ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ
• БД «Труды ученых СтГАУ»: Лысаков, А.
А. Электротехнология. Курс лекций
[электронный полный текст] : учеб. пособие
для студентов вузов очной и заочной форм
обучения. / А. А. Лысаков ; СтГАУ. Ставрополь, 2013. - 124 с.
• БД «Труды ученых СтГАУ»:
Электротехнологии и энергосбережение в
сельском хозяйстве: [электронный полный
текст] : методические указания для
выполнения курсовой работы. / А. А.
Лысаков ; СтГАУ. - Ставрополь, 2013.
• Баранов, Л. А. Светотехника и
электротехнология : учеб. пособие - М. :
КолосС, 2006. - 344 с.
• Электротехнология / В.А. Карасенко, Е.М.
Заяц, А.Н. Баран. – М.: Колос, 1992
- stgau.ru (стгау.рф)-Лысаков-файлыЭлектротехнология (для заочников
специальности 110800.62
«Агроинженерия»)
• вопросы к экзамену, лекции, задания для
контрольной работы.
- stgau.ru (стгау.рф)-структура университетабиблиотека-Труды ученых Ставропольского
ГАУ
Электротехнология - область науки и
техники, изучающая приемы, способы
и средства выполнения
производственных процессов,
использующих электрическую
энергию непосредственно или с
предварительным преобразованием в
тепловую, электромагнитную,
кинетическую, механическую и другие
виды энергии.
Действие электрического тока
• ТЕПЛОВОЕ
• ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ
• БИОЛОГИЧЕСКОЕ
Способы электронагрева
• Нагрев сопротивлением - электронагрев
за счет электрического сопротивления
электронагревателя или загрузки.
а — электроконтактный;
б — электродный;
в — косвенный
(элементный);
г — нагрев в
электролите;
Количество теплоты, выделенное в
нагреваемом материале или среде,
определяется по закону Джоуля-Ленца
Q=
2
I
Rt
Примеры установок
электронагрева сопротивлением
• Дуговой нагрев - электронагрев
загрузки электрической дугой.
• Электродуговой
косвенного нагрева
• Электродуговой
прямого нагрева
• Индукционный нагрев- электронагрев
электропроводящей загрузки
электромагнитной индукцией.
• Установка
косвенного
индукционного
нагрева
Глубина проникновения тока в
металл

  503
f
Δ - глубина проникновения, м;
ρ - удельное электрическое сопротивление
материала, Ом*м;
f - частота питающего напряжения, Гц;
μ - магнитная проницаемость материала.
• Установка
индукционного
нагрева для
плавления
металлов в
действии
Индукционный нагрев в быту
• Диэлектрический нагрев - электронагрев
неэлектропроводящей загрузки токами
смещения при поляризации, а также
проводников II рода, имеющих ионную
проводимость.
Виды поляризации диэлектрика в
электрическом поле
• а) поляризация
атомов;
• б) ориентационная
поляризация.
• Мощность, выделяемая в единице объема
диэлектрика и поглощаемая материалами,
определяется выражением
A
2
pV 
 2f  E  0 tg 
V t
2
11
 5,55 f  E   tg  10
• V — объем диэлектрика, м3
• Е — напряженность электрического
поля, В/м
• А - потери энергии, Дж;
• tg δ - тангенс угла поглощения;
• ε — относительная диэлектрическая
проницаемость материала;
• ε0— электрическая постоянная вакуума
(воздуха);
• t - время нагрева, ч.
• Зависимость тангенса угла потерь tg δ и
диэлектрической проницаемости ε от частоты
электрического поля
фактор потерь
k=εε0tgδ
Диэлектрический нагрев
• Электронно-лучевой нагрев электронагрев 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.
• Инфракрасный нагрев - электронагрев
инфракрасным излучением при условии, что
излучательные спектральные характеристики
излучателя соответствуют поглощательным
характеристикам нагреваемой загрузки.
• Инфракрасные лучи - электромагнитные
колебания, имеющие длину волны 0,78…420
мкм и частоту в диапазоне 1014 - 1016 Гц.
• ИК-диапазон делят на 3 части:
- коротковолновой (0,76 - 2,5 мкм),
- средневолновой (2,5 - 25 мкм),
- длинноволновой (25 - 420 мкм).
• Коротковолновые лучи проникают в
глубину нагреваемого материала,
вызывая нагрев изнутри.
• Плазменный нагрев - электронагрев
стабилизированным высокотемпературным
ионизированным газом, образующим
плазму. Различают плазменно-дуговой
нагрев, при котором тела нагреваются
факелом плазмы, образуемым при
продувании газа через дуговой разряд, и
плазменно-индукционный нагрев, когда для
получения плазмы используют
высокочастотное магнитное поле.
Схема устройства плазменной
горелки
• 1— кварцевая
трубка;
• 2 — индуктор;
• 3 — индукционный
разряд;
• 4 — зона перегрева
кварцевой трубки;
• 5 — струя
термозащитного
газа;
• 6 — пламя горелки
• Термоэлектрический нагрев - нагрев сред
теплотой Пельтье, переносимый
электрическим током термоэлектрической
батареи от источника, имеющего
температуру более низкую, чем температура
потребителя.
• Эффект Зеебека-термопара, эффект
Пельтье-обратный термопаре
Формула для определения
термоЭДС
E  eT2  T1 
• где е— коэффициент Зеебека, мкВ/К;
• Т2 и Т1 - температуры горячего и
холодного спаев, К.
Определение тепла Пельтье
Q  K  I
где КП—коэффициент Пельтье, В/с;
• I — сила тока в цепи термоэлемента, А;
• τ — время протекания тока, с.
Между коэффициентами
Пельтье и Зеебека существует
зависимость
K   eT
• где Т — температура спая, К.
• Каждый из способов электронагрева,
может быть прямым и косвенным. При
прямом электронагреве теплота
выделяется в загрузке, включенной в
электрическую цепь, при косвенном теплота выделяется в электронагревателе
и передается загрузке теплообменом.
Косвенное преобразование
электрической энергии в
тепловую
ПРЯМАЯ СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В
ТЕПЛОВУЮ
1 кВтч≈3600 кДж
1 кВтч>3600 кДж
КОСВЕННАЯ СХЕМА
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ
1 кВтч<3600 кДж
• Для косвенного преобразования
электрической энергии в тепловую
применяются трансформаторы тепла и
тепловые насосы.
• Тепловые насосы, так же как и
холодильные машины, могут быть:
компрессионными (механическими);
абсорбционными (термохимическими);
полупроводниковыми
(термоэлектрическими).
Термоэлектрический тепловой насос
Принципиальная схема (а) и идеальный цикл (б)
теплового насоса компрессионного типа
Коэффициент преобразования
энергии
T2
KT 
 K X 1
T2  T1
• Из последней формулы следует, что с
помощью тепловых насосов можно
получить больше тепла, чем при прямом
преобразовании электрической энергии в
тепловую.
• В современных тепловых насосах
коэффициент преобразования энергии
находится в пределах 2,5-4,0;
следовательно на единицу затраченной
энергии можно получить 2,5-4,0 единицы
тепла.
• Наибольший экономический эффект
тепловые насосы дают при
комбинированном производстве тепла и
холода (совмещенный цикл работы),
когда тепловая энергия от материалов,
которые необходимо охлаждать,
переносится к средам, которые
необходимо нагревать.
Тепловой насос
ТН с горизонтально расположенными коллекторами в грунте
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКАЯ,
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ И
ЭЛЕКТРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
•
•
•
•
•
Обработка электрическим током;
Электроимпульсная технология;
Электронно-ионная технология;
Применение ультразвуковых волн;
Применение магнитных полей
• Технологическое применение
физико – химического действия
тока проявляется в следующих процессах:
•
•
•
•
электролизе,
электрокоагуляции,
электроосмосе,
электродиализе.
• Электролиз – это совокупность
окислительно – восстановительных
процессов, которые происходят
на электродах, погруженных в электролит,
при происхождении через него
постоянного электрического тока.
Основные области
применения электролиза –
получение различных
веществ и нанесение покрытия.
• Электрический ток в электролитах
представляет собой направленное
движение ионов в электрическом поле. В
отличие от металлов и полупроводников
прохождение электрического тока через
электролит сопровождается переносом
массы вещества.
Количество вещества g, выделившееся на
электроде при прохождении электрического
тока через раствор электролита, определяется
законом Фарадея:
g    I 
• где α — электрохимический эквивалент,
г/Кл;
• I — ток, А;
• τ — время прохождения тока, с.
• Схема электролизной установки:
1 — электролит; 2 — электроды; 3 — источник
питания; 4 — проводящие шины
• Внесение
микроэлементов в
почву
• Приготовление
дезинфицирующих
растворов
• Электрокоагуляция — метод очистки
водной системы от взвешенных
мельчайших частиц примесей путем
введения в нее коагулянтов (химических
веществ, обеспечивающих перевод
взвешенных частиц в осадок).
• Электроосмос — это движение жидкости
через капилляр или пористую диафрагму
при наложении внешнего электрического
поля.
•
•
•
•
сопротивление плуга
воздействие на растения
забивание свай
Осушение котлованов
• + положительные
электроды; —
дырчатые трубы
(иглофильтры)
подключенные к
отрицательному
полюсу;
• стрелками показано
движение воды.
• Электродиализ — перенос ионов под
действием электрического поля через
ионоселективные мембраны. Данные
мембраны, изготовленные из
специальных ионообменных материалов,
содержат высокую концентрацию
неподвижных (фиксированных) ионов,
химически связанных с каркасом
мембраны, и поэтому пропускают ионы
только одного знака заряда.
Схема трехкамерного электродиализатора
1 — анод; 2 — катод; А —анионитовая мембрана;
К —катионитовая мембрана.
• При разделении анодного и катодного
пространств изменяются химическая и
биологическая активность растворов, их
физические свойства, происходит
активация водных растворов. При этом
анолит -раствор, находящийся в
прианодном пространстве, - имеет
кислотный показатель, а католит - в
прикатодном - щелочной. Анолит
обладает бактерицидными свойствами,
католит стимулирует процессы
регенерации и развития клеток.
ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ
Применение:
• Электрические изгороди.
• Электрический обмолот зерна.
• Предуборочная подготовка
подсолнечника.
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ
ЭФФЕКТ (ЭГЭ)
• Электрогидравлический эффект преобразование электрической энергии в
механическую при помощи высоковольтного
разряда в жидкой среде.
• Электрогидравлический эффект — это
возникновение высокого давления в результате
высоковольтного электрического разряда между
погруженными в непроводящую жидкость
электродами.
• Принципиальная схема получения
электрогидравлического эффекта:
1 и 2 — электроды.
• Зависимости тока,
напряжения,
мощности и
сопротивления
канала разряда от
времени
• Пластическая деформация материалов с помощью ЭГЭ
• Схема электроимпульсной штамповки:
• а — в открытой камере; б — в закрытой камере; в — в
трубчатой заготовке; 1 — электроды; 2 — разрядная
среда (вода); 3 — заготовка
ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
• Для обработки металлов с высокими
механическими свойствами применяется
метод размерной обработки при
непосредственном использовании
теплового эффекта электрической
энергии — электроэрозионная
обработка.
Схема электроискровой обработки металлов:
1 — электрод-инструмент; 2 — жидкий
диэлектрик; 3 — электрод-заготовка.
ЭЛЕКТРОННО-ИОННАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
• Электронно-ионная технология (ЭИТ) это область электротехнологии, в которой
используют взаимодействие сильных
электрических полей с электрически
заряженными или заряжаемыми в них
частицами твердого или жидкого
вещества, придают им упорядоченное и
целенаправленное движение для
выполнения определенных
технологических процессов.(Проявление
силового действия)
• Зарядкой частиц называют сообщение им
избыточного свободного электрического
заряда.
Электрическая
контактная зарядка
частиц
Электрическая
зарядка частиц
ионная в поле
коронного разряда
• Электрическая
зарядка частиц
комбинированная
• Некоторые системы электродов для создания поля
коронного разряда
ОЧИСТКА И
СОРТИРОВАНИЕ ЗЕРНА В
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ
• Устройства, предназначенные для
разделения сыпучих смесей в
электрических полях, называют
электрическими сепараторами.
• Их классифицируют по виду
электрического поля электростатические, коронные, с
переменным полем и комбинированные;
по конструкции - камерные, барабанные,
транспортерные, решетные.
• Совокупность свойств, по которым
разделяют семена, называют признаком
делимости.
•
•
•
•
•
•
Схемы некоторых
электросепараторов:
а — коронный
барабанный;
б — коронный
транспортерный;
в — коронный
камерный;
г — коронный типа
горка;
д, е — диэлектрический
барабанный;
1 — приемный бункер;
2 — щетка; 3 —
загрузочный бункер;
4 — семя; 5 —
коронирующие
электроды; 6—барабан;
7 — лента транспортера;
8 — заземленная
металлическая
плоскость
(некоронирующий
электрод); 9 —
бифилярная обмотка;
ВН — высокое
напряжение.
АЭРОИОНИЗАЦИЯ
ВОЗДУХА
• Под действием различных физических
факторов (радиоактивного излучения,
космических лучей, грозовых разрядов и
др.) непрерывно происходит ионизация
воздуха. В зависимости от подвижности
и размера ионы делят на:
- легкие ( k > 0,1...0,5 см2/(В·с),
- средние,
- тяжелые (k < 0,1...0,5 см2/(В·с),
- ионы Ланжевена,
- ультратяжелые
• При длительном пребывании животных
и птицы в воздухе с искаженным ионным
составом снижается их
сопротивляемость к заболеваниям и
уменьшается продуктивность.
• Санитарные нормы на содержание отрицательных
аэроионов в воздухе производственных и
общественных помещений:
•
•
•
•
•
Необходимый минимум - 600 ионов/куб.см.
Оптимальный уровень - 3000-5000 ионов/куб.см.
Воздух городских квартир - 50-100 ионов/куб. см.
Воздух городских улиц - 100-500 ионов/куб. см.
Лесной и морской воздух - 1000-5000 ионов/куб. см.
• Воздух горных курортов - 5000-10000 ионов/куб.
см.
• Воздух водопада - 10000 - 50000 ионов/куб. см.
• Воздух после грозы - 50000 - 100000 ионов/куб.
см.
• Ионизатор "Анион" (Анион-40Т) - 3000-6000
ионов/куб. см.
• Ионизатор "Мальм-Аэрон" - 10000 - 150000
ионов/куб. см.
• Ионизатор "ИОН-1" - не менее 15000 ед.зар./кв.
см.
• Воздухоочиститель-ионизатор "Супер+Турбо" до 1000000 ионов/куб. см.
• Воздухоочиститель-ионизатор "Овион-С" - не
менее 500 млн. ед.зар./кв.см
Озонирование, ионизация
• Для очистки воздуха применяются фильтры.
По сравнению с другими фильтрами
электрические дают более высокую степень
очистки (до 99 %) больших объемов газа,
улавливают частицы в широком диапазоне
(от сотен до долей микрона), имеют низкое
аэродинамическое сопротивление, с их
помощью возможна комплексная обработка
воздуха (очистка, ионизация и создание
регулируемых концентраций озона).
Электрические фильтры
очистки воздуха
• Основной характеристикой эффективности
является степень очистки газов (КПД фильтра)
z1  z 2
z2
ф 
 1
z1
z1
• где z1 и z2 — содержание пыли в газе до и после
поступления в электрофильтр, мг/м3.
• Степень очистки связана с конструктивными
параметрами электрофильтра:
ф  1  e
 S

• где v — скорость движения частиц к
осадительному электроду, м/с;
• S — его площадь, м ;
• w — подача газа, м/с.
w
АЭРОЗОЛЬНАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
• Аэрозольные системы состоят из
твердых или жидких частиц размером
примерно от 1 нм до долей миллиметра,
взвешенных в газообразной среде.
• При переводе веществ и материалов в
аэрозольное состояние площадь их
поверхности в расчете на единицу массы
значительно увеличивается. Поэтому
аэрозоли обладают высокой физикохимической активностью.
Применение аэрозольной
технологии
• Электроокраска
• Внесение химикатов и удобрений
• Распыление лекарственных препаратов в
животноводческих и птицеводческих
помещениях.
Электрическая зарядка
аэрозолей:
а — контактная;
б — электростатической
индукцией;
1 — источник
постоянного
напряжения;
2 — головка
распылителя;
3 — распылитель;
4 — индуктирующий
электрод
• Принципиальная схема установки для
окрашивания изделий в электрическом поле
• 1 — окрашиваемые детали; 2—распылитель;
3 — коронирующие электроды (проволока);
К — краска; В — сжатый воздух.
• Расход краски на окрашивание деталей (кг/мин)
S bn
G
1000  M
• где S — площадь окрашиваемой поверхности
одной детали, м2;
b — количество краски, необходимое для
окрашивания одного квадратного метра
поверхности деталей, г/м2;
М — коэффициент осаждения краски (можно
принимать М = 0,85-0,95).
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
ДИАПАЗОНЫ ЧАСТОТ
УЛЬТРАЗВУКА
• 15…20 кГц – нижний предел
• 1000000 кГц – верхний предел
ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ
УЛЬТРАЗВУКА
• Первичные (переменное звуковое
давление, постоянный поток,
кавитацию, поверхностное трение)
• Вторичные (механические,
тепловые, химические,
акустические, биологические)
БЛОК-СХЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ
УЛЬТРАЗВУКА
1 – генератор ультразвуковой частоты;
2 – электроакустический преобразователь;
3 – акустический трансформатор.
• Генераторы ультразвуковой частоты
(ультразвуковые генераторы) – это
устройства, предназначенные для
преобразования электрической энергии
переменного тока промышленной частоты
в электрическую энергию переменного
тока высокой частоты, равной частоте
ультразвука
• Генераторы ультразвуковой частоты бывают
машинные, ламповые, полупроводниковые
(транзисторные, тиристорные)
• Электроакустические преобразователи – это
устройства, преобразующие электрическую
энергию переменного тока в энергию
колебаний твердого тела (стержня,
пластинки и т.п.). Из электроакустических
преобразователей наиболее распространены
магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Схема двухстержневого
магнитострикционного
преобразователя: 1 – сердечник
(пакет из пластин
магнитострикционного
материала);
2 – обмотка;
(стрелка показывает
направление деформации
сердечника)
Пакетный пьезокерамический
преобразователь :
1 — пьезокерамические
пластины; 2 и 4 —
отражающая и излучающая
накладки; 3 — токоподвод;
5 — стягивающий болт;
6 — волновод-инструмент
АКУСТИЧЕСКИЕ
ТРАНСФОРМАТОРЫ
• Акустические трансформаторы
применяют для усиления колебаний
магнитострикционного преобразователя
(трансформаторы скорости) и для
согласования механического
сопротивления технологической нагрузки
с сопротивлением пакета
преобразователя (трансформаторы
сопротивления). Трансформаторы
скорости называют концентраторами.
• Основные формы концентраторов
(акустических трансформаторов скорости)
МАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА
МАТЕРИАЛОВ
• Магнитное поле (МП) - одна из
компонент электромагнитного,
оказывающая определенные физикохимическое и биологическое
воздействия на объекты.
• Широко применяют физико-химическое
воздействие магнитного поля на объекты
для очистки семян и кормов, магнитной
обработки воды и магнитоимпульсной
обработки металлов.
Шкивной (a) и барабанный (б) электромагнитные сепараторы:
I, II, III — фракции; 1—транспортерная лента; 2 —
разделяемый материал; 3 — система электромагнитов; 4 —
ведущий шкив; 5 — вращающийся барабан
Установка магнитной очистки семян: 1, 2 и 3 — бункера для
зерновой смеси, воды (или масла) и магнитного порошка; 4 —
подающий транспортер; 5 - барабан; 6 - магнитный сектор; 7 кассета для избыточной воды и крупных предметов; 8 —
кассета для очищенных семян; 9 — кассета для семян сорных
растений и магнитного порошка; 10 - чистик; 11 транспортер-смеситель
УСТАНОВКИ МАГНИТНОЙ
ОБРАБОТКИ ВОДЫ
• При работе водогрейных и паровых котлов,
кормозапарников, электрокотельных и
других электрических установок на
поверхности нагрева образуется накипь. При
ее толщине 1,5 мм расход топлива
увеличивается на 8...11 %, мощность
двигателей внутреннего сгорания снижается
на 6 %, расход смазочных материалов
возрастает на 30 %.
• Кристаллы соли в воде до обработки в
магнитном поле (слева) и после обработки в
магнитном поле (справа)
Магнитная обработка воды