способам электронагрева приведена в таблице 1.1.

 

Та б л и ц а 1.1–Классификация электротермического оборудования по способам электронагрева

Вид электротермического оборудования	Основные   области применения	Примеры оборудования
Электропечи (электротермические устройства) сопротивления	Сушка и тепловая обработка сельскохозяйственных материалов и кормов,  приготовление пищи.	Электрокалориферные уста­новки,   электрические водонагреватели, установки для сушки зерна.
Дуговые электропечи	Электросварка, резка, металлизация	Сварочные трансформаторы, генераторы, металлизаторы
Индукционные электропечи (электротермические уст­ройства)	Поверхностная закалка ме­таллических деталей, нагрев под термообработку и пластическую	Индукционные закалочные и нагревательные установки средней и высокой частоты,
Диэлектрические электропечи (электротермические устройства)	Нагрев диэлектриков и по­лупроводников, комбини­рованная высокочастотно-конвективная сушка зерна.	Установки диэлектрического нагрева пресс-порошков, сушилки семян, СВЧ-печи для приготовления пищи
Электронно-лучевые печи	Термообработка, плавка и сварка тугоплавких металлов в вакууме	Электронные плавильные нагревательные и сварочные установки
Лазерные электропечи (электротермические устройства)	Резка, нанесение покрытий, предпосевная обработка семян, селекционная работа	Установки предпосевной обработки семян, пред-инкубационной обработки яиц
Ионные электропечи (элек-тротермические устройства)	Химико-термическая обработка металлов	Установки ионно-плазменного азотирования, цементации,  покрытия металлов
Плазменные электропечи	Плавка,   резка, термообработка металлов.в	Дуговые и высокочастотные плазмотроны
Электропечи  (электротерми-ческие  устройства) инфра красного нагрева	Местный электрообогрев молодняка животных и пти­цы, сушка материалов, об­работка кормов, семян	Установки инфракрасного обогрева животных и птицы, сушилки, пастеризаторы молока, микронизторы зерна
Термоэлектрические устройства	Подогрев воздуха, воды, жидких кормов	Термоэлектрические тепловые насосы, теплохолодильные установки

 

1.2 Элементы кинетики нагрева

 

Процессы нагрева, связанные с изменением энтальпии материалов и явлениями переноса теплоты, по своей природе динамические, протекающие во времени. Это относится, прежде всего, к установкам периодического действия, а также к переходным режимам установок непрерывного действия, отличающихся большой тепловой инерцией. Рассм. простейший случай нестационарного процесса – нагрев однородного и изотропного тела, имеющего бесконечную теплопроводность [2].

Уравнение теплового баланса за время dτ:

 

dQ₁ = dQ₂ + dQ₃,                                            (1.1)

где dQ₁, dQ₂, dQ₃ – количество теплоты, подводимой к телу за время dτ, идущей на изменение энтальпии тела, отдаваемой в окружающую среду.

Составляющие теплового баланса определяют так:

;    ;   ,               (1.2)

 

где Р – мощность, подводимая к телу, Вт;

      m – масса тела, кг; с – средняя за период нагрева удельная теплоемкость тела, Дж/(кг ^°С);

     dt – изменение температуры тела за время dτ, ^°С; 

      k – коэффициент теплопередачи от нагреваемого тела в окружающую среду, Вт/м^{2 °}С); t₀ – температура окружающей среды, ^°С;

     F – площадь поверхности теплопередачи, м².

Тогда уравнение (1.2) можно представить в виде:

 

.                             (1.3)

Рисунок 1.1 – Кривые нагрева и охлаждения однородного тела

Обозначим постоянную времени нагрева, с:

,                                                 (1.4)

температуру тела (при dt/dτ = 0):

 

                                                  .                                            (1.5)

 

Тогда дифференциальное уравнение (1.3) можно записать в виде

 

,  решение которого                          (1.6)

где t_н – температура тела в начальный момент времени (при τ=0).

Зависимость (1.6) – уравнение нагрева однородного тела. Графически оно представляет собой экспоненту (см. рисунок 1.1), начинающуюся с температуры t = t_н при τ = 0 и асимптотически приближающуюся к установившемуся значению t_у при τ → ∞. Практически уже при τ = (3…4)Т наступает установившийся режим и t = (0,95…0,98) t_у.

Из уравнения (1.6) нетрудно получить выражение для определения времени нагрева тела для любой температуры t в промежутке от t_н до t_у:

 

,                                     (1.7)

 

Обозначим через θ = (-_н), θ_у = _у - _н – текущее и установившееся превышение температуры тела над его начальной температурой, тогда уравнение (1.5) можно представить в виде:

 

                                         (1.8)

 

Постоянная времени нагрева Т – важный параметр теплового объекта. Численно она равна отношению теплоемкости тела к его теплоотдающей способности, определенной по формуле (1.4), и представляет собой время, в течение которого тело достигло бы установившейся температуры при адиабатном нагреве, т.е. без теплоотдачи в окружающую среду. При этих условиях температура тела изменялась бы во времени по прямой, в чем нетрудно убедиться, подставив в выражение (1.3) значение k = 0. На этом основано графическое определение постоянной времени Т (см. рисунок 1.1). Нетрудно также убедиться, например, из выражения (1.7), что при τ = Т θ = 0,632 θ_у.

Постоянная времени, как это видно из формулы (1.4), не зависит от мощности подводимой к телу, а зависит от условия его теплообмена с окружающей средой.

Важная характеристика теплового процесса – скорость нагрева, которую можно получить, продифференцировав уравнение (1.6) по τ:

 

,                           (1.9)

 

2 Лекция №2. Электронагрев сопротивлением

 

Цель: изучение вопросов расчета электрического сопротивления проводников и электроконтактного нагрева.

План: способы электронагрева сопротивлением. Электрическое сопротивление проводников первого и второго рода. Электроконтактный нагрев.

 

2.1 Способы электронагрева сопротивлением

 

Электронагрев сопротивлением – наиболее простой способ преобразования электрической энергии в тепловую, удовлетворяющий требованиям большинства низко- и среднетемпературных процессов, а также некоторых высокотемпературных процессов  [3].

Если ток протекает непосредственно по нагреваемому телу (среде), то нагрев называют прямым – в этом случае тело нагрева служит одновременно преобразователем электрической энергии в тепловую и предметом труда. Если тело нагрева служит лишь преобразователем электроэнергии в тепловую, которая передается затем нагреваемой среде, то имеется косвенный электронагрев сопротивлением. Прямой электронагрев сопротивлением подразделяют на:

– электроконтактный нагрев металлических тел – проводников I рода;

– электродный нагрев - прямой нагрев электропроводящих сред проводников II рода, имеющих ионную проводимость (вода, молоко, почва и т.п.).

а – электроконтактного; б – электродного; в – косвенного (элементного); г – нагрева в электролите;

1 – нагреваемое тело; 2 – зажимы (контакты); 3-нагревательный трансформатор; 4 – электроды; 5 – электронагреватель сопротивления;

6 – пузырьки газа.

Рисунок – 2.1 Схемы электронагрева сопротивлением

 

Схемы электронагрева сопротивлением изображены на рисунке 2.1, а-г. Нагрев осуществляют путем включения проводника (проводящей среды) в электрическую цепь и пропускания по нему электрического тока. Если к проводнику, имеющему электрическое сопротивление R, подводится напряжение U, то поглощаемая им из сети мощность:

 

,                                                 (2.1)

 

а количество теплоты, выделяющейся в проводнике за время τ, определяется законом Джоуля-Ленца, описываемым формулой:

 

                                                 (2.2)

 

Из приведенных выражений следует, что основной фактор, определяющий процесс нагрева сопротивлением, - электрическое сопротивление нагреваемых тел (в установках прямого нагрева) или нагревательных элементов (в установках косвенного нагрева).

 

2.2 Электрическое сопротивление проводников первого рода

 

Сопротивление проводника постоянному току называют омическим. При неизменном по длине l  проводника сечении S его определяют по формуле:

 

                                                         (2.3)

 

Сопротивление безиндуктивных металлических проводников переменному току называют активным. Оно больше омического сопротивления вследствие поверхностного эффекта:

 

                                                       (2.4)

 

где k_п=R_a/R₀ – коэффициент поверхностного эффекта.

 

2.3 Электрическое сопротивление проводников второго рода

 

Проводники II рода называют электролитами. К ним относят водные растворы кислот, солей, щелочей, а также различные жидкие и влагосодержащие материалы (молоко, влажные корма, почва).

Дистиллированная вода имеет удельное электрическое сопротивление порядка 10⁴ Ом × м и практически не проводит электрический ток, а химически чистая вода является хорошим диэлектриком. Удельное электрическое сопротивление воды зависит от концентрации солей и приближенно может быть определено по эмпирической формуле:

 

         

 

где r₂₀ – удельное сопротивление воды при 20  ^oС, Ом × м;

      С – суммарная концентрация солей, мг/л.

Атмосферная вода содержит растворенных солей не более 50 мг/л, воды рек – 500…600 мг/л, подземные воды – от 100 мг/л до нескольких граммов на литр. Наиболее часто встречающиеся значения r₂₀ для воды находятся в диапазоне 10…30 Ом × м.

Электрическое сопротивление проводников II рода существенно зависит от температуры. С ее возрастанием увеличиваются степень диссоциации молекул солей на ионы и их подвижность, вследствие чего проводимость повышается, а сопротивление снижается. Для любой температуры t до начала заметного парообразования удельная электрическая проводимость воды, Ом × м^-1, определяется линейной зависимостью:

 

 

где g₂₀ – удельная проводимость воды при 20 ^oС;

      a - температурный коэффициент проводимости, равный 0,025…0,035 ^oС^-1.

 

В технических расчетах обычно пользуются не проводимостью, а удельным сопротивлением:

 

,                                     (2.5)

 

и его упрощенной зависимостью r(t), принимая  a = 0,025  ^oС^-1. Тогда выражение (2.5) примет вид:

 

                                            (2.6)

 

В диапазоне температур 20…100 ^oС удельное сопротивление воды снижается в 3…5 раз, во столько же раз изменяется мощность, потребляемая из сети. Это один из существенных недостатков электродного нагрева, приводящий к завышению сечения питающих проводов и усложняющий расчет установок.

 

2.4 Электроконтактный нагрев

 

Элетроконтактный нагрев деталей простой формы (валов, осей, лент) (см. рисунок 2.2, а) используют при их термической и механической обработке.

Электроконтактную сварку (см. рисунок 2.2, б) применяют для неразъемного соединения металлических деталей путем прямого электронагрева мест соприкосновения до пластического состояния и механического сдавливания (осадки).

 

б – при сварке; в – при наплавке (приварке); г – при припекании.

 

Рисунок   2.2 –Схемы электроконтактного нагрева

 

Количество теплоты, выделяемое в местах сварки, определяется по формуле:

 

                                            Q = I² R_t t,                                                   (2.7)

 

где I – сила тока сварки, А; t - время сварки, с; R_t – переходное сопротивление электрического контакта, Ом:

                                                  

                                                R_п = k₁ · k_t / (0,1· F)^m,                                (2.8)

 

где k₁ – коэффициент, зависящий от материала свариваемых деталей;

      F – усилие сжатия, приложенное к контакту, Н;

      m – показатель степени зависящий от формы поверхностей контактирующих деталей;

      k_t – коэффициент, учитывающий температуру контакта

 

                                                  k_t = 1 – 0,67 α_t (t-20),                                (2.9)

 

здесь α_t – температурный коэффициент сопротивления контактов, ^оС^-1;

          t – температура контакта, ^оС.

Электроконтактную наплавку (приварку) (см. рисунок 2.2 в) применяют для восстановления изношенных наружных и внутренних цилиндрических поверхностей.

Электроконтактное припекание (см. рисунок 2.2, г) применяют для нанесения порошковых покрытий с целью упрочнения деталей с плоской и цилиндрической поверхностью.

 

3 Лекция № 3. Электродный нагрев

 

Цель: изучение электродного способа нагрева с обоснованием конструктивных и энергетических параметров электродных систем.

План: область применения. Электродный способ. Электродные системы и их параметры.

 

Электродный способ применяют для нагрева проводников II рода: воды, молока, фруктовых и ягодных соков, сочных кормов, почвы, бетона. Электродный нагрев – наиболее простой и экономичный способ нагрева материалов, не требует специальных источников питания или нагревателей из дорогостоящих сплавов.

В машиностроении и ремонтном производстве применяют нагрев в электролите. Металлическое изделие (деталь) помещают в электролитическую ванну (5…10%-ный раствор Na₂CO₃ и др.) и подсоединяют к отрицательному полюсу источника постоянного тока. В результате электролиза на катоде выделяется водород, на аноде – кислород. Слой пузырьков водорода, покрывающий деталь, представляет для тока высокое сопротивление. В нем выделяется основная доля теплоты, нагревающая деталь. На аноде, имеющем гораздо большую поверхность, плотность тока мала. При определенных условиях деталь нагревается электрическими разрядами, возникающими в водородном слое. Газовый слой одновременно служит теплоизоляцией, предотвращающей охлаждение детали электролитом. Преимущество этого вида нагрева – значительная плотность энергии (до 1 кВт/см²), обеспечивающая высокую скорость нагрева. Однако это достигается повышенным расходом энергии.

 

3.1 Электродные системы и их параметры

 

Электродная система – совокупность электродов, определенным образом связанных между собой и питающей сетью, предназначенных для подвода тока к нагреваемой среде [4]. Параметрами электродных систем являются: число фаз, форма, размеры, число и материал электродов, расстояние между ними, электрическая схема соединения («звезда», «треугольник», смешанное соединение и т.п.). Некоторые типы электродных систем приведены в таблице 3.1.

Мощность трехфазной электродной системы при соединении звездой

Р_g и треугольником Р_D рассчитывают по формулам:

 

                                (3.1)

 

При заданном напряжении U_л питания мощность Р определяется сопротивлением фазы R_ф, которое представляет собой сопротивление тела нагрева, заключенного между электродами, образующими фазу. Конфигурация и размеры тела зависят от формы, размеров и расстояния между электродами. Для простейшей электродной системы с плоскими электродами (см. рисунок 3.1, б) шириной каждого b, высотой  h и расстоянием между ними  l:

 

,                                         (3.2)

 

где l, b,  h – геометрические параметры плоскопараллельной системы.

 

Для сложных систем зависимость R_ф от геометрических параметров не представляется выразить столь просто. В общем случае ее можно представить в виде:

                                                   (3.3)

где с – коэффициент, определяемый геометрическими параметрами электродной системы.

 

Размеры электродов, обеспечивающие необходимое значение R_ф, могут быть рассчитаны, если известно аналитическое описание электрического поля между электродами, а также зависимость величины r от определяющих ее факторов (температура, давление и др.).

Обычно электрическое поле в зоне нагрева многомерное и весьма сложное. Аналитически описать поля в сравнительно простом виде можно лишь для ограниченного числа случаев, когда есть возможность без больших погрешностей заменить реальные многомерные поля двухмерными плоскопараллельными. В этих случаях третье измерение поля (высота или длина h электродов) зависит только от мощности и может быть выделено из коэффициента с:

 

                                           (3.4)

 

где k – геометрический коэффициент электродной системы.

Нетрудно заметить, что для простейшей плоскопараллельной системы из двух электродов k = l/b. Для сложных систем величину k находят методами теоретической электротехники, определяя емкость соответствующей системы электродов и переходя затем к проводимости.

В таблице 3.1 приведены схемы некоторых наиболее распространенных электродных систем и выражения для сопротивления фазы R_ф. Геометрический коэффициент электродной системы находят в соответствии с выражением (3.4) как:

 

.                                                  (3.5)

Мощность любой трехфазной электродной системы можно представить в виде:

                                                (3.6)

где U – фазное напряжение системы.

 

Т а б л и ц а 3.1–Некоторые типы электродных систем [5]

	Фазное сопротивление аппарата
	b – ширина электрода
	Оптимальное соотношение размеров r э = 0,368 rк
	Оптимальное соотношение размеров  r =0,51 rк;  rэ = 0,21 rк
	a1 ,a2 – углы поворота (в градусах), регулирующих электродов относительно фазных

 

Как отмечалось, условие (3.3) не единственное, определяющее геометрические параметры электродных систем. Другие не менее важные условия – обеспечение надежности работы, исключение порчи продукта и электрического пробоя между электродами. Эти условия выполняются ограничением напряженности поля в межэлектродном пространстве, плотности тока на электродах и надлежащим выбором материала электродов.

Допустимую напряженность Е_доп поля выбирают по электрической прочности Е_пр материала с учетом коэффициента запаса:

 

Е_доп = Е_пр/(1,5…2).                                            (3.7)

 

Величина Е_доп определяет расстояние между электродами:

 

,                                    (3.8)

где J_доп – допустимая плотность тока на электродах;

      r_t – удельное сопротивление воды при рабочей температуре.

По опыту эксплуатации электродных водонагревателей значение Е_доп принимают в пределах (125…250) × 10² В/м, минимальное значение соответствует r₂₀ ≤ 20 Ом × м, максимальное - r₂₀≥100 Ом × м.

Допустимую плотность тока ограничивают из-за возможности загрязнения нагреваемой среды вредными продуктами электролиза на электродах и разложения воды на водород и кислород, которые в смеси образуют гремучий газ.

Допустимую плотность тока определяют по формуле Ома:

 

                                            (3.9)

 

где r_t – удельное сопротивление среды при конечной температуре.

Для воды иногда используют приближенную зависимость:

 

.                                         (3.10)

Максимальная плотность тока

 

,                                               (3.11)

 

где k_н = 1,1…1,4 – коэффициент, учитывающий неравномерность плотности тока по поверхности электрода;

        I_t – сила рабочего тока, стекающего с электрода при конечной температуре;

       S – площадь активной поверхности электрода.

Регулирование мощности, как это видно из формулы (3.4), возможно при изменении значений U или R. В свою очередь, величина R зависит от параметров r, S, l или r, h, k. Чаще всего прибегают к изменению рабочей высоты h электродов (площади активной поверхности S электродов) путем введения между электродами диэлектрических экранов (см. таблицу 3.1, схемы 1, 2, 3) или изменением геометрического коэффициента электродной системы (см. таблицу 3.1, схема 4).

 

4 Лекция №4. Электродуговой нагрев

 

Цель: ознакомление студентов с физикой процесса электрической дуги и условиями устойчивого горения дуги.

План: свойства и характеристики электрической дуги. Условия устойчивого горения дуги.

 

4.1 Свойства и характеристики электрической дуги

 

Электрическая дуга - устойчивый самостоятельный электрический разряд в газах или парах металлов, характеризующийся высокой плотностью тока и низким падением напряжения на катоде. Горение дуги сопровождается интенсивным нагревом электродов и газового промежутка. Температура столба дуги достигает 6000...10000 К и более, что достаточно для плавления и испарения самых тугоплавких метал­лов и сплавов. В сельскохозяйственном производстве основная область применения электродугового нагрева - дуговая электросварка.

Таким образом, горение электрической дуги сопровождается следующими эффектами, обусловливающими области её применения:

– большим выделением теплоты на электродах;

– высокоинтенсивным инфракрасным излучением;

– мощным потоком видимого излучения;

– интенсивным ультрафиолетовым излучением.

Электрическая дуга как газовый проводник по длине неоднородна и состоит из трех последовательных участков (см. рисунок 4.1, а), различаю­щихся длиной и характером протекающих в них процессов: катодной области (), столба дуги () и анодной области (). Общая длина дуги состоит из длин трех областей (см. рисунок  4.1, б):

                                                    

.                                          (4.1)          

Общее напряжение на дуге  слагается из падений напряжений в катодной области  ,столбе дуги , в анодной области:

                                                    

.                                     (4.2)          

 

Ток дуги вытекает из анода и втекает в катод (при дуге постоянно­го тока) через так называемые активные пятна - наиболее нагретые части электродов, которые называются соответственно анодным и катодным пятном.

 

 

а – строение , б – статическая вольт-амперная характеристика.

Рисунок  4.1 – Электрическая дуга

               

Катодная область дуги расположена вблизи катода, длина ее около м, что приближенно равно длине свободного пробега электрона. Катодное падение напряжения порядка 10 В создается за счет объемного прикатодного заряда положительных ионов. Столб дуги занимает основную долю длины дуги. В длинных дугах . Он состоит из движущихся навстречу один другому электронов, положительных ионов и очень малого числа отрицательных ионов. В целом столб дуги электрически нейтрален, так как положительные и отрицательные заряды компенсируют один другой. Высокая температура столба поддерживается в основном в результате упругих соударений электронов с молекулами и атомами газа. Плотность тока в дуговом столбе достигает десятков и сотен , напряжённость электрического поля (10…35). Температура столба  дуги зависит от состава газовой смеси, материала и диаметра электродов, плотности тока. Приближённо температура, К, столба дуги может быть определена по формуле:

                                 

,                                                (4.3)

 

где -потенциал ионизации газовой среды, В.

 

Анодная область непосредственно примыкает к аноду.  Длина её больше катодной, падение напряжения около 30 В. Анодное падение напряжения создаётся за счёт отрицательного объёмного заряда из ускоренных электронов , извлекаемых из столба дуги.

Электрическую дугу классифицируют по роду среды, в которой происходит дуговой разряд (открытая, горящая под флюсом, в среде защитных газов); роду тока (постоянного, переменного, трёхфазного); полярности (прямой и обратной – для дуги постоянного тока).

Полная мощность дуги, кВт:

                                      ,                                                     (4.4)

где U_д – напряжение дуги, В;

       I – сила тока дуги, А.

 

Эффективная мощность дуги:

                                             ,                                               (4.5)

где - КПД , учитывающий потери энергии при её передачи изделию . Его значение зависит от материала электродов: при сварке открытой дугой металлическими электродами =0,70…0,85, под флюсом – 0,80…0,95.

Важную роль при изучении свойств сварочной дуги и определении требований к источникам питания для дуговой сварки играет статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) дуги, представляющая собой зависимость падения напряжения на дуге от силы тока . Её вид изображён на рисунке 4.1, б. При малых токах (80…100 А, область I) сопротивление дуги уменьшается быстрее , чем увеличивается ток , и ВАХ имеет падающий характер , согласно уравнению:

 

                                    ,                                (4.6)

 

где -сумма катодного и анодного падений напряжения;

        b-удельное падение напряжения в газовом столбе, отнесённое к 1 мм длины дуги (зависит от газового состава столба дуги );

        - длина дуги, мм;

        c- мощность, Вт, необходимая для вырывания электрона из катодного пятна и зависящая от материала электродов;

        d- мощность, Вт, затрачиваемая на прохождение электронного потока через газовый промежуток дуги длинной 1 мм.

При средних значениях токов (80…800 А, область II) третья составляющая правой части уравнения (4.6) становится незначимой и напряжение на дуге практически не зависит от тока – ВАХ имеет жёсткий характер и описывается первыми двумя составляющими правой части  уравнения (4.6):

                                           .                                            (4.7)

В высокопроизводительных промышленных установках при автоматической сварке под флюсом применяют еще большие токи более 800 А, область III). В этом случае ВАХ имеет возрастающий вид.

В электрической дуге переменного тока катод и анод периодичес­ки (с частотой тока) меняются местами. При каждом переходе тока через нуль другого участка снижается температура дугового проме­жутка, происходит частичная деионизация газовой смеси. Повторное зажигание дуги в начале следующего полупериода происходит при достижении напряжения, достаточного для зажигания дуги. Поэтому дуга переменного тока горит прерывисто и неустойчиво. Чтобы повысить устойчивость, необходимо более высокое напряжение питания, чем для дуги постоянного тока. Устойчивость дуги возрастает при  включении индуктивности в сварочную цепь.

 

4.2 Условия устойчивого горения дуги

 

Источник питания и дуга образуют энергетическую систему, которая будет устойчива, если обеспечен баланс расхода энергии и ее доставки от источника, иначе говоря, если случайные изменения значения тока будут с течением времени уменьшаться, возвращая систему в исходное состояние. Для этого источники питания должны иметь внешние характеристики (которые могут быть пада­ющими, жесткими, возрастающими), соответствующие вольтамперной характеристике дуги , или содержать устройства автоматической стабилизации тока дуги.

В первом случае условие устойчивости в статическом режиме сводится к тому, чтобы дифференциальное сопротивление системы, называемое коэффициентом устойчивости  , было больше нуля:

                                    

                                                        (4.8)

 

Частные  производные  представляют  собой  дифференциальные сопротивления соответственно дуги и источника в рабочей точке при .

Условие (4.8) выполняется , если при падающей характеристике дуги внешняя характеристика источника питания будет более падающей. На рисунке 4.2 показаны совмещенные падающая характеристи­ка источника питания и дуги. Так как ,  , то условие устойчивости можно записать как .

1-    источника питания ;

   2- электрической дуги.

Рисунок 4.2 – Совмещённые падающие характеристики

5 Лекция №5. Диэлектрический нагрев

 

Цель: ознакомление студентов с физическими основами процесса диэлектрического нагрева.

План: особенности и области применения. Физические основы. Выбор установок.

5.1 Особенности и области применения

Диэлектрический нагрев используют для непроводящих материалов (диэлектриков), а также полупроводников и проводников II рода. Нагрев происходит в высокочастотном электрическом (или электромагнитном) поле вследствие поляризации сред и протекания токов сквозной проводимости.

В диэлектриках процессы поляризации сопровождаются движением (смещением) связанных зарядов, которые есть не что иное, как ток электрического смещения. Плотность тока смещения определяется скоростью и изменения вектора электрической индукции  

                                                   (5.1)

Как и любое движение электрических зарядов в вещественных средах, протекание тока смещения сопровождается нагревом диэлектрика.

Токами сверхвысокой частоты (1…5 ГГц) нагревают (СВЧ-нагрев) в электромагнитном поле, создаваемом в волноводах или объемных резонаторах, куда помещают нагреваемый материал.

Диэлектрический нагрев является прямым с объемным вводом энергии в материал: теплота выделяется одновременно по всему объему тела, однородного по электрофизическим свойством, что особенно важно для материалов с низкой теплопроводностью (зерно, мясо, молоко, корма, фрукты).

 

5.2 Физические основы

 

В зависимости от природы диэлектриков различают электронную, ионную, дипольную, релаксационную, межслойную, спонтанную и другие виды поляризации, отличающиеся видом электрических диполей и характером их смещения в электрическом поле.

В переменном электрическом поле происходит непрерывная переориентация диполей с частотой поля. Смещение связанных зарядов в диэлектрике,  происходящее под действием переменного электрического поля, макроскопически проявляется   как ток поляризации, составляющий вместе с током смещения в вакууме полный ток электрического смещения, плотность которого определяется формулой:

.                                 (5.2)

При электронной и ионой поляризации смещение связанных зарядов происходит безинерционно, упруго, без «трения» о соседние элементарные частицы и теплота в диэлектрике не выделяется. Вектор плотности  тока опережает вектор  на угол  (см. рисунок 5.2, а). Такие диэлектрики называются идеальными (без потерь).

а – идеальном;

б – с потерями.

 

 

 

 

Рисунок 5.2– Векторные диаграммы плотности токов в диэлектрике

 

Иными словами, относительная диэлектрическая проницаемость  на высоких частотах – величина комплексная:

 

                                            (5.3)

Следовательно, плотность полного тока электрического смещения в реальном диэлектрике тоже величина комплексная:

            .                                            (5.4)

Подставив в выражение (5.3) значение , найденное по формуле (1), получим:

.     (5.5)

Из анализа зависимости (5.5) видно, что при поляризации с трением вектор плотности тока смещения опережает вектор  на угол φ, меньший  (см. рисунок  5.2, б). Угол δ, дополняющий угол φ до значения , носит название угла потерь. Тангенс угла потерь

                   

                                                                      (5.6)

где - мнимая и вещественная части комплексной диэлектрической проницаемости вещества диэлектрика;

- ток электрического смещения в идеальном диэлектрике.

Вещественная составляющая  плотности полного тока смещения , вычисленная по формуле (5.3) , совпадает по направлению с вектором напряженности  поля (подобно току проводимости). Однако величину  нельзя считать током проводимости в обычном понимании этого слова, хотя она включает и ток проводимости диэлектрика, пусть пренебрежимо малый по сравнению с током смещения. Объемная мощность, поглощаемая в диэлектрике, имеет активно-емкостный характер:

 

                          (5.6)

 

где комплексно – сопряженное значение полного тока смещения.

Объемная активная мощность:

 

                                      ,                                                     (5.7)

 

где - «истинная» относительная диэлектрическая проницаемость, соответствующая вещественной части комплексного параметра .

Произведение отражает электрофизические свойства вещества диэлектрика и называется фактором потерь. Величины  и зависят от температуры вещества и частоты поля. Подставив в выражение (5.7) w = 2 ππf, где f в Гц,  e_о = 8,85 · 10^-12 Ф/м  и E – в В/м, получим, Вт/м³:

                       .                               (5.8)

Из формулы (5.8) следует, что активная мощность, поглощаемая диэлектриком в высокочастотном поле, пропорциональна фактору потерь, частоте и квадрату напряженности поля.

5.3 Выбор установок

Установки диэлектрического нагрева выбирают по колебательной мощности Р_ген генератора, частоте тока f, допустимой напряженности Е_доп электрического поля в материале.

Величину Е_доп устанавливают исходя из условия недопустимости электрического пробоя материала:

                                                                    (5.9)

где Е_пр – электрическая прочность материала.

Частоту поля принимают в диапазоне между допустимыми минимальным f_min  и максимальным f_max ее значениями. Значение  f_min  определяется возможностью обеспечения необходимой  скорости нагрева ∆t/∆τ или скорости сушки ∆W/∆τ, задаваемыми технологическими условиями. При нагреве удельная объемная мощность, которую необходимо ввести в материал для обеспечения заданной скорости процесса:

                                                                                 (5.10)

где η_τ – термический КПД, учитывающий потери в рабочем конденсаторе.

Величина  p_v , выраженная через электрические параметры рабочего конденсатора и электрофизические свойства материала, определяется формулой (5.8). Приравняв правые части выражений (5.8) и (5.10) и разрешив полученное равенство относительно частоты, получим:

                        ,          (5.11)

где γ и с –плотность и удельная теплоемкость материала.

Максимальную частоту определяют из условия возможности настройки рабочего колебательного контура в резонанс:

                                                                         (5.12)

где L_min и C_min – минимально возможные индуктивность и емкость колебательного контура (см. рисунок 5.1).

Колебательная мощность генератора

                                                                            (5.13)

Мощность, потребляемая из сети,

                                   (5.14)

где η_{ген ,} η_к η_л – КПД генератора, колебательного контура и линии, связывающей выводы  генераторной лампы (источника питания UZ) с контуром.

Ориентировочные значения  η_ген =0,65…0,75; η_τ = 0,80…0,90; η_к=0,65…0,70;            η_л = 0,90…0,95.

 

 

6 Лекция № 6. Электротермическое оборудование сельско-хозяйственного назначения

 

Цель: ознакомление студентов с энергетическими параметрами и конструкциями  электродных водонагревателей  и парогенераторов.

План: электрические водонагреватели и котлы. Области применения и классификация. Парогенераторы.

 

6.1 Области применения и назначения

 

Электрические водонагреватели и парогенераторы применяют в системах горячего водоснабжения, отопления и вентиляции, в технологических процессах животноводства и растениеводства, в ремонтном производстве [6].

Установки для электрического нагрева воды и генерации пара классифицируют по технологическому назначению (электрические водонагреватели, парогенераторы, пароводонагреватели), по виду нагрева (элементные, индукционные, электродные), по характеру работы (проточные и аккумуляционные), по напряжению (низковольтные до 0,4 кВ и высоковольтные до 10 кВ).

 

6.2 Расчет мощности,  выбор водонагревателей  и парогенераторов

 

Водонагреватели и парогенераторы выбирают по технологическому назначению и расчетной мощности. При этом учитывают график потребления энергии и возможность аккумуляции горячей воды, если это необходимо.

Мощность поточного водонагревателя или парогенератора:

 

                                             (6.1)

 

где Q_max – максимальная часовая потребность в теплоте, Дж/ч;

       h_у – КПД электроводонагревателя и системы раздачи горячей воды или пара.

Мощность аккумуляционного водонагревателя или электрокотельной, работающей с аккумуляцией теплоты:

 

                                                (6.2)

где К_з – коэффициент запаса, учитывающий возможность расширения теплопотребления, равный 1,2…1,25;

      t-продолжительность работы водонагревателя или электрокотельной в течение суток, с.

Суточная потребность в теплоте, Дж:

                                                      (6.3)

Часовая потребность в теплоте для электрокотельных, Дж:

 

                                       (6.4)

где Q_отi, Q_вi, Q_сri, Q_ti – часовая потребность в теплоте на отопление зданий и сооружений, подогрев вентиляционного воздуха, на санитарно-гигениеческие и технологические нужды.

 

Методика расчета теплопотребления на отопление и подогрев вентиляционного воздуха дана в специальной литературе. Часовая потребность в теплоте на технологические нужды:

 

.                                                 (6.5)

 

Теплота, потребляемая на i –й технологический процесс, Дж, для водонагревателей:

.                                             (6.6)

 

Для парогенераторов:

,                                              (6.7)

где m_вi, m_пi – расход горячей воды или пара в i-м процессе, кг;

       с – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг× °С);

       t_гi и t_xi – температура горячей и холодной воды, °С;

       h и h_k - энтальпия пара и конденсата, Дж/кг.

Расход горячей воды или пара и температура даны в нормах технологического проектирования зависимости от вида технологической операции. График потребления воды или пара в течение суток зависит от технологии производственных процессов на объекте теплоснабжения.

Для водонагревателей и парогенераторов, обеспечивающих выполнение технологических процессов,

 

Q_чi =Q_ti.                                                     (6.8)

 

Продолжительность t работы водонагревателей при свободном графике электропотребления принимают исходя из технологических требований и технических возможностей самих водонагревателей (мощность, вместимость аккумулирующего резервуара), при режимном электропотреблении – задается энергосбывающей организацией. Например, разрешено включать электрокотельную с 23 до 6 часов и с 12 до 16 ч.

 

6.3 Электродные водонагреватели  и парогенераторы

 

Электродные водонагреватели и парогенераторы относят к установкам прямого электронагрева сопротивлением. Электрическая энергия преобразуется в теплоту при протекании электрического тока через воду, находящуюся между токопроводящими электродами. Водонагреватели выпускают на номинальное напряжение 0,4; 6 и 10 кВ и максимальное рабочее давление 0,6 МПа для низковольтных и 1…1,5 МПа для высоковольтных аппаратов.

Электродные водонагреватели предназначены для нагрева проточной воды в замкнутых системах теплоснабжения с избыточным давлением до 0,6 МПа.  

Электродный проточный водонагреватель ЭПЗ ( см. рисунок 6.1) имеет два исполнения, различающихся приводом механизма регулирования мощности (И2 - ручной привод,  И3 -электродвигательный привод).

1-кожух; 2-корпус; 3-изоляционное покрытие;

4 и 5-фазные и регулирующие электроды;

6- перемычки; 7-токоподвод к электродам;

8-электроприводной механизм;

9-винт выпуска  воздуха; 10-дренаж из зоны вала;

11 и 13 – защитный и регулирующий термодатчик; 12, 17 – патрубки; 14-вал;

15-изоляционные пластины;

 16-траверса;

18-пробка слива;

19-изоляционные экраны.

 

Рисунок 6.1– Электродный водонагреватель ЭПЗ-100 ИЗ

 

Мощность водонагревателя регулируют, изменяя площади активной поверхности регулирующих электродов 5, путем их вращения электроприводным исполнительным механизмом 8 вокруг вала 14. При изменении угла поворота от 0 до 60°,  мощность водонагревателя возрастает от 25 до 100%.

Электродный водогрейный котел КЭВ на номинальное напряжение 0,4 кВ выпускают в двух исполнениях : с цилиндрическими  электродами для воды, имеющими удельное сопротивление при 20°С ниже 10 Ом × м и с пластинчатыми – для воды, удельное сопротивление которого выше 10 Ом × м (см.  рисунок 6.2). Число электродов зависит от мощности котла  и равно 3n + 1, где n – целое число. Эквивалентная электрическая схема замещения водонагревателя – треугольник. Мощность регулируют изменением активной высоты электродов в результате перемещения регулирующих пластин 2, выполненных из диэлектрика в межэлектродном пространстве.

 1-дренаж; 2-корпус;

 3-пластинчатые электроды;

 4-регулирующие диэлектрические  пластины;

 5-регулирующий механизм; 

 6-защитные диэлектрические пластины;

 7-проходные изоляторы;

 8-диафрагма; 9-опоры.

 

Рисунок 6.2 – Электродный водогрейный котел  КЭВ-0,4 с пластинчатыми электродами

 

Мобильные парогенераторы. Уникальные свойства водяного пара, одного из самых теплоемких, наиболее доступных и экологически чистых веществ в природе, хорошо известны. Не случайно, в Финляндии, в стране с самым холодным климатом, появились эти универсальные машины, способные вырабатывать пар для решения всевозможных задач, которые только могут возникнуть при морозе, сильном снегопаде или при других обстоятельствах, где высокая температура и мощный напор являются лучшим подспорьем.

Мобильные парогенераторы, производимые компанией STEAMRATOR (см. рисунок 6.6), разработаны как раз для решения таких задач.

Парогенераторы находят широкое применение в коммунальном хозяйстве, на строительных площадках, при сервисном обслуживании или ремонте подземных коммуникаций, при нефтедобыче и в других областях промышленности и народного хозяйства.

Благодаря компактным размерам и простой конструкции мобильные парогенераторы зачастую используются также в качестве источника пара для технологических нужд.

 

 

 

Рисунок 6.6 – Современные мобильные парогенераторы

Стационарные парогенераторы. Парогенераторы STEAM - это полностью автоматизированные агрегаты повышенной заводской готовности, которые просты в обслуживании и не требуют постоянного присутствия обслуживающего персонала.

 

7 Лекция №7. Электротермическое оборудование для сушки, хранения,  тепловой обработки сельскохозяйственных материалов и  сооружений защищенного грунта

 

Цель: ознакомление студентов с процессами сушки и хранения, и с классификацией способов  электрообогрева.

План: оборудование активного вентилирования и конвективной сушки. Электротермическое оборудование овощехранилищ и защищенного грунта.

Тепловая обработка представляет собой технологический процесс, в результате которого под действием теплоты изменяются состояние, структура или физико-химические свойства материалов.

С у ш к а    является разновидностью тепловой обработки. Широко применяют сушку зерна, сена, плодов, овощей, ягод, льна, конопли, молока, яичного меланжа и другой продукции. Во всех современных способах тепловой сушки – конвективной, кондуктивной, терморадиационной – можно использовать электрический нагрев.

 

7.1 Оборудование активного вентилирования и конвективной сушки

 

Активное вентилирование – наиболее эффективный и экономичный способ сушки, применяемый преимущественно при заготовке и закладке на хранение зерна и сена [6]. При этом сушку зерна и сена, как правило, проводят воздухом, подогретым на  5…12 °С.

При активном вентилировании зерна исключается его перемещение, перегрев семян при сушке, их травмирование. Чаще всего этот процесс проводят в закромах и специальных бункерах.

В закромах зерно насыпают слоем 1…1,5м над воздухораспределительными каналами и продувают его холодным или подогретым в калориферах воздухом (см. рисунок 7.1, а). В этом случае предотвращается самосогревание зерна и оно может долго храниться.

Бункер активного вентилирования (см. рисунок 7.1, б) состоит из двух коаксиальных перфорированных цилиндров 5 и 6, в кольцевой зазор между которыми засыпают зерно. Во внутренний цилиндр с помощью центробежного вентилятора 7 подают воздух, который пронизывает слой зерна в радиальном направлении и уносит излишнюю влагу. Поршень-заглушка 4 во внутреннем цилиндре не пропускает воздух в незагруженную часть бункера. Положение поршня регулируют в зависимости от высоты слоя зерна.

В вентилируемом бункере атмосферный воздух при влажности более 65 % подогревают на 5…6 °С двухсекционным электрокалорифером 8.

Чаще всего применяют бункера активного вентилирования БВ-25, БВ-40, выпускаемые в нашей стране, и К878 (изготовитель Германия) вместимостью 25; 40 и 29 т и установленной мощностью 29,5; 47,5 и 25,5 кВт (в том числе мощность электрокалорифера 24; 40 и 18 кВт).

Вентилируемые бункера размещают в зданиях закрытого типа с легкими огражающими конструкциями промышленного изготовления.

а – в закромах;

б – в вентилируемых бункерах;

1 – воздухораспредели-тельный канал; 2 – закром с зерном;

3 – агрегат ВПЭ-6А;

4 – поршень-заглушка;

5 и 6 – внутренний и наружный перфорированные цилиндры;

 7 – вентилятор;                                                             8 - электрокалорифер.

 

Рисунок   7.1 –Схемы активного вентилирования зерна

 

Сеносоломистые материалы сушат активным вентилированием, пропуская через них атмосферный или подогретый воздух. Режим сушки выбирают в зависимости от влажности атмосферного воздуха.

Для сушки рассыпного и прессованного сена применяют установку УДС-300 с осевым вентилятором, электрическим калорифером и системой распределительных воздуховодов. Ее установленная мощность 19,5 кВт (в том числе мощность калорифера  15 кВт), воздухопроизводительность 20 тыс. м³/ч. В качестве нагревательных элементов используют ТЭНы, подогревающие воздух на 2,5 °С. С помощью установки УДС-300 за сезон получают 50…60 т высококачественного сена.

 

7.2 Электротермическое оборудование овощехранилищ

 

Картофель, овощи и фрукты при хранении выделяют углекислый газ, водяные пары и теплоту, поэтому в хранилище стремятся затормозить жизненные процессы и удалить избыток влаги и теплоты. Продукцию хранят как при естественной, так и при вынужденной конвекции. Хранение при естественной конвекции применяют в небольших хранилищах. Весь процесс хранения овощей и картофеля состоит из трех периодов.

Подготовительный (лечебный) период начинается сразу после заполнения хранилища и длится 10…18 суток. Период охлаждения начинается после окончания лечебного периода. За это время температура продукции снижается и устанавливается на таком уровне, при котором угнетается развитие микроорганизмов и в то же время в продукции не происходят нежелательные изменения, ведущие к снижению ее качества.

Период хранения является основным. В этот период при помощи активного вентилирования из массы продукции удаляют выделяемую ею теплоту и продукты обмена. Температура – основной фактор, влияющий на успех хранения. Она зависит от сорта, вида и назначения продукции.

Для поддержания оптимальной температуры и влажности в овощехранилищах выпускается комплект оборудования ОРТХ (оборудование регулирования температуры хранилищ) со шкафом автоматики ШАУ-АВ. Оборудование предназначено для хранилищ небольшой емкости с одной вентиляционной установкой.

Для хранилищ большой емкости, оборудованных несколькими вентиляционными установками, промышленность выпускает устройства «Среда-1», «Среда-2» (см. таблицу 7.1).

 

Т а б л и ц а 7.1–Основные технические данные систем автоматики

Наименование показателей	ШАУ-АВ	«Среда -1»	«Среда - 2»
Продукция	Картофель и овощи		Лук
Число обслуживаемых вентиляционных камер	1	До 8	До 4
Диапазон регулирования температуры, К	263…288	253…293	253…333
Точность регулирования температуры, К	±1	±1	±1
Напряжение питания, В	220	220	220
Потребляемая мощность, Вт	До 500	До 500	До 500

 

7.3 Электротермическое оборудование защищенного грунта

 

Для обогрева сооружений защищенного грунта можно использовать различные электронагревательные установки (см. рисунок  7.2) [7].

Рисунок 7.2 – Классификация наиболее распространенных способов

электрообогрева сооружений защищенного грунта

В трубчатых обогревателях нагревательным элементом служит стальной оцинкованный провод диаметром 2,5…4 мм. Трубы (диаметр 50…150 мм) укладывают (см. рисунок 7.3) в слое песка, насыпанном на теплоизолирующий слой шлака, с уклоном для стока влаги. Стенки труб соединяют муфтами на цементном растворе. Чтобы провод не касался стенок трубы, его прокладывают на изолирующих опорных дисках.

а – обогрев трубчатыми

нагревательными элементами; б-обогрев нагревательными проводами в слое песка; 1 – парубни; 2-элементы воздушного обогрева;

3-элементы почвенного обогрева; 4-монтажный канал; 5-переходной канал; 6-экранная металлическая сетка.

Рисунок 7.3 – Устройство парников с электрообогревом

 

При обогреве парников неизолированным проводом с экранной сеткой нагревательным элементом является стальная проволока, которую укладывают зигзагообразно вдоль сооружения в слое песка. Напряжение питания 380/220 В. Поверх провода насыпают слой почвы 15…20 см и укладывают экранирующую стальную сетку, которую присоединяют к нулевому проводу сети. Поверх сетки насыпают культурный слой почвы.

Парники с обогревом асфальтобетонными плитами обладают большой аккумуляционной способностью, обеспечивают равномерность нагрева почвы и достаточную электробезопасность. Обогреватель выполняют в такой последовательности. На грунт насыпают слой шлака толщиной 0,2 м. Сверху шлак присыпают песком. На песок укладывают асфальтобетон (88 % песка, 12 % битума), а затем стальной неизолированный провод диаметром 2…3 мм, который заливают стяжкой из асфальтобетона. Асфальтобетон обеспечивает хорошую электрическую изоляцию нагревателя, что позволяет использовать для питания парника напряжение 380/220 В.

Для снижения затрат электроэнергии на обогрев рассадных теплиц применяют зонный обогрев. При этом способе обогревают только рабочую зону (высотой 0,3 м), оградив ее от объема теплицы пленочным укрытием. В качестве нагревательного элемента используют провода типа ПОСХВ, ПОСХП и ПОСХВТ.

 

 

8 Лекция №8. Электротермическое оборудование  ремонтного  производства и бытовые электронагревательные приборы

 

Цель: ознакомление студентов с  классификацией электротермическое оборудование  ремонтного  производства.

План: электрические печи сопротивления.  Электросварочное оборудование. Низкотемпературные печи. Бытовые электронагревательные приборы.

 

8.1 Электрические печи сопротивления

 

Электрические печи сопротивления классифицируют по способу нагрева – косвенного и прямого нагрева; по технологическому назначению – термические для термической и термохимической обработки металлов, правильные и сушильные; по способу загрузки и характеру работы – периодического и непрерывного действия [8].

На ремонтных предприятиях преимущественно применяют камерные электропечи, электрические соляные и масляные ванны и печи для сушки.

Камерные печи предназначены для различных видов термической обработки металлических изделий (закалка, отпуск, отжиг, нагрев при обработке давлением и др.). Печь представляет собой камеру, футерованную огнеупорным кирпичом, теплоизолированную и заключенную в металлический кожух. На внутренних поверхностях рабочей камеры смонтированы спирале- или зигзагообразные (проволочные или ленточные) нагревательные элементы из жаростойких (рабочая температура до     1000 °С) сплавов с высоким сопротивлением. В печах с рабочей температурой до 1500 °С применяют стержневые нагреватели из карборунда или дисилицида молибдена.

Электрические ванны предназначены для термической обработки металлических изделий в жидких теплоносителях (масла, щелочи, расплавы солей). Наиболее распространены электродные соляные ванны, а также соляные и масляные с внешним или внутренним обогревом нагревательными элементами.

Электродные соляные ванны типа СВС применяют для безокислительного нагрева изделий, главным образом термообработки режущего и ударного инструмента. Температура не превышает 1300 °С. Подбирая состав солей, можно проводить и термохимическую обработку. Соль расплавляют электрическим током, протекающим через нее между электродами, расположенными в ванне и подключенными к понижающему трансформатору. Температуру контролируют пирометром и регулируют с помощью щита управления типа ИЗР или ИР.

Электрические масляные и щелочные ванны предназначены для отпуска деталей и инструмента после закалки. Рабочая температура 200…250 °С. Нагрев – с помощью ТЭНов, погруженных в жидкость или спиральных нихромовых элементов, заложенных в футеровку ванны.

Сушильные электропечи предназначены для сушки изделий (сварочных электродов, электродвигателей, катушек электроаппаратов и др.) после покраски, пропитки, покрытия лаками, клеевых соединений.

 

8.2 Электросварочное оборудование

 

Оборудование для дуговой сварки классифицируют по виду и способу сварки, типу источника питания сварочной дуги, технологическому назначению и другим признакам. На сельскохозяйственных ремонтных предприятиях применяют сварочные однопостовые трансформаторы, генераторы, выпрямители и агрегаты. Последние включают в себя сварочный генератор и бензиновый или дизельный автомобильный двигатель, соединенные гибкой муфтой и смонтированные на двух- или четырехосном прицепе к автомобилю либо на отдельной раме.

Оборудование для контактной сварки классифицируют по виду сварки (для точечных, шовных, рельефных и стыковых соединений), конструктивному исполнению (стационарные, подвесные и др.), типу источника сварочного тока (с источником переменного или постоянного тока, конденсаторными и др.), усилию сжатия (с постоянным или переменным усилием).

 

8.3 Низкотемпературные печи

 

Моечные машины и ванны с электроподогревом используют для мойки узлов тракторов и автомобилей перед разработкой и очисткой деталей, реконсервацией подшипников и т.п. Моющие растворы подогревают до температуры 85…95 °С с помощью трубчатых нагревателей, встроенных в ванны.

Электроподогрев двигателей тракторов и автомобилей в зимнее время необходим для того, чтобы обеспечить пуск и уменьшить износ деталей. Чаще всего в поддон картера двигателя встраивают нагревательные блоки типа ТЭНБ-132А10 или другие аналогичного назначения, которые подогревают масло и все картерное пространство. Для группового подогрева используют также электрокалориферные установки с воздуховодами, подводящими теплый воздух к двигателям.

При электрообогреве трубопроводов и резервуаров можно перекачивать по ним жидкости с высокой вязкостью, например жиры и раствор мелассы в кормоцехах, нефтепродукты на заправочных станциях. Погружные нагреватели (блоки) типа БЭР чаще всего устанавливают в резервуарах. Нагревательные провода или гибкие ленточные нагреватели типа ЭНГЛ наматывают на поверхность трубопроводов или запорной арматуры и теплоизолируют от окружающей среды.

Электровулканизаторы предназначены для местного ремонта резиновых изделий. Выпускают пять моделей, отличающихся напряжением питания (6, 12, 220 В), формой и размерами. Изделие зажимают между двумя металлическими плитами, в одной из которых находится электронагреватель, терморегулятором увеличивают температуру до 130…150 °С и с помощью реле времени устанавливают выдержку 15…20 мин. За это время сырой каучук преврощается в резину.

 

8.4 Бытовые электронагревательные приборы

 

К электронагревательным устройствам для приготовления пищи относят микроволновые печи СВЧ-нагрева, напольные и настольные электроплиты, жарочные шкафы и специализированные приборы.

Микроволновые печи предназначены для приготовления, разогревания, размораживания и термостатирования продуктов. Магнетрон генерирует электро-магнитное излучение с частотой 2300…2500 МГц, которое передается по волноводу в рабочую камеру печи и там поглощается нагреваемым продуктом.  При прямом объемном нагреве токами СВЧ сокращается продолжительность приготовления блюд, повышается их качество в сохранность, снижается угар жиров.

Напольные и настольные электроплиты различают по типу, числу конфорок и номинальной мощности.

Мощность электроплит регулируют четырех-, пяти- или семипозиционными переключателями.

Специализированные приборы с инфракрасными нагревателями – это электро-шашлычницы, электрогрили, ростеры и тостеры. В качестве ИК-излучателя применяют высокотемпературные ТЭНы или кварцевые излучатели, представляющие собой трубку из кварцевого стекла диаметром 20 мм с толщиной стенки 1 мм. В трубку помещен керамический стержень диаметром 19 мм с укрепленной в пазах нагревательной спиралью из нихромовой проволоки. Температура поверхности такого излучателя 850 ^оС.

 

8.5 Электроотопительные приборы и водонагреватели

 

Электроотопление имеет ряд преимуществ перед традиционными видами отопления: удобство эксплуатации, постоянная готовность приборов к работе, надежность, возможность индивидуального терморегулирования. Для обогрева 1 м² площади необходима установленная мощность 100…200 Вт при годовом расходе энергии 5…15 тыс. кВт·ч. Наиболее распространены переносные электроотопительные приборы мощностью 0,5…1,25 кВт. Электроконвекторы предназначены для общего обогрева помещения. Электрокамины служат для местного обогрева; их делят на функциональные и декоративные.

Электрорадиаторы применяют для общего отопления помещения.

Они бывают панельными и секционными.

Аккумуляционные водонагреватели низкого давления типа ЭВАН с трубчатым нагревательным элементом мощностью 1,24 кВт устанавливают в ванной комнате. При вместимости устройства 10, 40 и 100 л вода нагревается до максимальной температуры в течение 1; 3,2 и 7,8 ч. Диапазон ее регулирования 35…85 ^оС. Прибор присоединяют к водопроводной сети с помощью стандартного смесителя, что позволяет подавать воду наружной температуры через кран или душ.

Быстродействующий водонагреватель ЭВБО-10/1,0 мощностью 1 кВт и вместимостью 10 л размещают на кухне. Время нагревания воды до температуры 85 ^оС не более 60 мин; температуру воды изменяют терморегулятором.

 

8.6 Санитарно-гигиенические электроприборы

 

Электрические утюги выпускают следующих типов: УТ – с терморегулятором; УТП – с терморегулятором и пароувлажнителем;  УТПР – с терморегулятором, пароувлажнителем и разбрызгивателем; УТУ – с терморегулятором, утяжеленный. Их различают по массе (068…2,5 кг) и мощности (0,4 и 1 кВт). Температуру нагрева утюга устанавливают лимбом биметаллического терморегулятора.

Приборы мягкой теплоты – это электрические грелки, одеяла, бинты, пледы и др.

В качестве нагревательных элементов применяют нихромовую проволоку, навитую на асбестовую нить, вплетенную в тканевую основу или расположенную в кремнийорганической изоляции, а также углеграфитовое волокно, покрытое фторо-пластовой оболочкой. Рабочая температура нагревательного элемента не превышает        70 ^оС.

Фены предназначены для сушки волос.

 

8.7  Нагревательный электроинструмент

 

Электропаяльники разделяют на бытовые (напряжение питания преимущественно 220 В) и промышленные (напряжение питания не выше 42 В), непрерывного и периодического нагрева.

По конструкции корпуса различают пистолетные, торцевые и молотковые электропаяльники. Молотковый предназначен для пайки массивных деталей, масса его стержня 1 кг.

По назначению и мощности паяльники подразделяют на радиомонтажные маломощные (10…26 Вт), электротехнические средней мощности (40…65 Вт) и медницкие мощные (100 Вт и выше).

Электроприборы для сваривания полиэтиленовой пленки и бывают периодического и непрерывного действия.

 

9 Лекция №9. Электронно-ионная технология

 

Цель: ознакомление студентов с  основами электронно-ионной технологии.

План: электрозерноочистительные машины. Осаждения в электрическом поле. Осаждение химикатов в электрическом поле. 

 

Электрозерноочистительные машины. Урожайность зерновых культур в значитель­ной мере зависит от посевных качеств семян.

Триеры, разделяющие зерна по длине, не отделяют сорняк ов­сюг от овса, костер от ржи и пшеницы, рожь от спорыньи, плевел от зерен льна.

Электрические свойства зерна, то есть способность получения заряда в электрическом поле, в основном определяются его ди­электрической проницаемостью, сопротивлением, формой, размера­ми. С увеличением плотности и влажности зерна диэлектрическая проницаемость увеличивается. Она также зависит от температуры. Для различных сортов пшеницы, ржи при влажности 8-32% отно­сительные диэлектрические проницаемости приблизительно нахо­дятся в пределах 10-150. Для овса относительная диэлектрическая проницаемость при больших влажностях может доходить до беско­нечности. Сопротивление зерна с увеличением температуры и влаж­ности значительно уменьшается. Например, увеличение температу­ры зерна пшеницы «Искра» влажностью 18% от 1,5 до 27° С снижа­ет его сопротивление с 750 до 50 МОм, то есть в 15 раз.

Электрозерноочистительные машины барабанного типа. В электрокоронных сепараторах барабанного типа, имеющих заземлен­ный барабан в качестве осадительного, а нити проволоки, натяну­тые вдоль барабана, в качестве коронирующего электрода, распре­деление действующих на частицу сил может быть представлено схемой (см. рисунок 9.1).

Рисунок 9.1 – Принципиальная схема электрокоронного сепаратора барабанного типа

Частица, поступившая на поверхность вращающегося заземлен­ного электрода-барабана со скоростью, равной нулю, приобретает заряд от ионов, движущихся от коронирующего электрода к бара­бану.

Научно производственная фирма «Аэромех» была создана в результате слияния науки и производства, и начала свою деятельность в июле 2001 года. Фирма работает на рынках России, Казахстана, Беларуси, Израиля и хорошо известна как производитель и поставщик высококачественных сельскохозяйственных сепараторов: САД-30, САД-10(102)-01, САД-10(102)-02, САД-5, САД-1 (см. рисунок 9.2). Зерноочистительные сепараторы САД предназначены для высококлассной подготовки посевного материала, а также для калибровки, сортировки и очистки всех известных видов семян. Сепарация зерна происходит преимущественно по удельному весу с учётом размеров и состояния поверхности зерна. Такой комплексный подход к каждой зерновке сепарируемого потока позволяет выделить с высокой точностью зерна сформированные в средней части колоса, початка, корзинки и т.д.

Рисунок 9.2 – Зерноочистительные сепараторы САД

производства фирмы "Аэромех

 

Это фактически сепарация семян по биологической ценности. Добиться такого результата стало возможно при помощи новейшей технологии «Сканирования высокочастотными воздушными потоками сыпучих материалов в текучей среде».

Подготовка семян для посева на сепараторе САД исключает применение решет и сит, в то время как большая часть машин используют калибровку (сортировку) именно по этому принципу. Как правило, это набор решет отличающихся между собой лишь формой, размером ячеек и разным углом наклона, которые приводит в движение вибратор. Выборка посевного материала производится по принципу: большие зёрна – отличное качество. Но этот метод не учитывает попадание порченого или пустого семени в секции с качественным зерном.

В работе сепаратора САД впервые был применён новый способ калибровки и очистки семян по удельному весу. Способ защищён декларационным патентом номер № 60254А (UA) "Способ сепарирования сыпучей смеси в текучей среде и устройство для его осуществления" от 15.09.2003 года.

Этот способ позволяет выделить семена, которые владеют повышенными посевными качествами; получить отобранные семена с высоким качеством клейковины и т.д.

Днепропетровским региональным государственным научно-техническим центром стандартизации и сертификации были проведены испытания для получения сертификата соответствия сепаратора. Протокол испытаний аэродинамического сепаратора САД-10(102) от 01.03.2006 №06.

Сепаратор сертифицируется партиями количеством 30шт., что предоставляет возможность постоянно усовершенствовать модель машины hhh:/www.aeromeh.com/index.php.

Ежегодно сепаратор подлежит проверке соответствия требованиям стандартов, норм и правил, что подтверждается актом №334 от 5 июля 2004 года, государственного предприятия "Луганский региональный центр стандартизации, метрологии и сертификации".

Зерноочистительная машина Сепаратор САД очищает и калибрует зерно за один проход сквозь рабочую камеру машины независимо от степени загрязнения и влажности семян. Чтоб проверить качество калиброванного на "САДе" зерна, было сделано несколько опытов с посевом семян. Для сравнения на одном из участков высеяли сертифицированные семена. Увеличение урожая на участках, засеянных семенами, калиброванными на "САДе" составляло в среднем 35%.

Своё применение Сепаратор САД нашел на хлебоприёмных пунктах, семенных станциях, в фермерских хозяйствах, а также в перерабатывающей промышленности (производство круп).

Сравнивая посевной материал, подготовленный на Сепараторах САД с материалом, полученным на решётных машинах, пневмостолах, пневмосортировальных машинах, получили следующие результаты:

- энергия прорастания повысилась на 10%;

- всхожесть - на 11%;

- колосья, полученные от этих семян на 25-30% более озерненные и степенью кустистости выше, по сравнению с контролем;

- эти семена способны благоприятно перенести условия перезимовки, не снижая активности ростовых процессов даже в суровых условиях зимы.;

- дали прибавку урожая на 25-30% выше, чем семена, прошедшие подготовку на традиционных линиях (БЦС, пневмостол, решетная машина, триерная машина);

- сепаратор способен из фуражной пшеницы выделить пшеницу 2-го и 3-го класса.

Осаждения в электрическом поле.  Окрашивание де­талей применяется для защиты металлических изделий от коррозии и декоративного их оформления. Широко применяемый способ ок­рашивания деталей при помощи распыления краски сжатым возду­хом приводит к большим потерям лакокрасочных материалов. При окраске мелких изделий эти потери достигают 60-70%.

К конвейеру подвешиваются окрашиваемые детали. Конвейер и детали заземлены. Расстояние между электродными сетками и ок­рашиваемыми деталями должно быть не менее 25 см. При напря­жении на электродах 100 кВ это расстояние берут равным 28-30 см. Расстояние от стенок камеры до коронирующих электродов берут не менее 60 см.

Давление в красконагнетательном баке следует поддерживать 15-30 кПа. Давление воздуха, распыляющего краску, устанавли­вают в пределах 80-140 кПа в зависимости от вязкости краски. Распылители располагают по обеим сторонам конвейера на рассто­янии 50-60 см от коронирующих электродов под углом 4-10° коси конвейера.

Рабочий процесс окраски должен проходить при градиенте по­тенциала не более 4,3 кВ/см для деталей, не имеющих острых краев или выступов, и не более 3,5 кВ/см, для деталей с острыми краями или выступами.

Под действием центробежной силы краска тонким слоем сте­кает на острые кромки головок распылителей и расталкивающими усилиями электрического заряда распыляется. Отрицательный по­люс источника постоянного тока подается на распылитель, переда­ющий отрицательные заряды главным образом у коронирующих кромок головок распылителей. При этом в пространстве между рас­пылителями и окрашиваемыми изделиями непрерывно создается высокодисперсный аэрозоль из электрически заряженных частиц краски.

Осаждение химикатов в электрическом поле. Для борьбы с вре­дителями и болезнями сельскохозяйственных культур широко при­меняется распыление химикатов над полем с целью нанесения на поверхность обрабатываемых объектов слоя химиката толщиной 1-10 мкм. Осаждаемость распыленных в воздухе аэрозолей с раз­мером частиц примерно того же порядка составляет 10-20%.

Для снижения потерь химикатов распыляемым аэрозолям необ­ходимо сообщить электрический заряд. В этом случае движение заряженных частиц к обрабатываемым поверхностям будет проис­ходить по силовым линиям электрического поля, которое образует­ся в пространстве между одноименно заряженными частицами струи аэрозолей и наведенными зарядами противоположного знака на обрабатываемых поверхностях, обращенных к заряженным ча­стицам.

Для получения аэрозолей применяются специальные устройст­ва - аэрозольные генераторы. Электризация аэрозолей может осу­ществляться в поле коронного разряда. Для этого струя аэрозоля пропускается через зону коронного разряда ионизатора. Ионы по­ступают от коронирующего электрода, к которому присоединяется отрицательный полюс источника постоянного тока, а положитель­ный полюс подается на заземленный корпус ионизатора. Ионы осаждаются на частицах химиката и заряжают их.

Исследованиями установлено, что за счет электризации частиц аэрозоля его осаждаемость увеличивается на 20-40%. При этом равномерность покрытия обрабатываемых поверхностей возрастает в 4 раза.

 

10 Лекция №10. Ультразвуковая техника и технология

 

Цель: ознакомление студентов с  основами электронно-ионной технологии.

План: электрозерноочистительные машины. Осаждения в электрическом поле. Осаждение химикатов в электрическом поле.

 

Природа и свойства ультразвука. Ультразвук представляет собой периодические механические упругие колебания с частотой, превышающей верхнюю границу слышимости человеческого уха. Средой распространения ультра­звука могут быть газы, жидкости и твердые тела. Границы слыши­мых звуков у разных людей не одинаковы и изменяются с течением времени. Принято считать область слышимых звуков от 16 до 16∙10³ Гц и колебания от 16∙10³ до 10¹⁰ Гц ультразвуковыми. Для технических целей наибольшее распространение получил диа­пазон частот в пределах от 16 да 1600 кГц.

Различают три основных типа волн: продольные, поперечные и поверхностные.

Если изменение объема тела во времени происходит по гармо­ническому закону, то и вызываемые им ультразвуковые колебания будут гармоническими.

Разделение частиц в неоднородных суспензиях возможно на основании того, что в ультразвуковом поле переменное движе­ние частиц, обладающих неодинаковой массой, различно и зависит от частоты колебательного процесса. С увеличением частоты колеб­лются только наиболее мелкие частицы, а относительно крупные совершают движения по сложным траекториям.

Коагуляция заключается в образовании из мелких частиц более крупных. Под воздействием ультразвука и гидродинамиче­ских сил притяжения частицы соударяются и укрупняются, а затем осаждаются. Это явление используют при очистке дымовых газов. Вследствие поглощения ультразвука частицами коагуляция прово­дится на низких частотах.

Дегазация состоит в укрупнении мелких пузырьков газа, которые образуются под действием кавитации и вследствие колеба­ния и движения сталкиваются, объединяются и образуют пузырь­ки больших размеров, которые всплывают.

Звуковое давление представляет собой чередование сжа­тий и разряжений, причем амплитуда сжатия равна амплитуде раз­ряжения. На препятствие, находящееся в поле звуковой волны, зву­ковое давление действует таким образом, что создает на поверхно­сти этого препятствия силу, меняющую свой знак в соответствии с частотой колебаний звуковой волны.

Радиационное давление существует наряду со звуко­вым и выражается в том, что поверхность препятствия испытывает постоянное по силе и знаку давление, стремящееся сдвинуть это препятствие по направлению распространения волны.

Звуковой ветер представляет собой постоянное движение частиц среды в виде постоянного потока в направлении распро­странения волны. Это перемещение проявляется в виде сильных течений, приводящих к интенсивному   перемешиванию жидкостей под действием ультразвуков.

Фонтанирование жидкости возникает на поверхности жид­кости под действием звукового ветра при определенных интенсивностях ультразвука. С увеличением интенсивности ультразвуко­вых колебаний увеличивается число одновременно вырывающихся с поверхности капель и они сливаются в один общий фонтан.

Генерирование ультразвука. Основные элементы системы ультразвуковых колебаний - это преобразователь, акустический трансформатор скорости и детали крепления. Основными источниками ультразвуковых колебаний являются преобразователи, в которых механическая или электри­ческая энергия преобразуется в энергию ультразвуковых колеба­ний. В соответствии с этим различают преобразователи механиче­ские и электрические. К первым относятся источники, преобразу­ющие, например, скорость и давление потока газа или жидкости в ультразвуковые колебания (свистки, сирены и другие). К их достоинствам относятся простота и надежность, к недостаткам -низкая частота и малая мощность ультразвуковых колебаний в жидкости. Наибольшее распространение получили электрические источники с пьезоэлектрическими и - магнитострикционными преобразовате­лями.

Пьезоэлектрические  преобразователи. В 1880 г. братья Кюри во Франции установили, что при растяжении и сжатии в опреде­ленных направлениях некоторых кристаллов   (кварц, сегнетовая соль, турмалин и др.) на их поверхности возникают электрические заряды. При замене растяжения сжатием знак заряда изменяется. Это явление было названо пьезоэлектрическим эффектом.

Магнитострикционные преобразователи. В 1842 г. Джоулем был открыт магнитострикционный эффект, заключающийся в том, что ферромагнитные тела (железо, никель, кобальт, пермендюр и другие сплавы), помещенные в магнитное поле, меняют свои разме­ры. Деформация ферромагнитного тела может проявляться в уменьшении или увеличении его размеров в направлении силовых линий магнитного поля. Если переменный ток пропускать по ка­тушке так, чтобы магнитное поле было направлено вдоль сердеч­ника, то его длина будет изменяться.

Изменение размеров ферромагнитных тел под действием пере­менного магнитного поля называется магнитострикционным эффек­том, а излучатели, принцип действия которых основан на этом явлении, называют магнитострикционными или просто магнитострикторами.

Магнитострикционные преобразователи выполняют с замкнуты­ми двух- и многостержневыми шихтованными магнитопроводами.

Акустические трансформаторы скорости (волноводы, концентраторы) служат для  ввода ультразвуковых колебаний в зону среды, в которой происхо­дит обработка материала, и для согласования параметров преоб­разователя с нагрузкой. Трансформаторы представляют собой стер­жни разнообразной формы в зависимости от назначения и на­грузки. Они должны иметь малый коэффициент потерь, высокую прочность, коррозионную и кавитационную стойкость, жаропроч­ность, химостойкость и т. д. Длина стержня должна быть такой, чтобы на ней могло уложиться целое число полуволн.

Такой трансформатор, припаянный или приваренный к излучаю­щей поверхности магнитострикционного преобразователя, является элементом колебательной системы.

Ультразвуковые генераторы предназначаются для преобразо­вания электрической энергии промышленной частоты в энергию переменного тока высокой частоты, равной частоте ультразвуковых колебаний. Их принципиальные электрические схемы мало отличаются от схем высокочастотных установок.

Ультразвук широко используется во многих отраслях народ­ного хозяйства для различных целей.

Мощные ультразвуковые колебания применяются для размер­ной обработки материалов, очистки и мойки деталей, пайки, сварки, интенсификации процессов и других целей.

Маломощные ультразвуковые колебания используются в изме­рительной технике и дефектоскопии. Ультразвуковые волны малой интенсивности,
распространяясь в какой-либо среде, не вызывают остаточных изменений в ней, так как уплотнения и разряжения, связанные с прохождением ультразвука, ничтожно малы. Отражение и поглощение ультразвука, обусловленные составом и свой­ствами различных сред, позволяют с успехом применять ультразву­ковые колебания для измерения различных параметров, контроля состояния и определения структуры сложных сред.

Ультразвуковая очистка. Прежде чем хромировать, никелиро­вать или ремонтировать детали машин и приборов, надо очистить и обезжирить их поверхности. Особенно затруднительна очистка и мойка мелких деталей сложной формы, с отверстиями, узкими про­резями и винтовыми нарезками. В этом случае ультразвуковая очистка представляет собой эффективное средство повышения про­изводительности труда и качества очистки.

Механическое действие ультразвука можно представить как удары захлопывающихся вблизи очищаемой поверхности кавитационных пузырьков, которые вызывают разрушение поверхностной пленки.

Целесообразно применять такую очищающую жидкость, которая смачивает детали, эффективно воздействует на загрязнения и вступает в химическую реакцию с деталями, хотя ультразвуковая очистка возможна  и в жидкостях, не растворяющих загрязнений.

Применение ультразвука позволяет снизить трудоемкость очистки в 2-10 раз в зависимости  от размеров, формы и материала очищаемых деталей.  Расход химикатов   при  этом  уменьшается в 2 раза и значительно повышается  качество очистки. Для этих целей используются ультразвуковые установки с частотой 20-25 кГ при  акустической  мощности   1-2,5  кВт.  Интенсивность должна быть 5-10 Вт/см². Однако  можно   использовать и более высокую частоту 200-1600 кГц, при которой качество очистки повы­шается.

Ультразвук можно успешно применять для очистки паровых котлов от накипи.

Ультразвуковая пастеризация молока. В основе бактерицидно­го действия ультразвука лежит механическое воздействие на бак­териальные клетки, вызывающее их раздробление. Разрушающее действие интенсивных ультразвуковых колебаний в жидкости обусловлено в основном явлением кавитации. Зона кавитации, в которой наблюдается бактерицидный эффект, называется зоной эффективной обработки.

Замечено, что при малой интенсивности ультразвуковых коле­бании, недостаточной для образования зоны кавитации, механи­ческие воздействия приводят к ускоренному размножению бакте­рии и не обладают бактерицидными действиями.

Гомогенизация молока -раздробление жировых шариков под действием ультразвука. В таком состоянии молоко не отстаивается, лучше сохраняется, усваивается и применяется в качестве спе­циального детского питания.

Другие технологические применения ультразвука. Ультразвук может быть использован для смешивания не смешивающихся обычным путем жидкостей, например, рыбьего жира с водой для выпойки животным и птице. Ультразвук может быть использован для мойки доильной аппаратуры и молочной посуды, осветления виноградного и других соков, ускорения созревания фотоэмульсий, улучшения антифрикционных свойств смазочных масел, повышаю­щих износостойкость машин в эксплуатации, и для других целей.

Разработка систем практического использования ультразвука в технологических процессах сельского хозяйства еще не законче­на, и эта проблема ждет своего решения.

11 Лекция № 11. Электроимпульсная техника и технология

Цель: ознакомление студентов с  основами электронно-ионной технологии.

План: электрозерноочистительные машины. Осаждения в электрическом поле. Осаждение химикатов в электрическом поле.

Электрические изгороди. Электрическая изгородь представляет собой стальную проволо­ку, закрепленную на изоляторах, на которую импульсами подается высокое напряжение от специального электропульсатора (см. рисунок 11.1). Во время прикосновения к изгороди происходит электрический удар, который не представляет опасности для жизни и здоровья животных, но достаточен для вырабатывания условного рефлекса «боязни» при­косновения к ограждающей проволоке. Исследования и практика использования электрических изгородей показали, что количество электричества до 3 мА∙с, прошедшее через животное, не опасно для его здоровья.

Электрические изгороди применяются для загонной пастьбы скота, свиней, овец и других животных, а также для ограж­дения летних лагерей, выгульных площадок, прогонов, стогов сена, участков культур и других мест, охраняемых от животных или опа­сных для них.

Электрическая изгородь состоит из ограждения, генератора электрических импульсов высокого напряжения и источника питания. Ограждение выполнено в виде изгороди в один или несколько проводов мягкой стальной оцинкованной проволоки диаметр» 1 - 1,5 мм, подвешенной на изоляторах опорных стоек. Число проводов, высоту подвеса и расстояние между стойками выбирают в зависимости от вида и возраста животных.

Рисунок 11.1- Электрическая схема электроизгороди ИЭ-200

Электроискровая обработка металлов. Обработка металлов импульсами электрического тока называ­ется электроэрозионной или электроискровой обработкой.

Электроискровой метод обработки металлов был открыт в 1943 г. советскими инженерами Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко. Этот способ основан на использовании явления электрической эрозии металлов, то есть разрушения электродов под действием электрического разряда. Сущность способа электроискровой обра­ботки металлов заключается в использовании разрушающего дей­ствия электрических искровых разрядных импульсов между элек­тродами, сближаемыми на расстояние, пробиваемое данным напря­жением. Каждый искровой импульс вызывает местное раз­рушение материала анода в виде углубления - лунки.

Для уяснения принципа работы электроискровой установки рас­см. электрическую схему с генератором импульсов (см. рисунок 11.2). Эта схема состоит из источника постоянного тока, реостата R, кон­денсатора С, электродов, искрового промежутка в диэлектрической жидкости и измерительных приборов. В качестве жидкости чаще всего используют керосин, дизельное топливо, соляровое масло, трансформаторное масло и другие минеральные масла, а в послед­нее время — водные растворы электролитов и дистиллированную воду. Электрод Э₁ называется электродом-инструментом, а электродом Э₂ является обрабатываемая деталь.

Схему электроискровой установки   принято разделять на два контура: питающий, или зарядный, и разрядный. Первый на схеме показан тонкими линиями, а второй -более жирными.

Если разрядное напряже­ние на электродах больше на­пряжения источника постоян­ного тока, то при включении питания промежуток не проби­вается, а конденсатор С заря­жается до напряжения источ­ника питания в течение времени, пропорционального емкости конденсатора С и сопротивлениюцепи зарядки R.

Для получения искровых импульсных разрядов между электродами устанавливают такой промежуток, чтобы он пробивался напряжением U_р, меньшим, чем напряжение источника питания. В этом случае при включении источника питания напряжение на конденсаторах, а следовательно, и на искровом промежутке будет возрастать от нуля до напряжения пробоя U_р. Запасенная конденсатором энергия  отдается при разрядке кратковременным импульсом тока. Так как время разряда пропорционально емко­сти конденсатора и сопротивлению дуги искрового промежутка со­ставляющему десятые - сотые доли ома, оно во много раз меньше времени заряда и представляет собой незначительную   величину.

Рисунок 11.2 – Схема электроискровой установки с генератором RC

Электрогидравлический эффект и его использование. Сущность явления электрогидравлического эффекта заключается в том, что при высоковольтном разряде в жидкости в зоне раз­ряда возникают большие импульсные давления, передаваемые рас­пространяющимися волнами во все стороны и механически воз­действующие на встречающиеся предметы. Так как заря­жаемые до напряжения пробоя искровых промежутков высоковольт­ные конденсаторы разряжаются в течение весьма короткого вре­мени ( с) на очень малое сопротивление канала раз­ряда, процесс разряда происходит почти мгновенно, подобно взры­ву, при больших мгновенных значениях тока порядка десятков - сотен килоампер и мощности в десятки - сотни тысяч киловатт, вызывающих высокую температуру в канале разряда около не­скольких десятков тысяч градусов.

По мере развития разряда искровой канал в жидкости расширяется по отношению к размерам начальной стадии разряда. Поскольку этот процесс происходит почти мгновенно при практически несжимаемой жидкости, то образуется ударная волна большой силы, распространяющаяся во все стороны с огромной скоростью.

Давление на фронте ударной волны достигает нескольких со­тен миллионов паскалей.

С уменьшением силы тока в разрядном контуре и расширением канала разряда плотность тока в канале уменьшается, плазма ос­тывает и деионизируется, превращаясь в пары и газы, образуя парогазовую полость. По мере расширения полости вследствие движения жидкости и ее инерции при движении давление в полости пада­ет и в конечной фазе становится меньше атмосферного. Полость на­чинает сжиматься, а затем снова расширяться, придавая этим про­цессам кавитационный характер.

При электрогидравлическом эф­фекте электрическая энергия преоб­разуется непосредственно в механи­ческую с высоким КПД.

На рисунке 11.3 приведена прин­ципиальная электрическая схема ге­нератора импульсов тока электро­гидравлической установки.   Основные узлы этого генератора: зарядная цепь, накопительная емкость, коммутирующее устройство и рабочий искровой промежуток, по­мещенный в жидкость и представляющий собой нагрузку генерато­ра импульсов.

Коммутирующим устройством является воздушный или газовый разрядник. Высокое напряжение может достигать нескольких де­сятков киловольт. Принцип действия схемы аналогичен электроискровой установки с генератором RC. Коэффициент по­лезного действия схемы не превышает 50%.

Тр- повышающий трансформатор на 50-100 кВ;

ВП -формирующий искро­вой воздушный промежуток 10 -15 мм; РП - рабочий промежуток в жидкости от 10 до 100 мм;

К - кенотрон.

 

Рисунок 11.3 – Схема генератора им­пульсов тока электрогидравлической установки

Список литературы

1. Лысаков А.А. Электротехнология.–Ставрополь: 2010. – 30 с.

2.Карасенко В.А., Заяц Е.М., Баран А.Н., Корко В.С. Электротехнология. – М.: Колос, 1992. – 304 с.

3. Басов А.М., Быков В.Г., Лаптев А.В., Файн В.Б.. Электротехнология  – М.: Агропромиздат, 1985. – 256 с.

4. Гайдук В.Н., Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. – М.: Агропромиздат, 1989. – 175 с.

5. Утешев У.У., Жексимбиева Н.С. Электротехнологические установки.– Алматы: КИМЭП, 2007.–87 с.

6.Кешуов С.А., Барков В.И., Алдибеков И.Т. Системы электротеплообеспечения в молочном животноводстве.–Алматы: Агроуниверситет, 2007. – 264 с.

7. Шустов В.А. Применение электронагрева в сельском хозяйстве.–М.: Колос, 1983. –128 с.

8. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учеб. для вузов. –М.: Высш. шк., 2001.–336 с.

9. Свенчанский А.Д. и др. Электроснабжение и автоматизация электротермических установок: Учеб. для техникумов. – М.: Энергия, 1980.–320 с.

10. дунаев С.А. Способы интенсификации технологических процессов в мясной отрасли .– Кемерово, 2006. - 64 с.

Сводный план 2012 г., поз. 281

Умбетов Ерик Сериккалиевич
Агимов Талгат Нурланович

 

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Конспект лекций для студентов специальности
5B081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства

 

Редактор Т.С. Курманбаева
Специалист по стандартизации Н.К. Молдабекова

Подписано в печать
Тираж экз.–50
Объем  3,1 уч.–изд.л.
Формат 60×84 1/16
Бумага типографская №1
Заказ_____.Цена 310 тг.

Копировально–множительное бюро
Некоммерческого акционерного общества
Алматинский университет энергетики и связи
050013, Алматы, Байтурсынова, 126