Файл: Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие.pdf

Н а с т ь ч е т в е р т а я

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ И ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК. БЫТОВЫЕ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ

▼

20.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ

ИХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ

20.1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ШИРОКОГО ВНЕДРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Сельскохозяйственное производство нуждается в большом коли­ честве тепловой энергии для выращивания молодняка животных и птицы, содержания взрослого поголовья, для получения, сохранения иобработки продукции животноводства и растениеводства. Потребность животноводства в тепловой энергии составляет до 80—90% всего энерго­ потребления.

Внастоящее время теплоснабжение хозяйств и животноводческих ферм осуществляется в основном от огневых (топливных) установок — мелких котельных и отдельных котлов низкого давления, теплогенера­ торов и др. Недостатками их являются значительная металлоемкость, высокая себестоимость тепловой энергии, повышенная пожароопас­ ность. Мелкие огневые установки требуют значительных затрат на обслуживание, загрязняют фермы отходами и продуктами сгорания, способствуя снижению продуктивности животных, плохо поддаются автоматизации. Кроме того, возникают большие трудности с топливо­ снабжением огневых установок и распределением тепла по производст­ венным объектам.

Вто же время все более расширяется и углубляется процесс внедре­ ния в сельскохозяйственное производство электронагревательных установок, так как им присущ целый ряд преимуществ: возможность

полной автоматизации процессов нагрева; постоянная готовность к действию; отсутствие необходимости в специальных котельных, тру­ бопроводах, бойлерах и т. п., в складских помещениях для топлива, а также в транспортировке топлива и золы; малые капитальные затраты и меньшая потребность в производственных площадях; хорошие сани­ тарно-гигиенические условия и возможность проведения процессов на более высоком техническом уровне (равномерность и избиратель­ ность нагрева материалов); меньшая пожарная опасность.

В практике существуют процессы, в которых применение электро­ нагрева не только экономически выгодно, но и является единственно рациональным решением: инкубация яиц, местный электрообогрев молодняка животных и птицы, электросварка и др.

325

20 .2 . СПОСОБЫ З Л Е К Т Р О Н А Г Р Е В А

Основные методы и способы преобразования электрической энергии в тепловую классифицируют следующим образом. Различают прямой и косвенный электронагрев. П р и п р я м о м э л е к т р о н а ­ г р е в е преобразование электрической энергии в тепловую происхо­ дит в результате прохождения электрического тока непосредственно по нагреваемому телу или среде (металл, вода, молоко, почва и т. п.). П р и к о с в е н н о м э л е к т р о н а г р е в е электрический ток проходит по специальному нагревательному устройству (нагреватель­ ному элементу), от которого тепло передается нагреваемому телу или среде посредством теплопроводности, конвекции или излучения.

Существует несколько видов преобразования электрической энер­ гии в тепловую, которые определяют способы электронагрева.

Нагрев сопротивлением. Протекание электрического тока по электропроводящим твердым телам или жидким средам сопровождается выделением тепла. По закону Джоуля —Ленца количество тепла

где Q — количество тепла, Дж; / — сила тока, А;

R — сопротивление тела или среды, Ом; t — время протекания тока, с.

Нагрев сопротивлением может быть осуществлен контактным и электродным способами.

К о н т а к т н ы й с п о с о б применяется для нагрева металлов как по принципу прямого электронагрева, например в аппаратах электроконтактной сварки, так и по принципу косвенного электронаг­ рева — в нагревательных элементах.

Э л е к т р о д н ы й с п о с о б применяется для нагрева неметал­ лических проводящих материалов и сред: воды, молока, сочных кормов, почвы и др. Нагреваемый материал или среда помещается между элек­ тродами, к которым подводится переменное напряжение. Электрический ток, протекая по материалу между электродами, нагревает его. Обыч­ ная (недистиллированная) вода проводит электрический ток, так как в ней всегда содержится некоторое количество солей, щелочей или кислот, которые диссоциируют на ионы, являющиеся носителями элек: трических зарядов, то есть электрического тока. Аналогична природа электропроводности молока и дру-гих жидкостей, почвы, сочных кор­ мов и т. п.

Прямой электродный нагрев осуществляется только на переменном

токе, так как постоянный ток вызывает электролиз нагреваемого мате­ риала и его порчу.

Электронагрев сопротивлением нашел широкое применение в сель­ скохозяйственном производстве в связи с его простотой, надеж­ ностью, универсальностью и невысокой стоимостью нагревательных устройств.

326

Электродуговой нагрев. В электрической дуге, возникающей между

двумя электродами в газообразной среде, происходит превращение электрической энергии в тепловую.

Для зажигания дуги электроды, присоединенные к источнику пита­ ния, на мгновение соприкасают, а затем медленно разводят. Сопротив­ ление контакта в момент разведения электродов сильно нагревается проходящим по нему током. Свободные электроны, постоянно движу­ щиеся в металле, с повышением температуры в месте соприкосновения электродов ускоряют свое движение. С ростом температуры скорость свободных электронов настолько возрастает, что они отрываются от металла электродов и вылетают в воздушное пространство. При движе­ нии они сталкиваются с молекулами воздуха и расщепляют их на положительно и отрицательно заряженные ионы. Происходит иониза­ ция воздушного пространства между электродами, которое становится электропроводным. Под действием напряжения источника положи­ тельные ионы устремляются к отрицательному полюсу (катоду), а отрицательные ионы — к положительному полюсу (аноду), тем самым образуя длительный разряд —электрическую дугу, сопровождающую­ ся выделением тепла. Температура дуги неодинакова в различных ее частях и составляет при металлических электродах: у катода — около 2400 °С, у анода — около 2600 °С, в центре дуги — около 6000—7000 °С.

Различают прямой и косвенный электродуговой нагрев. Основное практическое применение находит прямой электродуговой нагрев в дуговых электросварочных установках. В установках косвенного нагрева дуга используется как мощный источник инфракрасных лучей.

Индукционный нагрев. Если в переменное магнитное поле помес­ тить кусок металла, то в нем будет индуктироваться переменная э. д. с., под действием которой в металле возникнут вихревые токи. Про­ хождение этих токов в металле вызовет его нагрев. Такой способ нагрева металла называется и н д у к ц и о н н ы м . Устройство некоторых индукционных нагревателей основано на использовании явления поверхностного эффекта и эффекта близости.

Для индукционного нагрева используются токи промышленной (50 Гц) и высокой частоты (8—10 кГц, 70—500 кГц). Наибольшее распространение получил индукционный нагрев металлических тел (деталей, заготовок) в машиностроении и при ремонте сельскохозяйст­ венной техники. Индукционный способ может использоваться также для нагрева воды, почвы, бетона и пастеризации молока.

Диэлектрический нагрев. Физическая сущность диэлектрического нагрева заключается в следующем. В твердых телах и жидких средах

сплохой электрической проводимостью (диэлектриках), помещенных

вбыстропеременное электрическое поле, электрическая энергия пре­

вращается в тепловую.

В любом диэлектрике имеются электрические заряды, связанные межмолекулярными силами. Эти заряды называются связанными в отличие от свободных зарядов в проводниковых материалах. Под действием электрического поля связанные заряды ориентируются или смещаются в направлении поля. Смещение связанных зарядов под

327

действием внешнего электрического поля называется поляризацией. В переменном электрическом поле происходит непрерывное перемещение зарядов, а следовательно, и связанных с ними межмолекулярными си­ лами молекул. Энергия, затрачиваемая источником на поляризацию молекул непроводниковых материалов, выделяется в виде тепла. В некоторых непроводниковых материалах есть небольшое количество свободных зарядов, которые создают под действием электрического поля незначительный по величине ток проводимости, способствующий выде­ лению дополнительного тепла в материале.

При диэлектрическом нагреве материал, подлежащий нагреванию, помещается между металлическими электродами — обкладками кон­ денсатора, к которым подводится напряжение высокой частоты (0,5— 20 МГц и выше) от специального высокочастотного генератора. Уста­ новка для диэлектрического нагрева состоит из лампового генератора высокой частоты, силового трансформатора и сушильного устройства с электродами.

Высокочастотный диэлектрический нагрев — перспективный спо­ соб нагрева и применяется главным образом для сушки и тепловой обработки продуктов и кормов (сушки зерна, овощей и фруктов), пастеризации и стерилизации молока и т. п.

Электронно-лучевой (электронный) нагрев. При встрече потока электронов (электронного луча), ускоренных в электрическом поле, с нагреваемым телом электрическая энергия превращается в тепловую. Особенностью электронного нагрева является высокая плотность концентрации энергии, составляющая 5 - 10s кВ-р/см2, что в несколько тысяч раз выше, чем при электродуговом нагреве. Электронный нагрев применяется в промышленности для сварки очень мелких деталей и выплавки сверхчистых металлов.

Кроме рассмотренных способов электронагрева, в сельскохозяйст­ венном производстве находит применение инфракрасный нагрев (облу­ чение), который рассмотрен в разделе 12.

20.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

В соответствии со с п о с о б а м и э л е к т р о н а г р е в а раз­ личают следующие типы электронагревательных установок.

1.Электронагревательные установки сопротивления: а) прямого электронагрева (электродные водонагреватели, парообразователи, кормозапарники, аппараты электроконтактной сварки и др.);

б) косвенного электронагрева (элементные водонагреватели, кало­ риферы, электрические печи, ванны, установки для подогрева двига­ телей тракторов и автомобилей в зимнее время, бытовые электроприбо­ ры и т. п.).

2.Установки электродугового нагрева: а) прямого электродугового нагрева (дуговые электросварочные аппараты, электрометаллизаторы);

б) косвенного электродугового нагрева (установки лучистого на­ грева).

328

3. Установки индукционного нагрева: а) промышленной частоты (индукционные водонагреватели, пастеризаторы, обогреватели для почвы, бетона, обогреватели для насестов и др.);

б) высокой частоты (закалочные и плавильные установки ремонтных предприятий).

4.Высокочастотные установки диэлектрического нагрева (высоко­ частотные сушилки зерна, овощей, фруктов, пастеризаторы и стерили­ заторы молока и других продуктов).

5.Радиационные установки — установки инфракрасного нагрева (радиационные сушилки зерна с ламповыми и элементными излуча­ телями, радиационные обогреватели животных и птицы, инфракрасные пастеризаторы молока).

6.Установки электронно-лучевого нагрева.

высокий коэффициент полезного действия и низкая стоимость. Однако они имеют и существенные недостатки, в частности: невозможность нагрева материалов, непроводящих электрический ток; значительное изменение мощности с изменением температуры нагрева воды и других материалов, содержащих воду; повышенную электроопасность, обус­ ловленную тем, что потенциал от электрода через проводящую нагре­ ваемую среду может быть передан на корпус нагревательной уста­ новки; влияние на качество нагреваемого материала, что особенно важно при нагреве воды, пищевых продуктов и кормов, так как даже при переменном токе в нагреваемой среде наблюдается электролиз, а с электродов выпадают продукты электрохимических реакций.

Всвязи с этим установки прямого нагрева целесообразно применять

всельском хозяйстве в следующих случаях: для нагрева металлических тел несложной формы при ремонте техники и для других нужд, при электродном нагреве воды в водонагревателях больших мощностей для технологических нужд и отопления, для получения пара в элект­ родных парообразователях.

П о п р и н ц и п у д е й с т в и я электронагревательные уста­ новки делятся на установки периодического и непрерывного действия. В установках периодического действия периоды нагрева чередуются с промежутками загрузки и выгрузки нагреваемых материалов. В установках непрерывного действия поступление и выход материалов осуществляется непрерывно и одновременно

с нагревом.

Примером установок периодического действия являются электри­ ческие водонагреватели — термосы типа ВЭТ, электрические печи

идр. К установкам непрерывного действия относятся проточные электроводонагреватели типа ЭПВ, электрокалориферы, пастеризаторы

идр. Установки непрерывного действия по сравнению с установками периодического действия при одной и той же производительности имеют меньшие емкость и габариты, более высокие к. п. д. и коэффи­

циент использования, легче автоматизируются.

329