ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ
реклама
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 2f 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 eT2 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 кВтч≈3600 кДж 1 кВтч>3600 кДж КОСВЕННАЯ СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ 1 кВтч<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 bn 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
