1. Назначение и устройство электрических ламп накаливания. Привести схему и примеры условного обозначения.
Лампы накаливания общего назначения предназначены для освещения жилых, общественных и административных помещений, промышленных предприятий и применяются в светильниках внутреннего и наружного освещения. Ла́мпа нака́ливания — электрический источник света, в котором тело накала (тугоплавкий проводник), помещённое в прозрачный вакуумированный или заполненный инертным газом сосуд, нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока, в результате чего излучает в широком спектральном диапазоне, в том числе видимый свет. В качестве тела накала в настоящее время используется в основном спираль из сплавов на основе вольфрама. В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Тело накала излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов. При температуре 5770 K (температура поверхности Солнца) свет соответствует спектру Солнца. Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света, и тем более «красным» кажется излучение. Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводимости и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Температура в 5770 К недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C). Для оценки данного качества света используется т. н. цветовая температура. При достижимых практически температурах 2300—2900 °K излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «жёлто-красным», чем дневной свет. Однако лампа — точечный источник, поэтому человеку свойственнее сопоставлять её свет со светом, к примеру, костра или свечи, чем с масштабным солнечным. Поэтому свет такой температуры не вызывает раздражения при длительном использовании.
В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Первые изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения — до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом, аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у вакуумной лампы.вещения. По применению лампы подразделяются на типы: - БН - применяются там, где предъявляются повышенные
требования к качеству цветопередачи; - БС - применяются для бытовых облучателей, используемых в
медицинских целях и для ночного освещения. Лампы на диапазон напряжения 125-135В применяются в сетях напряжением 127 В;
На напряжение 215-225 и 220-230 В - при стабильном напряжении сети 220В; Лампы на повышенное напряжение 225-235В, 235-245В и 245-255В следует применять в осветительных приборах, установленных в труднодоступных местах (на лестничных площадках, в коридорах, подвалах, чердачных помещениях и т.п.), где освещением пользуются днем и вечером, а также в квартирах, где напряжение сети нестабильно или постоянно повышено. При стабильном напряжении сети 220В применять их нецелесообразно из-за резкого снижения светового потока. По функциональному назначению и особенностям конструкции лампы накаливания подразделяют на: - лампы общего назначения (до середины 1970-х годов применялся термин «нормально-осветительные лампы»). Самая массовая группа ламп накаливания, предназначенных для целей общего, местного и декоративного освещения. Начиная с 2008 года за счёт принятия рядом государств законодательных мер, направленных на сокращение производства и ограничение применения ламп накаливания с целью энергосбережения, их выпуск стал сокращаться; - декоративные лампы, выпускаемые в фигурных колбах. Наиболее массовыми являются свечеобразные колбы диаметром около 35 мм и сферические диаметром около 45 мм. - лампы местного освещения, конструктивно аналогичные лампам общего назначения, но рассчитанные на низкое (безопасное) рабочее напряжение — 12, 24 или 36 (42) В. Область применения — ручные (переносные) светильники, а также светильники местного освещения в производственных помещениях (на станках, верстаках и т. п., где возможен случайный бой лампы); - иллюминационные лампы, выпускаемые в окрашенных колбах. Назначение — иллюминационные установки различных типов. Как правило, лампы этого вида имеют малую мощность (10—25 Вт). Окрашивание колб обычно производится за счёт нанесения на их внутреннюю поверхность слоя неорганического пигмента. Реже используются лампы с колбами, окрашенными снаружи цветными лаками, их недостаток — быстрое выцветание пигмента и осыпание лаковой плёнки из-за механических воздействий; - зеркальные лампы накаливания имеют колбу специальной формы, часть которой покрыта отражающим слоем (тонкая плёнка термически распылённого алюминия). Назначение зеркализации — пространственное перераспределение светового потока лампы с целью наиболее эффективного его использования в пределах заданного телесного угла. Основное назначение зеркальных ЛН — локализованное местное освещение; - сигнальные лампы используются в различных светосигнальных приборах (средствах визуального отображения информации). Это лампы малой мощности, рассчитанные на длительный срок службы. Сегодня вытесняются светодиодами; - --- транспортные лампы — чрезвычайно широкая группа ламп, предназначенных для работы на различных транспортных средствах. Характерные особенности: высокая механическая прочность, вибростойкость, использование специальных цоколей, позволяющих быстро заменять лампы в стеснённых условия и, в то же время, предотвращающих самопроизвольное выпадение ламп из патронов. Рассчитаны на питание от бортовой электрической сети транспортных средств (6—220 В); - прожекторные лампы обычно имеют большую мощность (до 10 кВт, ранее выпускались лампы до 50 кВт) и высокую световую отдачу. Используются в световых приборах различного назначения (осветительных и светосигнальных). Спираль накала такой лампы обычно уложена за счет особой конструкции и подвески в колбе более компактно для лучшей фокусировки; - лампы для оптических приборов, к числу которых относятся и выпускавшиеся массово до конца XX в. лампы для кинопроекционной техники, имеют компактно уложенные спирали, многие помещаются в колбы специальной формы. Используются в различных приборах (измерительные приборы, медицинская техника и т. п.); - Фотолампа, перекальная лампа — разновидность лампы накаливания, предназначенная для работы в строго нормированном форсированном по напряжению режиме. По сравнению с обычными имеет повышенную световую отдачу (до 30 лм/Вт), малый срок службы (4-8 часов) и высокую цветовую температуру (3300-3400К, по сравнению с 2700К). В СССР выпускались фотолампы мощностью 300 и 500 Вт. Как правило, имеют матированную колбу. В настоящее время (XXI век) практически вышли из употребления, благодаря появлению более долговечных устройств сравнимой и более высокой эффективности. - Проекционные лампы — для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную яркость (и соответственно, повышенную температуру нити и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник. - Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей. - Малоинерционная лампа накаливания, лампа накаливания с тонкой нитью — использовалась в системах оптической записи звука методом модуляции яркости источника и в некоторых экспериментальных моделях Фототелеграфа. Благодаря малой толщине и массе нити подача на такую лампу напряжения, модулированного сигналом звукового диапазона частот (до примерно 5 кГц), приводила к изменению яркости в соответствии с мгновенным напряжением сигнала.[3] К началу XXI века не находят применения благодаря наличию намного более долговечных твердотельных излучателей света и намного менее инерционных излучателей других типов. - Нагревательные лампы — основной источник тепла в блоках термозакрепления лазерных принтеров и копировальных аппаратов. Лампа цилиндрической формы неподвижно устанавливается внутри вращающегося металлического вала, к которому прижимается бумага с нанесенным тонером. За счет тепла, передающегося от вала, тонер расплавляется и впрессовывается в структуру бумаги.
Разновидности ламп накаливания
Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):
- Вакуумные (самые простые)
- Аргоновые (азот-аргоновые)
- Криптоновые (примерно +10% яркости от аргоновых)
- Ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых)
- Галогенные (наполнитель I или Br, в 2,5 раза ярче аргоновых, большой срок службы, не любят недокала, так как не работает галогенный цикл)
- Галогенные с двумя колбами (более эффективный галогенный цикл за счет лучшего нагрева внутренней колбы)
- Ксенон-галогенные (наполнитель Xe + I или Br, наиболее эффективный наполнитель, до 3х раз ярче аргоновых)
- Ксенон-галогенные с отражателем ИК излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК диапазон, то отражение ИК излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей)
- Накаливания с покрытием преобразующим ИК излучение в видимый диапазон (известны только заявления о разработке таких покрытий, скорей всего массово уже производится не будут, в связи с переходом многих производителей на светодиодные технологии)
ОБОЗНАЧЕНИЕ ЛАМП ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ (Х-Х-Х-Х)
X - буквенное обозначение ламп:
Б - биспиральная аргоновая,
БК - биспиральная криптоновая,
Н - неодимовая,
С - синяя,
В - вакуумная,
Г - газополная моноспиральная аргоновая;
Для ламп в светорассеивающих колбах к первому элементу условного обозначения
добавляются буквы:
МТ - матированная,
МЛ - молочная,
О - опаловая;
Х- номинальное напряжение или диапазон напряжений, В (127, 220 или 125-135,215-225, 220-230, 225-235, 235-245, 245-255);
Х - номинальная мощность, Вт (15, 25, 36, 40, 54, 60, 75,
93,100,150,200,300,500,750,1000);
X - отличительная особенность от базовой модели (1, 2).
К обозначению ламп мощностью 150 Вт (типов Б и Г) в колбе диаметром 71-2 мм,
ламп типа Г 245-255-300 в колбе диаметром 91-3 мм и ламп мощностью 1000 Вт в
колбе диаметром 131-3 мм добавляется цифра 1, а к обозначению ламп мощностью 300
Конструкция ЛН
Конструкция современной лампы. На схеме: 1 — колба; 2 — полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 — тело накала; 4, 5 — электроды (токовые вводы); 6 — крючки-держатели тела накала; 7 — ножка лампы; 8 — внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 — корпус цоколя; 10 — изолятор цоколя (стекло); 11 — контакт донышка цоколя. Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы. В конструкции ламп общего назначения предусматривается предохранитель — звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы — как правило, в ножке. Назначение предохранителя — предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы. Дело в том, что при этом в зоне разрыва возникает электрическая дуга, которая расплавляет остатки нити, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и послужить причиной пожара. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при зажигании дуги он разрушался под воздействием тока дуги, существенно превышающего номинальный ток лампы. Ферроникелевое звено находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга легко гаснет. Из-за малой эффективности в настоящее время отказались от их применения. Колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера для того, чтобы осаждаемый металл распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность. Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молекулярной массой. Смеси азота N2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже — криптон Kr или ксенон Xe (молекулярные массы: N2 — 28,0134 г/моль; Ar: 39,948 г/моль; Kr — 83,798 г/моль; Xe — 131,293 г/моль). Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений. В такой лампе испарившийся с поверхности тела накала металл вступает в соединение с галогенами, и затем возвращается на поверхность нити за счёт температурного разложения получившегося соединения. Такие лампы имеют большую температуру спирали, больший КПД, срок службы и меньший размер колбы. Формы тел накала весьма разнообразны и зависят от функционального назначения ламп. Наиболее распространённым является из проволоки круглого поперечного сечения, однако находят применение и ленточные тела накала (из металлических ленточек). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама, иногда осмиево-вольфрамового сплава. Для уменьшения размеров тела накала ему обычно придаётся форма спирали, иногда спираль подвергают повторной или даже третичной спирализации, получая соответственно биспираль или триспираль. КПД таких ламп выше за счёт уменьшения теплопотерь из-за конвекции (уменьшается толщина ленгмюровского слоя. Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R) и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40—50 микрон. Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять — четырнадцать раз больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало. Возрастающая характеристика сопротивления нити накала (при увеличении тока сопротивление растет) позволяет использовать лампу накаливания в качестве примитивного стабилизатора тока. При этом лампа включается в стабилизируемую цепь последовательно, а среднее значение тока выбирается таким, чтобы лампа работала вполнакала. В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мерцающем режиме.
Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Джозефом Уилсоном Суоном. Размеры цоколей стандартизованы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и E40 (цифра обозначает наружный диаметр в мм). Также встречаются цоколи без резьбы (удержание лампы в патроне происходит за счёт трения или нерезьбовыми сопряжениями — например, байонетным) — британский бытовой стандарт, а также бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %. С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов. Как показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %. Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4-5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода. Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается, и лампа выходит из строя.
Преимущественная часть износа нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода устройства плавного запуска. Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная — более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной. Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности, диммеры (автоматические или ручные). Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса. Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению тела накаливания. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети.[13] Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220В 60Вт применить шесть последовательно включенных ламп 36 В 60Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей одной толстой. Преимущества и недостатки ламп накаливания
Преимущества:
налаженность в массовом производстве
малая стоимость
небольшие размеры
отсутствие пускорегулирующей аппаратуры
чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности)
быстрый выход на рабочий режим
невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения
отсутствие токсичных компонентов[источник не указан 301 день] и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
возможность работы на любом роде тока
нечувствительность к полярности напряжения
возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе
непрерывный спектр излучения
приятный и привычный в быту спектр
устойчивость к электромагнитному импульсу[источник не указан 389 дней]
возможность использования регуляторов яркости
не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату Недостатки:
низкая световая отдача
относительно малый срок службы
хрупкость, чувствительность к удару и вибрации
бросок тока при включении (примерно десятикратный)
при термоударе или разрыве нити под напряжением возможен взрыв баллона
резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения
лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 25 Вт-100 °C, 40 Вт — 145 °C, 75 Вт — 250 °C, 100 Вт — 290 °C, 200 Вт — 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается ещё сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут.[19]
нагрев частей лампы требует термостойкой арматуры светильников
световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности, потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4 %. Включение электролампы через диод, что часто применяется с целью продления ресурса на лестничных площадках, в тамбурах и прочих затрудняющих замену местах, ещё больше усугубляет её недостатки.
2. Виды электрического нагрева: особенности, примеры использования в бытовых приборах.
Электрический нагрев по сравнению с другими видами нагрева (с использованием газа, жидкого или твердого топлива) имеет ряд существенных преимуществ. Он значительно улучшает санитарно-гигиенические условия жилых помещений. Газ значительно уступает электрическому нагреву в санитарно-гигиеническом отношении. При открытом горении газа выделяются как продукты полного его сгорания (углекислый газ, вода), так и продукты неполного сгорания, вредно действующие на здоровье людей (окись углерода, формальдегид, смолистые вещества и др.). При электронагреве таких вредных выделений нет. По сравнению с газовыми электроприборы взрывобезопасны. Наиболее важное значение в промышленности в настоящее время имеют следующие виды электрического нагрева: косвенный в печах сопротивления, прямой или контактный, дуговой, индукционный, электроннолучевой, плазменный. Косвенный нагрев в печах сопротивления При косвенном нагреве превращение электрической энергии в тепло осуществляется с помощью специальных нагревательных элементов, имеющих высокие внутренние сопротивления и жаростойкость. От нагретого до высокой температуры нагревательного элемента тепло передается нагреваемому изделию излучением, конвекцией и теплопроводностью. Огнеупорная кладка печи, также разогретая нагревателями до высоких температур, отдает лучеиспусканием часть тепла на нагрев изделия Достигаемая температура зависит в основном от конструкции и материала нагревательного элемента. Применяя для нагревательных элементов такие высокоомные жаропрочные материалы, как нихром, карборунд, графит, вольфрам, молибден и др., можно достигать температур от 300—400 до 3000°С. Кроме того, при использовании нагревательных элементов из указанных материалов в рабочей камере нагревательной печи можно создавать любую газовую атмосферу: окислительную, восстановительную, нейтральную или вакуум. Прямой (контактный нагрев) В отличие от косвенного нагрева при прямом нагреве тепло выделяется непосредственно в нагреваемом изделии при прохождении по нему тока. Выделение тепла в объеме нагреваемой детали позволяет значительно снизить тепловые потери (в основном теплоизлучение с поверхности в окружающую среду), поэтому этот вид нагрева имеет высокий к.п.д. С помощью контактного нагрева производится разогрев деталей, длина которых значительно превышает поперечные размеры, например нагрев прутков перед завивкой пружин. Индукционный высокочастотный нагрев Основной особенностью индукционного нагрева является превращение электрической энергии в тепло с помощью переменного магнитного потока, т. е. индуктивным путем. Если по цилиндрической спиральной катушке (индуктору) пропускать переменный электрический ток I, то вокруг катушки образуется переменное магнитное поле Фм Наибольшую плотность магнитный поток имеет внутри катушки. При размещении в полости индуктора металлического проводника в материале возникает электродвижущая сила. Выделение тепла при индукционном нагреве происходит непосредственно в объеме нагреваемого материала, причем большая часть тепла выделяется в поверхностных слоях нагреваемой детали (поверхностный эффект). Индукционный нагрев является скоростным, так как тепло выделяется непосредственно в толще нагреваемого металла, что позволяет производить плавку металла в индукционных электропечах в 2—3 раза быстрее, чем в отражательных пламенных. Благодаря своим преимуществам высокочастотный нагрев широко применяется в металлургической, машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности, где используется для плавления металла, при термической обработке деталей, нагреве под штамповку и т. д. Дуговой нагрев Превращение электрической энергии в тепловую при дуговом нагреве осуществляется в факеле электрической дуги. Электрическая дуга представляет собой один из видов самостоятельного газового разряда, возникающего между положительным (анодным) и отрицательным (катодным) электродами. Для получения дугового разряда электроды, находящиеся под разностью потенциалов, сначала приводятся в соприкосновение. За счет большой величины тока электроды в местах соприкосновения разогреваются до такой температуры, при которой возникает термоэмиссия электронов. Разогретая в разрядном промежутке до высокой температуры газовая фаза отдает свою энергию нагреваемому металлу главным образом лучеиспусканием. Столб дугового разряда представляет собой газовую плазму, т.е. газ в ионизированном состоянии, в котором величины пространственных зарядов, созданных положительно и отрицательно заряженными частицами, одинаковы, с преобладающим хаотическим тепловым движением ионизированных молекул. Плазма состоит из нейтральных газовых частиц с повышенной энергией, положительных ионов и электронов. Заряды положительных ионов и электронов компенсируют друг друга, так что в электрическом отношении плазма столба нейтральна. Благодаря высокой температуре, развивающейся в зоне горения дуги, этот вид нагрева широко используется в металлургии для выплавки качественных сталей, ферросплавов, тугоплавких и жаропрочных металлов и т.д., а также в других отраслях промышленности, где требуется высокотемпературный нагрев. Электроннолучевой нагрев В последние годы резко возросла потребность в металлах и сплавах, ранее почти не применявшихся или применявшихся в незначительных количествах. К таким металлам относятся уран, цирконий, ниобий, тантал, вольфрам и др., которые используются в условиях исключительно высоких статических и динамических нагрузок при очень высоких температурах. В свою очередь свойства указанных металлов находятся в прямой зависимости от содержания в них примесей, особенно кислорода, водорода и азота. Обеспечить получение ультрачистых металлов можно, лишь производя операции выплавки и горячей деформации в условиях глубокого вакуума. Наиболее эффективно указанные операции можно производить с помощью электроннолучевого нагрева. Электроннолучевой нагрев – 1 Более высокую стойкость катода и меньшую возможность для возникновения разрядов между электродами, нарушающими нормальную работу устройства, имеют электронные термические установки с направленным потоком (лучом) электронов. Получение направленного пучка электронов производится с помощью электроннолучевых пушек, в основе работы которых лежит способность электронов изменять свою траекторию при прохождении через электрическое или магнитное поле. Используя законы электронной оптики, подбором формы и интенсивности поля можно свободнолетящие электроны собрать в электронный пучок. Электроннолучевая пушка представляет собой систему из двух электродов, находящихся под разностью потенциалов и изолированных друг от друга. В прорези одного электрода, называемого катодным, располагается термокатод, в другом электроде — анодном имеется также прорезь, соответствующая форме электронного пучка. Конфигурация электродов выбирается такой, чтобы эмиттируемые термокатодом электроны под действием электрического тюля в межэлектродном пространстве собирались в плотный пучок. За пределами анодного электрода электроны, образующие луч, движутся по инерции до поверхности нагреваемого металла. Отсутствие разгоняющего напряжения в зоне нагрева значительно снижает количество разрядов в процессе работы установки. С помощью электроннолучевых пушек можно получать пучки самой различной конфигурации. В нагревательных электроннолучевых установках наиболее широко используются полые конические пучки, сплошные цилиндрические, конические и плоские. Управление лучом, т.е. его перемещение по нагреваемой поверхности или по зеркалу ванны жидкого металла, производится с помощью отклоняющих электромагнитных катушек. Плавка электронным лучом в высоком вакууме не только применяется для выплавки жароупорных металлов, но и может быть использована для повышения качества специальных сталей. Сталь, полученная таким способом, работает вчетверо дольше обыкновенной, и детали, сделанные из нее, более надежны. Плазменный нагрев При обычном дуговом разряде плазма образуется из молекул газа окружающей среды. Если же дуговой разряд происходит в потоке газа, движущегося с определенной скоростью, то образуется факел горячего ионизированного газа. Так как в плазменной струе при атмосферном давлении развивается температура 8000 - 30000 °С, то струя может быть использована для высокотемпературного нагрева. Формирование плазменной струи производится с помощью специальных плазменных генераторов, или плазмотронов. Высокочастотный индукционный разряд позволяет получать чистую плазму, не загрязненную материалами электродов, поэтому с ее помощью можно нагревать и плавить химически чистые материалы.
Высокая концентрация энергии в плазменной струе и возможность создания любой атмосферы — восстановительной, нейтральной или окислительной - делают перспективным применение плазменных установок в электрогазовой химии для получения ацетилена из метана, связанного азота из воздуха и т.д., в металлургии — для выращивания монокристаллов, плавки тугоплавких металлов и легированных сталей, прямого восстановления металлов из окислов. В быту используют электронагрев проводников высокого сопротивления, инфракрасный нагрев, высокочастотный. Электронагрев проводников высокого сопротивления наиболее распространен, его используют в преобладающем большинстве нагревательных электроприборов. Этот вид электронагрева основан на выделении тепла при прохождении электрического тока через проводники высокого сопротивления по закону Джоуля—Ленца
Нагревательный электроприбор Основной частью нагревательного электроприбора сопротивления является электронагреватель (электронагревательный элемент) Электронагреватель состоит из нагревательного сопротивления, электроизоляции и каркаса, или оболочки. Иногда роль каркасе выполняет электроизоляция. В каждом данном приборе тепло от электронагревателя нагреваемому телу может передаваться за счет теплопроводности конвекции, лучеиспускания, т. е. всех трех существующих способом или, преимущественно, одним либо двумя способами. Инфракрасным нагревом обладают все электронагреватели сопротивления. В практике под инфракрасными нагревателями понимают такие, у которых максимум излучения приходится на инфракрасную область спектра с длинами волн от 0,76 до 3 мкм. Инфракрасные электронагреватели подразделяют на «светлые» излучающие, помимо инфракрасных, видимые лучи, и «темные», излучающие преимущественно инфракрасные лучи. К «светлым» излучателям относят лампы накаливания типа ИКЗ (инфракрасная зеркальная) с внутренней зеркальной поверхностью для получения направленного лучевого потока (мощность ламп 250 и 500 Вт, Тц равна 2300 ± 100 К), кварцевая лампа с йодным заполнением НИК-1000—220 тр (лампа накаливания, инфракрасная, кварцевая, 1000 Вт, 220 В, трубчатая. Вольфрамовая спираль в ней натянута по всей трубке; Тц ее составляет 2550 К). К «темным» излучателям инфракрасных волн относят открытые спирали и ТЭНы с температурой на поверхности 700-750° С. При использовании приборов с инфракрасным нагревом для выпечки и жаренья повышается качество кулинарной обработки (хорошо поджаривается поверхность изделий). Высокочастотный нагрев, находит все большее использование для приготовления и подогрева пищи. Особенностью высокочастотного нагрева является использование диэлектрических свойств пищевых продуктов. Посуда, окружающий воздух и аппарат остаются холодными. При высокочастотном нагреве температура поверхностных слоев продукта ниже, чем внутренних. На поверхности не образуется специфической корочки, характерной для инфракрасного нагрева. Продукт приобретает вкус печеных изделий. Основным преимуществом высокочастотного нагрева является быстрота приготовления пищи. По сравнению с поверхностным нагревом время приготовления продуктов сокращается в 4—10 раз и составляет всего несколько минут. При этом пища не теряет своей пищевой ценности, исключается ее подгорание, облегчается мойка посуды. Печи СВЧ не излучают тепло в окружающее помещение. Классификация нагревательных электроприборов. По виду регулировки нагревательные приборы подразделяют на четыре группы: без регулировки; с регулировкой температуры нагрева; с регулировкой мощности; автоматические с программным управлением. Для регулировки температуры в приборах устанавливают термоограничители или терморегуляторы. Термоограничителем называется устройство, ограничивающее температуру нагрева электроприбора путем автоматического размыкания цепи электропитания. Терморегуляторы позволяют автоматически поддерживать в определенных пределах предварительно заданную температуру.Регулировка мощности прибора может быть ступенчатой и бесступенчатой(плавной). Ступенчатая регулировка осуществляется с помощью пакетного переключателя; электронагреватель в этом случае имеет несколько ступеней мощности. При бесступенчатой регулировке мощности электронагреватель работает циклично (включен-выключен). Период включения (ПВ) может изменяться в широких пределах в зависимости от необходимого количества подводимой энергии. Наиболее распространенными электроприборами являются электроплитки: Рабочей частью плит и переносных электроплиток являются конфорки, которые могут быть двух типов исполнения: закрытого и защищенного. В выпускаемых плитках устанавливают чугунные конфорки со спиралью, запрессованной вместе с изоляцией в канавки чугунного диска снизу; со спиралью в керамических бусах, прикрытой сверху чугунным диском (плитки высокой теплоемкости); со спиралью, уложенной в канавки керамического основания и прикрытой сверху стальным листом; со спиралью, уложенной вместе с изоляцией в стальной кольцеобразный корпус (штампованная конфорка), и конфорки из ТЭНов. Большинство электроплит и плиток, выпускаемых за рубежом, имеют два типа конфорок: чугунные облегченные (европейские страны) и ТЭНы (США). Основными параметрами конфорок являются их размеры, мощность, температура нагрева, к.п.д., а показателями эксплуатационных свойств — время разогрева до рабочего состояния, расход электроэнергии, время приготовления пищи, гарантийная наработка на отказ. Грили представляют собой жарочные шкафы с инфракрасным нагревом. Инфракрасный излучатель (ТЭН или вольфрамовая спираль в трубке из кварцевого стекла) размещает под сводом. Через боковые стенки шкафа пропускают приспособления для крепления приготовляемых продуктов: вертела для птицы и сосисок, шампуры для шашлыков, сетки для котлет и т. п. Привод вращающихся приспособлений может быть пружинный или электрический. Скорость вращения 3—4 об./мин. Лучшие модели грилей имеют регуляторы нагрева, передние застекленные дверцы, лампочки подсвечивания, контактные часы для регулирования времени жаренья, верхнюю откидную стенку, под которой размещают поддон для разогрева пищи. Мощность грилей 1,3—1,5 кВт. Чайники: имеют латунные, алюминиевые или пластиковые корпуса цилиндрической или полушаровидной формы. В большинстве выпускаемых чайников нагреватель трубчатый, расположен внутри чайника. Некоторые чайники изготавливают с нагревателями пластинчатого типа в двойном дне. Для лучшей теплопередачи нагреватель прижимают к внутреннему дну с помощью металлического диска и винта. Такие чайники имеют ножки из теплоизоляционного материала. Приборы для глаженья: Глаженье текстильных изделий, основано на способности нитей, волокон получать высокоэластические деформации под воздействием тепла, влаги и давления. Временный эффект глаженья объясняется тем, что высокоэластические деформации являются обратимыми, поскольку с течением времени текстильные волокна, нити возвращаются к первоначальным размерам, форме, т. е. происходит процесс релаксации. К приборам для глаженья относят электроутюги и гладильные машины. Электрические утюги. Ассортимент выпускаемых утюгов характеризуется значительным разнообразием конструкций и технических показателей (мощность, масса, размеры и т.п.). Вследствие этого они имеют разные потребительные свойства. Промышленность выпускает следующие типы утюгов:
— с терморегулятором и стальной либо алюминиевой подошвой;
— с терморегулятором и пароувлажнителем тканей, алюминиевой подошвой
Утюги с терморегулятором — при глаженье тканей на подошве поддерживаются оптимальные температуры. Расход электроэнергии зависит от съема тепла с подошвы. При отсутствии нагрузки средняя потребляемая мощность утюгов с терморегулятором не превышает 135 Вт, при глаженье разных по волокну и влажности тканей колеблется в пределах 500-850 Вт. Такие утюги при нормальной работе терморегулятора безопасны в пожарном отношении, так как максимальная температура на подошве не превышает 260 °С. Для обеспечения быстрого разогрева в них устанавливают нагреватели большой мощности.
Более совершенными являются утюги с терморегулятором и пароувлажнителем. Они бывают двух типов: капельного и бойлерного. У утюгов капельного типа под крышкой или снаружи размещен бачок для воды. В дне бачка имеется отверстие, в которое входит коническая игла штока управления. При подъеме иглы вода каплями стекает в камеру парообразования, а из нее пар выходит через отверстия в подошве утюга, увлажняя ткань. Такие утюги следует заполнять дистиллированной или кипяченой водой. При использовании жесткой воды в коническом отверстии образуется накипь, перекрывающая его.В утюгах бойлерного типа вода испаряется непосредственно в бачке, нагреваясь от утюга или от самостоятельного электронагревателя. В таких утюгах допускается использование жесткой воды 3.Ситуация. При выборе стиральной машины БОШ покупатель заинтересовался дополнительными системами АКВА-СТОП, АКВА-сенсор, АКВА-ШПАР. Задание:
1) дайте характеристику этим системам и укажите принцип их действия;
2) перечислите достоинства и недостатки стиральных машин с данными функциями;
3) какие фирмы используют аналогичные системы.
1.) Аква-стоп это Система безопасности, которая защищает стиральную машину от протечек.
Принцип работы системы безопасности «аква-стоп» |
Конструкция и принцип работы выглядят следующим образом:
Система безопасности «аква-стоп»
1. вентиль безопасности
2. двойной наливной шланг для подачи воды
3. шланг для подтекающей воды
4. поддон для воды
5. микровыключатель
6. поплавок
Клапаны стиральной машины и системы безопасности находятся на стороне подачи воды последовательно друг за другом и одновременно получают сигнал управления. Это обеспечивает высокую надежность и защиту от протечек при неправильном срабатывании одного из клапанов. Специальный предохранительный шланг окутывает шланг для подачи воды как предохранительная оболочка вплоть до внутренностей стиральной машины. Благодаря этому, как только шланг для подачи воды окажется негерметичным или начнет протекать, вода стечет в нижнюю емкость стиральной машины по предохранительному шлангу. Чувствительный поплавок в поддоне для воды уже при малейшем изменении уровня воды начинает подниматься. В результате он включает контакты микровыключателя. Для системы безопасности это означает команду на незамедлительное закрытие клапана. Если из-за какого-либо сбоя подача воды не будет прекращена вовремя, активная защита от перелива включит насос для откачки воды. Это произойдет, как только в стиральной машине будет достигнут определенный (максимально допустимый) уровень воды.
Многократная защита от протекания воды |
Многократная защита от протекания воды установлена на стиральных машинах Bosch даже без системы безопасности «аква-стоп». Она включает в себя следующие защитные системы:
Шланг подачи воды выдерживает семикратное давление воды — 70 бар при требовании нормативом 60 бар.
На случай, если клапан не сработает, для прекращения подачи воды установлена защита от перелива. Она при стирке регистрирует увеличение уровня воды выше предписанного безопасного уровня и незамедлительно включает насос для откачки воды.
Трубопровод внутри стиральных машин абсолютно надежный.
Защита на стоке воды предохранит от случая, когда раствор стирального порошка будет вытекать из машины, если сорвется шланг для слива воды.
Заблокированные электрически отверстия для загрузки белья во время стирки открыть невозможно.
На рисунке показана общая схема подключения стиральных машин Bosch к источнику водоснабжения.
2) Аква-сенсор это система получения абсолютно чистого белья. Иногда это может быть очень важно для потребителей. Сейчас решение этой проблемы — оптический контроль воды при полоскании. Это обеспечивается специальным устройством — AQUA-SENSOR. Факторы, влияющие на прозрачность воды:
ворс от белья;
частицы загрязнений, вымываемые из белья;
компоненты стирального порошка;
частицы, содержащиеся в водопроводной воде;
красящие вещества;
пена, пузырьки воздуха.
Положение AQUA-SENSOR в стиральной машине показано на рисунке.
В процессе полоскания в патрубок, где располагается этот прибор, постоянно подается вода, и AQUA-SENSOR постоянно находится в работе. Оптическим способом измеряются два параметра:
концентрация загрязнений и ворсинок;
замутненность (моющие средства, пена).
В зависимости от полученных значений машина рассчитывает число и продолжительность этапов полоскания, а также количество воды для каждого этапа. Это позволяет потребителю экономить время, электроэнергию и воду.
Сенсор всегда обеспечивает отличный результат полоскания независимо от загрузки белья, вида загрязнений и качества стирального порошка.
AQUA-SENSOR всегда стабильно гарантирует отличный результат, так как после каждой стирки сенсор перенастраивается сам (автокалибровка).
Все функции сенсора могут быть модернизированы; таким образом, стиральная машина с сенсором никогда не устареет.
Прохождение программ с AQUA-SENSOR показано на рисунке.
В зависимости от степени загрязнения белья может быть 2, 3 или 4 цикла полоскания (при сильной замутненности воды добавляется еще один дополнительный этап полоскания, при незначительной замутненности — на 1 этап полоскания меньше).
Продолжительность цикла полоскания также может варьироваться от 2 до 8 минут. Полоскание продолжается до тех пор, пока не будет зарегистрировано никаких оптических изменений.
При обнаружении повышенного пенообразования на этапе полоскания добавляется ровно столько воды, сколько необходимо в данной конкретной ситуации.
AQUA-SENSOR сокращает время стирки и расход воды.
4) Аква-ШПАР
В стиральных машинах Bosch используется система стирки 3D-AquaSpar.
Преимущества:
Трехмерное смачивание белья обеспечивает максимальный эффект отстирывания.
Оригинальная конструкция захватов обеспечивает оптимальный захват белья и его смачивание.
Стиральный барабан с перфорированной задней стенкой обеспечивает постоянное и интенсивное увлажнение белья.
Барабаны стиральных машин Bosch оснащены захватами асимметричной формы. Для каждой программы существует особый режим вращения барабана. Грубые ткани в большой степени подвергаются воздействию крутой стороны захватов,
а деликатные — пологой (щадящий режим).
Таким образом машина точно дозирует воздействие на белье и обеспечивает индивидуальную и бережную стирку разных тканей.Чтобы при всех программах стирки для различных типов тканей достичь оптимального результата, при щадящем режиме варьируются уровень воды, количество закладываемого белья и движения барабана.Чем более восприимчивое белье, тем выше должен быть уровень воды, тем меньше количество белья закладывается в стиральную машину и тем меньше движений делает барабан стиральной машины.Известно, что при забитом барабане только небольшое количество белья имеет необходимую высоту падения и, следовательно, механическое воздействие на белье ограничено. Поэтому в инструкциях по эксплуатации всегда приводятся соотношения между количеством закладываемого белья, его типом и степенью его загрязнения.
Другой важный показатель механического воздействия — коэффициент наполняемости. Коэффициент наполняемости — это отношение количества сухого белья в килограммах к общему объему барабана в литрах.Например, если мы закладываем 5 кг сухого белья в барабан стиральной машины объемом 50 литров, то коэффициент наполняемости — 1:10.
Значение коэффициента наполняемости в зависимости от количества белья и его типа приведено в таблице.
