/
Text
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
И. Ф. КУДРЯВЦЕВ,
В. А. КАРАСЕНКО
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ
Допущено Плавным управле-
нием высшего и среднего сель-
скохозяйственного образования
Министерства сельского хозяй-
ства СССР в качестве учебного
пособия для студентов сель-
скохозяйственных высших учеб-
ных заведений по специально-
стям «Электрификация сель-
ского хозяйства» и «Автома-
тизация сельскохозяйственного
производства»
342,^6
<»злие-'1'м; yr
МОСКВА «КОЛОС» 1975
631.3
К 88
УДК 631.371 : 621.365(075.8)
Доктором технических наук профессором И. Ф. Кудрявце-
вым написана часть вторая книги, кандидатом технических наук
доцентом В. А. Карасенко —• части первая и третья, кандидатом
технических наук доцентом Л. С. Герасимовичем — глава IX.
Рецензенты: доктор технических наук профессор А. М. Басов,
доктор технических наук профессор Ф. Я. Й з а к о в, кандидат тех-
нических наук доцент Е. Н. Живописцев.
Редактор — инженер В. М. Н икитин а.
Кудрявцев И. Ф. и Карасенко В. А.
К 88 Электрический нагрев и электротехнология. М.,
«Колос», 1975.
384 с. с ил. (Учебники и учеб, пособия для высш. с.-х. учеб,
заведений).
Пособие предназначено для студентов очных и заочных факультетов
электрификации сельского хозяйства. В нем изложены теоретические и прак-
тические вопросы применения электроиагрева в сельскохозяйственном произ-
водстве, освещены новые направления развития и совершенствования методов
и средств электроиагрева иа основе последних достижений науки, техники
и передового опыта.
К
40205—154
----------- 244—74
035(01)—75
631.3
© Издательство «Колос», 1975
ВВЕДЕНИЕ
Главное направление дальнейшего развития сельского хозяйст-
ва страны — всемерная интенсификация на основе концентрации и
специализации отраслей, создания крупных агропромышленных
комплексов, внедрения индустриальных методов производства, бо-
лее полного использования достижений науки, техники, передового
опыта.
Решение этой задачи во многом зависит от дальнейшего разви-
тия и углубления электрификации сельского хозяйства. Электриче-
ство в настоящее время — основная энергетическая база животно-
водства, птицеводства, ремонтного производства, стационарных
процессов растениеводства. Уровень электровооруженности труда
определяет рост производительности труда в этих отраслях. Элек-
трификация быта сельского населения играет огромную роль в по-
вышении материального и культурного уровня тружеников села, в
ликвидации различия между городом и деревней.
Электрификация’ сельского хозяйства, которой придавал огром-
ное значение В. И. Ленин, планомерно проводилась с первых лет
Советской власти, но наибольший размах она получила в последнее
десятилетие, после мартовского (1965 г.) Пленума ЦК КПСС. В по-
становлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР, принятом по
решениям Пленума, записано «осуществить мероприятия по всесто-
роннему укреплению материально-технической базы совхозов и кол-
хозов, обратив особое внимание на орошение и мелиорацию земель,
сельскую электрификацию»*. Эти положения были закреплены и
развиты в народнохозяйственных планах и успешно претворяются
в жизнь. Электровооруженность одного работника в сельском хо-
зяйстве ежегодно возрастает на 15—20% и достигает примерно
1850 кВт-ч. Еще более высокими темпами будет развиваться элект-
рификация сельского хозяйства в десятой пятилетке. В постановле-
нии ЦК КПСС и Совета Министров СССР (апрель 1974 г.) «О ме-
рах по дальнейшему развитию сельского хозяйства Нечерноземной
зоны РСФСР» говорится: «Министерство энергетики и электрифи-
кации СССР обязано обеспечить строительство линий электропере-
дач, трансформаторных подстанций и отпуск электроэнергии в ко-
личестве, необходимом для полного удовлетворения* потребности
сельскохозяйственного производства и коммунально-бытовых нужд
сельского населения».
Развитие сельской электрификации характеризуется не только
количественными, но и качественными изменениями.
* Подчеркнуто нами.
I
3
В начальный период, когда электроснабжение села осуществля-
лось. от немногочисленных маломощных сельских электростанций,
электроэнергию использовали в основном для электрического осве-
щения. «Лампочка Ильича» осветила путь к коренным социально-
экономическим преобразованиям в деревне, коллективизации и
машинизации сельскохозяйственного труда.
В дальнейшем по мере укрепления электроэнергетической базы
все более возрастала роль электроэнергии в замене ручного труда
машинным. Электрический привод сельскохозяйственных машин и
агрегатов явился основой, на которой стала возможна комплексная
механизация стационарных процессов всех отраслей сельскохозяй-
ственного производства. На базе электрической энергии развивается
автоматизация большинства процессов сельского хозяйства.
Научно-технический прогресс вызвал к жизни новые области и
виды применения электроэнергии в сельском хозяйстве. Большая
потребность сельскохозяйственного производства, особенно живот-
новодства, в тепловой энергии, превышающая потребность в других
вместе взятых видах энергии, открывает широкие возможности ис-
пользования в тепловых процессах электрического нагре-
, в а. Электронагревательные установки по сравнению с топливными
/ требуют значительно меньше затрат на обслуживание, незаменимы
там, где требуется высокая культура производства и точность под-
держания температуры, быстродействие. В настоящее время в хо-
зяйствах около одной трети, а иногда 50—60% электроэнергии, по-
требляемой на производственные нужды, расходуется в тепловых
процессах. В дальнейшем доля электроэнергии, трансформируемой
в тепло, будет неуклонно возрастать .
Все большее развитие получает электротехнология-— ис-
пользование электричества непосредственно в технологических про-
цессах с целью механического, термического, химического или соб-
ственно электрического воздействия на предмет труда без предва-
рительного преобразования электроэнергии в промежуточных
устройствах: электродвигателях,, нагревателях, излучателях и др.
Электротехнология делает лишь первые шаги в сельском хозяйстве,
но это многообещающая и весьма перспективная область сельско-
хозяйственной электротехники.
«Электрический нагрев и электротехнология» — новый курс, не-
давно введенный на факультетах электрификации сельского хозяй-
ства. Систематизированная литература и учебные пособия по это-
му курсу отсутствуют. Настоящее пособие, написанное в соответ-
ствии с утвержденной программой курса, призвано в известной мере
восполнить этот пробел и помочь студентам факультетов электри-
фикации сельского хозяйства в овладении основами знаний в обла-
сти сельскохозяйственного электроиагрева и электротехнологии.
Книга будет полезна также инженерам, работающим в области
проектирования и эксплуатации сельскохозяйственных электро-
установок.
Часть первая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
Раздел первый
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ
•
Глава I
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
§ 1. Значение, технико-экономические предпосылки и перспективы
применения электронагрева в сельском хозяйстве
Все процессы в сфере материального производства связаны с
потреблением того или иного вида энергии. Чем больше энергии
приходится на одного работающего, то есть чем выше энерговоору-
женность труда, тем больше выработка, выше производительность
труда. Это целиком относится и к сельскохозяйственному производ-
ству. Однако в сельском хозяйстве функция энергии этим не исчер-
пывается. Энергия является важнейшим фактором, способствую-
щим непрерывному повышению продуктивности растениеводства и
животноводства, улучшению качества продукции, удлинению сро-
ков ее сохранности.
Сельскохозяйственное производство неразрывно связано с жи-
выми организмами, жизнедеятельность которых в огромной степени
зависит от условий внешней среды и важнейшего из них — темпера-
туры. Тепловая энергия выступает как мощный фактор воздействия
человека на природу. В одних случаях тепло используется для со-
здания наиболее благоприятных температурных условий для расте-
ний, животных и низших живых организмов, в других — для подав-
ления вредителей и вредных микроорганизмов, вызывающих порчу
продукции, снижение плодородия почвы (в закрытом грунте) и т. д.
Обе эти задачи решаются с использованием как высоких темпера-
тур (нагрев), так и низких (охлаждение) и требуют большого коли-
чества энергии. По данным Всесоюзного научно-исследовательского
института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), в общем
количестве энергии, затрачиваемой на получение сельскохозяйст-
венной продукции, необходимой одному человеку, доля тепловой
энергии составляет до 90%.
Основным потребителем тепловой энергии является животновод-
ство, где потребность в ней значительно превышает потребность-в
других видах энергии и составляет до 90% всего энергопотребления.
Из общей потребности сельского хозяйства страны в различных
видах энергии, оцениваемой в 150—170 млн. т условного топлива
(1200—1400 млрд. кВт-ч), на долю тёпловой энергии приходится
свыше 100 млн. т, то есть около 65%. Следует подчеркнуть, что есте-
ственный рост энергопотребления сопровождается более высокими
по сравнению с другими видами темпами роста потребности в теп-
ловой энергии.
Огромная роль тепловой энергии в современном интенсивном
сельскохозяйственном производстве требует надежного теплоснаб-
жения, которое в ряде отраслей приобретает исключительное значе-
ние. Традиционные способы теплоснабжения, распространенные в
городах, — теплофикация на базе ТЭЦ и районных котельных и га-
зификация в сельских районах — оказываются в большинстве случа-
ев экономически нецелесообразными главным образом из-за низких
плотностей тепловых нагрузок. Тенденции к укрупнению сельских
населенных пунктов, концентрация производства, развитие межкол-
хозных производств и местной промышленности способствуют рас-
ширению централизованного теплоснабжения от котельных. Однако
основная масса сельскохозяйственных потребителей тепла еще дли-
тельное время будет иметь децентрализованное теплоснабжение от
мелких котельных и отдельных топливных установок (котлы низко-
го давления, теплогенераторы на жидком топливе и др.). Недостат-
ками их являются значительная металлоемкость, низкий коэффици-
ент использования топлива, высокая себестоимость единицы тепла.
Снабжение топливом мелких разбросанных установок связано со
значительными издержками на транспорт и экономически оправды-
вается лишь при использовании высококалорийных топлив, которые
приобретают все большую значимость как ценное сыр'ье химической
промышленности. Мелкие топливные установки трудно поддаются
автоматизации, требуют значительных затрат на обслуживание, за-
грязняют фермы отходами и продуктами сгорания.
В связи с этим все большее значение приобретает электрифика-
ция тепловых процессов сельского хозяйства, которая в последние
годы получила значительное развитие как в нашей стране, так и в
ряде зарубежных стран. Большим преимуществом электротепло-
снабжения является то, что от одного энергетического ввода (элек-
трического) можно получить все виды энергии, в которых нуждается
потребитель: механическую, лучистую, тепловую и электрическую.
Такая высшая степень электрификации сельского хозяйства стано-
вится возможной благодаря большим успехам в развитии отечест-
венной электроэнергетики, прогрессу атомной энергетики, сниже-
нию себестоимости электроэнергии. Она является закономерным
следствием непрерывного возрастания роли электрической энергии
во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в сельском хо-
зяйстве.
Электронагревательные установки (ЭНУ) по сравнению с “топ-
ливными обладают существенными преимуществами, к основным из
которых относятся следующие:
6
1) высокие санитарно-гигиенические условия и возможность
проведения процессов на более высоком техническом уровне;
2) высокая точность поддержания температуры и возможность
полной автоматизации процессов с использованием одного и того
же вида энергии как для основного процесса нагрева, так и для ав-
томатизации. Автоматизация, помимо сокращения затрат ручного
труда, уменьшает на 20—25% расход тепла на совершение про-
цессов;
3) возможность получения равномерного и избирательного на-
грева материалов (для некоторкх видов электронагрева);
4) отсутствие необходимости в специальных котельных, трубо-
проводах, бойлерах, складских помещениях для топлива, транспор-
тировке топлива и золы и вследствие этого в большинстве случаев
меньшие капитальные затраты на потребительские электронагре-
вательные установки по сравнению с топливными;
5) меньшая потребность в производственных площадях, возмож-
ность установки в любом месте;
6) постоянная готовность к действию;
7) меньшая пожарная опасность, что особенно важно в услови-
ях сельского хозяйства.
Применение электронагрева поднимает культуру производства
и улучшает условия труда обслуживающего персонала. Отечествен-
ная и зарубежная практика свидетельствует о том, что электрона-
грев в сельском хозяйстве находит все более широкое применение.
Эта тенденция будет все более усиливаться по мере снижения стои-
мости электроэнергии, совершенствования технологии процессов,
повышения уровня производства, укрепления экономики и увеличе-
ния фондовооруженности хозяйств. Однако тепловые процессы
весьма энергоемки и перевод их на электроэнергию требует строгих
технико-экономических обоснований.
Вследствие многократных преобразований энергии коэффици-
ент полезного использования энергоресурсов в электротепловых ус-
тановках ниже, чем в топливных. Необоснованный перевод тепло-
вых процессов на электроэнергию может привести к значительному
перерасходу энергоресурсов и нанести ущерб народному хозяйству.
Применение электронагрева экономически оправдывается, если по-
вышенный расход энергоресурсов компенсируется экономией на
других статьях расходов при существенном улучшении технологии
процессов, увеличении продуктивности животных, снижении затрат
труда и т. п.
Вместе с тем излишняя осторожность с применением электрона-
грева тормозит технический прогресс в сельском хозяйстве, снижа-
ет уровень электровооруженности труда и эффективность электри-
фикации. При существующем тарифе на электроэнергию для сель-
скохозяйственного производства в размере 1 коп/кВт-ч стоимость
единицы электротепла примерно равна стоимости тепловой энер-
гии, полученной от топливных установок на угле, и составляет 3—
3,5 руб/ГДж. В то же время ущерб от каждого недоданного гига-
джоуля тепла, например в животноводстве, оценивается в 12—
18 руб. Таким образом, совершенствование теплоснабжения сель-
скохозяйственного производства, . электрификация тепловых про-
цессов —• огромный резерв повышения продуктивности сельскохо-
зяйственного производства и снижения себестоимости продукции.
В сельскохозяйственном производстве существует ряд процес-
сов, где применение электроиагрева является не только экономиче-
ски выгодным, но и единственно рациональным решением (инку-
бация яиц, местный электрообогрев молодняка животных и птицы,
электросварка и др.). Число таких процессов непрерывно расширя-
ется.
В текущей пятилетке применение электроиагрева в сельском
хозяйстве получает новое значительное развитие. В 1975 г. установ-
ленная мощность сельскохозяйственных ЭНУ составит 18—20 млн.
кВт, а расход электроэнергии на нагрев превысит 12 млрд. кВт-ч,
то есть около 16% всей применяемой электроэнергии. Основные
области применения электроиагрева:
— технологические нужды сельскохозяйственного производст-
ва— 5 млрд.кВт-ч.;
— создание микроклимата в животноводческих и птицеводче-
ских помещениях — 3,5 млрд. кВт-ч;
— обогрев парников и теплиц — 2 млрд.кВт-ч;
— приготовление пищи и горячее водоснабжение в бкту —
1,5 млрд.кВт-ч.
Кроме того, значительное количество электроэнергии будет ис- •
пользовано в термических процессах ремонтных предприятий. Бла-
годаря внедрению электроиагрева за пятилетие будет высвобожде-
но около 100 тыс. человек персонала, занятого на обслуживании
малоэффективных топливных установок.
Использование электроиагрева в сельском хозяйстве имеет свои
особенности и находится только в начальной стадии развития.
Предстоят большие работы по исследованию и разработке новых
рациональных областей и способов использования электроиагрева,
созданию нового, высокоэффективного оборудования. Для этого не-
обходимы глубокие знания физических основ электроиагрева, его
технических и технологических возможностей, способов рациональ-
ного использования.
§ 2. Основы теории электрического нагрева
Поглощение веществом энергии в электромагнитном поле. Элек-
трический нагрев происходит в электромагнитном поле в результа-
те поглощения веществом электромагнитной энергии. Механизм
нагрева грубо можно представить следующим юбразом.
Под воздействием электромагнитнсмго поля элементарные заря-
ды вещества (свободные или связанные) совершают различного
рода движения (перемещения). Характер этих движений определя-
ется электрофизическими свойствами вещества (видом зарядов) и
8
частотой поля. При своем перемещении заряды встречают сопро-
тивление других частиц вещества: нейтральных атомов и молекул
или элементарных зарядов противоположного знака. Сталкиваясь
с ними, движущиеся заряды отдают приобретенный в электромаг-
нитном поле запас кинетической энергии, который расходуется на
увеличение теплового движения частиц, что проявляется в повыше-
нии температуры вещества. Энергия поля, трансформируемая в
тепло, расходуется на преодоление сил вза'имодействия между эле-
ментарными частицами вещества и на сообщение им ускорений.
Носителем энергии является электромагнитное поле, а элементар-
ные заряды — «промежуточные энергоносители», передающие
энергию поля нагреваемому веществу. В основе электрического
нагрева лежат единые законы электродинамики.
Система уравнений электромагнитного поля для любого одно-
родного и изотропного вещества имеет вид
, F7 — , "г- дв
ГО1Я = /; rot£ =-----;
дт
] = а£ + —; D = гаЁ- В Н- (1)
дт
div£=0; div В = О, j
где £ — вектор напряженности электрического поля;
Я—вектор напряженности магнитного поля;
В — вектор магнитной индукции;
D — вектор электрической индукции (смещения);
/ — вектор плотности тока проводимости;
о — удельная электрическая проводимость вещества, См/м;
еа—абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества,
Ф/м;
ра—абсолютная магнитная проницаемость вещества, Г/м.
Электрическая энергия распространяется в пространстве в виде
электромагнитных волн и поступает в нагреваемое тело из окружа-
ющего диэлектрика (воздуха). Падающая на тело электромагнит-
ная волна в общем случае частично поглощается, отражается и
пропускается. Нагрев происходит только за счет поглощенной элек-
тромагнитной энергии, которая втекает в тело в виде потока векто-
ра Пойнтинга через замкнутую поверхность, ограничивающую
этот объем.
В теоретической электротехнике баланс энергии в единицу вре-
мени в объеме нагреваемого тела определяется теоремой Умова —
Пойнтинга, которая для мгновенных значений векторов имеет вид
—ф [ЁН] dS = f о£2 dV + Д- f dV. (2)
S V V
9
Левая часть уравнения представляет собой электромагнитную
Энергию, поступающую в объем тела V через ограждающую его по-
верхность S. Мощность потока электромагнитной энергии опреде-
ляется вектором Пойнтинга
77 = [£Я],
(3)
который представляет собой количество энергии, проходящей в еди-
ницу времени через единичную поверхность, ориентированную пер-
пендикулярно распространению волны. Знак минус свидетельству-
ет о направлении .вектора Пойнтинга внутрь объема (навстречу
элементу поверхности dS, имеющему положительное направление
вне объема). В целом левая часть формулы является величиной
положительной. Первый интеграл правой части формулы (2) пред-
ставляет собой энергию, поглощаемую телом в единицу времени и
превращающуюся в тепло, а второй — энергию, расходуемую на из-
менение в объеме тела электрического и магнитного полей.
Решая систему уравнений относительно векторов Е и Н, харак-
теризующих распространение электромагнитной волны в нагревае-
мой среде и пользуясь затем полученными значениями Е и Н, мож-
но определить мощность поглощенной электромагнитной энергии
в объеме нагреваемого тела по формуле
Ps= -§ndS= -ф [ЁН] dS. (4)
s s
Теорема Умова — Пойнтинга (2), записанная в комплексной
форме, имеет следующий вид:
S = —^'ndS=^E2dV + i2a^+[^L — ^\dV. (5)
S К V '
Вещественная часть правой части представляет собой актив-
ную мощность Р, а мнимая — реактивную мощность Q. Таким об-
разом, полная мощность в объеме нагреваемого тела
P=-jiidS = P-]-i(2. (6)
•S
Уравнения (1—6) количественно описывают электрический на-
грев вещества независимо от его электрофизических свойств и ча-
стоты электромагнитного поля.
Основы электрического нагрева проводников. Все материалы
по их электрическим свойствам разделяются на два больших клас-
са: проводники и изоляторы (диэлектрики). Промежуточное поло-
жение занимают полупроводники.
ю
К проводникам относятся материалы, в которых существуют
в значительном количестве свободные элементарные электрические
заряды (электроны или положительные и отрицательные ионы),
создающие под действием внешнего электромагнитного поля элек-
трический ток проводи-мости.
По природе проводимости различают проводники первого рода
(металлы, их сплавы, уголь, графит) и проводники второго рода
(обычно водные растворы кислот, щелочей, солей, расплавленные
соли, ионизированные газы и пр.).
Проводники первого рода обладают электронной проводимо-
стью. По современным воззрениям, внутри пространственных реше-
ток, образуемых положительными ионами металла, имеется значи-
тельное количество свободных электронов, слабо связанных с
ионами. Эти электроны наиболее удалены от ядер атомов и легко
переходят на внешние орбиты других атомов. В обычных условиях
свободные электроны, участвуя в беспорядочном тепловом движе-
нии, образуют так называемый электронный газ, заполняющий про-
странство между ионами. Под действием внешнего электромагнит-
ного поля свободные электроны приобретают упорядоченное движе-
ние в преимущественном направлении действия сил поля, образуя
электрический ток электронной проводимости.
В электролитах носителями электричества являются положи-
тельные и отрицательные ионы, на которые диссоциируют нейт-
ральные молекулы кислот, щелочей и солей, попадающие в раство-
ритель. Под действием электрического поля ионы движутся к со-
ответствующим электродам, образуя электрический ток ионной
проводимости.
Различная природа электрических токов в проводниках и ди-
электриках обусловливает два принципиально отличных механиз-
ма электрического нагрева.
В металлах свободные электроны, ускоряемые действием сил
электрического поля, приобретают запас кинетической энергии. Ес-
ли бы не было пространственных решеток металла, происходило бы
непрерывное возрастание силы тока, которая пропорциональна
числу электронов, их заряду и скорости движения. Однако ускоре-
ние электронов ограничивается длиной свободного пробега между
двумя столкновениями с положительными ионами металла, распо-
ложенными в узлах кристаллической решетки. При столкновении
электроны отдают ионам избыток запасенной кинетической энергии,
увеличивая их тепловое движение (колебание), что проявляется
в повышении температуры материала.
Аналогичная схема преобразования энергии электрического по-
ля в тепловую наблюдается в электролитах. Под действием поля
положительные и отрицательные ионы, двигаясь с ускорением к
электродам, запасают кинетическую энергию и при соударении
с атомами и молекулами электролита передают им избыток энер-
гии, которая превращается в тепло. В отличие от металлов проте-
кание тока в электролитах сопровождается расходом энергии не
11
только на нагрев, но и на перенос вещества и химические превра-
щения. '
Движение свободных электрических зарядов в металлах и элек-
тролитах сопровождается многократными их столкновениями с
ионами и молекулами материалов и передачей им избытка запасен-
ной энергии. В результате устанавливается некоторая постоянная
скорость зарядов. Осредненная плотность тока проводимости ока-
зывается пропорциональной осредненной напряженности электри-
ческого поля
ГпР = СЁ. (7)
Приведенное выражение представляет собой закон Ома в диф-
ференциальной форме. Токи в проводниках создаются либо путем
непосредственного их включения в электрическую цепь (при низ-
ких частотах), либо индуцированием высокочастотным полем.
В первом случае создаваемые в проводниках токи называются то-
ками проводимости; во втором — вихревыми токами. Природа то-
ков в обоих случаях одинакова — это токи электронной проводимо-
сти, различен лишь характер их протекания и распределения по
объему проводников. Принципиально не отличается в обоих слу-
чаях и природа нагрева проводников. Различие состоит лишь в не-
одинаковом распределении внутренних источников тепла, обуслов-
ленном характером распределения токов.
Покажем на простейшем примере использование интеграла (4)
для вычисления мощности нагрева. Прямолинейный цилиндриче-
ский проводник длиной L и радиусом г нагревается постоянным
током. Для этого случая значение поверхностного интеграла (4)
может быть вычислено непосредственно
Р = — ф [EH]dS=EtHS, (8)
s
где Et—составляющая напряженности электрического поля, на-
правленная по касательной к проводнику;
S— боковая поверхность проводника.
Вычислив входящие в выражение (8) величины
Et = ~ , Н = —— , S = 2nrL
L 2лг
и подставив их значения в выражение (8), получим формулу за-
кона Джоуля — Ленца
Р = 2nrL = PR, (9)
2nrL
определяющего количество тепла, выделяемое в проводнике с то-
ком в единицу времени. Закон Джоуля — Ленца одинаково приме-
ним к постоянному и переменному току. В последнем случае в ка-
12
честве I следует брать действующее значение тока. Для общего
случая нагрева проводников в электрическом поле произвольной
частоты выражения для мощности получаются более сложными.
Рассмотрим их конечные результаты,.
Для общего случая вектор Пойнтинга, определяющий удельную
мощность, поступающую в проводник, является величиной комп-
лексной
П + (10)
Действительная часть вектора
Re/7 = АД = — — Я2 е~2*г (11)
2 о 0
представляет собой активную мощность, падающую на единицу по-
верхности среды. Мнимая часть
Jm77 = AQ = ty (12)
представляет собой реактивную мощность потока на единицу по-
верхности проводника. Плотность тока от поверхности в глубь те-
ла убывает по экспоненциальному закону (рис. 1):
i = /ое-ч (13)
В выражениях (10—13) ,
Но, io — амплитуды напряженности магнитного поля и плотности
тока на поверхности проводника;
z — расстояние от поверхности в глубь тела;
i= к=т.
Величина
га = ^=1/— (14)
k г w|.ioa
носит название глубины проникновения поля (или тока)
в проводящую среду. Она представляет собой расстояние от по-
верхности в глубь тела, на котором амплитуда плотности тока (или
векторы Е и Н) убывает в е=2,718 раза. В этом нетрудно убедить-
ся, подставив в выражение (13) z=za.
Подставив в формулу (14) o) = 2nf, р,а=рщо=ц4л1О-7, а= ,
где [л — относительная магнитная проницаемость материала, Цо —
магнитная постоянная, получим
га = 503 -|Д- . (15)
г н/
13
Рис. 1. Изменение плотности тока от
поверхности в глубь металла при на-
греве в быстропеременном магнитном
поле.
В формулах (14), (15) величины
измеряются в следующих едини-
цах: zo —м, со — с-1, |ta -~ Г/м,
о — См/м.
В слое проводника, равном
глубине проникновения, выделя-
ется основная масса (около 86%)
всей энергии. Явление неравно-
мерности распределения тока по
сечению проводника, вызванное
затуханием электромагнитной
волны, носит название поверх-
ностного эффекта.
Резкое проявление поверхно-
стного эффекта наблюдается
лишь при высоких частотах, на-
пример при высокочастотном индукционном нагреве металлов.
В ферромагнитных материалах при температурах до точки Кю-
ри поверхностный эффект заметно проявляется даже при низких
частотах. Это объясняется высокой магнитной проницаемостью
ферромагнитных материалов, на несколько порядков превышаю-
щей магнитную проницаемость немагнитных материалов. Для про-
водников из немагнитных материалов (например, из сплавов высо-
кого сопротивления типа нихромов) при промышленной частоте по-
верхностный эффект практически неощутим.
Пример. Определить глубину проникновения токов в углеродистую сталь
(р = 0,135-10—6 Ом-м, ц = 200) и нихром (р=1,1-10~6 Ом-м, р=1) при частоте
50 Гц и 10 кГц.
Результаты вычислений по формуле (15) приведены в таблице 1.
Таблица 1
Материал Глубина проникновения za (см)
50 Гц J 10 кГц
Углеродистая сталь 0,19 0,013
Нихром 7,5 о;5з
Основы электрического нагрева диэлектриков. В диэлектриках
электроны и положительные ионы атомных ядер прочно связаны
между собой внутриатомными и внутримолекулярными силами
и свободные электроны практически отсутствуют (в 1015—Ю20 раз
меньше, чем в проводниках).
Связанные заряды не могут перемещаться под действием внеш-
него электрического поля, а только смещаются относительно неко-
торого среднего положения, занимаемого в отсутствие поля. Сме-
14
щение происходит лишь в пределах, допускаемых внутримолеку-
лярными силами. Положительные заряды, входящие в состав
атомов и молекул, смещаются в направлении действия сил поля, а от-
рицательные — в обратном направлении. Смещенные в новые рав-
новесные положения заряды противоположных знаков образуют
электрические диполи. В масштабе всего диэлектрика смещение
связанных зарядов проявляется как эффект поляризации, характе-
ризующийся тем, что электрический момент данного объема веще-
ства не равен нулю.
В зависимости от природы диэлектриков различают электрон-
ную, ионную, дипольную, релаксационную, междуслойную и спон-
танную поляризации, отличающиеся видом электрических диполей
и характером их смещения в электрическом поле.
В постоянном электрическом поле диполи ориентируются в на-
правлении действия сил поля. Эффект поляризации проявляется
в ослаблении в объеме диэлектрика внешнего поля за счет поля
поляризации, созданного связанными зарядами и направленного
навстречу внешнему полю.
В переменном электрическом поле происходит непрерывная пе-
реориентировка диполей с частотой поля. Смещение связанных за-
рядов (диполей) в диэлектрике, происходящее под действием пере-
менного электрического поля, макроскопически проявляется как
ток поляризации, составляющий вместе с током смещения в вакуу-
ме полный ток электрического смещения в диэлектрике. Он опре-
деляется как скорость изменения вектора, электрического смеще-
ния во времени
. _ dD
/см '
дт
При поляризации диэлектрика в переменном электрическом по-
ле смещение связанных зарядов может происходить безынерцион-
но, без трения о соседние элементарные частицы. Это характерно
для электронной и ионной поляризаций, в молекулах с сильными
внутренними связями между зарядами. Возникающие в процессе
поляризации электрические диполи совершают вынужденные ко-
лебания наподобие резонаторов с малым затуханием. Потери в
таких диэлектриках не возникают, так как время установления
поляризации соизмеримо с периодом колебаний для инфракрасного
спектра.
В области более низких (практически применяемых) частот ток
поляризации, как и ток смещения в вакууме, опережает вектор на-
пряженности электрического поля на угол л/2 (рис. 2, а) и нагрев
диэлектрика не происходит. В этом смысле такие диэлектрики на-
зывают идеальными (без потерь).
Дипольная, релаксационная, междуслойная и спонтанная по-
ляризации, сопровождающиеся смещением ионов, перестройкой или
поворотом дипольных молекул, связаны с затратами энергии на
15
Рис. 2. Векторные диаграммы
высокочастотного конденсато-
ра в вакууме (а) и с реальным
диэлектриком (б).
преодоление инерционных сил и
межмолекулярного «трения». Эта
энергия увеличивает тепловое коле-
бание частиц, то есть превращается
в тепло. При поляризации с «трени-
ем» полный _ток смещения отстает
от в'ектора Е на угол, меньший л/2
(рис. 2,6). Угол 6, дополняющий <р
до значения л/2, носит название
угла диэлектрических по-
терь.
Наряду с током смещения в реальных диэлектриках существует
и ток проводимости, хотя и пренебрежимо малый по сравнению
с первым. Ток проводимости (рис. 2, б) учитывает не только конеч-
ную проводимость диэлектрика, но главным образом поглощение
энергии в диэлектрике вследствие молекулярного «трения». Поэто-
му его нельзя считать током проводимости в обычном понимании
' этого слова.
Активную мощность, поглощаемую единицей объема диэлектри-
ка, можно определить из векторной диаграммы (рис. 2, б):
АР = /пр£ = /CMtg6£, (16)
где
tgs = bp. (17)
/см
Нетрудно убедиться на простейшем примере плоского конден-
сатора, что плотность тока смещения (емкостной ток конденсатора)
составляет
/см = ®еяЕ. (18)
Заменяя где f — в МГц, еа=еое=8,85-10-12 е Ф/м, где
ео — электрическая постоянная, и подставляя полученные значения
в выражения (18) и (16), получим формулу удельной мощности ди-
электрического нагрева
АД = 0,555 е tg6/£2, (19)
где Е — измеряется в кВ/см.
Произведение е tg б отражает электрофизические свойства ди-
электрика и носит название фактора потерь. Диэлектриче-
ская проницаемостью и tg6 диэлектрика не являются постоянными
и зависят от температуры вещества и частоты поля.
Таким образом, мощность, поглощаемая диэлектриком в высо-
кочастотном поле, пропорциональна фактору потерь, частоте и
квадрату напряженности поля.
16
§ 3. Способы электрбнагрева и классификация
электронагревательных установок
Электрический нагрев применим в любых технологических про-
цессах; практически не ограничены возможности по интенсивности
нагрева, достигаемым температурам и точности их поддержания.
Однако в зависимости от назначения нагрева, физических свойств
нагреваемых материалов и технологических условий это достига-
ется различными способами электронагрева.
Следует подчеркнуть, что ранее и здесь под термином «электри-
ческий» подразумевался прямой электронагрев, при котором энер-
гия электромагнитного поля преобразуется в тепловую непосред-
ственно в нагреваемых материалах. В отличие от этого при косвен-
ном электронагреве электрическая энергия преобразуется в тепло-
вую в специальных нагревательных, устройствах, а от них тепло
передается нагреваемой среде.
Собственно электрическим может быть назван лишь прямой на-
грев. При косвенном нагреве материал не испытывает воздействия
электричества — здесь лишь используется электрический способ
получения тепла.
Электрический нагрев происходит в электромагнитном поле в
результате поглощения нагреваемым материалом энергии поля.
Способы электронагрева (способы преобразования электричес-
кой энергии в тепловую) различают по следующим основным приз-
накам:
1) виду «греющего» электрического тока или электромагнитной
волны;
2) способу создания (возбуждения) электрического тока или
электромагнитной волны; О ’ Di j f
3) частоте тока или поля. (э
По этим признакам в настоящее время различают следующие
способы электрического нагрева.
1. Электронагрев сопротивлением характеризуется тем, что
электрическая энергия в твердых или жидких проводниках, вклю-
ченных в электрическую цепь, при протекании по ним электричес-
кого тока преобразуется в тепловую. Причиной нагрева является
взаимодействие " носителей электричества (электронов или ионов)
с кристаллическими решетками или атомами и молекулами нагре-
ваемой среды. Различают _п р я м о й электронагрев, когда электри-
ческий ток протекает непосредственно по нагреваемому телу (сре-
де), и косвенны й_нагрев, когда электрическим током нагрева-
ются специальные устройства — электрические нагреватели, а уже
от них тепло путем теплопроводности, конвекции, излучения или
их сочетания передается нагреваемой среде.
Прямой электронагрев применении только к электропроводя-
щим средам (металлы, вода, молоко, почва и т. п.).
2. Душыьац^ЛЁ^^онагррв заключается в том, что электричес-
кая энергия тщрео8раз^ется^'|теп»т^.>й.д;ьГ£мц,Еорн1цей в газовой
2-475 I | - 17
I П Ь л ц J и д S
среде. Аналогично предыдущему различают прямой и косвенный
электродуговой нагрев. В сельскохозяйственном производстве при-
меняется лишь прямой электродуговой нагрев в электросварочных
установках. В промышленности, помимо этого, используются мощ-'
ные электродуговые печи прямого и косвенного нагрева, а также
электродуговые установки плазменного нагрева.
3. Индукционный электронагрев состоит в том, что электрическая
энергия преобразуется в тепло в твердых или жидких проводниках,
помещенных в быстропеременное магнитное поле. Нагрев происхо-
дит под действием наводимых (индуцируемых) в проводнике вихре-
вых токов при пересечении его магнитными сиговыми линиями.
4. Диэлектрический электронагрев характеризуется тем, что
электрическая энергия преобразуется в тепло в твердых и жидких
непроводящих материалах (диэлектриках), помещаемых в.быст-
р_опеременное электрическое поле. Нагрев происходит за счет то;
ков электрического смещения, наводимых в материале.
5. ~Электрон’ный элеюгронаграв состоит в том, что электричес-
кая энергия' преобразуется в тепловую при встрече потока элект-
роднов, ускоренных в электрическом поле, с нагреваемым телом.
Отличием и обязательным условием этого способа нагрева явля-
ется необходимость глубокого вакуума в камере нагрева. Поток
электронов может концентрироваться в виде узкого пучка, который
используется как инструмент для размерной обработки деталей
в электронно-лучевых установках.
Особенность нагрева состоит в высокой концентрации энергии,
составляющей примерно 5-108 кВт/см2, что в тысячи раз выше, чем
при электродуговой нагреве. Принцип электронного нагрева ис-
пользуется в различных по назначению установках промышленно-
сти для получения сплавов особой чистоты из тугоплавких метал-
лов (молибден, ванадий, тантал и др.), сварки очень мелких дета-
лей, размерной обработки деталей, выполнения термопластических
операций и др., а также в научных исследованиях.
6. Световой (лазерный) электронагрев происходит под действием
усиленного индуцированного излучения оптических квантовых ге-
нераторов (лазеров). Излучение представляет собой пучок коге-
рентных лучей оптического диапазона, отличающийся чрезвычайно
малым расхождением, не зависящим от размера излучающего те-
ла. Энергия лучей преобразуется в тепло при встрече с поверхно-
стью нагреваемого тела. При световом нагреве достигается наи-
большая из всех известных способов нагрева концентрация мощ-
ности. Лазеры обычно работают в импульсном режиме. Энергия
светового импульса невелика (до 30 Дж), но благодаря очень ма-
лым диаметрам луча (1—8 мкм) и малой длительности импульса
(миллионные доли секунды) тело успевает нагреться до несколь-
ких тысяч градусов, что достаточно для расплавления и испарения
Самых тугоплавких материалов.
Лазерный луч применяется в промышленности как инструмент
для прошивки очень тонких отверстий, сварки микродеталей, изго-
18
Вид
электрического
тока
или электро
магнитной
Волны
Способ
создания элек-
трического тока
или электро
' магнитной
волны
Частота
тока
или
поля
Класс
нагреваемых
материалов
товления радиосхем и др- Преимуществом его по сравнению с элек-
тронным лучом является работа в воздушной среде, большая кон-
центрация мощности, лучшие условия для обслуживающего персо-
нала (при электронном нагреве может наблюдаться рентгеновское
излучение). Применение лазерного нагрева все'более расширяется
в различных областях науки и техники. Недостатком лазеров яв-
ляется низкий к. и. д„ не превышающий в современных установ-
ках 0,5%.
Иногда к самостоятельным способам электронагрева относят
плазменный ндгрев, который в действительности является косвен-
ным электродуговым или диэлектрическим нагревом. В плазмотро-
нах холодный Газ продувается через зону электродугового разряда
(дуговые плазмотроны) или безэлектродного разряда (высоко-
частотные плазмотроны). В полученной плазменной струе развива-
ется высокая температура, достаточная для плавления и испарения
различных тугоплавких металлов. Плазменная струя используется
для резки и плавки металлов, нанесения металлических покрытий
.и в других высокотемпературных процессах.
Способы электронагрева и основные области его применения
приведены на рисунке 3.
Условимся на дальнейшее о некоторых терминах, принятых
в технике электронагрева.
Электрический нагреватель (электронагреватель) — тепловыде-
ляющий источник, преобразующий электрическую энергию в теп-
ловую. В соответствии со способами электронагрева различают
электронагреватели сопротивления, индукционные (индукторы),
диэлектрические (конденсаторы) и др.
Электронагревательная установка (ЭНУ) — агрегат или обо-
рудование, включающее электрические нагреватели, рабочую ка-
меру и другие элементы,’связанные в единый конструктивный ком-
плекс и предназначенные для совершения определенного техноло-
гического процесса.
Классификация электронагревательных установок облегчает их
изучение и использование, позволяет систематизировать расчетные
методы.
В основу классификации ЭНУ положены следующие признаки.
Способ электрического нагрева. Это основной классификацион-
ный признак, по которому различают следующие основные группы
электронагревательных установок:
1) сопротивления;
2) электродугового нагрева;
3) индукционного нагрева;
4) диэлектрического нагрева;
5) электронного нагрева;
б) лазерного нагрева;
7) смешанного нагрева.
Выбор установок по способу нагрева определяется физически-
ми свойствами нагреваемых материалов, технологией процессов,
20
технико-экономическими и другими соображениями. В установках
смешанного нагрева используются одновременно разные способы
электронагрева.
Принцип нагрева. По этому признаку каждая из основных
классификационных групп подразделяется на установки прямого
и косвенного электронагрева.
Установки прямого электронагрева обычно проще по устрой-
ству и более экономичны, так как удельный расход электроэнер-
гии в них меньше, чем в установках косвенного нагрева. Поэтому
.всегда предпочтительнее применять установку прямого нагрева, ес-
ли нет других препятствий.
Принцип работы. По этому признаку различают установки пе-
риодического действия и непрерывного действия.
В уйановках периодического действия последовательно чере-
дуются операции загрузки нагреваемого материала, нагрева до
конечной температуры и выгрузки. Температура материала в неко-
торый момент времени во всех его точках одинакова и одинаково
изменяется во времени.
В установках непрерывного действия нагреваемый материал
непрерывно проходит через установку и за время движения от
входа до выхода нагревается от начальной температуры до конеч-
ной. Температура материала в разных точках неодинакова и изме-
няется от входа к выходу по закону кривой нагрева.
Установки непрерывного действия являются более прогрессив-
ными. При одной и той же производительности они имеют меньшие
размеры, более высокий к. п. д. и коэффициент использования,
легче автоматизируются.
Род тока и частота. По частоте используемого для нагрева
электрического тока различают установки:
а) постоянного тока;
б) низкой (промышленной) частоты (50 Гц);
в) средней (повышенной) частоты (до 10 кГц);
г) высокой частоты (до 100 МГц);
д) сверхвысокой частоты (свыше 100 МГц).
Способ теплопередачи. Установки косвенного электронагрева
различают по способу передачи тепла от нагревателей к нагревае-
мому материалу. По этому признаку различают такие уста-
новки:
а) контактного нагрева (теплопроводностью);
б) конвективного нагрева;
в) лучистого (инфракрасного) нагрева;
г) смешанного нагрева.
Ниже приводятся примеры некоторых установок преимущест-
венно сельскохозяйственного назначения, относящихся к различ-
ным классификационным категориям.
1. Электронагревательные установки сопротивления: а) пря-
мого электронагрева: электродные водонагреватели, паро-
вые котлы, пастеризаторы, кормозапарники, стерилизаторы почвы,
21
аппараты электроконтактной сварки, установки прямого электро-
нагрева металлических деталей, электродные соляные ванны;
б) косвенного электронагрева: элементные водона-
греватели, калориферы, электрообогреваемые полы, инфракрасные
обогреватели, электрические печи, тигли, ванны, бытовые электро-
приборы и др.
2. Установки электродугового нагрева: а) прямого элек-
тродугового нагрева: электросварочные аппараты и преоб-
разователи, электрометал'лизаторы;
б) косвенного электродугового нагрева: источ-
ники инфракрасного нагрева, дуговые плазмотр'оны.
3. Установки индукционного нагрева: а) промышленной
частоты: индукционные водонагреватели и пастеризаторы, обо-
греватели почвы, насестов и др.;
б) высокой частоты: закалочные и плавильные установки
ремонтных предприятий.
4. Установки диэлектрического нагрева: высокочастотные пасте-
ризаторы и стерилизаторы молока, сливок, фруктовых и ягодных со-
ков, сушилки зерна, фруктов, овощей, высокочастотные плазмотро-
ны для нагрева металлов.
5. Установки электронного нагрева: электронные печи для
плавки металлов, электронно-лучевые установки для сварки и раз-
мерной обработки материалов и др.
6. Установки лазерного нагрева: аппараты для микросварки,
станки для прошивки тонких отверстий в тугоплавких материалах,
обработка алмазов и др.
Установки электронного,' лазерного, а также плазменного нагре-
вов пока не получили производственного применения в сельском
хозяйстве и поэтому в дальнейшем не рассматриваются-
§ 4. Задача и содержание расчета электронагревательных
устройств
Электрические нагреватели и электронагревательные установ-
ки совмещают функции приемников электрического тока и источ-
ников тепла и характеризуются соответствующими электрическими
и тепловыми параметрами, определяемыми расчетом.
Задача расчета состоит в определении оптимальных значений
этих параметров, обеспечивающих наилучшие технологические,
эксплуатационные и экономические показатели.
Различают конструктивный и проверочный расчеты электрона-
гревательных устройств, которые иногда называют соответственно
прямым и обратным расчетами.
При конструктивном расчете исходным является технологичес-
кое задание на нагрев: назначение установки, ее производитель-
ность, температурные режимы нагрева, скорость нагрева и др. За-
дача расчета состоит в определении тепловых и электрических па-
22
раметров, по которым можно было бы изготовить устройство или
выбрать готовое из числа выпускаемых промышленностью.
Проверочный расчет применяется к готовым изделиям, выпу-
скаемым промышленностью. Цель расчета состоит в проверке воз-
можности использования данного устройства в некоторых конкрет-
ных условиях эксплуатации. Необходимость в проверочном расчете
возникает при отсутствии паспортных данных на изделие, а также
если условия использования отличаются от паспортных, при мо-
дернизации и т. п.
Оба эти расчета выполняют по одним и тем же расчетным соот-
ношениям.
Полный расчет электрических нагревателей и установок вклю-
чает тепловой, электрический, механический и гидравлический
расчеты. В данном курсе рассматривается только тепловой и элек-
трический расчеты.
Тепловой расчет установок заключается в определении их
мощности, основных конструктивных размеров, в расчете тепловой
изоляции, определении теплового к. п. д. Эти общие тепловые па-
раметры характерны для всех видов электронагревательных уста-
новок независимо от их назначения, устройства и используемого
способа электронагрева. Они определяются по единой методике,
рассматриваемой в главе II. В тепловом расчете электрических на-
гревателей основная задача заключается в определении их терми-
ческого сопротивления и рабочей температуры или удельной по-
верхностной мощности. Тепловой расчет нагревателей тесно связан
с электрическим расчетом и рассматривается в главах, посвящен-
ных соответствующим способам электрического нагрева.
Электрический расчет состоит в выборе питающего напряже-
ния и частоты тока, в разработке электрической схемы и способа
регулирования мощности, в определении электрического к. п. д. и
коэффициента мощности. При расчете нагревателей задача сводит-
ся к определению их геометрических размеров.
Глава II
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
§ 1. Основы динамики нагрева
Тепловой расчет нагревательных устройств основывается на
совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи
с учетом динамики нагрева.
Процессы нагрева по своей природе являются динамическими,
связанными с изменением теплосодержания нагреваемых материа-
лов и явлениями теплопередачи, которые не могут происходить
мгновенно.
Рассмотрим простейший случай нагрева однородного и изотроп-
ного тела, обладающего бесконечной теплопроводностью.
23
Положим для простоты, что физические параметры тела, кроме
температуры t, в процессе нагрева не изменяются.
Уравнение теплового баланса за элемент времени dx имеет вид
dQ1 = dQ2 + dQ3, (20)
где dQr— количество тепла, подводимого к телу за время dx, Дж;
dQ2— количество тепла, идущее на изменение теплосодержа-
ния тела, Дж;
dQ3— тепло потерь в окружающую среду, Дж.
Составляющие теплового баланса (20) определяются следую-
щим образом:
dQr = Pdx.
Здесь Р — мощность, подводимая к телу, Вт;
dQ2 — Mcdt,
где [М— масса тела, кг;
с—средняя за период нагрева удельная теплоемкость тела,
Дж/(кг.°С);
dt—изменение температуры тела за время dx, °C;
dQ3 = kF (t —10) dx,
где k— коэффициент теплопередачи от нагреваемого тела в окру-
жающую среду, Вт/(м2-°С);
F — поверхность теплопередачи, м2;
t0— температура окружающей среды, °C.
Тогда уравнение (20) предстанет в виде
Pdx = Mcdt -F kF (t — tQ)dx (21)
или
— — -Ft — [to+—=• 0. (22)
kF dx k 0 kF) v ’
Обозначим
. <24
где T — постоянная времени нагрева, с;
ty—установившаяся температура тела ^при -у- = oj.
Тогда (22) можно записать в виде
Т— — iy=0. (25)
24
Рис. 4. Кривые нагрева и охлажде-
ния однородного тела.
Рис. 5. Кривые нагрева при различ-
ной мощности, подводимой к телу
(а), и при различных условиях ох-
лаждения (б).
б
Это дифференциальное уравнение первого порядка, решение ко-
торого
t = + ty (1 — (26)
где /н—температура тела в начальный момент времени при
т = 0, °C.
Зависимость (26) представляет собой уравнение нагрева одно-
родного тела. Графически это экспонента (рис. 4), начинающаяся
с t = при т=0 и при т-^-оо асимптотически приближающаяся
к установившемуся значению ty.
Практически уже при т= (34-4)7 наступает установившийся
режим, при этом /= (0,954-0,98)/у.
Из уравнения (26) нетрудно получить выражение для определе-
ния времени нагрева тела до любой температуры t в промежутке
ОТ /ц ДО /у!
т = 7 In Zy —н- . (27)
/у t
Обозначив через 9н=/н—/о, 0 = ^—/о и 0У = /У—10 начальное, те-
кущее и установившееся превышение температуры тела над тем-
25
пературой окружающей среды, уравнение (26) можно представить
в виде
0 = 0He-v:r4- 0у (1 — е~т/т). (28)
Постоянная времени н а г р е в а Т является важным па-
раметром теплового объекта. Численно она равна отношению теп-
лоемкости тела к его теплоотдающей способности (23) и представ-
ляет собой время, в течение которого тело достигло бы установив-
шейся температуры при адиабатическом нагреве, то есть без
теплоотдачи в окружающую среду. При этих условиях температура
тела изменялась бы во времени по прямой, в чем нетрудно убе-
диться, подставив в выражение (21) значение k=0. На этом осно-
вано графическое определение Т (рис. 4). Нетрудно также убе-
диться, например, из выражения (28), что при х = Т, 0 = 0,6320У.
Постоянная времени не зависит от мощности, подводимой к те-
лу, а только от условий отвода тепла (охлаждения) (рис. 5).
Аналогично можно получить уравнение охлаждения, положив
в формуле (21) Р = 0:
t = ^уе-^г+ t0 (1 — е-^т), (29)
или по аналогии с (28)
0 = 0уе-т/т, (30)
где Т — постоянная времени охлаждения, которая в общем случае
может быть не равна постоянной времени нагрева.
Процессы нагрева сложных реальных объектов описываются
дифференциальными уравнениями более высоких порядков (второ-
го, третьего), которые не всегда решаются простыми способами.
Кривые нагрева реальных объектов отличаются от приведенных
на рисунке 4 в силу тех упрощений, которые были приняты при
выводе уравнения (26). Однако общий принцип динамики нагрева
и характеризующие его параметры остаются неизменными.
Важной характеристикой теплового процесса является скорость
нагрева, которую можно получить, продифференцировав уравне-
ние (26) по т:
., . . , , е~х/Т
— — гУ ~~ ‘н е—т/Т _ ‘ Гн_______ (31)
Л Т Т , 1 '
Как видно из формулы (31) и рисунка 5, при данной мощности,
подводимой к телу, скорость нагрева снижается по мере возраста-
ния температуры тела. Наибольшее значение скорости нагрева со-
ответствует начальному моменту при т = 0:
/d(_\ А —^н_ (32)
\dx А=о Г
При расчете и проектировании установок скорость нагрева
ограничивают во избежание порчи нагреваемых материалов. Это
26
особенно важно в процессах тепловой обработки
сельскохозяйственных продуктов и кормов: суш-
ке зерна, пастеризации молока, запаривании кор-
неклубнеплодов и т. п.
Для исследования динамики нагрева реаль-
ных электротепловых установок и их расчета
проф. Мартыненко И. И. предложил метод элек-
трических схем-аналогов. Сущность метода
заключается в использовании внешней аналогии
между зависимостями, описывающими 'протека-
ние электрических токов в электрических цепях
и тепловых потоков в тепловых объектах.
Перепишем выражение (21) в виде
Рис. 6. Электриче-
ская схема-аналог
для нагрева одно-
родного тела.
р = Ст—+------(33)
dx RT
где Ст = Мс— теплоемкость тела, Дж/°С;
Дт = ----термическое сопротивление тела, °С/Вт.
Структура выражения (33) аналогична зависимости для тока /
в электрической цепи, составленной из параллельно соединенных
емкости С и сопротивления R при включении на источник постоян-
ного напряжения, если вместо Р ввести в формулу 1~Р, вместо Ст
ввести С = СТ, разность температурных потенциалов \t = t—10 за-
менить разностью электрических потенциалов \U, а. термическое
сопротивление тела 7?т — электрическим сопротивлением R.
Для рассмотренного простейшего случая нагрева однородного
тела электрическая схема-аналог приведена на рисунке 6.
Метод аналогии позволяет быстро, с наименьшими затратами
и достаточной точностью исследовать тепловые объекты в различ-
ных условиях их работы, изменяя для этого в необходимых преде-
лах параметры схемы.
§ 2. Определение мощности и основных конструктивных
размеров ЭНУ
Исходные данные для расчета ЭНУ задаются технологическими
условиями и включают следующее: назначение установки, количе-
ство нагреваемого материала А4 (кг) или производительность
G (кг/ч), электро- и теплофизические характеристики материала,
время т (с) или скорость dt/dx (°С/с) цагрева, начальную и ко-
нечную (°C) температуру нагрева, температуру окружающей
среды to и др.
При заданной скорости нагрева потребную мощность установки
определяют из формулы (21) как
Р = Мс — + kF (t —tQ). (34)
27
Если задана мощность, задача сводится к выбору оптимальной
скорости или времени нагрева.
Первое слагаемое правой части равенства (34) представляет
собой полезную мощность, а второе — потери. Полезная мощность
пропорциональна скорости, а потери — температуре нагрева.
Выражение для полезной мощности получим из формулы (34)
и условия, что нагрев происходит без потерь. При этом, согласно
формуле (32), скорость нагрева будет постоянной и равной ско-
рости нагрева в начальный момент времени при т = 0:
di _ __ I 6i
dx Т ~ х ’ ’
где t — конечная температура нагрева;
х — время нагрева до температуры t.
Тогда полезная мощность
Рп0Л = Мс^^. (36)
; Т
Расчетная мощность установок Ерасч определяется из теплового
баланса процесса нагрева для установившегося режима
^расч ^пол ^-^пот»
где Рпол — полезная мощность, кВт;
2РПОт— сумма потерь мощности в окружающую среду, на на-
грев конструкций, в подводящих проводах и т. п.,
кВт.
Определение расчетной мощности сводится к определению со-
ставляющих расходной части теплового баланса. Полезная мощ-
ность не зависит от способа нагрева, типов установок и длитель-
ности нагрева. Поэтому задание производительности и граничных
температур равнозначно заданию теплопроизводительности (мощ-
ности) .
Все тепловые процессы связаны либо с нагревом твердых, жид-
ких или газообразных масс, либо с изменением их агрегатного со-
стояния (плавление, испарение).
Нагрев материалов. Полезная мощность (кВт) определяется
формулой (36)
____ Мср (6 6) М (/‘а 6) (37)
пол _ 3600 т —_3600т ’ 1 '
где Ср—средняя теплоемкость материала, кДж/(кг-°С);
i\, 1г—начальное и конечное теплосодержание материала,
кДж/кг.
Температурные режимы некоторых сельскохозяйственных теп-
ловых процессов приведены ниже.
28
Расчетная конеч-
Тепловые процессы ная температура,
°C
Нагрев воды для технологических нужд...................... 85—90
Получение пара низких параметров .................................. 105
Пастеризация молока:
а) длительная................................................. 65
б) кратковременная............................................. 71
в) высокотемпературная................................ 85—96
Запаривание картофеля ........................................ 98
Подогрев воздуха в электрокалориферах:
а) для отопления животноводческих и птицеводческих
помещений............................................. 30—40
б) для сушки зерна:
семенного............................................. 60—70
продовольственного ................................ 120—140
Обогрев почвы и воздуха в парниках и теплицах............. 18—23
Плавление и испарение материалов. При фазовых превращени-
ях тепло вначале расходуется на нагрев материала до температу-
ры фазового превращения, а затем уже на изменение агрегатного
состояния
р — — *1) Ч~ а] _ М (12— h) zgg\
пол 3600 т 3600 т ’ V 7
где /2— температура плавления (испарения), °C;
а — скрытая теплота фазового превращения, кДж/кг;
i2—конечное теплосодержание материала, включающее и
скрытую теплоту фазового превращения, кДж/кг.
Формулы (37) и (38) справедливы для установок периодиче-
ского действия. Для установок непрерывного действия они име-
ют вид:
р = У2 — — & (‘2 —(i) (39)
лол 3600 3600 ’ ' 7
р = & ^ср + д] — & (40)
пол 3600 3600 ' 1 '
Расчетная мощность, помимо полезной, включает все виды по-
терь. В практических расчетах потери учитываются коэффициен-
том полезного действия
П = т]тт]э,
где Пт—тепловой к. п. д., учитывающий потери в окружающую
среду, на нагрев конструкций и т. п.;
Пэ—электрический к. п. д., учитывающий потери в электри-
ческих элементах установки.
29
Тогда
Рпол Рпол
Г] Т]тТ]э
(41)
Установленная мощность Руст выбирается выше расчетной
Р = k Р — k 'Рпол. (421
1 уст — п'з1 расч
'Пт'Пэ
где k3 — коэффициент запаса, учитывающий необходимость увели-
чения мощности из-за старения нагревателей, возможного сниже-
ния питающего напряжения, увеличения потерь в процессе эксплу-
атации и др. Значение ka принимается в пределах 1,1 —1,3.
Номинальная мощность — это мощность, развиваемая нагрева-
телями при номинальном режиме работы (номинальном напряже-
нии, частоте тока, сопротивлении нагревателей и др.) и указывае-
мая на заводском щитке установки.’
При известном удельном расходе электроэнергии на нагрев
мощность (кВт) можно приближенно определить по формуле
Руст — Ga, (43)
где G— производительность установки, кг/ч, м3/ч и т. и.;
а — удельный расход электроэнергии, кВт-ч/кг, кВт-ч/м3
и т. п. (табл. 2),
или
Руст = GaAt, . (44)
если а отнесено к 1° С, где М — разность между конечной и началь-
ной температурами нагрева. В формулы (43) и (44) к. п. д. не вво-
дится, так как а включает не только полезный расход энергии, но
и потери.
Таблица 2
Процессы Удельный расход электроэнергии
Нагрев воды в водонагревателях-термосах Пастеризация молока (при 71° С) Запаривание картофеля Дрожжевание кормов 1,3 кВт-ч/(м3- СС) 70 кВт-ч/т 120 кВт-ч/т 140 кВт-ч/т
Для отопительных
гичным формулам:
установок мощность определяют по анало-
Руст = APFAHO-1,
Руст = APVM 1 о-3,
(45)
30
где Л/3 — удельные теплопотери помещения, отнесенные к 1 м2
ограждений F или к 1 м3 внутреннего объема V, напри-
мер, потери через остекления русского парника состав-
ляют 4,5—6 Вт/(м2-°С), потери через ограждения жи-
вотноводческих помещений — 0,6—1,4 Вт/(см3-°C)
И т. д.;
Д/— перепад температур внутреннего и наружного возду-
ха, °C.
В ходе теплового расчета предварительно разрабатывается эс-
кизный проект и намечаются основные размеры установки. При
этом руководствуются типом и назначением установки, ее вмести-
мостью, производительностью и т. п.
Форму и внутренние размеры рабочего пространства устанав-
ливают, исходя из условий размещения нагреваемого материала,
нагревателей, приборов контроля и измерения; при этом принима-
ются во внимание соображения механической прочности, удобства
обслуживания. Во всех случаях следует стремиться к тому, чтобы
установка имела минимальную удельную ограждающую поверх-
ность (м2/м3)
F
у ’
где F—суммарная ограждающая поверхность (поверхность теп-
лоотдачи) м2;
V — объем рабочего пространства, м3.
При уменьшении syft снижается расход конструкционных мате-
риалов и уменьшаются потери тепла. Наименьшую удельную
ограждающую поверхность имеют шар (4,8 м-1)> цилиндр (5,5 м-1)
с двумя дйищами при отношении высоты к диаметру, равном еди-
нице, куб (6 м-1). .
При предварительной разработке формы широко используют
имеющийся инженерный и практический опыт по нагревательному
оборудованию аналогичного назначения.
§ 3. Расчет тепловой изоляции
Тепловая изоляция установок снижает потери энергии в окру-
жающую среду и, следовательно, годовые издержки производства.
Расчету тепловой изоляции предшествует ее выбор. Вид изоля-
ции определяется характером установки, температурными режима-
ми, окружающей средой (сухая, влажная), ее температурой, сани-
тарно-гигиеническими условиями.
Изоляция должна обладать достаточной механической прочно-
стью, противостоять высоким температурам, иметь низкую гигро-
скопичность.
Для удовлетворения этим требованиям иногда прибегают к мно-
гослойной изоляции. Слои, прилегающие к зоне высоких темпера-
31
Рис. 7. Зависимость приведенных за-
трат на тепловую изоляцию от ее
толщины.
тур, выполняют из огнестойко-
го материала (огнеупоры, ас-
бест), а затем используют бо-
лее эффективный по теплоизо-
ляционным свойствам матери-
ал (минеральная вата, стекло-'
волокно, дерево и др.).
Особое внимание уделяется
выбору изоляции для устано-
вок в сырых помещениях и при
низких температурах окружа-
ющей среды. В этих условиях
существует опасность насыще-
ния изоляции влагой, вследст-
вие чего теряются теплоизоляционные качества.
После выбора типа тепловой изоляции задача расчета сводится
к определению оптимальной ее толщины. Увеличение толщины
снижает потери энергии, но при этом возрастают расходы на изо-
ляцию (рис. 7).
Следовательно, расчет изоляции является типичной технико-
экономической задачей по определению минимума удельных приве-
денных затрат (гл. XIII). Для рассматриваемого случая они опре-
деляются формулой
3 = Иэ+(ра + Е)Ки,
(46)
где 3 —удельные приведенные затраты, отнесенные к 1 м2 изоля-
ции, руб./(м2-год);
Иэ—стоимость годовых потерь электроэнергии с 1 м2 ограж-
дения, руб./(м2-год);
Кп—капвложения на тепловуй изоляцию 1 м2 ограждения,
руб./м2;
ра— коэффициент отчислений на амортизацию;
Е— нормативный коэффициент эффективности.
С известным приближением можно положить
Ка = S„6„,
где SM — стоимость I м3 изоляционного материала, руб./м3;
6И — толщина слоя изоляции, м.
Стоимость потерь электроэнергии
Иэ = ДРст5э,
где ДРС— мощность потерь в окружающую среду, кВт;
т—годовое число часов использования установки, ч/год;
5Э—стоимость электроэнергии, руб./(кВт-ч).
32
Потери через 1 м2 ограждения
ДРС = ММ О-3, (47)
где k— коэффициент теплопередачи от
нагреваемого материала (зоны
нагрева) к внешней среде,
Вт/(м2-°С);
Д/=(/—/0)—среднегодовая разность темпе-
ратур между нагреваемым мате-
риалом t и окружающей сре-
рой t0.
Рис. 8. К расчету
тепловой изоляции.
Рассмотрим простейший случай огражде-
ния в виде трехслойной плоской стенки, состо-
ящей из наружных металлических слоев и теп-
лоизоляции между ними (рис. 8). Будем полагать, что теплопере-
дача от нагреваемой среды к внутренней стенке ограждения и от
наружной стенки к окружающей среде осуществляется конвекци-
ей. Тогда общий коэффициент теплопередачи
1 Sc 6И 1
— + — + — + —
<*! Хс Хи а2
(48)
где «J, а2— коэффициенты теплоотдачи от нагреваемой среды
к внутренней стенке и от наружной стенки к окру-
жающей среде, Вт/(м2-°С);
бс — суммарная толщина металлических стенок, м;
Хс — коэффициент теплопроводности металлической стен-
ки, Вт/(м-°С);
Хи—коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(м-°С).
С учетом уравнений (47) и (48) выражение (46) получит вид
3 = —Г5э\°~3 ~г - + (49>
_L + ^ + ^ + _L
OCj Xq Xjj
Взяв частную производную----- и приравняв ее к нулю, найдем
дди
из полученного равенства оптимальное значение би'-
Д/тЗэМО-3 /_1_ , 6С . _1_\
(Ра + Е) Sa Хс а2 /
(50)
Подставляя найденное значение 6я.опт в формулу (49), получим
зависимость для миним-альных приведенных затрат:
3miп = 2 Г(Ра + Е)А/т5э5ЛЮ-з - (2_ + $£_ + _LW + Е) S^a.
\Ctj Л-с CCg /
(51)
3—475
33
Полученная по формуле (50) толщина тепловой изоляции мо-
жет оказаться слишком большой, значительно увеличивающей га-
баритные размеры установки. В этом случае уменьшают толщину
6И за счет увеличения приведенных затрат 3.
Следует иметь в виду, что уменьшение теплопотерь не пропор-
ционально увеличению толщины тепловой изоляции. Это объясня-
ется тем, что при увеличении би возрастает теплоотдающая поверх-
ность. Так, для цилиндрических тел теплопотери при увеличении
би даже растут. Уменьшение тепловых потерь наступает при
условии
£д _ 1 < 1п£и , (52)
D 2ХИ D
где D — наружный диаметр установки;
Da— наружный диаметр изоляции;
а2—коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в
окружающую среду.
Исходя из условия (52), изоляция должна иметь коэффициент
теплопроводности
K<^Da. (53)
Рассмотренная задача расчета тепловой изоляции по минималь-
ным приведенным затратам является прямой: рассчитав тепловую
изоляцию, определяют к. п. д. установки, а затем и ее потребную
мощность. Может стоять и обратная задача, когда заданными яв-
ляются мощность и к. п. д. Определив потери и связав их с терми-
ческим сопротивлением ограждения, нетрудно найти необходимую
толщину тепловой изоляции. Термическое сопротивление изоляции
должно быть достаточным для снижения температуры наружной
-стенки до допустимого значения. Проверку ведут по обычным фор-
мулам теплопередачи.
§ 4. Тепловой к. п. д.
Для рассмотренного в § 1 настоящей главы процесса нагрева
однородного тела найдем тепловой к. п. д„ взяв отношение полез-
ной мощности к полной (потребной) из выражения (34). После пре-
образований с учетом формул (31) и (23) получим
Пт = -то--------------• (54)
* *н
Формула (54) дает представление о факторах, определяющих
величину т]т. К. п. д. повышается с увеличением скорости (умень-
шением времени) нагрева, поэтому всегда следует стремиться к ин-
.34
тенсификации процессов нагрева. Однако для этого необходимы
значительные мощности, что не всегда целесообразно.
В установках длительного нагрева для уменьшения теплопотерь
и повышения к. п. д. необходимо применять тепловую изоляцию
(при этом снижается значение коэффициента теплопередачи k).
В быстродействующих установках потери значительно меньше и
теплоизоляция менее эффективна.
Значение т]т возрастает с уменьшением удельной ограждающей
поверхности Зуд, которая пропорциональна отношению
с _ F __ F
ул V G
Установки, имеющие большую вместимость (производитель-
ность), при прочих равных условиях имеют более высокий к. п. д.
С увеличением температуры нагрева t значение т]т снижается,
поэтому не следует завышать рабочую температуру, если это не
вызывается необходимостью.
В практических расчетах т]т определяют из обычной зависи-
мости
у, _ _______Рпоп_______
РПОЛ + ^РС + &Рк
(55)
где ДРС— мощность потерь в окружающую среду, определяемая
по формуле вида (47) с учетом полной поверхности
теплопотерь;
ДРК—мощность потерь на нагрев конструкций, определяе-
мая по формулам вида (37) — (40).
Потери в электрических элементах установки (подводящих про-
водах, нагревательных трансформаторах, преобразователях часто-
ты и др.) учитываются электрическим к. п. д. т]Э, который для каж-
дого элемента или установки в целом определяют методами,
рассматриваемыми в соответствующих курсах по электрооборудо-
ванию.
Ориентировочные значения теплового к. п. д. для некоторых
ЭНУ сельскохозяйственного применения приведены в таблице 3.
Таблица 3
Электронагревательные установки Ориентировочные значения теплового к. п. д. тц.
Электрические водонагреватели-термосы Проточные элементные водонагреватели Электродные водогрейные и паровые котлы Электрические калориферы Электрические печи сопротивления Электросварочные установки Высокочастотные установки Бытовые электроприборы 0,85—0,95’ 0,95—0,98 0,78—0,96 0,85—1,0 0,70—0,90 0,50—0,95 0,80—0,90 0,60—0,80
3!
35
Глава III
ЭЛЕКТРОНАГРЕВ СОПРОТИВЛЕНИЕМ. ПРЯМОЙ НАГРЕВ
§ 1. Способы электронагрева сопротивлением
Электронагрев сопротивлением осуществляется путем включе-
ния проводника (проводящей среды) в электрическую цепь и про-
пускания по нему электрического тока. При неизменной силе тока I
и времени его протекания т количество выделенного в проводнике
тепла, согласно закону Джоуля — Ленца, пропорционально элек-
трическому сопротивлению проводника R:
Q = FRx. (56)
Электронагрев сопротивлением; являясь наиболее простым спо-
собом преобразования электрической энергии в тепловую, удовлет-
воряет требованиям большинства низко- и среднетемпературных
процессов, а также применяется в некоторых высокотемпературных
процессах. Обычно это и наиболее экономичный из электрических
способов нагрева, чем объясняется его значительное распростране-
ние в различных отраслях народного хозяйства.
Прямой электронагрев сопротивлением применяется
только для электропроводящих материалов, косвенный — для про-
водящих и непроводящих. При косвенном нагреве электрический
_док протекает поспециальным" высокоомным сопротивлениям —
электрическим "нагревателям, тепло от которы"х~пёредается нагре-
“вДёмо'и’‘^^дё7_ДДГ122.1_ ~ ....
К’о'сТё'нный электронагрев сопротивлением иногда
называют резисторным (от английского resistance — сопротивле-
ние), а электронагревательные установки — резисторными.
Прямой электронагрев сопротивлением, в свою очередь, под-
разделяется на два способа:
а) прямой нагрев металлических тел, называемый электро-
контактным нагревом;
б) прямой нагрев электропроводящих материалов, обладающих
ионной проводимостью (проводников второго рода), который назы-
вают электродным нагревом.
При выборе способа электронагрева и расчетах электронагрева-
тельных устройств первостепенное значение имеет знание электри-
ческих свойств нагреваемых материалов (при прямом нагреве) или
сплавов для нагревателей (при косвенном нагреве). При нагреве
сопротивлением наибольший интерес представляет электрическое
сопротивление материала и его зависимость от определяющих фак-
торов. Эти вопросы рассматриваются в § 2 настоящей главы при-
менительно к проводникам первого рода, а в § 5 — применительно
к проводникам второго рода.
36
§ 2. Электрическое сопротивление металлических
проводников
Формула (56) справедлива только для частного случая, когда
в процессе нагрева ток I и сопротивление R остаются неизменными.
В общем случае
Q = р2(т)/?(т)б/т,
О
(57)
где /(т) и /?(т) — функции тока и сопротивления от времени.
В действительности / и R являются функциями не времени,
а температуры, и их временная зависимость в (57) справедлива
лишь постольку, поскольку температура является функцией
времени. •
Сопротивление проводника, имеющего неизменное по длине L
сечение s, в простейшем случае определяется формулой
7?==р — , ' ' (58)
S
где р — удельное сопротивление проводника.
Формула (58) применима только для определения омического
сопротивления проводника, то есть сопротивления постоянному то-
ку, и при неизменной температуре проводника.
Удельное сопротивление р зависит от материала проводника, со-
держания примесей, механической и термической обработки, темпе-
ратуры.
У металлов величина р, как правило, растет с повышением тем-
пературы и для любой температуры t определяется формулой
р, = р20(1 4-а0 + ₽62+ 703+...), (59)
где р20 — удельное сопротивление проводника при 20° С;
ос, р, у—постоянные коэффициенты;
9—превышение температуры проводника над 20°С,
Q = t — 20.
В практических расчетах ограничиваются первыми двумя чле-
нами ряда (59) г
Рс = Рго (1 + «9). (60)
Температурный коэффициент сопротивления а имеет размер-
ность °C-1 и является одной из важных физических характеристик
проводниковых материалов.
37
Активное сопротивление металлических проводников перемен-
ному току больше омического вследствие поверхностного эффекта
и определяется как
^пР 7- (61)
Где£п= — —коэффициент поверхностного эффекта.
Поверхностный эффект проявляется в убывании плотности тока
от поверхности в глубь проводника вследствие затухания падаю-
щей на проводник электромагнитной волны (§ 2, гл. I). Коэффици-
ент kn представляет собой сложную функцию физических свойств
материала, размеров проводника и частоты тока.
Точные зависимости для £п приводятся в курсах теоретической
электротехники. В приближенных расчетах значение kn можно опре-
делить из следующих выражений [*]:
kn = 1 + — при а < 1,
3
= а + приа>1,
4 64а
(62)
(63)
где а—---------безразмерный параметр;
4za
d — диаметр цилиндрического проводника, мм;
za—глубина проникновения тока в металл, определяе-
мая по формулам (14) и (15), м.
Поверхностный эффект заметно проявляется лишь при высоких
частотах. На промышленной частоте его влияние на немагнитные
материалы незначительно и им пренебрегают, принимая kn— 1.
У ферромагнитных материалов, обладающих высокой магнитной
проницаемостью, глубина проникновения токов гораздо меньше, чем
у немагнитных (§ 2, гл. I). Вследствие этого у ферромагнитных ма-
териалов поверхностный эффект заметно проявляется даже при
промышленной частоте. Это
Рис. 9. Зависимость для
углеродистых сталей. (
значительно усложняет рас-
чет стальных (железных)
нагревателей и установок
электроконтактного нагрева
стальных деталей.
Магнитная проницае-
мость ц ферромагнитных
материалов является функ-
цией напряженности магнит-
ного поля И и температуры.
С возрастанием Н от нуля
величина ц вначале также
растет, а затем, достигнув
38
критического значения, уменьшается (рис. 9). При больших напря-
женностях магнитного поля, наблюдающихся в электронагревате-
лях, значение р, сравнительно невелико и мало влияет на измене-
ние сопротивления нагревателей.
При повышении температуры значение ц снижается сравнитель-
но медленно, но при достижении точки Кюри (для чистого железа
/К=786°С, углеродистой стали — 721° С) сразу падает до единицы.
При этом интенсивность теплового движения молекул оказывается
достаточной для разрушения намагниченности тела и ферромагне-
тик теряет свои магнитные свойства.
Пример 1. Определить коэффициент поверхностного эффекта для проволок
диаметром </=3 мм из нихрома (р = 1 • 10~4 Ом-см, ц=1) и углеродистой стали
(р = 1-10~5 Ом-см) при частоте / = 50 Гц и токах нагрузки Л = 10 А и /2 = 30А.
Примем для простоты, что
неизменной.
Напряженность магнитного
быть вычислена по формуле
Н =
температура проволок в обоих случаях остается
поля на поверхности стальной проволоки может
I
nd
10
—— ----~ = 10,6 А/см,
чему соответствует р1 = 1300 (рис. 9);
30
#2 = 3 14 0 3 = 31,8 А/см, р, = 600.
Глубину проникновения токов вычисляем по формуле (15) для стали при то-
ке 10 А:
р
га = 5030 —; = 5030
И/
1 • 10~5
_ = 0,062 см
1300-50
для стали при токе 30 А
/1 • 10~5
-----------= 0,091 см,
600-50
для нихрома
, / 1-10—4
га = 5030 1 / ] 5о =7,1 см.
Параметр а для стали при 10 А
d 0,3
°* ~4га~ 4-0,062 = 1’21,
при 30 А
0,3
а2 =-------- = 0,825,
2 4-0,091 ’ ’
39
для нихрома
0,3
а = —— = 0,0106.
4-7,1
Коэффициенты поверхностного эффекта для стальной проволоки при /1 = 10 А
по формуле (63)
1 3
= а + . + R. = 1 >21 + 0,25 ф
4 64а
—-— « 1,5.
64-1,21
То же, при /2=30 А по формуле (62)
а4 (0,825)4
йп=1+— = =1-15’
О о
Для нихромовой проволоки по формуле (61)
(0,0106)4 , о
kn = 1 + 3 = 1 + 0,3-10-8.
Как видно, поверхностный эффект при частоте 50 Гц заметно проявляется
лишь у ферромагнитных проводников и тем больше, чем меньше плотность тока.
§ 3. Основы электроконтактного нагрева
0 ^ЗВОВ *
Основные области применения электроконтактного нагрева сле-
дующие:
1) прямой нагрев металлических деталей (заготовок) неслож-
ной формы (валов, осей, труб, лент и т. п.) при их термической и ме-
ханической обработке;
2) контактная сварка;
3) наплавка при восстановлении изношенных металлических
деталей;
4) прогрев трубопроводов с целью размораживания, предотвра-
щения замерзания, подогрева циркулирующей жидкости и др.
Электроконтактный нагрев деталей. Принцип нагрева поясня-
ется рисунком ДО. Деталь, включенная в электрическую цепь, на-
гревается протекающим по ней то-
ком и является потребителем элек-
троэнергии. Так как сопротивление
детали мало, то, согласно уравне-
нию (56), для нагрева необходим
большой ток, который подводится к
ней при помощи массивных медных
зажимов 4.
Нагрев может происходить под
действием постоянного и переменно-
го тока, однако практически приме-
няется только переменный ток, так
как необходимые для нагрева токи
в сотни и тысячи ампер при напря-
жении от десятых долей вольта до
Рис. 10. Принципиальная схе-
ма электроконтактного нагрева:
/ — заготовка; 2 — нагревательный
трансформатор; 3 — подводящие
шины; 4 — контактные зажимы.
40
12—24 В могут быть наиболее просто получены лишь при помощи
трансформаторов переменного тока. Трудность подвода тока к де-
тали является одним из существующих недостатков контактного на-
грева. Зажимы 4 должны иметь хороший контакт с деталью. Прак-
тически их касание происходит в нескольких точках, и сопротивле-
ние контактного перехода велико — часто соизмеримо с сопротив-
лением самой заготовки. Элементы вторичной цепи (вторичная
обмотка трансформатора, подводящие шины, сопротивления в пе-
реходных контактах) включаются последовательно с заготовкой, и
в каждом из них выделяется тепло, пропорциональное сопротивле-
нию соответствующего элемента. Сопротивление этих элементов
следует всячески уменьшать. Для этого трансформатор располага-
ют как можно ближе к заготовке, уменьшают переходные сопротив-
ления в контактах и т. д. Особую трудность представляет обеспече-
ние малых переходных сопротивлений контактных зажимов. Вслед-
ствие больших токов во вторичной цепи даже очень малое сопро-
тивление в переходах приводит к значительному выделению тепла
в концах заготовок и, следовательно, к неравномерному распреде-
лению температуры по ее длине. Например, при сопротивлении в
контактах, равном 0,01 Ом, и силе тока 103 А в них выделяется теп-
ло, эквивалентное 10 кВт мощности.
Для снижения переходного сопротивления необходимо усилить
давление в контактах. В промышленных установках для этого при-
меняют пневматические и гидравлические приводы, а для снижения
температуры в контактах их делают водоохлаждаемыми.
В заготовках, особенно из ферромагнитных материалов, вслед-
ствие поверхностного эффекта ток по сечению распределяется не-
равномерно, следовательно, неравномерно распределяется и темпе-
ратура. Однако к концу нагрева температура по сечению заготовки
не только выравнивается, но и часто в центре становится больше,
чем на поверхности. Выравнивание происходит как вследствие вы-
сокой теплопроводности металлов, так и за счет теплоотдачи от
наружной поверхности.
Полезную мощность, расходуемую на нагрев, определяют по
формуле (37).
Расчетная активная мощность трансформатора
л ~лол _ ~пол
*расч — —
П ПтПэПтр
(64)
где цт — тепловой к. п. д. установки;
цэ — электрический к. п. д.;
Лтр— к. п. д. трансформатора, принимаемый равным 0,94.
Мощность, подсчитанная по формуле (64), является средней за
период нагрева, так как удельная теплоемкость с и к. п. д. г| зави-
сят от температуры и, следовательно, в процессе нагрева изменяют-
ся. При нагреве стальных заготовок мощность к концу нагрева воз-
растает в 1,3—1,4 раза.
41
Скорость нагрева зависит от подводимого к изделию напряже-
ния. Изменяя напряжение, можно создавать любую интенсив-
ность нагрева и соответствующие температурные режимы. Однако
существуют технические и технологические факторы, ограничиваю-
щие скорость нагрева; такие, как трудность подвода к заготовке
больших токов, неравномерное распределение температуры по се-
чению заготовки и др.
Продолжительность нагрева зависит от диаметра заготовок и
допустимого температурного перепада между поверхностными и
внутренними слоями. Для стальных заготовок цилиндрической фор-
мы продолжительность нагрева определяют по формуле
т = ^С(/2-/1), (65)
ДР
где ДЛ4— масса заготовки длиной в 1 м, кг/м;
АР— средняя интенсивность подвода энергии на единицу дли-
ны нагреваемой части заготовки, кВт/м. По опытным
данным [20] АР = 1604-250 кВт/м.
Чем больше диаметр заготовки, тем большую мощность можно
к ней подводить, тем выше скорость нагрева.
Установки электроконтактного нагрева выполняют без тепло-
вой изоляции, так как скорость нагрева у них высока и теплопоте-
ри в окружающую среду не играют существенной роли.
Тепловой к. п. д. г|т учитывает в основном потери на нагрев кон-
струкций и зависит от формы тела и продолжительности нагрева.
Для тел цилиндрической формы т^-г приближенно определяют по
эмпирической формуле
лт=-----—!-------п-, (66)
1+тГ+т)
где т— продолжительность нагрева, с;
d, Z—диаметр и длина нагреваемой зоны заготовки, см.
По опытным данным значение г|т находится в пределах 0,70—
0,95. Большие значения соответствуют большим диаметрам загото-
вок и большей скорости нагрева.
Электрический к. п. д. учитывает потери в токоподводящих эле-
ментах и определяется по формуле
1
Лэ =----
1 nd
+ 4pZ
где р—удельное сопротивление заготовки;
7?!—электрическое сопротивление токоподводящих шин и кон-
тактов.
42
Основные преимущества электроконтактного "нагрева заключа-
ются в следующем:
1) этот способ более универсален, чем, например, индукцион-
ный, где при нагреве разных деталей каждый раз приходится ме-
нять индуктор;
2) большая скорость нагрева (10—40°С/с), что позволяет по-
лучать более качественную по сравнению с нагревом в печах струк-
туру металла;
3) значительно меньшее (в 9—10 раз) окисление и угар метал-
ла по сравнению с печами сопротивления;
4) высокая технологическая культура и санитарные условия
работы.
К недостаткам электроконтактного нагрева относятся:
1) возможность нагрева только деталей простой формы;
2) необходимость в специальных нагревательных трансформа-
торах на большие вторичные токи;
3) необходимость каждый раз зажимать детали, поэтому кон-
тактный нагрев более целесообразен для мелкосерийного произ-
водства.
Электроконтактная сварка применяется для неразъемного со-
единения металлических деталей путем прямого электронагрева
мест соприкосновения до пластического состояния и механического
сдавливания (осадки). Переходное сопротивление в месте соприкос-
новения значительно превосходит сопротивление самих деталей. По-
этому сами детали непосредственно от тока нагреваются очень
мало, тогда как в стыках выделяется большое количество
энергии. ‘
Существует три разновидности контактной сварки (рис. 11):
стыковая, точечная и роликовая (шовная).
Количество тепла, выделяемое в месте сварки, определяют по
формуле (56).
Q=FRKx,
где /— сварочный ток, А;
RK— активное сопротивление контакта, Ом;
т — продолжительность нагрева, с.
Рис. И. Разновидности электроконтактной сварки:
в —стыковая; б — точечная; в —шовная (роликовая).
43
Рис. 12. Принципиальная схема уста-
новки электроконтактной наплавки:
/ — прерыватель тока наплавки; 2—транс-
форматор; 3 — вторичный контур; 4— де-
таль; 5 — наплавленный металл; 6 — нагру-
жающие устройства; 7 —контактный ро-
лик; 8 — направляющий ролик; 9—приса-
дочная проволока; 10 — компенсатор.
Активное сопротивление кон-
такта определяется эмпирической
формулой
р __ гк
К (9,8р)«’
где гк— единичное сопротивле-
ние контакта при уси-
лии сжатия, равном
9,8 Н, Ом;
р — усилие сжатия, прило-
женное к контакту, Н.
Значение гк Для контактов «алю-
миний — алюминий» составляет
(1,54-2,5) 10-4 Ом, «железо — же-
лезо»— 35-10-4 Ом.
Показатель степени • п для
обычных условий контактной
сварки плоских поверхностей с
грубой механической обработкой
равен 0,5—0,7.
Электроконтактная наплавка
применяется для восстановления
изношенных металлических де-
талей цилиндрической формы. Принципиальная схема установки
приведена на рисунке 12. Деталь 4 укрепляют на токарном станке
и приводят во вращение с небольшой скоростью. Наплавку ведут
присадочной проволокой 9, которая обвивает деталь и приваривает-
ся к ней электроконтактным способом. Ток к детали и присадочной
проволоке подводится от вторичной обмотки сварочного трансфор-
матора 2 при помощи роликов 7 и 8, которые одновременно созда-
ют необходимое контактное давление между деталью и прово-
локой.
Наплавка проводится импульсами тока силой 5—20 тыс. ампер
и длительностью 0,04—0,08 с. Вторичное напряжение трансформа-
тора 1—7 В.
§ 4. Выбор нагревательных трансформаторов
Трансформаторы установок электроконтактного нагрева обычно
работают в повторно-кратковременном режиме, который характе-
ризуется продолжительностью включения ПВ
ПВ°/о=^- 100, (69)
ТрЧ-Тп
где тр и тп — продолжительность работы и продолжительность
паузы.
44
Если тр и тп не остаются по-
стоянными, то
ПВ% = —100.
Етр + 2тп
Полная мощность транс-
форматора
__ + ^расч __ fe3 Рпол /70)
cos <f> cos фГ| '
где k3 — коэффициент запаса.
Рис. 13. Зависимость к. п. д. и коэф-
фициента мощности установки элек-
троконтактного нагрева от размеров
заготовки.
Значения 1] и cos ср зависят
от отношения l/d.2, где I — дли-
на, d — диаметр заготовки.
Примерные значения ц и coscp
приведены на рисунке 13.
Для повторно-кратковременного режима работы полная расчет-
ная мощность определяется с учетом ПВ
Spac4=S/nB,
(71)
где ПВ — продолжительность включения в относительных еди-
ницах.
Вторичное напряжение трансформатора определяется из следу-
ющего. Подводимая к заготовке мощность
РП0л = С/2
Пт Rt
(72)
где U — напряжение, подводимое к заготовке, В;
Rt— сопротивление заготовки при средней температуре нагре-
ва (Ом), определяемое по формуле (61).
При вычислении р« для стальных заготовок следует учитывать
и третий член ряда (59), так как температурный коэффициент со-
противления а у стали велик и вычисления по формуле (60) при-
водят к значительным погрешностям.
С учетом третьего члена температурная зависимость удельного
сопротивления стали имеет вид
pz = р20(1 +0,0055 е+9-10~6е2). (73>
Из выражения (72) можно найти
U =
Рпол Rt
(74)
45
Так как за время нагрева сопротивление Rt и мощность РПол из-
меняются, то в формуле (74) следует брать средние их значения.
Иногда напряжение, подводимое к заготовке, определяют по эмпи-
рической формуле
U = 7,07 ——
Т] т
(75)
где I— длина нагреваемой части заготовки (расстояние между
контактами), мм;
Л — к. п. д. установки в процентах;
т— время нагрева заготовки, с.
Напряжение холостого хода трансформатора слагается из на-
пряжения на заготовке U в рабочий период и потерь во вторичной
цепи ДС7:
их = и + ДС7. (76)
Значение AU определяют расчетом или берут по опытным дан-
ным [20].
Мощность нагрева регулируют изменением подводимого к за-
готовке напряжения. Для этого первичную (рис. 10), а иногда
и вторичную обмотку разбивают, на секции. Включая секции по
определенной схеме, получают необходимую мощность.
Нагревательные трансформаторы имеют специальное конструк-
тивное выполнение, позволяющее получать большие токи во вторич-
ной цепи при низких напряжениях. Вторичная обмотка обычно со-
стоит из одного пли нескольких массивных витков. В мощных уста-
новках их1 делают водоохлаждаемыми. Обмотки трансформаторов
выполняют с теплостойкой электрической изоляцией. Аналогичны
по устройству трансформаторы для контактной сварки и наплавки.
Вторичное напряжение трансформаторов составляет 1—12 В, а то-
ки-— десятки и сотни тысяч ампер.
Источники контактной сварки и наплавки работают в прерывис-
том режиме. Частота включения сварочных трансформаторов мо-
жет достигать десятков тысяч в час. Поэтому здесь важен над-
лежащий выбор не только силового оборудования, но и аппара-
туры управления, обеспечивающий достаточную надежность работы
установок.
Пример 2. Выбрать трансформатор для электроконтактного нагрева прутков
из углеродистой стали (рго=0,135-10~4 Ом-см) от £i=20°C до Z2=700°C. Дли-
на нагреваемой части прутка Z=0,4 м, диаметр d=30 мм, продолжительность
включения трансформатора ПВ = 0,25, температура окружающей среды /о=2О°С.
Масса нагреваемой части прутка
nd2, 3,14-302-10~4
М = — ID = —------------0,4-10-7,8 = 2,2 кг,
4 4
где £> = 7,8 кг/дм3 — плотность стали.
46
Продолжительность нагрева по формуле (65)
ДЛ4 5,5„
т = ——- с (t2 — ^i) — —0,48-680 = 9 с,
ДР ' 2 17 200
где ДМ=М-у- =2,2-f =5,5 кг/м;
ДР = 200
с= 0,48
Полезная
„1 _ _ ,
0,4 — ....
кВт/м — принимаем по Д. И. Романову [20];
кДж/(кг-°С)—средняя удельная теплоемкость стали.
мощность трансформатора
Mc(t2~ti) 2,2-0,48-680
Рпол =------------ =---------- = 79,6 кВт.
9
Расчетная мощность трансформатора по формуле (70)
1,2-79,6
—------— = 123 кВ-А,
0,82-0,84
__ fe3 Рпол
Т] COS <р
12 для Z/d2 = 40/32 = 4,4, t] = 0,82, cos<p=0,84.
где принято fe3= 1,2. Из рисунка
Для заданного ПВ
8расч = 3 /ПВ = 123 Ко,25 s 62 кВ-А.
Сопротивление заготовки
I
Pi — Pi
S
Удельное сопротивление р< вычислим по формуле (73) для среднего за время
нагрева перепада температур
Л 20 + 700
0 =----------— 20 = 340° С;
2
Р/ = 0,135-10—4 (1 + 0,0055.340+9,0-10~6-3402) = 0,528-10-4 Ом-см.
Коэффициент поверхностного эффекта fen будем определять по формулам
(62) и (63). При высоких плотностях тока, наблюдающихся в нагреваемых телах
из углеродистой стали, можно принимать р,= 100. Глубина проникновения токов
по формуле (15)
, / 0,528-10~4
га = 5030 I/ ----------— = 0,52 см.
° У 100-50
Параметр а из формул (62) — (63)
30-10-3
а =------------= 1,37.
4-0,52-10-2
Коэффициент fen по (63)
3
fen = 1,37 + 0,25 + ———= 1,65.
п 64-1,37
47
Сопретивление прутка
Rt = 1,65-0,528-10~4;^^ = 0,495-10~3 Ом.
Напряжение, которое необходимо
подвести к заготовке,
, /Г79,6-103-0,495-10~3
и-у ------------й----------6’6В-
где принят Т)т = 0,9.
Рабочий ток
79,6-103
I = —--------= 12 100 А.
6,6
Для такого тока можно принять AU—0,lUx, тогда t/x = 7,3 В.
В данном случае может быть принят трансформатор типа ТПТ-1000 Саратов-
ского завода электротермического оборудования мощностью 60 кВ-А со вторич-
ным напряжением 7,5 В.
§ 5. Основы электродного нагрева
Сущность электродного нагрева. Электродный способ применя-
ют для нагрева проводников второго рода: воды, молока, фрукто-
вых и ягодных соков, сочных кормов, почвы, бетона и др. Материал
помещают между электродами и нагревают электрическим током,
протекающим по материалу от электрода к электроду. Как и при
электроконтактном нагреве, здесь происходит прямой нагрев — сам
материал является средой, в которой электрическая энергия преоб-
разуется в тепловую. Электродный нагрев представляет собой
наиболее простой и экономичный способ нагрева материалов, не
требующий ни понижающих трансформаторов, ни специальных на-
гревателей из дорогостоящих сплавов. Электроды выполняют лишь
функцию подвода тока к нагреваемой среде и сами током практи-
чески не нагреваются. Изготовляют электроды из недефицитных
материалов, чаще всего металлов, но они могут быть и неметалли-
ческими ( графитовыми, угольными).
Для электродного нагрева во избежание электролиза использу-
ют только переменный ток.
Наибольшее распространение в сельском хозяйстве получил
электродный нагрев в водогрейных и паровых электрокотлах.
Электропроводность большинства сельскохозяйственных продук-
тов и кормов также обусловливается содержанием воды. Поэтому
в дальнейшем электродный нагрев рассматривается применительно
к нагреву воды.
Электропроводность воды. Вода без примесей практически не
проводит электрический ток. Ее проводимость при 20° С составляет
около 0,3-10~3 Ом-1-см-1 (для сравнения — проводимость меди 0,6-
106 Ом-1 •см-1). Проводимость «обычной» воды обусловлена нали-
чием растворенных солей, кислот и щелочей, молекулы которых в
вЬдс диссоциируют на ионы. Содержание 0,5 мг/кг солей повышает
48
проводимость воды на 1 • 10~6 Ом-1-см-1. При малых концентрациях
зависимость проводимости воды от содержания солей с достаточ-
ной для практики точностью может быть принята линейной в виде
ст = 1,9-10~6х, (77)
где х — солесодержание, мг/кг.
Наиболее химически чиста атмосферная вода. Ее солесодержа-
ние не превышает 50 мг/кг. Подземные воды содержат от 100 мг/кг
до нескольких г/кг солей.
Для разных источников и географических зон электропровод-
ность воды различна (рис. 14) и нередко неодинакова даже в раз-
ных точках одного и того же источника.
На удельное сопротивление воды значительное влияние оказы-
вает ее температура. С возрастанием температуры увеличивается
степень диссоциации молекул солей на ионы ц их подвижность,
вследствие чего проводимость воды возрастает.
Для любой температуры t до начала заметного парообразования
удельная проводимость воды определяется уравнением Шмидба-
уэра
ст, = а2о [ 1 + “ (t — 20)], (78)
где а—температурный ко-
эффициент, пред-
ставляющий собой
тангенс угла нак-
лона прямой про-
водимости к оси
абсцисс (рис. 14);
ст20—удельная проводи-
мость воды источ-
ника при 20° С.
Значение коэффициента
а составляет 0,025—0,035.
Величина, обратная ст,,
представляет собой удель-
ное сопротивление воды
1+ <*(/ —20)’
В литературе нередко
пользуются упрощенной ус-
ловно-расчетной зависимо-
стью для рг, принимая а —
= 0,025,
= 40рм 9)
20 -Н v
где р20— удельное сопро-
тивление воды при
20° С.
Рис. 14. Электропроводность воды из
различных источников в зависимости
от температуры:
/ — водопровод г. Москвы; 2— реки Вол-
га, Днепр; 3—-река Енисей; 4 —водопро-
вод г. Минска; 5 — река Амур; 6—водо-
провод г. Ленинграда; 7 —реки Кольского
полуострова.
4—475
49
Вследствие резко выраженной зависимости удельного сопротив-
ления воды от температуры мощность в процессе нагрева значитель-
но изменяется, что является одним из существенных недостатков
электродного нагрева, приводящим к завышению сечения питаю-
щих проводов и усложняющим расчет установок.
Удельное сопротивление воды подчиняется зависимости (78)
только до наступления заметного парообразования, интенсивность
которого зависит от давления в котле и плотности тока на электро-,
дах. Пар не является проводником тока, и поэтому при парообразо-
вании удельное сопротивление воды возрастает. В расчетах это учи-
тывается коэффициентом р, зависящим от давления и плотности,
Рсм = РвР = Рв«е% (80>
где Рем—удельное сопротивление смеси вода — пар;
рв—удельное сопротивление воды без заметного парообразо-
вания;
а— постоянная, равная для воды 0,925;
k— величина, зависящая от давления в котле. Для сельско-
хозяйственных парообразователей k—1,5;
j— плотность тока на электродах, А/см2;
е—основание натуральных логарифмов.
При нормальном давлении
вается уже при температурах
Концентрация солей NaCt иКагС03,мг/п
Рис. 15. Кривые зависимости
удельного сопротивления воды от
концентрации различных солей
и кратности испарения (п):
/ — соль Na2COs; 2 — соль NaCl; 3—кот-
ловая вода.
влияние парообразования сказы-
выше 75° С.
В паровых котлах значение
коэффициента р достигает 1,5.
После наступления интенсивного
парообразования проводимость
котловой воды зависит от измене-
ния концентрации солей и щело-
чей, которое определяется режи-
мом работы котла. При работе по
замкнутому циклу с возвратом
конденсата концентрация солей
изменяется медленно.
Для поддержания солесодер-
жания на расчетном уровне пе-
риодически (раз в несколько
дней или даже недель) котел
продувают.
При работе с разомкнутым
циклом без возврата конденсата
нарастание концентрации солей
происходит очень быстро й для
нормальной работы требуется
ежедневная продувка котла. Пе-
ред продувкой солесодержание
достигает 2—3 г/кг. Изменение
концентрации солей зависит от
50
кратности испарения п. (рис. 15),
V
где V —испаренный объем воды (при работе без продувок);
v — первоначальный объем котловой воды.
Продувки связаны с потерями тепла. Количество теряемого теп-
ла при одной продувке
Qn = MiK, (81)
где М — количество котловой воды, выбрасываемой при продувке;
гк—теплосодержание котловой воды.
Поэтому, при проектировании электрокотлов следует сопостав-
лять различные варианты их работы: с предварительным умягчени-
ем воды, режимы замкнутого и разомкнутого циклов.
Допустимая плотность тока на электродах. В процессе нагрева
на электродах происходят сложные электрохимические реакции, со-
провождающиеся при определенных условиях образованием вред-
ных веществ и разложением воды на водород и кислород. В смеси
водород и кислород образуют взрывоопасный гремучий газ. Эти яв-
ления возникают при превышении некоторого допустимого значения
плотности тока и неправильном выборе материала электродов.
Для изготовления электродов недопустимо применять алюминий
или оцинкованную сталь. Лучшими материалами для электродов
является титан, нержавеющая сталь и электротехнический графит.
При нагреве воды для технологических нужд можно использовать
обычную (черную) сталь. Для питья такая вода непригодна.
Плотность тока на электродах определяется по максимальному
току I, стекающему с электрода, и его активной поверхности s
/ = -. (82)
s
При использовании обычной стали допустимое значение плот-
ности тока для плоских электродов составляет 0,5 А/см2, для цилин-
дрических—не более 2 А/см2. Для электродов из титана и нержа-
веющей стали величина плотности тока по условиям образования
гремучего газа не ограничивается, но размеры электродов должны
обеспечивать получение необходимой мощности.
Допустимая напряженность электрического поля в межэлект-
родном пространстве не должна превышать пробивной прочности
Дпр нагреваемого материала во избежание его порчи и нарушения
нормальной работы установки. Допустимая напряженность поля
выбирается по условию
<83>
4*
51
Рис. 16. Зависимость допустимых зна^
чений напряженности электрического
поля и плотности тока в межэлек-
тродном пространстве от удельного
сопротивления воды.
Pz—удельное, сопротивление
грева, Ом*см.
Пробивная прочность воды
зависит от многих факторов:
удельного сопротивления, тем-
пературы, давления, скорости
движения (в проточных аппа-
ратах), материала и формы
электродов, расстояния между
электродами.
Расстояние между электро-
дами, определяемое по допус-
тимой напряженности поля,
z = FL-=-~’ <84)
сдоп /доп Р/
где U — напряжение между
электродами, В;
при конечной температуре на-
Зависимость ЕЛ(1Л и /доп от удельного сопротивления воды при-
ведена на рисунке 16. По формуле (84) определяют минимальное
расстояние между электродами. Действительное значение I прини-
мают больше вычисленного по этой формуле, исходя из конструктив-
ных соображений.
При малых расстояниях между электродами трудно обеспечи-
вать равномерность поля и, следовательно, равномерность нагрева
и надежность электродной системы. Завышенное значение I приво-
дит к возрастанию габаритных размеров установки и повышенному
расходу материалов.
В проектной практике для водонагревателей и водогрейных кот-
лов значение ЕЯ0Т1 в зависимости от удельного сопротивления воды
принимают в пределах 125—250 В/см.
Тогда
125,-г 250 ’
(85)
где минимальное значение ЕпОп соответствует удельному сопротив-
лению р2о=С2ООО Ом-см, а максимальное — рго^ 10 000 Ом-см.
§ 6. Электродные нагреватели
Электродный нагреватель представляет собой систему электро-
дов, предназначенных для подвода электрического тока к нагревае-
мому материалу. Если электроды не экранированы и размещены в
52
металлическом сосуде, то стенки сосуда также являются элемента-
ми электродной системы. К основным параметрам нагревателей от-
носятся: число фаз, количество электродов, электрическая схема
соединения, форма, размеры и материал электродов, расстояние
между электродами. Расчет электродных нагревателей состоит в
определении их параметров, обеспечивающих заданные условия на-
грева.
Независимо от схемы соединения сопротивление фазы нагрева-
теля определяется зависимостью
3t72
Яф =~ = Ср, (86)
где. Р—мощность, Вт;
1)л>— напряжение фазы, В;
С — коэффициент, зависящий от параметров электродной сис-
темы нагревателя, см-1;
р—удельное сопротивление нагреваемого материала, Ом-см.
Размеры нагревателя, обеспечивающие необходимое значение
R$, могут быть рассчитаны аналитически, если известны зависимос-
ти, описывающие электрическое поле между электродами, а также
зависимость р от определяющих его факторов (температуры, давле-
ния и др.).
Обычно электрическое поле в зоне нагрева является многомер-
ным и имеет весьма сложную картину. Аналитическое описание по-
лей в сравнительно простом виде возможно лишь для ограниченно-
го числа случаев, когда есть возможность без больших погрешнос-
тей заменить реальные многомерные поля двухмерными плоско-
параллельными полями. В этих случаях третье измерение поля (вы-
сота или длина электродов h) зависит только от мощности и может
быть выделено из коэффициента С
7?ф = Ср = -^ р, (87)
где К—геометрический коэффициент электродного нагрева-
теля.
Коэффициенты К для несложных нагревателей определяются
на основе метода электростатической аналогии. Принцип этого
метода состоит в следующем. Существует формальная аналогия
между создаваемыми данной системой зависимостями, описывающи-
ми электрическое поле в воде и электростатическое поле. В свою
очередь, стационарное электрическое поле можно без заметной
погрешности заменить полем переменного тока промышленной ча-
стоты. Тогда появляется возможность использовать потенциальные
уравнения электростатического поля для определения геометриче-
ского коэффициента К.
Потенциальные уравнения электростатического поля связывают
величины зарядов и потенциалов электродов. Например, для про-
ба
стейшей системы двух коаксиальных цилиндров (2, табл. 4) потен-
циальные уравнения имеют вид
^1 = <2ц<71 <212 <?2,
~ ^22<72» (88)
где Ult U2 и qlt q2—потенциалы и заряды цилиндров;
аП), ai2> <221, а22—собственные и взаимные потенциальные ко-
эффициенты.
В курсах теоретической электротехники показано, что разность
потенциалов между цилиндрами определяется формулой
U = -2- In — ,
2лей d
где h—длина цилиндров;
е — диэлектрическая проницаемость среды.
Из выражения (89) можно определить емкость системы электро-
дов
Р___ g _ 2леА
(90)
Заменяя емкость проводимостью R~\ а диэлектрическую прони-
цаемость удельной проводимостью р~', получим
= — In— Р. (91)
2лЛ d ' '
Откуда геометрический коэффициент электродной системы на-
гревателя
К = ±1п4- (92)
2л d
Аналогично можно получить геометрические коэффициенты и
для некоторых других электродных систем. Более сложные системы
рассчитывают с использованием метода конформных отображений
и других аналитических и графических методов.
Некоторые типы электродных систем, используемые в электро-
котлах, приведены в таблице 4. Там же даются значения геометри-
ческого коэффициента К. Однофазные системы используются толь-
ко в маломощных установках (до 1 кВт). . 1
Расстояние между электродами выбирают по формуле (84),
чтобы максимальная напряженность электрического поля Етах не
превышала допустимое значение Едоп. Чем неравномернее поле,
тем больше приходится брать межэлектродное расстояние I, тем
больше габаритные размеры и расход активных материалов. Прак-
тически у всех электродных систем, перечисленных в таблице 4,
54
Таблица 4
№ пп.
Некоторые типы
электродных систем
нагревателей
Схема
соединения основ-
ная (дополни-
тельная)
Геометрический коэффициент
ТОЯфйр—1
Однофазные
1
3
5
Трехфазные
а Ь с О
I
1 . D
К= — In—
2л d
Д(У)
_ 1
К (п—-1)6
п— число пластин
к
= Л In—
2л । d
За2 (7?2 — а2)3
П г2(/?в —а«)
55
Продолжение
№ пп.
Некоторые типы
электродных систем
нагревателей
Схема
соединения основ-
ная (дополни-
тельная)
Геометрический коэффициент
Л=Яф ftp-1
поле неравномерно, но степень их неравномерности различна. Она
зависит как от формы электродов, так и от расстояния между ними.
В системах с цилиндрическими электродами максимальная напря-
женность поля наблюдается на поверхности электродов на линии,
соединяющей центры электродов.
Плотность тока распределяется в межэлектродном простран-
стве пропорционально напряженности поля, достигая максимума
в точках наибольшей напряженности поля. Наиболее равномерное
поле имеет система 2 (табл. 4) с экранированными электродами.
Минимальная напряженность поля получается при соотношении
/?/г=/=2,71, которое следует принимать в расчетах. Для стержне-
вых систем 5 и 6 принимают г=0,21/?, а=0,51/?.
§ 7. Расчет электродных нагревателей
После выбора типа электродной системы расчет нагревателей
сводится к определению размеров электродов и расстояния между
ними.
Характер работы нагревателей в проточных и непроточных
аппаратах одинаков (различие состоит лишь в том, что в проточных
аппаратах электроды неравномерно загружены по плотности тока),
поэтому расчет их можно вести по единой методике.
Мощность трехфазного нагревателя независимо от схемы соеди-
нения электродов
р==^Ф
Яф
где {7ф— фазное напряжение;
R$—сопротивление одной фазы.
56
Все фазы нагревателя выполняют одинаковыми, поэтому расчет
можно вести на одну фазу или на одну пару электродов. Обозна-
чим мощность, напряжение и сопротивление, отнесенные к одной
паре электродов, соответственно через Р, U и R. Расчет будем ве-
сти применительно к нагреву воды.
Для любой температуры t
Р = u*h <20 + О (93)
* Rt К 40 р20 Д' ’ * '
~f>t
h
где р,— удельное сопротивление воды при температуре t, опре-
деляемое по формуле (79).
Как видно из выражения (93), мощность линейно зависит от
температуры воды t. При начальной t\ и конечной (2 температурах
нагрева мощности будут соответственно
р IFhpo + tJ р 20 +
1 4Ор20* 20 40 ’ (94)
п 672/i (20 /2) р 20 -[- /2
2~ 40рмК 20 40 ’
U2 h
где Р20 =--------мощность при 20° С.
р20 К
Среднее значение мощности за период нагрева
+ (95>
а отношение мощностей
Р2 _ 20 + /ПС\
Рг 20 + // ( ’
Средняя за период нагрева мощность определяется по исход-
ным технологическим данным
р рпол Мс (^2 — Д
* ср >
Пт ТПт
где приняты средние за период нагрева от t\ до t2 значения вели-
чин с И Т]т-
Составим уравнение теплового баланса материала, находяще-
гося между электродами, за элемент времени dx:
Mcdt
Pdx —-----
Пт
(97)
или
U2h (20 4- t) Mcdt
40 p20 К Пт
(98)
57
Сгруппируем в формуле (98) величины, не зависящие от тем-
пературы, и обозначим их через Т. Эта величина представляет со-
бой ни что иное, как постоянную времени нагрева
40 МсКр20
U2hr\T
(99)
Разделяя в формуле (98) переменные с учетом выражения (99)
и интегрируя в пределах изменения t и т
т tl
Т J J 20 + t
о
получим
т = Т1п^. (100)
20 + h '
Формула (100) определяет время нагрева от температуры /1
до t2.
Решая эту формулу относительно t2, получим
/2 = (20 + Z1)eT/T —20. (101)
Учитывая выражение (101), формулу .(96) можно записать так:
Р2 = Р1ех1Т. (102)
Таким образом, мощность с течением времени нагрева возра-
стает по экспоненциальному закону.
Имея в виду уравнение (99), запишем формулу (100)' в следую-
щем виде:
Т = 4° МсК Р20 In . 03)
{/2/л1т 20 -Н1 '
Если время нагрева задано, то можно определить высоту элек-
тродов
Л = 1П . (Ю4)
Р2тт]т 20 + ti ' ’
Для проточных водонагревателей задается производительность
G, тогда
Л = 4OG£^o ln 20TJ2 _ (105)
U2 Т]т 20 4-/1 V ’
Для аппаратов проточного типа
Р — <~'С (^2 ^1)
Пт
•58
или с учетом (105) через параметры электродной системы
IPh (tj—tt)
40/Ср2О In
20 4~ ^2
20 +
(106)
Нетрудно видеть, что величина
Ге71пЙТТ = р'» (107>
в формуле (106) представляет собой среднее за период нагрева от
ti до удельное сопротивление воды, которое может быть получено
путем интегрирования выражения (79).
При расчете паровых котлов следует брать среднее удельное
сопротивление пароводяной смеси с учетом влияния выпаривания
(§6).
В правой части формул (104) и (105) все величины известны,
кроме геометрического коэффициента К, отражающего форму, по-
перечные размеры и размещение электродов. Для определения К
предварительно по конструктивным соображениям задаются шири-
ной b или диаметром d = 2r электродов. Затем находят расстояние
между электродами, руководствуясь рекомендациями, приведенны-
ми в § 6 настоящей главы, по оптимальному значению отношения
R/r (для цилиндрических электродов) и зависимостями (84) и (85).
Если высота электродов h получается слишком большой, то за-
даются новыми значениями ширины или диаметра электродов и
расчет повторяют. В системах 5, 6 (табл. 4) можно перейти от трех
к шести электродам, подсоединяя к каждой фазе параллельно по
два укороченных электрода.
Полученную площадь электродов s проверяют по максимальной
плотности тока
/тах = ^-, (Ю8)
S
где It— рабочий ток, стекающий с электрода при конечной тем-
пературе t;
kn—1,14-1,4— коэффициент, учитывающий неравномерность
плотности тока по поверхности электродов.
Рабочий ток для непроточных аппаратов находят как
г _ Pt Ю3
где Pt—-мощность, приходящаяся на одну электродную пару при
конечной температуре нагрева, кВт;
U—напряжение между электродами, В.
Так как
Pt = — и Rt = ,
Rt h ’
59
T0 /max = , (109)
KftS Kptb V
где b = — —для плоских электродов их ширина, для цилиндриче-
h
ских электродов — длина окружности сечения или дуги окруж-
ности.
Из формулы (109) следует, что для электродных систем с од-
но- и двухмерными полями плотность тока не зависит от мощно-
сти установки и высоты электродов. Последняя определяет толь-
ко значение мощности.
Проверку по максимальной плотности тока ведут по условию
/max '“S' /доп- • (119)
Пример 3. Рассчитать электродный водонагреватель для удовлетворения по-
требности приферменной молочной в горячей воде. Потребная производитель-
ность 0,5 м3/ч при температуре 80° С. Температура воды из водопроводной сети
10° С, удельное сопротивление при 20° С 2000 Ом-см, напряжение питания 380 В.
Принимаем проточный электродный водонагреватель со стержневыми элект-
родами (6, табл. 4). Корпус цилиндрический, изготовленный из трубы с внутрен-
ним диаметром Р=2/? = 120 мм. Радиус стержневых электродов принимаем из
условия г=0,2П? равным 12 мм. Стержни располагаем в вершинах равносто-
роннего треугольника на расстоянии от оси цилиндра а = 30 мм (из условия
а = 0,51Я).
Потребная мощность аппарата
„ Gc^-tJ 0,5-103.4,19-70 „
Р =------------=--------------- = 42 кВт,
3600 г]т 3600-0,97
где т|т = 0,97 — тепловой к. п. д.
Геометрический коэффициент электродной системы (табл. 4)
1 , За2 (А?2 — а2)3 1 , 3-32 (62 —32)э „„„
2л + (/?« —а») 2-3,14 1,22(6’ —3е)
Длина активной части стержней-электродов по формуле (105)
40-0,046-4190-0,322-2000
3802-0,97
In
20 + 80
20+10
= 44,4 см,
где G = —’——- = 0,046 кг/с —производительность водонагревателя на одну
3•3600
фазу.
Принимаем h = 45 см. Проверим параметры электродной системы по допу-
стимой плотности тока
*и{/ 1,2-380 п „„ ,
/max = -------- = -------------------------= 0,23 А/СМ2
/max +р/2лг 40-2000 , „
0,322----——2-3,14-1,2
100
Условие /тах^/доп выполняется (§ 6).
60
Мощность водонагревателя, вычисленная по параметрам электродной «систе-
мы (106) для всех трех фаз,
3-3802-45-0,97-70-Ю~3
Р =------------------------= 41,4 кВт,
40-0,322-2000-1,203
практически совпадает с мощностью, вычисленной по технологическим условиям.
Пример 4. Рассчитать электродный нагреватель для парового электрокотла
производительностью G = 300 кг пара в час при наибольшем давлении 6-Ю5 Па.
Питающее напряжение 380 В. Котел работает по разомкнутому циклу. Началь-
ная температура воды 5° С, удельное сопротивление питательной воды при 20°С
р20= 1000 Ом-см. По проведенным предварительным опытам и анализам солесо-
держание воды перед продувкой составляет 2 г/кг. К. п. д. котла принять рав-
ным 0,95.
Мощность котла
3600т] ’
где i" — энтальпия пара при р = 6-105 Па, кДж/кг;
с—теплосодержание питательной воды, кДж/кг.
По таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара находим
Г=2760 кДж/кг, с = 21,4 кДж/кг.
Плотность пара 0 = 3,6 кг/см3, температура пара ZS = 164,2°C.
300 (2760 — 21,4)
Р =--------------— = 240 кВт.
3600-0,95
Принимаем электродный нагреватель из семи плоских пластин (по типу 3,
табл. 4). Сопротивление воды между пластинами (одного промежутка)
(п—1)О2 6-3802 „
Ri = —----------- =--------- = 3,61 Ом,
РЮ3 240-103
где п — число пластин.
Расстояние между пластинами из стали выбираем по условию
Вдоп = 150 В/см,
, 380
I = — =2,53 см.
150
Принимаем Z=2,6 см.
По конструктивным соображениям принимаем ширину пластины 6 = 17 см.
Проводимость котловой воды в период наибольшей концентрации солей (пе-
ред продувкой) по формуле (77)
0= 1,9-10-6х = 1,9-10“6-2-103 = 3,8-10“3 Ом^-см-1,
или р = 264 Ом-см.
Увеличение удельного сопротивления котловой воды за счет пара учтем коэф-
фициентом Р = 1,5, тогда
рсм = 264-1,5 = 396 Ом-см.
Необходимая высота электродов
, _ ^Рсм 1рСМ
~ 7?! 67?!
2,6-396
--------= 16,4 см.
17-3,61
61
Максимальная плотность тока
k„U 1,2-380 ..... 2
/тах =-------=---------= 0,44 А/см2
Фсм 2,6-396
ниже допустимой для плоских электродов.
Пример 5. Электродная система водонагревателя емкостью 0,4 м3 с экрани-
рованными коаксиальными электродами (4, табл. 4) имеет размеры: диаметр на-
ружного электрода £> = 5,4 см, внутреннего d—2 см; высота электродов й=20см.
Удельное сопротивление воды Р2о=Ю00 Ом-см. К. п. д. водонагревателя 0,9,
питающее напряжение 380/220 В. Определить мощность водонагревателя и тем-
пературу воды через 30 мин после включения. Начальная температура воды 20° С.
Мощность водонагревателя при 20° С
3//110“:! З/Я/гЮ^3
= 7. = 7/
А 20 Ар20
3-2202-20-10~3
------------------= 18,1 кВт.
1 5,4,
------ п — 1000
2-3,14 2
Значение Т по формуле (99)
40Л1сКр20 40-400-4190-0,159-1000
Т =--------—— =----------------------------= 4100 с.
С72/гг]т
2202-20-0,9
Мощность через 30 мин нагрева по формуле (102)
Р2 = Р1ет/г = 18,1-2,711800/4100 = 18,1-1,56 = 28,1 кВт,
температура воды по формуле (101)
/2 = (20 + Н) ех/Т — 20 = 40-1,56 — 20 = 42,4° С.
Средняя мощность за период нагрева от 20 до 42,4° С
т
Рср =— f PieT/rdT = — Р1(ет/7'— О =^ 18,1 (1,56 — 1) = 23 кВт.
р т .) т 1800
о
Средняя мощность по технологическим параметрам
Me — Н)
“ср --
ТТ]т
400-4,19-22,4
1800-0,9
= 23,2 кВт,
что практически не отличается от вычисленной выше.
Электродный нагрев отличается простотой, надежностью, вы-
соким к. п. д., невысокой стоимостью нагревательных устройств.
Однако ему присущи и недостатки, ограничивающие область его
применения. Основные из них следующие:
1) возможность нагрева только электропроводящих материалов;
2) значительное изменение мощности в процессе нагрева
(в установках периодического действия). Так как мощность источ-
ника питания и сечение подводящих проводов выбираются по мак-
симальной нагрузке, то это приводит к завышению потребной мощ-
ности трансформаторов и. перерасходу проводниковых матери-
алов;
62
3) повышенная электроопасность. Потенциал от электродов че-
рез проводящий материал может при определенных условиях вы-
носиться на корпус нагревателя, создавая опасность поражения
людей и животных;
4) при электродном нагреве электрический ток некоторым об-
разом влияет на качество нагреваемого материала (продукта), что
в ряде случаев является нежелательным.
Г л а в а IV
ЭЛЕКТРОНАГРЕВ СОПРОТИВЛЕНИЕМ. КОСВЕННЫЙ НАГРЕВ
§ 1. Электрические нагреватели сопротивления
' Косвенный электронагрев наиболее распространен в низко- и
среднетемпературных процессах, а также в некоторых высокотем-
пературных процессах ремонтного производства и промышлен-
ности. Достоинствами этого способа являются возможность нагре-
ва любых, проводящих и непроводящих, материалов (в области
температур до 1500°С), отсутствие воздействия электрического то-
ка на нагреваемый материал, возможность использования как пе-
ременного, так и постоянного тока.
Электрические нагреватели сопротивления просты по устрой-
ству и по стоимости уступают лишь электродным нагревателям.
Установки косвенного нагрева достаточно безопасны в эксплуата-
ции, что очень важно при отсутствии постоянного обслуживающе-
го персонала. Регулирование мощности нагрева во многих случа-
ях легко достигается простым переключением нагревателей.
К недостаткам косвенного нагрева можно отнести сле-
дующие:
1) дефицитность и сравнительно низкий срок службы нагре-
вателей;
2) затруднительность или зачастую невозможность ремонта на-
гревателей (главным образом трубчатых);
3) более высокий по сравнению с прямым нагревом удельный
расход электроэнергии.
В сельскохозяйственном производстве косвенный электронагрев
наиболее распространен, особенно в сравнительно мелких потре-
бительских установках.
Основным элементом ЭНУ сопротивления является электри-
ческий нагреватель — тепловыделяющий источник, преобразующий
электрическую энергию в тепловую. Нагреватель представляет со-
бой высокоомное сопротивление, оборудованное вспомогательными
устройствами для подвода тока, электроизоляции, защиты от ме-
ханических повреждений, крепления и др. Расчету нагревателей
предшествует выбор питающего напряжения, разработка способа
регулирования мощности и электрической схемы включения.
63
Выбор питающего напряжения. Мощность нагревателя при дан-
ных его размерах пропорциональна квадрату питающего напря-
жения:
Р == = —
Rt Pt L ’
где L, s — длина (м или см) и поперечное сечение (м2 или см2)
нагревателя;
Pt — удельное сопротивление материала нагревателя при ра-
бочей температуре, Ом-м или Ом-см.
Повышение напряжения позволяет снизить расход активных
материалов и, следовательно, стоимость нагревателя. Это нетруд-
но видеть, переписав формулу (111) в виде
Pt
где AU = у—падение напряжения на 1 м активной длины на-
гревателя;
V—sL — объем материала нагревателя.
Однако с повышением напряжения возрастают требования
к электрической изоляции и правилам обслуживания. Поэтому
в каждом случае находят оптимальное значение напряжения, ис-
ходя из мощности, назначения установки, условий эксплуатации.
В сельскохозяйственных установках чаще всего используется се-
тевое напряжение 380/220 В. В помещениях с повышенной опас-
ностью обслуживания (особо сырые помещения, установки с от-
крытыми нагревателями и т. п.) применяется пониженное напря-
жение 12—36 В. Питание установок пониженным напряжением
связано с дополнительными затратами на трансформаторы и за-
метно удорожает нагрев. В сельскохозяйственных ЭНУ использу-
ется, как правило, переменный ток промышленной частоты 50 Гц.
Регулирование мощности и схема включения нагревателей. Из
выражения (111) следует, что мощность (температуру, скорость
нагрева) можно регулировать изменением питающего напряже-
ния V либо сопротивления нагревателей Rt-
Существуют различные способы плавного регулирования
напряжения при помощи индукционных регуляторов, автотрансфор-
маторов, тиристоров, магнитных усилителей и др., которые под-
робно рассматриваются в курсе автоматизации. В настоящее вре-
мя для изменения напряжения в сельскохозяйственных ЭНУ наи-
более широко применяют переключение нагревателей с фазного
напряжения на линейное и обратно. В трехфазных установках это
достигается переключением со «звезды» на «треугольник». Приме-
нение специальных регуляторов связано со значительными затра-
тами и пока встречается лишь в отдельных случаях. Однако ра-
боты в этом направлении ведутся, особенно по использованию ти-
ристорного управления.
64
Наибольшее распространение получило регулирование мот?
ности изменением общего сопротивления установок путем измене'
ния числа включенных нагревателей или схемы включения. Для
этого в каждой фазе предусматривается несколько секций (фазо-
ветвей), которые можно включать последовательно, параллельно,
параллельно-последовательно. В сочетании с переключением со
«звезды» на «треугольник» это позволяет получить широкий диа-
пазон мощностей, удовлетворяющий требованиям большинства
технологических процессов. Нагреватели переключают вручную или
.автоматически, используя рубильники, пакетные переключатели,
автоматы,' магнитные пускатели и др. Следовательно, при опреде-
лении количества нагревателей и электрической схемы их включе-
ния исходят из условий регулирования мощности.
Число секций во всех фазах и их мощность одинаковы, поэтому
расчет ведут только для одной секции (нагревателя).
Типы нагревателей. Конструкции нагревателей отличаются
большим разнообразием, которое объясняется разнообразием ус-
ловий работы, назначения, мощности и других условий. В боль-
шинстве случаев нагреватели выполняют с электрической изоля-
цией и защитными устройствами, поэтому они безопасны в работе
и могут применяться для нагрева любых, в том числе и агрессив-
ных сред. Герметизация нагревательных сопротивлений от воздуха
и нагреваемых сред позволяет значительно удлинить срок службы
сопротивлений и не влиять на сами среды. По исполнению различа-
ют открытые, закрытые и герметические нагреватели.
В открытых нагревателях (рис. 17) нагревательные сопро-
тивления открыты для доступа воздуха или нагреваемой среды.
Такие нагреватели применяются в электрических печах, электро-
брудерах, калориферах, обогревателях почвы в парниках и других
установках, если это допускается технологией нагрева, условиями
безопасности, сроками службы. Открытые нагреватели применя-
ются также в высокотемпературных установках с преимуществен-
но лучистой теплоотдачей (электрические печи ремонтных пред-
приятий). Достоинством таких нагревателей являются простота
устройства, хорошие условия теплоотдачи. Для увеличения меха-
нической прочности проволочные нагреватели размещают на ке-
рамических трубках или стержнях.
В закрытых нагревателях (рис. 18) нагревательные сопро-
тивления размещены в защитном кожухе, предохраняющем их от
механических воздействий и от нагреваемой среды, а в герметиче-
ских— их)т доступа воздуха. В закрытых и герметических нагре-
вателях нагревательные сопротивления изолируются от защитного
кожуха термостойкой электроизоляцией (фарфор, кварцевый пе-
сок, периклаз, термостойкий миканит), которая одновременно слу-
жит для фиксации, а иногда и герметизации нагревательных со-
противлений.
В настоящее время широко распространены унифицированные
герметические трубчатые электронагреватели
5—475
65
Рис. 17. Открытые нагреватели:
а — спиральный; б — ленточный зигзагооб-
разный.
Рис. 18. Закрытый нагреватель в виде
радиационной трубы:
/ — труба; 2 — нагреватель; 3—изоляцион-
ная шайба.
Рис. 19. Трубчатый электронагреватель (ТЭН) герметического ис-
полнения:
/ — нихромовая спираль; 2 —трубка; 3 — наполнитель; 4 — выводная шпилька;
5 — герметизирующая уплотнительная втулка; 6 — гайка для крепления;
7 — выводы.
(ТЭНы) (рис. 19), которые удовлетворяют условиям большинства
тепловых процессов сельскохозяйственного производства. Подроб-
нее они будут рассмотрены в § 7 настоящей главы.
Срок службы нагревателей. Формула (111) удовлетворяется
бесчисленным множеством попарных сочетаний Sj/Li = const. Каж-
дому из них соответствует определенная рабочая температура на-
гревателя, что видно из уравнения теплопередачи
P — k(t — t0)F, (112)
где k—коэффициент теплопередачи от нагревателя с рабочей
температурой t к нагреваемой среде, имеющей темпера-
туру t0, Вт/ (м2-°С);
F—-активная (теплоотдающая) поверхность нагревателя (м2),
равная F = asL (а — коэффициент, равный отношению пе-
риметра сечения нагревателя П к площади сечения
s, м-1)-
При неизменных Р и k изменение F(s и L) ведет к изменению
рабочей температуры нагревателя t, или, что равнозначно, удель-
ной поверхностной мощности Ц7(Вт/м2):
F
Рабочая температура определяет срок службы нагревателя.
Старение нагревателей и выход их из строя происходят в резуль-
тате окисления поверхности и уменьшения их поперечного сече-
ния. Интенсивность окисления возрастает с температурой и при
неблагоприятных условиях окружающей среды. Время, в течение
которого сечение нагревателя уменьшается на 20% от первона-
чального при некоторой неизменной температуре, называют сро-
ком службы. Максимально допустимой температурой для на-
гревателя является такая, начиная с которой резко возрастают
процесс окисления и разрушение его поверхности.
Нагреватель по длине окисляется неравномерно. Наибольшая
степень окисления наблюдается в местах инородных включений,
механических повреждений, микротрещин. Местное увеличение со-
противления приводит к увеличению выделения тепла и повыше-
нию температурь^ что, в свою очередь, способствует дальнейшему
разрушению металла окислением. Местные перегревы могут возни-
кать в местах с ухудшенной теплоотдачей, например в местах креп-
ления. Чем меньше местные нарушения однородности строения,
сечения и условий теплоотдачи, тем выше может быть принята ра-
бочая температура нагревателя, ближе к максимально допустимой.
Разрушение нагревателей окислением значительно усиливает-
ся во влажных и агрессивных средах, например в животноводче-
ских помещениях с высоким содержанием влаги и аммиака. По-
этому в таких случаях следует выбирать герметические нагревате-
ли. Срок службы по окислению при неизменной температуре прямо
5:
67
пропорционален сечению и массивности нагревателя. Поэтому
всегда предпочтительнее выбирать нагреватель большего сечения,
и массивности. Под массивностью понимается отношение площади
сечения проводника к периметру. Наибольшей массивностью обла-
дает сечение в форме круга.
Срок службы нагревателей может быть определен по формуле
т = k'x'd, (ИЗ)
где т'—срок службы нагревателя из проволоки диаметром 1 мм
(рис. 20);
d—диаметр проволоки, мм;
k'—коэффициент, учитывающий форму сечения нагревателя
(для круглой проволоки k' = \, для ленты k'ж 1,75).
Срок службы при прочих равных условиях зависит от числа
включений. С увеличением числа включений ухудшаются условия
работы нагревателя и снижается срок службы. Причиной этого
является различие в коэффициентах линейного расширения основ-
ного материала нагревателя и окисной пленки, в результате чего
появляются микротрещины и местные перегревы. Чем больше чис-
ло включений, тем меньше выбирается допустимая рабочая тем-
пература нагревателя.
Задача расчета нагревателей. При конструктивном рас-
чете исходными данными являются питающее напряжение U, мощ-
ность нагревателя Р, температура нагреваемого материала t0, ус-
Рис. 20. Срок службы нагревателя
из проволоки диаметром 1 мм
в зависимости от его температуры
(в воздухе).
ловия теплопередачи от нагрева-
телей. Задача расчета состоит в
определении активной поверхно-
сти нагревателя F и его геомет-
рических размеров (например,
для проволочных нагревателей
диаметра d и длины L проволо-
ки), обеспечивающих при задан-
ном (выбранном) напряжении U
необходимую мощность Р и до-
статочный срок службы т.
Необходимая мощность будет
получена, если размеры нагрева-
теля будут удовлетворять усло-
вию (111), а достаточный срок
службы — если размеры будут
удовлетворять уравнению (112)
при условии, что рабочая темпе-
ратура нагревателя t не превысит
ДОПУСТИМУЮ /доп, ТО еСТЬ /^/доп-
Следовательно, расчет состоит в
совместном решении уравнений,
68
связывающих размеры нагревателя с его тепловыми и электриче-
скими параметрами и слагается из тепловой и электрической частей.
Проверочный расчет проводят для электрических нагре-
вателей заводского изготовления. Исходными данными являются
активная поверхность нагревателей F, его геометрические раз-
меры, материал нагревателя, температура нагреваемой среды to,
условия теплопередачи.
Задача расчета состоит в определении мощности Р, которую
можно получить в конкретных условиях эксплуатации (характери-
зуемых, например, условиями теплопередачи), и сравнении ее с
необходимой (паспортной) либо в определении рабочей темпера-
туры нагревателя t и сравнении ее с допустимой или желательной.
Как и в первом случае, расчет включает тепловую и электрическую
части и ведется по тем же расчетным зависимостям.
При расчетах следует стремиться к интенсификации процессов
нагрева путем повышения температурных режимов и скоростей
нагрева.
Увеличение рабочей температуры нагревателя позволяет умень-
шить его габаритные размеры или при тех же размерах увеличить
отдаваемую мощность и скорость нагрева. Однако рабочая тем-
пература нагревателя ограничивается жаростойкостью нагрева-
тельного сплава и технологическими условиями нагрева. При пра-
вильном расчете нагреватель выходит из строя не раньше, чем
будут восстановлены сделанные на него затраты.
§ 2. Материалы для электрических нагревателей
Основным и наиболее ответственным элементом электрического
нагревателя является телр нагрева — нагревательное сопротивле-
ние, которому приходится работать в тяжелых температурных ус-
ловиях. Стойкость нагревательного сопротивления определяет срок
службы нагревателя. Даже правильно рассчитанные и эксплуати-
руемые нагреватели имеют срок службы не более 5—10 тыс. часов,
тогда как конструкционные части установок служат 5—10 лет. По-
этому к материалам для нагревательных сопротивлений предъяв-
ляется ряд требований, основные из которых следующие:
1) жаростойкость — устойчивость к окислению при высоких
температурах. Окисление ведет к уменьшению поперечного сече-
ния, увеличению сопротивления и прогрессирующему разрушению;
2) жаропрочность — способность выдерживать механические
нагрузки при высоких температурах. Нагревательные сопротивле-
ния механически не нагружаются, но должны выдерживать собст-
венный вес;
3) большое удельное электрическое сопротивление. Масса ма-
териала, расходуемого на нагревательное сопротивление, опреде-
ляется выражением
М = (114>
69
где D — плотность материала, кг/м3;
j— плотность тока в .нагревателе, А/м2.
Из уравнения (114) видно, что с увеличением р уменьшаются
затраты материалов, а следовательно, габариты и стоимость нагре-
вательных устройств;
4) малый температурный коэффициент сопротивления. Для лю-
бой температуры t удельное сопротивление металлических провод-
ников определяется формулой (60)
Р/ = Рго О + а0)-
Изменение сопротивления происходит вследствие линейного
расширения проводника при нагреве. Температурный коэффициент
сопротивления а является функцией температуры. Для чистых ме-
таллов а имеет довольно большое значение, порядка 0,004° С-1.
Следовательно, при нагреве на 100°С сопротивление нагревателя
вырастет на 40%, а при нагреве на 1000° С — в 5 раз против пер-
воначального. Значительное изменение сопротивления приводит
к перерасходу цветных металлов на токопроводы, затрудняет рас-
чет и поддержание температурных режимов;
5) постоянство электрических свойств (удельного электросо-
противления) ;
6) постоянство размеров. Некоторые сплавы с течением време-
ни «растут», линейные размеры изменяются на 30—40%, что при-
водит к изменению мощности;
7) хорошая обрабатываемость;
8) невысокая стоимость.
Электрические нагреватели бывают металлическими и неме-
таллическими. Из неметаллических нагревателей наиболее распро-
странены карборундовые, силитовые, карбидные, графитовые,
угольные, из окислов тория, циркония, титана. Неметаллические
нагреватели обладают высоким удельным сопротивлением, поэто-
му их выполняют в виде трубок, стержней, пластинок пли крошки
(криптол). Неметаллические, нагреватели применяются в высоко-
температурных установках (печах) с рабочей температурой до
1300° С. При более высоких температурах используются металло-
керамические (дисилицид-молибденовые) нагреватели, выдержи-
вающие температуру до 1600° С.
К недостаткам неметаллических нагревателей относятся силь-
ная зависимость их сопротивления от температуры и высокая окис-
ляемость, особенно во влажной среде. Срок службы неметалличе-
ских нагревателей колеблется в пределах от 500 до 2000 ч.
Из чистых металлов в нагревательных устройствах находят ог-
раниченное применение вольфрам, молибден, тантал, необий, ко-
торые используются главным образом в высокотемпературных ла-
бораторных печах для изготовления экранов, подставок и др.
В наибольшей степени перечисленным требованиям отвечают
специальные хромоникелевые сплавы — нихромы. Раз-
70
личают двойные и тройные нихромы. Двойные нихромы содержат
около 20% хрома и 80% никеля (Х20Н80-Н, Х20Н80Т) и являются
наиболее высококачественными, но наиболее дорогими сплавами
для нагревательных сопротивлений. Тройные сплавы содержат
13—15% хрома, около 60% никеля, остальное —железо
(Х15Н60-Н). Это менее дорогие материалы.
Помимо двойных и тройных сплавов, распространены нихромы
с пониженным содержанием дефицитного никеля и добавкой алю-
миния (например, Х15Н60ЮЗА), обладающие высокой жаростой-
костью. Взамен нихромов используются еще более дешевые ж е -
лезохромоалюминиевые сплавы, среди которых наиболее
известен фехраль (Х13Ю4), содержащий 13% хрома, 83% желе-
за и 4% алюминия. Применяются также нагреватели из нержа-
веющих сталей, например 1Х18Н9Т и другие.
Нихромы обладают высокой жаростойкостью с допустимой ра-
бочей температурой 1000—1200° С. Жаростойкость обеспечивается
поверхностной пленкой окиси хрома, которая имеет более высо-
кую жаростойкость, чем основной материал, и препятствует окис-
лению и разрушению глубинных слоев материала. Удельное элек-
тросопротивление нихромов высокое—(14-1,2) 10~~4 Ом-см, а тем-
пературный" коэффициент сопротивления низок — в десятки раз
меньше, чем у углеродистых сталей. Нихромы являются немагнит-
ными материалами.
В установках с невысокими температурами нагрева (до 350° С)
можно использовать реостатный сплав константан, содержащий
около 40% никеля и 60% меди.
В сельскохозяйственном производстве в некоторых случаях на-
греватели выполняют из стальной оцинкованной проволоки. Угле-
родистая сталь как нагревательный сплав представляет собой де,-
шевый и доступный материал, который хорошо обрабатывается.
К недостаткам стальных нагревателей относятся низкая жаростой-
кость (допустимые рабочие температуры не более 300—350°С),
низкое удельное сопротивление, высокий температурный коэффи-
циент сопротивления, что при включении вызывает толчки тока,
достигающие 4—5-кратного значения от установившегося.
Основная область применения стальных нагревательных эле-
ментов— обогрев почвы и воздуха в парниках и теплицах, обогрев
пола в животноводческих и птицеводческих помещениях. Характе-
ристика наиболее распространенных нагревательных сплавов при-
ведена в приложении 1.
§ 3. Тепловой расчет электрических нагревателей
Тепловой расчет нагревателей сводится к определению их тер-
мического сопротивления и рабочей температуры или удельной по-
верхностной мощности.
Решение подобных задач, в большинстве своем сложных и раз-
нообразных, подробно рассматривается в курсах теории теплопе-
71
редачи [28 и др.]. Мы рассмотрим лишь общий методический прин-
цип и простейшие примеры.
Теплопередача от нагревателей обычно носит сложный харак-
тер, обусловленный сложностью температурных полей и совмеще-
нием в одном устройстве различных видов теплопередачи: тепло-
проводности, конвекции и излучения, каждый из которых только
в простейших случаях описывается элементарными зависимостями.
Передача тепла от нагревателя теплопроводностью про-
исходит, когда нагреватель находится в непосредственном контак-
те с нагреваемым материалом или разделяющей их средой, непро-
зрачной для тепловых (инфракрасных) лучей. Передаваемая
мощность определяется законом Фурье, который для идеализиро-
ванного случая, когда нагреватель выполнен в виде пластины бес-
конечных размеров, окруженной равномерным слоем материала
толщиной б, имеет вид
Р = у(/-/0)Л (115)
где %—коэффициент теплопроводности нагреваемого материала,
Вт/(м-°С);
t—температура нагревателя, °C;
/0—температура наружной поверхности нагреваемого мате-
риала, °C;
У7—поверхность теплопередачи (активная поверхность нагре-
вателя), м2.
Удельная йоверхностная мощность (Вт/м2)
^=4=-г^-/о)=—. (не)
F о гт
где
= у-’ (Н7)
Л
представляет собой термическое сопротивление 1 м2 однослойной
плоской стенки толщиной б(м2-°С/Вт).
Полное термическое сопротивление стенки (°С/Вт)
(118)
Из выражения (116)
P=WF. (119)
В практических расчетах W выражают в Вт/см2, а Р в кВт, тогда
W= АЛ1°-4, (120)
г т
P=10W. (121)
72
Зная термическое сопротивление нагревателя и удельную по-
верхностную мощность, можно из формулы (116) определить его
температуру либо по известной температуре — активную поверх-
ность (м2) нагревателя
= (122)
Д/
Из формулы (122) видно, что поверхность нагревателя прямо
пропорциональна мощности, термическому сопротивлению и обрат-
но пропорциональна температуре нагревателя (температурному
напору от нагревателя к нагреваемой среде).
В реальных нагревательных установках термические сопротив-
ления выражаются гораздо более сложными зависимостями, чем
(117). Они определяются формой и размерами нагревательных со-
противлений и электрической изоляции, однородностью нагревае-
мых материалов. Для некоторых конструктивных форм нагревате-
лей формулы для термических сопротивлений можно найти в соот-
ветствующей литературе [1,11 идр.]. Нагреватели часто выполняют
в виде многослойных концентрических цилиндров. Таковы труб-
чатые электронагреватели (ТЭНы). Внутри металлической трубки
3 (рис. 21) расположена нихромовая спираль 1, изолированная от
трубки наполнителем 2. Термическое сопротивление потоку от спи-
рали к трубке, отнесенное к 1 м длины нагревателя, определяется
полуэмпирической зависимостью [15]
r'Tl = -L- 1п-^+НГ3(0,5 +59у)(/г— 1 — 6,56x°’38j , (123)
где Xj—коэффициент теплопроводности наполнителя;
D — средний диаметр спирали;
d — диаметр проволоки спирали;
h — шаг витков спирали.
1 2
d
±
Рис. 21. Разрез трубчатого нагревателя:
. 1 — нихромовая спираль; 2 — наполнитель; 3 — трубка.
73
Термическое сопротивление наружной однослойной цилиндри-
ческой стенки длиной 1 м
, £>2
Г , =-------In —2
т 1 2лХ2 Di
(124)
где Du D2 — внутренний и наружный диаметры цилиндрической
стенки (рис. 21);
Х2—коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м-°С).
Суммарное термическое сопротивление от спирали к наружной
поверхности нагревателя
ГТ 1~ гт Г1 I-
(125)
Мощность с 1 метра нагревателя (Вт/м)
Wi = —, (126)
Гт I
где А/ — температурный перепад между спиралью и наружной по-
верхностью.
Для перехода к удельной поверхностной мощности проволоки
спирали поступаем следующим образЪм. Поверхность проволоки
равна поверхности некоторого эквивалентного цилиндра диамет-
ром Z)3, для которого термическое сопротивление 1 м наполнителя,
согласно выражению (124), равно
откуда можно определить D3.
Удельное термическое сопротивление (потоку с 1 м2 поверхно-
сти проволоки)
rT = гт i TtD310-3, (128)
а удельная поверхностная мощность определяется по выражению
Пример 1. Определить термическое сопротивление от спирали к наружной
поверхности ТЭНа, параметры которого (рис. 21) d=0,5 мм, D = 5 мм, й=2 мм,
£>1=10 мм, £)2=13 мм. Коэффициент теплопроводности наполнителя Х; =
= 1,5 Вт/(м-°С), трубки Х2=40 Вт/(м-°С).
Термическое сопротивление 1 м наполнителя
' 1 (, Ю , / 2 \Г 2
' -ГздГй 11п 10 !°’5 + °'59- Д|0~5 -1 -
7 2 \0,38Т)
—6.56 — = 0,111 м-°С/Вт.
74
Термическое сопротивление 1 м трубки
1
2-3,14-40
10 о
In— = 0,104- 10
10
м-°С/Вт.
Общее термическое сопротивление теплопроводности
гц =0,111 + 0,104-10-2 = 0,112 м-°С/Вт.
Диаметр эквивалентного цилиндра определим из уравнения (127)
D3 = exp (inDx — 2jtX] rT J = exp (In 10-10~~3 — 2-3,14-1,5-0,111) =
= 3,5-10~3 м = 3,5 мм.
Термическое сопротивление 1 м2
rT = гц nD3 10~3 = 0,112-3,14-3,5-10~“3 = 0,123-10~2 м2-°С/Вт.
При конвективном теплообмене передача тепла от нагре-
вателя осуществляется частицами жидкости или газа, совершаю-
щими около нагревателя.естественное или вынужденное непрерыв-
ное движение (конвекцию). Тепловой поток нагревателя в простей-
шем случае определяется формулой Ньютона
P = a(t — t0)F, (129)
где а — коэффициент теплоотдачи от поверхности нагревателя
к жидкой или газообразной среде, Вт/(м2-°С).
Коэффициент теплоотдачи а является сложной функцией мно-
гих переменных: вида конвекции (естественная или вынужденная),
температуры, формы и размера нагревателя, скорости и свойств
омывающей жидкости и др.
Значения коэффициента а для различных условий теплообмена
получают главным .образом экспериментально. Результаты ис-
следований обрабатывают в соответствии с теорией подобия и пред-
ставляют в виде критериальных уравнений. Например, теплоотда-
чу от трубчатых нагревателей в поперечном потоке газа описыва-
ют уравнением вида [11]
N и = CPrn Rem. (130)
В уравнение (130) входят:
критерий Нуссельта X
критерий Рейнольдса Re = ?°, V
критерий Прандтля Рг = —.
75
где а—коэффициент теплоотдачи;
D — наружный диаметр нагревателя;
X — коэффициент теплопроводности газа;
w — скорость газа в узком сечении пучка нагревателя;
V —кинематическая вязкость газа;
а — коэффициент температуропроводности газа;
п, т — показатели степени;
С— постоянная.
Для гладких трубчатых нагревателей, расположенных в шах-
матном порядке в поперечном потоке газа (рис. 22), коэффициент
теплоотдачи на основании выражения (130) определяется по сле-
дующим формулам;
а = 0,39С (131)
D0,40 \ s — D ) \ V ;
Sj A '7
"Р" Т=д>0'7
и
J рго,35 , ,0,60
. а==0,36С ——(— (132)
р0,40 \ v /
при —------< 0,7,
н з — D
где s = 0,25$2 + s| —диагональный шаг нагревателей;
С—поправочный коэффициент на число рядов нагревателей
z в продольном направлении (рис. 22).
Рис. 22. К расчету теплоотдачи трубчатых нагревателей при
поперечном обтекании:
а — схема расположения нагревателей; б — поправка на число про-
дольных рядов.
76
Физические характеристики воздуха (газа) в формулах (131)
и (132) берут для средней температуры потока.
Расчетные формулы для других случаев теплообмена конвек-
цией можно найти в специальной литературе [И, 28].
Удельная поверхностная мощность (Вт/м2) при конвективном
теплообмене
W = a(t — t0) = —fJ> = AL ,
1 rT
а
а активная поверхность нагревателя (м2)
г Р Ргт
где гт=——-термическое сопротивление конвекции на границе
а
стенка — жидкость, называемое контактным сопротивлением,
м2-°С/Вт.
При сложной теплопередаче, включающей теплопроводность
и конвекцию, общее термическое сопротивление слагается из част-
ных термических сопротивлений, последовательно преодолеваемых
потоком.
Для тел цилиндрической формы погонное термическое сопротив-
ление конвекции (м-°С/Вт)
(133)
(134)
Для спиралей трубчатых нагревателей полное погонное терми-
ческое сопротивление (м-°С/Вт) слагается из термических сопро-
тивлений теплопроводности г'г и конвекции г"{'.
rTl = r'Tl + r^, (136)
а удельное термическое сопротивление (м2-°С/Вт)
гт = гтгл£)э, (137)
удельная поверхностная мощность (Вт/м2)
W=—, (138)
гт
где А/—-перепад температур между спиралью и нагреваемой
средой.
Для открытых проволочных спиралей, свободно обтекаемых воз-
духом, теплоотдачу можно рассчитывать по формуле, полученной
А. Д. Свенчанским,
Nu = 0,238£е°Л (139)
77
Формула действительна при 7?е>1000. Физические параметры
воздуха берутся для средней температуры потока.
. Пример 2. Определить температуру и удельную поверхностную мощность
спирали гладкого трубчатого нагревателя (рис. 21) при поперечном обтекании
воздухом. Скорость воздуха ш = 10 м/с, средняя температура воздуха Zo = 3O°C,
температура наружной поверхности ТЭНа /г=400°С. Нагреватели расположены
в шахматном порядке, параметры пучка (рис. 22): Т) = Д2 = 13 мм, Si = 26 мм,
s2=13 мм, число рядов нагревателей по движению воздуха z = 5.
Диагональный шаг пучка
s = V<0,25-262 + 132 = 18,4 мм.
Безразмерный параметр
Si — D 26—13
—-----=----------=2,4.
s — D 18,4—13
Коэффициент теплоотдачи а определяем по формуле (131). Для температу-
ры /о —30°С физические характеристики воздуха: %=2,58-10-2 Вт/(м-°С), v =
= 1,66-10=' м2/с, Рг=0,702. По кривой, приведенной на рисунке 22, б, находим
С=0,9. Тогда по формуле (131).
« = 0,39-0,9
2,58- 1О~2-О,7О20,35
(13- 1О-3)0’40
(2,4)°-25
10 \0-60
--------- = 105 Вт/(м2-°С).
1,66-Ю-5/
Удельное контактное термическое сопротивление нагревателя
г' = — = — = 0,95-10“2 м2.°С/Вт.
а 105
Контактное сопротивление 1 м нагревателя
" ' т
0,95-10-2
3,14.13-10-3
= 0,233 м-°С/Вт.
Общее термическое сопротивление 1 м нагревателя
'т/ = гт1 + ''т/ — °,! 12 + 0,233 = 0,345 м-°С/Вт,
где гт/ =0,112 м-°С/Вт взято из примера 1 настоящей главы.
Общее удельное термическое сопротивление по формуле (137)
rT = rt I лйэ = 0,345.3,14.3,5.10“3 = 0,38-10“2 м2.°С/Вт,
где D3 = 3,5 мм определено в примере 1.
Удельная мощность на наружной поверхности нагревателя
к^ = Л2^ = 3>9.104Вт/м2.
Лт 0,95-10—2
Удельная мощность 1 м нагревателя
W[ = 1Гтр лО2 = 3,9- IO4-3,14-13-10-3
— 1590 Вт/м.
78
Температура нагревательного сопротивления (спирали)
t, = /2 + rz4z = 400+ 1590-0,112 = 578° С.
Температуру ti можно вычислить и по формуле
= А) + WI Гт I.
Удельная поверхностная мощность нагревательного сопротивления
W = = 578 ~ 400 =14,5.10* Вт/м2,
г. 0,123-10—2
где гт — термическое сопротивление теплопроводности (взяте из примера 1).
Теплопередача от открытых нагревателей осуществляется кон-
векцией и излучением. С повышением температуры интенсивность
теплопередачи излучением растет быстрее, чем конвекцией, и ста-
новится особенно заметной при температурах поверхности выше
500° С.
Излучение представляет собой перенос тепла от одного те-
ла к другому путем электромагнитных волн через разделяющую
тела прозрачную для теплового излучения среду. Падающие на
тело лучи частично поглощаются, частично отражаются. Нагрев
происходит только за счет поглощенной части лучистого потока.
Поглощательная способность у различных тел неодинакова и за-
висит от их физических свойств. Твердые и жидкие тела хорошо
поглощают лучи. Чистый сухой воздух является прозрачным для
тепловых лучей, однако при содержании водяных паров, углекис-
лоты, пыли прозрачность его значительно снижается. Наибольшей
поглощательной и излучательной способностью обладает абсолют-
но черное тело. В природе обычно встречаются серые тела, их излу-
чательная и поглощательная способность меньше.
Излучение абсолютно черного тела зависит от его температуры
и определяется основным законом излучения — законом Стефа-
на -S— Больцмана:
£-’»7',-5'7(isr <140)
где ст0 —постоянная Стефана — Больцмана, равная
5,7-10—8 Вт/(м2-К4);
Т—температура излучающей поверхности, К-
Излучающая способность (Вт/м2) серых тел меньше и опреде-
ляется формулой
Е = 5,7е('—У, (141)
\1оо/ '
где е — степень черноты тела, равная отношению излучательной
способности серого тела к излучательной способности абсолютно
черного тела при той же температуре. Значения е для различных
тел приводятся в справочной литературе.
79
Расчет лучистого теплообмена между телами основывается на
законе Стефана—Больцмана (141);
Для общего случая замкнутой системы, состоящей из двух тел
произвольной формы, мощность (Вт), передаваемая от излучателя
с температурой 7\ к нагреваемому телу с температурой
деляется формулой
/2, опре-
(142)
теплооб-
где спр — приведенная степень черноты участвующих в
мене тел, Вт/(м2 К4);
Н12—взаимная поверхность излучения (м2), определяемая
как
Н12 ~ Ф12^1 = 921^2- (143)
Здесь Fi, F2— поверхности участвующих в теплообмене тел;
Ф12, Ф21— средние по поверхности коэффициенты облученно-
сти тел, показывающие, какая часть полусфериче-
ского теплового потока, испускаемого излучателем,
падает на облучаемое тело.
Если Pi — мощность излучения, а Р% — мощность, падающая на
тело, то
Р2
Ф12 = Т1.
Коэффициенты облученности представляют собой чисто геомет-
рические параметры, зависящие только от формы и взаимного рас-
положения участвующих в теплообмене тел. Для типичных случаев
теплообмена излучением они приводятся в специальной литературе
[11,28].
Для простейшего случая теплообмена излучением между двумя
параллельными плоскостями, имеющими размеры (Fi=F2), значи-
тельно превосходящие расстояние между ними, Ф12 = ф2ь Приведен-
ная степень черноты
спР = —----, (144)
где 61, бг — степень черноты участвующих в теплообмене тел.
Удельная поверхностная мощность (Вт/м2) для этого (идеали-
зированногб) случая
. 80
В большинстве реальных устройств из-за сложности поверхно-
стей тел и непрерывного обмена энергией между ними нельзя вос-
пользоваться простой зависимостью (145).
В практических расчетах реальные устройства заменяют идеа-
лизированной схемой и действительную удельную мощность нахо-
дят через Гид (145) как
№=Н?ида, (146)
где а — коэффициент эффективности излучения нагревателей, при-
нимаемый, например, для проволочных спиралей на изолирую-
щих трубках 0,30—0,35, трубчатых излучателей — 0,60—0,70, лен-
точных зигзагообразных излучателей — 0,38—0,45.
В низко- и среднетемпературных установках с преимущественно
конвективным теплообменом учет теплового потока излучения про-
изводится введением в формулу (129) коэффициента теплоотдачи
излучением
+ (147)
где ак—коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2-°С);
аизл—'Коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2-°С), опре-
деляемый по формуле
Удельное термическое сопротивление излучению (м2-°С/Вт)
По аналогии с формулами (122) и (134)
Ги = -^. (150)
При учете совместного воздействия конвекции и излучения
<151>
д/
где
_J_=_L+_L; (152)
тЕ Гт. к Гт и
гт.к— термическое сопротивление конвекции;
гт.и — термическое сопротивленйе излучению.
Пример теплового расчета излучателей приведен в главе X.
6—475 81
§ 4. Электрический расчет нагревателей
Необходимая теплоотдающая (активная) поверхность нагрева-
теля F определяется тепловым расчетом. Согласно формулам (134)
и (150), при любом способе теплопередачи от нагревателя его ак-
тивная поверхность определяется из условия
F > - Рг2. , (153)
^ДОП to МОдоп
где гт — термическое сопротивление нагревателя;
/доп —допустимая рабочая температура нагревателя.
При самых тяжелых условиях работы температура нагревателя
t не должна превышать допустимое значение /доп для данного ма-
териала нагревателя. Приняв /<7ДОп, неравенство (153) можно
переписать в виде равенства
(154)
Мощность Р, выделяемая в нагревателе, определяется форму-
лой закона Ома
Р = — = 72pz —,
Rt S ’
где / — рабочий ток нагревателя.
Подставив значение Р в формулу (154) и выразив F в виде
F—FIL, где П — периметр сечения нагревателя (м), получим
FIL = -р/ /2LfT-. (а)
ЗД/ ' ’
Сгруппируем в левую часть величины равенства (а), определя-
ющие размер нагревателя,
FIS = . (б)
Для круглого сечения (проволоки)
П = nd- S = — ,
4
где d — диаметр сечения, м.
Подставляя эти значения в равенство (б) и решая его относи-
тельно d, получим
d = {/ = л/ —• (155)
У л2Д/ у л2и-М V n2U2W v ’
82
Длину нагревателя найдем из формулы (111) с учетом ченного значения d\ полу-
L = 1/ pu2t = ; pip ' 4лр/ Д/2 V 4лр/ W2' (156)
Для нагревателя прямоугольного сечения (ленты) с отношени-
ем сторон — =т (рис. 17) расчетные формулы получают анало-
гично, подставляя в (б)
П = 2 (а + в) = 2в (т + 1), S = ав.
Тогда
1 / Р/ Р2 в = 1/ — , V 2m(m+l)t/2r L = ./ . И 4(/п+1)2р;Г2 (157) (158)
Если Р выразить в кВт, р; — в Ом-см, W— в Вт/см2, d и в —
в мм, то формулы (155) — (158) получат вид
_ 1 ; 4-107р//2гт _ .3/ 4-10хзр^Р2гт 3/ 4-109р/Р2 d = V л2Д/ ~ У PlPXt = У rflPW ; (159)
_ | / 10W П * 10-зр^ L ’ 4лрД/2 V 4лр^1Т2 ’ _ Ю9Р^2 в У 2m(m+l)U*W ’ У 10—3тРЦ2 L=y 4(/п+1)2р/Г2 • (160) (161) (162)
Нагреватели часто выполняют в виде проволочных спиралей,
проволочных и ленточных зигзагов (рис. 17). Размеры спиралей и
зигзагов выбирают из условия достаточной механической прочно-
сти нагревателей.
Для проволочных спиралей из нихромовых сплавов берут сред-
ний диаметр витков
D = (8^10)d, (163)
для железохромоалюминиевых сплавов
D = (5-^-8)d. (164)
Шаг спирали
й = (2н-4)Д (165)
6*
83
Количество витков
п = — L-.......... (166)
К(лГ>2)+/г2
Длина спирали
l = hn. (167)
Для ленточных зигзагов высота петли ленточного зигзагообраз-
ного нагревателя
Д<100в, (168)
шаг волны
(169)
При выборе размеров нагревателей необходимо также учиты-
вать условия их размещения в рабочей камере ЭНУ.
Пример 3. Рассчитать спираль для ТЭНа, предназначенного для подогрева
воздуха в электрическом калорифере мощностью 25 кВт. Питающее напряжение
380/220 В, пределы регулирования мощности 100—25%, средняя температура на-
греваемого воздуха 25° С, термическое сопротивление нагревателя 13,5Х
ХЮ-3 м2-°С/Вт. По размерам калорифера развернутая длина нагревателя долж-
на находиться в пределах 1,0—1,2 м.
Для возможности регулирования мощности в заданных пределах принимаем
4 секции нагревателей, равномерно распределенных по фазам. Нагреватели сек-
ции включены по схеме «звезда».
Предварительно принимаем в каждой фазе секции по два нагревателя, '
включенных параллельно. Общее количество нагревателей
z = 4-3-2 = 24.
Мощность одного нагревателя
25
Р = — = 1,04 кВт,
24
рабочий ток
Уз -380-24
В качестве материала для спирали выбираем тройной нихром Х15Н80-Н
(Рзо = 1,1 • 10“6 Ом-м, а=16,3-10~6 °C-1). Принимаем рабочую температуру
/=700° С.
Удельное сопротивление при рабочей температуре
р/ = 1,1 -10—® [1 + 16,3-10—6 (700 — 25)] = 1,11-ю-6 Ом-м.
Диаметр проволоки определяем по значению тока, пользуясь формулой (155):
, , / 4-1,11 10—в-4,73а-13,5-10—3
Принимаем ближайший по сортаменту диаметр d = 0,6 мм.
84
Длина проволки по формуле (156)
1,04-103-2202-(13,5-10-3)2
4-3,14-1,11 • 10—в-6752 “ М’
Внесем поправку на увеличенный против расчетного диаметр d:
0,62
L= 11-^—= 11,9 м.
0,582
Проверка полученных размеров нагревателя
t/2sl0-3 2202-3,14 (0,6-10—3)2-10—3
Р =----------=------------------------------ = 1,04 кВт.
P/L 1,11 • 10—в-11,9-4
Размеры спирали выбираем согласно формулам (163) и (165): £> = 6 мм.
h= 1,8 мм.
Число витков
К(3,14-6)2 + 1,82
Длина спирали
/= 1,8-624-10-3 = 1,12 м.
Таким образом, размер нагревателя соответствует габариту калорифера. При
значительном расхождении между заданной и расчетной длиной нагревателя не-
обходимо сделать пересчет на другое число нагревателей или взять большие
по сравнению с расчетными значения диаметра и длины проволоки.
Расчет нагревателей по полученным выше формулам не пред-
ставляет затруднений, если известны их термические сопротивле-
ния и рабочая температура или допустимая удельная поверхност-
ная мощность.
Методика определения тепловых параметров W, гт и t показана
в § 3. настоящей главы. Однако трудность расчетов состоит в том,
что величины W или гт и t, в свою очередь, также зависят от разме-
ров нагревателя. Это видно, например, из формул (123), (128),
(131), (134) и других. Поэтому расчет ведут методом подбора пу-
тем совместного, обычно графического, решения двух зависимо-
стей, связывающих размеры нагревателя с электрическими и теп-
ловыми параметрами, а именно:
1) зависимости вида f(d, 117) =0 или f(d, г?, /)=0, построенной
по формулам электрического расчета, вида (155) и (156);
2) зависимости <p(d, И7)=о или <p(d, rT, t)=Q, построенной по
формулам теплового расчета, вида (116), (133) и другим.
Расчет выполняют в следующем порядке. Предварительно, ис-
ходя из технологического задания и теплового расчета, разрабаты-
вают возможное конструктивное выполнение нагревателя. Из при-
ложения 1 выбирают материал нагревателя и допустимую рабочую
температуру. Задаваясь рядом значений d и используя форму-
лы (155), (156) и др., строят зависимость f(d, W) = 0, а затем по
тем же значениям d, используя формулы теплопередачи, строят
85
зависимость <p(rf, IF)=O. Оптимальный размер нагревателя нахо-
дится на пересечении кривых f(d, W) и <p(d, W7).
Пример 4. Рассчитать открытые спиральные нагреватели из нихрома для воз-
духоподогревателя мощностью 36 кВт. Температура подогретого воздуха 25° С,
скорость движения 5 м/с. Пределы регулирования мощности от 10 до 100%, пи-
тающее напряжение 380/220 В.
Принимаем в каждой фазе по две ветви. Это дает возможность, изменяя схе-
му включения нагревателей, регулировать мощность в заданных пределах
(табл. 5).
Таблица 5
Схема включения нагревателей Условное обозначение Число нагревателей Мощность, кВт
Двойной треугольник 6 36,0
Треугольник /\ - 3 18,0
Двойная звезда 6 12,0
Последовательный треугольник А 6 9,0
Звезда 3 6,0
Последовательные звезда — треугольник А. 6 4,5
Последовательная звезда JL 6 3,0
Мощность одного нагревателя Pi = 6 кВт.
Учитывая возможность ухудшения теплоотдачи в местах крепления спиралей,
принимаем рабочую температуру 600° С. Удельное сопротивление нихрома
,, при этой температуре р; = 1,1Ь
Ц вт/см1- -10-4 Ом-см, а = 16,3 -10—6 °C-1.
Подставим в формулу (159), за-
Л 4-ю9р;^
писанную в виде d= I/ — ’
Рис. 23. К примеру 4:
/ — кривая f(d, 1F)=O; 2 —кривая <p(d, W')=0.
известные величины и найдем функ-
цию f (d, W) =0
11,2
&
d‘
В формулу (159) вводится наи-
большее возможное напряжение на-
гревателя (380 В).
Построим функцию (а), давая
d ряд значений в пределах от 1 до
3 мм (рис. 23, кривая 1). Значение
d менее 1 мм не следует брать по ус-
ловиям механической прочности от-
крытых спиралей в потоке воздуха.
Для построения функции <p(d, W) —
= 0 воспользуемся формулой (139).
86
Предварительно приведем ее к виду
а = 0,238
ш \o,6 X
V ) </0.4
(б)
и, подставляя известные величины
» = 5м/с; X =2,58-10—2 Вт/(м.°С); v = 1,66-10-! м2/с,
получим
Подставив в выражение (133) гт=—и Д1=575°С, получаем функцию
а
<p(d, F)=0
11,8 0,68
Й7 = 575—т- 10-4= — .
d0,4 rf0,4
(г)
Подставляя далее в (г) значения d, принятые при построении функции f(d, W) =
= 0, получим ряд значений зависимости <p(d, И7)=0, которую строим в виде
кривой 2 на рисунке 23. Точка пересечения кривых дает значение d=l,22 мм.
Принимаем 1,3 мм.
Длина проволоки по формуле (160)
10-3-6-3802
4-3’, 14-1, Ц.10-4-6.22
= 24,7 м,
где Wz=6,2 Вт/см2— расчетная удельная поверхностная мощность, полученная
на пересечении кривых 1 и 2 (рис. 23).
Поправка на принятый диаметр проволоки
1,32
L = 24,7 —Н; = 28 м.
1,222
Проверка:
t/W2 3802-3,14.(1,3-10~1)2
Р, —------- .--------------------=6160 Вт,
pf L4 1,11-IO-4-28-10М
что близко к исходным данным. Для уменьшения мощности до расчетной внесем
поправку на длину проволоки
, „ 6160
L =28------=29,8 м.
6000
Размеры спирали находим по формулам (163)—(167).
При проверочных расчетах электрических нагревателей исполь-
зуются та же методика и расчетные зависимости, что и при конст-
руктивном расчете. Меняются .только искомые величины в соот-
ветствии с задачей расчета, изложенной в § 1 настоящей главы.
В равной степени это относится к электродным нагревателям и дру-
гим электронагревательным устройствам.
87
§ 5. Особенности расчета стальных нагревателей
Применение конструкционных углеродистых сталей в качестве
материалов для нагревателей затруднено их низкой жаростойко-
стью. Допустимая температура нагрева составляет 300—350° С.
При более высоких температурах происходит быстрое окисление
и разрушение нагревателей, особенно при малых сечениях.
Углеродистая сталь имеет высокий температурный коэффици-
ент сопротивления а (в пределах 0,004—0,006° С-1), что приводит
к большим толчкам пусковых токов. Удельное сопротивление неве-
лико: рго= (0,114-0,15) • 10-4 Ом-см, следовательно, стальные на-
греватели получаются гораздо больших размеров, чем нагреватели
из специальных сплавов. Недостаток стали как нагревательного
сплава заключается в значительном разбросе ее электрических
параметров (удельного сопротивления, температурного коэффици-
ента сопротивления, магнитной проницаемости), который зависит
от состава и способов обработки и составляет 15—20% средних
значений.
В отличие от. нихромов, которые являются немагнитными мате-
риалами и сопротивление которых переменному току мало отлича-
ется от сопротивления постоянному току, сопротивление углероди-
стой стали постоянному току значительно отличается от сопротив-
ления переменному току из-за поверхностного эффекта и внутренней
индуктивности стальных проводников.
Коэффициент поверхностного эффекта kn, равный отношению
сопротивлений проводника переменному и постоянному току,
при данной частоте со является функцией магнитной проницаемо-
сти ц, удельной электропроводимости у и размера проводника d
[§ 2, гл. Ill, формулы (61) — (63)]:
kn =
Магнитная проницаемость представляет собой функцию тока,
размера проводника и температуры (§ 2, гл. I и § 2, гл. III). Удель-
ная электропроводимость стальных нагревателей в значительной
степени зависит от температуры. Таким образом, сопротивление
стальных нагревателей определяется не только их размерами и
температурой, как у немагнитных материалов, но и значением на-
грузки (тока). Это усложняет аналитический расчет стальных'на-
гревателей, делает его весьма неопределенным. В расчетах следует
учитывать и то, что вследствие внутренней индуктивности коэф-
фициент мощности стальных нагревателей меньше единицы и ко-
леблется в пределах от 0,86 до 0,92.
88
Однако доступность материала и дешевизна способствовали
распространению стальных нагревателей в низкотемпературных
процессах сельскохозяйственного производства. Это в основном те
процессы нагрйва, где значительные габаритные размеры сталь-
ных нагревателей не являются препятствием для их применения:
обогрев почвы и воздуха в парниках и теплицах, обогрев полов
в животноводческих помещениях и некоторые другие.
Основная трудность при расчете стальных нагревателей состоит
в определении коэффициента поверхностного эффекта. При боль-
ших плотностях тока, которые наблюдаются в нагревателях, коэф-
фициент поверхностного эффекта может быть принят зависящим
только от диаметра нагревателя (§ 2, гл. III). Для наиболее часто
применяемых диаметров стальной проволоки (/=14-6 мм и удель-
ной мощности ДР = 204-100 Вт/м коэффициент поверхностного эф-
фекта можно определить по приближенной формуле
kn= 1 + 0,0176 d2’2. (170)
Тогда полное сопротивление стального нагревателя
г = = —(171)
' COS ф
где R—сопротивление нагревателя постоянному току;
х — индуктивная составляющая сопротивления.
Cos<p принимают в указанных выше пределах, среднее значение
можно брать равным 0,86.
Сила тока стальных нагревателей при заданном напряжении
питания *
/ = — = - -cos ф , (172)
z knR v 7
а активная мощность
Р = . (173)
При известных йп и cos <р размеры стальных нагревателей мож-
но определить по формулам (159) и (160), которые для этого слу-
чая имеют вид
V 4-10^пР/Ргт
л2Д/
105РР2 СО32фГ2
4лр/ kn ДР
. У 4-109£пр<Р2
|/ л?и2 cos2 фИ7 ’
10—2PU2 cos2 Ф
4лрг ka W2
(174)
(175)
Введение в формулы коэффициента поверхностного эффекта,
который тоже зависит от размера нагревателя, делает аналитиче-
89
ский расчет еще более затруднительным. Практически расчеты ве-
дут с использованием различного рода экспериментальных данных,
графиков и номограмм [17]. Примером их является зависимость
(155).
Однако следует иметь в виду, что все имеющиеся в литературе
разнообразные по внешнему виду аналитические, графические и
табличные зависимости, относящиеся к расчету как стальных, таки
не стальных нагревателей, являются либо частными случаями, либо
видоизмененными вариантами расчетных зависимостей вида (155)
и (156), которые лежат в основе инженерного расчета электриче-
ских нагревателей сопротивления.
Пример 5. Определить необходимую длину стальной оцинкованной проволо-
ки (Р2о = О,135- 10-4 Ом-см, а = 0,0045 “О1) диаметром d = 3 мм для обогрева
почвы в парниках. Мощность обогрева Р=10 кВт. Проволока прокладывается
в асбоцементных трубах, заложенных в подпочвенный слой. По опытным дан-
ным, термическое сопротивление от проволоки в почве составляет гт =
= 0,04 м2-°С/Вт, температура почвы 18° С, питающее напряжение 220 В.
Принимаем рабочую температуру проволоки / = 275°С.
Удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре
pt =0,135-10-«[ 1 +0,0045 (275 — 18)] = 0,292-10-4 Ом-см.
Коэффициент поверхностного эффекта по формуле (170)
k„ = 1 — 0,0176-32,2= 1,2.
Принимая cos<p = 0,86, находим по формуле (175) длину проволоки
, / 10М 0-2202-0,862-0,042
L = 1/ --------------------------= 125 м.
У . 4-3,14-0,292-10-М,2-2572
Длина двадцатирамного парника 21,7 м. При двух почвенных нагревателях
необходимо включить последовательно шесть нагревателей трех парников. Уточ-
ненная длина проволоки составит 121 м.
Коаксиальные нагреватели представляют собой разновидность
стальных нагревателей для низкотемпературного нагрева. В про-
стейшем случае коаксиальный электронагреватель — это две соос-
но (коаксиально) расположенные трубы или стержень в трубе
с электрической изоляцией между ними (рис. 24). Одни концы про-
водников сваривают, а к другим подводят напряжение, так что
электрический ток во внутреннем и наружном проводниках проте-
кает в противоположных направлениях. Благодаря этому, а также
вследствие близкого взаимного расположения проводников в них
возникает поверхностный эффект вытеснения электрического тока
к обращенным друг к другу поверхностям проводников. При опре-
деленных условиях на наружной поверхности внешнего проводни-
ка электромагнитное поле может отсутствовать, и поэтому нагре-
ватель не требует электрической изоляции. Это повышает безо-
пасность эксплуатации и позволяет неизолированный нагреватель
помещать непосредственно в нагреваемую среду.
90
Рис. 24. Коаксиальный нагреватель:
/ — стальной стержень; 2 — стальная труба; 3 — центрирующая стальная втулка;
4 — термоэлектроизоляция; 5 — токоподводящая шина; 6 — асбоцементная втулка;
Тр — трансформатор.
К достоинствам коаксиальных нагревателей относятся их на-
дежность и долговечность, поэтому их используют там, где эти
качества особенно важны.
В сельском хозяйстве коаксиальные нагреватели применяются
для разогрева грунта, навоза, бетона и в некоторых других слу-
чаях. Однако по стоимости нагрева они не имеют особых преиму-
ществ по сравнению с другими.
Для того чтобы электромагнитная волна полностью затухала,
толщина стенки наружной трубы должна быть не менее 2,5 мм, так
как эквивалентная глубина проникновения токов в сталь при ча-
стоте 50 Гц в среднем около 1,5 мм (§ 2, гл. I). При значительных
токах и повышении температуры нагревателя глубина проникнове-
ния возрастает до 3—4 мм. Массивные проводники нагревателей
обладают очень малым сопротивлением, и для их питания необхо-
димы понизительные трансформаторы со вторичным напряжением
на десятые доли или единицы вольт. При последовательном соеди-
нении ряда коаксиальных нагревателей и включении их на сетевое
напряжение они так же опасны для прикосновения, как и обыч-
ные открытые нагреватели. Трудность представляет и подвод к
нагревателям тока, сила которого составляет сотни и тысячи
ампер.
Коэффициент мощности коаксиальных нагревателей меньше
единицы и находится в пределах 0,85—0,95.
§ 6. Приближенные методы расчета нагревателей
В практике прибегают к приближенным методам расчета, осно-
ванным на использовании различного рода экспериментальных
данных. Наиболее известные из них — расчет по рабочему току и
по таблицам нагрузок.
В основу методов положены экспериментальные (табличные или
графические) зависимости между токовыми нагрузками на провод-
ники, их температурами и размерами сечения.
91
Эти зависимости получают обычно для проволок, натянутых го-
ризонтально в спокойном воздухе при температуре 20° С. Таблицы
составляют для каждого материала проволок. Для проволок из
нихрома эти данные приведены в приложении 2. Переход от таб-
личных условий к реальным осуществляется введением опытных
поправочных коэффициентов.
Расчет по рабочему току ведут в следующем порядке.
Определяют рабочий ток нагревателя для однофазных уста-
новок
р 103
= - (176)
Un
и трехфазных
= (177)
где Р— мощность установки, .кВт;
U— питающее напряжение, В-
п— число параллельных секций в фазе.
Выбирают материал нагревательного сопротивления и устанав-
ливают желаемую рабочую температуру нагревателя tR в соответ-
ствии с рекомендациями приложения 1. Выбранная температура
в самых тяжелых условиях работы не должна превышать макси-
мально допустимых значений, указанных в таблице. В приложе-
нии 2 фигурирует расчетная (фиктивная) температура, соответст-
вующая табличным условиям. Расчетная tp и действительная /д
температуры связаны соотношением
/Р = МА, (178)
где &м икс — коэффициенты монтажа и среды.
Коэффициент монтажа kM учитывает ухудшение теплоотдачи
от нагревателя и, следовательно, увеличение его температуры в ре-
альном нагревателе по сравнению с табличными условиями. Коэф-
фициент kM всегда меньше единицы и только для табличных усло-
вий равен единице.
Коэффициент среды kc учитывает улучшение теплоотдачи
вследствие влияния параметров нагреваемой среды, отличающихся
от табличных. Значение kc всегда больше единицы.
Результаты расчетов в значительной степени зависят от досто-
верности значения £м и kc. Значения этих коэффициентов для неко-
торых случаев приведены в таблицах 6 и 7.
По /Р и из приложения 2 находят диаметр проволоки и опре-
деляют сечение s. Из двух возможных значений d всегда выбира-
ют большее.
Необходимую длину проволоки на одну секцию определяют по
формуле
92
L uls
РфЮ3Р/
(179)
где Рф—мощность одной секции (фазоветви), кВт;
1Уф — фазное напряжение, В.
Удельное сопротивление при рабочей температуре
Р/ = р20[1 +а(/-20)]. (180)
Таблица 6
Конструктивное выполнение нагревателя
Проволока, натянутая горизонтально в спокойном воздухе Проволочная спираль в спокойном воздухе Проволочная спираль на огнеупорном держателе Проволока, навитая на огнеупорный держатель в спокойном воздухе Нагревательное сопротивление между двумя слоями тепловой изо- ляции (закрытые электроплитки, некоторые трубчатые электрона- греватели) Нагревательное сопротивление с мощной тепловой изоляцией (труб- чатые электронагреватели, электрообогреватели почвы, пола) 1,0 0,8—0,9 0,7 0,6—0,7 0,5 0,3—0,4
Меньшие значения берут для меньших диаметров проволо-
ки, большие— для больших.
Таблица 7
Условия окружающей (нагреваемой) среды ke
Проволочная спираль в воздушном потоке Нагревательные элементы, погруженные в воду Нагревательные элементы, омываемые потоком жидкости 1,1—1,5 2,5 3—3,5
Пример 6. Рассчитать нагреватели для электробрудера, выполненные в виде
спиралей на огнеупорном держателе. Мощность брудера 2 кВт, питающее на-
пряжение (однофазное) 220 В, температура под брудером 20° С. Нагревательное
устройство содержит четыре параллельные секции.
Выбираем в качестве материала спиралей нихром (рао=1Л• Ю—6 Ом-м, а =
= 16,3-'1О-6 °C-1) и рабочую температуру 500°С.
Рабочий ток секции
2-Ю3
р =-------= 2,27 А.
р 220-4
Расчетная температура
/р = Мс/д = 0,8-1 - 500 = 400° С,
где &м=0,8 и fec = l (из таблиц 6 и 7).
93
Из приложения 2 находим d = 0,4 мм, длина проволоки для одной секции по
формуле (179)
L__________2202-3,14-0,4а-10—6________
1 “ 0,5-103-1,1 10—6(1 + 16,3-10-«-480)-4 ~ 1 М‘
Размеры спиралей определяются из зависимостей (163) и (167).
При ориентировочных, прикидочных расчетах иногда пользуют-
ся методом допустимой плотности тока в нагревательных сопро-
тивлениях, которая для нихромов находится в пределах /доп=
= 5-уЗО А/мм2, а для стальных проволок — не более 15 А/мм2.
Тогда сечение можно определить как
s = ^, (181)
/доп
где /р — рабочий ток нагревателя А.
Длину нагревателя определяют по формуле (179).
§ 7. Трубчатые электронагреватели
Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) применяются в водона-
гревателях, калориферах, установках лучистого нагрева, электро-
обогреваемых полах и пр. Нагреватель (рис. 19) состоит из метал-
лической трубки 2, в которую вмонтирована нихромовая спираль 1.
Концы спирали приварены к выводным шпилькам 4, которые слу-
жат для подключения ТЭНа к сети. Материал трубки выбирают
в зависимости от ее рабочей температуры и условий работы. Это
может быть углеродистая сталь (стали 10—20), нержавеющая
сталь (Х18Н10Т), медь, латунь и др. Спираль изолируется от сте-
нок трубки наполнителем 3 из периклаза (кристаллическая окись
магния .MgO), обладающего хорошими электроизоляционными
свойствами и хорошо проводящего тепло. После засыпки напол-
нителя трубку опрессовывают. Под большим давлением периклаз
превращается в твердый монолитный материал, надежно фиксиру-
ющий и изолирующий спираль внутри трубки. Опрессованная труб-
ка может быть изогнута для придания нагревателю необходимой
формы. Торцы трубки герметизированы огнеупорным составом и
изолирующими втулками 5.
К достоинствам ТЭНов относятся их универсальность, надеж-
ность и безопасность обслуживания. Нагревательная спираль изо-
лирована от наружной трубки, поэтому ТЭН можно помещать не-
посредственно в нагреваемую среду (воду, молоко, обрат, соли,
металлы). Вследствие герметизации спиралей от воздуха срок
службы нагревателей заводского изготовления составляет до
10 000 ч, они ударо-вибропрочные. Рабочая температура наружной
поверхности ТЭНов может достигать 700° С, что удовлетворяет
требованиям подавляющего большинства сельскохозяйственных
тепловых процессов.
94
Рис. 25. Трубчатый электронагреватель из трех элементов НВ-5,4/9,0.
Промышленность выпускает ТЭНы мощностью от 15 Вт до
15 кВт в единице, развернутой длиной от 250 до 6300 мм, наруж-
ным диаметром от 7 до 19 мм и номинальным напряжением от 12
до 380 В в одно- или трехэлементном (рис. 25) исполнении.
Технические данные ТЭНов, применяемых в сельском хозяйст-
ве, приведены в приложении 3.
Расчет трубчатых электронагревателей проводят по общей ме-
тодике (§ 3 и 4, гл. IV). Подробно этот вопрос рассматривается
в работе М. А. Миндина [15]. Здесь мы остановимся на последова-
тельности выбора ТЭНов заводского изготовления.
Мощность, которую можно снять с единицы поверхности трубки
ТЭНа (удельная нагрузка), зависит от условий его работы, мате-
риала трубки и материала наполнителя. В таблице 8 приведены
допустимые значения удельной нагрузки для некоторых случаев
использования ТЭНов. Для особо тяжелых условий и при необхо-
димости длительного использования нагревателей рекомендуемые
мощности следует уменьшать на 30—40%.
Зная полезную мощность Лтол, по формуле (41) находят по-
требную (расчетную) мощность Ррасч.
Выбрав затем из таблицы значение удельной нагрузки И7ДОП,
соответствующее условиям работы нагревателей, находят необхо-
димую активную поверхность (м2) всех нагревателей
р ______ * расч
аКТ - ЮГ доп
(182)
95
Таблица 8
Нагреваемая среда Характер и условия нагрева Материал трубки Допустимые удель- ные нагрузки для трубчатых элек- тронагревателей, Вт/см2
Вода • Нагревание, испарение Медь, латунь, нержавею- щая сталь Х18Н10Т 9—11
Воздух Нагрев в спокойной сре- де Стали 10—12 Латунь Х18Н10Т 1,2—1,8 2,3—5,0
Нагрев движущегося воздуха (калориферы) Стали 10—20 Х18Н10Т 4,5—5,0 4,5—5,5
Молоко Подогрев в емкости Х;18Н10Т 1,5—2,0
Лучистый обо- грев живот- ных и птицы С экранами при высоте подвеса не менее 1,5 м Х18Н10Т 5,0—6,0
Бытовые элект- роплитки Нагреватели залиты в металл конфорки Стали 10—20 5,0—7,0
Из приложения 3 или каталогов электрооборудования выбира-
ют нагреватель, соответствующий заданным условиям работы. Ак-
тивная поверхность одного нагревателя
А1акт = ж//акт10-3, (183)
где d, 1аКт — диаметр и активная длина нагревателя (мм и м).
Необходимое число нагревателей
п = (184)
F1 акт
Пример 7. Перед выпойкой телят необходимо подогревать молоко в бидоне
вместимостью 50 кг от 10 до 30° С. Подобрать ТЭНы, которые могли бы быть
встроены в крышку бидона в качестве переносного нагревателя. Высота бидона
0,7 м, время нагрева 30 мин. Средняя удельная теплоемкость молока в рассмат-
риваемом диапазоне температур 3,92 кДж/(кг-°С).
Потребная мощность нагревательного устройства
^расч —
50-^2 (30-.10). = 56 кВ
3600-0,5-0,85
где 0,85 — к. п. д. установки.
Для молока допустимая удельная нагрузка ТЭНов (табл. 8) W'SOn=2 Вт/см2.
Необходимая активная поверхность нагревателей
2 56-103
^акт= ’10 2 = 128 см2 = 0,128 м2.
96
Учитывая размер бидона, из приложения 3 выбираем нагреватели ТЭН-33,
имеющие развернутую длину /=1,27 м и d= 13,5 мм, активная длина (на 5%
меньше развернутой) /акт = 1,2м.
FaKT = 3,14-13,5-1,2 = 0,051 м2.
Необходимое число нагревателей
Принимаем три нагревателя с трубками из нержавеющей стали Х18Н10Т с
У-образным исполнением для возможности встраивания в крышку. Так как мощ-
ность нагревательного устройства больше 1 кВт, питание должно быть трех-
фазным.
При выборе ТЭНов следует обращать внимание на условия ра-
боты, особенно наличие влажности и агрессивных газов. В этом
отношении наиболее приемлемы ТЭНы с трубками из нержавеющей
стали или со специальными защитными покрытиями.
Стоимость ТЭНов с трубками из углеродистой стали составляет
2—2,5 руб. за 1 м длины или 1,5—3,0 руб. за 1 кВт мощности.,
ТЭНы с трубками из нержавеющей стали, предназначенные для
высоких температур, имеют стоимость 5 руб./м или 4 руб./кВт.
§ 8. Нагревательные провода и кабели
Нагревательные провода и кабели имеют токопроводящие жи-
лы из материала повышенного или высокого сопротивления и теп-
лостойкую изоляцию. Нередко используется голая стальная оцин-
кованная проволока. Эти провода применяют в низкотемператур-
ных процессах сельского хозяйства, где необходимо поддерживать
температуру не выше 30—40° С и где применение других нагрева-
тельных устройств затруднено по техническим и экономическим
причинам или условиям электробезопасности. Выпускаемые про-
мышленностью нагревательные провода типа ПОСХВ и ПОСХП
(провод обогревательный сельскохозяйственный с винилитовой или
полиэтиленовой изоляцией) имеют жилу из стальной оцинкованной
проволоки диаметром 0,85—1,2 мм и пластмассовую изоляцию.
Основные технические данные этих проводов приведены в таб-
лице 9.
Помимо отмеченных в таблице, промышленность выпускает
аналогичные по техническим данным провода марок ПОСХВ,
ПОСХВП, ПОСХБН, отличающиеся от приведенных видом элек-
трической изоляции.
Нагревательные кабели в отличие от проводов могут иметь до?
трех прямых токопроводящих жил из нихрома или константана/
Жилы изолированы асбестом, силиконом, окисью магния, пери<
клазом и другими теплостойкими материалами. Снаружи кабель
покрыт металлической оболочкой из свинца, меди, алюминия или
мягкой нержавеющей стали, предохраняющей от воздействия аг'-’
7-475 §7
Таблица 9
Провод Наружны й диаметр, мм Диаметр жилы, мм Материал жилы Изоляция 1 -т Допустимая ра- бочая темпера- тура жилы, °C Электрическое сопротивление 1 м провода при рабочей температуре, Ом Наибольшая удельная мощность, В т/м
посхв 2,9 1,1 Телеграфная катанка Полихлорвинил До 60 0,174 9—10
посхп 2,3 1,1 Телеграфная катанка Полиэтилен До 90 0,194 12—13
Стальная проволока 1,8— 5 1,8— 5 Сталь — До 300 0,15— 0,02 20—30
рессивных сред и механических повреждений. Нагревательные про-
вода таких защит не имеют, что необходимо учитывать при их
монтаже и использовании.
По сравнению с нагревательными проводами кабели выдержи-
вают большие токовые нагрузки и рабочие температуры. Кабели
с магнезитовой изоляцией и наружной оболочкой из хромонике-
левых сталей допускают температуры до 300—400° Сив некоторых
случаях заменяют ТЭНы. В отличие от последних кабели в процес-
се монтажа и эксплуатации можно без нарушения их качества из-
гибать, придавая им необходимую форму. Минимальный радиус
изгиба равен двум диаметрам кабеля, который находится в преде-
лах 7—10 мм.
Основные области применения нагревательных проводов и ка-
белей в сельскохозяйственном производстве:
1) обогрев почвы и воздуха в парниках и теплицах;
2) электрический обогрев пола в станках для свиноматок и по-
росят, в цыплятниках, коровниках, в траншеях, на доильных пло-
щадках и т. п.;
3) обогрев трубопроводов, например водопроводных вводов в
животноводческие помещения;
4) обогрев насестов для птицы.
Конструктивно нагревательные устройства из проводов выпол-
няют различно в зависимости от условий нагрева: укладывают не-
посредственно в нагреваемые среды (почву, пол и др.) в виде зиг-
загов, параллельных нитей и т. п., подвешивают на изоляторах
(для обогрева помещений), прокладывают в трубах (обогрев на-
сестов для птицы, обогрев почвы), укладывают под деревянные ре-
шетки на дно поилок (электроподогрев питьевой воды для живот-
ных) и т. д.
Расчет нагревательных устройств из проводов проводится на
основе общих положений (§ 3 и 4, гл. IV) и состоит из тепловой и
электрической частей.
98
Если нагревательная жила выполнена из стали, то принимают-
ся во внимание положения, приведенные в § 5, гл. IV. Задача рас-
чета состоит в определении необходимой длины провода (кабеля)
при известном его сечении, чтобы температура жилы не превысила
значений, допустимых для принятой в проводе изоляции.
Приближенный выбор необходимой длины провода и числа па-
раллельных ветвей проводят следующим образом. По известной
мощности нагрева Р (кВт) и допустимой удельной мощности АР
(Вт/м) (табл. 9) находят необходимую общую длину провода
L = —. (185)
ДР '
Основное условие надежной эксплуатации нагревательного про-
вода состоит в том, чтобы погонная мощность АР не превышала
допустимых значений. Это будет в том случае, если сила тока в
нем не превысит значения
(186)
где г — сопротивление 1 м провода, Ом.
Число параллельных секций г, на которые необходимо разде-
лить общую длину L, определяем следующим образом.
Мощность одной секции
Л = ^фЛ.
где 17ф — напряжение фазы, В.
Тогда
^PIO^^^PIOS AZ. (187)
Pj {/ф/i Рф У ДР
При обогреве трубопроводов потребную мощность определяют,
исходя из расчета 30—50 Вт на 1 м трубопровода. Необходимый
отрезок провода складывают пополам и наматывают- бифилярна,
чтобы витки не касались друг друга.
Пример 8. Определить общую длину нагревательного провода типа ПОСХП
для обогрева почвы в парнике. Мощность обогрева 3 кВт, питающее напряже-
ние 220 В.
Согласно таблице 9, берем ДР=10 Вт/м, тогда
3-103
L ~----- = 300 м.
10
Число параллельных секций по формуле (187)
7*
Принимаем и = 2, которому соответствует
(РЮ3)2 г 30002-0,194
ДР =-----------=--------------= 9 Вт/м.
{/2п2 2202-22
Уточненная длина провода
3-103
L =---------------------------------= 333 м.
9
§ 9. Инфракрасный нагрев. Электрические излучатели
Особенности инфракрасного нагрева. Инфракрасный нагрев яв-
ляется особым видом нагрева излучением. Особенность его состоит
в том, что максимальный эффект нагрева (или технологического
воздействия) достигается за счет выбора спектра излучения, лежа-
щего в инфракрасной области и в наибольшей степени соответст-
вующего оптическим свойствам нагреваемой среды (тела).
Инфракрасные лучи (ИКЛ) представляют собой электромаг-
нитные колебания с длиной волны 0,76—420 мкм. Они обладают
значительным тепловым воздействием, особенно в области длин
волн около 0,8 мкм. Из-за этого их иногда называют «тепловыми».
Однако никакими особыми тепловыми свойствами ИКЛ не облада-
ют. Поглощение любых электромагнитных волн связано с нагре-
вом поглощающей среды. Эффективность теплового воздействия
ИКЛ объясняется тем, что наибольшая поглощательная способ-
ность большинства веществ лежит в инфракрасной области спект-
ра, и простотой создания мощных потоков инфракрасных лучей.
Излучение является следствием преобразования тепловой энер-
гии тел в электромагнитные колебания. Молекулы и атомы тел при
температуре выше ОК совершают вращательные и колебательные
движения около некоторого положения равновесия. Эти колебания
передаются в окружающую среду в виде электромагнитных волн
(лучей). Явление это обратимо. Энергия, полученная телом в фор-
ме излучения, затрачивается на увеличение интенсивности дви-
жения атомов и молекул тела, то есть на повышение его темпе-
ратуры.
ИКЛ условно делят на коротковолновые, средневолновые и
длинноволновые. Коротковолновые ИКЛ занимают участок спект-
ра от 0,76 до 2,5 мкм. Они возникают при переходе внешних элек-
тронов с высшего энергетического уровня на низший. Средневолно-
вые (%=2,54-25 мкм) возникают вследствие колебательного дви-
жения молекул, длинноволновые (от 2,5 мкм и выше) являются
следствием вращательного движения молекул.
В основе инфракрасного нагрева лежат законы излучения тел,
подробно рассматриваемые в курсе «Электрическое освещение и
облучение».
Основным законом излучения тел является закон Планка,
устанавливающий зависимость спектральной интенсивности излу-
100
чения Ект абсолютно черного тела от длины волны X и температу-
ры Т
где Ci и С2 — постоянные, Ci =3,74-108 Вт-мкм4/м2, С2==
= 1,44-104 мкм-К.
Изотермы излучения абсолютно черного тела, построенные по
формуле (188), приведены на рисунке 26. Площадь, ограниченная
каждой из кривых и осью абсцисс, представляет собой полный по-
ток излучения черного тела при данной температуре. С повышени-
ем температуры тела происходит не только рост потока ИКЛ, но
и изменение его спектрального состава. Чем выше температура те-
ла Т, тем короче длина волны Хтах, соответствующая максимуму
излучения. Это положение составляет основное содержание з а -
кона Вина. Математическое выражение закона Вина нетрудно
получить из формулы (188), взяв производную дЕкт/дк и прирав-
няв ее нулю:
ХтахТ = 2896 МКМ-К. (189)
Закон Кирхгофа устанавливает связь между излучатель-
ной и поглощательной способностями тел. Для серого тела отноше-
ние излучательной способности ет к его поглощательной способно-
сти ат является функцией длины волны и температуры
^ = f(X,T). (190)
Излучательная способность различных тел при одинаковой тем-
пературе различна и зависит от степени черноты, то есть при оди-
наковом количестве подведенной тепловой энергии разные по при-
роде и состоянию тела дают неодинаковые потоки лучистой энер-
гии. Это необходимо учитывать при выборе материала излучателей.
Высокой излучательной способностью обладают стекло, окис-
ленная сталь, огнеупоры, фарфор; плохой — полированная сталь,
алюминий, особенно полированный и др.
Эффективность ИК — нагрева тем выше, чем выше поглоща-
тельная способность тел. Тела, обладающие высокой излучатель-
ной способностью, имеют и хорошую поглощательную способность.
Каждое вещество имеет свой ярко выраженный максимум погло-
щения и пропускания в определенном, иногда очень узком, диапа-
зоне волн. Так, оконное стекло полностью поглощает лучи с дли-
ной волны больше 5 мкм, но почти полностью пропускает лучи с
длиной волны короче 3 мкм и не нагревается ими. Лучи с длиной
волны 0,76—1,4 мкм вызывают глубокий прогрев тела животных,
а более длинноволновые лучи вызывают нагрев лишь поверхно-
стных слоев кожи. Чистый воздух не поглощает инфракрасные лу-
чи, а влажный значительно ослабляет лучистый поток, особенно
101
Л, мим
Рис. 26. Спектральное распределение
интенсивности излучения абсолютно
черного тела при различных значени-
ях температуры.
длинноволновую его часть. На-
личие влаги в материалах во
многом определяет их погло-
щательную способность. Чис-
тая вода интенсивно поглоща-
ет длинноволновые ИКЛ. При
температуре излучения 700°С
в поверхностном слое воды по-
глощается более 90% энергии,
а при облучении лампой с тем-
пературой нити накала 2500°С
в поверхностном слое поглоща-
ется только 35% энергии.
Таким образом, при помо-
щи инфракрасных лучей можно
осуществлять избирательный
(селективный) нагрев не одно-
родной по составу облучаемой
среды. Те из составляющих
среды, которые в наибольшей
степени поглощают падающие
на них лучи, будут и в наи-
большей степени нагреваться,
тогда как другие могут оста-
ваться холодными или нагре-
ваться мало. Например, при об-
лучении зерна инфракрасными
лучами с длиной волны 2,7—
3,7 мкм достигается наилучший эффект дезинсекции. Амбарные
вредители нагреваются гораздо интенсивнее зерна и погибают от
теплового удара. Для сушки необходимы лучи с длиной волны 3,7—
5,5 мкм, более глубоко проникающие в зерно.
Закон Стефана — Больцмана устанавливает количе-
ственную зависимость для интегрального излучения абсолютно
черного тела. Аналитическое выражение Стефана — Больцмана по-
лучается из основного закона излучения Планка (188) при интег-
рировании правой части в пределах изменения X от 0 до оо:
Ет = С £, т dX = Щ Т*.
о
В таком виде закон Стефана — Больцмана использовался нами
в § 3 настоящей главы в формуле (140).
Как видно, плотность потока инфракрасных лучей пропорцио-
нальна четвертой степени температуры излучателя (нагревателя).
Все тела, температура которых выше нуля К, испускают ИКЛ.
Но мощные потоки ИКЛ могут быть получены лишь от излучате-
102
лей с температурой не ниже 800 К. Инфракрасный нагрев, как осо-
бый вид нагрева, характеризуется следующими особенностями.
1. При нагреве однородных материалов инфракрасными луча-
ми, соответствующими по длине волны максимуму поглощательной
способности материалов, достигается чрезвычайно высокая интен-
сивность нагрева с высоким энергетическим к. п. д.
При температуре излучателей более 800 К инфракрасные лучи
позволяют передавать гораздо большие мощности по сравнению с
конвективным и контактным нагревами. Это объясняется тем, что
при конвективном и контактном нагревах передаваемая мощность
зависит от температуры нагревателя (разности температур нагре-
вателя и нагреваемого материала) в первой степени согласно фор-
мулам (П5) и (116), а при инфракрасном нагреве — в четвертой
степени по формуле (142).
2. Инфракрасный нагрев обладает избирательностью теплового
воздействия. Подбирая спектр излучения, соответствующий опти-
ческим свойствам отдельных составляющих неоднородного по со-
ставу материала, можно осуществлять их селективный нагрев.
Примером этому является упоминавшаяся выше инфракрасная де-
зинсекция зерна.
3. Инфракрасные лучи можно фокусировать при помощи раз-
личных отражателей и экранов. Это позволяет осуществлять на-
правленное воздействие лучей и создавать высокие концентрации
тепловых потоков на небольших площадках.
4. Инфракрасные лучи, как и другие электромагнитные коле-
бания, распространяются в веществе на глубину их проникновения
со скоростью света. Следовательно нагрев вещества осуществляет-
ся сразу на всю глубину проникновения в отличие от последова-
тельного нагрева от слоя к слою при других способах теплопере-
дачи. Это очень важное свойство используется при сушке сельско-
хозяйственных продуктов, электрической изоляции, лакокрасочных
покрытий и т. п.
Однако эти преимущества инфракрасного нагрева проявляют-
ся лишь тогда, когда толщина нагреваемых слоев невелика, так
как лучи проникают в среды на сравнительно малую глубину. Так,
глубина проникновения в тело животных составляет 2—5 мм, в зер-
но— 1—2 мм, сырой картофель — 6 мм, хлеб (при выпечке) —
7 мм, кварцевый песок—5 мм. Поэтому инфракрасный нагрев при-
меняется там, где требуется быстрый и интенсивный нагрев мате-
риалов на небольшую глубину. В сельскохозяйственном производ-
стве — это обогрев молодняка животных и птицы, сушка сельско-
хозяйственных продуктов (зерна, чая, хмеля и др.) дезинсекция
зерна, сушка лакокрасочных покрытий, электрической изоляции,
обогрев обслуживающего персонала в местах непродолжительного
пребывания (например, на доильных площадках в зимнее время)
и т. д.
Электрические излучатели. Эффективность лучистого нагрева
в значительной степени зависит от рационального выбора излуча-
103
телей, которые являются наиболее важными элементами установок
инфракрасного нагрева.
Основные требования, предъявляемые к излучателям, сводятся
к следующему.
1) максимальное соответствие длины волны лучистого потока
поглощательной способности объектов нагрева;
2) безопасность в обслуживании и в пожарном отношении;
3) простота и надежность в работе.
В естественных условиях мощным источником инфракрасных
лучей является Солнце, в спектре которого содержатся в основном
коротковолновые лучи с длиной волны от 0,76 до 5 мкм. На их до-
лю приходится основная часть солнечной тепловой энергии, посту-
пающей на Землю.
Технические излучатели условно принято делить на темные и
светлые. Темные излучатели имеют сравнительно невысокую тем-
пературу (до 700° С) и испускают длинно- и средневолновые лучи
(от 3 мкм и выше). Светлые излучатели нагреваются до темпера-
туры свечения и испускают большую долю коротковолновых
лучей.
В качестве светлых излучателей нередко используются
обычные лампы накаливания, в которых до 86% всей подведенной
к ним энергии преобразуется в инфракрасное излучение. Снижая
на 10—15% подводимое к ним напряжение, можно еще более уве-
личить долю инфракрасных лучей и продлить срок службы ламп.
Рис. 27, Эпюры энергетической облу-
ченности, создаваемой лампой ИКЗ
мощностью 250 Вт при высоте под-
веса:
7—10 см; 2 — 20 см; 3 — 30 см; 4 — 48 см;
5 — 50 см; 5 — 60 см; 7 — 80 см.
0290
Рис. 28. Инфракрасный облу-
чатель ИКО-2 с зеркальной
лампой ИКЗ:
/ — патрон; 2 — лампа; 3 —стража-
тель; 4 — сетка.
104
Специальные лампы-термоизлучатели типа ИКЗ отличаются от
обычных ламп накаливания формой колбы и пониженной темпера-
турой нити накала. Их выпускают на напряжение 127 и 220 В мощ-
ностью 250—500 Вт. Колбы имеют параболическую форму, верх-
няя внутренняя поверхность их покрыта слоем серебра для отра-
жения и концентрации лучистого потока в нужном направлении.
Температура нити накала составляет 2200°С (против 2900°С у
ламп накаливания), что увеличивает срок службы до 2000 ч
(у ламп накаливания примерно 750 ч). Основная часть энергии из-
лучается с длиной волны от 0,8 до 3,5 мкм, максимум излучения
приходится на длину волны 1,05 мкм. Эпюры энергетической облу-
ченности, создаваемой лампой ИКЗ мощностью 250 Вт при разной
высоте подвеса, приведены на рисунке 27.
Для защиты от механических повреждений и капель воды, улуч-
шения использования лучистого потока и концентрации его в нуж-
ном направлении лампы-термоизлучатели используют со специаль-
ной арматурой (облучателями) или светильниками. Лампы типа
ИКЗ нередко оборудуют светильниками «Универсаль» или инфра-
красными облучателями типа ИКО (рис. 28) и используют для
обогрева молодняка животных и птицы, сушки различных мате-
риалов.
Инфракрасные лампы-термоизлучатели ИКЗК-220-250 предна-
значены для обогрева молодняка животных и птицы. По конструк-
ции они аналогичны лампам типа ИКЗ, но имеют колбу из цветного
стекла, создающего наиболее целесообразный для животных
спектр излучения. Мощность ламп 250 Вт, питающее напряжение
220 В. Монтируют их с той же арматурой, что и лампы ИКЗ, в част-
ности с облучателями ИКО-4. При высоте подвеса 1,8 м облучае-
мая поверхность от лампы ИКЗК составляет 0,75 м2. Одной лампы
достаточно для обогрева 100 цыплят, одного станка в свиноматоч-
никах или одного теленка на ферме.
Колбы из обычного стекла обладают невысокой термостойко-
стью (не выше 100—150°С). Стекло пропускает лучи с длиной вол-
ны до 3 мкм, а более длинноволновые поглощает. Вследствие зна-
чительного нагрева в колбе возникают температурные перенапря-
жения, особенно в местах спая стекла с металлом цоколя, что
нередко является причиной их выхода из строя. Особенно опасно
попадание на горячую колбу влаги, поэтому в животноводческих
помещениях их нельзя использовать без светильников или облуча-
телей, защищающих от капель сконденсировавшейся влаги.
Этих недостатков лишены кварцевые лампы, представляющие
собой трубки из кварцевого стекла, внутри которых находится
вольфрамовая спираль. Кварц обладает высокой термостойкостью,
не чувствителен к резким перепадам температур и атмосферным
осадкам. Лампы имеют инертный наполнитель, позволяющий под-
держивать температуру спирали до 2500° С. Мощности потока, соз-
даваемые такими лампами, в десятки раз превышают мощность от
обычных ламп-термоизлучателей.
105
Рис. 29. Кварцевая инфракрасная лампа КИ-220-1000:
/ — кварцевая трубка; 2 — тело накала (вольфрамовая спираль);
3 — вольфрамовые поддержки; 4 — выводы.
На рисунке 29 показана кварцевая инфракрасная лампа
КИ-220-1000 на 220 В, 1000 Вт. Лампа представляет собой цилинд-
рическую кварцевую колбу диаметром 10 мм и длиной 370 мм,
вдоль оси которой на вольфрамовых поддержках расположена
вольфрамовая спираль. Наполнителем служит аргон с добавкой
йода, который увеличивает срок службы лампы (до 5000 ч) и обес-
печивает стабильность потока излучения. Температура тела накала
составляет 2500° С, а стенок трубки — 500—700° С. Основная часть
энергетического потока (78%) излучается в области спектра 0,77—
3 мкм.
Преимущества ламп-излучателей в их малой инерционности —
они не требуют времени для разогрева, их легко заменить в уста-
новках, они дают спектр излучения, который во многих случаях
является наиболее целесообразным для обогрева молодняка и суш-
ки материалов.
Лампы-термоизлучатели выбирают, опираясь на законы свето-
техники и теплопередачи. Для установившегося режима нагрева
необходимая энергетическая облученность на расчетной поверхно-
сти приближенно может быть определена из уравнения теплового
баланса _
lE = aF(t~t0), (191)
где Е — расчетная энергетическая облученность, Вт/см2;
£— коэффициент поглощения лучистого потока нагре-
ваемым материалом;
а—коэффициент теплоотдачи от нагреваемого тела,
Вт/(см2-°C);
— р
F — —---отношение полной поверхности тела к облучаемой;
t, %—установившаяся температура тела и температура
окружающей среды, °C.
Необходимое число ламп
(192)
PjPu
106
где Pt—мощность одной лампы, Вт;
Р=0,7-ь0,8 — энергетический к. п.д. лампы;
ы=0,7н-0,85—коэффициент эффективности использования
ламп, зависящий от размера помещения и высо-
ты подвеса;
£ = ,25—коэффициент запаса.
Над облучаемой поверхностью лампы размещают так, чтобы
расстояние между ними I отвечало следующим условиям:
при коридорном расположении
1 = V 1Г ’ (193)
при шахматном расположении
/ = 0,93|/^. (194)
Пример 9. Определить число ламп типа ИКЗК, которое необходимо устано-
вить в электробрудере для обогрева площадки в 2 м2 в цыплятнике.
Необходимая облученность Е для цыплят зависит от их возраста и темпе-
ратуры помещения. Для цыплят в возрасте до 30 дней при внутренней темпера-
туре помещения от 15 до 25° С необходимая облученность изменяется в преде-
лах от 500 до 100 Вт/м2. Примем наибольшую облученность 500 Вт/м2, мощность
ламп ИКЗК 250 Вт, тогда, согласно равенству (192),
1,1-500-2
п =---------= 7,
250-0,75-0,8
где р = 0,75, u = 0,8, k= 1,1.
Проверим возможность размещения ламп под брудером для шахматного рас-
положения:
Г 250-0,8
I = 0,93 Л/ ----— ~ 0,59 м.
V 500
Размещаем одну лампу в центре брудера, а остальные в вершинах правиль-
ного шестиугольника со стороной 0,59 м. Такое число ламп необходимо для бру-
дера открытого типа. В зонтичных брудерах потребное число ламп уменьшается.
К недостаткам ламп следует отнести сравнительно малый срок
службы из-за боя колб и перегорания нити накала, необходимость
в повышенных мерах предосторожности во избежание ожогов и по-
жаров. Возникновение пожаров возможно при попадании на кол-
бы легко воспламеняющихся материалов (соломы, подстилки
и т.п.).
В качестве темных излучателей, генерирующих ИКЛ в
диапазоне 3—5 мкм, используются открытые спирали из нихрома
на керамических стержнях, а также трубчатые электронагревате-
ли. Недостаток открытых спиралей состоит в том, что в контакте
с воздухом они быстро выходят из строя.
Из темных излучателей наиболее надежны и эффективны
ТЭНы. Температура трубки (из хромоникелевой стали) может до-
107
стигать 700° С, при этом труб-
ка излучает ИКЛ с длиной
волны 4—5 мкм. Спираль в
ТЭНах работает без доступа
воздуха и имеет лучшие усло-
вия теплоотдачи, поэтому срок
службы увеличивается в не-
сколько раз, достигая 1.0 тыс.
часов. ТЭНы устойчивы к ме-
ханическим повреждениям и
менее опасны в пожарном от-
ношении. Для концентрации
лучистого потока их снабжают
рефлекторными отражателями
параболической формы из ано-
дированного алюминия, отра-
жающими до 90% падающих
на них лучей. Это увеличивает
коэффициент полезного исполь-
зования мощности и создает
более равномерный нагрев об-
лучаемой поверхности.
Для ИК-обогрева молодня-
ка животных и птицы исполь-
зуют специальные темные излучатели с ТЭНами типа ОКБ. Их вы-
пускают одно- и трехфазными с различной арматурой.
На рисунке 30 показан общий вид инфракрасного излучателя
ОКБ-1376А. В верхней части кожуха излучателя укреплены три
ТЭНа по 400 Вт каждый, схема соединения Y/A, питающее на-
пряжение 380/220 В. Каждый нагреватель имеет свой выключатель,
расположенный на защитном кожухе.
Помимо ТЭНов, в качестве излучателей используются керами-
ческие трубки, нагреваемые изнутри спиралями. Температура по-
верхности трубок достигает 600° С. Они дешевле ТЭНов, так как
для них не требуются легированные стали.
ГлаваУ
ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАГРЕВ
§ 1. Свойства и характеристики электрической дуги
Электрическая дуга — это устойчивый самостоятельный элек-
трический разряд в газах или парах металлов, характеризующийся
высокой плотностью тока и низким значением катодного падения
напряжения. Прохождение электрического тока в ионизированных
газах не сопровождается электролизом, поэтому для дугового на-
грева используется и переменный, и постоянный ток.
108
Электрическая дуга характеризуется высокой плотностью теп-
ловой энергии, передаваемой нагреваемому телу потоком ускорен-
ных в электрическом поле ионов и концентрированным инфракрас-
ным излучением столба дуги. Имея температуру от 5000 до
12 000° С, дуга способна плавить и испарять самые тугоплавкие ме-
таллы и сплавы.
Возбуждение дуги происходит при первоначальном касании
электродов. В момент короткого замыкания в месте соприкоснове-
ния электрода и детали происходит большое выделение тепловой
энергии, которое приводит к расплавлению металла в месте кон-
такта. При отводе электрода расплавленные мостики металла рас-
тягиваются, сечение их уменьшается, а температура возрастает.
При дальнейшем отводе электрода происходит испарение металла
и термическая ионизация паров металла и молекул газа. Положи-
тельные ионы устремляются к катоду, а электроны и отрицательные
ионы — к аноду — возникает электрическая дуга. Потоки заряжен-
ных частиц, разгоняясь в электрическом поле, запасают кинетиче-
скую энергию и при падении на соответствующие электроды разо-
гревают их. Катоду сообщается меньше энергии, чем аноду, так как
длина свободного пробега положительных ионов меньше, чем элек-
тронов. Кроме того, часть энергии потока положительных ионов
расходуется на совершение работы выхода электронов с катода,-
Поэтому катод по сравнению с анодом нагревается меньше (темпе-
ратура достигает 2500—3500° С при угольных электродах и 2300—
2400°С при металлических).
После возбуждения дуги устойчивость ее горения поддержива-
ется за счет совокупного воздействия ионизации соударением, фо-
тоионизации, термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Основ-
ную роль играет ионизация соударением, сущность которой состоит1
в следующем. Электроны покидают катод вследствие разогрева
потоком падающих на него положительных ионов, инфракрасного
излучения дуги и воздействия электрического поля. Эти электроны
называют первичными. Ускоряясь в электрическом поле, они при-
обретают запас кинетической энергии и при соударении с нейтраль-
ными молекулами газа или паров металла ионизируют их. Полу-
чающиеся при этом электроны являются вторичными.
При недостаточном запасе кинетической энергии соударение
приводит лишь к возбуждению нейтральных молекул, которые,
возвращаясь в устойчивое состояние, излучают полученную энер-
гию в виде инфракрасных, ультрафиолетовых и видимых лучей.
При соударении разнородных по знаку ионов происходит их ре-
комбинация с образованием нейтральных атомов и молекул и выде-
лением затраченной на их ионизацию энергии в форме электромаг-
нитных излучений.
Для поддержания устойчивости эмиссии с электродов в их со-
став вводят материалы, имеющие малые потенциалы ионизации,
например окись тория ТЬОг, или покрывают соответствующими
обмазками.
109
Таким образом, горение электрической дуги сопровождается
следующими эффектами, обусловливающими области ее приме-
нения:
1) большим выделением тепла на электродах. На этом основана
техника электродуговой сварки и плавка металлов в электродуго-
вых печах прямого нагрева;
2) высокоинтенсивным инфракрасным излучением. Это свой-
ство используется в электродуговых печах косвенного нагрева;
3) мощным потоком видимого света. Это свойство дуги исполь-
зуется в электродуговых осветительных приборах (прожекто-
рах);
4) интенсивным ультрафиолетовым излучением. Как генератор
ультрафиолетовых лучей электрическая дуга не используется вслед-
ствие низкого энергетического к. п. д.
В сельском хозяйстве электродуговой нагрев используется в
электросварочных установках, без которых немыслимы нормальная
эксплуатация и ремонт техники, производство строительных ра-
бот и др.
Полная мощность дуги (кВт)
Р = пд/ю-3,
где — напряжение дуги, В;
I— сила тока дуги, А.
Эффективная мощность дуги
^эф = f/дЧф 10~3,
где т|Эф — эффективный к. п. д. электродугового нагрева, представ-
ляющий собой отношение количества тепловой энергии, введенной
дугой в изделие, к тепловому эквиваленту электрической мощ-
ности дуги.
Применительно к процессам сварки открытой дугой металличе-
скими электродами т]Эф изменяется в пределах 0,70—0,85; при свар-
ке под флюсом — 0,80—0,95; при сварке угольными электродами —
0,50—0,75.
Электрическая дуга классифицируется по следующим основным
признакам.
1. По роду среды, в которой происходит дуговой разряд:
а) открытая дуга, горящая в воздухе;
б) закрытая дуга, горящая под флюсом;
в) дуга, горящая в среде защитных газов.
2. По роду тока:
а) дуга постоянного тока;
б) дуга переменного тока;
в) дуга трехфазного тока.
Сварочная дуга постоянного тока бывает прямой полярности и
обратной. При прямой полярности к электроду подводят отрица-
ло
тельный полюс источника питания, а к детали — положительный.
При этом на аноде (детали) выделяется большее количество тепло-
ты, необходимое для расплавления основного металла. При обрат-
ной полярности плюс источника питания подается на электрод, а
минус — на деталь.
Электрическая дуга, как газовый проводник, по длине не одно-
родна и состоит из трех последовательных участков, различающих-
ся длиной и характером протекающих в них процессов: катодной
области, столба дуги и анодной области. Общая длина дуги сла-
гается из длин трех областей (рис. 31):
Лд = £к + Лс + Ла, (195)
где LK— длина катодной области;
Lc — длина столба дуги;
Аа—длина анодной области.
На столб дуги приходится основная доля длины дуги. В длин-
ных дугах Lx~Lc.
Общее напряжение на дуге слагается из падений напряже-
ний в отдельных областях дуги (рис. 31):
ил = ик + ис + ия, (196)
где UK—падение напряжения в катодной области;
Uo— падение напряжения в столбе дуги;
Ua— падение напряжения в анодной области.
Ток дуги вытекает из электрода и втекает в другой электрод
через так называемые активные пятна, которые являются наиболее
нагретыми частями электродов и носят название соответственно
катодного и анодного пятен.
Катодная область дуги расположена вблизи катода, ее
длина около 10~s м, что приближенно равно длине свободного про-
бега электрона. Катодное падение напряжения создается за счет
объемного прикатоднрго заряда положительных ионов и составляет
примерно. 10—20 В. Средняя напряженность электрического поля
катодной области зависит от потенциала ионизации газа и состав-
ляет от 107 В/м и выше, что обеспечивает возможность протекания
автоэлектронной эмиссии с катодного пятна.
Температура катодного пятна у металлических электродов при-
ближается к температуре кипения материала электродов.
Термоэлектронная эмиссия возникает при температуре не ниже
2500° С. Для большинства металлов температура катодного пятна
ниже и недостаточна для обеспечения заметной термоэлектронной
эмиссии, исключение составляет вольфрам. Таким образом, в об-
щем случае с катода возможна автоэлектронная и термоэлектрон-
ная эмиссия электронов.
В столбе дуги электроды и отрицательные ионы движутся
к аноду, положительные ионы — к катоду. В целом столб дуги элек-
111
трически нейтрален, так как положительные и отрицательные заря-
ды компенсируют друг друга. Высокая температура столба дуги
поддерживается в основном за счет упругих соударений электронов
с молекулами и атомами газа. Плотность тока в дуговом столбе
достигает десятков и сотен А/мм2, напряженность электрического
поля Е по длине столба дуги остается практически постоянной, по-
этому падение напряжения в столбе дуги пропорционально его
длине
UZ — ELZ. (197)
Для длинных дуг
lj\^Uz = ELz. (198)
Температура столба дуги зависит от состава газовой смеси, ма-
териала и диаметра электродов, плотности тока. Приближенно
температура столба дуги может быть определена по формуле
К. К. Хренова
Тс = 81(Х7эф, (199)
где /7эф — эффективный потенциал ионизации газовой среды стол-
ба, эВ.
Потенциал ионизации определяет энергию в электронвольтах,
необходимую для- освобождения электрона от связи с атомным
ядром. Значение Ч/Оф для некоторых элементов приведено в табли-
це 10.
Анодная область непосредственно примыкает к аноду.
Длина ее больше катодной области и составляет 10~5—10-6 м, а на-
пряженность электрического поля меньше, чем в катодной области.
Анодное падение напряжения создается за счет отрицательного
объемного заряда, создаваемо-
Рис. 32. Статическая вольт-амперная
характеристика электрической дуги.
Рис. 31. Распределение напряжения
по длине электрической дуги:
/ — изделие; 2 —столб дуги; 3 — электрод.
112
Таблица 10
Элемент Уэф- э В
N 14,51
О 13,57
Fe 7,83
Al 5,95
С 11,24
Электроны, падающие на анод, отдают ему не тольно запас ки-
нетической энергии, приобретенной в электрическом поле, но и
энергию выхода, полученную на катоде, поэтому нагрев и темпера-
тура анода выше, чем катода. Энергия, выделяемая на аноде, ча-
стично расходуется на испарение материала анода, пары которого
составляют значительную долю газовой среды дугового проме-
жутка.
Дуга представляет собой газовый проводник с током, который
может изменять свою форму и положение под действием собствен-
ного поля и сторонних магнитных полей. Воздействие магнитных
полей на дугу проявляется в сжатии дуги и смещении оси от перво-
начального положения (магнитное дутье). На' деформацию дуги
оказывают заметное влияние ферромагнитные массы, находящиеся
вблизи дуги.
К основным параметрам электрической дуги, характеризующим
ее свойства, относится воль т-а мперная характеристика,
представляющая собой зависимость падения напряжения на дуге
от значения тока.
Электрическая дуга вместе с источником питания образует вза-
имно связанную систему, которая может работать в статическом
или динамическом режиме.
Работа в статическом режиме соответствует условиям медлен-
ного изменения силы тока при неизменных длине дуги и внешних
воздействиях (давлении, температуре и др.).
Статический режим характерен тем, что при медленных измене-
ниях тока параметры дуги (сечение дуги, температура, степень
ионизации) успевают прийти в каждый момент времени в состоя-
ние, соответствующее новому значению тока.
Работа в динамическом режиме протекает при быстрых измене-
ниях тока или условий окружающей среды, когда параметры дуги
не успевают за изменением тока.
Соответственно режимам работы различают статическую и дина-
мическую вольт-амперные характеристики электрической дуги. Ди-
намическая характеристика дуги значительно отличается от стати-
ческой.
Применительно к процессам электросварки достаточно ограни-
читься рассмотрением только статической характеристики.
8—475 ИЗ
Аналитически статическая вольт-амперная характеристика дуги
выражается зависимостью
= а + bLR 4- , (200)
где а={7к+£7а — сумма катодного и анодного падений напря-
• жения;
b—удельное падение напряжения в газовом столбе,
отнесенное к 1 мм длины дуги (зависит от газо-
вого состава столба дуги);
£д — длина дуги, мм;
с—мощность (Вт), необходимая для вырывания
электрона из катодного пятна и зависящая от
материала электродов;
d—мощность (Вт), затрачиваемая на прохождение
электронного потока через газовый промежуток
дуги длиной 1 мм.
Графически зависимость (200) изображена на рисунке 32. Ста-
тическая характеристика дуги условно делится на три области:
область I (малых токов — до 80—100 А), область II (средних то-
ков —80—800 А) и область III (больших токов — от 800 А и выше).
Как видно из рисунка 32, при малых (область I) и больших
(область III) токах напряжение дуги зависит от тока, а при средних
токах (область II) напряжение дуги при изменении тока остается
почти неизменным.
В области I увеличение тока сопровождается снижением напря-
жения дуги, то есть вольт-амперная характеристика имеет падаю-
щий вид.
Это объясняется тем, что с увеличением тока возрастает пло-
щадь сечения и электропроводность столба дуги, а плотность тока
и напряженность электрического поля уменьшаются.
В области II напряжение дуги с увеличением тока почти не из-
меняется, так как площадь поперечного сечения столба дуги увели-
чивается пропорционально току. Статическая характеристика дуги
жесткая, соответствующая устойчивому горению дуги. Дуга с жест-
кой характеристикой имеет наибольшее распространение в свароч-
ной технике.
При больших токах (область III) возрастание тока не сопро-
вождается пропорциональным ростом катодного пятна, ограничен-
ного размерами торца электрода, — характеристика дуги получает-
ся возрастающей. Дуга с такой характеристикой используется при
сварке под флюсом и в защитных газах.
Форма вольт-амперной характеристики дуги имеет большое зна-
чение .при проектировании и выборе источников питания, обеспечи-
вающих стабильное горение дуги и высокое качество сварки.
В дуге переменного тока катод и анод периодически, с частотой
тока меняются местами. Устойчивость дуги снижается вследствие
114
угасания ее при каждом переходе тока через нуль. Это приводит к
снижению температуры дугового промежутка и деионизации газо-
вой смеси. Повторное зажигание дуги в начале следующего полупе-
риода происходит при достижении определеного напряжения, до-
статочного для зажигания дуги. Поэтому горение дуги является
прерывистым и неустойчивым. Для повышения устойчивости дуги
необходимо более высокое напряжение питания по сравнению с
дугой постоянного тока. Устойчивость дуги повышается при вклю-
чении в сварочную цепь индуктивности.
Статическая вольт-амперная характеристика устойчивой дуги
переменного тока для действующих значений тока и напряжения
подобна характеристике дуги постоянного тока.
§ 2. Параметры источников сварочного тока
Источники сварочного тока должны обеспечить устойчивое го-
рение дуги, стабильность режимов сварки, безопасность обслужи-
вания установок.
Эти требования выполняются надлежащим выбором параметров
источников питания: напряжения холостого хода, внешней харак-
теристики, способа регулирования сварочного тока.
Напряжение холостого хода выбирают из условия надежного
зажигания дуги и безопасности обслуживания.
Повышение напряжения облегчает зажигание дуги, но одновре-
менно увеличивает опасность поражения сварщика. Кроме того,
повышение напряжения холостого хода источников питания дуги
переменного тока (сварочных трансформаторов) приводит к воз-
растанию тока намагничивания и снижению costp.
Напряжение зажигания дуги переменного Тока составляет
50—55 В, следовательно, напряжение холостого хода не может
быть ниже этого значения. Верхний предел значений UQ ограничи-
вается условиями безопасности и составляет 60—75 В, а для сва-
рочных трансформаторов на 2000 А оно не должно превышать
90 В.
Зажигание дуги постоянного тока происходит при более низких
напряжениях, порядка 30—40 В. Напряжение холостого хода ис-
точников питания постоянного тока-находится в пределах 45—90 В.
Внешняя характеристика источников сварочного тока —это за-
висимость напряжения на его выходных зажимах Ди от силы тока
нагрузки I:
По характеру этой зависимости внешняя характеристика мо-
жет быть (рис. 33): 1) падающей; 2) жесткой; 3) возраста-
ющей.
Дуга и источник питания образуют систему, которая будет на-
ходиться в устойчивом равновесии, если случайные изменения
8*
115
Рис. 33. Типы внешних характери-
стик источников питания дуги:
/ — падающая; 2 —жесткая; 3— воз-
растающая.
Рис. 34. Совмещенные внешняя
характеристика источника питания
(/) и вольт-амперная характери-
стика дуги (2).
силы тока будут с течением времени уменьшаться, то есть система
будет возвращаться в исходное состояние.
Условие устойчивости в статическом режиме сводится к тому,
чтобы разность производных напряжений по току статических ха-
рактеристик дуги и источника питания в рабочей точке была по-
ложительной
дУл дии\
д/ di ,
р
Условие (201) выполняется, если при падающей характеристи-
ке дуги внешняя характеристика источника питания будет более
падающей, а при возрастающей характеристике дуги внешняя ха-
рактеристика источника — менее возрастающей.
На рисунке 34 показаны совмещенные падающие характери-
стики источника питания 1 и дуги 2. В момент касания электродом
детали по сварочной цепи протекает ток короткого замыкания, со-
ответствующий точке а. При отводе электрода возникает дуга, на-
пряжение возрастает по кривой 1 до точки б, соответствующей
устойчивому горению дуги. '
Падающая внешняя характеристика используется в аппаратах
ручной сварки, где необходимо обеспечить устойчивость дуги и ма-
лое -изменение сварочного тока при изменении длины дуги. Изме-
нение напряжения вследствие изменения длины дуги на величину
&U (рис. 34) приводит к незначительному изменению сварочного
тока на А/.
116
Падающая внешняя характеристика обеспечивает небольшую
кратность тока короткого замыкания, которая не должна превы-
шать 1,4. При больших токах короткого замыкания источник пита-
ния испытывает большие перегрузки, а качество сварки и безо-
пасность обслуживания из-за разбрызгивания металла ухудша-
ются.
Источники с жесткой и возрастающей характеристиками ис-
пользуются для сварки под флюсом и в среде защитных газов (ар-
гон, углекислый газ).
В большинстве случаев более целесообразна падающая внеш-
няя характеристика источника питания. В источниках сварочного
тока она создается за счет падения напряжения в самом источ-
нике или в отдельном сопротивлении, включаемом в сварочную
цепь.
В общем случае уравнение внешней характеристики является
нелинейным и имеет вид
= (202)
где Uo—напряжение холостого хода источника питания;
гэ—полное эквивалентное сопротивление источника пита-
ния вместе с дополнительным сопротивлением;
/д—ток дуги.
Регулирование сварочного тока необходимо при сварке деталей
различной толщины. Для этого источники питания снабжают уст-
ройствами ступенчатого или плавного регулирования сварочного
тока, обеспечивающими возможность работы на различных харак-
теристиках (рис. 35).
Рис. ЗЭ.Внешние характеристики источников питания дуги при
регулировании сварочного тока:
а —изменением напряжения холостою хода Uo; б —изменением экви-
валентного сопротивления z^.
117
Режим работы источников сварочного тока, работающих в пре-
рывистом режиме, характеризуется относительной продолжитель-
ностью работы ПР, представляющей собой долю времени непре-
рывной работы под нагрузкой от продолжительности всего рабо-
чего цикла. Обычно ПР выражается в процентах
ПР% = —Ее_ 100 = ЕЕр 100, (203)
Тр тр Тц
где тр — время непрерывной работы под нагрузкой;
тп — время паузы;
тц — время рабочего цикла.
Еслщисточник питания в период паузы отключается от сети,
то говорят не о продолжительности работы ПР, а о продолжи-
тельности включения ПВ, которая определяется аналогично фор-
муле (203).
Относительная продолжительность работы ПР — это паспорт-
ный параметр источника питания, который следует учитывать при
выборе источника и его эксплуатации. Превышение ПР против
паспортного приводит к перегреву и выходу из строя сварочного
оборудования.
При работе источника в неноминальном режиме допустимый
ток определяют из соотношения
<204>
где индекс «н» относится к номинальным параметрам, а «д» — к
параметрам действительного режима. В длительном режиме ПР =
= 100%.
§ 3. Источники сварочного тока
Сварочные трансформаторы. Сварочные трансформаторы
представляют собой источники переменного сварочного тока —
это наиболее распространенные установки дуговой сварки.
Сварка дугой переменного тока менее качественна, чем на по-
стоянном токе, однако сварочные трансформаторы дешевле и про-
ще в эксплуатации. В сельском хозяйстве это наиболее распро-
страненное сварочное оборудование.
Сварочные трансформаторы представляют собой одно- или
трехфазные понижающие трансформаторы со вторичным напря-
жением холостого хода 60—75 В, рассчитанные на большие сва-
рочные токи. Они могут быть однопостовыми — для питания только
одного рабочего места и многопостовыми—-для питания одно-
временно нескольких сварочных дуг. Однопостовые трансформато-
ры обычно имеют падающую внешнюю характеристику, а много-
постовые —жесткую.
118
Рис. 36. Принципиальные электрические схемы сварочных трансформаторов для
ручной сварки:
а —с. нормальным магнитным рассеянием и отдельным регулирующим дросселем (ти-
па СТЭ); б — однокорпусного исполнения со встроенным дросселем (типа СТН); в —о уве-
личенным магнитным рассеянием (типа ТС); г — с магнитным шунтом (типа СТАН); / -—пер-
вичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3—обмотка регулирующего дросселя; 4 — подвиж-
ный пакет магнитопровода; Ш — магнитный шунт; Э — электрод; И— изделие.
Первичные обмотки однофазных трансформаторов выполняют
обычно на 380 В, а трехфазных — на сетевое напряжение
380/220 В.
Падающая внешняя характеристика создается за счет повы-
шенного магнитного рассеяния в самом трансформаторе или в от-
дельном реакторе (дросселе).
В трансформаторах с н о р м ал ь н ы м магнитным рассея-
нием (типа СТЭ, СТН, ТСД) в сварочную ц?пь включают дрос-
сель с регулируемым воздушным зазором магнитопровода
(рис. 36,а). Трансформаторы типа СТЭ выпускают в двухкорпус-
ном исполнении с дросселем в отдельном корпусе.
Трансформаторы типа СТН имеют однокорпусное исполнение с
дросселем, встроенным в основной магнитопровод (рис. 36,6).
При одинаковой мощности трансформаторы типа СТН более ком-
пактны и имеют меньший вес.
Дроссели выполняют и функции регуляторов сварочного тока.
При увеличении воздушного зазора магнитное сопротивление
дросселя увеличивается, следовательно, уменьшается индуктивное
сопротивление катушки дросселя и полное эквивалентное сопро-
119
тивление гэ. Из выражения (202) следует, что сила сварочного то-
ка будет возрастать. При уменьшении воздушного зазора свароч-
ный ток уменьшается и при 6=0 достигает минимального зна-
чения.
Каждому значению воздушного зазора соответствует своя
внешняя характеристика.
Ступенчатое регулирование тока осуществляется изменением
включения обмоток с параллельного на последовательное и обрат-
но при наличии в первичной и вторичной обмотках по две катушки
или изменением числа активных витков вторичной обмотки. При
этом будет изменяться и напряжение холостого хода Uo. Крат-
ность регулирования сварочного тока находится в пределах от
1 :2 до 1:4. Большие пределы имеют трансформаторы на малые
сварочные токи.
В трансформаторах с у в ел и ч е н н ы м магнитным рас-
сеянием падающая внешняя характеристика создается за счет
повышенной индуктивности рассеяния в самом трансформаторе.
Трансформаторы типа ТС и ТСК имеют стержневой магнитопро-
вод с подвижными вторичными обмотками (рис. 36,в). Крутизну
характеристики и силу сварочного тока регулируют изменением
расстояния между первичными и вторичными обмотками. При
раздвижении обмоток магнитная связь между ними уменьшается.,
а потоки рассеяния и индуктивное сопротивление обмоток увеличи-
ваются, следовательно, ток уменьшается. При сближении обмоток
ток увеличивается. Каждому положению вторичных обмоток соот-
ветствует своя внешняя характеристика. В трансформаторах типа
ТСК для повышения коэффициента мощности параллельно пер-
вичной обмотке включены компенсирующие конденсаторы.
В трансформаторах типа СТАН, ТСШ повышенное рассеяние
создается за счет магнитных шунтов, представляющих собой
подвижные средние стержни (пакеты), встроенные в стержневые
магнитопроводы трансформаторов (рис. 36,г). Обмотки распола-
гаются на крайних стержнях. При перемещении магнитного шунта
изменяется магнитная связь между обмотками (за счет шунтиро-
вания части магнитного потока), а следовательно, индуктивное со-
противление обмоток и крутизна внешней характеристики.
Для многопостовой сварки (рис. 37) используются однофазные
или трехфазные трансформаторы с жесткой внешней характери-
стикой. Каждый сварочный пост оборудуется собственным регу-
лятором тока типа РСТ.
При большом объеме сварочных работ на одном рабочем месте
можно вести сварку трехфазной дугой двумя электродами. Элект-
роды подключают к двум фазам трехфазного трансформатора, а
деталь — к третьей фазе.
В каждой фазе устанавливают регулятор тока. В этом случае
одновременно горят три дуги: две между каждым из электродов
и деталью, третья — между электродами. Сварка трехфазной ду-
гой по сравнению со сваркой однофазной дугой обладает следую-
120
щими преимуществами: большей производительностью, меньшим
расходом электроэнергии, более высоким коэффициентом мощно-
сти, равномерной загрузкой фаз.
Осцилляторы. Для повышения устойчивости сварочной дуги
переменного тока, особенно при сварке на малых токах, применя-
ются специальные аппараты — осцилляторы. Осциллятор пред-
ставляет собой маломощный искровой генератор, преобразующий
ток низкого напряжения промышленной частоты в ток высокой
частоты (150—500 кГц) высокого напряжения (2500—6000 В).
Высокочастотные колебания подводятся к дуговому промежут-
ку сварочного аппарата. Высокое напряжение способствует облег-
чению возбуждения и стабилизации дуги, а высокая частота дела-
ет этот ток безопасным для сварщика.
Принципиальная схема простейшего осциллятора ОС-1 при-
ведена на рисунке 38.
Осциллятор состоит из искрового колебательного контура, об-
разованного конденсатором С1, индуктивностью L1 и разрядни-
ком Р.
Контур получает питание от повышающего трансформатора
Тр2. Возникающие в контуре колебания передаются в сварочную
цепь через индуктивность связи L2, от которой высокое напряже-
ние высокой частоты подается на дуговой промежуток. Для пред-
отвращения попадания в сварочную цепь тока высокого напряже-
ния промышленной частоты вклю-
Рис. 37. Принципиальная схема мно-
гопостовой сварки:
1 — трансформатор; 2 — дроссели постовые;
3 — сварочные дуги.
чен конденсатор С2. Мощность,
расходуемая в осцилляторе, не
велика (15—20 Вт), но она доста-
точна для успешного зажигания
и стабилизации сварочной дуги.
Рис« 38. Схема включения осциллятора
ОС-1 в сварочную цепь:
Тр! — трансформатор сварочный; Др — дрос-
сель; Тр2 — повышающий трансформатор ос-
циллятора; Р — разрядник; С1 — конденсатор
контура; С2 — конденсатор защитный; L1—ка-
тушка контура; L2 — катушка связи.
121
Источники постоянного сварочного тока. Источниками питания
постоянного тока являются вращающиеся сварочные преобразова-
тели (генераторы) и сварочные выпрямители. На рисунке 39 при-
ведены принципиальные электрические схемы наиболее распро-
страненных сварочных генераторов.
По первой схеме (рис. 39, а) выполняются генераторы с неза-
висимым возбуждением и размагничивающей последовательной
обмоткой.
Обмотка независимого возбуждения НО питается от сети пере-
менного тока через селеновый выпрямитель. Размагничивающая
последовательная обмотка РО имеет две секции и включается по-
следовательно с обмоткой якоря.
Магнитные потоки обмотки независимого возбуждения Фн и
размагничивающей обмотки Фр направлены навстречу друг дру-
гу. Результирующий магнитный поток равен их разности
Ф — Ф :---- Ф
^рез ^Р’
При холостом ходе Фр — 0 и ФРез«=Фн, а э. д. с. на зажимах ге-
нератора
Е = сФн, (205)
где с — постоянная, определяемая конструктивными особенностя-
ми генератора.
При увеличении тока в сварочной цепи возрастает поток Фр, а
результирующий поток Фрез и напряжение на зажимах генератора
снижаются — так создается падающая внешняя характеристика.
Силу сварочного тока регулируют реостатом Р в цепи обмотки
Рис. 39. Принципиальные электрические схемы сварочных генераторов:
а— независимого возбуждения с размагничивающей последовательной обмоткой; б — с на-
магничивающей параллельной н размагничивающей последовательной обмотками; в —с рас-
щепленными полюсами; Г — якорь генератора; Р — реостат; НО — обмотка независимого
возбуждения; РО— размагничивающая обмотка; НГ— намагничивающая обмотка главных
полюсов; НП — намагничивающая обмотка поперечных полюсов.
122
q-
-220u/tu o
Рис. 40. Принципиальная электрическая схема сварочного выпрями-
теля ВСС-300:
Р —магнитный пускатель; РВ — реле контроля вентиляции; В — пакетный
выключатель; М — двигатель вентилятора; П — доска переключений; Тр — по-
нижающий трансформатор; Вп — селеновый выпрямитель; С—защитный кон-
денсатор.
независимого возбуждения и переключением секций последова-
тельной обмотки.
Генераторы с намагничивающей параллельной и размагничи-
вающей последовательной обмотками (рис. 39, б) и с расщеплен-
ными полюсами (рис. 39, в) близк-и к описанному по принципу
действия и имеют сходные с ним технологические и экономиче-
ские показатели.
Сварочные выпрямители по сравнению с вращающимися сва-
рочными генераторами имеют более высокий к. п. д. и меньшую
массу, проще и надежнее в эксплуатации. Для выпрямления то-
ка используются селеновые или кремниевые полупроводниковые
вентили, включаемые по одно- или трехфазной мостовой схеме.
Трехфазная схема выпрямления обеспечивает более высокую
устойчивость горения сварочной дуги и равномерную загрузку
фаз питающей сети. Сварочные выпрямители в зависимости от на-
значения могут иметь падающую или жесткую характеристику.
В универсальных установках можно получить оба вида характери-
стик. Напряжение к выпрямителям подводится от понижающих
трансформаторов. В выпрямителях с крутопадающими внешними
характеристиками (типа ВСС — с селеновыми вентилями, ВКС —
с кремниевыми вентилями) трансформаторы обладают повышен-
ным магнитным рассеянием, обеспечивающим создание семейства
падающих внешних характеристик. На рисунке 40 приведена прин-
ципиальная схема сварочного выпрямителя ВСС-300. Силу свароч-
ного тока регулируют изменением расстояния между обмотками
трансформатора и переключением обмоток со «звезды» на «тре-
угольник».
123
Г л а в a VI
ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ
§ 1. Особенности индукционного нагрева
Индукционный нагрев осуществляется в переменном магнит-
ном поле. Проводники, помещенные в поле, нагреваются вихревы-
ми токами, наводимыми в них по законам электромагнитной ин-
дукции.
Интенсивный нагрев можно получить лишь в магнитных полях
высокой напряженности и частоты, которые создаются специаль-
ными устройствами — индукторами (индукционными нагревателя-
ми), питаемыми от сети или индивидуальных генераторов токов
высокой частоты (рис. 41). Индуктор является как бы первичной
обмоткой воздушного трансформатора, вторичной обмоткой кото-
рого служит нагреваемое тело.
В зависимости от применяемых частот установки индукционно-
го нагрева разделяются следующим образом:
а) низкой (промышленной) частоты (50 Гц);
б) средней (повышенной) частоты (до 10 кГц);
в) высокой частоты (свыше 10 кГц).
Деление индукционного нагрева по частотным диапазонам дик-
туется техническими и технологическими соображениями. Физиче-
ская сущность и общие количественные закономерности для всех
частот одинаковы и основываются на представлениях, изложен-
И — индуктор;
а цилиндрический; б <— петлевой для нагрева плоских деталей;
Д — деталь.
124
ных в § 2 главы I, о поглощении проводящей средой энергии
электромагнитного поля.
Частота оказывает существенное влияние на интенсивность и
характер нагрева. Это видно из выражений (11) и (14). Так, при
частоте 50 Гц и напряженности магнитного поля 3000—5000 А/м
удельная мощность нагрева не превышает 10 Вт/см2, а при высо-
кочастотном (ВЧ) нагреве мощность достигает сотен и тысяч
Вт/см2. При этом развиваются температуры, достаточные для
плавления самых тугоплавких металлов.
Вместе с тем, чем выше частота, тем меньше глубина проникно-
вения токов в металл и, следовательно, тоньше нагреваемый слой,
и наоборот. На высоких частотах осуществляют поверхност-
ный нагрев. Снижая частоту и увеличивая тем самым глубину
проникновения тока, можно осуществить глубинный или даже
сквозной нагрев, одинаковый по всему сечению тела. Таким об-
разом, выбирая частоту, можно получить необходимый по техно-
логическим условиям характер нагрева и его интенсивность. Воз-
можность нагрева изделий практически на любую толщину — одно
из основных преимуществ индукционного нагрева, который широ-
ко используется для поверхностей закалки деталей и инстру-
мента.
Поверхностное упрочнение после индукционного нагрева значи-
тельно повышает износостойкость изделий по сравнению с тепло-
вой обработкой в печах. Индукционный нагрев успешно применя-
ется также для плавки, термической обработки, деформации ме-
таллов и в других процессах.
§ 2. Индукторы (индукционные нагреватели)
Индуктор — это рабочий орган установки индукционного на-
грева. Эффективность нагрева тем выше, чем ближе вид испускае-
мой индуктором электромагнитной волны к форме нагреваемой
поверхности. Вид волны (плоская, цилиндрическая и др.) опреде-
ляется формой индуктора.
Конструктивное оформление индукторов зависит от формы на-
греваемых тел, целей и условий нагрева. Простейший индуктор
представляет собой изолированный проводник, помещенный
внутрь металлической трубы, вытянутый или свернутый в спи-
раль. При пропускании по проводнику тока промышленной часто-
ты в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. В сельском хо-
зяйстве предпринимались попытки использовать этот принцип для
обогрева почвы в закрытом грунте, насестов для птицы и др.
В индукционных водонагревателях и пастеризаторах молока
(работы по ним не вышли пока за рамки экспериментальных об-
разцов) индукторы выполняют по типу статоров трехфазных эле-
ктродвигателей. Внутрь индуктора помещен металлический сосуд
цилиндрической формы. Вращающееся (или пульсирующее при
однофазном исполнении) магнитное поле, создаваемое индукто-
125
Рис. 42. Индуктор для закалки лемехов:
а — индуктор; б *• лемех.
ром, наводит в стенках сосуда вихревые токи и нагревает их. От
стенок тепло передается находящейся в сосуде жидкости.
При индукционной сушке древесины штабель досок переклады-
вают металлическими сетками и помещают (закатывают на специ-
альной тележке) внутрь цилиндрического индуктора из проводни-
ков большого сечения, намотанных на каркас из изоляционного
материала. Доски нагреваются от металлических сеток, в которых
индуктируются вихревые токи.
Приведенные примеры поясняют принцип установок косвенно-
го индукционного нагрева. К недостаткам таких установок отно-
сятся низкие энергетические показатели и малая интенсивность
нагрева. Низкочастотный индукционный нагрев достаточно эффек-
тивен при прямом нагреве массивных металлических заготовок и
определенном соотношении между их размерами и глубиной про-
никновения токов (см. § 3 настоящей главы).
Индукторы высокочастотных установок выполняют неизолиро-
ванными, они состоят из двух основных частей — индуктирующего
провода, при помощи которого создается переменное магнитное
поле, и токоподводов для подключения индуктирующего провода
к источнику электрической энергии.
Конструктивное выполнение индуктора ’ может быть весьма
разнообразным. Для нагрева плоских поверхностей используются
плоские индукторы, цилиндрических заготовок — цилиндрические
(соленоидные) индукторы и т. п. (рис. 41). Индукторы могутиметь-
сложную форму (рис. 42), обусловленную необходимостью кон-
центрации электромагнитной энергии в нужном направлении, под-
вода охлаждающей и закалочной воды и пр.
Для создания полей высокой напряженности по индукторам
пропускают большие токи, исчисляемые сотнями и тысячами ам-
пер. В целях снижения потерь индукторы изготавливают с возмож-
но малым активным сопротивлением. Несмотря на это, они все же
интенсивно нагреваются как собственным током, так и за счет теп-
лопередачи от заготовок, поэтому их оборудуют принудительным
охлаждением. Индукторы обычно выполняют из медных трубок
круглого или прямоугольного сечения, внутри которых пропуска-
ется проточная вода для охлаждения.
126
§ 3. Энергетические соотношения системы индуктор — изделие
Удельная поверхностная мощность. Излучаемая индуктором
электромагнитная волна падает на металлическое тело и, погло-
щаясь в нем, вызывает нагрев. Мощность потока энергии, проте-
кающего через единицу поверхности тела, определяется форму-
лой (11)
ДР = ------H20e~2kz.
2 а
Удельную мощность на поверхности тела можно получить, под-
ставив в приведенное выражение z=0; — =р и значение k из
а
формулы (14) с учетом выражения (15). После преобразования
получаем (Вт/м2)
ДР^КГ3 //о|/рЙЛ (206)
В практических расчетах пользуются размерностью ДР в
Вт/см2, тогда
ДР 1СГ* Hl /рй/, (207)
где Но — в А/см; р — в Ом • см.
Величина j/pu/ носит название к о э ф ф и ц и е н т а поглоще-
ния мощности. Выразим ДР через ампер-витки индуктора.
С известным приближением напряженность магнитного поля Но
можно представить в виде произведения действующего значения
тока индуктора I и числа витков w0 на 1 см его высоты:
Яо = ]/27t0o.
Подставив полученное значение Но в формулу (207), получим
ДР^2-Ю~4(7и>0)2/^. (208)
Таким образом, мощность, выделяемая в изделии, пропорцио-
нальна квадрату ампер-витков индуктора и коэффициенту погло-
щения мощности. При неизменной напряженности магнитного по-
ля интенсивность нагрева тем больше, чем больше удельное сопро-
тивление р, магнитная проницаемость материала ц и частота
тока f.
Формула (208) справедлива для плоской электромагнитной
волны (см. § 2 главы I). При нагреве цилиндрических тел в соле-
ноидных индукторах картина распространения волн усложняется.
Отклонения от соотношений для плоской волны тем больше, чем
меньше отношения r/za, где г — радиус цилиндра, — глубина
проникновения токов.
127
Рис. 43. Функции Берча для вычис-
ления мощности, выделяющейся в на-
греваемом цилиндре и индукторе.
В практических расчетах все
же пользуются простой зависи-
мостью (208), вводя в нее попра-
вочные коэффициенты — функции
Берча, зависящие от отношения
' r/za (рис. 43). Тогда
ДР«2-1О-4(/и.’о)2 VwfF(rlza).
(209)
К. п.д. индукционного нагре-
ва. С известным приближением
можно считать, что напряжен-
ность магнитного поля у поверх-
ности заготовки и проводников
индуктора одинакова (в действи-
тельности у поверхности индукто-
ра она выше). При таком допу-
щении активную мощность, вы-
деляемую в индукторе (мощность
потерь), можно определять по формуле, аналогичной (209). Обо-
значая величины, относящиеся к изделию и индуктору,
ственно индексами «а» и «и», имеем
ЛРа ~ 2-10”1 (М)2 ИрПй Fa (rjza),
ДРИ ~ 2 1О-4 (/к>0)2 ИМ Fa (rjza).
Принимая высоту изделия и индуктора одинаковой,
отношение полных мощностей Ра и Ри, которые пропорциональны
в этом случае радиусам га и ги, где ги — внутренний радиус ци-
линдрического индуктора:
соответ-
(2Ю)
(211)
возьмем
Ра______Га ра ца Ра (га/za)
Ри
(212)
И”Ри Fи(ги/Za)
Формула (212) справедлива для сплошного индуктора без за-
зоров между витками. При наличии зазоров потери в индукторе
возрастают. При возрастании частоты функции Fa(ra/za) и
стремятся к единице (рис. 43), а отношение мощностей—
к пределу ____
(213)
liiY] _ га 1 / EsJi®.
v и ~ гв г Ри
Формула позволяет получить предельное значение к. п. д. ин-
дукционного нагрева для соленоидного индуктора и цилиндра
1 (214)
Лтах
_£и
Га
Ри
Ра Ра
128
Из выражения (214) следует, что к. п. д. уменьшается с увели-
чением воздушного зазора и удельного сопротивления материала
индуктора. Поэтому индукторы выполняют из массивных медных
трубок или шин. Как следует из выражения (214) и рисунка 43,
значение к. п.д. приближается к своему пределу уже при rjz&>
>54-10. Это позволяет найти частоту, обеспечивающую достаточ-
но высокий к. п. д. Воспользовавшись приведенным неравенством
и формулой (15) ^ля глубины проникновения га, получим
/>(0,6 ^2,5)107(215)
рг2
Следует отметить, что простые и наглядные зависимости (214)
И (215) справедливы лишь для ограниченного числа сравнительно
простых случаев индукционного нагрева.
Коэффициент мощности индуктора. Коэффициент мощности на-
гревательного индуктора определяется соотношением активного
и индуктивного сопротивлений системы индуктор — изделие. При
высокой частоте активное и внутреннее индуктивное сопротивления
изделия равны, так как фазовый угол между векторами Е и Н со-
ставляет 45° и | ДР| = |Д<2| (§ 2, гл. I). Следовательно, максималь-
ное значение коэффициента мощности
cos ф = ——А-—- = -4г = 0,707. (216)
- V ЬРг + AQ2 1/2
Однако к внутренней индуктивности изделия добавляется еще
индуктивность, обусловленная наличием магнитного потока в воз-
душном зазоре между индуктором и изделием. Поэтому действитель-
ное значение cos<p всегда меньше 0,707 и при нагреве высокими
частотами вычисляется по формуле
503 рр
cos ф = - = ———^^7 , (217)
2 а ]/2 а f
где а — воздушный зазор между индуктором и изделием, м.
Таким образом, коэффициент мощности зависит от электриче-
ских свойств материала изделия, воздушного зазора и частоты.
С увеличением воздушного зазора возрастает индуктивность рас-
сеяния и коэффициент мощности снижается.
Коэффициент мощности обратно пропорционален корню квад-
ратному из частоты, поэтому необоснованное завышение частоты
снижает энергетические показатели установок. Всегда следует
стремиться к уменьшению воздушного зазора, однако здесь суще-
ствует предел, обусловленный пробивной напряженностью воздуха.
В процессе нагрева коэффициент мощности не остается постоян-
ным', так как р и р (для ферромагнитов) изменяются с изменением
температуры. В реальных условиях коэффициент мощности уста-
9—475
129
новок индукционного нагрева редко превышает значение 0,3, сни-
жаясь до 0,1—0,01. Для разгрузки сетей и генератора от реактив-
ных токов и повышения cos<p параллельно индуктору обычно вклю-
чают компенсирующие конденсаторы.
§ 4. Режимы и оптимальная частота высокочастотного
индукционного нагрева
Основными параметрами, характеризующими режимы индукци-
онного нагрева, являются частота тока и к. п. д. В зависимости от
применяемых частот условно различают два режима индукцион-
ного нагрева: глубинный нагрев и поверхностный.
Глубинный нагрев («малыми частотами») осуществляется при
такой частоте /, когда глубина проникновения га примерно равна
толщине нагреваемого (закаливаемого) слоя хк (рис. 44,а). На-
грев происходит сразу на всю глубину слоя хк; скорость нагрева
выбирают такой, чтобы передача тепла теплопроводностью в глубь
тела была незначительной.
Поскольку в этом режиме глубина проникновения токов га срав-
нительно большая (za»xIt), то, согласно формуле (15), частота
тока индуктора должна быть относительно низкой («малой»).
Нагрев сразу всего слоя хк требует сравнительно большой мощ-
ности генератора. Такой режим целесообразен при поточном про-
изводстве в условиях высокой загрузки оборудования.
Поверхностный нагрев («большими частотами») проводят на
сравнительно высоких частотах. При этом глубина проникновения
токов za значительно меньше толщины нагреваемого слоя хк
(рис. 44,6). Прогрев на всю толщину хк происходит за счет тепло-
проводности металла. При нагреве по этому режиму требуются
меньшие мощности генератора (на рисунке 44 полезная мощность
Рис, 44. Распределение температуры от поверхности в глубь тела при
глубинном (а) и поверхностном (б) индукционном нагреве.
130
пропорциональна заштрихованным площадям, имеющим двойную
штриховку), но время нагрева и удельный расход электроэнергии
возрастают. Последнее связано с прогревом за счет теплопровод-
ности глубинных слоев металла. К.п.д. нагрева, пропорциональ-
ный отношению площадей с двойной штриховкой ко всей площади,
ограниченной кривой t и осями координат, во втором случае ниже.
Вместе с тем следует отметить, что прогрев до определенной темпе-
ратуры слоя металла толщиной р, лежащего за слоем закалки и
называемого переходным слоем, совершенно необходим для на-
дежной связи закаленного слоя с основным металлом. При поверх-
ностном нагреве этот слой толще и связь надежнее.
При значительном понижении частоты нагрев становится вооб-
ще неосуществимым, так как глубина проникновения будет очень
большой и поглощение энергии в изделии незначительным.
Индукционным способом можно осуществлять как глубинный,
так и поверхностный нагрев. При внешних источниках тепла (плаз-
менный нагрев, в электропечах сопротивления) глубинный нагрев
невозможен.
По принципу работы различают два вида индукционного на-
грева: одновременный и непрерывно-последовательный.
При одновременном нагреве площадь индуктирующего провода,
обращенная к нагреваемой поверхности изделия, примерно равна
площади этой поверхности, что позволяет одновременно нагревать
все ее участки. При непрерывно-последовательном нагреве изделие
перемещается относительно индуктирующего провода, и нагрев от-
дельных его участков происходит по мере прохождения рабочей
зоны индуктора.
Выбор частоты. Достаточно высокий к. п. д. может быть полу-
чен лишь при определенном'соотношении между размерами тела и
частотой тока. О выборе оптимальной частоты тока упоминалось
выше. В практике индукционного нагрева частоту выбирают по
эмпирическим зависимостям.
При нагреве деталей под поверхностную закалку на глубину
хк (мм) оптимальную частоту (Гц) находят из следующих зависи-
мостей: для деталей простой формы (плоские поверхности, тела
вращения)
/ = ±121, (218)
Х2К
для деталей сложной формы
/ = (219)
хк
При сквозном нагреве стальных цилиндрических заготовок диа-
метром d (мм) необходимую частоту определяют по формуле
f = ±221 . (220)
9;
131
Рис. 45. Изменение уделадой мощ-
ности, выделяемой в стали, в про-
цессе нагрева под закалку.
же температура нагрева под
давлением 1000—1200° С, то
физических свойств металлов
В других случаях соответст-
вующие зависимости можно най-
ти в литературе [3].
В процессе нагрева удельное
сопротивление металлов р воз-
растает. У ферромагнетиков (же-
лезо, никель, кобальт и др.) с по-
вышением температуры снижает-
ся значение магнитной проницае-
мости ц. При достижении точки
Кюри магнитная проницаемость
ферромагнетиков падает до 1, то
есть они теряют свои магнитные
свойства (§ 2, гл. III). Обычная
закалку 800—1000° С, под обработку
есть выше точки Кюри. Изменение
с изменением температуры приводит
к изменению коэффициента поглощения мощности и удельной по-
верхностной мощности (209), поступающей в изделие в процессе
нагрева (рис. 45). Вначале вследствие возрастания р удельная мощ-
ность АР увеличивается и достигает максимального значения
АРтах= (1,2-у1,5) АРнач, а затем вследствие потери сталью маг-
нитных свойств падает до минимального АРтт- Для поддержания
нагрева в оптимальном режиме (с достаточно высоким к. п. д.) ус-
тановки снабжают устройствами согласования параметров генера-
тора и нагрузки, то есть возможностью регулирования режима на-
грева.
Если сравнивать сквозной нагрев заготовок под пластическую
деформацию индукционным способом и электроконтактным спосо-
бом (оба относятся к прямому нагреву, см. гл. III), то можно ска-
зать, что по расходу электроэнергии электроконтактный нагрев
целесообразен для длинных заготовок сравнительно небольшого
сечения, а индукционный — для короткомерных заготовок относи-
тельно больших диаметров.
§ 5. Расчет индукторов
Строгий расчет индукторов довольно громоздок и связан с при-
влечением дополнительных полуэмпирических данных. Мы рас-
смотрим упрощенный расчет цилиндрических индукторов для по-
верхностной закалки, основываясь на полученных выше зависи-
мостях.
Тепловой расчет. Из рассмотрения режимов индукционного на-
грева следует, что одну и ту же толщину закаленного слоя хк мож-
но получить при различных значениях удельной мощности ДР и
длительности нагрева т. Оптимальный режим определяется не
только толщиной слоя хк, но и величиной переходной зоны 0, свя-
зывающей закаленный слой с глубинными слоями металла.
, 132
Рис. 46. Зависимость длительности
нагрева от толщины закаливаемого
слоя.
Рис. 47. Зависимость средней удель-
ной мощности от толщины закалива-
емого слоя.
При отсутствии устройств регулирования мощности генератора
характер изменения удельной мощности, потребляемой стальным
изделием, изображен графиком, приведенным на рисунке 45. В про-
цессе нагрева величина рц изменяется и к концу нагрева, после
перехода через точку Кюри, резко уменьшается. Происходит как бы
самовыключение стального изделия, что обеспечивает высокое ка-
чество закалки без пережогов. При наличии регулирующих уст-
ройств мощность АР может быть равной или даже меньше АРтщ
(рис. 45), что позволяет за счет удлинения процесса нагрева умень-
шать удельную мощность, требуемую для данной толщины закали-
ваемого СЛОЯ Хк.
Графики режимов нагрева под поверхностную закалку для уг-
леродистых и малолегированных сталей при толщине переходной
зоны, составляющей 0,3—0,5 от закаливаемого слоя, приведены на
рисунках 46 и 47.
Выбрав значение АР, нетрудно найти мощность, подводимую
к индуктору,
Ри = АР^А'_10~3 t .(221)
Пн
где da — диаметр изделия, см;
Ли—высота индуктора (см), принимаемая на 10—20% боль-
ше ширины закаливаемого слоя;
т]и — к. п. д. индуктора (рис. 48).
133
Колебательная мощность генера-
тора
р __ ,и
г
Птр
где "Птр — к. п. д. высокочастотного
(закалочного) трансформатора.
Мощность, потребляемая из сети,
(223)
(222)
Рис. 48. Зависимость к. п. д. уста-
новок индукционного нагрева от
диаметра заготовок:
1 — к. п. д. индуктора; 2—к.п.д. высо-
кочастотного трансформатора; 3—к. п. д.
генератора; 4 — общий к. п. д.
ГПОТр —
'Пг 'Птр 1]г
где т]г — к. п. д. генератора (рис. 48).
Потребляемая мощность генера-
тора (равная при номинальной за-,
грузке установленной) может быть,
согласно выражению (43), опреде-
лена по удельному расходу электроэнергии а (кВт-ч/т) и произво-
дительности G (т/ч):
Гпотр — Ga.
Удельный расход электроэнергии (кВт-ч/т) при индукционном
нагреве определяют по следующим формулам:
для сквозного нагрева
__ Ai
3,6(1 — Р) т)г т)тр цг
для поверхностного нагрева
йпов ----------------------- 2
3,62И3(1-₽)ОИТ)ТРТ)Г%П
где Аг— приращение теплосодержания заготовки в результате
нагрева, кДж/кг;
D—плотность материала заготовки, кг/м3;
М3— масса заготовки, кг;
S3— поверхность закаливаемого слоя, м2;
Р — угар металла (при индукционном нагреве 0,5—1,5%);
Лтп — к. п. д. передачи тепла за счет теплопроводности внутри
заготовки (при поверхностной закалке г]тп = 0,50).
Остальные обозначения объяснены выше.
Прймерные значения удельного расхода электроэнергии при ин-
дукционном нагреве: отпуск—1120, закалка — 250, цементация —
300, сквозной нагрев под механическую обработку — 400 кВт-ч/т.
Электрический расчет. В основе электрического расчета лежит
зависимость (208). Рассмотрим случай, когда глубина проникнове-
ния za значительно меньше размеров индуктора и детали, а рас-
134
стояние а между индуктором и изделием мало по сравнению с ши-
риной индуктирующего проводника в (рис. 41). Для этого случая
индуктивность Lc системы индуктор — изделие можно выразить по
формуле
Д = -4я1°~9 , (226)
где / — развернутая длина индуктирующего проводника.
Тогда ток индуктора
I = и" = и« в
и wLc 8л.210~9 alf '
Подставив значение тока в формулу (208) и имея в виду, что
1
— = w0,
в
после преобразования получим
U2
АР = 3,18 • 1010(рр)2 f 2 .
(228)
Формула (228) дает связь между удельной мощностью, элек-
трическими параметрами и геометрическими размерами индуктора,
физическими характеристиками нагреваемого металла. Принимая
за функцию размеры индуктора, получим
__i_ _i_ __з_
al= 1",78-105t/„ АР 2 (рц)1 f 4. . (229)
Для углеродистой стали можно принять: в холодном состоянии
р = 10-5 Ом-см, ц=100; в нагретом до 800°С состоянии р =
= 10-4 Ом-см, ц=1. Тогда формула (229) примет следующий вид:
для холодного состояния
1 з
al = 3,18-IV 1УикР 2f 4
(230)
для нагретого состояния
_ j_з_
al = 1,78 104 (7И АР 2 f 4. (231)
Значение Ди при поверхностной закалке находится в пределах
50—100 В, а при сквозном нагреве 100—250 В. Формулы (228),
(229) позволяют найти любую из входящих в них величин при из-
вестных других.
Коэффициент мощности индуктора
cos ср = —(232)
^/и
135
Рис. 49. Векторная диаграмма
индуктора.
обычно очень низок (§ 3, гл. VI).
Для повышения cos<p до норми-
руемого значения подключают
конденсаторные батареи, реак-
тивная мощность которых в 10—
20 раз превышает активную мощ-
ность установок.
Необходимую емкость компен-
сирующих конденсаторов при под-
ключении их непосредственно на
вход индуктора определяют сле-
дующим образом (рис. 49).
Компенсируемая реактивная
мощность индуктора
Д<2и = <21 —<?2 = ^(tgCPl— tg<p2)
(233)
должна быть равна реактивной мощности конденсаторов
AQK = AQb == <о CUl = 2nfCUl,
откуда
с = ^-4^-4^) , (234)
где Р— активная мощность индуктора, Вт;
Uа—напряжение на индукторе, В;
f — частота, Гц.
При подключении конденсаторов к первичной цепи высоко-
частотного трансформатора емкость конденсаторов должна быть
увеличена для компенсации реактивности трансформатора и сое-
диняющих проводников.
Пример. Рассчитать индуктор и выбрать высокочастотную установку для по-
верхностной закалки цилиндрических заготовок из углеродистой стали диаметром
=30 мм и высотой /га=90 мм. Глубина закаливаемого слоя хк=1 мм, на-
пряжение на индукторе £/и=Ю0 В. Находим рекомендуемую частоту по фор-
муле (218):
Останавливаемся на ближайшей из применяемых частот ( = 67 кГц.
Из графика (рис. 47) принимаем ЛР=400 Вт/см2.
По формуле (230) находим al для холодного состояния:
а/= 3.18-104 ———1---------------=38,2 см2..
К400 у7 (67-103)3
136
Принимаем а = 0,5 см, тогда диаметр индуктора
dH = 3 + 2-0,5 =4 см.
Длина индуктирующего проводника
38,2
I =----= 76,4 см.
0,5
Число витков индуктора
76,4
w =-----— = 6.
3,14-4
Высота индуктора
h = (1,1 =1,2) 9’« 10 см.
Мощность, подводимая к индуктору, по (221)
400-3,14-3-10-10~3
Рг = -----------•----- = 57 кВт,
0,66
где 0,66 — к. п. д. индуктора (рис. 48).
Колебательная мощность генератора
Ри 57
Рг =—- = — = 64,8 кВт.
Т)тр 0,88
Выбираем высокочастотную установку ЛПЗ-2-67М, имеющую колебательную
мощность 63 кВт и рабочую частоту 67 кГц (см. гл. XII).
§ 6. Генераторы токов высокой частоты
В технике индукционного нагрева используются токи низкой
(промышленной) частоты 50 Гц, средней частоты 150—10 000 Гц и
высокой частоты от 60 кГц до 100 МГц.
Токи средней частоты получают при помощи машинных генера-
торов или статических преобразователей частоты. В диапазоне
150—500 Гц используются генераторы обычного синхронного типа,
а выше (до 10 кГц) — машинные генераторы индукторного типа.
В последнее время машинные генераторы вытесняются более
надежными статическими преобразователями частоты, выполняе-
мыми на трансформаторах и тиристорах.
Токи высокой частоты от 60 кГц и выше получают исключитель-
но при помощи ламповых генераторов. Установки с ламповыми
генераторами используются для выполнения разнообразных опе-
раций термической обработки, поверхностной закалки, плавки ме-
таллов и др.
Не затрагивая теории вопроса, излагаемой в других курсах,
рассмотрим лишь некоторые особенности генераторов для нагрева.
Нагревательные генераторы выполняются, как правило, с са-
мовозбуждением (автогенераторы). По сравнению с генераторами
137
Рис. 50. Принципиальная электрическая схема лампового автогенератора для
индукционного нагрева:
Тр1 •— трансформатор анодный; Вп — выпрямитель на тиратронах; Пр — предохранитель;
ДСт — дроссель анодный; Л —лампа генераторная; С р — конденсатор разделительный;
Сг, Rr — конденсатор и сопротивление грндлика; Cl, L1 — конденсатор и индуктивность
анодного контура; L2— катушка связи; С2 — конденсатор нагревательного контура; Тр2—вы-*
сокочастотный трансформатор; И — индуктор; Д — деталь.
независимого возбуждения они проще по устройству и имеют луч-
шие энергетические и экономические показатели.
Схемы ламповых генераторов для нагрева принципиально не
отличаются от радиотехнических, но имеют некоторые особенности.
От этих схем не требуется строгая стабильность частоты, что
заметно их упрощает. Принципиальная схема простейшего генера-
тора для индукционного нагрева приведена на рисунке 50.
Основным элементом схемы является генераторная лампа.
В нагревательных генераторах чаще всего используются трехэлек-
тродные лампы, которые по сравнению с тетродами и пентодами
проще и обеспечивают достаточную надежность и устойчивость ге^
нерации. Нагрузкой генераторной лампы служит анодный колеба-
тельный контур, параметры которого индуктивность L и емкость С
подбираются из условия работы контура в резонансе на рабочей
частоте:
(00=-^г. (235)
Для собственной частоты эквивалентное резонансное сопротив-
ление контура 7?а является чисто активным
Яа = ^, (236)
ли
где R— приведенное сопротивление потерь контура.
Параметры контура R, L, С определяются с учетом изменений,
вносимых электрофизическими свойствами нагреваемых тел.
Питание анодных цепей генераторных ламп осуществляется по-
стоянным током от выпрямителей, собранных на тиратронах или
газотронах (рис. 50). Питание переменным током по экономиче-
ским соображениям применяется только для малых мощностей (до'
138
5 кВт). Вторичное напряжение силового (анодного) трансформато-
ра, питающего выпрямитель, составляет 8—10 кВ, выпрямленное
напряжение— 10—13 кВ.
Незатухающие колебания в автогенераторе возникают при на-
личии достаточной положительной обратной связи сетки с конту-
ром и выполнении определенных условий, связывающих парамет-
ры лампы и контура.
Коэффициент обратной сеточной связи
= (237)
ик
должен отвечать следующему аналитическому условию самовоз-
буждения автогенератора:
kc = D + -4- , (238)
5д г\а *
где Uc, UK, Ua —напряжения соответственно на сетке, колеба-
тельном контуре и аноде генераторной лампы;
D— проницаемость лампы;
8Д — динамическая крутизна анодно-сеточной ха-
рактеристики лампы.
Обратная сеточная связь в генераторах для индукционного на-
грева выполняется чаще всего по трехточечной схеме, когда сеточ-
ное напряжение берется от части индуктивности анодного или на-
гревательного контура. На рисунке 50 напряжение на сетку пода-
ется от части витков катушки связи L2, которая представляет
собой элемент индуктивности нагревательного контура.
Нагревательные генераторы в отличие от радиотехнических ча-
ще всего выполняются двухконтурными (рис. 50) или даже одно-
контурными. Двухконтурные генераторы легче настраиваются
в резонанс и более устойчивы в работе.
В генераторах возбуждаются колебания второго рода. Анодный
ток протекает через лампу импульсами, только в течение части
(7г—Уз) периода. Благодаря этому снижается постоянная состав-
ляющая анодного тока, уменьшается нагрев анода и повышается
к. п. д. генератора. Форму импульсов имеет и сеточный ток. Отсеч-
ка анодного тока (в пределах угла отсечки 0 = 70—90°) осущест-
вляется подачей на сетку постоянного отрицательного смещения,
которое создается падением напряжения на сопротивлении грид-
лика при протекании постоянной составляющей сеточного тока.
Генераторы для нагрева имеют изменяющуюся в процессе на-
грева нагрузку, вызванную изменением электрофизических свойств
нагреваемых материалов. Чтобы обеспечить работу генератора
в оптимальном режиме, характеризуемом наибольшими значения-
ми отдаваемой мощности и к. п. д., установки оборудуют устройст-
вами согласования нагрузки. Оптимальный режим достигается под-
139
бором соответствующего значения коэффициента обратной сетча-
той связи kc и выполнением условия
= R3, (239)
где Ra — эквивалентное сопротивление (оптимальная нагрузка) ге-
нераторной лампы, зависящее от типа и режима лампы, напряже-
ния источника питания и коэффициента обратной связи kc, опреде-
ляемое по формуле
7?э = -^а..~-^.с + £с) , (240)
где Еа—напряжение источника питания;
Ес— постоянное смещение на сетке;
/Э1 —первая гармоника анодного тока.
Для согласования нагрузки в схемах предусматривается воз-
можность регулировать резонансное сопротивление контура Да и
изменять напряжение на сетке Uc. Изменение этих величин дости-
гается введением в контур дополнительных емкостей или индук-
тивностей и переключением анодного, катодного и сеточного зажи-
мов (щупов), соединяющих контур с лампой.
§ 7. Применение индукционного нагрева
Установки индукционного, нагрева весьма распространены на
ремонтных заводах и предприятиях «Сельхозтехники».
В ремонтном производстве токи средней и высокой частоты при-
меняются для сквозного и поверхностного нагрева деталей из чу-
гуна и стали под закалку, перед горячей деформацией (ковкой,
штамповкой), при восстановлении деталей методами наплавки и
высокочастотной металлизации, при пайке твердыми припоями
и др.
Особое место занимает поверхностная закалка деталей. Воз-
можность концентрации мощности в заданном месте детали позво-
ляет получать сочетание наружного закаленного слоя с пластич-
ностью глубинных слоев, что значительно повышает износостой-
кость и устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам.
Достоинства поверхностной закалки при помощи индукционно-
го нагрева заключаются в следующем:
1) возможность закаливать детали и инструмент на любую
необходимую толщину, при необходимости обрабатывая только ра-
бочие поверхности;
2) значительное ускорение процесса закаливания, что обеспечи-
вает высокую производительность установок и снижает стоимость
термообработки;
3) обычно меньший по сравнению с другими способами нагрева
удельный расход энергии вследствие избирательности нагрева
(только на заданную глубину) и быстротечности процесса;
4) высокое качество закаливания и уменьшение брака;
140
5) возможность организации поточности производства и авто-
матизации процессов;
6) высокая культура производства, улучшение санитарно-гигие-
нических условий труда.
Установки индукционного нагрева выбирают по следующим ос-
новным параметрам: назначению, номинальной колебательной
мощности, рабочей частоте. Выпускаемые промышленностью уста-
новки имеют стандартную шкалу мощностей со следующими ступе-
нями: 0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0 кВт и далее при умножении этих
чисел на 10, 100 и 1000.
Установки для индукционного нагрева имеют мощности от 1,0
до. 1000 кВт, в том числе с ламповыми генераторами до 250 кВт,
а выше —с машинными генераторами. Рабочую частоту, определя-
емую расчетом, уточняют по шкале частот, разрешенных для при-
менения в электротермии (прил. 4).
Высокочастотные установки для индукционного нагрева имеют
единую индексацию: ВЧИ (высокочастотные индукционные).
После букв через тире обозначается в числителе колебательная
мощность (кВт), в знаменателе — частота (МГц). После цифр пи-
шутся буквы, обозначающие технологическое назначение. Напри-
мер: ВЧИ-40/0,44-ЗП — высокочастотная установка индукционного
нагрева, колебательная мощность 40 кВт, частота 440 кГц; буквы
ЗП — для закалки поверхностей (НС — для сквозного нагрева,
СТ — сварки труб и т. п.).
Г л а в а VII
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
§ 1. Особенности диэлектрического нагрева
Токи высокой частоты (ТВЧ) значительно расширили техноло-
гические возможности и области применения электрического на-
грева в различных отраслях народного хозяйства, медицине, био-
логии, быту, научных исследованиях. Особенно велико значение
ТВЧ для нагрева электрически не проводящих и плохо проводящих
материалов — диэлектриков и полупроводников.
Диэлектрический нагрев осуществляется в высокочастотном
электрическом поле. Физические основы диэлектрического нагрева
изложены в J 2 главы I, а принципиальная электрическая схема
простейшей установки приведена на рисунке 51. Диэлектрик Д
помещается между обкладками рабочего конденсатора Ск, образу-
ющего с индуктивностью LK и регулируемой емкостью Скр колеба-
тельный контур лампового генератора токов высокой частоты. Ра-
бочий конденсатор, в котором происходит нагрев материала,
является диэлектрическим нагревателем.
Нагрев токами высокой частоты наиболее целесообразен для
материалов с плохой теплопроводностью. В сельскохозяйственном
141
Рис. 51. Принципиальная электрическая схема лампового автогенератора для
диэлектрического нагрева:
ИП — источник питания; Л — генераторная лампа; С&—конденсатор блокировочный;
^ст—Дроссель анодный; Ср—конденсатор разделительный; Сг, — конденсатор и сопро-
тивление гридлика; Lc, Сс — дроссель и конденсатор сеточный; Lc—катушка связи;
LK—индуктивность колебательного контура; рабочий конденсатор; СКр—регулирую-
щий конденсатор; Д — диэлектрик; Сса—межэлектродная емкость сетка—анод.
производстве к ним относится большинство продуктов и кормов,
подлежащих сушке: зерно, хмель, чай, табак, концкорма, — а так-
же пищевые жидкости: молоко, фруктовые соки и др.
При обычных (внешних) способах подвода тепла процесс суш-
ки или тепловой обработки затягивается. Длительное пребывание
продуктов в температурном поле отрицательно влияет на их каче-
ство, возрастают потери тепла, производительность установок не-
высока.
При нагреве в поле конденсатора тепло выделяется одновре-
менно по всему объему однородного по электрофизическим свойст-
вам материала, вследствие чего продолжительность нагрева резко
сокращается. 'В процессах сушки быстрый нагрев внутренних сло-
ев материала приводит к созданию градиентов температуры и дав-
ления, направленных к наружной поверхности тела, что способст-
вует быстрому удалению излишней влаги. Если материал неодно-
роден, становится возможным избирательный нагрев отдельных
компонентов, имеющих различную спектральную чувствительность
к ТВЧ. Интенсивность нагрева практически ограничивается лишь
технологическими условиями и целостностью материала.
Интенсивный нагрев диэлектриков возможен лишь в электри-
ческом поле высокой частоты. Нагрев в поле конденсатора (собст-
венно диэлектрический нагрев) осуществляется на частотах от
0,5 до 100 МГц. Область более высоких частот, от 100 до 300 МГц,
составляют токи сверхвысокой частоты (СВЧ). Нагрев токами
СВЧ (волнами дециметрового и сантиметрового диапазона) осу-
ществляется в объемных резонаторах или путем направленного из-
лучения электромагнитной энергии. Этот вид диэлектрического на-
грева имеет свои особенности как по принципу генерирования
токов СВЧ, так и по характеру нагрева. На этих частотах уже за-
метно проявляется поверхностный эффект вследствие затухания
электромагнитной волны в диэлектрике.
142
Основные особенности высокочастотного нагрева диэлектриков
состоят в следующем.
1. Нагрев токами высокой частоты является прямым нагревом —
электрическая энергия преобразуется в тепло непосредственно
в полупроводниках или диэлектриках, помещенных в быстропере-
менное электрическое поле. Во многих случаях это позволяет ко-
ренным образом изменять технологию процессов, повышать каче-
ство продукции и производительность труда. Примерами этому
могут служить опыт применения ТВЧ для сушки зерна и других
сельскохозяйственных продуктов и кормов, пастеризация и стери-
лизация молока и др. При ВЧ нагреве расход электроэнергии непо-
средственно на изменение теплосодержания материалов наимень-
шей по сравнению с другими способами, а к. п.д. выше, хотя общий
расход электроэнергии с учетом потерь в генераторах и вспомога-
тельных устройствах нередко оказывается больше.
2. Токи высокой частоты позволяют осуществлять избиратель-
ный нагрев благодаря возможности концентрации мощности в нуж-
ном направлении и использованию спектральной чувствительности
неоднородных по физическим свойствам материалов. Это свойство
используется в процессах сушки, дезинсекции зерна, замаривания
коконов тутового шелкопряда и др.
3. При ВЧ нагреве достигается высокая концентрация мощно-
сти в единице объема нагреваемой среды, что позволяет значитель-
но интенсифицировать производственные процессы. Появляется
возможность использовать механические воздействия, возникаю-
щие в материалах при быстром неравномерном нагреве, например
при диэлектрическом разрушении камней, вспучивании материалов
органического происхождения и др. Кроме того, ВЧ нагрев диэлек-
триков позволяет снизить отходы продукции, осуществить поточ-
ность и широкую автоматизацию производства.
В сельском хозяйстве диэлектрический нагрев имеет большие
возможности применения для сушки зерна, семян трав, овощей,
фруктов, чая, хлопка, дезинсекции зерна, замаривания шелкович-
ных коконов. Не менее важно применение ТВЧ для пастеризации,
стерилизации молока и молочных продуктов, фруктовых и ягодных
соков, в процессах консервирования.
К недостаткам диэлектрического нагрева следует отнести высо-
кую стоимость оборудования, более высокий (во многих случаях)
удельный расход электроэнергии, необходимость в квалифициро-
ванном обслуживающем персонале. Поэтому его применение эко-
номически целесообразно там, где это ведет к коренному усовер-
шенствованию технологии процессов и где высокие капитальные
и эксплуатационные затраты компенсируются повышением каче-
ства и увеличением выхода продукции, значительным ростом про-
изводительности труда.
143
§ 2. Выбор параметров установок и расчет простейших
диэлектрических нагревателей
К установкам диэлектрического нагрева предъявляются следу-
ющие основные требования:
1) обеспечить заданные технологические условия (по темпера-
турным режимам, скорости нагрева и т. п.);
2) полностью сохранить материал и его качества, не допускать
электрического пробоя материала;
3) возможность согласования электрических параметров на-
грузки с параметрами источника питания;
4) обеспечить устойчивый режим работы в конденсаторе без
искрения;
5) максимальное значение к. п. д.
Выполнение этих требований связано в основном с правильным
выбором мощности установок, напряженности поля и рабочей ча-
стоты конденсатора.
Мощность установок. Мощность, передаваемая диэлектрику
в рабочем конденсаторе, является полезной и носит название номи-
нальной колебательной мощности А,. Ее определяют по общим
формулам теплового расчета (§ 3, гл. II).
Мощность, подводимая к конденсатору (колебательная мощ-
ность конденсатора),
• (241)
%
Колебательная мощность генератора
А = —. (242)
Т)к Пэ Т)л
Мощность, потребляемая генератором из сети,
где т}к= 0,80-^0,90 — к. п. д. рабочего конденсатора;
т]э= 0,654-0,70 — электрический к. п. д. колебательного кон-
тура;
т]л = 0,904-0,95 — к. п. д., учитывающий потери в проводни-
ках, соединяющих генератор с контуром;
"Иг = 0,654-0,75 — к. п. д. генератора.
В результате многократного преобразования' энергии общий
к.п.д. установок диэлектрического нагрева оказывается довольно
низким — 0,30—0,45, а удельный расход электроэнергии высоким.
Напряженность электрического поля выбирают, исходя из недо-
пустимости электрического пробоя материала по условию (83)
F — _gnP
доп 1,5-2’
144
где Рдоп—допустимая напряженность поля в нагреваемом
материале;
Епр— электрическая прочность материала.
Значение £Пр берут из справочной литературы. Так, для сухого
воздуха при температуре 25° С Епр составляет около 30 кВ/см. При
нагреве и сушке различных материалов напряженность поля обыч-
но не превышает 1,5—2 кВ/см.
Частота поля конденсатора наряду с напряженностью поля оп-
ределяет удельную мощность, выделяемую в диэлектрике (19):
ЛР = 0,555 etg6/E2.
При выбранном значении Е повышение частоты — единствен-
ное средство увеличить интенсивность нагрева. Однако при этом
необходимо учитывать технологические условия нагрева и воз-
можность согласования параметров генератора с нагрузкой.
Технологическими условиями ограничивается скорость нагрева
Л/ ДГ
— или скорость испарения влаги — , где Аг— приращение тем-
Дт Дт
пературы материала за время Ат; A1F— количество испаренной
влаги из единицы сырой массы материала (кг/кг) за время Ат.
Скорости нагрева и испарения связаны с удельной мощностью,
подводимой к единице объема материала, уравнениями теплового
баланса (гл. II). С учетом равенства (241) можно написать выра-
жения для удельной мощности (Вт/см3):
при нагреве
AP1Iar = — 10-3, (244)
т]к Ат
при испарении (сушке)
АРсуШ = — ^Ю-3, (245)
йк Ат
где г — удельная теплота испарения, кДж/кг;
с — удельная теплоемкость материала, кДж/(кг-°C);
D — плотность материала или влаги, кг/м3.
Приравняв АРнаг и АРсуш к АР, по формуле (19) найдем мини-
мальное значение частоты, при которой еще можно достичь задан-
ной интенсивности нагрева:
при нагреве
fmin = 1,8• IO"3 -±- -±- , (246)
% Ат К Е2лоп
при сушке
/min=l,8.10-3^^± (247)
% Ат /С £30П
где Л=е tg б — фактор потерь.
10—475
145
Выбирая частоту выше fmin, можно снизить напряженность элек-
трического поля. Верхнее допустимое значение частоты определя-
ется из условия возможности настройки рабочего контура в резо-
нанс и передачи необходимой мощности от генератора к нагрузке:
/тах = — 1 , (248)
2л У brninCmin
где /-min — минимально возможная индуктивность контура, Г;
Cmin—минимально возможная эквивалентная (с учетом
нагреваемого материала) емкость рабочего кон-
тура, пФ.
Рабочая частота выбирается в диапазоне, ограниченном значе-
ниями fmin и /max, с учетом того, что фактор потерь е tg б имеет наи-
большее значение при собственной частоте диэлектрика. Следует
иметь в виду, что с повышением частоты снижается к. п. д. нагрева,
поэтому в каждом конкретном случае необходимо искать опти-
мальное решение. При окончательном выборе частоты необходимо
учитывать диапазон частот, разрешенных для использования в тех-
нике высокочастотного нагрева (прил. 4).
Размеры камеры нагрева определяют следующим образом. Ко-
лебательную мощность конденсатора можно найти через удельную
мощность диэлектрического нагрева (19) и объем материала V
в камере нагрева:
Пк Рк = 0,555 е tg б/Е2 V 10-3, (249)
где V — в см3.
Для плоского конденсатора, полностью заполненного диэлект-
риком,
V = Fd, (250)
где F— площадь обкладки, см2;
d — расстояние между обкладками, см.
Если UK — напряжение, подводимое к конденсатору (кВ), то
d = . (251)
Задавшись размером одной из сторон обкладки конденсатора,
из формул (249) и (250) находят размер другой стороны. Пример
расчета диэлектрического нагревателя приведен в главе X.
Установки диэлектрического нагрева выпускаются стандартны-
ми ступенями мощностей в диапазоне от 0,16 до 630 кВт. Разре-
шенные для диэлектрического нагрева частоты приведены в при-
ложении 4.
Выпускаемые промышленностью установки имеют индексацию
ВЧД (высокочастотные диэлектрические). После букв через дефис
в числителе — колебательная мощность (кВт), в знаменателе —
146
частота (МГц). Буквы после цифр обозначают технологическое
назначение. Например, ВЧД-40/5-СД— установка высокочастот-
ная для диэлектрического нагрева, колебательная мощность
40 кВт, частота 5 МГц, СД — для склеивания древесины (ПП —
приготовления пищи, НП — нагрева пресс-порошков, ДН — диэлек-
трического нагрева универсального назначения и т. п.).
§ 3. Особенности генераторов ТВЧ для диэлектрического нагрева.
Магнетроны
Ламповые генераторы ТВЧ для диэлектрического нагрева име-
ют много общего с генераторами для индукционного нагрева
(§ 6, гл. VI). У них общий принцип действия, и их часто выполняют
на одних и тех же генераторных лампах. В обоих случаях исполь-
зуют, как правило, генераторы с самовозбуждением (автогенерато-
ры). Однако между ними существуют и различия, обусловленные
разными диапазонами генерируемых частот. В технике высокоча-
стотного нагрева частотный диапазон индукционного нагрева отно-
сят к «низким» частотам, а диэлектрического нагрева, у которого
частоты на 2—3 порядка выше, — к «высоким».
В диапазоне высоких частот (выше 5—10 МГц) на работу гене-
раторов заметное влияние оказывают паразитные емкости и индук-
тивности монтажа, а также межэлектродные емкости лампы: ка-
тод— анод, сетка — катод, сетка — анод. Это усложняет настрой-
ку генератора и затрудняет его работу.
В высокочастотных генераторах межэлектродные емкости ис-
пользуются как элементы обратной сеточной связи. На схеме,
приведенной на рисунке 51, таким элементом является межэлек-
тродная емкость сетка — анод Сса, показанная пунктиром. Так как
в соответствии с теорией ламповых генераторов реактивное сопро-
тивление между сеткой и катодом в этом случае должно быть про-
тивоположного знака, то есть индуктивным, то обратная сеточная
связь по виду является индуктивной. Такой вид обратной связи наи-
более распространен в схемах высокочастотных генераторов.
При нагреве в поле конденсатора с ростом температуры изме-
няются параметры нагреваемого материала (влажность, электро-
физические свойства), которые наряду с параметрами элементов
колебательного контура определяют значение резонансного сопро-
тивления Ra (236). Это приводит к нарушению условия (239) опти-
мальности работы генератора и изменению частоты. Поддержание
оптимального режима нагрева (согласование нагрузки)—одна из
основных трудностей в работе высокочастотных генераторов (осо-
бенно значительной мощности). Генераторы обычно выполняются
по более сложным, чем на рисунке 51, двух- и многоконтурным
схемам, обеспечивающим возможность согласования нагрузки
в процессе нагрева. Принципы согласования такие же, как у гене-
раторов индукционного нагрева (§ 6, гл. VI). Простейшие однокон-
турные схемы, подобно изображенной на рисунке 51 с рабочим
10*
147
конденсатором, являющимся частью емкости колебательного кон-
тура, имеют ограниченную возможность настройки и применяются
лишь в установках небольшой мощности для выполнения опреде-
ленного технологического процесса.
Магнетроны. Повышение требований технологии к нагреву ди-
электриков привело к использованию токов сверхвысоких частот
(СВЧ), к которым принято относить токи частотой выше 50—
100 МГц.
Основные особенности нагрева энергией СВЧ состоят в следу-
ющем:
1) значительное повышение интенсивности нагрева. Согласно
выражению (19), переход к более высоким частотам является един-
ственным средством повышения удельной мощности нагрева, так
как значение напряженности электрического поля ограничивается
электрической прочностью нагреваемого материала;
2) лучшее использование спектральной чувствительности нагре-
ваемых материалов, что открывает новые возможности для избира-
тельного нагрева и повышения эффективности высокочастотной
электротермии.
Нагрев в поле СВЧ может использоваться в тех же процессах,
что и диэлектрический нагрев. Весьма перспективно применение
СВЧ-нагрева в процессах приготовления пищи на предприятиях
общественного питания и в быту.
Для генерирования токов СВЧ обычные вакуумные триоды и
тетроды непригодны. При частотах более 100 МГц уже заметно
проявляется механическая инерция электронов, а время пробега
электрона между электродами лампы становится соизмеримым
с периодом колебаний. Это существенно затрудняет управление
электронным потоком при помощи управляющего электрода и, сле-
довательно, генерирование ВЧ-колебаний модуляцией электронно-
го потока по плотности. Возникающие при таких частотах даже
небольшие «паразитные» емкости и индуктивности в конструкци-
онных элементах ламп вносят существенные погрешности в нор-
мальный режим работы ламп. Малопригодными оказались и обыч-
ные колебательные контуры, имеющие на этих частотах значитель-
ные потери на излучение.
Выход был найден в использовании специальных электронных
приборов — магнетронов, в которых генерирование СВЧ-колебаний
осуществляется модуляцией электронного потока по скорости.
Магнетроны значительно расширили область применения диэлект-
рического нагрева *.
В магнетронах (рис. 52) используется движение электронов во
взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях,
создаваемых в кольцевом зазоре между катодом и анодом. Между
электродами подается анодное напряжение, создающее радиальное
* Менее распространены основанные на том же принципе амплитроны (пла-
тинотроны), клистроны, лампы бегущей волны.
148
электрическое поле, под дей-
ствием которого вырывае-
мые из подогретого катода
электроны устремляются к
аноду. -Анодный блок поме-
щается между полюсами
электромагнита, который со-
здает в кольцевом зазоре
магнитное поле, направлен-
ное по оси магнетрона. Под
действием магнитного поля
Рис. 52. Анодный блок магнетрона.
электрон отклоняется от ра-
диального направления и
движется по сложной спи-
ральной траектории. В пространстве между катодом и анодом об-
разуется вращающееся электронное облако с языками, напомина-
ющее ступицу колеса со спицами. Пролетая мимо щелей объемных
резонаторов анода, электроны возбуждают в них высокочастотные
колебания. Каждый из объемных резонаторов представляет собой
колебательную систему с распределенными параметрами. Электри-
ческое поле концентрируется у щелей, а магнитное поле сосредо-
точено внутри полости.
Вывод энергии из магнетрона осуществляется при помощи ин-
дуктивной петли, помещаемой в один или чаще два соседних резо-
натора. По коаксиальному кабелю энергия подводится к нагрузке.
Нагрев токами СВЧ осуществляется в волноводах круглого или
прямоугольного сечения или в объемных резонаторах, в которых
возбуждаются электромагнитные волны простейших форм
TEw(Hl0) (в волноводах) или TEwl (в объемных резонаторах).
Нагрев может осуществляться и излучением электромагнитной
волны на объект нагрева.
Питание магнетронов осуществляется выпрямленным током
с упрощенной схемой выпрямителя. Установки очень малой мощно-
сти могут питаться переменным током-. Простота устройства и от-
носительно невысокая стоимость магнетронов в сочетании с высо-
кой интенсивностью нагрева и разнообразием применения токов
СВЧ открывают перед ними большие перспективы применения
в различных областях сельского хозяйства.
Раздел второй
ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Глава VIII
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ, ВОДОГРЕЙНЫЕ И ПАРОВЫЕ КОТЛЫ
§1. Расчет потребной производительности водонагревателей
и их выбор
Горячая вода является удобным и распространенным теплоноси-
телем в системах отопления, процессах кормоприготовления, молоч-
ного животноводства, в мастерских, для удовлетворения санитарно-
гигиенических нужд.
В сельском хозяйстве горячую воду получают в огневых и элек-
трических водонагревателях, водогрейных и паровых котлах или
в бойлерах при наличии централизованной котельной. Безгранич-
ная делимость и легкость передачи электроэнергии позволяют уста-
навливать электрические водонагреватели непосредственно у потре-
бителей и отказаться от трубопроводов, неизбежных при центра-
лизованном горячем водоснабжении от котельных. Это значительно
уменьшает расход металлов и потери тепла и оказывается особенно
целесообразным на объектах с невысоким годовым числом часов
использования оборудования.
Распространению электрических водонагревателей способству-
ет простота устройства и обслуживания, легкость автоматизации,
постоянная готовность к работе. Благодаря этому затраты труда на
получение горячей воды по сравнению с индивидуальными огневы-
ми установками сокращаются в десятки раз.
На небольших животноводческих фермах, не имеющих собствен-
ных котельных, электроподогрев воды является наиболее экономич-
ным. По данным ВИЭСХ, расчетные затраты на 1 т условного топ-
лива при электроподогреве воды составляют от 109 до 173 руб.,
в зависимости от размеров и удаленности ферм, тогда как в огне-
вых установках на керосине — 257 руб., каменном угле —212 руб.
В сельскохозяйственном производстве используются проточные
(быстродействующие) и непроточные (емкостные, или аккумули-
рующие) водонагреватели. Проточные водонагреватели позволяют
получать горячую воду сразу после включения. Температура воды
регулируется вентилем на питательном трубопроводе. Однако бы-
стродействующие водонагреватели без аккумуляторов горячей во-
ды имеют высокую установленную мощность на единицу тепла и
низкий коэффициент использования. Включение их в часы максиму-
150 .
О 2 It 6 8 10 12 16 16 IS 20 22 26
Часы суток
Рис. 53. Характерный суточный график горячего
водоснабжения молочной фермы.
ма нагрузки требует дополнительной мощности трансформаторных
подстанций. Непроточные водонагреватели с совмещенными или от-
дельными баками-аккумуляторами горячей воды имеют меньшие
мощности, могут включаться в часы провалов в суточных графиках
нагрузки подстанций, что обеспечивает высокие экономические по-
казатели электроподогрева воды.
Выбирают водонагреватели по расчетному часовому расходу
горячей воды из суточных графиков горячего водоснабжения
(рис. 53), которые строят исходя из удельных норм расхода воды
и режимов водопотребления. Укрупненные нормы расхода горячей
воды для коммунально-бытовых и производственных потребителей
приводятся в СНиП, а более подробные рекомендации даются на-
учными учреждениями.
Наиболее крупными потребителями горячей воды являются мо-
лочные фермы. В таблице 11 приведены нормы суточного расхода
горячей воды для прифермских молочных, рекомендуемые ВИЭСХ.
Таблица 11
Статьи расхода Температу- ра, °C Нормы расхода воды на одну го- лову в сутки, л/(гол.-сутки) Нормы расхода воды на одну процеду- ру, л/гол. Нормы расхода тепла, кДж/(гол.-сутки)
Подмывание вы- мени 40 3,0 1,0 440
Мытье контроль- ных фляг 50 0,93 90 176
Мытье фляг 70 1,66 20 452
Промывка молоч- ной автоцистер- ны 70 0,55 150 147
Мытье молочных танков 80 3,0 300 943
Промывка молоко- проводов 60 4,4 130 1380
151
Продолжение
Статьи расхода Темпера- тура, °C Нормы расхода воды на одну го- лову в сутки, л/(гол.-сутки) Нормы расхода воды на одну процеду- ру, л/гол. Нормы расхода тепла, кДж/(гол.-сутки)
Промывка доиль- ных аппаратов 50—80 5,34 150 1090
Промывка пасте- ризатора 80 0,5 300 159
Промывка сепара- тора 80 0,17 100 '54
Промывка труб молочной 70 0,33 200 88
Промывка обору- дования молоч- ной 50 1,48 219 260
Горячую воду разной температуры обычно получают путем сме-
шивания с холодной.
При постоянной температуре горячей воды суточный график во-
допотребления является одновременно и графиком тепловых нагру-
зок горячего водоснабжения. Связь между ординатами обоих графи-
ков определяется зависимостью
п
Q = c(tr-tx) (252)
1=1
п п
где У1 —/ G(-= G—ордината суточного графика горячего
T;
<=1 i=l
водоснабжения (потребная производительность установок
нагрева воды), м3/ч;
Q — соответствующая ей ордината графика тепловых нагру-
зок, кДж/ч;
—суточная норма расхода горячей воды i-ro потребителя,
м3/сутки;
zz— количество потребителей i-ro вида;
п—число видов потребителей, у которых потребление горя-
чей воды совпадает по времени;
т;—-продолжительность потребления горячей воды i-м потре-
бителем в течение суток, ч/сутки;
tx, tr—температура холодной и горячей воды, °C;
с—объемная теплоемкость воды, кДж/(м3-°С).
Если в совпадающих по времени процессах используется горя-
чая вода разной температуры, получаемая смешиванием с холод-
ной, то ордината теплового графика определяется как
152
(253)
сущест ву-
(254)
суточные
(255)
сред-
(256)
п
q _ Gj см c (tj cm ^x) ?i
1
Между расходами горячей Gr и смешанной GCM воды
ет следующая связь:
G =G /см ~ /х
иг — мсм
*г- *х
Пользуясь приведенными зависимостями, строят
графики тепловых нагрузок горячего водоснабжения.
Необходимую мощность проточных водонагревателей выбирают
по максимальному часовому потреблению тепла
р ___ Qmax
пр~ ЗбООПн Щ ’
где Лн- к. п. д. водонагревателей;
т]с— к. п. д., учитывающий потери тепла в системе.
Водонагреватели аккумулирующего типа выбираются по
несуточному расходу горячей (смешанной) воды Gcp (рис. 53)
Р = QcP
акк 3600 Пн Ис ’
где Qcp—среднесуточное потребление тепла на нагрев воды, вы-
численное по Gcp.
Величину аккумулирующих емкостей определяют по интеграль-
ным графикам расходуемого и сообщаемого воде тепла, которые
строятся на основе суточных почасовых графиков.
Если AQ max И AQmln наибольшее и наименьшее значения ак-
кумулируемого тепла, определенные по разности ординат интег-
ральных графиков, то величину аккумулирующей емкости опреде-
ляют следующим образом:
при переменном объеме воды с постоянной температурой (на-
пример в системах с проточными водонагревателями, работающими
на аккумулирующие емкости)
(257)
при постоянном объеме воды с переменной температурой (боль-
шеобъемные водонагреватели аккумулирующего типа)
v = AQmax-AQmin (258)
cGmax-W
где /Л;ах, /Ш!п—максимальная и минимальная температуры воды;
с— удельная теплоемкость воды.
AZ AQmax
Гакк , , . ,
С (Zr tx)
153
Аккумулирующие емкости горячей воды целесообразнее выпот-
нять отдельно от нагревателей.
По способу нагрева водонагреватели делятся на электродные
(прямого нагрева) и элементные (косвенного нагрева).
Электродные водонагреватели выполняются на сравнительно
высокие мощности и повышенные параметры воды (давление, тем-
пературу) и носят название электродных водогрейных котлов.
§ 2. Электродные водогрейные котлы
Электродный нагрев уменьшает бактериальную загрязненность
воды, так как переменный ток при определенной плотности убивает
патогенные (болезнетворные) микроорганизмы. Однако в электрод-
ных котлах вода загрязняется продуктами электрохимических ре-
акций, происходящих на металлических электродах и корпусе,
а также окислами этих металлов, поэтому подогретая в них вода
для питья не годится. Применяя электроды из нержавеющей ста-
ли или графита, загрязненность воды можно значительно понизить
и использовать такие устройства не только для нагрева воды, но
и для тепловой обработки пищевых жидкостей (молока, соков
и др.).
Электродные водогрейные котлы типа КЭВЗ (котел электрод-
ный водогрейный с замкнутым контуром) предназначены в основ-
ном для отопления различных помещений, а также для получения
технологической воды при работе в первичном контуре теплообмен-
ного аппарата. Открытый водоразбор из котлов возможен лишь при
условии предварительной водоподготовки или если используется во-
да с температурой не выше 60° С. При работе по замкнутому конту-
ру номинальная температура воды на входе 70° С, на выходе 95° С.
Максимальная температура воды на выходе 130° С, максимальное
рабочее давление 6-Ю5 Па. Котлы выпускаются на мощности от 25
до 1000 кВт при питающем напряжении 0,4 кВ. Основные техни-
ческие данные электродных водогрейных котлов приведены в таб-
лице 12.
Таблица 12
Тип котла Диапазон номиналь- ных мощ- ностей, кВт Номиналь- ное напря- жение, В Макси- мальная темпера- тура воды, °C Макси- мальное давление, X 105 Па Удельная масса котла, кг/кВт Удельная стоимость котла, руб/кВт
.КЭВЗ-0,4 25—1000 380 95 6 2,8—1,3 20,0—2,5
КЭВ-0,4 40—1000 380 95 6 1,9—0,6 7,8—2,0
КЭВ-6 2 500 6 000 95 6 0,21—0,27 0,92—1,2*
10 000 6 000 130 10 0,07—0,11 0,31—0,33*
КЭВ-10 10 000 10 000 150 16 0,21 0,5
* Удельные стоимостные показатели возрастают при повышении расчетного удельного
сопротивления воды.
154
Конструкция котла КЭВЗ-
25/0,4 показана на рисунке 54.
Корпус имеет цилиндрическую
форму с двойными стенками,
между которыми заложена теп-
лоизоляция из стекловолокна.
Для подвода и отвода воды в
корпус вварены верхний 9 и
нижний патрубки. В верхнем
патрубке предусмотрены уст-
ройства для установки элект-
роконтактных термометров,
осуществляющих автоматиче-
ский контроль температурного
режима. Нагревательное уст-
ройство выполнено в виде трех
пар коаксиальных цилиндриче-
ских электродов из стальных
труб. Нагрев осуществляется
при протекании тока через
слой воды от внутреннего элек-
трода к наружному. В зазор
между электродами вставдены,
изоляционные стеклотекстоли-
товые цилиндры, частично пе-
рекрывающие путь тока меж-
ду электродами. Изменяя по-
ложение изоляционных цилин-
Рис. 54, Электродный водогрейный
котел КЭВЗ-25/0,4:
1 — корпус; 2 — теплоизоляция; 3 — крыш-
ка; 4—кожух выводов; 5 — маховичок;
6— кран для выпуска воздуха; 7 и 8—элек-
троконтактные термометры; 9 — патрубок;
10 — кран для спуска воды.
дров по высоте,, можно менять
мощность котла в пределах от 10 до 100% о? номинальной (при
мощности от 250. кВт и выше — от 20 до 100%). Регулирование
осуществляется при помощи маховичка 5, укрепленного на ходо-
вом винте, к которому подвешена траверса с тремя изолирующими
цилиндрами.
Номинальная мощность котла, указанная в технической харак-
теристике, рассчитана для воды с удельным электрическим сопро-
тивлением, равным 3000 Ом-см при 20° С. При ином сопротивлении
воды мощность котла отличается от номинальной. Допустимый
предел изменения удельного сопротивления воды составляет 1000—
—5000 Ом-см. Если оно ниже 1000 Ом-см, то работа котла не допу-
скается из-за чрезмерного увеличения плотности тока и возможного
образования гремучего газа. При большом удельном сопротивлении
воды мощность котла резко снижается. Так, при р = 5000 Ом-см
мощность котла составляет всего лишь 5 кВт. Питание к электро-
дам подводится через три токоподвода, укрепленных на верхней
крышке корпуса и закрытых кожухом 4.
Электрическая схема котла приведена на рисунке 55. При рабо-
те в режиме нагрева воды для технологических нужд контроль за
155
Рис. 55. Электрическая схема водогрейного котла КЭВЗ-25/0,4:
ТТ — трансформатор тока; А — амперметр; Bl, В2— автоматические вы-
ключатели; Р1—Р4— реле промежуточные; ВЗ, В5 — электроконтакт -
ные термометры; В4—-датчик температуры помещения; КЛ — контак-
тор; Л/, Л2, ЛЗ—сигнальные лампы; В7 — универсальный переклю-
чатель.
температурой воды осуществляют электроконтактные термометры
ВЗ и В5, которые замыкают свои контакты соответственно при до-
стижении заданной и максимально допустимой температуры
воды.
В режиме отопления (переключатель В6 в нижнем положении)
включение и отключение нагрева осуществляется камерным датчи-
ком температуры воздуха В4.
Ручное «Р» или автоматическое «А» управление выбирают при
помощи переключателя В7. По амперметру контролируют потреб-
ляемую мощность. Сигнальные лампочки Л1 (красная), Л2 (зеле-
ная), ЛЗ (желтая) загораются соответственно при включении, от-
ключении и аварийном отключении котла.
156
Электродные водогрей-
ные котлы типа КЭВ-0,4
предназначены для работы
в системах отопления и го-
рячего водоснабжения. Кот-
лы имеют два конструктив-
ных варианта исполнения
электродной системы: с ци-
линдрическими электрода-
ми — для воды с удельным
сопротивлением (при 20° С)
ниже 1000 Ом-см и с плас-
тинчатыми электродами, ес-
ли удельное сопротивление
воды выше 1000 Ом-см.
Конструктивная схема
котла типа КЭВ-0,4 с плас-
тинчатыми электродами при-
ведена на рисунке 56. Ко-
тел имеет цилиндрический
корпус 2 из стальной трубы
без тепловой изоляции. Внут-
ри корпуса на изоляторах 7
укреплена электродная си-
стема в виде пакета плас-
тинчатых электродов 3. Ре-
гулирование мощности в
пределах до 20—100% от
номинального осуществляет-
ся путем введения между
электродами диэлектриче-
ских пластин 4.
Цилиндрические электро-
ды котлов выполняются по
типу 4 таблицы 4. Между
соосными цилиндрическими
электродами размещаются
Рис. 56. Электродный водогрейный
котел КЭВ-0,4 с пластинчатыми элек-
тродами:
I — дренаж; 2 — корпус; 3 — пластинчатые
электроды; 4 — регулирующие диэлектри-
ческие пластины; 5 — регулирующий меха-
низм; 6 — защитные диэлектрические пла-
стины; 7 — проходные изоляторы.
регулирующие экраны из
фторопластовых труб, укрепленных на перемещающейся в верти-
кальной плоскости траверсе. Электрическая схема управления
котлом КЭВ-60/0,4 приведена ниже (рис. 66).
Высоковольтные котлы типа КЭВ-6 и КЭВ-10 (табл. 12) пред-
назначены для удовлетворения потребности в тепле крупных потре-
бителей. По устройству и принципу работы они мало отличаются от
низковольтных котлов, но так как они работают при более высоком
давлении и температуре воды, то это требует более строгих органи-
зационных и технических мероприятий безопасности эксплуа-
тации.
157
Достоинства электродных водогрейных котлов заключаются
в их простоте, надежности, пожаробезопасности. К недостаткам
следует 'отнести повышенную электроопасность, зависимость мощ-
ности от состава и температуры воды, влияние на качество
воды.
Число электродных пластин зависит от мощности котла и удель-
ного сопротивления воды. Минимальное число пластин равно 4, а
далее определяется как 3«+1, где п — любое целое число. Расстоя-
ние между пластинами I выбирают в зависимости от удельного со-
противления воды (глава III). В котлах типа КЭВ-0,4 оно состав-
ляет от 3 см при р2о = 2ООО Ом-см до 1,5 см при 10 000 Ом-см.
Объем воды, заключенный между двумя соседними пластинами,
представляет собой сопротивление, включенное на линейное напря-
жение. При четырех пластинах (ге=1) таких сопротивлений три,
они образуют схему включения «треугольник», при п = 2 получается
схема «двойной треугольник» и т. д. Сопротивления утечки токов
на корпус создают дополнительную схему включения — «звезда»,
которая по мощности в зависимости от удельного сопротивления
воды может достигать значений 0,15—0,20 от основной схемы.
§ 3. Элементные водонагреватели
Элементные водонагреватели выполняют, как правило, с гер- .
метическими нагревателями (ТЭНами), и поэтому по сравнению
с электродными они более безопасны в эксплуатации, не загрязня-
ют воду, имеют практически неизменную мощность. Однако они ме-
нее надежны из-за ограниченного срока службы нагревателей, име-
• ют более высокие стоимостные показатели. В основном элемент-
ные водонагреватели выполняются на невысокие мощности
(табл. 13) и применяются для снабжения горячей водой сравни-
тельно мелких разбросанных потребителей, где особо важны тре*
бования к электробезопасности.
Таблица 13
Тип водонагревателя Емкость, л Номи- нальная мощность, кВт Напряжение сети, В Рабочая темпера- тура воды, °C Продол- житель- ность на- грева, ч
ВЭТ-200 200 6 380/220 90 4
ВЭТ-400 400 10,5 380/220 90 4
ВЭТ-800 800 16,5 380/220 90 5
ВЭТ-1600 1600 33 380/220 90 5—7,5
ЭВ-150М 150 6 380/220 85 3
УАП-100/0,2 УАП-100/0,4 | 100 2 220 16/45 1
УАП-300/0,2 300 6 380/220 16 , 2
УАП-1600/0,2 1600 6 380/220 25 8,5
158
Рис. 57. Электрический водонагреватель ВЭТ-200:
/ — изолирующая вставка трубопровода холодной воды; 2—спу-
скной вентиль; 3— кожух; 4 — крестовина; 5 — резервуар; 6— на-
греватель; 7 — температурное реле; 8—вата минеральная;
9 — разборный трубопровод.
Основные технические данные элементных водонагревателей
емкостного типа приведены в таблице 13.
В сельском хозяйстве распространены емкостные элементные
водонагреватели-термосы типа ВЭТ, предназначенные для нагрева
воды для различных технологических нужд. Тепловая изоляция
обеспечивает длительное поддержание температуры нагретой воды
(снижение не более одного градуса в час), что в совокупности с ав-
томатизацией работы позволяет включать их в ночные часы.
Водонагреватели (рис. 57) имеют резервуар 5 со сферическими
днищами и наружный жестяный кожух 3, между которыми зало-
жена тепловая изоляция. Нагревательное устройство 6 состоит из
трех трубчатых элементов, которые при питающем напряжении
380 В соединяются в звезду, при 220 В — в треугольник. В малый
159
380/220 в
Рис. 58. Электрическая схема водо-
нагревателя ВЭТ-200:
Р — магнитный пускатель; TPI, ТР2—кон-
такты температурного реле; . В — тумблер.
штуцер вставлено темпера-
турное реле 7, осуществляю-
щее автоматизацию работы
аппарата. Водонагреватель
подключается к водопро-
водной сети через изоли-
рующую вставку 1. Разбор
воды осуществляется через
разборный трубопровод 9
при открывании вентиля на
питающем трубопроводе.
Электрическая схема
(рис. 58) обеспечивает авто-
матическое отключение ап-
парата при достижении за-
данной температуры воды и
защиту от ненормальных ре-
жимов. Автоматизация осуществляется при помощи трехпозицион-
ного температурного реле ТР, контакты которого ТР1 размыкают-
ся, когда температура воды становится выше минимально допусти-
мой, а контакты ТР2 за-
мыкаются при достиже-
нии верхнего значения
температуры.
Переключением тумб-
лера В обеспечивается ра-
бота аппарата в режиме
подогревателя (тумблер
разомкнут), и в режиме
термоса (тумблер замк-
нут) .
Емкостные водонагре-
ватели типа УАП предна-
значены для подогрева
воды в системах автопое-
ния и полива в парниках
и теплицах.
Нагреватели не име-
ют тепловой изоляции,
наружная поверхность их
покрыта эмалью. Задан-
ная температура воды
поддерживается автома-
тически при помощи дила-
тометрического терморе-
гулятора 3 (рис. 59). Пи-
тание водой осуществля-
ется через поплавковый
Рис. 59. Электроводонагреватель емкостный
УАП-300/0,2:
/ — вентиль; 2 — электронагреватель трубчатый;
3 — терморегулятор; 4 — корпус; 5 — термометр.
160
Рис. 60. Проточный электроводонагреватель ЭПВ-2А:
I — трубчатые электронагреватели; 2— корпус; 3—наружный кожух; 4 — отводящий штуцер;
5 — предохранительный клапан; 6—штуцер для термометра; 7—выводы нагревателей;
8 — подводящий штуцер; Bl, В2 — контакты температурного реле; Р1 — промежуточное реле;
Р2— магнитный пускатель включения нагревателей; Т — транзистор; Д1, Д2 — диоды; R1,
R2 — резисторы; С — конденсатор фильтра; ВЗ— контакты струйного реле.
поршневой клапан, поддерживающий постоянный уровень заполне-
ния резервуара.
Водонагреватели проточного типа отличаются компактностью
и быстродействием. В сельскохозяйственном производстве распро-
странен проточный водонагреватель ЭПВ-2А (рис. 60), рассчитан-
ный на мощность 12 кВт и напряжение питания 380/220 В. Нагрев
воды осуществляется тремя ТЭНами, встроенными в цилиндриче-
ский корпус с двойными металлическими стенками. Производитель-
ность аппарата 120 л/ч при температуре воды 90° С, что достаточно
для удовлетворения потребности в горячей воде коровника на
100 голов.
Аппарат включают в сеть после открытия вентиля на напорном
трубопроводе и появления воды из верхнего штуцера. Температуру
нагретой воды регулируют степенью открытия вентиля на подво-
дящем трубопроводе. Во избежание перегрева нагревательных эле-
ментов вода должна непрерывно протекать через водонагреватель,
11—475
161
Рис. 61. Водонагреватель ВЭП-600: ,
/ — изолирующие вставки; 2 — нагревательный блок; 3 —обратный клапан; 4 — бак;
5— шкаф управления; 6—предохранительный клапан; 7 — температурное реле; в—тер-
мометр; 9—насос.
поэтому ставить вентиль на выходном трубопроводе нельзя. Для
предотвращения возможности взрыва при интенсивном парообра-
зовании (например, в случае прекращения протока воды) на отво-
дящем штуцере установлен предохранительный клапан 5. Схема
автоматики позволяет осуществлять двухпозиционное регулирова-
ние температуры выходной воды путем отключения и включения
нагревателей.
Полупроводниковый триод Т открывается при замыкании кон-
такта температурного датчика В2, когда температура воды дости-
гает верхнего уровня. При этом срабатывает реле Р1, обесточивая
своим контактом магнитный пускатель Р2 включения нагревателей.
Повторное включение происходит при размыкании контакта В1,
настроенного на нижнее значение температуры воды.
Водонагреватель ВЭП-600 мощностью 10 кВт оборудован насо-
сом, образуя установку проточно-циркуляционного типа (рис. 61),
способную работать по замкнутому контуру со значительным гид-
равлическим сопротивлением (например, в системе автопоения).
Водонагреватель снабжен защитой от повышения давления, корпус
термоизолирован.
Проточные водонагреватели используются чаще всего в качест-
ве резервных на случай прекращения или недостаточной подачи
горячей воды от основных источников, а также в циркуляционных
системах для аккумуляции горячей воды в теплоизолированных
емкостях.
162
§ 4. Электроподогрев воды для поения животных
в зимнее время
Помимо технологических нужд, в зимнее время возникает необхо-
димость подогрева воды для поения животных, особенно в неотап-
ливаемых помещениях и при беспривязном содержании. В зимнее
время вода, поднимаемая из скважин, может иметь температуру
_|_(2—3°С) и даже ниже, тогда как по зоотехническим нормам тем-
пература питьевой воды для коров, например, не должна быть ни-
же -|~5° с. Холодная вода неохотно потребляется животными, из-за
чего снижаются удои у коров и привесы у откормочного поголовья,
увеличиваются простудные заболевания. Таким образом, подогрев
питьевой воды необходим прежде всего по биологическим при-
чинам.
Согласно зоотехническим требованиям, температура воды в
поилках должна быть для крупного рогатого скота не ниже
+ (5—7)°C, для свиней на откорме — от +1 до +3°С, для кур-
несушек + (10—13)° С. Оптимальная температура питьевой воды
для коров составляет +(12—14)° С. При этом надои от каждой ко-
ровы увеличиваются на 0,5—1 л в день, сокращается потребление
кормов, снижаются простудные заболевания. Яйценоскость кур по-
вышается на 10—15%. Расход электроэнергии на одну корову в сут-
ки составляет около 0,5 кВт-ч. .
Помимо зоотехнических условий, необходимость подогрева воды
вытекает и из опасности замерзания трубопроводов, особенно в не-
отапливаемых помещениях, что может привести к расстройству
всей системы снабжения водой животных. Поэтому установки элек-
троподогрева питьевой воды для животных, отличаясь просто-
той устройства и надежностью, являются важными и экономически
выгодными элементами электрооборудования животноводческих
ферм. Способы электроподогрева воды зависят от вида животных,
их содержания, типа помещений и др. При привязном содержании
применяется циркуляционная система подогрева, сущность которой
состоит в том, что в питательную магистраль автопоения встраива-
ется проточный электроводонагреватель. Так как разбор воды из
автопоилок в течение суток не равномерен, то для предотвращения
замерзания воды в часы наименьшего разбора (обычно ночью) во-
да должна непрерывно циркулировать в системе. Для этого питаю-
щий и возвратный трубопроводы автопоения присоединяют к по-
догревателю воды, куда постоянно подключается внешний водопро-
вод (рис. 61). Принудительную циркуляцию воды в полученной
таким образом замкнутой системе осуществляет центробежный на-
сос, включенный в разрез системы после водонагревателя. Для по-
догрева воды используются упоминавшиеся выше водонагреватели
УАП-100/0,2; УАП-300/0,2; ВЭП-600, а также могут применяться
ВЭТ-200, ЭВП-2А и др. Во избежание выноса потенциала на авто-
поилки водонагреватель подсоединяют к системе через изолирую-
щие вставки длиной 1,5—2 м, а корпус тщательно заземляют.
Н* 163
Рис. 62. Автопоилка АГК-4 с электро-
подогревом:
1 — терморегулятор; 2 — пружина; 3 — по-
ильная чаша; 4 — клапанио-пОплавковый
механизм; 5 — стояк; 6 — хомут; 7—рукав;
£ —корпус с теплоизоляцией; 9~ нагрейа-
тельиые элементы; 10 — колпак; // — труб-
ка для слива воды; 12—наружный кожух.
При беспривязном содержа-
нии крупного рогатого скота
электроподогрев питьевой во-
ды осуществляется в группо-
вых автопоилках типа АГК.
Автопоилка АГК-4 (рис. 62)
предназначена для обслужи-
вания 100 голов крупного ро-
гатого скота, одновременно из
нее могут пить 4 коровы. Уста-
новленная мощность поилки
1 кВт, питающее напряжение
220 В. Температура воды уста-
навливается от -)-5 до +14° С
и поддерживается терморегу-
лятором. Расход электроэнер-
гии составляет 8—11 кВт-ч в
сутки, или около 0,1 кВт-ч на
голову.
Для свинарников с бесста-
ночным содержанием выпуска-
ются автопоилки АГС-24 на
500 свиней. Одновременно могут пить 24 свиньи. Общая установ-
ленная мощность электронагрева 2,4 кВт.
В групповых автопоилках, устанавливаемых в зимнее время на
открытом воздухе или в неотапливаемых помещениях, воду можно
подогревать нагревательными проводами ПОСХВ или ПОСХП.
Провод укладывают петлями на дно поилки и прикрывают деревян-
ной решеткой. Питание осуществляется напряжением 6—12 В. Для
поилки на 100—120 дойных коров или 200 голов молодняка при на-
ружной температуре —20° С и температуре воды +5—7° С требует-
ся мощность 750 Вт.
§ 5. Электродные паровые котлы
Пар широко используется в сельскохозяйственном производстве
для отопления животноводческих и производственных помещений,
тепловой обработки кормов, пастеризации молока, стерилизации
молочной посуды, почвы в теплицах и т. д. Особо важное значение
имеет запаривание кормов, благодаря которому повышается их по-
едаемость и усвояемость, снижается расход. Помимо этого, при за-
паривании уничтожаются вредные для организма животных пара-
зиты и грибки, а также семена сорняков, чем предотвращается
повторное засорение ими полей с навозом.
Для запаривания, отопления и других тепловых процессов ис-
пользуют пар низких параметров с давлением (0,24-0,4) • 105 Па
и температурой 105—110° С. На крупных сельскохозяйственных
предприятиях пар получают в центральных котельных (топливных
164
или электрических), у рассредоточенных потребителей — от мелких
огневых или электрических котлов. Потребность в паре и необхо-
димую паропроизводительность котлов определяют при подсчете
тепловых нагрузок по процессам отопления, кормоприготовления,
тепловой обработки продуктов, ремонта техники, на коммунально-
бытовые нужды и др. Расчет тепловых нагрузок подробно рассмат-
ривается в курсе теплотехники и при изучении соответствующих
процессов.
Так, при запаривании и видов кормов потребность в паре (кг/ч)
определяется по формуле
п
S Mi (/к ta)i
G------------------
(г — X) т]к т]3
(259)
где Mi — масса i-ro запариваемого корма, кг;
Ci—удельная теплоемкость корма, кДж/(кг-°С);
4» 4— начальная и конечная температура корма, °C;
i—теплосодержание пара (при давлении 20 кПа i =
= 2690 кДж/кг);
%—теплосодержание конденсата (при температуре 90° С
2i=38O кДж/кг);
т]к — тепловой к. п. д. паровых котлов (для электродных кот-
лов 0,90—0,95);
т]3— к. п. д. кормозапарников (0,40—0,50).
Мощность котла (кВт)
G (t — X)
3600
(260)
Для разнородных тепловых процессов, совпадающих во време-
ни, необходимая мощность котлов
p-=_SQmax. (261)
3600 тцк v
где 2Qmax—совмещенный максимум тепловых нагрузок с учетом
потерь в технологических агрегатах и паропроводах,
кДж;
т— продолжительность совмещенного максимума, ч.
В практических расчетах суточная потребность в паре опреде-
ляется по удельным нормам расхода пара:
M^Y.qiMi, (262)
1
где qt— удельный расход пара на i-й процесс, кг/кг (табл. 14);
М{—масса i-ro продукта, подлежащего тепловой обработке,
кг/сутки;
п—количество видов продуктов (процессов).
165
Тогда производительность парообразователя можно определить
по формуле
S <7i Mi
Gn=--------, (263)
т
где z — количество одновременно выполняемых тепловых про-
цессов;
т— длительность их выполнения, ч/сутки.
Таблица 14
Процессы
Удельный расход пара, кг
Запаривание 1 кг:
корнеклубнеплодов
измельченной соломы
смешанных кормов
Варка зерновых, на 1 кг
Проваривание различных кормов, на 1 кг
Пастеризация молока, на 1 кг
Отопление 1 м3 помещения кормоцеха и молочной
в сутки
Пропаривание одной молочной фляги
Нагрев 1 л воды от 10 до 90° С
0,16—0,20
0,40—0,50
0,30—0,40
0,12—0,15
0,40
0,12—0,15
0,5—0,75
0,2—0,25
0,18—0,20
Пример 1. Определить необходимую паропроизводительность и мощность
электрокотла для обеспечения тепловых нужд коровника на 200 дойных коров
с молочной и кормоприготовительной,
В коровнике совпадают во времени следующие тепловые процессы:
1) отопление молочной и кормоприготовительной общим объемом в 200 м3;
2) запаривание смешанных кормов в кормозапарниках производительностью
500 кг/ч;
3) подогрев технологической воды — 200 л/ч;
4) пропаривание молочных фляг — 20 шт/ч.
Потребную часовую производительность вычислим по формуле (263) с уче-
том удельных расходов пара по таблице 14:
0,75-200
бп=---------- + 0,50-500 + 0,2-200 + 0,20-20 = 357 кг/ч.
24
Мощность электрокотла, согласно формуле (260),
бп(1-М 357(2690-380) „
— — Кот.
3600 3600
Для удовлетворения нужд коровника можно выбрать электродный котел ти-
па ЭКП-300/0,4 (табл. 15).
Электрические паровые котлы выполняют, как правило, элек-
тродными. Это объясняется тем, что в элементных котлах ус-
ловия работы нагревателей очень тяжелы главным образом вслед-
166
ствйе образования на них накипи, что значительно ухудшает усло-
вия охлаждения и снижает срок службы. На работе электрод-
ных систем это сказывается меньше, а очистка их от накипи
проще.
Электродные водогрейные и паровые котлы по устройству и
принципу действия мало различаются между собой. Аналогична и
методика расчета электродных систем, изложенная в § 7 главы III.
При расчете паровых котлов следует лишь учитывать режим кипе-
ния жидкости.
Рассмотрим устройство электродных паровых котлов типа
КЭПР-0,4 (котлы электродные паровые регулируемые на 0,4 кВ).
На рисунке 63 приведена конструкция котла КЭПР-160/0,4 мощно-
стью 160 кВт.
Электрокотел представляет собой сварной сосуд из стандарт-
ных стальных труб, размещенных соосно и образующих внутрен-
нюю (парогенерирующую) 2 и внешнюю (вытеснительную) 3 каме-
ры. Внутри парогенерирующей камеры размещена электродная си-
стема 4 (по типу 3, табл.4) в виде пакета плоских пластин,
к которым подводится питание по токоведущим шпилькам через
проходные изоляторы 1. Крайние пластины электродного пакета
изолированы с наружной стороны диэлектрическими пласти-
нами.
Верхние, не заполненные водой части парогенерирующей и вы-
теснительной камер образуют паровое пространство котла. Отли-
чительной особенностью котлов является автоматическое регулиро-
вание мощности в зависимости от разбора пара. При давлении па-
ра, не превышающем максимально допустимое, регулирующий
клапан 7 регулятора температуры «открыт и вода в обеих камерах
находится на одинаковом уровне, полностью закрывая электроды
и обеспечивая полную мощность. При уменьшении разбора пара
давление и температура его возрастают, и когда они превысят за-
данное значение, срабатывает регулятор 7, перекрывая сообщение
парогенерирующей и вытеснительной камер. Под действием возра-
стающего давления пара вода из камеры 2 вытесняется во внеш-
нюю камеру 3, оголяя электроды и этим уменьшая мощность. Этот
принцип обеспечивает автоматическую работу не только при изме-
нении интенсивности разбора пара, но и при изменении удельного
сопротивления воды, что выгодно отличает эти котлы от водогрей-
ных котлов типа КЭВЗ, рассчитанных на воду определенного удель-
ного сопротивления.
Питательная вода поступает в электрокотел в вытеснительную
камеру через поплавковый регулятор подпитки 5. Для уменьшения
влажности пара в парогенерирующей камере установлен механиче-
ский сепаратор пара. Котел снабжается двумя предохранительны-
ми клапанами для защиты от повышения давления, двумя водомер-
ными колонками и манометром.
Основные сведения по электродным паровым котлам приведены
в таблице 15.
167
2У1О
Рис. 63. Электродный паровой котел КЭПР-160/0,4:
/ — проходной изолятор; 2 — парогенерирующая камера; 3 — вытеснительная
камера; 4 — электродная система; 5—поплавковый регулятор подпитки; 6—ме-
ханический сепаратор пара; 7 — регулятор температуры пара.
Таблица 15
Тип котла Основные технические данные электродных паровых котлов
диапазон номинальных мощностей, кВт номиналь- ное напряже- ние, В диапазон номинальной паропронзво- дительности, кг/ч макси- мальное давление пара ХЮ5 Па удельная масса, кг/кВт удельная стоимость, руб./кВт
ЭКП-0,4 100—300 380 130—400 6 2,5—1,3 5,9—3,6
1ЭКП-0.4 160—600 380 215—800 6 4,0—1,9 10—4,2
КЭПР-0,4 . 160—250 380 200—350 6 3,1—2,0 8,6—5,5
КЭПР-6 2500 6000 3000 6 0,8 2,5
§ 6. Электрокотельные
Электрокотельные сооружают для комплексного теплоснабже-
ния сельскохозяйственных предприятий с концентрированным про-
изводством, главным образом отдельных животноводческих ферм
и комплексов.
Комплексное электротеплоснабжение даже сравнительно не-
больших объектов связано со значительными мощностями и годо-
вым расходом электроэнергии (табл. 16) и требует частичной или
полной реконструкции сетевого хозяйства с целью его расширения,
особенно при сооружении сравнительно мощных электрокотельных
централизованного теплоснабжения.
Таблица 16
Объект Ориентировочная потребность в тепле при расчетной наружной температуре —-26° С
отопле- ние, МДж/ч венти- ляция, МДж/ч г горячее водоснаб- жение, МДж/ч всего, МДж/ч потребная мощность электрокотлов, кВт ГОДОВОЙ расход электооэнер- гии, МВт-ч
Коровник на 100 голов 55 400 88 543 150 180
Коровник на 200 голов 55 730 172 957 266 350
Блок коровников на 400 голов 73 1460 344 1877 520 700
Свинарник-откор- мочник на 1000 голов 50 1140 — 1190 330 450
Свинарник-откор- мочник на 2000 голов 64 2260 *2й-. 2324 650 900
169
Рис. 64. Суточные графики потребления (1) и выработки (2) тепла
сельскохозяйственной электрокотельной (зимний день).
Такие электрокотельные (мощность их может достигать 12—
15 МВт) представляют собой наиболее крупные потребители элек-
троэнергии в сельском хозяйстве, и их сооружение требует строгого
технико-экономического обоснования (гл. XIII).
Тепломеханическая и электротехническая части котельных вы-
полняются в соответствии с требованиями, изложенными в ПУЭ,
СНиП, материалах Госгортехнадзора и специальных руководящих
материалах [6, 25].
Теплопроизводительность электрокотельных определяют по су-
точным графикам тепловых нагрузок с учетом режимов загрузки
энергосистемы и распределительных сетей. Как правило, электро-
котельные работают в часы провалов в суточных графиках нагруз-
ки энергосистем и оборудуются системами аккумулирования пара
и горячей воды для снабжения потребителей в часы прохождения
пиков энергосистемы. Количество электрокотлов выбирают с учетом
режимов теплопотребления и работы котельной.
На рисунке 64 приведены совмещенные суточные графики мак-
симально-зимнего теплопотребления и выработки тепла электроко-
тельной совхоза «Ждановичи» Минской области. Котельная обору-
дована четырьмя паровыми электрокотлами ЭКП-300/0,4 общей па-
ропроизводительностью 1600 кг пара в час, аккумуляторами пара
и горячей воды и предназначена для теплоснабжения фермы КРС
170
на 600 голов и цеха с законченным циклом обработки молока и рас-
фасовки в бумажные пакеты.
Для теплоснабжения небольших животноводческих ферм, мо-
лочных, кормоцехов и т. п. используются мелкие электрокотельные
из 1—2 электрокотлов, встраиваемые непосредственно в производ-
ственные помещения. Для повышения надежности теплоснабжения
рекомендуется устанавливать не менее двух котлов.
Электрокотлы оборудуются устройствами защиты от коротких
замыканий, перегрузки по току, повышения давления и уровня во-
ды (в паровых котлах), измерительными приборами контроля за-
грузки по мощности, учета электроэнергии, замера температуры
и давления воды или пара.
В схему управления котлами вводится блокировка с циркуляци-
онными насосами, действующая на отключение при остановке на-
сосов.
Каждый котел должен иметь рабочую и аварийную сигнализа-
цию, а для электрокотельной без обслуживающего персонала необ-
ходима выносная сигнализация.
В схемах автоматики отопительных котельных с водогрейными
котлами регулируемыми параметрами являются температура в
Рис. 65. Принципиальная тепловая схема комплектной электрокотельной с дву-
мя котлами КЭВ-60/0,4:
н/ж^мй~ЭЛеКтрокотль,: Н1- Н2 ~ Циркуляционные насосы; /, 6, 9, /0 — трубопроводы: дре-
м₽тп м=,.^Одающий’ обратный, холодной воды; 2 — предохранительный клапан; 3 —термо-
7 _ прпв»0Ме1рический’ 4—показывающий манометр с сифоном; 5 — термометр ртутный;
м ". >Jход: 8— вентиль; // — дифференциальные реле давления; /2 — показывающий мано-
метр, и — обратный клапан.
171
отапливаемом помещении и температура прямой воды, а для боль-
ших котельных — температура прямой воды и наружного воздуха.
В электрокотельных горячего водоснабжения автоматика под-
держивает постоянную температуру воды в аккумулирующих ем-
костях.
На рисунке 65 приведена принципиальная тепловая схема комп-
лектной электрокотельной с двумя водогрейными котлами
КЭВ-60/0,4, разработанная Братским заводом электрических кот-
лов и предназначенная для отопления небольших помещений. Мак-
симальная тепловая нагрузка котельной составляет 0,42 ГДж/ч,
температура воды 95—70° С.
Схема управления котлом показана на рисунке 66. Пуск котла
в работу осуществляют при ручном управлении, нагрузку контро-
лируют по амперметру. После разогрева системы до рабочих па-
раметров котел переводят на автоматический режим. Включать ко-
тел под напряжение можно лишь при работающих циркуляцион-
0
B2I
700
А21
РЗ
РА
ПГ
—IPI
~1Р2
РЗ
Вй
Р2 Р1
~1Г~Тв5
Р2
пг
о
"низкая тем-
I НиЗКЦл IKK"
л с ператцра
§ S сетевой
______________
g К 'Высокая
§5 температу-
..............
..............
контроль
^температуры
воздуха о ।
5s g ра сетевой
S.5 боды
помещении
[Рёле конт-
-----------0^
Оз схемы управления
Авт Вбр^руасосами „
-Mill—
§ у г ________
g-5 вйгйалимция
, i § наличия ноп-
§ S ряжения в •
с цепях авто-
! матики
4о
♦
15
81____. _
Ч-------о ~ 0
К РЗ
fil К РЗ
ления
^контактор
Кнопка
съема бло-
кировки—
'Местная сиг-
70h>
« '•uuiiiiiun UUC |
нализация
ез аварийного
у 1 отключения
котла
о схему
Выносной ।
сигнали- |
и
лз
РЦ
Рис 66. Принципиальная схема управления водогрейным электрокотлом
КЭВ-60/0,4:
Bl—ВЗ — автоматические выключатели; В4 — электрокоитактный термометр ТПГ-СК;
В5 — датчик температуры ДТКБ-44; В6 — универсальный переключатель; Р1—Р4 — про-
межуточные реле; К. —контактор; Л1, Л2 — лампы сигнализации.
172
ных насосах, что контролируется блок-контактом БН1 в цепи
контактора К котла.
Автоматическое управление работой котла осуществляется по
температуре прямой воды и температуре воздуха в помещении.
Верхний контакт электроконтактного термометра В4 замыкается
при температуре воды ниже установленной, нижний — выше уста-
новленной, а контакт датчика В5 — при снижении температуры воз-
духа помещения ниже установленной. Заданные пределы темпера-
туры воздуха поддерживаются путем периодического отключения
и включения электрокотла.
Электродные водогрейные и паровые котлы должны работать на
воде, удельное сопротивление которой оговорено в заводском пас-
порте. При несоответствии удельного сопротивления заданному в
систему необходимо добавлять тринатрийфосфат (ЫазРС^) или
сульфат натрия (NaaSO-i) в виде водных растворов или дистилли-
рованную воду. Количество соли (г/м3), добавляемой в воду, ориен-
тировочно определяют по формуле
х=150(А— 1\ (264)
\ ^ФФ /
где /ф— необходимое значение фазного тока;
/ф.ф—фактическое его значение.
При добавке дистиллята (л/м3) пользуются формулой
t/ = 1000(l--(265)
\ ^Ф.Ф/
Водный раствор или дистиллят добавляют через устройства для
подсаливания в системах отопления при отключенном циркуляци-
онном насосе.
§ 7. Основные правила безопасной эксплуатации
электродных котлов и водонагревателей
Электродные котлы и элементные водонагреватели при наруше-
нии надлежащих правил устройства и эксплуатации могут пред-
ставлять значительную опасность с точки зрения поражения людей
и животных электрическим током. Это обусловлено тем, что элект-
родные котлы и элементные водонагреватели устанавливают, как
правило, в сырых помещениях и обслуживает их неэлектротехниче-
ский персонал. Кроме того, электродные котлы имеют повышенную
опасность, обусловленную принципом их работы.
Безопасная эксплуатация котлов обеспечивается строгим соблю-
дением требований ИТЭ и ПТБ*, Госгортехнадзора и специальных
указаний [6, 25].
* Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и Пра-
вила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей.
Госэнергонадзор СССР, М., 1970.
173
Основные правила безопасной эксплуатации электрокотлов в
сетях с напряжением до 1000 В состоят в следующем.
1. Для эксплуатации разрешается использовать только электро-
котлы и водонагреватели, изготовленные в соответствии с требова-
ниями ГОСТ по техническим условиям, утвержденными министер-
ством, в ведении которого находится завод-изготовитель. Применять
самодельные котлы и нагреватели запрещается.
2. Котлы, работающие под давлением, до ввода в эксплуатацию
должны быть зарегистрированы в местных органах Госгортехнад-
зора.
3. Электрокотлы необходимо устанавливать в отдельных поме-
щениях (электрокотельных), доступ в которые разрешается лишь
специально проинструктированным лицам.
4. Мощность работающих электродных котлов не должна пре-
вышать номинальную. Для этого удельное электросопротивление
воды должно находиться в пределах, указанных в паспорте котла.
5. Корпус котлов напряжением до 1000 В и все металлические
части, которые в результате повреждения изоляции могут оказаться
под напряжением, должны быть присоединены к нулевому проводу.
Нулевой провод повторно заземляют на вводе в помещение.
6. В сетях 380 В с глухо заземленной нейтралью, питающих жи-
вотноводческие фермы, корпуса котлов не присоединяют к нулевому z
проводу, а для обеспечения безопасности обслуживания котлы по-
мещают в изолированные от них металлические кожухи, которые
надежно присоединяют к нулевому проводу. Выводы к трубопрово-
дам холодной и горячей воды присоединяют через изолирующие
вставки.
7. Электрокотлы должны быть защищены трехфазными автома-
тами или другими устройствами, действующими на отключение при
перегрузках и коротких замыканиях в цепях котла.
8. Водогрейные котлы и водонагреватели следует присоединять
к водопроводной сети и разборному трубопроводу только через изо-
лирующие вставки. Сопротивление воды во вставках должно быть
не менее 2000 Ом.
Длину вставки (мм) определяют по формуле
I > d2 > 0,785 d2, (266)
где d — внутренний диаметр вставки, мм;
р — удельное сопротивление воды, которое принимается не вы-
ше 2 Ом-м;
7?вст 2000 Ом.
9. Все операции по обслуживанию аппаратов могут выполняться
только при отключенном состоянии. Оперативный персонал, осу-
ществляющий технический уход и эксплуатацию, должен иметь
квалификационную группу по технике безопасности не ниже
третьей.
174
10. Каждый котел необходимо снабдить табличкой с основными
техническими данными, схемами электрического и тепломеха-
нического оборудования и утвержденными инструкциями по эксп-
луатации.
Глава IX
ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
МИКРОКЛИМАТА В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ
§ 1. Роль и оптимальные параметры микроклимата
Под микроклиматом закрытых помещений понимают совокуп-
ность основных физических и химических факторов воздушной сре-
ды, оказывающих комплексное воздействие на живой организм.
Наибольшее влияние на жизнедеятельность скота и птицы при
содержании их в сельскохозяйственных помещениях оказывают
температурно-влажностный режим, скорость движения и состав
воздуха, а также освещенность и степень ионизации воздуха.
Температурно-влажностный режим помещения зависит от сле-
дующих условий: а) зонального климата и времени года; б) терми-
ческого и влажностного сопротивления ограждающих конструкций
здания; в) совершенства вентиляции и уровня воздухообмена в по-
мещении; г) степени отопления; д) плотности размещения, вида и
возраста животных и птицы.
Кроме того, на состав воздуха влияет: состояние канализации
и частота уборки навоза и помета; технология содержания живот-
ных и птицы; состояние логова, количество и качество подстилки
и распорядок дня на ферме.
Нормами технологического проектирования ферм крупного ро-
гатого скота НТП-СХ-1-72 и проектами НТП-СХ-2-68 для птице-
водческих и свиноводческих помещений предусмотрены приведен-
ные в приложении 5 параметры воздуха, которые должны обеспе-
чиваться системами отопления и вентиляции.
Главное назначение вентиляции — поддерживать оптимальную
температуру и влажность воздуха в помещении, удалять вредные
газы, а также предупреждать конденсацию паров на внутренней
поверхности ограждений.
Недостаточный обмен воздуха не обеспечивает удаление из по-
мещения водяных паров и вредных газов. Излишняя подача возду-
ха приводит к большому расходу тепла на его обогрев, что связано
с увеличением затрат на оборудование отопительно-вентиляцион-
ных систем. В связи с этим возникает необходимость точного рас-
чета оптимального объема вентиляции.
Трудно переоценить значение температурного фактора на про-
дуктивность и сохранность взрослого поголовья и особенно молод-
няка животных и птицы.
175
В коровнике, например, при температуре свыше 25° С удои ко-
ров начинают снижаться, а при 35° С падают на 50%. В свинарни-
ках-откормочниках расход кормов на 1 кг привеса при температуре
4,5° С возрастает в 1,5-—2 раза по сравнению с оптимальной темпе-
ратурой. В помещениях для кур-несушек при температуре воздуха
ниже 7,5° С яйценоскость снижается на 10—15% и увеличивается
потребность корма; при температуре выше 30° С также снижается
продуктивность, уменьшается размер и качество яиц.
§ 2. Общий расчет и устройства электроотопления
помещений
В зависимости от климатических условий, тепловой характерис-
тики помещений и плотности размещения животных в них живот-
новодческие постройки могут быть отапливаемые и неотапливае-
мые.
Задачей отопительно-вентиляционной установки является под-
держание постоянства температуры воздуха в помещении и сохра-
нение допустимой относительной влажности воздуха. Последнее не
менее важно в связи с тем, что высокая влажность воздуха тормо-
зит испарение влаги, а также служит основной причиной уничтоже-
ния в воздухе полезных отрицательно заряженных ионов. Высокая
влажность воздуха вызывает конденсацию части водяных паров на
строительных ограждениях, повышая теплопроводность и теплоот-
дачу излучением, снижая температуру помещения. Поэтому относи-
тельная влажность при отоплении остается решающим фактором,
как и при вентиляции. Таким образом, работа отопительных и вен-
тиляционных установок тесно связана и требует совместного расче-
та. Это тем более важно, что общая мощность отопительно-венти-
ляционных установок зависит от способа электроотопления.
Расчет вентиляции основан на решении дифференциального
уравнения баланса вредностей. За элемент времени dx баланс вред-
ностей
Lzv dr + zdx — Lz2 dx = Vdz2. (267)
Решение уравнения относительно г2 имеет вид
z = (Lzt + г) 1 Полагая т = оо, имеем г2 = {Lzy + откуда L = —Lx \ г —~J + zoe v . (268) z) у = z, + , (269) = —— , (270)
176
где L—количество воздуха, подлежащего удалению из помеще-
ния на одну голову, ч;
z— число единиц вредностей, выделенных в помещении в еди-
ницу времени;
гх— содержание единиц вредностей в 1 м3 наружного воздуха;
z2 — допустимое содержание единиц вредностей в 1 м3 возду-
ха внутри помещения.
По формуле можно рассчитать расход воздуха на удаление из-
быточной влаги, углекислоты или тепла. Обычно расчет ведут в
кубических метрах на голову в час, а общий воздухообмен в поме-
щении рассчитывают по максимальному расходу воздуха, получен-
ного для одного из указанных видов вредностей. В зависимости от
вида вредности расчет имеет различный вид.
По влаге:
= (271)
d2 — dy
Здесь W=W[-j-W2 — выделение влаги внутри помещения,
где W'i— суммарная влага, выделяемая дыханием и кожей жи-
вотных, г/(гол-ч);
Ц72=0, MITj— количество влаги, испаряющейся с пола, стен и потол-
ка и технологического оборудования, г/(гол-ч).
= (272)
где п — количество животных в помещении, гол.;
норма влаговыделений животными при относительной
влажности ф= 100% и температуре 16° С (приводится в
НТП-СХ-1-72, НТП-СХ-2-68) ;
kt и — коэффициенты, учитывающие изменение влаговыделения
в зависимости от температуры и влажности воздуха в по-
мещении.
Влагосодержание наружного воздуха и допустимое содержание
влаги внутри помещения
< = И ^ = <*вфв,
где dH и dB — влагосодержание наружного и внутреннего воздуха
в насыщенном состоянии при расчетных температу-
рах, г/м3;
Фн и <рв—относительная влажность наружного и внутреннего
воздуха, %.
Влажность <рн выбирают в зависимости от климатической зоны
и температуры наружного воздуха. Обычно влажность наружного
воздуха учитывают в переходные периоды, когда она высокая, а
температура воздуха близка к 0°С (ноябрь и март для средней зо-
12—475 177
ны страны). В такие периоды необходим наибольший воздухооб-
мен в помещении по избытку влаги.
По углекислоте:
, 1.2*COl
со«~ с2_С1 ’
где Лсо2 — количество углекислоты, выделяемое животным в 1 ч,
м3/(ч-гол);
С2 — допустимое содержание СО2 внутри помещения (не
должно превышать 0,25% по объему);
— содержание СО2 в наружном воздухе (в сельской мест-
ности 0,03% по объему).
Коэффициент 1,2 учитывает выделение углекислоты микроор-
ганизмами и подстилкой.
По теплоте:
т __ Qu (1 в)__________________________
т” ’
где Св— излишнее тепло в тепловом балансе, удаляемое из по-
мещения с вентилируемым воздухом, кДж/ч;
/в и /н—'температура внутреннего и наружного воздуха, °C;
14 „ . . 1
а = —— температурный коэффициент расширения воздуха — ;
Cv — объемная теплоемкость воздуха в помещении,
кДж/(м3-°C);
п—число животных в помещении, гол.
Определив вентиляционную норму на голову и зная число жи-
вотных в помещении п, необходимую производительность вентиля-
ционной установки находят по формуле
L' = nL. (275)
Во многих случаях необходимо знать кратность воздухообмена
в помещении
0 у
(276)
где V — объем воздуха в помещении; м3.
Допустимая кратность воздухообмена в животноводческих поме-
щениях &о=4ч-15.
Расчет отопления. Микроклимат животноводческих помещений
зависит от теплоизоляции здания, количества и возраста живот-
ных, воздухообмена и температуры наружного воздуха.
Расчет отопления ведут на основании уравнения теплового ба-
ланса
Сжив 4“ Сот 4“ Спод + Сэ.м = Corp 4* Св 4” Сисп 4" Синф» (277)
178
откуда
Сот = Corp + Св + Сисп + Сииф — Сжив — Спод — Сэ.м> (278)
где Сжив* Спод> Сот и Сэ.м — количество тепла, выделяемое живот-
ными, биотермическим разложением
подстилки, вносимое отоплением и
средствами местного электрообогре-
ва, кДж/ч;
Corp* Св* Сисп и Синф — количество тепла, теряемое огражде-
нием, уносимое воздухом вентиляции,
испарением влаги в помещении и в
результате инфильтрации воздуха че-
рез ограждение, кДж/ч.
Потери тепла ограждением можно определить по формуле
Corp = (^ст ®ст + ^ок ®ок ^дв 5дВ 4- ^пт ®пт + ^пл ЯпрО.бР);
(4-/и) = 2^(<в-/н),
(279)
где k и s — коэффициенты теплопередачи и площади элементов
конструкции помещения: стен, окон, дверей, потолка
и пола, соответственно кДж/(м2-ч-°С) и м2;
Р — периметр наружных стен, м;
Япр— глубина промерзания грунта, м2;
tB и /н — расчетная температура соответственно внутреннего
й наружного воздуха, °C.
Значения коэффициента теплопередачи k для элементов конст-
рукции помещения приводятся в приложении 8.
Расчетную температуру внутреннего воздуха принимают по дан-
ным приложения 5.
За расчетную температуру наружного воздуха ta рекомендует-
ся принимать самую низкую температуру за год, наблюдаемую
в течение пяти суток подряд не менее 4 раз за последние 25 лет.
Однако, как правило, следует использовать данные строительных
норм и правил (СНиП, ч. II, разд. Г., гл. 7), где климатические
данные для различных географических районов страны представ-
лены в форме таблиц, необходимых для выбора и Нпр.
Количество тепла, теряемого на вентиляцию,
<
<?в - ^всрв (tB - /н) = kVcpB (tB- /н), (280)
где L’B—часовой расход воздуха, м3/ч;
с — массовая теплоемкость сухого воздуха, с =
= 1,0 кДж/(кг-°C);
рв—плотность воздуха, кг/м3;
k — кратность воздухообмена;
V—объем воздуха в помещении, м3.
12*
179
Тепло, выделяемое животными,
О --=0' nk,, (281)
^ЖИВ ^ЖИВ '
где ф^ив — норма тепловыделения животного при температуре воз-
духа 16°С, кДж/(ч-гол);
п — количество животных в помещении, гол;
kt—коэффициент, учитывающий изменение тепловыделения
животного с температурой.
Теплопотери на инфильтрацию QHh$ составляют в среднем 13%
от теплопотерь Qorp.
Количество тепла, теряемое с испарением влаги в помещении,
Сисп = ^испЮ~3, (282)
где W2—количество влаги, испаряющееся в помещении, г/(гол-ч);
гиси—скрытая теплота испарения воды при атмосферном дав-
лении, кДж/кг.
Важными обобщенными показателями являются тепловая ха-
рактеристика q0 и тепловая нагрузка ео животноводческого поме-
щения, которые представляют собой отношение суммарных удель-
ных теплопотерь помещения и тепловыделения животных к объему
помещения, соответственно
п = —--------и е Css.. (283)
V(/B-Z„) 0 V v
Необходимость дополнительного отопления определяется соот-
ношением величин qo и ео. При этом, чем меньше отношение ,
е0
тем лучше помещение в тепловом отношении.
Современная классификация помещений по тепловой характе-
ристике дается по величине q0, а именно: неутепленные — qo =
= 2,93 кДж/(м3-ч-°С) и более и утепленные — д0=2,1—
2,93 кДж/(м3-ч-°С). Для современных животноводческих по-
строек тепловая характеристика находится в пределах qo—2,1 —
—5,03 кДж/(м3-ч-°С).
Тепловая нагрузка зависит от плотности размещения живот-
ных в помещении. При повышении плотности заселения тепловая
характеристика помещения возрастает.
Плотность заселения помещений животными определяется
нормами технологического проектирования (НТП-СХ-1-72 и
НТП-СХ-2-68).
Мощность отопительных приборов прямого электронагрева оп-
ределяют обычным способом по известной теплопроизводитель-
ности.
Разнообразие климатических зон страны, видов сельскохозяй-
ственных животных и типов животноводческих помещений вызы-
180
вает необходимость применения различных по принципу работы и
конструктивному исполнению устройств для электроотопления
этих помещений.
В средних и северных зонах страны наибольшее распростране-
ние нашли электрокалориферные отопительно-вентиляционные
установки, электрокотельное отопление и электрообогреваемые по-
лы, а в южных районах страны наряду с этим начинают применять
полупроводниковые электротепловые насосы и установки кондици-
онирования воздуха. Вместе с тем самое широкое применение на-
ходят различные средства местного электрообогрева.
Особый тип помещения с регулируемым микроклиматом, где
применяют электронагрев, представляют электрические инку-
баторы.
§ 3. Электрокалориферные установки
Электрокалориферные отопительно-вентиляционные установки
нашли широкое распространение для отопления животноводческих
помещений. Преимущество их состоит в том, что в одном агрегате
совмещаются функции отопления и вентиляции, они применимы
во всех животноводческих помещениях, имеют простую регу-
лировку теплопроизводительности и количества подаваемого’
воздуха.
Основными узлами электрокалориферной установки являются
электрический калорифер, вентилятор, электрический двигатель,,
система воздуховодов в помещении и система управления уста-
новкой.
Нагрев воздуха осуществляется от нагревательных элементов,
устанавливаемых в камере нагрева (собственно, калорифере) на
пути движения воздуха от вентилятора. Нагревательные элементы
устанавливают так, чтобы обеспечить наилучшее обдувание их воз-
духом для максимального отвода тепла и достаточную механиче-
скую жесткость, исключающую их деформацию под воздействием
воздушного потока.
В качестве побудителей движения воздуха используют осевые
и центробежные вентиляторы, сочленяемые с калорифером пере-
ходными вставками и конфузором. Для равномерного обдувания
нагревательных элементов калорифер размещают перед входом
в вентилятор. Нагревательные элементы выполняются из нихромо-
вой или фехралевой проволоки, которую наматывают на изолиру-
ющее основание из огнеупорных материалов или свивают в спира-
ли и крепят на изоляторах. В мощных калориферах нагреватель-
ные элементы выполняют из ленты, которая изгибается в виде
зигзага длинной стороной сечения по направлению движения воз-
духа.
Однако наиболее надежны и безопасны электрические калори-
феры с трубчатыми нагревательными элементами, получившими
в последние годы широкое распространение.
181
Рис. 67. Оребренный трубчатый электронагреватель.
Трубчатые нагревательные элементы для нагрева воздуха при-
меняют с гладкой и оребренной наружной поверхностью. Алюми-
ниевые диски-ребра, насаженные на трубчатый нагреватель, зна-
чительно улучшают отвод тепла и условия его работы (рис. 67).
Еще более эффективно оребрение, выполненное методом накатки
алюминиевого корпуса нагревателя.
Скорость движения воздуха через калорифер выбирается из
условия обеспечения допустимой температуры нагревательных
элементов. Для нагрева воздуха при отоплении животноводческих
помещений эта температура не должна превышать температуру
возгонки органической пыли (до 200°С), оседаемой на поверхности
нагревательных элементов, так как продукты возгонки значитель-
но ухудшают газовый состав воздуха и микроклимат помещения.
Мощность калорифера определяют по формуле
Р — Фот
к 3600т)к’
где Qot и т]к —- теплопроизводительность (кДж/ч) и к. п. д. кало-
рифера.
Для установок, размещаемых в обогреваемом помещении,
т]к= 1,0, а в подсобных — г]к достигает 0,95—0,97.
Автоматика электрокалориферных установок должна обеспе-
чивать защиту калориферов от токов короткого замыкания и от
перегрева нагревательных элементов, а также защиту электродви-
гателя от перегрузки и токов короткого замыкания. Обязательным
условием является блокировка, обеспечивающая отключение элек-
тродвигателя и невозможность включения калорифера при отклю-
ченном электродвигателе. Последнее связано с тем, что при отсут-
ствии движения воздуха в калорифере коэффициент теплоотдачи
калорифера резко снижается, а это приводит к возрастанию темпе-
ратуры и выходу из строя нагревательных элементов.
Для поддержания температурно-влажностного режима возду-
ха в помещении в пределах, допускаемых зоотехническими норма-
ми, необходимо осуществлять автоматическое регулирование
одновременно по температуре и удельному влагосодержанию внут-
реннего воздуха. Достигается это изменением теплопроизводитель-
182
ности электрокалорифера и производительности вентилятора. Теп-
лопроизводительность изменяют переключением нагревательных
элементов, а производительность вентилятора — изменением скоро-
сти электродвигателя или перекрытием заслонки вентилятора.
Двух- или трехступенчатое регулирование производительности
достигается применением многоскоростных электродвигателей. Для
многоступенчатого регулирования скорости вентилятора применя-
ют автотрансформаторы, а для плавного регулирования — дрос-
сельное или тиристорное управление.
Для отопления животноводческих помещений применяют ста-
ционарные и передвижные электрокалориферные установки.
Стационарные установки обычно располагают в подсобных по-
мещениях животноводческих построек, а распределительные воз-
духоводы приточной вентиляции монтируют под потолком или ре-
же в полу помещений. Раздаточные сопла воздуховодов равномер-
но распределяют воздух по всему помещению на различной высоте
в зависимости от вида животных. "Такая система регулируемой
приточной вентиляции с электроподогревом воздуха наиболее со-
вершенна, обеспечивая совместно с вытяжной вентиляцией требуе-
мые параметры воздуха во всем помещении. Вытяжная вентиля-
ция выполняется оконными или центробежными вентиляторами,
а также вентиляционными шахтами с принудительной или естест-
венной вентиляцией.
Рис. 68. Электрокалорифер-
ная установка СФОА-25:
/ — рама; 2—переходной патру-
бок; 3—электрокалорифер; 4 —
мягкая ’вставка; 5 — вентиля-
тор.
183
Для систем вентиляции и электроотопления животноводческих
помещений при температуре нагрева воздуха не выше 50° С широ-
кое применение находят стационарные электрокалориферные уста-
новки типа СФОА, размерный ряд которых приведен в таблице 17.
Установки питаются от сети 380 В, нагреватели включаются по
схеме «звезда». Максимальная температура нагретого воздуха
50°С, а на оребрении нагревателей не выше 180°С. Общий вид
электрокалориферной установки СФОА-25/0,5 ТЦ показан на
рисунке 68. Калорифер представляет собой сварную каркасную
конструкцию, внутри которой установлены оребренные трубчатые
электронагреватели, объединенные в три самостоятельные секции,
при включении и отключении которых можно получить три ступени
мощности 100, 67 и 33,3%.
Таблица 17
Марка электрокалориферной установки \ Полная мощ- ность установки, кВт Мощность элек- трокалорифера, кВт Общее коли- чество нагрева- телей Число нагрева- тельных секций Средняя мощ- ность нагрева- тельной секции, кВт Производитель- ность по возду- ху (м3/ч) при перепаде темпе- ратуры нагре- ваемого возду- ха 50° С I Свободный напор Х105 Па
СФОА-16/0,5 ТЦ М2/1 16,7 15 18 2 7,5 950 35
СФОА-25/0,5 ТЦ М2/1 23,2 22,5 27 3 7,5 1480 35
СФОА-40/0,5 ТЦ М2/1 45,5 45 36 3 15 2480 65
СФОА-60/0,5 ТЦ М2/1 69 67 45 3 22,5 3580 85
СФОА-100/0,5 ТЦ М2/1 94 90 54 3 - 5940 70—80
Заводы-изготовители поставляют установки СФОА совместно
со щитом управления.
Электрическая схема установки СФОА-25/0,5 приведена на
рисунке 69. Установку включают под напряжение со щита управ-
ления рубильником Р. Нагреватели калорифера можно включать
лишь после включения двигателя вентилятора автоматическим
выключателем АВ, блок-контакты которого находятся в й,епи реле
РП. При установке переключателя УП1 в положение А осуществля-
ется автоматическое регулирование двух секций калорифера по
температуре воздуха в помещении, которая контролируется датчи-
ками температуры ТР2 и ТРЗ, установленными в помещении. Один
из датчиков размыкает свой контакт при нормальной температуре
воздуха в помещении, а второй —• при повышении температуры вы-
ше допустимой. Универсальный переключатель УП2 позволяет от-
ключать отдельные секции калорифера и этим регулировать мощ-
ность нагрева при работе вручную (установив переключатель УП1
в положение Р).
В схеме предусмотрена световая сигнализация подачи напря-
жения на щит управления (ЛС1), работы секций нагрева (ЛС2,
ЛСЗ и ЛС4) и вентилятора (ЛС5).
184
~ 380
| jw>4
mi пт пмз
ПИ!
~) Г"
пмг
~1Г"
пмз
ИГ
е^
напряжения
1 секция 2 секция
i 6,4 кВт В^кВт
Нагреватели
3 секция ]
6,4 кВт
^25.2^1
Электродвигатель
вентиляторо
I секция
2 секция
3 секция
Блокировка по
перегреву
~Тигнапизацйя
. работы
Вентилятора
। Выбор режима
работы и
трехпозицион-
ное
регдлирова-
кие
температуры
> Включение
нагрева
в ручном
Рис. 69. Электрическая схема электрокалориферной установки СФОА-25/0,4:
р — рубильник; АВ — автоматический выключатель; М — электродвигатель асинхронный; Пр1—Пр4 — предохранители,
ПМ1—ПМЗ, РП — пускатели магнитные; ЛС1 — лампа сигнальная красного цвета; ЛС2—ЛС5 — лампы сигнальные зеле-
ного цвета; УП1 и УП2 — переключатели универсальные; Тр1 — реле температурное; Тр2 и ТрЗ — датчики температуры.
Передвижные электрокалориферные установки применяются
для дополнительного обогрева животноводческих помещений. По
сравнению со стационарными установками они обычно не имеют
распределительных воздуховодов, и их устанавливают внутри жи-
вотноводческого помещения. Нагретый воздух поступает в помеще-
ние непосредственно из выходного окна установки. Для безопас-
ности окно закрыто металлической сеткой. В этих установках ис-
пользуют осевые и центробежные вентиляторы, а в качестве
приводов вентиляторов — асинхронные короткозамкнутые электро-
двигатели закрытого исполнения.
В качестве примера можно привести передвижные электродные
паровоздушные отопительные установки типов ЭПВОУ-80/0,4;
130/0,4 и 180/0,4 мощностью соответственно 80, 130 и 180 кВт. Пи-
тающее напряжение установок 380 В. В комплект установки вхо-
дят трехфазный электродный паровой котел, паровой калорифер и
вентилятор. Пар под давлением (2—3) -105 Па (2—3 атм) подается
в калорифер, в котором прогоняемый вентилятором воздух нагрева-
ется в возможном диапазоне температур от —40° до+50°С. Уста-
новки автоматизированы и применимы для отопления больших жи-
вотноводческих помещений . Щит управления и автоматизации
смонтирован прямо на установке.
Для снижения мощности электроотопления животноводческих
помещений применяют теплообменные системы вентиляции. Сущ-
ность работы теплообменной системы состоит в том, что воздухо-
воды вентиляционных установок с приточной и вытяжной вентиля-
цией совмещены в виде теплообменника. При этом теплый, но за-
грязненный воздух помещения, проходя через теплообменник,
отдает значительную долю своего тепла приточному холодному
воздуху. Недостающее количество тепла для нагрева приточного
воздуха восполняется за счет электрокалорифера, устанавливаемо-
го в системе приточной вентиляции.
Разработаны теплообменные системы подпольной и подвесной
конструкций. В качестве материалов для внутренних воздуховодов
приточной вентиляции применяют оцинкованную сталь толщиной
0,5—1,0 мм, так же как и для наружных каналов вытяжной венти-
ляции подвесной конструкции. Для наружных каналов теплооб-
менника подпольной конструкции используют легкие конструк-
тивные бетоны с обмазочной гидроизоляцией битумом. Для
интенсификации теплообмена внутренние каналы приточной
вентиляции выполняют в виде пучка гладких или оребренных
труб. Количество труб в пучке от 2 до 5. Диаметр трубы
200—400 мм.
Теплообменные системы рекомендуют к применению в клима-
тических районах с расчетной отопительной температурой до 20—
25°С.
В таблице 18 для сравнения приведены характеристики тепло-
обменных систем вентиляции двух различных животноводческих
помещений.
186
Таблица 18
Характеристики теплообменных систем вентиляции
животноводческих помещений
Тип помещения
Свинарник-ма-
точник на
130 свинома-
ток
Телятник на
500 телят
мощность, Вт
конструктивные данные
теплообменника
—20 Подполь- 39,5
ный
—25 Подвес- 44,5
ной
200
400
850 2X8 2X4,0 2X5,5
2400 1X58 1X7,5 1X10,0
Автоматическое управление теплообменной системой вентиля-
ции должно обеспечивать поддержание оптимальных температуры
и влажности внутреннего воздуха. Оптимальное значение относи-
тельной влажности воздуха помещения обеспечивается регулирова-
нием воздухообмена путем изменения скорости вращения много-
скоростных двигателей приточно-вытяжных вентиляторов, а под-
держание заданного значения температуры — периодической
работой электрокалорифера и теплофизическими свойствами теп-
лообменной системы.
§ 4. Электрокотельное отопление
Отопление сельскохозяйственных помещений при помощи элек-
трических водогрейных котлов по устройству мало отличается от
общего центрального водяного отопления, за исключением того,
что вместо котлов, работающих на твердом, жидком или газооб-
разном топливе, применяют обычно электрические водогрейные
котлы.
Электрокотельные сравнительно просты по устройству, имеют бо-
лее высокую надежность и безопасность в работе. Это объясняет-
ся отсутствием высокой температуры на каких-либо деталях, лег-
кой автоматизацией отопления, отсутствием вентиляторов, надеж-
ностью приборов безопасности. Котельные просты в эксплуатации,
постоянно готовы к работе, занимают небольшую площадь, обла-
дают высокими санитарно-гигиеническими свойствами и не нуж-
Д|ются ^постоянном присутствии обслуживающего персонала
187
Рис. 70. Схема системы отопления помещения:
1— электроводонагреватель; 2 — кабель; 3— резиновый соединительный
рукав; 4 — коммутирующий аппарат; 5—расширительный бак; 6~тру-
бопровод горячей воды; 7 — батарея; 8 — трубопровод обратной воды;
9 — вентиль для спуска воды; 10 — ручной подпиточный иасос.
Производственные и служебные помещения, объем которых не
превышает 3000 м3, можно отапливать электроводонагревателями,
например типа ЭПВ. Чтобы улучшить естественную циркуляцию
воды в системе отопления, обычно применяемую в небольших по-
мещениях, и не пользоваться циркуляционнымтнасосами, электро-
водонагреватели устанавливают на 1,5—2,0 м ниже пола (рис. 70).
Пол и стены подвала, размеры которого зависят от количества ус-
танавливаемых электроводонагревателей, выкладывают кирпичом
и заподлицо закрывают крышкой. Уклон прямого трубопровода
обычно делают около i=0,005. Нагреватели соединяют с прямым
и обратным трубопроводами резиновыми вставками длиной не ме-
нее 1 м.
§ 5. Электротепловые насосы
Принцип получения «тепла» (для отопления помещений) или
«холода» (для охлаждения помещений) из теплого окружающего
воздуха или воды с использованием полупроводников в схеме теп-
лового насоса основан на явлении, открытом в 1814 г. Пельтье и
объясненном русским ученым Ленцем в 1838 г.
Эффект Пельтье заключается в том, что если через разнород-
ные соединенные друг с другом материалы (например, полупро-
водники, где этот эффект особенно выражен) пропустить постоян-
ный электрический ток, то в месте контакта положительного (+)
(дырочного, p-тип) полупроводника с отрицательным (—) (элект-
ронным, п-тип) при направлении тока от положительного провод-
ника к отрицательному происходит выделение тепла, а при на-
правлении тока от отрицательного проводника к положительному
происходит поглощение тепла в месте контакта (спае).
188
г
Рис. 71. Принципиальная схема полупроводникового электротеплового
насоса:
I _ источник постоянного тока; 2 — радиатор (теплообменник); 3 — полупроводник;
4 _ нагреваемая среда; 5 — холодный спай; 6 — охлаждаемая среда; 7—горячий спай.
Если электрическую цепь (рис. 71), состоящую из большого чи-
сла положительных и отрицательных полупроводников (термоэле-
ментов), расположить так, чтобы спаи, где происходит выделение
тепла (нагрев), и спаи, где происходит поглощение тепла (охлаж-
дение), образовали изолированные друг от друга каналы, то при
пропускании электрического тока из одного канала можно полу-
чить тепло, а из другого — холод. После перемены направления то-
ка теплый канал становился холодным, холодный — горячим. Если
между холодным и горячим каналами создать разность темпера-
тур, большую, чем между наружным воздухом и помещением, то
можно холодный воздух или воду охлаждать еще сильнее в холод-
ном канале, то есть отнимать тепло от холодной среды, а в горя-
чем канале нагревать теплый воздух помещения в основном за счет
тепла, отнятого от холодного воздуха.
Таким образом, используя эффект Пельтье, зимой при низкой
температуре наружного воздуха, охлаждая его еще сильнее, можно
извлекать из холодного воздуха тепло для отопления помещения,
а летом при высокой температуре наружного воздуха, нагревая
его еще сильнее, можно отводить тепло от него, охлаждая за счет
этого помещение. Физический смысл рассматриваемого процесса
заключается в том, что происходит как бы перекачивание тепла от
холодной среды к горячей за счет электрической энергии.
Согласно закону сохранения энергии количество тепла, пере-
данного в горячем канале, равно количеству тепла, отнятого в хо-
лодном канале, плюс эквивалентное по теплу количество электро-
энергии, затраченной на работу термобатареи. Отношение полезно
полученного тепла или холода к затраченной электроэнергии назы-
вается отопительным /Сот или холодильным /Сх коэффициентом
Кот = Кх+ 1. (285)
189
Отопительный и холодильный коэффициенты завйсят от разности
температур горячего и холодного канала (спаев) термоэлектри-
ческой батареи и качества полупроводников.
Термоэлектрическая эффективность полупроводников опреде-
ляется значением фактора добротности
где а—термо-э. д. с., В/°С;
а—удельная электропроводность, Ом-1-см-1;
X— коэффициент теплопроводности полупроводника,
Вт/(см-°C).
При этом отопительный коэффициент
М —
___Л
*от ' ^от.теор [ 1
(287)
Где Лот.теор — „ ™ i
12 — J1
M = V 1 + tz(7’1-7’2);
7\ и T2— абсолютная температура холодного и горячего спая,
соответственно, К.
Анализ соотношений для определения отопительного коэффици-
ента показывает, что эффективность термоэлектрической батареи
увеличивается с уменьшением разности температур горячего и хо-
лодного спаев и увеличением фактора добротности, то есть с
применением полупроводников с определенными свойствами.
В современных отопительно-охладительных агрегатах приме-
няются термоэлементы, изготовленные из сплавов на основе вис-
21 "с
Рис. 72. Схема отопительно-охладительного агрегата:
а -режим охлаждения; б— режим обогрева; 1 — холодные спаи;
2 — полупроводник; 3— резиновые патрубки; 4 —горячий спай.
190
мута, теллура, селена, свинца и сурьмы, фактор добротности кото-
рых не превышает (24-2,5) 10~31/°с •> а отопительный коэффициент
составляет 2,5—3,0.
В таблице 19 приведены технические характеристики отечест-
венных тепловых насосов типа TH.
Схема отопительно-охладительного агрегата, использующего во-
допроводную воду, показана на рисунке 72.
В полупроводниковых тепловых насосах можно в широких пре-
делах изменять их теплопроизводительность за счет изменения си-
лы тока при некотором изменении коэффициента преобразования.
Таблица 19
Марки тепловых насосов Номинальная производительность, кДж/ч Произво- дитель- ность, мг/ч Расход воды, л/ч Общая потребная мощность, Вт Число электро- двигателей мощностью 25 Вт Число термоба- тарей
по теплу по холоду
ТН-1,5 6 300 4 200 180 100 600 1 16
ТН-3 12 600 8400 360 200 1200 2 32
ТН-5 21000 13800 720 400 2000 4 64
ТН-7,5 31400 21 000 900 500 3000 5 80
Так, тепловой насос ТН-3 в оптимальном режиме дает тепло-
производительность 6300 кДж/ч при отопительном коэффициенте
/(от=4 и токе 1= 10А, а при токе /=30А и отопительном коэф-
фициенте Аот=2 имеет теплопроизводительность 25 200 кДж/ч.
При этом максимальная холодопроизводительность теплового на-
соса равна 10 500 кДж/ч.
Использование тепловых насосов эффективно в южных районах
страны с расчетной температурой не ниже +Ю°С, где их зимой ис-
пользуют для отопления, а летом для охлаждения помещений. Та-
кой режим является наиболее экономичным, а расчетные затраты
на отопление с тепловыми насосами более чем в 3 раза ниже уста-
новок прямого электроотопления.
§ 6. Установки кондиционирования воздуха
Кондиционирование воздуха позволяет создать наиболее опти-
мальные зоогигиенические условия для содержания животных и
птицы в различных климатических районах страны. В последнее
время кондиционирование воздуха начинают применять для цехов
птицефабрик с клеточным содержанием кур-несушек и молодняка,
а также в некоторых других сельскохозяйственных помещениях.
В систему кондиционирования воздуха входят установки, в ко-
торых создается требуемый режим обработки воздуха по влаж-
ности, температуре и составу.
Для увлажнения воздуха применяют различного рода форсу-
ночные камеры и камеры с орошаемым слоем, для нагрева или
191
выход воздуха
НШ
Рис. 73. Принципиальная схема автономного кондиционера КС-35:
/ — регулятор низкого давления; 2 — компрессор; 3 —регулятор давления; 4 — водяной кон-
денсатор; 5 — терморегулирующий вентиль; 6 — фильтр; 7 — теплообменник; 8 — терморегу-
лирующий вентиль; 9 — термобаллои; 10 — центробежный вентилятор; 11— электронагревате-
ли; 12 — испаритель; 13 — жалюзи; 14 — фильтр; 15 — датчик температуры воздуха в поме-
щении.
охлаждения — теплообменники с центральным водяным отоплени-
ем или охлаждением от холодильных машин. Для подогрева воз-
духа применяют электронагреватели. В комплект установок для
кондиционирования воздуха входят также вентиляторы, воздуш-
ные фильтры, различного рода вспомогательные узлы и меха-
низмы.
Отечественной промышленностью освоен серийный выпуск цен-
тральных секционных кондиционеров с типовыми секциями на но-
минальную производительность по воздуху от 10 до 240 тыс. м3/ч
и местных агрегатных неавтономных и автономных кондиционеров
номинальной производительностью по воздуху от 0,5 до 20 тыс. м3/ч.
Расчет и проектирование аппаратов в установках кондициони-
рования основывается на общих закономерностях аэродинамики,
теплотехники, электротехники и теории автоматического регули-
рования, а при выборе аппаратов исходят из требуемой тепло-
или холодопроизводительности и производительности помещения
по воздуху.
В качестве примера рассмотрим автономные кондиционеры с
водяным охлаждением и электрическим нагревом воздуха типа
КВ, технические характеристики которых приведены в табли-
це 20.
192
Таблица 20
Марки кондицио- неров Производитель* • ность по возду- ху, м3/ч Мощность элек- тродвигателя вентилятора, кВт Свободное дав- ление вентиля- тора для сети воздуховодов, Па Холодопроиз- водительность, МДж/ч Расход воды на охлаждение кон- денсатора (м3/ч) при 25° С Мощность элек- тродвигателя компрессора, кВт Мощность элек- тронагревате- лей, кВт Металло- емкость, кг
КВ-6 1 700 0,4 25 1,2 2,8 — 345
i КС-12 2 430 0,6 100 50 2,06 4,5 4,8 800
КС-18 3 800 1,0 100 75 3,5 7,0 5,1 800
КС-25 5 000 1,7 100 105 4,5 10,0 10,5 1100
КС-35 7 380 2,8 150 147 7,0 14,0 12,0 1500
КС-50 10 000 2,8 150 210 9,3 21,7 14,5 1800
На рисунке 73 приведена принципиальная схема автономного кон-
диционера КС-35. Внутри такой кондиционер разделен перегород-
кой на два отсека. В нижнем отсеке располагается компрессорно-
конденсаторная группа, а в верхнем отсеке — испаритель, электро-
нагреватели и центробежный вентилятор с электродвигателем.
В качестве холодильного агента используется фреон-12.
Автоматический режим холодильного агрегата кондиционера
обеспечивается при помощи терморегулирующего вентиля с термо-
баллоном и регуляторов давления, электрические схемы которых
связаны с магнитным пускателем электродвигателя компрессора.
Температура воздуха в помещении контролируется датчиком тем-
пературы, который также воздействует на магнитный пускатель
электродвигателя компрессора. При понижении температуры вну-
треннего воздуха датчик подает команду на остановку электродви-
гателя компрессора, а при повышении температуры — на пуск.
Ручным переключением кондиционер можно перевести для ра-
боты в режиме нагрева воздуха. В этом случае холодильная ма-
шина полностью отключается и включаются электронагреватели
воздуха, контроль которых осуществляется по датчику температу-
ры воздуха в помещении.
§ 7. Средства местного электрообогрева
В начальный период развития молодняк животных и птицы тре-
бует повышенного уровня температуры обогрева.
При существующих теплофизических параметрах ограждающих
конструкций животноводческих помещений и стоимости электро-
энергии в большинстве случаев выгодно применять дополнитель-
ные средства местного электрообогрева помещений в зоне разме-
щения молодняка. При этом общее отопление помещений может
быть электрическим, водяным, паровым или с применением тепло-
генераторов.
Применение средств местного электрообогрева вызвано также
техническими и технологическими преимуществами электронагре-
13-475
вательных установок, как то: возможностью легкой концентрации
тепловой энергии в заданном объеме, контролем и регулированием
температурного режима с обеспечением большой точности и рав-
номерности температуры и др.
По сравнению с только общим электроотоплением помещений
экономические преимущества средств местного электрообогрева
обусловлены пониженным расходом электроэнергии.
В настоящее время создано и эксплуатируется большое коли-
чество местных электрообогревателей, различных как по конст-
рукции, так и по роду создаваемого ими теплового эффекта. Мест-
ные электрообогреватели применяются для обогрева цыплят, по-
росят, телят, ягнят и других сельскохозяйственных животных
и птицы.
Разделение средств местного обогрева можно осуществить по
способу теплопередачи. По способу теплопередачи средства мест-
ного электрообогрева делят на устройства лучистого, контактного
и конвективного действия.
Наибольшее распространение находят устройства лучистого и
контактного действия.
Дополнительный обогрев молодняка при помощи устройств лу-
чистого действия основан на использовании инфракрасного излу-
чения. Биологическое действие ПК излучения зависит от глубины
проникновения лучей в организм животных.
Для ПК облучения молодняка на практике применяют «свет-
лые» и «темные» излучатели, отличающиеся спектральным соста-
вом своего излучения (§ 9, гл. IV).
Излучатели можно использовать индивидуально или комплек-
товать в групповые светильники с двумя, тремя или четырьмя лам-
Таблица 21
Источник излучения Технические характеристики инфракрасных излучателей
тип . излуча- теля мощность, Вт напряже- ние, В ТИП ЦОКОЛЯ срок службы, ч арматура
«С-ветлый» ИК-из- лучатель:
а) лампа на- каливания зеркальная с окрашен- ной колбой ИКЗК 250 220 Р-27-2 5000 ИКО-4
б) лампа на- ИКЗ 500 220 Р-40 2000 ИКО-2
налива- ния — тер- моизлуча- тель зер- кальный ОКБ-3295 250 220 Р-40 9000
«Темный» ИК-из- лучатель ОКБ-3296 500 220 Р-40 9000 —
194
пами монтируемыми на специальном подвесном устройстве, кото-
е крепится к потолку и позволяет регулировать высоту подвеса
облучателей от 0,4 до 1,2 м, а расстояние между их осями —от 0,3
до 0,8 м в зависимости от вида животных и их возраста. Темпе-
ратура на уровне пола при этом изменяется от 25 до 45° С.
Р Для обогрева цыплят, утят, индюшат можно использовать об-
лучатели типа ИКО из расчета один облучатель мощностью
250 Вт на 100 цыплят. Обогрев цыплят рекомендуется применять
до 30-дневного возраста. В таблице 22 приведены оптимальные ре-
жимы работы «светлых» облучателей в первую неделю обогрева
цыплят (по данным В. К. Мурзина).
Таблица 22
Температура охлаждающего воздуха, °C Температура воздуха в зоне облучения, °C Облучатели с лампами
ИКЗ ИКЗК
высота установки, м размер зоны обог- рева, м высота установки, м размер зоны обогрева, м
16 37—25 0,9 0,37
18 37,5—26,0 0,95 0,46 0,6 0,23
20 36,5—25,5 1,0 0,52 0,65 0,30
22 37—26 1,1 0,68 0,70 0,39
24 37—26,5 1,15 0,78 0,80 0,51
После каждой последующей недели выращивания высоту уста-
новки облучателей необходимо увеличивать на 8—10 см.
ПК лучи оказывают оздоровляющее влияние и снижают падеж
цыплят, повышают привесы, обладают последействием, что ска-
зывается на дальнейшем росте и продуктивности взрослой
птицы.
Использование «светлых» излучателей для обогрева поросят со-
здает возможность проведения осенне-зимних опоросов свиней и
выращивания поросят в неотапливаемых помещениях. С момента
рождения всю первую неделю поросята обогреваются круглосуточ-
но, а затем время обогрева постепенно сокращается и к концу
срока (около 2 месяцев) доходит до 4—6 часов в сутки (рис. 74).
Из «темных» облучателей наибольшее распространение нашел
зонтичный электробрудер БП-1, предназначенный для обогрева
цыплят до 30-суточного возраста при напольном содержании. Бру-
дер (рис. 75) имеет металлический зонт, четыре трубчатых нагре-
вательных элемента общей мощностью 1,0 кВт и температурное
реле. Рабочая температура нагревательных элементов достигает
300° С. Брудер рассчитан на 500 цыплят. Температурный режим
регулируют при помощи температурного реле и высоты подвеса
брудера над полом. Брудер пожаробезопасен.
К средствам контактного действия относят электрообогревае-
мые полы и различного рода напольные электрообогреватели (обо-
гревательные коврики, панели и др.).
Рис. 74. Обогрев поросят лампами ЗС в арматуре «Универсаль»:
/ — провод АПВ на якорях; 2 — штепсельное соединение; 3 — шланговый провод
ШРПС; 4 — подвеска; 5 — облучатель.
Электрообогреваемые полы применяют для общего и местного
обогрева помещений. Сущность этого метода состоит в том, что в
отдельные участки пола, где больше всего пребывают животные,
или по всей площади пола (при общем отоплении) закладывают
нагревательные элементы из провода (кабеля), стальной оцинко-
ванной проволоки или металлической сетки.
Электрообогреваемые полы имеют следующие положительные
особенности.
1. Микроклимат в зоне пребывания животных или птицы су-
щественно улучшается. Одновременно с повышением температуры
пола повышаются температура и подвижность воздуха над полом,
понижаются относительная влажность воздуха и концентрация
вредных газов. Животные и птица совершенно избавляются от
простудных заболеваний. Резко уменьшается или совсем ликвиди-
руется потребность в подстилочных материалах.
2. Пол обладает теплоаккумулирующей способностью, допу-
скающей многочасовые перерывы в подаче электроэнергии без
ущерба для животных. Металлоемкость установки по сравнению
с электрокалориферными или водяными системами отопления не-
значительна.
196
Электрообогреваемые полы успешно применяют в свинарни-
ках-маточниках, цыплятниках, помещениях для выращивания утят
и индюшат, а также в коровниках и телятниках.
Наиболее разработаны конструкции электрообогреваемых по-
лов с применением нагревательных проводов марок ПОСХВ и
ПОСХП, закладываемых в толщу бетонного пола (рис. 76), сталь-
ной оцинкованной проволоки, которую в виде спиралей помещают
Рис. 75. Электрический брудер БП-1:
1 секция зонта; 2— крышка; 3 — предохранитель; 4 —крышка предохранителя; 5 — венти-
ляционный канал; 6 — шибер; 7 — сигнальная лампа; 3 —защитный плафон; 9—клеммник;
Ю — сальниковое уплотнение; 11— лампа освещения; 12 — смотровое окно; 13 — противовес;
14 — блок; 15— трос; 16—система подвески; 17 — штепсельная вилка; 18 — кабель питания;
19 •— термометр контрольный; 20 — термореле; 21 — стойка; 22—шторка; 23 — нагревательный
элемент; 24 — держатель; 25 — обогреватель.
197
Рис. 76. Устройство электрообогре-
ваемого пола с нагревательным про-
водом:
/ — бетон; 2 — нагревательный провод;
3 — экранная металлическая сетка; 4—теп-
лоизоляция; 5—песок; 6 — гидроизоляция
(толь); 7—выводы нагревательного про-
вода; 8 — деревянная рама.
в изолированные (керамичес-
кие или асбоцементные) тру-
бы, расположенные в полу
(рис. 77). Преимущество пос-
ледних полов заключается в
возможности заменять нагре-
вательные элементы при выхо-
де их из строя, а недостаток —
в повышенных капитальных
затратах.
Напряжение питания по-
лов — сетевое 380/220 или по-
ниженное 24—36 В. Если пита-
ние подается от сети с глухо
заземленной нейтралью, по-
верх нагревательного провода
в бетон закладывают металли-
ческую сетку-экран с размера-
ми ячеек 50—70 мм, соединяемую с заземляющим контуром здания
или специально устраиваемым заземлением. Всего должно быть
два заземлителя, расположенных по диагонали плана помещения.
Заземлители забивают в землю на глубину не менее 3 м, считая от
нижних концов. От стен здания заземлители должны быть на рас-
стоянии около 1 м.
Питание электрообогреваемого пола без сетки-экрана осущест-
вляется при помощи понижающих термоустойчивых трансформато-
ров, например типа ТС-2,5 (2,5 кВ-А, 380/36 В).
Для распределения тока между нагревательными проводами
обогреваемых участков пола устраивают шинные каналы с кир-
пичными или бетонными стенками. Шины прокладывают на изоля-
торах как по дну, так и по стенке канала. В качестве шин исполь-
зуют круглые медные или стальные изолированные провода. Кон-
цы жил нагревательных проводов надежно присоединяют к
шинам и защищают от коррозии влаго- и теплостойким электроизо-
ляционным лаком (эмалью). В последнее время применяют не-
сколько иное присоединение нагревательных элементов. Для это-
го концы нагревательного провода скрыто выводят на специальные
бетонные панели с клеммными коробками.
Расчет установки начинают с установления конфигурации и
определения площади обогреваемого участка пола, задаются зна-
чениями температуры пола и воздуха в помещении и удельной
поверхностной мощностью пола. Для полов с нагревательным про-
водом выбирают температуру жилы провода. Учитывая возмож-
ные местные перегревы, температуру жилы провода следует при-
нимать 45—50° С для провода ПОСХВ и 70—75° С для провода
посхп.
При дальнейшем расчете пола определяют падение напряжения
на единицу длины провода, шаг укладки и общую длину одной
198
параллельной ветви, а также фактическую температуру провода
при заданных глубине укладки провода и напряжении питания
пола, используя рекомендации по устройству и расчету электро-
обогреваемых полов, разработанные В. И. Смирновым.
Предложенная методика расчета пригодна для помещений с
равномерной температурой обогреваемого пола. Однако в некото-
рых случаях необходимо дифференцировать температуру обогре-
ва пола в зависимости от возраста животных. Так, при обогреве
свиноматок температура пола должна находиться в пределах от
18 до 20° С, а при обогреве поросят — от 25 до 30° С. При этом на-
гревательный провод одной фазоветви прокладывают последова-
тельно в полу нескольких станков с переменным шагом укладки:
большим на площадках для свиноматок и меньшим на площадках
для поросят. В этом случае расчет отличается лишь тем, что пред-
варительно задаются количеством станков, обогреваемых с нагре-
вательным проводом одной параллельной ветви, и определяют па-
дение напряжения на проводе рассчитываемой площадки в станке.
Дальнейший расчет площадки аналогичен описанному выше.
Практический расчет нагревательных элементов с использова-
нием данных таблицы 23 можно вести в такой последовательности.
Размер обогреваемых площадок F определяют по формуле
F = Nf = — , (288)
п
где jV— общее количество животных или птицы, гол.;
f— удельная обогреваемая площадь, м2/гол.;
п — допустимая плотность размещения, гол/м2.
Рис. 77. Устройство электрообогреваемого пола с нагревательными эле-
ментами в изоляционных трубах:
' ~ нагРевательиая спираль из оцинкованной проволоки; 2 —бетон; 3 — изоляционная
труба; 4 — шинный канал.
199
Общая установленная мощность (кВт)
Р = FPq\О-3. (289)
где Ро — удельная поверхностная мощность, Вт/м2.
Считается, что до 25% этой мощности теряется на прогрев грун-
та под полом.
Задаваясь шагом укладки нагревательных элементов а, кото-
рый в цыплятниках составляет 5—10 см, а для поросят — до 15 см,
определяют общую длину нагревательных элементов:
L = — , (290)
а
где а берут в метрах.
Полученное значение L проверяют по условию
где АРуд — допустимая удельная мощность нагревательных эле-
ментов, Вт/м (табл. 9).
Таблица 23
Вид животных и птицы Рекомендуемая температура пола, °C Удельная мощность, Вт/м2 Удельная обогре- ваемая площадь пола, м2/гол
Цыплята суточные 35—40 0,015—0,017
Цыплята в возрасте 30—40 су- ток 35 150—300 0,03—0,04
Цыплята в возрасте 60—70 су- ток 35 0,07—0,08
Поросята-сосуны 25—30 160—250 1—1,2 м2 на приплод
Поросята-отъемыши Поросята откормочные: 20—25 150—200 —
при массе 15—30 кг 25 —
» » 30—45 » 20 90—150
» » 45—60 » 15—20 —
Свиноматки 18—20 80—150 2,0—2,5
Коровы дойные 10—13 150—190 —
Коровы больные (мастит, ар- трит) 26—29 150—200 —
Число параллельных фазоветвей z, на которое необходимо раз-
делить общую длину L, находят по формуле (187).
Температуру жилы провода можно -проверить по условию
^ж =: “Ь ^ж.доп>
200
где /ж.Доп-Д°пУстимая температура жилы, °C;
tn — температура поверхности пола, °C;
7^т—.термическое сопротивление теплопередачи от жилы
провода к поверхности пола, °С-м2/Вт.
d . С . / 2а , 2лй \ „
----1------In — sh — а,
2лХп \nd d )
где d и D — диаметр токопроводящей жилы и провода соответ-
ственно, м;
Хи и Хп — коэффициент теплопроводности изоляции провода и
пола соответственно, Вт/(м-°С);
С— коэффициент, учитывающий теплопотери в пол,
<7=0,85;
а — шаг укладки провода, м;
sh — гиперболический синус.
Для поддержания температуры пола используют двух- и трех-
позиционные терморегуляторы с биметаллическими, монометриче-
скими или полупроводниковыми чувствительными элементами, ко-
торые закладываются в верхний слой бетона на расстоянии не ме-
нее 0,5 м от края обогреваемого пола.
Обогревательные коврики для поросят (рис. 78) выполняют из
двух слоев резины, между которыми закладывают нагревательный
провод с равномерным шагом укладки. Для прочности коврики по
торцам армированы конструкцией из угловой стали.
Один коврик предназначен для обогрева поросят одного опо-
роса. Его размещают в огражденном месте станка, и поросята при
обогреве располагаются на его поверхности. Из-за повышенной
электроопасности устройства коврика напряжение питания не
должно превышать 36 В.
Техническая характеристика обогревательного коврика ЭП-935
следующая:
напряжение однофазного тока.................. 36 В,
потребляемая мощность....................., . ^>00 Вт
температура на поверхности ......................... 30 °C,
длина нагревательного провода...................... 32 м,
площадь коврика.................................... 0,6 ма
габаритные размеры........................... 1200X500X15 м
масса............................................... 12 кг
Для группового питания ковриков используют трехфазные по-
нижающие трансформаторы с естественным воздушным охлажде-
нием типа ТСЗ-1,5/1 мощностью 1,5 кВ-A и др. Линейное вторичное
напряжение трансформатора 36 В.
Обогревательные коврики подключают на линейное или фаз-
ное напряжение, распределяя равномерно по фазам.
201
Рис. 78. Обогревательный коврик для
поросят:
/ — резина; 2 — нагревательный провод;
3 — стальной каркас; 4 — выводы в метал-
лорукаве.
такого рода элементов следует
ность температуры на поверхности
Коврики рекомендуется кре-
пить на полу. Шнур питания
прокладывают в местах, недо-
ступных для свиноматки. Со-
держание поросят на коврике
не требует подстилочного ма-
териала.
В последнее время в каче-
стве нагревательных элементов
для напольных электрообогре-
вателей начинают применять
различного рода поверхностно-
распределенные токопроводя-
щие материалы в виде пленок
органического и неорганичес-
кого типа. К преимуществам
отнести высокую равномер-
обогрева, малые массу и сто-
имость.
Материалами пленочных электронагревателей служат сажена-
полненные резины, пластмассы, ферросилициевые, оловянистые и
другие пленки.
Для обогрева молодняка птицы и поросят разработан [10] на-
польный полупроводниковый пленочный электрообогреватель.
Принципиальная конструктивная схема обогревателя показана на
рисунке 79.
Обогреватель представляет собой тонколистовую штампован-
ную стальную панель размером 800X540 см, изолированную свер-
ху стеклоэмалевой изоляцией. На нижнюю поверхность панели по
всей площади нанесена тонким слоем ферросилициевая токопрово-
дящая пленка, которая служит электронагревательным элементом,
Снизу панель защищена изоля-
ционным поддоном. Токопро-
вод к пленке осуществля-
ется при помощи металличес-
ких полос, нанесенных по всей
ширине пленки, и гибких про-
водников, соединяющих эти
полосы со штепсельными разъе-
мами. Мощность обогревателя
до 200 Вт, масса около 4 кг.
Такой обогреватель облада-
ет многими преимуществами.
Во-первых, заземленный кор-
пус панели допускает питание
обогревателя сетевым напря-
жением 220 В; во-вторых, тем-
пература равномерно распре-
Рис. 79. Принципиальная схехма по-
лупроводникового пленочного обо-
гревателя:
1 — стеклоэмалевая изоляция; 2 — контакт-
ный электрод; 3 —корпус металлический;
4— теплостойкое покрытие; 5 — электрона-
гревательный пленочный элемент сопро-
тивления; 6 — рабочая поверхность обо-
грева.
202
делена по всей площади обогревателя. Кроме того, обогреватель
имеет малую массу и совершенную стеклоэмалевую изоляцию. Он
весьма гигиеничен и способен работать в агрессивной среде живот-
новодческих и птицеводческих помещений. Термостойкость обогре-
вателя высока, поэтому его можно периодически дезинфицировать
путем переключения пленочных нагревательных элементов для на-
грева панели до температуры 100—120° С в течение 7—10 мин -(без
молодняка). Бактериологическая загрязненность при этом снижа-
ется в 6—7 раз. Мощность обогревателя в режиме дезинфекции
достигает 650 Вт.
Одна панель обеспечивает обогрев до 130 цыплят или поросят
одного опороса.
Выбор количества лучистых или напольных обогревателей п
определяют исходя из количества молодняка в помещении N и
плотности посадки молодняка П[ в зоне обогрева одной установки
N
п = — .
Установленная мощность системы местного электрообогрева
Л.М ~
где Pi — мощность одного обогревателя.
Автоматическое регулирование температурного режима средств
местного обогрева значительно снижает расход электроэнергии и
улучшает зоогигиенические условия содержания молодняка. Одна-
ко большое количество обогревателей в современных помещениях,
достигающее сотни установок, требует применения индивидуаль-
ных терморегуляторов или сложных электрических схем контроля
и регулирования при централизованном управлении этими уста-
новками.
§ 8. Электрические инкубаторы
Современное интенсивное птицеводство немыслимо без искусст-
венной инкубации яиц. Для вывода полноценного молодняка дол-
жен быть создан определенный режим инкубации. Основными
условиями, определяющими нормальное развитие эмбрионов в яй-
цах, являются температура, влажность, вентиляция и поворачива-
ние яиц, которые в современных инкубаторах обеспечиваются раз-
личными электрическими средствами.
В настоящее время для инкубации яиц применяются комнат-
ные и шкафные инкубаторы конвективного типа, в которых кон-
вективный теплообмен между яйцом и воздухом является ос-
новным.
Современные инкубаторы оснащены позиционными системами
автоматической стабилизации температуры и влажности, а также
программным управлением поворота лотков с яйцами. Объектом
203
регулирования микроклимата является камера инкубатора, пол-
ностью загруженная яйцами.
Наиболее совершенными являются шкафные инкубаторы типа
«Универсал» емкостью 45, 55 и 65 тыс. яиц. Эти инкубаторы состоят
из нескольких (до'четырех) инкубационных шкафов и одного вы-
водного шкафа.
Инкубаторы типа «Универсал» имеют следующие основные тех-
нические характеристики и показатели:
а) напряжение питающей сети 380/220 или 220/127 В при ча-
стоте 50 Гц, допустимое отклонение напряжения 4-10—15% от но-
минального;
б) установленная мощность инкубаторов 104-2,5 (выводной
шкаф) кВт;
в) удельный расход электроэнергии на инкубацию 1000 кури-
ных яиц 40—42 кВт-ч;
г) диапазон автоматического регулирования температуры
36—39° С при отклонении ±0,1 или ±0,2° С;
д) диапазон автоматического регулирования относительной
влажности 40—80% при точности ±2 или ±3%;
е) все инкубаторы имеют автоматическую систему охлаж-
дения;
ж) электронагреватели инкубаторов ленточные, плоские или
трубчатые (ТЭН) мощностью 0,5 или 1 кВт каждый; установленная
мощность электронагревателя одного шкафа 2 кВт;
з) тип увлажнителя инкубаторов — дисковый тканевый (или
металлический сеточный) испаритель, вращающийся на одном ва-
лу с вентилятором (п=240 об/мин).
В качестве примера рассмотрим электрическую схему инкуба-
тора«Универсал-50» (рис. 80). Все инкубационные шкафы и вы-
водной шкаф инкубатора «Универсал-50» имеют одинаковую элек-
трическую схему с элементами, смонтированными в щитах пита-
ния, управления и механизма поворота лотков.
Щит питания обеспечивает:
а) подачу напряжения на щиты управления;
б) защиту двигателей от работы на двух фазах;
в) возможность контроля напряжения в сети.
Автоматика щита управления обеспечивает:
а) включение и отключение двигателя вентилятора;
б) включение и отключение нагревателей;
в) отключение нагревателей и включение тягового электромаг-
нита заслонок при перегреве;
г) включение соленоида увлажнения;
д) звуковую сигнализацию при аварийном перегреве шкафа
инкубатора и перегорании предохранителя в цепи понижающего
трансформатора.
Для нормальной работы системы охлаждения и электронагрева
реле температуры должны быть настроены на разность темпера-
тур, равную 0,4—0,5° С.
204
Рис. 80. Электрическая
схема инкубатора «Уни-
версал-50»:
МП — магнитный пускатель;
РОФ —реле обрыва фаз;
СД — синхронный микро-
двигатель моторного реле
времени; РВ — контакт мо-
торного реле времени;
Д1 — электродвигатель пово-
рота лотков; Д2—электро-
двигатель вентилятора;'
ЭН — электронагреватель;
С0Хл — соленоид открытия
заслонок охлаждения;
СУ — соленоид клапанов ув-
лажнения; РТ1, РТ2, РТЗ —
реле температуры; РУ— ре-
ле . увлажнения; РП1, РП2,
РПЗ, РПР1, РПР2, РП1-У,
РП2-У — реле промежуточ-
ные; КВ1—КВ6 — конечные
переключатели; КВ — блоки-
ровочный микровыключатель
открытия дверей; П — пере-
ключатель поворота лотков;
тумблеры; ЛЖ.
ЛК, ЛЗ, ЛС — сигнальные
лампы; Л — осветительная
лампа.
380/220 В
Щит механизма поворота барабанов обеспечивает:
а) автоматический поворот барабанов на 90° через каждый час;
б) автоматическую установку барабанов в вертикальное поло-
жение:
в) невозможность включения двигателя механизма поворота
при открытом замке лотков.
На инкубаторах «Универсал-55» установлена новая автоматика.
Эта автоматика универсальная и может быть применена в инку-
баторах любой конструкции.
На каждую камеру — инкубационную и выводную — устанавли-
вается унифицированный шкаф управления, который автоматиче-
ски обеспечивает заданный режим температуры и влажности воз-
духа, необходимый воздухообмен и защиту от перегрева в камере.
Электронный регулятор температуры РТИ-3 и термометр со-
противления ТСП-955 позволяют поддерживать необходимую тем-
пературу в пределах +0,15° С. Термометр сопротивления включен
в диагональ измерительного моста регулятора. Регулятор выдает
команды на включение трубчатых нагревателей (ТЭН) или тяго-
вого магнита, открывающего заслонки охлаждений. В период раз-
гона инкубатора нагреватели включаются на полную мощность,
а после достижения заданной температуры в камере они переклю-
чаются на работу при мощности 50% номинальной от тиристорного
бесконтактного устройства. Это намного увеличивает срок службы
нагревателей. Режим устанавливается по градуированной шкале
регулятора. Независимо от регулятора температуры в схеме авто-
матики предусмотрен также блок аварийной температуры.
Относительная влажность в инкубаторе поддерживается с точ-
ностью +3%. Датчиком ее служит увлажненный термометр с пе-
ременным контактом и магнитной регулировкой типа ТПК-П.
Главах
ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ СУШКИ, ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
И ХРАНЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ
§ 1. Электронагрев в процессах тепловой обработки
и хранения сельскохозяйственной продукции
Важнейшей областью применения тепловой энергии в сельском
хозяйстве является удлинение сроков сохранности сельскохозяй-
ственных продуктов и кормов и повышение их качества. Это дости-
гается тремя основными путями: сушкой, тепловой обработкой и
созданием надлежащих условий хранения.
Во всех этих процессах используются как высокие, так и низ-
кие температуры.
Высокие температуры используются для сушки, тепловой обра-
ботки кормов с целью повышения их кормовых качеств и уничто-
жения семян сорняков, для подавления микроорганизмов с целью
206
обеззараживания продукции (пастеризация, стерилизация), для
создания наиболее благоприятных условий микроорганизмам
(при силосовании, дрожжевании кормов) и др.
Низкие температуры замедляют или приостанавливают проте-
кание биохимических процессов в продуктах, чем обеспечивается
удлинение сроков их сохранности.
Сушка — один из наиболее распространенных и важных тепло-
вых процессов сельскохозяйстренного производства, предназначен-
ный для увеличения сохранности продуктов и кормов путем их
обезвоживания. Качественная сушка не только повышает их
стойкость при хранении, но и в ряде случаев повышает качество
(например, при сушке семенного материала).
Основы теории сушки и тепловые расчеты сушильного оборудо-
вания подробно изучаются в специальных курсах. Здесь рассмот-
рены основные направления и способы использования в процессах
сушки электрической энергии как источника тепла.
Электрический нагрев можно использовать во всех современ-
ных способах тепловой сушки: конвективной, кондуктивной, тер-
морадиационной. В электрических сушилках процесс сушки не име-
ет каких-либо принципиальных отличий от огневых сушилок, меня-
ется только способ получения тепла. Собственно электрическим
способом сушки, имеющим свои особенности, является лишь сушка
в электрическом поле высокой частоты.
В сельскохозяйственном производстве наибольшее значение
имеет сушка зерна, особенно семенного материала. Применение
электронагрева в сушилках повышает управляемость процессом
сушки и, следовательно, улучшает качество высушиваемого мате-
риала, облегчает автоматизацию процессов.
Однако процессы сушки весьма энергоемки, имеют сравнитель-
но низкий энергетический к. п. д., поэтому применение электрона-
грева в них связано со значительными расходами электроэнергии.
Так, в конвективных сушилках зерна с электронагревом воздуха
расход электроэнергии составляет 1,3—1,9 кВт-ч на 1 кг испарен-
ной влаги, в терморадиационных— 1,4—2,2 кВт-ч, в высокочастот-
ных—1,8—3,5 кВт-ч. Поэтому электросушка экономически целе-
сообразна главным образом в сочетании с другими видами сушки
(гелиосушка, топливные сушилки). При этом легко удаляемая
влага высушивается в естественных условиях или в обычных топ-
ливных сушилках, а трудно удаляемая влага высушивается элект-
рическими способами. Так, при сушке зерна комбинация из топ-
ливных сушилок и электрических инфракрасных излучателей по-
зволяет увеличить производительность труда в 2 раза и на 20%
снизить стоимость сушки зерна. При сушке фруктов наиболее эко-
номично сочетать обычный способ (влажность снижается до 35%)
и высокочастотную сушку (влажность доводится до 14%). Наибо-
лее целесообразно сушку сена до 40—45% проводить в естествен-
ных условиях, а досушивание до 15% влажности осуществлять
искусственным путем.
Тепловую обработку продуктов и кормов проводят в пастериза-
торах, стерилизаторах, кормозапарниках, подогревателях, охлади-
телях, замораживателях и других электротепловых аппаратах.
Тепловое воздействие электричества на продукт может быть непо-
средственным (электродный и высокочастотный нагревы) или кос-
венным— через промежуточные тела и теплоносители (горячая
вода, пар, нагретый воздух).
При использовании низких температур также можно говорить
о прямом (термоэлектрическом) и косвенном (через промежуточ-
ные холодильные агенты) охлаждении. Наиболее эффективно пря-
мое использование электроэнергии.
В практике больше распространено получение при помощи эле-
ктрической энергии промежуточных теплоносителей в электрокот-
лах и калориферах и использование их для тепловой обработки
продукции в обычных тепловых аппаратах. Для охлаждения чаще
всего используются компрессионные фреоновые и аммиачные холо-
дильные машины и агрегаты.
Создание надлежащих условий хранения требует оборудования
хранилищ различными электрифицированными охладительно-на-
гревательными и вентиляционными установками, а также система-
ми автоматики.
§ 2. Установки активного вентилирования с электроподогревом
воздуха
Технология и режимы активного вентилирования. Наиболее эф-
фективным и экономичным способом сушки, получившим в послед-
ние годы большое распространение, является активное вентилиро-
вание с электроподогревом воздуха. Чаще всего его применяют
для зерна и сена.
Активное вентилирование зерна применяется для двух целей:
а) кратковременной консервации зерна перед сушкой в зерно-
сушилках, а также для предупреждения самосогревания при хра-
нении;
б) для сушки.
Консервация зерна основана на его охлаждении путем проду-
вания прохладного воздуха. При снижении температуры до 4-10° С
протекание биохимических процессов в зерне резко замедляется, и
оно может сохраняться длительное время без ухудшения качеств.
При длительном хранении активное вентилирование позволяет
предотвратить самосогревание и порчу зерна.
Активное вентилирование зерна проводят в закромах или спе-
циальных вентилируемых бункерах.
В закромах зерно насыпают слоем 1,0—1,5 м и продувают через
него холодный или подогретый воздух, подводимый по системе
воздуховодов и воздухораспределителей (рис. 81). Вентилирова-
ние в закромах применяется при длительном хранении зерна во
избежание самосогревания.
208
Бункер активного вентили-
рования представляет собой
два коаксиальных перфориро-
ванных цилиндра, в кольцевой
зазор между которыми засыпа-
ют зерно. В центральный ци-
линдр подается воздух, кото-
рый, пронизывая слой зерна,
уносит излишнюю влагу. При
активном вентилировании не
происходит пересушивания по-
верхностных слоев и зерно не
снижает своих посевных ка-
честв,' семена зернобобовых
Рис. 81. Схема активного вентилирова-
ния зерна в закромах:
/ — закром с зерном; 2 — воздухораспредели
Те явный канал; 3—агрегат подогрева и пода-
чи воздуха.
культур не растрескиваются.
Правильно организованная, проводимая в оптимальном режиме
сушка активным вентилированием повышает всхожесть и энергию
прорастания. Урожайность от таких семян выше, чем при естествен-
ной сушке.
К основным параметрам режима сушки относятся температура
воздуха, его влажность и скорость движения. Эти параметры влия-
ют как на длительность сушки, так и на качество материала.
Сушка атмосферным воздухом без подогрева возможна, если
влажность воздуха не превышает 65%. Только при этих условиях
влажность зерна можно довести до 13—15%. В противном случае
воздух необходимо подогревать. Подогрев воздуха на один гра-
дус снижает его влажность на 5%. Сушка без подогрева воз-
духа малопроизводительна и иногда приводит к ухудшению
качества зерна. Поэтому всегда предпочтительнее воздух подо-
гревать.
Большое значение имеет активное вентилирование сена, при ко-
тором значительно сокращаются потери ценных питательных ве-
ществ и, в частности, каротина. Технология здесь такова. Предва-
рительно скошенную траву провяливают на солнце до влажности
35—40%. После этого укладывают в сенохранилища или под на-
весы на специально устроенные воздухораспределители из перфо-
рированных труб или коробов из досок, жердей и т. п. Сено укла-
дывают и просушивают слоями толщиной 1—1,5 м. Каждый слой
продувают воздухом от вентилятора в течение 2—3 дней до влаж-
ности 26—30%. Общая толщина слоя 4—6 м, влажность верхнего
слоя должна быть 17—18%. Содержание каротина в сене, высу-
шенном вентилированием, составляет 100—120 мг на 1 кг абсолют-
но сухого вещества, тогда как в сене обычной полевой сушки — не
более 35—40 мг.
Прессованное сено с влажностью более 25% досушивают в шта-
белях с внутренними воздухораспределительными каналами, обра-
зованными из кип сена. При влажности сена более 30% воздух не-
обходимо подогревать, в противном случае процесс сушки сильно
14—475
209
растягивается, а при очень влажном воздухе сено вообще может
быть не высушено.
Подогрев воздуха на 5—6° позволяет успешно сушить сено да-
же в дождливую погоду. При сушке зерновых наружный воздух
подогревают на 10—12°. При этом предельная температура воз-
духа ограничивается значениями 30—40° С для семенного зерна и
50—55° С для продовольственного и фуражного. Расход воздуха
на 1 т для зерновых составляет 400—1000 м3/ч, для сена—600—
900 м3/ч.
С увеличением скорости (расхода) воздуха качество сушки по-
вышается. Однако при этом резко возрастает сопротивление зер-
нового слоя, что вызывает необходимость в повышении мощности
привода вентилятора и заметно ухудшает экономические показате-
ли сушки. Потребный напор вентилятора для слоя зерна в 1 м со-
ставляет 0,6—1,5 кПа в зависимости от сорта и влажности. Уста-
новленная мощность электрических воздухонагревателей со-
ставляет 1 —1,5 кВт на 1 т вентилируемого зерна в установках не-
большой производительности (до 200 кг/ч) и 0,6—1,0 кВт в более
мощных установках.
Продолжительность сушки активным вентилированием нахо-
дится в обратной зависимости от удельного расхода воздуха. Для
зерна при расходах 400—1000 м3/(т-ч) продолжительность сушки
составляет от 7 до 3 суток.
Расчет мощности электроподогревателей воздуха. Сушка актив-
ным вентилированием представляет собой разновидность конвек-
тивной сушки и отличается от нее лишь большей длительностью,
обусловленной низкой температурой теплоносителя и высушивае-
мого материала. Технологическая схема сушки изображена на
рисунке 82.
Наружный воздух, имеющий параметры: температуру t0 (°C),
относительную влажность ф0 (%), влагосодержание d0 (г/кг) и
теплосодержание !0 (кДж/кг), забирается вентилятором 1 и по-
дается в электрокалорифер 2. Подогретый воздух с параметрами
tlt epi, di и 1\ подается в сушильную камеру 3, где, проходя через
слой высушиваемого материала (зерна), отбирает излишнюю вла-
гу и выходит из сушильной камеры с параметрами t2, ф2, d2, 12.
Влажное зерно, поступающее в сушильную камеру, имеет от-
носительную влажность Wi (%) и температуру 01; а высушенное
зерно имеет влажность w2 и температуру 02. Производитель-
ность установки по сырому зерну — G1; по высушенному —
G2 (кг/ч).
Исходными данными для расчета являются величины Gj,
w2, t0, сро, t\. Конечной температурой 12 и относительной влаж-
ностью ф2 воздуха на выходе из сушилки задаются или принимают
их по опыту эксплуатации аналогичных установок. Значение ф2
чаще всего принимают равным 80%.
По исходным данным из /—d диаграммы влажного воздуха
находят значения /0, Ц, d\, d2.
210
Влажное зерно
Рис. 82. Схема процесса конвективной сушки:
1— вентилятор; 2 — электрокалорифер; 3 — сушилка.
Отработанный
боздух
^г- )
Сухое зерно
/тг, , и/г)
Из материального баланса сушки определяют количество испа-
ряемой влаги (кг/ч)
W = G, . (292)
100 — ш2
Часовой расход воздуха, необходимый для удаления влаги,
£ _ ЦУ1°3
d2 —
Разность Д/ = б?2—d[ представляет собой удельный влагосъем
на 1 кг воздуха, прошедшего через зерно. Удельный влагосъем
тем больше, чем выше скорость и температура теплоносителя,
влажность материала и чем совершеннее сушилка.
Потребная мощность (кВт) электроподогревателей воздуха
р = L.Ui-Io) (294)
ЗбООщ
где т}э — к. п. д. электрокалорифера (0,91—0,95).
Пример 1. Определить мощность электроподогревателей воздуха для уста-
новки активного вентилирования вместимостью 50 т. Продолжительность суш-
ки 100 ч, начальная влажность зерна 101=23%, конечная — ш2=14%. Парамет-
ры наружного воздуха: £=15° С, <p0 = 60%. Воздух подогревается на 6° С. Тем-
пература воздуха, покидающего зерно, £=17° С, влажность q?2=80%.
По 1—d диаграмме находим /0 = 31,4 кДж/кг, <70 = <Ф = 6,5 г/кг, 71 =
= 37,7 кДж/кг, <72 = 9,2 г/кг.
Количество испаряемой влаги
70 = 31,4 кДж/кг, do = di = 6,5 г/кг,
23— 14
--------= 5240 кг.
100— 14
W = 50-Ю3
Необходимый расход воздуха
5240-103
L =---------------= 19 400 кг/ч.
(9,2 —6,5) 100
Потребная мощность воздухоподогревателей при до = 0,92 составит
19 400 (37,7 — 31,4) л
Р =--------i= 37 кВт.
3600-0,92
14*
211
4
Рис. 84. Вентилируемый бункер
БВ-25:
Рис. 83. Агрегат ВПЭ-6 для активно-
го вентилирования зерна в закромах
с электроподогревом воздуха;
а — конструктивная схема; б — принципи-
альная электрическая схема; 1— жалюзи;
2— переключатель нагревательных элемен-
тов; 3—основная коробка зажимов;
4 — пульт управления; 5 — нагревательный
блок; 6 — вентилятор; 7 — электродвига-
тель; А— пусковая аппаратура; М — элек-
тродвигатель вентилятора; В — переключа-
тели нагревательных элементов; Э — нагре-
вательные элементы-
I — пробоотборник; 2 — лестница, 3 — тро-
соблочная система; 4—приемное устройст-
во; 5—воздушный клапан; 6 и 7 — внут-
ренний и наружный перфорированные ци-
линдры; 8 — коническое основание; 9 — ко-
нус; 10 — подводящий патрубок; 11 — вен-
тилятор; 12 — электрокалорифер.
Сушильные установки. При сушке зерна в закромах последние
оборудуют системой воздухораспределения, по которой наружный
подогретый воздух подводится к зерну для равномерного вентили-
рования всего слоя. Подача воздуха осуществляется большенапор-
ными центробежными вентиляторами, а его подогрев — электриче-
скими воздухоподогревателями (калориферами) с трубчатыми
нагревателями. На рисунке 83 изображены конструктивная и
электрическая схемы воздухоподогревателя ВПЭ-6 теплопроизво-
212
днтельностью 55 тыс. кДж/ч.
(Общая мощность его 26 кВт,
в том числе нагревателей —
16 кВт и электродвигателя
вентилятора — 10 кВт.
Агрегат устанавливают
снаружи здания, он может
одновременно вентилировать
зерно в закромах с площа-
дью полов до 18 м2 при слое
зерна не выше 1,5 м. Подо-
грев воздуха осуществляет-
ся 32 трубчатыми нагрева-
телями,- соединенными в три
секции, что позволяет изме-
нять мощность подогрева в
соответствии с требования-
ми технологии.
В бункерах активного
вентилирования осуществ-
ляется более равномерная и
качественная сушка. На ри-
сунке 84 приведена конст-
руктивная схема вентилиру-
емого бункера типа БВ.
Бункер состоит из двух кон-
центрических перфориро-
ванных цилиндров 6 и 7, об-
разующих кольцеобразную
камеру, в которую загружа-
ется влажное зерно. Цент-
робежный вентилятор 11 за-
бирает наружный воздух и
нагнетает его в центральный
цилиндр. Воздух пронизы-
вает слой зерна от внутрен-
него пилиндра к наружно-
му и отбирает излишнюю
влагу. При влажности на-
Рис. 85. Электрическая схема управле-
нием бункером активного вентилиро-
вания:
W, ф, Т — регуляторы влажности зерна»
влажности воздуха и температуры зерна; Р1,
Р2, РЗ — магнитные пускатели загрузочной
нории, вентилятора и электрокалорифера; НУ,
ВУ—контакты датчика уровня зерна (мини-
мального и максимального); Кн С, Кн П —
кнопочные станции; Bl, В2—переключатели ре-
жимов (С —сушка, /( — консервация, Р — руч-
ное управление, Д — автоматическое управле-
ние); Л1—Л4—сигнальные лампочки; ВЗ— вы-
ключатель; Зе — звонок.
ружного воздуха более 65%
включается электрокалори-
фер 12, в котором воздух подогревается на 5—6°.
Принцип управления бункером активного вентилирования по-
ясняется схемой, изображенной на рисунке 85. Бункер оснащается
регуляторами влажности зерна W, воздуха <р и температуры зер-
на Т. Схема позволяет осуществлять работу бункера в режиме
сушки и консервации зерна (переключатель В1) при ручном или
автоматическом управлении (переключатель В2).
213
Загрузка бункера производится норией, управляемой вручную
кнопочной станцией, и контролируется датчиком минимального
(ЯУ) и максимального (ВУ) уровней зерна.
Режим сушки. Автоматический контроль за процессом сушки
осуществляется по основному параметру — влажности зерна. При
влажности зерна выше заданной (13—15%) контакт регулятора
U7 остается замкнутым. После заполнения бункера вентилятор
отключается через контакт W. Если влажность наружного воздуха
выше 65%, контактом <р включается электрокалорифер, осущест-
вляющий подогрев воздуха. Включение калорифера возможно
только при работающем вентиляторе. По окончании сушки венти-
лирование прекращается и подается звуковой сигнал.
Режим консервации. Контролируемым параметром является
температура зерна, измеряемая датчиком регулятора Т, настраи-
ваемым на максимально допустимую температуру при хранении
зерна. При превышении этой температуры контактом Т включает-
ся вентилятор. Аналогично предыдущему, если влажность наруж-
ного воздуха выше 65%, включается электрокалорифер. Подогрев
воздуха невелик, и зерно интенсивно подсушивается и охлаждает-
ся. Вентилирование прекращается при достижении равенства
температуры воздуха и зерна.
Основные технические данные' вентилируемых бункеров с
электроподогревом воздуха приведены в таблице 24.
Таблица 24
Марки бункеров Объем бункера, м* Емкость • по пше- нице, т Расход воздуха, м'!/ч Установленная мощность, кВт Масса бункера, кг
с электропо- догревом воздуха на 6° без подо- грева воздуха
СЗЦ-1,5 1,5 1,3 1 600 3,3 1,о 275
К-839 38,0 32.5 11 000 26,0 8,0 2400
БВ-6,0 8,5 6,0 3 300 9,0 3,0 800
БВ-12,5 17,5 12,5 5 600 17,5 5,5 1000
БВ-25 35,0 25,0 11 300 25,5 7,5 1750
БВ-50 70,0 50,0 22 500 49,0 13,0 2500
Для сушки рассыпного и прессованного сена применяется уста-
новка досушивания сена УДС-300. Она состоит из электрокалори-
фера с осевым вентилятором и системы распределительных воз-
духоводов. Подогрев воздуха осуществляется ТЭНами, смонтиро-
ванными в трубчатом кожухе. Температура воздуха повышается
на 2,5°. Сезонная производительность установки 50—60 т высоко-
качественного сена. Электрическая мощность 19,5 кВт, в том чис-
ле воздухоподогревателей—15 кВт, напряжение питания
220/380 В, производительность вентилятора 20 тыс. м3/ч.
214
Установка для досушивания сена УВС-10 предназначена для
досушки сена в скирдах методом активного вентилирования без
подогрева воздуха. Имея производительность 40—60 м3/ч, уста-
новка позволяет формировать скирды шириной 5—5,5 м, высотой
до 7 и длиной 12 м.
§ з. Электротерморадиационные сушилки
Особенности и применение терморадиационно>й сушки. Термо-
радиационная сушка (инфракрасными лучами) отличается высо-
кой интенсивностью подвода тепла к материалу, возрастающей
по сравнению с конвективной в десятки раз (§ 9, гл. IV). Вслед-
ствие этого резко возрастает испарение влаги внутри материала.
Интенсивный радиационный нагрев возможен лишь для ма-
териалов, обладающих высокой поглотительном способностью к
инфракрасным лучам, и при толщине нагреваем:ого слоя, не пре-
вышающей глубину проникновения лучей. В противном случае в
материале создаются большие перепады температур от поверх-
ности в глубь тела, замедляющие процесс сушки.
Скорость терморадиационной сушки возрастает не пропорцио-
нально подводимой энергии из-за ограниченной скорости переме-
щения влаги внутри материала. При чрезмерно интенсивном под-
воде тепла в материале создаются значительные перепады влаж-
ности, вызывающие механические напряжения, которые способны
привести к растрескиванию и порче материала. Все сказанное оп-
ределяет область целесообразного использования терморадиаци-
онной сушки:
а) для материалов, обладающих значительной проницаемостью
к инфракрасным лучам и имеющих высокий коэффициент термо-
влагопроводности;
б) при сушке материалов в тонком слое, соизмеримом с глуби-
ной проникновения лучистого потока.
При этих условиях интенсивность сушки по сравнению с кон-
вективной и контактной увеличивается в несколько раз. Наиболь-
шее распространение получило использование терморадиационной
сушки для лакокрасочных покрытий, тканей, бумаги, электриче-
ской изоляции. Предпринимаются успешные поп ытки сушки сель-
скохозяйственных продуктов, в том числе зерна, риса, семян под-
солнечника и овощей, гранулированных кормов и др.
Особый интерес представляет сушка зерна. .Многочисленными
исследованиями установлено, что зерно в целом является для
ИКЛ малопроницаемым материалом. Оболочки зерен пшеницы,
ячменя, кукурузы пропускают 30—60% лучей, ржи и риса—10—
18%. Глубина проникновения лучей с длиной волны 1,4—3 мкм в
эндосперм пшеницы составляет 1,5—2 мм. Коротковолновое из-
лучение лучше проникает в зерно, но для прогрева зерна перед
конвективной сушкой и для дезинсекции лучше и спользовать более
длинноволновое излучение. При постоянном облучении в зерне со-
215
здаются большие градиенты температур. Поэтому для зерна наибо-
лее целесообразно прерывистое облучение с одновременным обду-
ванием холодным воздухом.. При этом значительно ускоряется про-
цесс и снижается расход электроэнергии. По данным ЧИМЭСХ,
прерывистый нагрев обеспечивает увеличение скорости сушки в
2 раза по сравнению с конвективной.
Терморадиационные сушилки разделяются на закрытые и от-
крытые, стационарные и переносные. В закрытых сушилках рас-
ход электроэнергии меньше, поэтому они более экономичны.
В качестве генераторов инфракрасных лучей используются
светлые (лампы) и темные (трубчатые, спиральные, панельные)
излучатели. Достоинство сушилок с лампами заключается в их
безынерционное™, что особенно важно при прерывистом режиме
сушки и легкости замены поврежденных излучателей. Существен-
ными их недостатками являются невысокая надежность, малый
срок службы ламп, а также относительно высокий расход электро-
энергии. Однако в целом ряде процессов, там, где спектральная
чувствительность материалов в наибольшей степени выражена в
коротковолновом спектре ИКЛ, наиболее целесообразно применять
светлые излучатели. При выборе ламп-термоизлучателей для суш-
ки следует пользоваться рекомендациями, приведенными в § 9
главы IV.
Сушилки с темными излучателями в виде ТЭНов и обогревае-
мых панелей наиболее надежны и экономичны. Их используют
для материалов, обладающих достаточной проницаемостью к
длинноволновым ИКЛ (окрашенные металлические поверхности,
обсушка электрической изоляции двигателей после ремонта, суш-
ка и дезинсекция зерна и др.).
В ВИЭСХ П. С. Воробьевым был создан терморадиационный
прогреватель зерна (рис. 86), который работал в агрегате с двумя
обычными конвективными сушилками. Зерно из бункера 1 попа-
дало на вращающиеся ребристые
барабаны 2, расположенные в
плоскости, наклоненной к гори-
зонту под углом 50°. Над бараба-
нами на расстоянии 60 мм распо-
ложены излучающие поверхно-
Рис. 86. Терморадиационная установка
ВИЭСХ для подогрева и сушки зерна:
/ — приемный бункер зерна; 2 — транспортиру-
ющие ребристые барабны; 3 — излучательные
панели.
216
3
Рис. 87. Расчетная схема к выбору
низкотемпературных излучателей:
/ — трубчатые излучатели; 2— расчет-
ная поверхность; 3 — экран.
сти 3 из огнеупорного материала с заделанными спиралями. Общая
мощность излучателей 90 кВт, производительность установки по
пшенице 2,5 т/ч. Расход электроэнергии на 1 кг испаренной влаги
при снижении влажности на 2,6% составил 0,82 кВт-ч.
Выбор низкотемпературных излучателей. Рассмотрим выбор
низкотемпературных трубчатых излучателей для схемы, приведен-
ной на рисунке 87. Ряд линейных излучателей 1, расположенных
в одной плоскости и имеющих температуру Т i, суммарную актив-
ную поверхность Fi и степень черноты ei, облучает рабочую по-
верхность 2 (Т2, F2, ег), расположенную параллельно плоскости
излучателей. Экран 3 выполнен из материала, обладающего ко-
эффициентом поглощения а. Такие системы применяются в су-
шильных, обогревательных и других установках.
Активная поверхность излучателей определяется значением пе-
редаваемой мощности, геометрическими параметрами системы и
физическими свойствами участвующих в теплообмене тел.
Мощность определяется формулой Стефана — Больцмана
Р = 5,7СПР I4 — (— Л #12 (1 — — '110~3- (295)
р L\100' '100/ J \ 2 ) v
где Спр—приведенная степень черноты излучателей и рабочей
поверхности, Вт/(м2-К4);
Н12— взаимная излучающая поверхность, м2;
----— коэффициент, учитывающий поглощение энергии эк-
раном.
Систему, показанную на рисунке 87, можно рассматривать как
замкнутую, для которой приведенная степень черноты
СПР=-------------------“j-----— > (296)
1 + ( — 1 ) Ф12 + ( — 1 | Фа1
\ е1 / \ е2 /
где ф12, ф21— средние по поверхности коэффициенты облученности
участвующих в теплообмене тел;
Ф12, q>2i —то же, без экрана.
Формулы, определяющие коэффициенты облученности [11],
для рассматриваемой системы, имеют следующий вид:
Ф12 = <р12 (2 — ф12); ф21 = ф21 (2 — ф21); (297)
Ф12 —
Ф21 —
(298)
где D и а — диаметр и шаг излучателей.
217
Взаимная излучающая поверхность
Нц — Ф12 Fi — Ф21 ^2-
(299)
Из выражения (299) находят зависимость для Flt определяе-
мую геометрическими параметрами системы,
Fx = 221 =А , (300)
Ф12 \ U /
где принято, что F2 задано.
Вторую зависимость для Fi находят из уравнения теплового ба-
ланса (295) с учетом формулы (299):
(301)
Функции (300) и (301)
а
зависят от отношения — по-раз-
ному.
Оптимальное значение F{ находят путем совместного графиче-
ского решения этих функций в некотором диапазоне изменения
(практически в пределах от 1 до 5). Точка пересечения при-
дает необходимые
значения Fi и . Выбрав
диаметр излучателя D, находят а
и число излучателей п из соотно-
шения
F1 = nDLnlO~3, (302)
где L — длина излучателя, выби-
раемая с учетом размеров облу-
чаемой поверхности, м.
Пример 2. Выбрать трубчатые излу-
чатели для дезинсектора-прогревателя
зерна мощностью 30 кВт, камера облу-
чения которого выполнена по схеме, при-
веденной на рисунке 87. Облучаемая по-
верхность зерна F2—1,2 м2 (2,0X0,6 м).
Экран выполнен из полированного алю-
миния (а = 0,05).
Для дезинсекции и прогрева зерна
наиболее эффективны излучения с дли-
218
ной волны Л = 3,7-т-5,5 мкм, чему соответствует температура излучателей £[ =
= (5274-728) К. Принимаем Г[ = 650 К. По агротехническим условиям темпера-
тура нагрева зерна Т2 не должна превышать 323 К. Степень черноты зерна е2=
=0,7. Для сушки рекомендуются трубчатые излучатели типа ТЭН (прил. 3), сте-
пень черноты излучателей Si = 0,9.
а
Задаваясь значением “ в пределах от 1 до 5 и используя зависимости (298)
и (299), строим на графике (рис. 88) функцию Fl=f(a/D) (кривая /).
Подставляем в формулу (301) исходные данные:
30-Ю3
--— = ф (aID).
1 фот
0,11 +— + 0,43 ™
Ф12 Ф12
Используя принятые выше значения a!D и соответствующие им значения
ф21> строим на графике (рис. 88) функцию £'1=ф(а/£>) (кривая 2).
Пересечение кривых дает оптимальные значения Л=1,3 м2,"
а
~ =2,8.
ф12 И
Труб-
чатые излучатели типа ТЭН-37 имеют наружный диаметр £>=13,5 мм. Приняв
предварительно £ = 0,6 м (равным ширине облучаемой поверхности), получим из
выражения (302)
________1 ,3
3,14-13,5-10“ 3-0,6
Мощность одного излучателя
30
Pi — = 0,59 кВт.
51
В наибольшей степени полученным параметрам
ТЭН-37 мощностью £’1 = 1,125 кВт и активной длиной
количество излучателей
соответствует У-образный
£=1300 мм. Необходимое
Общая мощность
Шаг излучателей:
действительный а—
тически совпадают.
30
п =------- = 27.
1,125
Р = 1,125-27 = 30,4 кВт.
2-103
37 мм и расчетный 0 = 2,8-13,5 = 37,8 мм прак-
219
§ 4. Сушка в электрическом поле высокой частоты
Преимущества высокочастотной сушки. При конвективной и
контактной сушке прогрев внутренних слоев материала, необходи-
мый для удаления излишней влаги, осуществляется за счет созда-
ния температурного напора от поверхности к глубинным слоям.
Стремление интенсифицировать процесс нередко приводит к на-
рушению целостности материала (появлению микротрещин) и,
следовательно, снижению качества или порче материала. Для не-
которых материалов (например, семенного зерна) это совершенно
недопустимо.
При сушке в высокочастотном поле тепло выделяется равно-
мерно во всем объеме тела (см. § 1 главы VII), но вследствие теп-
лоотдачи от наружной поверхности температура глубинных слоев
обычно оказывается выше, чем на поверхности. Возникающие в
материале градиенты температуры и влажности ускоряют, переме-
щение (миграцию) влаги из глубины тела к поверхности в десятки
и сотни раз по сравнению с конвективной сушкой. В отличие от
других способов высокочастотная сушка сопровождается равно-
мерной усадкой высушиваемых тел, что исключает образование
поверхностной,корки и трещин.
При ВЧ сушке можно допускать большие температуры внутри
зерна, не опасаясь нарушения оболочки. Это ускоряет процесс
сушки и повышает производительность сушильных установок. При
сушке семенного материала токи высокой частоты оказывают на
семена стимулирующее воздействие, повышая энергию прораста-
ния и урожайность. Для некоторых культур сокращается вегетаци-
онный период.
Применение ТВЧ позволяет во многих случаях значительно
ускорить процесс сушки, особенно для материалов в толстом слое
и с низкой проницаемостью к инфракрасным лучам, для которых
неприменима терморадиационная сушка.
Однако скорость сушки нередко ограничивается по технологи-
ческим условиям. Так, при сушке семенного зерна допустимая ско-
рость испарения влаги [кг/(кг-с)] не должна превышать значения,
определяемого формулой
— =-----------—----------, (303)
Дт 324ДДИ7 — 3) (100 — w2) v
а допустимое время пребывания в тепловом поле
Ат = 324 (A W — 3), (304)
где ДЦ7— количество испаряемой влаги из единицы сырой массы
материала за время Ат, кг/кг,
АГ = ^1-^2 (305)
100 — си2
220
Полезная мощность (кВт) в период постоянной скорости
сушки
Pa = W(Ii — I^ = Wr, (306)
где W— количество испаряемой влаги, определяемое формулой
(292), кг/с;
/ь /2—начальная и конечная энтальпии влаги, кДж/кг;
г— удельная теплота, затрачиваемая на испарение влаги,
кДж/кг.
Установленная мощность генератора и другие параметры уста-
новок высокочастотной сушки определяются в соответствии с реко-
мендациями, изложенными в § 2 главы VII.
Вследствие повышенного расхода электроэнергии на 1 кг испа-
ренной влаги высокочастотная сушка в настоящее время применя-
ется только в комбинации с конвективной (комбинированная
конвективно-высокочастотная сушка). При этом вначале зерновая
масса нагревается в электрическом поле — нагрев происходит бы-
стро и равномерно по всей массе зерна, а затем удаляется влага
обычным конвективным способом.
Пример 3. Рассчитать параметры генератора ТВЧ и размеры камеры нагре-
ва для высокочастотной сушилки семенного зерна производительностью 300 кг/ч.
Начальная влажность зерна w, = 18%, конечная — ау2=13о/о, начальная темпе-
ратура зерна 4 = 20° С.
Диэлектрическая проницаемость зерна в коротковолновом диапазоне частот
при заданной влажности может быть принята равной е'=6,5; tg 6 = 0,2. Допу-
стимая напряженность электрического поля £=0,1 кВ/см. По формуле (292)
определяем количество влаги, испаряемой в единицу времени:
18—13
IF = 300 ------- = 17,2 кг/ч = 0,004 кг/с.
100—13
При начальной температуре зерна 20° С удельная теплота испарения
г = /2 — 11 = 2510 кДж/кг.
Полезная номинальная мощность генератора
Рн = IF7 = 0,0048-2510 = 12 кВт.
Допустимая скорость сушки по формуле (303)
Д1Г 18—13 ,
—— =-----------------------=0,89-10 4 кг/(кг-с).
Дт 324 (5 —3) (100— 13)
Минимальная частота поля конденсатора по формуле (247)
, 1000-2510 , 1 1
/min= I,8-10 -О^10=36,4 МГц.
Принимаем из диапазона разрешенных частот (прил. 4) ближайшую боль-
шую частоту (=40,68 МГц. Удельная мощность, выделяемая в единице объема
зерна, по формуле (19)
ДР = 0,555е tg 6/£2 = 0,555-6,5-0,2-40,68-0,12 = 0,293 Вт/см3.
221
Необходимый объем рабочей камеры по выраже-
нию (249)
i\P
12-Ю3
0,293
= 4-104
см3.
Принимаем камеру нагрева двойной с центральным
высоковольтным электродом (рис. 89).
Примем далее расстояние между обкладками кон-
денсатора <7=10 см, ширину электрода 6 = 20 см, тогда
высота электрода составит
4-101
2-20-10
= 100 см.
При выбранном d необходимое напряжение на кон-
денсаторе
ик = 10-0,1 = 1 кВ.
При выборе генератора напряжение UK может ока-
заться иным, тогда размеры камеры следует привести
в соответствие с UK и допустимым значением Е. Вы-
бранный генератор по мощности должен соответство-
вать размерному ряду мощностей установок диэлектри-
ческого нагрева (§ 2, гл. VII).
Определим удельный расход электроэнергии на ис-
парение влаги. Потребная мощность генератора по фор-
муле (243)
V =
Рис. 89. Технологиче-
ская схема высокоча-
стотной сушилки зер
на (к примеру 3):
I — камера нагрева; 2 —
высоковольтный элек-
трод; 3 — камера ох-
лаждения; 4 — механизм
выгрузки.
т]к г|э Лл П г 0,85-0,7-0,9-0,7
где значения к. п. д. приняты из § 2 главы VII. Удельный расход электроэнергии
на 1 кг испаренной влаги
Р 32
а = —- =--------= 1,85 кВт- ч/кг.
W 17,2
§ 5. Электрические пастеризаторы
Молоко, как источник высококачественных жиров, белков, угле-
водов, витаминов, минеральных веществ, является ценнейшим про-
дуктом питания для человека. Однако оно служит и хорошей пита-
тельной средой для различных микроорганизмов: молочнокислых
и маслянокислых бактерий, кишечной палочки, а также пато-
генной микрофлоры (туберкулезные палочки, бруцеллезные виру-
сы и др.).
Для подавления микрофлоры прибегают к тепловой пастериза-
ции молока, которая состоит в нагреве до температуры 65—85°С
и выдержке от 30 мин до 10 с в зависимости от температуры. Зави-
222
симость между температурой пастеризации t и необходимой вы-
держкой т определяется уравнением
1пт = 36,84 —0,48/. (307)
Режим пастеризации должен обеспечить подавление патогенных
микроорганизмов при сохранении всех качеств продукта. При сте-
рилизации уничтожаются все микроорганизмы, содержащиеся в
продукте.
Наибольшая сохранность и качество молока достигаются при
его обработке непосредственно в местах получения, в хозяйствах.
Однако условия работы и использования оборудования на при-
фермских молочных, их снабжение топливом отличаются от усло-
вий городских молочных заводов.
Для условий хозяйств наиболее целесообразны электрические
пастеризаторы, обладающие невысокой металлоемкостью, постоян-
но готовые к работе и всегда обеспеченные энергией.
В настоящее время на прифермских молочных используются
обычные тепловые пастеризаторы, питаемые паром или горячей во-
дой от огневых котельных или электрокотлов. Однако такой путь
использования электроэнергии для пастеризации по сравнению
со специальными электропастеризаторами является малоэффек-
тивным.
Рис. 90. Схема электротеплонасосной установки для пастеризации и охлаждения
молока в потоке:
^ — перегреватель; 2 — конденсатор; 3— ресивер; 4— компрессор; 5 — циркуляционный насос
горячей воды; 6 — пластинчатый пастеризатор-охладитель; 7 — циркуляционный насос ледя-
ной воды; 8—испаритель; 9 — теплообменник; 10 — фильтр; 11 — терморегулирующий вентиль;
секция пастеризации; // — секция регенерации; /// — секция ледяного охлаждения;
;* водопроводная вода; В— вода температурой 45—50° С; В—вход молока;------------фрео-
овая линия; —»—»—» — молочная линия; —— — — пастеризационный контур;-------------- ле-
223
В последнее время получает распространение пастеризация мо-
лока в электротеплонасосных установках. В ВИЭСХе разработана
теплонасосная компрессорная установка (рис. 90) для комбиниро-
ванной обработки молока — пастеризации и охлаждения. Давление
в системе хладоагента достигает 1,3—1,4 МПа, температура пере-
гретых паров фреона 115—120° С, температура конденсации их
51—55° С. За счет тепла перегрева паров фреона в перегревателе /
нагревают воду до 85—90° С, что достаточно для пастеризации мо-
лока, а за счет тепла конденсации вода нагревается до 45—50° С
и может использоваться для технологических нужд. Тепло охлаж-
даемого после пастеризации молока сообщается фреону в испари-
теле 8. Расход электроэнергии на пастеризацию в теплонасосных
установках в 2—3 раза меньше, чем при прямом электронагреве.
Недостаток теплонасосных установок заключается в высоких капи-
тальных затратах.
Из собственно электрических пастеризаторов наибольший инте-
рес представляют электродные и высокочастотные.
Электродные пастеризаторы имеют невысокую стоимость и про-
сты по принципу действия, но эксплуатация этих пастеризаторов
связана с целым рядом трудностей, которые до сих пор еще окон-
чательно не преодолены. Основные из них состоят в отложении на
электродах молочного камня и местных нагревах молока. Интен-
сивность отложений молочного камня зависит от плотности тока,
формы и материала электродов. При электродах из нержавеющей
стали допустимая плотность тока не должна превышать 0,1 А/см2.
Обнадеживающие результаты получены при использовании элек-
тродов из титана. Титановые электроды не покрываются отложе-
ниями даже при плотности тока, в 3—5 раз превышающей допусти-
мую. Местный перегрев молока возможен при образовании в каме-
ре нагрева застойных зон, что свидетельствует о несовершенстве
выбранной электродной системы.
Классическим примером аппаратов подобного типа является
электродный пастеризатор проф. Атена (Голландия). Пастериза-
тор (рис. 91) состоял из 6 отдельных стеклянных цилиндров, 7 гра-
фитовых пластинчатых электродов с отверстиями и работал на
напряжении от 220 до 3000 В. Для регулировки конечной темпера-
туры от 70 до 85° С изменяли скорость протекания молока. В аппа-
рате низкого напряжения 220 В при производительности 300—
500 л/ч и нагреве от 10 до 70° С расход электроэнергии составлял
0,071 кВт-ч/л, а с регенератором тепла снижался вдвое. Предло-
женные в последующие годы разнообразные конструкции электрод-
ных пастеризаторов не имеют принципиальных отличий от описан-
ного и обладают теми же недостатками.
Высокочастотная пастеризация отличается быстродействием н
равномерностью прогрева молока, обеспечивающими минимальные
изменения его физико-химических свойств. Высокочастотный па-
стеризатор Е. П. Виноградова (рис. 92) проточного типа имел ци-
линдрическую камеру из изолирующего материала, которую охва-
224
Рис. 91. Электродный па-
стеризатор Атена:
Рис. 92. Высокочастотный пастериза-
тор Виноградова:
/ — молокопровод; 2—верхняя крышка;
3 — пластина высокочастотного конденсато-
ра; 4—защитный кожух; 5—стеклянный
цилиндрический сосуд (камера нагрева);
6 — молокоприемное отверстие.
тывали с двух сторон обкладки вы-
сокочастотного конденсатора. По
исследованиям Е. П. Виноградова,
наилучшие результаты пастериза-
ции достигаются при частотах 35—
50 МГц и скорости нагрева 40° С в
секунду. В отличие от низкочастот-
ных (электродных) пастеризаторов,
в которых теплообразование проис-
ходит в основном в водяной части
молока, при высокочастотной пасте-
ризации происходит прямой нагрев
и других составляющих молока и, в
/, 4—входной и выходной
патрубки; 2 — графитовый
электрод; 3—стеклянный ци-
линдр.
частности, микроорганизмов, что по-
зволяет осуществлять селективный
нагрев и за счет этого снижать тем-
пературу пастеризации до 50° С, по-
добрав частоту, наиболее губительную для микроорганизмов. Рас-
ход электроэнергии в высокочастотных пастеризаторах довольно
высок и составляет'0,05—0,06 кВт-ч/л, что является основным их
недостатком.
Во Франции разработаны инфракрасные пастеризаторы (акти-
ваторы) для молока и других пищевых жидкостей. Действие их
основано на высокой поглощательной способности молока к ин-
фракрасным лучам. При облучении в тонком слое нагрев молока
происходит очень быстро при сравнительно невысоких расходах
15—475
225
электроэнергии. По данным французских фирм, стоимость актива-
торов вдвое меньше стоимости традиционных пастеризаторов, а
срок сохранности молока возрастает в 1,5 раза.
§ 6. Электротепловая обработка кормов
Корма, подвергнутые тепловой обработке, лучше поедаются и
усваиваются животными.
Тепловой обработке при помощи токов высокой частоты можно
подвергать все виды кормов. Однако по экономическим соображе-
ниям высокочастотный- нагрев в кормоприготовлении пока практи-
ческого применения не находит. Тепловая обработка кормов при
помощи инфракрасных лучей ограничивается их низкой проника-
ющей способностью.
Для влажных кормов (силос, картофель, корнеплоды, смочен-
ная соломенная резка, меласса и др.) наиболее приемлемым спо-
собом тепловой обработки является электродный нагрев.
Электродный подогрев силосной массы известен давно. Элек-
тродами служат металлические сетки, закладываемые между слоя-
ми силосной массы, или отрезки
Рис. 93. Электрический запарный
котел:
/ — опорная рама; 2 — дно кожуха; 3—кор-
пус; 4 — парораспределитель; 5 — фиксатор
положения; 6~ кожух; 7 — паровой кла-
пан; 3 — крышка; 9—прижимное приспо-
собление; 10 — контактная коробка;
11 — теплоизоляция; 12 — электронагрева-
тель.
труб, заглубляемые в силосную
массу. Электроподогрев созда-
ет благоприятные условия для
бактерий молочнокислого бро-
жения, обеспечивая высокое
качество силоса.
Необходимая для отмечен-
ных процессов установленная
мощность электродных шагре-
вателей составляет 0,5—1,0
кВт/т для сочных кормов и
2,5—3,5 кВт/т для соломенной
резки и половы; длительность
прогрева колеблется от 10 до
50 ч. Однако по технологичес-
ким условиям и условиям элек-
тробезопасности электродный
способ силосования не получил
широкого практического рас-
пространения.
При косвенном подогреве
используются трубчатые или
коаксиальные нагреватели, за-
глубляемые в силосную массу.
Равномерность прогрева при
этом снижается, процесс удли-
няется до 60 ч, а удельная ус-
тановленная мощность возра-
стает на 20—38%.
226
Для запаривания картофеля в разное время предлагались элек-
трические кормозапарники косвенного нагрева (запарочные кот-
лы). Конструктивная схема аппаратов подобного типа приведена
на рисунке 93. В запарник загружали 90—100 кг картофеля и за-
ливали несколько литров воды, достаточных для получения пара
на запаривание. Пар, генерируемый нагревателем, поступал через
отверстия стояка парораспределителя в массу картофеля. При
мощности 2,5—3 кВт запаривание продолжалось 4—5 ч с последу-
ющей выдержкой продукта после отключения. Удельный расход
электроэнергии составлял около 100 кВт-ч/т.
Из-за малой производительности и больших затрат на обслужи-
вание аппараты подобного типа широкого распространения не по-
лучили. Более целесообразным оказалось получать пар в специ-
альных электродных котлах и использовать обычные паровые кор-
мозапарники.
В настоящее время проводятся успешные исследования по пря-
мому (электродному) запариванию картофеля, подтверждающие
возможность создания надежных и экономичных аппаратов пря-
мого действия.
§ 7. Электрооборудование картофелехранилищ
Хранение картофеля по значимости и экономическому эффекту
уступает лишь хранению зерна. Картофелехранилища представля-
ют собой наиболее распространенные и крупные помещения в сель-
ских районах для хранения сельскохозяйственной продукции.
В хранилищах, оснащенных современным оборудованием и авто-
матикой, потери картофеля по сравнению с хранением в буртах
снижаются в 3—5 раз (с 10—15 до 2—5%). Сокращение потерь
картофеля только на 1 % окупает все затраты на оборудование и
автоматику за 1 год.
Оборудование картофелехранилищ выбирают на основании аг-
ротехнических условий к процессу хранения картофеля. Этот про-
цесс состоит из трех периодов.
Лечебный период начинается сразу после заполнения хранилища
картофелем и длится 10—15 дней. В этот период залечиваются ме-
ханические повреждения кожицы, выполняющей важные защитные
функции, картофель дозревает и подсушивается. Чтобы процесс
протекал нормально, картофель вентилируют теплым влажным
воздухом. Температура картофеля поддерживается на уровне 14—
16° С, а влажность воздуха в хранилище — 90—95% при скорости
в массе картофеля около 0,04 м/с.
Период охлаждения начинается после окончания лечебного пе-
риода и длится 30—40 дней. За это время картофель охлаждается
до температуры 2—4° С.
Период хранения является основным. В этот период поддержи-
ваются наиболее благоприятные для длительного хранения пара-
метры микроклимата в хранилище: температура картофеля 2—
15*
227
4° С, относительная влажность воздуха 80—95%. При этих усло-
виях интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов снижает-
ся, картофель защищается от прорастания.
В процессе хранения в результате происходящих в картофеле
биохимических процессов из него выделяются избыточное тепло,
влага и углекислота. При недостаточном вентилировании содержа-
ние этих компонентов может оказаться выше допустимых для дли-
тельного хранения продукта.
Для поддержания необходимых параметров микроклимата хра-
нилища оборудуют системами приточно-вытяжной вентиляции, хо-
лодильными и обогревательными установками, системами увлажне-
ния воздуха.
В период охлаждения температура вентилируемого воздуха
должна быть ниже температуры картофеля. Если хранилище обо-
рудовано холодильными установками, то воздух охлаждается ис-
кусственно. Оборудование включается автоматически в зависимо-
сти от параметров картофеля и внутреннего воздуха или по специ-
альной программе. В хранилищах без холодильных установок
вентиляторы включаются только тогда, когда температура наруж-
ного воздуха ниже температуры продукта. В центральных районах
это обычно ночные часы с продолжительностью включения 7—8 ч
в сутки.
В большинстве районов страны, кроме южных, температура на-
ружного воздуха позволяет осуществлять хранение картофеля без
искусственного охлаждения. В морозные дни необходимые пара-
метры вентиляционного воздуха поддерживаются путем смешива-
ния наружного воздуха с внутренним или подогрева в нагреватель-
ных агрегатах.
Необходимый воздухообмен рассчитывают на основе теплового
баланса хранилища за расчетный период:
Qhs6 ~ Qhbh “Ь QaKK Qorpi (308)
где Q„30 — среднее значение избыточного тепловыделения за
расчетный период;
Сявн — явные тепловыделения [34—70 кДж/(т-ч)];
Сакк —тепло, ранее аккумулированное продуктом;
Corp — теплопотери через внешние ограждения. .
Необходимый воздухообмен приточной вентиляции
L =----~!Эб----, (309)
С (^ви 6ip) ЯТ
где tBH, tnp—средние за расчетный период температуры внутрен-
него и проточного воздуха, °C. Температура внутрен-
него воздуха поддерживается на уровне 1°С;
с—объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м3-°C);
п—расчетный период охлаждения, дней;
т — среднесуточная продолжительность вентиляции, ч.
228
(310)
Необходимый воздухообмен по условиям удаления влаги
W
L =-------
^вн ^пр
где W—влаговыделение картофеля [5—20г/(т-ч)] в зависи-
мости от периода хранения;
dBH, dnp — среднее за расчетный период влагосодержание внут-
реннего и приточного воздуха, г/м3.
По опытным данным, производительность приточных вентиля-
торов на 1 т картофеля составляет 30—50 м3/ч. При низких темпе-
ратурах наружного воздуха на внутренних поверхностях огражде-
ний конденсируется влага и выпадает в виде снега, верхние слои
картофеля увлажняются. Во избежание этого в верхнюю зону хра-
нилища подается подогретый воздух. Подогрев необходим при рас-
четной наружной температуре ниже —20° С. Потребное количество
тепла
QoT = Qorp-QH. (ЗП)
Здесь QH — количество тепла, отданное вентиляционным воздухом
в надзакромное пространство,
Q„ = Lc(/3-/B.3), (312)
где t3—температура воздуха на выходе из закрома;
/в,3—температура воздуха в верхней зоне хранилища.
• При выборе мощности подогревателей следует учитывать подо-
грев воздуха в вентиляторах на 1—1,5° С. По опытным данным, не-
обходимая мощность подогревателей воздуха составляет около
2,5 кВт на 1000 т картофеля.
В качестве подогревателей воздуха наиболее целесообразно ис-
пользовать электрические калориферы с трубчатыми нагревате-
лями.
Для картофелехранилищ емкостью до 1000 т выпускается ком-
плект оборудования ОРТХ (оборудование регулирования темпера-
туры хранилищ) со шкафом управления ШАУ-АВ, обеспечивающе-
го вентилирование картофеля без искусственного охлаждения.
Технологическая схема автоматического управления темпера-
турным режимом в хранилище с оборудованием ОРТХ приведена
на рисунке 94. а принципиальная электрическая схема — на ри-
сунке 95.
Температура в массе картофеля на заданном уровне поддержи-
вается терморегулятором ТРЗ. При превышении оптимального ее
значения терморегулятор подготавливает к включению цепь маг-
нитного пускателя Р5 приточной вентиляции. Поступающий в хра-
нилище воздух смешивается с внутренним в смесительном клапа-
229
Рис. 94. Технологическая схема автоматического управления температурным ре-
жимом в хранилище с оборудованием ОРТХ:
/, 2 и 4 — смесительный клапан, его подогреватель и исполнительный механизм; 3 и 5 — при-
точная и вытяжная шахты; 6 — рециркуляционный отопительный вентиляционный агрегат;
7 — вентиляционный канал; 8—вентилятор приточной системы; Кн —пусковая кнопка; ТР1,
ГР/'— датчики дифференциального терморегулятора; ТР2, ТРЗ и ТР4 — датчики терморегуля-
тора верхней зоны, массы продукта и аварийной защиты; ТР5 — датчик пропорционального
терморегулятора; ТР6— биметаллический датчик температуры подогрева шкафа; В/,
В2 — универсальные переключатели; ВЗ — выключатель; Р2 — магнитный пускатель;
ШАУ-АВ — шкаф управления; РВ — двухпрограммное реле времени; ПЗ и ДФ — полупро-
водниковые пропорциональный и дифференциальный регуляторы температуры; Э — электро-
подогреватель.
не 1 (рис. 94). Температура смеси регулируется пропорциональным
терморегулятором ТР5, управляющим заслонкой смесительного
клапана при помощи исполнительного механизма ИМ (рис. 95).
Дифференциальный терморегулятор ТР1 включает приточную вен-
тиляцию только в случае, если температура наружного воздуха
ниже, чем в массе продукции. Терморегулятор ТР4 осуществляет
защиту продукции от переохлаждения наружным воздухом, отклю-
чая приточную вентиляцию при выходе из строя смесительного
клапана.
В лечебный и основной период хранения система вентиляции
включается по программе двухпрограммного реле времени РВ.
Вторая программа используется для ввода в действие подогревате-
ля 2 (рис. 94) смесительного клапана, предупреждающего возмож-
ность примерзания заслонки. При понижении температуры в верх-
ней зоне хранилища ниже допустимой терморегулятор ТР2 вклю-
чает электрокалорифер подогрева воздуха (магнитные пускатели
230
РО
00
Защита цепей
управления
Сигнализация
П PTI
РЗ РП
пз
рц РТЗ
Дифференциаль-
ный
терморегулятор
Терморегулятор
верхней
ЗОНЫ
Вентилятор
отопительного
___агрегата_____
Злектрокалдришер
отопительного
агрегата
~^~О6огре6
смесительного
клапана
Терморегулятор ,
массы
продукта
Притачная
вентиляция
Терморегулятор
аварийной
защиты
Реле времени
Пропорциональный
терморегулятор
приточного
воздуха
Пополнительный
механизм
смесительного
клапана
Одогрев
шкафа
I управления
Рис. 95. Принципиальная электрическая схема шкафа автоматики ШАУ-АВ:
Л1 контроль наличия напряжения на цепях управления; Л2— освещение шкафа управле-
ния; Л3, Л4, Л6 — контроль электрообогревателя смесительного клапана, пускателя веитиля-
т°₽а и включения отопительного агрегата; Л5 — контроль аварийной температуры; Л7,
v ° контрсйль открытия и закрытия клапана. Остальные обозначения те же, что и на ри-
сунке 94. ♦ и
Р2 и РЗ). Необходимая температура в шкафу поддерживается тер-
морегулятором ТР6 и электроподогревателем Э.
Универсальный переключатель В1 (рис. 95) переводит цепи с
ручного управления (положение Р) на автоматическое (А) и обрат-
но, а В2— на периоды охлаждения (О), лечебный (Л) и хране-
ния (Хр).
Для более крупных хранилищ предназначено оборудование
ОРТХ-М со шкафом управления ШАХ-1.
Г л а в а XI
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОБОГРЕВ В ПАРНИКАХ И ТЕПЛИЦАХ
§ 1. Области использования электронагрева в закрытом грунте
В современных культивационных помещениях закрытого грунта
возможно круглогодичное выращивание полноценных овощей с
урожайностью до 100 кг с квадратного метра, что намного превы-
шает урожайность открытого грунта в наиболее благоприятных
для возделывания странах.
Для выращивания растений помещения закрытого грунта обо-
рудуют системами отопления, вентиляции, полива, добавочного ос-
вещения и другими, предназначенными для создания надлежащих
условий микроклимата, устанавливаемых агротехникой. Среди па-
раметров микроклимата наиболее важным является температура
внутри помещений.
Оптимальные температурные условия для растений можно соз-
дать лишь при гибкой системе обогрева с надежной автоматизаци-
ей температурного режима. Это непременное условие получения
высоких урожаев. В наибольшей степени этим условиям отвечает
электрический обогрев почвы и воздуха.
В закрытом грунте применяются три вида обогрева: почвенный,
воздушный и почвенно-воздушный. Агротехническим условиям в
наибольшей степени отвечает почвенно-воздушный обогрев, кото-
рый по затратам энергии наиболее экономичен. В теплицах при
почвенно-воздушном обогреве расход тепла почти в 2 раза меньше,
чем при почвенном обогреве. В парниках, где объем воздушной
среды сравнительно мал, иногда ограничиваются только почвен-
ным обогревом.
Электрический обогрев обладает рядом ценных преимуществ
по сравнению с другими способами обогрева: возможностью тон-
кой регулировки температурных режимов и использования одного
вида энергии для обогрева, досвечивания растений и автоматиза-
ции, а также значительной экономикой затрат труда.
Наибольшее распространение электрообогрев получил в парни-
ковых хозяйствах южной зоны страны, где он успешно конкуриру-
ет с другими способами обогрева. Затраты энергии на электричес-
кий обогрев парников меньше, чем на водяной, качество рассады
232
^учше, а урожай на 10—15% выше. Это объясняется в основном
^дльшей возможностью автоматизации. Затраты на электрообо-
j-рев парников окупаются за 3—4 года. Приведенные затраты на
электрообогрев меньше, чем при обогреве горячей водой от мест-
ной котельной.
Заметное распространение получает электрический обогрев
почвы и воздуха в весенних пленочных теплицах, где все затраты,
связанные с поддержанием надлежащего температурного режима,
окупаются менее, чем за сезон эксплуатации.
Менее распространен электрический обогрев зимних теплиц, од-
нако в районах с дешевой электроэнергией (от ГЭС) он успешно
применяется и в теплицах, особенно в качестве резервного и для
снятия пиков тепловой нагрузки в периоды, когда наружные тем-
пературы превышают расчетные значения.
В 1975 г. на электрообогрев в закрытом грунте предполагается
израсходовать свыше 2 млрд. кВт-ч электроэнергии.
§ 2. Способы электрического обогрева почвы и воздуха
К наиболее распространенным способам электрообогрева почвы
и воздуха в парниках и теплицах относятся элементный и электро-
калориферный.
Обогрев почвы, возможен электродным способом, но из-за повы-
шенной электроопасности и значительного расхода листовой стали
на электроды, которые к тому же затрудняют обработку почвы,
этот способ не получил распространения.
В теплицах иногда применяют инфракрасный обогрев. Недоста-
ток этого способа заключается в том, что из-за опасности ожогов
растений трудно создать необходимую плотность облучения.
Элементный обогрев почвы и воздуха можно осуществлять раз-
личными способами, которые отличаются конструктивным выпол-
нением нагревательных устройств, их размещением, значением пи-
тающего напряжения и др.
В качестве нагревательных элементов используют стальную
оцинкованную проволоку диаметром 2—7 мм, нагревательные про-
вода (ПОСХВ, ПОСХП и др.), нагревательный кабель.
Для обогрева почвы нагревательные элементы размещают сле-
дующими способами:
а) в асбоцементных или гончарных трубах, которые укладыва-
ют в слой песка под растительным слоем почвы (трубчатые нагре-
вательные элементы);
б) непосредственно в слое песка под почвой;
в) в асфальто-бетонном монолите под почвой.
Частным случаем последнего способа является обогрев почвы
асфальто-бетонными нагревательными блоками.
Для обогрева воздуха нагревательные элементы подвешивают
на конструкциях помещений (непосредственно или в асбоцемент-
ных трубах).
233
Рис. 96. Устройство парников с электрообо-
гревом:
а _ обогрев трубчатыми нагревательными эле-
ментами; б — обогрев нагревательными проводами
в слое песка; 1 — парубни; 2 —элементы воздуш-
ного обогрева; 3—элементы почвенного обогрева;
4 — монтажный канал; 5—переходной канал;
6 — экранная металлическая сетка.
Для питания устройств почвенного и воздушного обогрева ис-
пользуют сетевое (380/220 В) или пониженное (12—127 В) напря-
жение.
Для обогрева почвы трубчатыми нагревательными элементами
используют асбестоцементные или гончарные трубы диаметром
100—150 мм, а для обогрева воздуха — 50—75 мм. Для повышения
электроизоляционных свойств асбоцементные трубы предваритель-
но пропитывают в горячем битуме или трансформаторном масле.
Стыки труб тщательно заделывают цементом, чтобы не попадала
•вода, в противном случае нагревательные элементы быстро выйдут
из строя.
Трубы защищают нагревательные элементы от механических
повреждений, увеличивают безопасность обслуживания и спо-
собствуют выравниванию температуры поверхности почвы. Уве-
личение диаметра почвенных труб способствует лучшему выравни-
ванию температуры почвы.
Трубы почвенного и воздушного обогрева необходимо прокла-
дывать с уклоном 0,002—0,003. Внутри труб на изолирующих опор-
ных дисках протягивают голую оцинкованную проволоку
(рис. 96,а). На выходе из труб проволоку крепят на изоляторах
в монтажных каналах по торцам парника. Удельная мощность
трубчатых элементов не превышает 100 Вт/м.
Обогрев трубчатыми элементами на сетевом напряжении свя-
зан с меньшими капитальными затратами по сравнению с питани-
ем пониженным напряжением. Однако в этом случае нужны более
тщательные мероприятия по технике безопасности. Пониженное
напряжение требует применения понижающих трансформато-
ров и большего расхода материалов на подводящие провода и
шины.
При обогреве почвы неизолированной стальной проволокой ее
укладывают параллельными нитями вдоль парника в слое песка
толщиной 100—150 мм, находящегося под почвой. Для этого ис-
234
пользуют оцинкованную проволоку диаметром не менее 4 мм. Пе-
сок, обладая высокой теплопроводностью, улучшает теплоотдачу
проволоки и выравнивает температуру по поверхности почвенного
слоя. Удельная мощность нагревательных элементов не превышает
15—25 Вт/м. Для питания в целях безопасности используют пони-
женное напряжение 24—36 В. Над проволокой на расстоянии
50—60 мм от нее укладывают металлическую сетку с ячейками
30—60 мм, присоединяемую к заземлению. Число параллельных
ветвей выбирают исходя из условий допустимой температуры
и равномерности нагрева; оно составляет от 4 до 8. Во избежание
интенсивного высыхания почвы и сгорания перегноя температура
проволоки должна быть не выше 40° С. При обогреве стальной
оцинкованной проволокой расход на нагревательные элементы
невелик, но при этом способе обогрева требуются понижаю-
щие трансформаторы и много расходуется металла на подвод
тока.
Обогрев почвы и воздуха нагревательным проводом аналогичен
обогреву стальной проволокой (рис. 96,6). Провод можно уклады-
вать в асбоцементные трубы, проложенные в слое песка под расти-
тельным слоем, или непосредственно в слой песка. При укладке
в трубах достигается безопасность обслуживания, легкость смены
перегоревшего провода, защита от механических повреждений.
Однако это требует значительного количества труб. Так, на один
двадцатирамный парник* при двух почвенных и двух воздушных
элементах требуется около 86 м асбоцементных труб. При непо-
средственной укладке в песок провод от повреждений защищают
металлической сеткой с ячейками 30—50 мм, укладываемой в песке
над проводом на расстоянии 50 мм (рис. 96,6), или бетонной
стяжкой. Сетку заземляют, и она служит дополнительной мерой
электробезопасности на случай повреждения изоляции провода.
Шаг укладки провода в песок выбирают из условия, чтобы нерав-
номерность температуры не превышала 3—4°. В среднем шаг при-
нимают равным 100—150 мм. Для этого на 1 м2 почвы требуется
4—6 м провода. В парниках шаг укладки у парубней меньше
(100—ПО мм), а посредине больше (150—160 мм). Для обогрева
воздуха нагревательный провод подвешивают на строительных
конструкциях или крепят к несущему тросу при помощи специаль-
ных подвесок.
Общую длину провода обогрева почвы и воздуха разбивают на
ряд отдельных секций. Изменяя схему их включения, можно регу-
лировать мощность обогрева.
Стальную проволоку или нагревательный провод можно укла-
дывать в асфальтобетонный монолит толщиной 30—70 мм, закла-
дываемый под почвенный слой (рис. 97). Такой способ повышает
теплоаккумулирующую способность устройств обогрева, безопас-
* Стандартный двадцатирамный парник имеет размеры по внутреннему об-
меру 1,55X21,3 м (рис. 96), поверхность остекления 32 м2.
235
От силового распред щита
ПрА-А
Рис. 97. Устройство парника со сплошным асфальтобетонным покрытием
нагревательного элемента:
/ — клеммная коробка; 2 — нагревательный элемент; 3—сплошное асфальтобетонное
покрытие; 4 — шлак; 5 — гравий; 6 — почва.
ность обслуживания, а также равномерность распределения тем-
пературы.
Естественно, этот способ требует больших затрат на сооруже-
ние обогрева и, кроме того, связан с трудностью замены повреж-
денного (сгоревшего) нагревательного элемента.
В последние годы получает распространение электрокалорифер-
ный обогрев почвы и воздуха, особенно в весенних пленочных теп-
лицах. В парниках электрокалориферы обогревают только почву,
прогоняя нагретый воздух по замкнутой системе воздуховодов и
подпочвенных труб, соединенных с калорифером (рис. 98). В теп-
лицах могут обогреваться и почва и воздух. Для обогрева почвы,
так же, как и в парниках, под растительным слоем прокладывают
воздуховодные трубы. Если обогреваются почва и воздух, то тепло-
носитель из подпочвенных каналов поступает в воздушную зону
теплицы, откуда вновь забирается калорифером. При обогреве
только воздуха применяют воздухораспределительные каналы
в виде перфорированных пластмассовых труб диаметром 18—
236
25 см. Выходящий из труб воз-
дух не должен попадать непо-
средственно на растения.
В отличие от парников воз-
дух в теплицах необходимо
обогревать, так как его объем
в 10—15 раз больше, чем в
парниках. Для этой цели ис-
пользуют электрокалориферы.
Элементный обогрев воздуха
эффективен только в малых
объемах (в парниках).
Установки электрокалори-
ферного обогрева легко авто-
матизировать, на них малорас-
I—---------1600
Рис. 98. Поперечное сечение парника,
обогреваемого электрокалорифером:
/ — утрамбованный грунт; 2 — щебень;
3 — питательный слой; 4 — греющие трубы.
ходуется материалов, их мож-
но использовать для обогрева почвы и воздуха, для вентиляции
(при достаточной солнечной радиации); кроме того, их легко пере-
мещать.
Электрооборудование парников и теплиц должно быть устой-
чивым к повышенной влажности, воздействию химически активных
растворов и газов.
§ 3. Расчет устройств электрообогрева
Мощность установок электрообогрева должна быть достаточна
для компенсации потерь тепла в окружающую среду в самом тя-
желом— ночном режиме, когда отсутствует солнечная радиация,
а наружная температура имеет минимальное значение. Уравнение
теплового баланса для этого режима имеет вид
Фоб = Фогр + Фвент + Фгр, (313)
где Qo6— потребная теплопроизводительность электрообогрева-
тельной установки;
Фогр—потери тепла через ограждения культивационного по-
мещения;
Фвеит— потери тепла с вентиляционным воздухом;
фгр— потери тепла в грунт.
Составляющие правой части выражения (313) определяются
следующим образом:
п
Фогр = (/вн-/нар)У^. (314)
rтг
i=\
Здесь Fi— поверхность отдельных элементов ограждения, м2;
гТ(- — их удельное термическое сопротивление, м2-°С/кДж;
/вн— температура внутри помещения, °C;
237
4аР—расчетная наружная температура, которую для данно-
го климатического района берут по СНиП или опреде-
ляют по формуле
^P = /cp + 0,6(/min-/cp)> (315)
где /ср—средняя температура наиболее холодного месяца дан-
ной климатической зоны, °C;
4nin—минимальная температура наиболее холодного меся-
ца, °C.
Свент = ТвСвУ(/вн —/нар)/г, (316)
где V — объем помещения по содержащемуся воздуху, м3;
п—кратность воздухообмена, 1/ч.
В QeeHT входят и потери тепла на инфильтрацию воздуха. Если
в теплице нет специальной системы вентиляции, то вместо фвент
определяют потери на инфильтрацию.
Потери тепла в грунт Qrp при точном расчете можно определить
по известным формулам теплопередачи. В общем расходном
балансе они занимают 3—4% и составляют порядка 13—
25 кДж/(м2-ч).
Мощность установок электрообогрева
р ________________________ Фоб
3600т]у ’
где. г|у — к. п. д. электрообогревательной установки.
Если установки не вынесены за пределы ограждения рабочего
объема помещения, принимается т]у=1.
Подробный тепловой расчет помещений закрытого грунта ока-
зывается нередко затруднительным из-за неопределенности некото-
рых исходных данных: кратности воздухообмена, инфильтрации,
потерь в грунт и др. В практических расчетах мощность установок
(кВт) для компенсации потерь тепла определяют по приближен-
ной зависимости
Р = *(/вн-*нарИост10-3, (318)
где К— приведенный коэффициент теплопередачи через остекле-
ния парников и теплиц, Вт/(м2-°С), представляющий со-
бой функцию скорости ветра (рис. 99);
^ост— площадь остекления, м2.
Некоторые технико-экономические показатели электрообогрева-
емых парников и теплиц приведены в таблице 25.
Меньшие цифры относятся к обогреву стальной неизолирован-
ной проволоки, проложенной в песке. Большие цифры соответству-
ют электрокалориферному обогреву. Как видно из таблицы, наи-
большей эффективностью обладают весенние пленочные теплицы
с калориферным обогревом.
238
Таблица 25
Технико-экономические показатели
парников и теплиц
Вид закрытого грунта установлен- ная мощность электрообог- рева, Вт расход элек- троэнергии (за сезон), кВтч капитальные затраты (пол- ные), руб. срок окупае- мости капи- таловложений на электро- обогрев, лет
Парники, на 1 раму 100—230 100—150 25—32 3—4
Теплицы, на 1 м2 полезной площа- ди зимние остеклен- ные весенние пленоч- ные 600—900 550—780 50—70 5—8
100—120 25—27 4—5 0,5—0,8
Расчетная мощность обогрева, определенная по формуле (317)
или (318), делится между почвой Ра и воздухом Рв в следующем
соотношении: для теплиц Рп/Рв=1 : 1 или 1:2, для парников
Ра1Р3 =1:1 или 2:1.
Нагревательные элементы почвенного и воздушного обогрева
рассчитывают раздельно. Инженерный расчет их основывается на
общих положениях главы IV. Подробный расчет электрообогрева
парников разработан В. И. Смирновым.
В приближенных практических расчетах используются различ-
ные экспериментальные данные, графики и номограммы. На ри-
сунке 100 приведены построенные по литературным источникам
опытные зависимости темпера-
туры стальной проволоки раз-
личных диаметров от токовой
нагрузки. Сплошные кривые
относятся к стальной проволо-
ке, протянутой в асбестоцемент-
ной трубе (трубчатые нагре-
вательные элементы), а пунк-
тирные — к стальной проволо-
ке, заложенной в подпочвен-
ный асфальтобетонный моно-
лит.
При расчетах должно быть
соблюдено основное требова-
ние, чтобы рабочая температу-
ра проволоки не превышала
250—300° С, после чего начи-
нается интенсивное разруше-
ние проволоки.
Рис. -99. Приведенные коэффициенты
теплопередачи через остекления теп-
лиц (7) и парников (2) в функции
скорости ветра.
239
Рис, 100. Зависимость температуры стальной оцинкованной про-
волоки, расположенной в асбоцементной трубе (сплошные кри-
вые) и асфальтобетонном монолите (пунктирные кривые) от то-
ковой нагрузки.
На рисунке 101 приведены опытные графические зависимости
активного сопротивления 1 м стальной проволоки различных диа-
метров от температуры.
При помощи графиков, изображенных на рисунках 100 и 101,
можно решать различные задачи расчета нагревательных элемен-
тов закрытого грунта. При этом используются следующие извест-
ные зависимости:
полный ток стального нагревательного элемента, имеющего
мощность Р и питающее напряжение U, при &п=1 [см. формулу
(172)] составляет
активное сопротивление
R = (320)
где coscp — внутренний коэффициент мощности стальной проволо-
ки, который в расчетах можнр принимать равным 0,86;
мощность нагревателя
Р = 12Р;
(321)
240
активное сопротивление
1 м проволоки (рис. 101)
г = Y, (322)
где L — длина проволоки;
удельная мощность
ДР = у = /2г; (323)
число фазоветвей (па-
раллельных секций)
_ 1 Р
Дйв , — ... —
li Uli cos <р
_ Р
U cos <р
Рис. 101. Зависимость сопротивления 1 м
стальной оцинкованной проволоки раз-
ных диаметров от температуры.
где /1— ток одной фазоветви.
Пример 1. Выбрать диаметр стальной оцинкованной проволоки для обогре-
ва почвы турбчатыми элементами группы из трех последовательно включенных
парников, имеющих по три почвенных элемента. Мощность обогрева Р=7,5кВт,
питающее напряжение {7=220 В. В период разогрева нагревательные элементы
должны переключаться на напряжение 380 В.
Длина проволоки в одной трубе парника 21,5 м. При последовательном вклю-
чении трех парников по три трубчатых элемента общая длина проволоки почвен-
ного обогрева составляет 193,5 м.
Определяем ток и сопротивление проволоки:
R =
7,5-103
220-0,86
= 39,4 А;
2202-0,862
7,5-103
= 4,78 Ом.
Сопротивление 1 м проволоки
4,78
г =------= 0,0247 Ом-м~х.
193,5
Проводим на рисунке 100 вертикаль, соответствующую / = 39,4 А, находим
ряд значений d (на пересечении со сплошными кривыми) и строим на рисунке
102, а функцию (кривая 7). Проводим на рисунке 101 горизонталь, соот-
ветствующую г = 0,0247 Ом-м-1, находим на пересечении с кривыми d ряд зна-
чений функции d.) и строим ее на рисунке 102, а (кривая 2). Пересечение
кривых 1 и 2 дает значения d = 3,45 мм и /=170° С. Принимаем d = 3,5 мм.
Проверим возможность переключения нагревательных элементов на напряже-
ние 380 В. Зная U, L, d, необходимо определить температуру проволоки t.
С рисунка 100 переносим на рисунок 102,6 функцию фД/, Г) для d = 3,5 мм
(кривая /). С рисунка 101 берем несколько значений функции со(/, г) для d =
= 3,5 мм и заносим их в первые две строчки следующей таблицы:
t, °C . . • . . . 100 200 250 350
г .............. 0,019 0,026 0,029 0,036
t............... 89 65 58,4 47
16—475
241
Пересчитываем функцию «(/, г) в функцию пользуясь соотношением
/У cos Ф _ 380-0,86 1,69
~ rL ~ г-193,5 = г '
Результаты заносим в третью строку таблицы. Функция ф2(/, 7) изображена на
рисунке 102, б в виде кривой 2. Пересечение кривых 1 и 2 дает значения тока
/ = 52А и температуры / = 307° С. Учитывая непродолжительность работы нагре-
вательных элементов в этом режиме, можно допустить их включение на 380 В
на период разогрева почвы.
При температуре 307° С сопротивление проволоки d = 3,5 мм (рис. 101), г=
= 0,033 Ом/м; следовательно, мощность при 17 = 380 В составит
Р = АД10~3 = 522-0,033-193,5-10"3 = 17,3 кВт,
то есть возрастает в 2,3 раза.
Пример 2. Определить длину и число параллельных ветвей стальной оцин-
кованной проволоки диаметром 3 мм, закладываемой в асфальтобетонный моно-
лит для обогрева двух двадцатирамных последовательно включенных парников,
имеющих общую мощность 5,2 кВт, питающее напряжение 36 В.
Общий ток
5,2-103
—----— = 168 А.
36-0,86
Длина одной фазоветви
Li = 21,5-2 = 43 м.
Из графика на рисунке 100 для <7 = 3 мм (пунктирная кривая) берем ряд
242
значений функции fi(t, !t), заносим в первые две строчки таблицы и строим кри-
вую 1 на рисунке 103.
1, °C . . . . . 167 130 75 60 40 30
Л .... . . 55 50 40 36 30 21,3
г . . • . . . 0,032 0,028 0,023 0,022 0,020 0,019
АР.... . . 97 70 37 29 18 8,6
Пфв • • • 1,25 1,73 3,27 4,17 6,73 14,1
/;.... . . 134 97,3 51,4 40,4 25 11,9
Следует помнить, что в функции /\(7, Л) фигурирует ток одной фазо-
ветви /).
Из графика рисунка 101 по кривой d = 3 мм для температур, приведенных в
таблице, находим соответствующие значения г (третья строка таблицы). Далее
по полученным данным находим удельную мощность
ДР = /[г,
число фазоветвей
_ р _ 5-2-103 _
Яфв “ LjAP “ 43. АР = АР ’
ток фазоветви
,___________________________________1 168
1 “ ПФв “ "Фв '
По полученным значениям 1 j и приведенным в таблице значениям t строим на
рисунке 103 функцию f2(t, II ) в виде кривой 2.
Пересечение кривых 1 и 2 дает значения / = 47° С и /1 = 33 А; следовательно,
в условиях задачи проволока диаметром 3 мм используется по нагреву недоста-
точно. Расчетное число фазоветвей
Принимаем ПфВ = 5, тогда необходимая длина проволоки
L = 43,5 =215 м.
Проверим полученные значения. При «фВ = 5 ток фазоветви /! = 33,6А. Для
этого тока, согласно рисунку 100, / = 52° С, что близко к расчетному значению
47° С. При этом г=0,021 Ом/м. Падение напряжения на фазоветви
IirLf 33,6-0,021.43
V = - = —’---:------= 35,3 В.
cos ф 0,86
Общая мощность
Р=/2Г £1„фв 10-3 =33,62- 0,021 • 43 • 5 X
Х10-з = 5>1 кВт_
Рис. 103. К примеру 2.
что близко к исходным данным.
16*
243
Подобным образом решаются и другие задачи расчета нагревательных эле-
ментов закрытого грунта, в том числе и при использовании нагревательных про-
водов со стальными жилами (типа ПОСХВ, ПОСХП и др.). В последнем случае
следует лишь иметь в виду ограничения по допустимой температуре и удельной
мощности, накладываемые заводами-изготовителями.
§ 4. Регулирование температуры
В помещениях закрытого грунта необходимо поддерживать оп-
ределенную температуру почвы и воздуха, зависящую от вида рас-
тений, фазы развития, уровня освещенности, времени суток и дру-
гих факторов. Создание и поддержание оптимальных температур-
но-влажностных условий — необходимая основа получения высоких
урожаев, добиться этого можно лишь с применением автоматиза-
ции. Не менее важная задача автоматизации заключается во все-
мерном снижении затрат труда и экономии электрической энергии.
Применение даже простых регулирующих устройств позволяет
уменьшить расход электроэнергии при элементном обогреве до
30%, а при калориферном обогреве в весенних теплицах — в 3—
4 раза по'сравнению с ручным управлением.
Для поддержания необходимых условий микроклимата парни-
ки и теплицы оборудуют системами обогрева, вентиляции, увлаж-
нения и др. В теплицах создают автономные системы обогрева.
Парники объединяют в группы с общими системами обогрева,
а группы — в участки с общими системами электропитания. Чи-
сло парников в группе и групп на участке определяют при проек-
тировании и расчете электрообогрева одновременно с разработкой
их электрической схемы. Каждую группу парников оснащают
датчиками, регуляторами, исполнительными и другими устрой-
ствами, необходимыми для поддержания температуры в задан-
ных пределах.
Мощность обогрева чаще всего регулируют изменением схемы
включения нагревательных элементов и переключением их с фаз-
ного напряжения на линейное и обратно. Это делают вручную в ос-
новном при пуске культивационных помещений для разогрева поч-
вы. В установившемся режиме для поддержания постоянной тем-
пературы периодически включают и выключают нагревательные
элементы и систему вентиляции, то есть используют позицион-
ное регулирование, которое вполне приемлемо в условиях вы-
сокой теплоаккумулирующей способности помещений закрытого
грунта.
На рисунке 104 приведена принципиальная электрическая схе-
ма парникового участка площадью 480 рам с почвенным обогревом.
Общая мощность обогрева составляет 120 кВт. Участок разбит на
четыре группы, по шесть парников в каждой.
.Нагревательные элементы соединены в трехфазные группы, ко-
торые можно переключать со «звезды» на «треугольник» и обратно.
Двухпозиционное регулирование температуры осуществляется по-
лупроводниковым терморегулятором типа ПТР.
244
4 группа 3 группа 2 группа
Рис. 104. Электрическая
схема участка парников
с почвенным, обогревом:
В1— рубильник; Р— пуска-
тель магнитный; В2— пере-
ключатель; ПТР — полупро-
водниковый терморегулятор
температуры почвы; ВЗ —
универсальный переключа-
тель; ТТ — трансформаторы
тока; Rf—терморезистор;
Э — нагревательные элемен-
ты; Пр — предохранители.
Общий щит управления подключается к сети рубильником В1.
По амперметрам, включенным через трансформаторы тока, следят
за нагрузкой и исправностью нагревательных элементов.
Принципы построения систем регулирования температуры в по-
мещениях закрытого грунта те же, что и при автоматизации систем
микроклимата других производственных помещений (глава IX).
Однако существуют особенности, которые состоят в том, что тем-
пература в культивационных помещениях зависит от целого ряда
факторов: выращиваемой культуры и фазы развития, освещенно-
сти, влажности воздуха, времени суток и др. Так, днем требуется
более высокая температура, чем ночью, в солнечную погоду — бо-
лее высокая, чем в пасмурную, и т. д. Для учета этих факторов
в схемы вводят фотоэлементы, программирующие устройства и др.
В простейшем случае температуру регулируют лишь с учетом осве-
щенности. В качестве примера на рисунке 105 приведена принци-
пиальная электрическая схема терморегулятора ПТР-П, использу-
емого для позиционного регулирования температуры в теплицах
с учетом уровня освещенности.
Датчиком температуры является терморезистор Rt, включенный
в одно из плеч моста переменного тока. Сигнал с моста подается
на вход двухкаскадного усилителя, собранного на триодах ПП1
и ПП2. Усиленный сигнал выпрямляется фазочувствительным вы-
прямителем, собранным на триоде ППЗ. Фазочувствительный вы-
прямитель управляет работой двух спусковых устройств (триггеров)
на триодах ПП4—ПП5 и ПП6—ПП7, в коллекторных цепях кото-
рых включены реле Р1 и Р2. Реле осуществляют позиционное регу-
лирование обогрева путем включения и отключения нагреватель-
245
Рис. 105. Схема терморегулятора ПТР-П для теплиц, работающего с учетом уровня освещенности:
ПП1—ПП7 — триоды; Тр трансформатор; — терморезнстор; /?ф—фоторезнстор; RH—'регулировочный резистор; Pl, Р2— реле;
RI—R28 — резисторы; С1—СИ — конденсаторы.
ных элементов системы вентиляции, открывания и закрывания
фрамуг. Для учета уровня освещенности к измерительному мосту
дополнительно подключается цепь с фоторезистором /?ф и регули-
ровочным резистором Дн- Изменение освещенности вызывает нару-
шение баланса моста аналогично изменению уставки терморегуля-
тора.
§ 5- Особенности эксплуатации и техники безопасности
Электрообогреваемые парники и теплицы имеют повышенную
опасность поражения электрическим током, поэтому на обеспече-
ние безопасности их эксплуатации следует обратить особое внима-
ние. Перед началом эксплуатации и затем через каждый месяц не-
обходимо проверять значение сопротивления контура заземления
подстанции, повторные заземления в низковольтных распредели-
тельных сетях и у вводов в помещения. Проверке подлежит также
электрическое сопротивление изоляции нагревательных устройств.
Результаты этих проверок в виде протоколов испытания должны
храниться в хозяйстве.
При разогреве электрообогреваемых парников вначале вклю-
чают только почвенный обогрев, а после прогрева почвы — и воз-
душный. Для экономии энергии и ускорения разогрева рамы пар-
ников на период разогрева утепляют соломенными матами.
По степени опасности поражения электрическим током электро-
обогреваемые парники и теплицы относят к двум категориям.
Категория А. Обогрев осуществляется неизолированными на-
гревательными устройствами (электродными или элементными)
при питающем напряжении выше 65 В. К этой категории относятся
и помещения, в которых осуществлен воздушный обогрев при помо-
щи проводов ПОСХВ, ПОСХП, ПОСХВП, а также обогрев почвы
без применения заземленной экранирующей металлической сетки.
Категория Б. Обогрев неизолированными нагревательными
устройствами с напряжением питания ниже 65 В, а также при на-
пряжении выше 65 В с прокладкой нагревательных элементов
в асбоцементных трубах. Сюда же относятся помещения с почвен-
ным обогревом проводами типа ПОСХВ, ПОСХП, ПОСХВП при
наличии заземленной и зануленной экранирующей металлической
сетки.
Парники и теплицы, относимые к категории А, должны быть
кругом обнесены сплошным забором высотой 2 м, отстоящим от
ближайшего помещения не менее чем на 1 м. Проведение любых
работ в помещениях категории А допускается только при отклю-
ченном напряжении.. Перед включением напряжения необходимо
убедиться в том, что в парниках, теплицах и на территории огоро-
женного участка людей нет, вывесить плакаты «Под напряжени-
ем», «Вход на территорию запрещен», запереть входные ворота.
В парниках и теплицах категории Б можно проводить работы
под напряжением, но такие, которые не требуют погружения в поч-
247
ву рук или применения инструментов с глубиной погружения более
20 см. Перед включением напряжения предварительно оповещают
всех находящихся в помещениях и на территории участка людей
и вывешивают плакаты «Под напряжением», «Опасно для жизни».
Текущие осмотры и профилактические мероприятия по поддер-
жанию электрооборудования парников и теплиц в исправном со-
стоянии можно проводить только при выключенном напряжении.
Глава XII
ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ РЕМОНТНО-
МЕХАНИЧЕСКИХ МАСТЕРСКИХ
§ 1. Электрические печи
Нагрев и термическая обработка играют существенную роль
в процессах ремонта сельскохозяйственной техники. Некоторые ви-
ды ремонта вообще невозможны без термической обработки.
В ремонтном производстве электронагрев в основном применя-
ется для следующих целей:
нагрева деталей и инструмента для термической и термохими-
ческой обработки и пайки, сварки, нагрева заготовок перед меха-
нической обработкой, металлизации, наплавки изношенных по-
верхностей и др.
Для выполнения этих операций сельскохозяйственные ремонт-
ные предприятия оснащены разнообразным электротермическим
оборудованием, которое мало отличается от соответствующего обо-
рудования промышленных предприятий и подробно описано в ли-
тературе по промышленной электротермии. В ремонтном производ-
стве, гаражах и на других подсобных предприятиях применяются
также установки низкотемпературного электронагрева для плавле-
ния баббитов, вулканизации резины, подогрева моющих растворов,
предпускового подогрева двигателей тракторов и автомобилей
и др.
Электрические печи сопротивления — наиболее распространен-
ный вид электротермического оборудования. На сельскохозяйствен-
ных ремонтных предприятиях применяют в основном камерные
электропечи сопротивления с металлическими нагревателями, рас-
считанные на работу с обычной (окислительной) средой (типа
СНО) и с защитной средой (типа СНЗ). Печи сопротивления с ме-
таллическими нагревателями подразделяются на низкотемператур-
ные (до 700°С), среднетемпературные (до 1200°С) и высокотемпе-
ратурные (до 1300° С).
При более высоких температурах применяют печи с нагревате-
лями из дисилицида молибдена, карборунда и других неметалличе-
ских материалов. На небольших ремонтных предприятиях наиболее
распространены печи типа СНО с окислительной (воздушной} сре-
дой. Они предназначены для нагрева деталей под закалку, отпуск,
248
Рис. 106. Электрическая печь сопротивления камерная СНО-4.8.2,6/10:
/— дверца; 2 — нагреватель боковой; 3 — нагреватель сводовый; 4 — кожух; 5 — футеровка; 6 — выводы нагревателей; !• нагрева-
тель подовый; 8—-механизм подъема дверцы.
отжиг, нормализацию, цементацию, пайку твердыми припоями,
нагрев заготовок под ковку, штамповку, прессование. Эти печи вы-
пускают на мощности от 12 до 125 кВт. Основные технические дан-
ные наиболее распространенных печей типа СНО приведены
в таблице 26, а конструкция их показана на рисунке 106. В печи
предусмотрена камера, сложенная из огнеупоров и тепловой изо-
ляции и заключенная в металлический кожух. На внутренних
огнеупорных стенках камеры смонтированы электрические нагре-
ватели из нихрома круглого или прямоугольного сечения.
Таблица 26
Технические данные печей типа СНО
Марка электропечи МОЩНОСТЬ, кВт напряже- ние на нагрева- телях, В число фаз произво- дитель- ность, кг/ч макси- мальная темпера- тура, СС время разо- грева печи до рабочей температуры, ч
СНО-2,5.5.1,7/10 12 90 1 30 1000 1,5
СНО-4.8.2,6/10 30 131 3 85 1000 1,6
СНО-5.10.3,2/10 45 380/220 3 150 1000 2,5
СНО-6,5.13.4/10 72 380/220 3 220 1000 3,5
Расчет нагревателей электропечей проводят по общей методике,
изложенной в главе IV. В простейшем случае удельную поверх-
ностную мощность нагревателей определяют по формуле
^ = Спр1Гидаэф, (325)
где Спр — приведенная степень черноты системы нагреватель —
изделие (144);
Гид—удельная поверхностная мощность при теплообмене
двух абсолютно черных тел (рис. 107);
“эф — коэффициент эффективности излучения нагревателя
(табл. 27).
Получив значение IF и воспользовавшись формулами (155) —
(158), находят размеры нагревателей. Подробные расчеты нагре-
вателей электропечей приведены в литературе по промышленной
электротермии.
Таблица 27
Тип нагревателя
Коэффициент эффективности
излучения а эф
Проволочные спирали, полузакрытые в пазах фу-
теровки
Проволочные спирали на полочках и на трубках
Проволочные зигзагообразные или стержневые
Ленточные зигзагообразные
Ленточные профилированные (ободовые) и литые
0,16—0,24
0,3—0,36
0,6—0,72
0,38—0,44
0,56-0,7
250
Электрические печи типа
СНО подключают к сети непо-
средственно или через авто-
трансформаторы. Для управ-
ления печами выпускаются
щиты управления типа ИЗР
(измерение, запись и регули-
рование температуры) или бо-
лее простые (для маломощных
печей) типа ИР.
На рисунке 108 приведена
схема щита ИР-21 с ручным
управлением дверцей. В щите
расположены приборы для за-
щиты от короткого замыкания
и перегрузки, измерения на-
грузки и двухпозиционного
Рис. 107. Значения удельной поверхно-
стной мощности 1ГИд идеального абсо-
лютно черного нагревателя в зависимо-
сти от температуры нагревателя tB и аб-
солютно черного изделия /Изд.
регулирования температуры.
Питание цепей управления осу-
ществляется напряжением
220 В. Схемой предусмотрена
сигнализация включенного
(лампа Л2) и отключенного
(ЛЗ) состояний нагрев'ателей.
При превышении допустимой температуры включается лампа жел-
того цвета (Л1). Нагреватели можно включать вручную и автома-
тически.
Рис. 108. Принципиальная электрическая схема щита управления ИР-21
для электропечей сопротивления.
251
Электродные соляные ванны предназначены для жидкостной
химико-термической обработки изделий (цементация, цианирова-
ние), нагрева под закалку и пайку твердыми припоями. Нагрев
происходит в расплаве солей, находящихся в сварном металличес-
ком тигле. Тепло в ванне выделяется при прохождении тока по
расплаву между электродами. Рабочая температура достигает
850° С. Питание к электродам подается от понижающих трансфор-
маторов.
Электрические масляные и щелочные ванны предназначены для
отпуска деталей и инструмента после закалки. Рабочая температу-
ра составляет 200—250° С. Обогрев осуществляется ТЭНами.
Преимущества нагрева в жидкостных ваннах заключаются
в более быстром и равномерном нагреве деталей особенно сложной
формы. Недостаток ванн: большой расход электроэнергии, боль-
шая продолжительность разогрева, тяжелые условия труда, осо-
бенно при обслуживании соляных ванн.
§ 2. Электросварочное оборудование
Операции сварки, заварки, наплавки, резки металлов — самые
распространенные при ремонте сельскохозяйственной техники. На
ремонтных предприятиях приходится сваривать детали, различные
по толщине и материалу, поэтому одно из основных требований,
предъявляемых к сварочному оборудованию, — универсальность.
Для ручной дуговой сварки, резки и наплавки переменным то-
ком используют сварочные трансформаторы с отдельным регули-
рующим дросселем (СТЭ-24У, СТ-34У), со встроенным дросселем
(СТН-350, СТН-500), с повышенным магнитным рассеянием
Таблица 28
Марка трансформатора Основные технические данные сварочных трансформаторов
номинальная мощ- ность, кВ-А 1 —— номинальное напря- жение, В напряжение холо- | стого хода, В 1 1 1 напряжение сети, в| 1 1 к. п. Д., % | пределы регулиро- вания сварочного тока, А 1 коэффициент мощ- 1 ногти масса, кг
трансформатора регулятора
СТЭ-24У СТЭ-34У СТН-350 СТН-500 ТС-300 ТСК-300 ТС-500 ТСД-500 ТСД-1000-2 23 30 25 32 20 20 32 42 180 30 30 30 30 30 30 30 45 53 65 60 70 60 63 63 60 80 80 220 , 380 220, 380 220, 380 220, 380 220 , 380 380 220, 380 220, 380 380 83 86 83 86 .84 84 85 87 89 100—500 150—700 80—450 150—700 110—385 110—385 165—650 200—600 800—2200 0,5 0,53 0,5 0,54 0,51 0,73 0,53 0,62 0,64 130 160 220 250 185 215 250 445 670 92 100
252
Рис. 109. Сварочный трансформатор ТС-500:
/—рукоятка механизма регулирования сварочного тока; 2—клеммы низкого
напряжения; 3—подвижная катушка; 4 — магнитопровод; 5—неподвижная
катушка; 6— кожух; 7—регулировочный винт; 8—клеммы высокого напряже-
ния; 9 — крышка.
(ТС-300, ТСК-300, ТС-500) и др. В последние годы наибольшее
распространение получили сварочные трансформаторы типа ТС
(рис. 109).
Для питания электрической дуги при полуавтоматической и ав-
томатической дуговой сварке под слоем флюса используют транс-
форматоры с дистанционным управлением ТСД-500, ТСД-1000-2
и др. Основные технические данные упомянутых трансформаторов
приведены в таблице 28.
253
Рис. ПО. Сварочный выпрямитель ВСС-300:
/ — вентилятор; 2 — неподвижная обмотка; 3—магнитопровод транс-
форматора; 4 — рукоятка механизма перемещения подвижной обмотки
трансформатора; 5 — подвижная обмотка трансформатора; 6—блок се-
леновых выпрямителей.
При восстановлении изношенных деталей находит применение
вибродуговая наплавка, для которой используют обычные свароч-
ные трансформаторы.
Процесс вибродуговой наплавки отличается от обычной дуговой
наплавки вибрацией электрода. Вследствие изменения размеров
стекающих капель существенно улучшаются процесс наплавки
и механические свойства наплавленного слоя, снижается перегрев
металла.
254
Для дуговой сварки постоянным током и контактно-дуговой
вибронаплавки используют сварочные преобразователи ПСО-120,
ПСО-ЗОО, ПСО-500 на номинальные сварочные токи соответственно
120, 300 и 500 А. Все большее распространение получают наиболее
совершенные аппараты электродуговой сварки — сварочные вы-
прямители: селеновые ВСС-120-4, ВСС-300-3 (рис. НО) и кремние-
вые ВКС-120, ВКС-300. По сравнению со сварочными преобразова-
телями выпрямители имеют на 30—50% меньшую металлоемкость
и на 20% выше к. п. д.
Помимо перечисленного основного электросварочного оборудо-
вания общего назначения, на ремонтных предприятиях используют
специализированное оборудование: установки электроконтактной
сварки, выпрямительные агрегаты для питания гальванических
ванн и вибродуговых установок, передвижные сварочные агрегаты
постоянного тока, универсальные наплавочные аппараты виброду-
говой металлизации и др.
§ 3. Высокочастотные установки
В процессах ремонта машин высокочастотный нагрев применя-
ется для поверхностной закалки деталей и инструмента, плавки
металлов, сквозного нагрева заготовок, подогрева деталей перед
наплавкой при высокочастотной металлизации и т. п. Особенно
важна роль поверхностной закалки деталей. Сочетание твердой из-
носостойкой поверхности и вязкой сердцевины обеспечивает высо-
кий срок службы деталям, подвергающимся поверхностному изно-
су в сочетании с ударными нагрузками. Поверхностная закалка
инструмента повышает его эксплуатационную стойкость в 4—5 раз
по сравнению с термообработкой в печах.
Рис. 111. Общий вид и габаритные размеры установки ЛПЗ-2-67М (с ин-
дукционной печью):
/ — генераторный блок; 2 —блок контура; 3 — нндуктер; 4 — индукционная печь;
5 — шпильки заземления блоков.
255
Рис. 112. Принципиальная электрическая схема генераторного блока высокоча-
стотной установки ЛПЗ-2-67М:
Л — трнод генераторный ГУ-23А; /./ — дроссель анодный; С6 — конденсатор анодно-раздели-
тельный; L2 — дроссель сеточный; L3—L4 — трансформатор обратной сеточной связи;
L5 — короткозамкнутая катушка; L6 — индуктивность анодного контура; СП — конденсатор
анодного контура; L7—L8 — высокочастотный трансформатор; L9 — индуктор; kVI, kV2 — кв-
ловольт-метры; А1— амперметр анодный; А2 — амперметр сеточный; Р — реле токовое.
Основные технические данные высокочастотных установок
с ламповыми генераторами для нагрева металлов, имеющих рас-
пространение на ремонтных предприятиях «Сельхозтехники»,
приведены в таблице 29. Все установки питаются от сети 380 В,
50 Гц.
На рисунке 111 приведен общий вид установки ЛПЗ-2-67М,
а на рисунке 112 — принципиальная электрическая схема генера-
торного блока. Ламповый генератор собран по схеме параллельно-
го питания с самовозбуждением. На анод генераторной лампы Л
(ГУ-23А) подается напряжение 10,5 кВ с высоковольтного выпря-
мителя, собранного на тиратронах. Анодный колебательный контур
состоит из индуктивностей L5—L6 и емкости СП. С анодным кон-
туром кондуктивно связан нагревательный контур, индуктивностью
которого является высокочастотный трансформатор L7—L8, а ем-
костью— С12. Обратная сеточная связь осуществляется при помо-
щи трансформатора обратной связи L3—L4. Напряжение на на-
грузке плавно изменяется перемещением короткозамкнутой катуш-
ки L5.
На крупных ремонтных предприятиях используются более мощ-
ные установки: ВЧИ-100/0,07-ЗП для поверхностной закалки,
ВЧИ-100/0,07-НС для сквозного нагрева и др.
256
Таблица 29
Марка установки Технические данные высокочастотных установок
потребляемая мощ- ность, кВ.А колебательная мощность, кВт рабочая частота, кГц анодное напряже- ние, кВ анодный ток, А сеточный ток, А расход охлаждаю- щей воды, м3/ч масса, кг основное назначение
ВЧИ-4-10 18 10 400 — 2,5 0,5— 0,7 1,2 675 Поверхност- ная закалка деталей диа- метром до 40 мм, напайка твердых спла- вов на резцы
ВЧИ-25/0,44-ЗП- ЛО1 43 25 440 7,5 5,5 1—2 1,5 1800 Поверхност- ная закалка
ВЧИ-63/0.44-ЗП- ЛО1 103 63 440 10,5 8 1—2 3,3 2050 стальных изде- лий
ЛПЗ-2-67М 105 63 67 10,5 9 0,9— 2 3,6 2600 Плавка ме- таллов и тер- мообработка стальных изде- лий
§ 4. Низкотемпературные установки
Моечные машины и ванны с электроподогревом используют для
мойки узлов тракторов и автомобилей перед разборкой, мойки
и очистки деталей, реконсервации подшипников и т. п. Подогрев
моющих растворов до температуры 85—95° С осуществляется в ос-
новном трубчатыми нагревателями типа ТЭН, НВ, НВЖ и другими,
встраиваемыми непосредственно в ванны. В некоторых машинах
детали после мойки подсушиваются встроенными электросушилка-
ми (калориферами).
По мощности и техническому исполнению устройства для подо-
грева растворов мало отличаются от устройств электронагрева во-
ды (глава VIII). Мощность подогревателей моечной машины MK-I
составляет 60 кВт, МД-1 —32 кВт, МД-2 — 35 кВт. Удельный рас-
ход электроэнергии по опытным данным, находится в пределах
0,20—0,25 кВт-ч на 1 кг деталей.
Электровулканизаторы применяются для местного ремонта ре-
зиновых камер, покрышек, а также различных резиновых и проре-
зиненных изделий. Вулканизаторы бывают стационарными или пе-
реносными, с элементным или электропаровым обогревом и в раз-
личном конструктивном оформлении. На рисунке 113 приведен
электровулканизатор для ремонта покрышек с двухсторонним обо-
17—475 257
Рис. 113. Электровулканизатор для ремонта покрышек:
1— ось наружных полусекторов; 2—покрышка; 3 — нагреватель внутреннего
сектора; 4 — внутренний нагревательный сектор; 5 — нагреватель наружного
полусектора; 6 — наружный нагревательный полусектор; 7, 8, 9 — элементы
натяжного механизма; 10— кронштейн; 11— терморегулятор; /2—ручка.
гревом, предложенный В. Н. Шмыглевским. Вулканизатор имеет
внутренний нагревательный сектор 3 и два наружных нагреватель-
ных полу сектор а 6 со встроенными спиральными нагревателями <3
и 5. Диаметр внутреннего сектора соответствует внутреннему
диаметру покрышки, а внутренняя поверхность наружных полусек-
торов — внешней конфигурации покрышек. Вулканизируемую по-
крышку 2 устанавливают поврежденным участком между внутрен-
ним и наружным секторами и опрессовывают натяжным механиз-
мом 9. Вулканизацию проводят при температуре 130—150° С.
Необходимую температуру поддерживают терморегулятором 11.
Продолжительность вулканизации покрышек 0,5—1,5 ч, необходи-
мая выдержка создается реле времени. Аналогичны по устройству
электровулканизаторы камер, приводных ремней, конвейерных
лент и др. Они позволяют точно поддерживать температуру и отли-
чаются небольшими размерами и массой.
Электроподогрев двигателей тракторов и автомобилей необхо-
дим в зимнее время для облегчения запуска и уменьшения износа
деталей. Наиболее распространенный способ подогрева заключа-
ется в следующем. В поддон картера двигателя встраивают труб-
чатые нагреватели типа НВ или другие аналогичного назначения,
которые подогревают картерное масло, все картерное пространство
и кривошипно-шатунную группу. Подогрев включают сразу после
того, как машину ставят на стоянку, или за некоторое время перед
пуском. Мощность подогревателей зависит от типа двигателя, при-
нятого режима подогрева, температуры наружного воздуха.
258
В Ленинградском сельскохозяйственном институте разработана
система подогрева двигателей с подогревателями мощностью 300—
350 Вт на напряжении 36 В. Для питания подогревателей электро-
энергией стоянки машин оборудуют низковольтной электрической
сетью с распределительными панелями на 2—4 машины. Подогре-
ватели подсоединяют к панелям гибким шнуром в резиновой обо-
лочке, снабженным на концах штепсельным разъемом и вилкой.
Подогрев включают за 6 ч до пуска. За это время температура
масла в картере повышается до 100—105° С.
Киевский институт народного хозяйства рекомендует подогрева-
тели мощностью 1000—3000 Вт на напряжении 220 В. При этом
подогреваются картерное масло (до 70—80°С), все внутрикартер-
Рис. 114. Предпусковой элек-
троподогреватель двигателей
тракторов и автомобилей:
1 и Э — нагревательный элемент; 2,
7, 8 — винты; 3 — корпус; 4 — крыш-
ка; 5 — резиновое кольцо; 6 — элек-
трокабель; 9 и 10 — контакты;
11 — буфер; 12 — проводник; 13— ни-
хромовая спираль; 14—наполни-
тель; 15— баллон; 16 — мембрана;
1 | _J । 17 — блок; В — температурное реле;
[ |1 Я — индикатор напряжения; Л —
-4-| сигнальная лампочка; М — масса.
54 -
-350
17
259
ное пространство и подшипники коленчатого вала. Подогреватель
(рис. 114) снабжен биметаллическим терморегулятором, контроль-
ной лампочкой, сигнализирующей о работе устройства, и индика-
тором контроля целостности электрической изоляции, обеспечиваю-
щими необходимую безопасность обслуживания машин. Подогре-
ватель ставят вместо обычной маслосливной пробки поддона
картера или в специальное отверстие в поддоне. Вилку подогрева-
теля с гибким шнуром вставляют в розетку распределительной се-
ти стоянки машин.
Для электроподогрева двигателей тракторов и автомобилей
в зимнее время используют также электрокалориферные установки
с центральным и распределительными воздуховодами, подводящи-
ми теплый воздух к двигателям.
Глава XIII
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
В зависимости от вида энергоисточников теплоснабжение сель-
скохозяйственных потребителей может быть:
1) топливным, основанным на получении тепла путем сжигания
природного топлива;
2) электрическим, основанным на преобразовании электричес-
кой энергии в тепловую (электротеплоснабжение — ЭТС);
3) комбинированным топливно-электрическим.
Другие источники тепла (энергия атомного распада, тепловые
отходы промышленности, термальные воды, гелионагрев, биона-
грев) используются мало и существенной роли не играют.
В настоящее время в основном применяется первый способ теп-
лоснабжения, базирующийся большей частью на небольших по
производительности котельных и отдельных топливных установках.
В ряде сельских районов заметное развитие получает газификация.
Электротеплоснабжение сельского хозяйства получило разви-
тие лишь в последние годы, но роль и значение его непрерывно
возрастают с большими перспективами на ближайшее будущее.
Основные причины этого состоят в следующем:
1) электронагревательные установки имеют неоспоримые пре-
имущества перед топливными (§ 1, гл. I);
2) электротеплоснабжение является централизованным, ибо
энергоноситель вырабатывается и распределяется централизован-
но на мощных тепловых, атомных и гидроэлектростанциях, объеди-
ненных в крупные государственные энергосистемы. Следовательно,
электротеплоснабжение обладает преимуществами централизо-
ванного теплоснабжения (надежность, бесперебойность, высокое
качество энергии и др.);
261
3) роль электрической энергии в народном хозяйстве непрерыв-
но возрастает, совершенствуется ее производство, снижается себе-
стоимость.
Преобразование электрической энергии в тепловую может быть
непосредственным (в электрокотлах, калориферах и других элект-
ронагревательных установках) и косвенным — при помощи элект-
ротепловых насосов. Тот и другой способы имеют свои преимущест-
ва и недостатки и в каждом конкретном случае должны быть
обоснованы технико-экономически. Тепловые насосы позволяют
в значительной степени экономить энергоресурсы, но требуют зна-
чительных капиталовложений и экономичны при высоком коэффи-
циенте использования оборудования. В условиях рассредоточения
сельскохозяйственного производства и значительного влияния се-
зонности это составляет одну из общих проблем использования
сельскохозяйственной техники.
В настоящее время наибольшее распространение имеет первый
способ — непосредственное преобразование электрической энергии
в тепловую. Основной недостаток этого способа заключается в зна-
чительном перерасходе энергоресурсов по сравнению с прямым
сжиганием топлива.
Коэффициент полезного использования энергоресурсов, то есть
отношение полезно используемого потребителем тепла к теплотвор-
ной способности топлива, на электростанциях с учетом потерь в ли-
ниях электропередач составляет 0,30—0,35, а топливных устано-
вок— достигает 0,45—0,65.
Вследствие этого расход топлива на единицу тепла при прямом
электронагреве в 1,5 раза превышает удельный расход топлива
в индивидуальных котельных и более чем в 2 раза выше, чем на
ТЭЦ. Использование электроэнергии на нагрев требует дополни-
тельной мощности электростанций, расхода цветных металлов на
электрические сети и трансформаторные подстанции. Поэтому ис-
пользование электронагрева в значительных масштабах требует
строгого технико-экономического обоснования и разумного сочета-
ния с основным способом теплоснабжения от топливных установок.
Выбор того или иного способа теплоснабжения имеет энергети-
ческий, технологический и экономический аспекты и проводится на
основе технико-экономического сопоставления возможных вари-
антов.
Энергетический аспект состоит в том, чтобы в основу выбора
было положено наличие в данном рдйоне доступных и достаточно
дешевых энергоресурсов (источников тепла).
Технологический аспект предполагает первоочередное удовлет-
ворение технологическим требованиям к нагреву или тепловой об-
работке, обеспечивающим наивысшее качество конечной про-
дукции.
Экономический аспект состоит в выборе такого варианта полу-
чения тепла, который обеспечивает наименьшую стоимость тепла
или конечной продукции.
261
Критерием оптимальности варианта является минимум приве-
денных затрат 3=min, в котором в стоимостном выражении нахо-
дят отражение все аспекты выбора способа теплоснабжения.
Исчисление приведенных затрат производится в соответствии
с положениями «Типовой методики определения экономической эф-
фективности капитальных вложений», обязательной для всех от-
раслей народного хозяйства, и разработанных на ее основе ведом-
ственных методик [5, 13]. Подробно эти вопросы рассматриваются
в курсе экономики и специальной литературе [29, 30 и др.].
В простейшем случае, когда системы теплоснабжений сравнива-
емых вариантов сооружаются в течение не более 1 года, выражение
для приведенных затрат имеет вид
3 = ЕК+И, (326)
где К—суммарные капиталовложения в основные и оборотные
фонды сравниваемых вариантов;
И— ежегодные издержки производства, включая отчисления
на реновацию;
Е—нормальный коэффициент эффективности капиталовло-
жений, который следует принимать равным 0,15.
Величина, обратная Е, представляет собой нормативный срок
окупаемости капиталовложений, устанавливаемый планирующими
органами,
Тн = ± . (327)
г
Значение капиталовложений К должно включать все расходы,
связанные с сооружением источника теплоснабжения, в том числе
стоимость основного и вспомогательного оборудования, реконструк-
ции электросетей, тепловых сетей, резервных устройств и т. д.
Годовые издержки производства И слагаются из отчислений на
реновацию, капитальный и текущий ремонт, расходы на материа-
лы, сырье и электроэнергию, топливо, эксплуатационные расходы,
включая зарплату обслуживающего персонала и общепроизвод-
ственные расходы.
При сравнении вариантов все количественные и качественные
характеристики нужно оценивать в стоимостном выражении. Ка-
чественные показатели, которые трудно представить в стоимостном
выражении, учитывают при равноэкономичности сравниваемых ва-
риантов. Сравниваемые варианты должны быть приведены в сопо-
ставимые энергетические и экономические условия, которые сво-
дятся к одинаковому качеству тепловой энергии, одинаковой на-
дежности и санитарно-гигиеническим условиям. Варианты берут
при оптимальных параметрах и режимах работы и оценивают по
одному и тому же уровню цен.
При сравнении двух вариантов, например электрического (К3,
Иа) и топливного (Кт, 7/т), оптимальное решение находят путем
262
сопоставления фактического и нормативного сроков окупаемости
капиталовложений. При этом могут быть два случая.
1. КЭ> Кт, ДЭ<ДТ.
Фактический срок окупаемости
Условие оптимальности варианта
Ток < тк. (329)
В этом случае дополнительные капиталовложения в ЭТС оку-
паются экономией на годовых издержках производства в срок,
меньший нормативного срока окупаемости.
2. /С<ДТ, ИЭ>ИТ, тогда
(330)
Условие оптимальности
ТОК>ТН. (331)
В этом случае экономия на капиталовложениях достаточна для
компенсации более высоких годовых издержек в течение периода,
превышающего нормативный срок окупаемости.
Поскольку при выборе системы теплоснабжения во всех вариан-
тах один и тот же конечный вид энергии и одинаковая мощность
установок, то капиталовложения и ежегодные издержки можно от-
нести к единице тепловой энергии. В этом случае в расчетах опе-
рируют значением удельных приведенных затрат
Зуд = £2/<уд + ЯУЯ = £2/<уд + 5едт, (332)
где — суммарные удельные капиталовложения во все эле-
менты варианта теплоснабжения, руб/(ГДж/ч);
Дуд— удельные издержки на выработку тепловой энергии,
руб-ч/( ГДж-год);
ЗеД—стоимость единицы тепловой энергии, руб/ГДж;
т—годовое число-часов использования расчетной теп-
лопроизводительности источников теплоснабжения,
ч/год.
Методика исчисления отдельных составляющих правой части
формул (326) и (332) приводится в цитированной выше литературе
и подробно рассматривается в курсе экономики. Здесь мы остано-
вимся лишь на основных факторах, определяющих технико-эконо-
мическую эффективность электротеплоснабжения в сельском хо-
зяйстве.
Отметим, что оценка экономической целесообразности ЭТС мо-
жет быть двоякой.
268
1. Хозяйственная оценка, когда приведенные затраты исчисля-
ются по действующим ценам и тарифам на оборудование, материа-
лы, электроэнергию и топливо. Результаты расчетов показывают
экономическую целесообразность того или иного варианта тепло-
снабжения с точки зрения данного потребителя.
2. Народнохозяйственная оценка. В этом случае варианты оце-
ниваются по действительным затратам общества в тот или иной
вариант. Приведенные затраты дают представление об экономиче-
ской целесообразности вариантов с точки зрения общегосудар-
ственных интересов. Народнохозяйственная оценка вариантов учи-
тывает интересы всего общества и потому является наиболее объ-
ективной и научно обоснованной.
При народнохозяйственной оценке ежегодные издержки исчис-
ляются по замыкающей стоимости электротепла
у потребителей, которая представляет собой удельные приведенные
затраты на тепловую энергию у потребителей, учитывающие все
расходы общества, связанные с производством, передачей, распре-
делением и преобразованием электроэнергии в тепловую в потреби-
тельских установках. Замыкающая стоимость электротепла у по-
требителей (руб/ГДж) может быть определена по формуле
~ IjF '%'апот ““ + + ьз^ +
+ сЛэп ’ (£\ЛДЭП + ЯудП) + Ry7 + ^уГ) 1 ’ <333)
где асн, ар, апот— коэффициенты, учитывающие соответственно
собственные нужды, потребность в резервной
мощности электростанций и потери в сетях;
ам> амЭП — коэффициенты попадания электротепловых по-
требителей в суточный максимум энергосистемы
и линий электропередач;
ТСуд, —удельные капиталовложения и постоянные из-
держки на электростанциях, руб/кВт, руб/(годХ
ХкВт);
Ь, Зт—-удельный расход условного топлива и замыкаю-
щие затраты на условное топливо на электро-
станциях, кг/(кВт-ч), руб/кг;
Яулдэп, ^уДэп — удельные капиталовложения и ежегодные из-
держки на 1 кВт передаваемой мощности ЛЭП,
связывающих потребителя с энергосистемой,
руб/кВт, руб/(год-кВт);
^™тр, #удТр — удельные капиталовложения и ежегодные из-
держки на 1 кВт мощности потребительских
электронагревательных установок, руб/кВт,
руб/(год-кВт);
Т—годовое число часов использования максималь-
ной нагрузки потребительских ЭНУ, ч/год.
264
Первое слагаемое в фигурных скобках представляет собой за-
траты на производство, электроэнергии, второе — на передачу к по-
требителю, третье — на преобразование и использование у потре-
бителя.
Формула (333) отражает не только себестоимость электротепла
у потребителей, но и все необходимые капиталовложения в так
называемые смежные отрасли энергетического производства: топ-
ливную базу, электростанции, линии электропередач и трансформа-
торные подстанции.
При вычислении приведенных затрат по замыкающей стоимости
электротепла формула (332) получает вид
3УЛ = Е^ + 3ЭУЛТ. (334)
В формулах (333) и (334) находят отражение все основные ко-
личественные факторы, определяющие экономичность электрона-
грева.
Рассмотрим основные из них.
Удельные капиталовложения в систему ЭТС в значительной
степени зависят от единичной мощности установок электронагрева
(рис. 115) и обычно ниже, чем капиталовложения в топливные ус-
Р^Вт
Рис. 115. Удельная стоимость электронагревательных установок
сельскохозяйственного назначения (сплошная линия соответст-
вует наиболее часто встречающимся значениям, пунктирные ли-
нии ограничивают возможную область отклонений).
265
тановки, меньше и расходы на их обслуживание. Вследствие этого
система ЭТС обычно более целесообразна при малом годовом числе
часов использования нагревательного оборудования, например в
качестве временных источников теплоснабжения, а также резерв-
ных установок отопления наиболее ответственных животноводчес-
ких помещений (свиноматочники, родильные отделения, помещения
для молодняка), или в помещениях с периодически отключаемым
отоплением (доильные площадки, молочные) и при нерродолжи-
тельном отопительном периоде (весенние теплицы) и т. п. В этом
случае экономия на капиталовложениях позволяет компенсировать
более высокие годовые издержки, связанные с высокой стоимостью
единицы электротепла.
Первые два слагаемых в фигурных скобках формулы (333) оп-
ределяют стоимость электроэнергии у потребителя. Значения вхо-
дящих в них коэффициентов и стоимостных показателей можно
найти в литературе [29 и др.] и разработках проектных и научных
институтов.
На стоимость электротепла решающее влияние оказывает доля
участия электротепловых потребителей (ЭТП) в суточном макси-
муме энергосистемы, ЛЭП и трансформаторных подстанций.
Коэффициент попадания ЭТП в суточный максимум энергосис-
темы а“ах представляет собой отношение нагрузки потребителя
Рпотр в момент максимума нагрузки энергосистемы к максимально
возможной нагрузке потребителя Рпотр.тах-
= (335-355)
~ потр.тах
Аналогично определяют значение
В зависимости от участия в суточном максимуме энергосистемы
потребление электроэнергии для теплоснабжения может быть по
свободному графику и по режимному.
При потреблении электроэнергии по свободному графику ЭТП
могут включаться в любые часы, в том числе и в часы максимума
энергосистемы. Такой режим требует увеличения мощности элек-
тростанций и сетей и поэтому в большинстве случаев экономически
нецелесообразен. Его можно допустить, если система располагает
свободной сезонной мощностью и электрической энергией.
При потреблении электроэнергии по режимному графику вклю-
чение ЭТП в часы максимума энергосистемы исключается. Сель-
скохозяйственные ЭТП значительной мощности могут работать
только по режимному графику.
При аг^ах = 0 и стоимость электроэнергии у потребите-
лей лишь незначительно превышает топливную составляющую се-
бестоимости, и затраты на электронагрев минимальны. При этом
затраты на систему ЭТС в 1,5—2 раза меньше, чем на мелкие ко-
тельные на твердом топливе.
266
Рис. 117. Характеристика режимов
работы электрообогреваемого пола
в цыплятнике.
Стоимость единицы электро-
тепла значительно снижается с
возрастанием годового числа ча-
сов использования установлен-
ной мощности потребителей Т.
Рис. 116. Зависимость замыкаю-
щей стоимости электроэнергии
у сельскохозяйственных потреби-
телей от годового числа часов ис-
пользования максимальной мощ-
ности (/) и уровня электропо-
требления (2).
На рисунке 116 приведена зависимость замыкающей стоимости
электроэнергии у потребителей (в относительных единицах) от Т.
На стоимость электроэнергии у потребителей значительное
влияние оказывает уровень электропотребления, который обуслов-
ливается уровнем фондовооруженности хозяйств и степенью внед-
рения электроэнергии в производственные процессы и быт. Харак-
тер этой зависимости приведен на рисунке 116 (кривая 2; уровень
электропотребления W принят в киловатт-часах на человека в
год). Электрификация энергоемких тепловых процессов ведет к
значительному росту электропотребления и снижению замыкающей
стоимости электроэнергии у сельскохозяйственных потребителей,
что, в свою очередь, стимулирует дальнейший рост электропотреб-
ления.
Для повышения эффективности электронагрева необходимо
снижать в электротепловых процессах удельный расход энергии
по сравнению с расходом энергии при других способах нагрева.
Эта задача решается путем разработки новых, совершенных элект-
ротехнологических процессов и использования установок в опти-
мальных режимах работы.
267
В качестве примера на рисунке 117 приведена характеристика
режимов электрообогреваемого пола в цыплятнике. Как видно, па-
раметры установки претерпевают значительные изменения при из-
менении тока. На рисунке 117 область рационального режима ра-
боты показана штриховкой.
В настоящее время наиболее мощными производителями элект-
ротепла и одновременно наиболее крупными потребителями элект-
роэнергии в сельском хозяйстве являются электрокотельные.
Технико-экономические показатели электрокотельной тепло-
производительностью 25 ГДж/ч в сравнении с топливными котель-
ными приведены в таблице 30.
Таблица 30
Вид котельных Технико-экономические показатели
вид энергонсточиика капитальные вложе- ния, тыс. руб. себестоимость 1 ГДж тепла, руб.
Электрокотельная Электроэнергия 324 2,8
Топливная котель- Уголь 412 3,4
ная Жидкое топливо 312 4,4
Газ 284 2,1
Следует отметить, что сооружение крупных электрокотельных,
как правило, экономически невыгодно и может оказаться целесо-
образным лишь в районах с дешевой энергией от ГЭС и при особых
климатических условиях. При теплоснабжении от крупных элект-
рокотельных теряется одно из основных преимуществ электричес-
кой энергии — беспредельная делимость и более экономичная пере-
дача по сравнению с передачей энергии в виде пара и горячей во-
ды.’ Сравнительно мощные электрокотельные целесообразны, если
они используют электроэнергию по льготному тарифу и являются
потребителями — регуляторами энергосистем.
Использование для получения тепла электротепловых насосов
позволяет по сравнению с непосредственным преобразованием
электрической энергии в тепловую снизить расход энергоресурсов
в 2—3 раза. Наиболее экономичной областью применения тепловых
насосов является воздушное отопление в южных районах, особенно
в сочетании с кондиционированием воздуха.
К недостаткам тепловых насосов, ограничивающим их исполь-
зование, относятся значительные капиталовложения, превышающие
установки прямого электрического нагрева в 3—4 раза, и большая
зависимость годовых издержек от доли участия в максимуме энер-
госистемы. В сельскохозяйственном производстве тепловые насосы
наиболее целесообразны в установках комбинированного производ-
ства тепла и холода на молочных фермах.
Часть вторая
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ
Под электротехнологией понимают производственное использо-
вание электрических и магнитных полей, электрического тока, элек-
трических зарядов и импульсов и других электрофизических фак-
торов для непосредственного воздействия на материалы, живые
организмы, растения и продукты с целью получить в них целесооб-
разно направленные изменения. Электротехнологию стремятся при-
менять там, где она повышает качество или количество продукции,
увеличивает производительность труда и экономически себя оправ-
дывает.
В сельскохозяйственном производстве электротехнология мо-
жет быть применена для повышения урожайности сельскохозяй-
ственных культур и продуктивности животноводства, а также для
изменения и усовершенствования разнообразных технологических
процессов.
Одна из разновидностей электротехнологии по производствен-
ному использованию электрических полей, в которых упорядочен-
ное движение электрических зарядов создает в обрабатываемом
материале и других объектах воздействия совокупность целесооб-
разно направленных изменений, получила название электронно-
ионной технологии.
Различные виды воздействия электрофизических факторов на
живые организмы, растения и материалы с соответствующими до-
зами и режимами с целью направленного стимулирования или по-
давления жизнедеятельности микроорганизмов и клеток, а также
усовершенствования технологии сельскохозяйственного производст-
ва находятся еще в стадии разработок и исследований. Однако
вопросы развития и применения электротехнологии в сельском хо-
зяйстве весьма перспективны.
269
Г л а в a XIV
ЭЛЕКТРОННО-ИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
§ 1. Использование электрического поля коронного разряда
В установках электронно-ионной технологии широко использует-
ся коронный разряд, представляющий собой мощный источник об-
разования электрических зарядов.
При повышении напряжения между электродами до значения,
при котором начинается интенсивная ионизация, возникает корон-
ный разряд, или корона. Значение этого напряжения зависит от
конфигурации и геометрии электродов, плотности и температуры га-
за. Наиболее интенсивная ионизация и свечение происходят вблизи
поверхности электрода с меньшим радиусом кривизны, где напря-
женность поля наибольшая.
В расчетах используются начальные значения напряженности
(кВ/см) и напряжения короны, которые на постоянном напряжении
для провода радиусом г (см), подвешенного над плоскостью на
высоте h (см) при й>15 г и хорошей погоде, можно определить по
следующим формулам:
Ео = 31Рв /1 + , (356)
t/o = O,82Eorln —, (357)
Г
где 0,82 — коэффициент негладкости провода.
Относительную плотность воздуха рв, соответствующую давле-
нию р (кПа) и абсолютной температуре Т (К), определяют по фор-
муле
рв = -^ = 2,7^. (358)
РоТ Т
Значение напряжения короны в значительной степени зависит
от формы и состояния поверхности коронирующего электрода. Если
на электродах есть острые края, корона появляется при весьма низ-
ких значениях приложенного напряжения. Чем меньше радиус
кривизны поверхности электродов, тем меньшее напряжение требу-
ется для возникновения короны.
Напряжение пробоя при /г> 15 г вычисляют по формуле
г г ол /1 । 0,01 2Л \ .. 2Л
t/np = 30рв 1 н--------- г In---. (359)
к /рвг г /
По исследованиям НИИ постоянного тока, ток короны (мкА/м)
для рассматриваемого случая можно определить по формуле
270
где д’— экспериментальный коэффициент, зависящий от от-
ношения приложенного напряжения U к начальному
Uo, то есть S
U и Uо — в киловольтах;
h—в сантиметрах.
При нормальном давлении и относительной влажности воздуха
до 65% для — = 1,0 и — = 1,05 коэффициент К соответственно
t/о и о
равен 16 и 19. При дожде, мокром снеге и изморози значение К
•увеличивается в 3—4 раза.
Для ионизации воздуха, а также электризации, направленного
движения, разделения и осаждения различных частиц в зависимос-
ти от их электрофизических свойств можно эффективно использо-
вать электрическое поле коронного разряда. В качестве частиц мо-
гут быть семена зерновых культур и сорняков, аэрозольные части-
цы краски и ядохимикатов, пылинки, микроорганизмы и другие.
Наряду с физико-механическими особенностями, такими, как
размер, плотность, состояние вещества и поверхности, частицы об-
ладают диэлектрической проницаемостью, поляризуемостью, элект-
ропроводностью, способностью получать и отдавать заряд.
В качестве коронирующих электродов используют проволочные
устройства и устройства в виде острий.
Когда отрицательный полюс источника постоянного тока, имею-
щего напряжение, достаточное для возникновения короны, но мень-
шее, чем пробивное, соединяется с коронирующим электродом, а
положительный полюс — с землей, у отрицательного электрода
возникает коронный разряд с интенсивным образованием ионов.
Положительные ионы направляются к отрицательно заряженным
элементам коронирующего электрода, а отрицательные — к зазем-
ленному электроду, который в электрическом поле приобретает
наведенный положительный заряд на поверхностях, обращенных к
отрицательному электроду.
Отрицательные ионы, образующиеся в отрицательной короне,
на своем пути адсорбируются (поглощаются) вносимыми в элект-
рическое поле частицами, заряжая их отрицательным зарядом.
Значение этого заряда зависит от напряженности электрического
поля и электрофизических свойств частицы. Одно из важнейших
свойств коронного разряда заключается в его способности сооб-
щать электрический заряд частицам, находящимся на некотором
расстоянии от коронирующего электрода.
Для определения максимального заряда частиц (Кл) сферичес-
кой формы, находящихся в электрическом поле, французский уче-
ный Роман предложил формулу
Q = £r2e0(l+ 2-^=Г|, (361)
271
где
Е— напряженность электрического поля, в/м;
е— относительная диэлектрическая проницаемость частицы;
г— радиус частицы, м;
е0 = — 10-9— диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м.
Позднее французскими учеными Потенье и Моро-Гано была
определена зависимость величины частиц диаметром более 1 мкм от
продолжительности зарядки
1 + Tiqki;
(362)
где k—подвижность ионов, равная 1,8 см2/(В-с);
q—объемный заряд, Кд/см3;
т—продолжительность пребывания частицы в электрическом
поле коронного разряда, с.
Время в течение которого частица заряжается до предельного
заряда, практически равно 0,01 с. Поэтому в производственных ус-
ловиях из-за малой продолжительности заряда часто пренебрегают*
временем, в течение которого устанавливается предельный заряд,
считая, что частица пребывает в электрическом поле с предельным
зарядом, значение которого можно определить по формуле Романа.
В электрическом поле на заряженные частицы действуют вес и
другие механические силы, обусловленные конструкцией использу-
емых устройств, а также силы электрического поля, стремящиеся
направить их движение к противоположно заряженному осадитель-
ному электроду. Электрическая сила (Н), действующая на части-
цу, пропорциональна ее заряду Q и напряженности Е электриче-
ского поля:
F = QE, (363)
где Q— в кулонах;
Е — в вольтах на метр.
Частицы с разными свойствами из-за различия приложенных
к ним сил перемещаются в электрическом поле по разным траекто-
риям и осаждаются в разных местах. На этом принципе основано
действие электрозерноочистительных машин камерного типа, отде-
ляющих семена зерновых культур от примесей и сорняков и сорти-
рующих семена по их свойствам.
§ 2. Электрозерноочистительные машины
Общие сведения. Урожайность зерновых культур в значитель-
ной мере зависит от посевных качеств семян.
Несмотря на высокие требования к очистке и сортировке как
семенного, так и товарного зерна, существующие зерноочиститель-
272
ные машины, в принципе действия которых используются лишь ме-
ханические свойства семян культурных растений и сорняков, дале-
ко не полностью отвечают этим требованиям. Так, например, зерна
таких сорняков, как овсюг, куколь, гречишка, на решетах не отде-
ляются от зерен пшеницы, а зерна ржаного костра — от зерен ржи.
Триеры, разделяющие зерна по длине, не отделяют сорняк ов-
сюг от овса, костер от ржи и пшеницы, рожь от спорыньи, плевел
от зерен льна.
Электрические свойства зерна, то есть способность получения
заряда в электрическом поле, в основном определяются его ди-
электрической проницаемостью, сопротивлением, формой, размера-
ми. С увеличением плотности и влажности зерна диэлектрическая
проницаемость увеличивается. Она также зависит от температуры.
Для различных сортов пшеницы, ржи при влажности 8—32% отно-
сительные диэлектрические проницаемости приблизительно нахо-
дятся в пределах 10—150. Для овса относительная диэлектрическая
проницаемость при больших влажностях может доходить до беско-
нечности. Сопротивление зерна с увеличением температуры и влаж-
ности значительно уменьшается. Например, увеличение температу-
ры зерна пшеницы «Искра» влажностью 18% от 1,5 до 27°С снижа-
ет его сопротивление с 750 до 50 МОм, то есть в 15 раз.
С 1955 года в ЧИМЭСХе под руководством доктора технических
наук профессора Басова А. М. проводятся исследования по исполь--
зованию электрического поля коронного разряда в процессах зер-
ноочистки и предпосевной обработки зерна.
Исследования показали, что использование электрического поля
коронного разряда дает возможность не только отделять зерна
культурных растений от зерен сорняков и сортировать зерна куль-
турных растений, но и повышать урожайность, стимулируя жизне-
деятельность и развитие зародыша в семенах культур.
Разделение зерна в электрозерновых машинах камерного типа.
Принцип разделения зерна на электрозерновых машинах камерного
типа может быть рассмотрен на рисунке 118 [4]. В этой схеме оса-
дительным электродом служит вертикальная заземленная плос-
кость, а коронирующим электродом —• система проводов, располо-
женных параллельно плоскости осадительного электрода и одина-
ково удаленных от этой плоскости.
Поскольку коронирующий электрод имеет отрицательную по-
лярность, то отрицательные ионы, встречающие частицы, передают
им свой заряд.
На частицу, получившую заряд в поле коронного разряда, дей-
ствуют в основном две силы — Р и F.
Сила тяжести (Н)
где т— масса частицы, кг;
g — земное ускорение, м/с2.
18—475
273
Силу F притяжения к осадительному электроду определяют по
формуле (363). Суммарное воздействие двух этих сил определяет
траекторию движения частицы.
Таким образом, каждая частица упадет на осадительный элект-
род в точке, высота которой будет определяться свойствами этой
частицы. Это создает возможность разделения частиц в электриче-
ском поле коронного разряда по камерам, расположенным на раз-
ной высоте в плоскости осадительного электрода.
Частица, находящаяся в поле коронного разряда, получает за-
ряд, значение которого зависит от формы частицы, ее размеров и
диэлектрической проницаемости. Форму зерна можно рассматри-
вать как двухосный эллипсоид вращения.
Заряд эллипсоида в электрическом поле коронного разряда мо-
жно определить по формуле
Q =----, (364)
4л/Сф v
где Е— напряженность электрического поля, В/м;
s— площадь сечения эллипсоида, перпендикулярного к пото-
ку ионов, м2;
Кф — диэлектрический коэффициент формы.
Значение Кф зависит от диэлектрической проницаемости части-
цы и ее формы, характеризуемой коэффициентом сферичности К-
Рис. 118. Принципиальная схема
камерного коронного сепаратора.
Рис. 119. Зависимости диэлектрического ко-
эффициента формы от коэффициента сфе-
ричности для удлиненного эллипсоида, ори-
ентированного длинной осью вдоль поля
(а) и поперек поля (б).
274
Коэффициент сферичности равен отношению малой оси эллип-
соида Ь к большой его оси а, то есть
К = —,
а
(365)
На рисунке 119 изображены зависимости диэлектрического ко-
эффициента формы Кф от коэффициента сферичности К для раз-
личных значений диэлектрической проницаемости при ориентиров-
ке удлиненного эллипсоида длинной осью вдоль и поперек поля.
Из кривых рисунка 119 следует, что для эллипсоидов, ориенти-
рованных длинной осью вдоль электрического поля, с уменьшением
коэффициента сферичности К уменьшается диэлектрический коэф-
фициент формы. И, наоборот, у эллипсоидов, ориентированных
длинной осью поперек электрического поля, диэлектрический коэф-
фициент формы увеличивается с уменьшением коэффициента сфе-
ричности. Таким образом, чем больше вытянута частица, располо-
женная длинной осью вдоль электрического поля, тем меньше ее
диэлектрический коэффициент формы. При расположении частицы
длинной осью поперек электрического поля с увеличением вытяну-
тости диэлектрический коэффициент формы ее увеличивается.
Из рисунка 119 и формулы (364) также видно, что увеличение
относительной диэлектрической проницаемости частицы уменьшает
диэлектрический коэффициент формы и, следовательно, увеличи-
вает заряд.
Однако это увеличение заряда при изменении диэлектрической
проницаемости от 30 до оо сравнительно невелико. Относительная
диэлектрическая проницаемость зерна с увеличением влажности
значительно увеличивается. Влажность зерна до 12—14% влияет на
значение заряда. При большей влажности это влияние уменьша-
ется.
Исследования показали [4], что при значении относительной
диэлектрической проницаемости, не превышающей 15, заряд удли-
ненного эллипсоида с длинной осью поперек электрического поля
больше, чем расположенного длинной осью вдоль поля. В этом слу-
чае предельный заряд для частицы получается при ее расположе-
нии длинной осью поперек поля:
Q = Еа^е°-, (366)
где а и b — в метрах.
При значении относительной диэлектрической проницаемости,
превышающей 24, заряд удлиненного эллипсоида с длинной осью
вдоль электрического поля, как правило, больше, чем у располо-
женного длинной осью поперек поля. Предельный заряд в данном
случае определяется для частицы с длинной осью вдоль поля
q = . (367)
47Сф
18!
275
О.’.
! з-я
'фракция
О •
о о
о *
О '
о
о
о
о
о
^фракция
,1 <-я
^фракция
d
Рис. 120. Разделение
зерна в вертикальной
плоскости.
Рис. 121. Разделение
зерна в горизонтальной
плоскости.
В электрозерновых машинах камерного типа эллипсоидные ча-
стицы поступают в межэлектродное пространство в хаотическом по-
ложении.
При свободном падении и отсутствии электрического поля
частицы обычно ориентируются длинной осью вертикально. С появ-
лением электрического поля возникает электрический момент,
стремящийся повернуть частицы длинной осью вдоль поля (гори-
зонтально) . В реальных условиях не все частицы успевают сориен-
тироваться одновременно. Таким образом, эллипсоидные частицы,
поступающие в электрическое поле, фактически могут находить-
ся в любом положении, а от их положения зависит значение
заряда.
Следовательно, значение заряда частицы в камерной электро-
зерновой машине, зависящее от размеров, формы, диэлектрической
проницаемости и положения частицы в электрическом поле, в зна-
чительной мере носит случайный характер.
Оптимальный угол отклонения зерен должен находиться в пре-
делах
30° < аопт < 45 9. (368)
276
в таблице 31 приведены значения оптимальной напряженности
для сортирования семян на электрозерновой машине камерного
типа.
Таблица 31
Культура £опт- кВ/см
Пшеница 3,64—3,97
Рожь 2,50—3,25
Овес 2,61—3,04
Анализ работы электрокоронных сепараторов зерна камерного
типа показал, что для отделения легких примесей надо применять
разделение в вертикальной плоскости (рис. 120), а для сортирова-
ния зерна — в горизонтальной плоскости (рис. 121).
Разработанная в ЧИМЭСХе машина камерного типа ЭЗМ-К-2
имеет производительность до 2 т/ч по овсу и до 5 т/ч по пшенице
при очистке семенного зерна и соответственно 3 т/ч по овсу и 8 т/ч
по пшенице при очистке продовольственного зерна. Габаритные
размеры 1650X1700X2700 мм, масса 2500 кг. Мощность электро-
двигателей и выпрямителя 2 кВт. Нормальная работа машины обе-
спечивается при влажности зернового материала до 17%.
Электрозерноочистительные машины барабанного типа. В эле-
ктрокоронных сепараторах барабанного типа, имеющих заземлен-
ный барабан в качестве осадительного, а нити проволоки, натяну-
тые вдоль барабана, в качестве коронирующего электрода, распре-
деление действующих на частицу сил может быть представлено
схемой, изображенной на рисунке 122 [4].
Частица, поступившая на поверхность вращающегося заземлен-
ного электрода-барабана со скоростью, равной нулю, приобретает
заряд от ионов, движущихся от коронирующего электрода к бара-
бану.
На частицу действуют следующие силы: сила электрического по-
ля Fi, сила взаимодействия заряженной частицы с плоскостью ба-
рабана F2, сила тяжести Р и центробежная сила Рп.
Сила электрического поля
= Qp£ = £2-е°ц- , (369)
4/Сф
где Qp — остаточный заряд частицы, расположенной длинной осью
поперек поля в машинах барабанного типа. Показатель зарядки
1 + 2/?л /Г+41?пСр
И 2М
277
Здесь rc— емкость системы частица—электрод, см;
R„—переходное сопротивление, состоящее из собственного
сопротивления частицы и контактного между частицей
и плоскостью, Ом;
|3—параметр, характеризующий скорость зарядки,
Ом-1 - см-1.
Емкость системы зерно — электрод
г 2
с = 2_, (370)
где г— радиус частицы по наибольшему радиусу, см;
I— расстояние от плоскости до зерна, см. Для неплотно при-
легающей частицы принимают Z=0,01 см.
Параметр, характеризующий скорость зарядки.
₽ = <371>
где /— линейная плотность тока коронного разряда, А/см;
h — расстояние между коронирующими проводниками и оса-
дительным электродом, см. '
При разделении частиц на машине барабанного типа они,
располагаясь на заземленном электроде длинной осью попе-
рек поля и получив заряд, разворачиваются и ориентируются
длинной осью вдоль поля.
Из выражения (369) видно, что значение остаточного заряда за-
’ 'а
Рис. 122. Принципиальная схема
электрокоронного сепаратора ба-
рабанного типа.
висит от величины ц, которая, в
свою очередь, зависит от пере-
ходного сопротивления и емкости
системы частица — электрод и
может изменяться от нуля до еди-
Рис. 123. Зависимость линейных скоро-
стей зерна и барабана от частоты вра-
щения барабана.
278
ницы, а заряд частиц — от нуля до максимального значения, опре-
деляемого выражением
Qmax = • (372)
4/Сф
Сила (Н) взаимодействия заряженной частицы с поверхностью
барабана
F2 = —-а-2е°-^-. (373)
Центробежная сила (Н)
Л1 = . (374)
А
где tn— масса зерна, кг;
v3— скорость зерна, м/с;
7?— радиус барабана, м.
Вследствие скольжения частиц по поверхности барабана ско-
рость частицы v3 больше окружной скорости барабана иб- Скорость
зерна v3 зависит от коэффициента трения между частицами и по-
верхностью барабана и для различных материалов различна. На
рисунке 123 приведена зависимость скорости зерна при отрыве от
барабана от частоты вращения барабана радиусом 20 см.
Для определения угла отрыва зерна от барабана а (рис. 122)
можно представить условие отрыва
Pi + ^2 + Р cos а = Рц. (375)
Подставляя вместо сил их выражения, получим .
_ £2о&е0ц £2о2е0р.2
R ^Ф4 /ф
cos а =----------------------=-----=
mg
mvl £2ае0ц Л . ац \
—— fy -j— -
. /<Ф 4 \Лф/ (376)
mg
Из выражения (376) видно, что угол отрыва частицы зависит
от скорости движения зерна, напряженности электрического поля,
радиуса барабана, ускорения земного притяжения и от факторов,
определяемых механическими и электрическими свойствами частиц,
таких, как масса, коэффициент сферичности, переходное сопротив-
ление и емкость частицы, входящая в значение коэффициента ц,
а также диэлектрическая проницаемость и коэффициент сферично-
сти, определяющие коэффициент формы Кф.
279
Барабанная машина ЭЗМ-Б-2 конструкции ЧИМЭСХа имеет
производительность до 2 т/ч по овсу и до 3,5 т/ч по пшенице при
очистке семенного зерна и соответственно 3 т/ч по овсу и 8 т/ч по
пшенице при очистке продовольственного зерна. Ее габаритные раз-
меры 2250X1100X2610 мм, масса 2100 кг.
Исследования [4] показали, что при малой влажности семян
(до 12%), когда проводимость их невелика, наилучшие результаты
дает разделение семян на барабанных машинах при расположении
семян на барабане длинной осью поперек поля. Разделение же зер-
на с влажностью 17—20% будет более эффективно в камерной ма-
шине, когда семена ориентируются в электрическом поле коронно-
го разряда длинной осью вдоль поля.
Электрозерноочистительные машины решетного типа. При вне-
сении незаряженного диэлектрического тела в электростатическое
поле в нем происходит перераспределение свободных и связанных
электрических зарядов, которое приводит к возникновению элект-
рического вращающего момента, стремящегося повернуть это тело
длинной осью вдоль силовых линий поля. При этом происходит из-
менение энергии поля в объеме тела
^==^Дэ> (377)
где Е—напряженность внешнего электрического поля, В/м;
V — объем диэлектрического тела, м3;
Кэ— функция, учитывающая степень уменьшения энергии поля
в объеме, занятом поляризованным диэлектрическим эл-
липсоидом вращения единичного объема, в зависимости
от угла у наклона большой оси эллипсоида к плоскости
электрода, /Сие;
е—относительная диэлектрическая проницаемость диэлект-
рика.
Знак минус характеризует уменьшение энергии внешнего поля
при внесении в него диэлектрического эллипсоида. Коэффициент
/Сэ представляет собой функцию угла наклона большой оси эллип-
соида вращения к плоскости электродов, образующих поле
(рис. 124). Эта функция приведена на рисунке 125 при различных
значениях /Сие.
Из анализа зависимостей Кэ=/(у) видно, что с увеличением у
до 90° /Сэ увеличивается до максимальных значений. Максимальное
уменьшение энергии поля наступает при у = 90°.
Таким образом, эллипсоид, помещенный произвольным образом
в электрическое поле, будет стремиться расположиться длинной
осью вдоль силовых линий. Процесс поворота будет происходить
под действием вращающего момента, проявляющегося со стороны
электрического поля.
Совершаемая при этом элементарная работа
dA = M3dy (378)
280
Рис. 124. Диэлектрический эллипсоид
вращения в однородном электроста-
тическом поле.
50
Рис. 125. Зависимость Xa = f(Y) при
различных К и е ;
I, 2, З—при #«0,1; 4, 5, б1—при /<=0,5;
Л 8, 9 — при />1.
Рис. 126. Зависимость Ф2 от е:
пунктирные линии Г, 2; -3; 4; 5; 6; 7; 8 соот-
ветствуют /(=0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7;
1; сплошные линии (ассимптоты Фг) соот-
ветствуют указанным К при е=^.
Рис. 127. Технологическая схема ре-
шетной машины:
I — зерна; 2 — отрицательный
3 — положительный сеточный
встряхивающий зерно.
электрод;
электрод,
281
компенсируется уменьшением потенциальной энергии поля в объе-
ме зерна
— dW — dA = M3dy,
откуда
Мэ=-^. (379)
dy
Проведя математические вычисления, получим аналитические
выражения для вращающего момента электрического поля (Н-м)
M3 = -^-V302-sin2y. (380)
Значения функции 02 в зависимости от диэлектрической прони-
цаемости приведены на рисунке 126.
Из выражения (380) и графика (рис. 126) следует, что момент
электрического поля Мэ с увеличением диэлектрической проницае-
мости увеличивается, имеет два противоположных по знаку ампли-
тудных (максимальных) значения при у = 45° и у=135°, а нулевые
значения имеет при у = 0°, у = 90° и у=180°.
Из кривых также видно, что на зерна данного объема с не-
большим значением К (овес, рожь, овсюг) при постоянных Е и е
действует больший вращающий момент со стороны электрического
поля, чем на зерна с большим значением К (пшеница, ячмень)..
Следовательно, при' определенной напряженности электрическо-
го поля может возникнуть такой процесс, когда зерна с меньшим К
(вытянутые) успеют сориентироваться относительно плоскости
электрода, а зерна с большим К (менее вытянутые) не достигнут
этого состояния. Такое же явление может возникнуть, если зерна в
потоке отличаются не только коэффициентами сферичности К, но и
диэлектрическими проницаемостями е, которые в значительной ме-
ре определяют значение электрического момента. Это дает воз-
можность разделять частицы зерновой смеси через решета при на-
ложении электростатического поля (рис. 127) с сообщением колеба-
тельного движения решетам.
Разработанная в ЧИМЭСХе машина ЭЗМ-Р-2 имеет производи-
тельность до 1 т/ч по овсу и до 2 т/ч по пшенице. Мощность установ-
ленных электродвигателей и выпрямителя составляет 4,4 кВт.
Влияние электрического поля коронного разряда на качество
зерна. Многолетние производственные исследования ЧИМЭСХа в
совхозах Челябинской области показали, что от семян, обработан-
ных в электрическом поле коронного разряда, урожай получается
больше на 10—15%, а в отдельных случаях на 20—25% [4]. Коли-
чественное увеличение урожайности зависит от электрических ре-
жимов обработки семян, почвенно-климатических условий и других
факторов.
Опыты проводились с использованием электрического поля по-
стоянного тока при коронном разряде и напряженности около
282
5 кВ/см. Длительность обработки составляла до 3 с. Напряжен-
ность выше 5 кВ/см менее благоприятна из-за возникновения про-
боя. С увеличением отрицательного заряда увеличивается процент-
ное содержание белка в семенах нового урожая и повышается уро-
жайность культур. Положительный заряд, как показали опыты, не
приводит к повышению белка в зерне нового урожая. Чем лучше
отрицательный заряд удерживается на зерне, тем интенсивнее идет
развитие растений. Для семян влажностью более 12—14% осади-
тельный электрод покрывают изолирующим материалом. Наилуч-
шие результаты обработки семян (ТГ>12%) получены при поли-
хлорвиниловой изоляции.
Таким образом, основными факторами, определяющими эффек-
тивность воздействия электрического поля на семена, являются на-
пряженность электрического поля и заряд.
Помимо отмеченных факторов важное значение имеет время, ис-
текшее между обработкой и высевом семян. Для пшениц яровых
сортов это время составляет 10—14 дней. Немаловажное значение
имеет также и продолжительность воздействия электрического по-
ля, то есть продолжительность обработки. Каждый вид и сорт зерна
при принятой напряженности электрического поля имеет свои опти-
мальные значения продолжительности обработки, которые также
зависят еще и от комплекса агробиологических и климатических
факторов.
Наилучшие результаты получены при обработке зерна с влажно-
стью 13,5%. При обработке подсушенного и увлажненного зерна
наблюдается снижение урожайности.
Обработка зерна в электростатическом поле приводит также к
повышению его хлебопекарных качеств. Стимулирующее воздейст-
вие электрического поля в этом случае проявляется в повышении
содержания сырой клейковины до 3%, увеличении объемного выхо-
да хлеба до 10—30%, в приобретении хлебом более приятного вку-
са [4].
Наилучшие результаты по повышению хлебопекарных качеств
зерна были получены при воздействии электрического поля напря-
женностью 5 кВ/см в течение 60 и 30 с с последующим хранением в
течение трех-четырех недель.
Для предпосевной обработки, очистки и сортирования зерна мо-
гут быть использованы одни и те же электрозерноочистительные
машины.
§ 3. Осаждения в электрическом поле
Окрашивание деталей в электрическом поле. Окрашивание де-
талей применяется для защиты металлических изделий от коррозии
и декоративного их оформления. Широко применяемый способ ок-
рашивания деталей при помощи распыления краски сжатым возду-
хом приводит к большим потерям лакокрасочных материалов. При
окраске мелких изделий эти потери достигают 60—70%.
283
Рис. 12(8. Принципиальная схема установки для Окрашивания изделий
в электрическом поле:
1 — окрашиваемые детали; 2 — распылитель; 3—коронирующие электроды (проволо-
ка); Д' — краска; В — сжатый воздух.
В 20—30 годах нашего столетия в СССР и за рубежом начали
разрабатывать способы использования электрического поля для
зарядки мельчайших частиц краски и направленного их перемеще-
ния к окрашиваемым предметам.
На рисунке 128, а изображена принципиальная схема установки
для окрашивания деталей в электрическом поле с пневматическим
распылителем краски. Электроды 3 выполнены в виде сетки из ни-
хромовой проволоки диаметром 0,3 мм с расстоянием между па-
раллельными нитями 200 мм. На электроды подается отрицатель-
ный полюс от источника постоянного тока напряжением 100—
130 кВ.
К конвейеру подвешиваются окрашиваемые детали. Конвейер и
детали заземлены. Расстояние между электродными сетками и оп-
рашиваемыми деталями должно быть не менее 25 см. При напря-
жении на электродах 100 кВ это расстояние берут равным 28—
30 см. Расстояние от стенок камеры до коронирующих электродов
берут не менее 60 см.
Давление в красконагнетательном баке следует поддерживать
15—30 кПа. Давление воздуха, распыляющего краску, устанавли-
вают в пределах 80—140 кПа в зависимости от вязкости краски.
Распылители располагают по обеим сторонам конвейера на рассто-
янии 50—60 см от коронирующих электродов под углом 4—10° коси
конвейера.
Рабочий процесс окраски должен проходить при градиенте по-
тенциала не более 4,3 кВ/см для деталей, не имеющих острых краев
или выступов, и не более 3,5 кВ/см, для деталей с острыми краями
или выступами.
Для удаления паров растворителей, образующихся в камере при
окрашивании деталей, устраивают вытяжную вентиляцию. При
этом скорость движения воздуха в камере должна быть не более
0,2—0,5 м/с.
284
Заряженные частицы краски под действием сил электрического
поля направляются к окрашиваемой детали и почти без потерь оса-
ждаются на ней в виде тонкого равномерного слоя.
Полнота осаждения распыленной краски при окрашивании
в электрическом поле характеризуется коэффициентом осаждения
М, который представляет собой отношение массы краски а, осев-
шей на окрашиваемые изделия, к массе краски А, распыленной из
пульверизатора:
М = -^- . (381)
На значение коэффициента осаждения при окрашивании в элек-
трическом поле с применением пневматического распыления влия-
ют следующие факторы: разность потенциалов, расстояние между
коронирующими электродами и окрашиваемыми деталями, давле-
ние воздуха, распыляющего краску, вязкость и поверхностное на-
тяжение краски и др.
Снижение вязкости краски дает возможность получить более
мелкие капли.
С уменьшением размеров капель силы тяжести и энерции умень-
шаются больше, чем отклоняющая электрическая сила. Это способ-
ствует увеличению коэффициента осаждения.
С увеличением напряженности электрического поля с 1 кВ/см
до 1,9 кВ/см коэффициент осаждения повышается от 47 до 90%.
При повышении напряженности до 2 кВ/см коэффициент осажде-
ния увеличивается до 93%. Дальнейшее увеличение напряженно-
сти электрического поля практически не изменяет коэффициент
осаждения.
Способность непроводников хорошо пропускать электрическое
поле позволяет окрашивать неметаллические детали путем установ-
ки внутри них или за ними заземленных металлических экранов,
выполняющих роль заземленных положительных электродов.'
Для получения большей равномерности покрытия целесообраз-
но вращать окрашиваемые детали с частотой 6—10 оборотов на
метр их поступательного движения.
Колокольные (чашечные) распылители (рис. 128, б) совершен-
нее пневматических. Насос по изолированному шлангу и трубча-
тым осям подает краску на внутренние поверхности головок коло-
кольных распылителей, приводимых во вращение электродвигателем
или воздушной турбинкой с частотой около 900 оборотов в ми-
нуту. Под действием центробежной силы краска тонким слоем сте-
кает на острые кромки головок распылителей и расталкивающими
усилиями электрического заряда распыляется. Отрицательный по-
люс источника постоянного тока подается на распылитель, переда-
ющий отрицательные заряды главным образом у коронирующих
кромок головок распылителей. При этом в пространстве между рас-
пылителями и окрашиваемыми изделиями непрерывно создается
высокодисперсный аэрозоль из электрически заряженных частиц
краски.
285
Под действием электрического поля заряженные частицы крас-
ки направляются к поверхностям окрашиваемых изделий и осаж-
даются на них ровным слоем. Расстояние между чашами не ме-
нее 20 см.
Основные преимущества этого способа — исключение сжатого
воздуха, громоздких электродов и получение высокого коэффици-
ента осаждения, достигающего 99% при значительно меньшем рас-
ходе электроэнергии, затрачиваемой на распыление краски.
Расход краски на окрашивание деталей (кг/мин)
G = , (382)
1000Л/
где 5— цлощадь 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 =
= 0,854-0,95).
В процессе эксплуатации необходимо соблюдать следующие за-
щитные мероприятия:
1) перед пуском конвейера должно предусматриваться включе-
ние предупредительного звукового сигнала;
2) не допускать включения высокого напряжения, если не по-
дано минимальное напряжение на нить накала кенотрона;
3) обеспечить невозможность включения распыления при вы-
ключенной вентиляции, неподвижном конвейере и выключенном
высоком напряжении.
Осаждение химикатов в электрическом поле. Для борьбы с вре-
дителями и болезнями сельскохозяйственных культур широко при-
меняется распыление химикатов над полем с целью нанесения на
поверхность обрабатываемых объектов слоя химиката толщиной
1—10 мкм. Осаждаемость распыленных в воздухе аэрозолей с раз-
мером частиц примерно того же порядка составляет 10—20%.
Для снижения потерь химикатов распыляемым аэрозолям необ-
ходимо сообщить электрический заряд. В этом случае движение
заряженных частиц к обрабатываемым поверхностям будет проис-
ходить по силовым линиям электрического поля, которое образует-
ся в пространстве между одноименно заряженными частицами
струи аэрозолей и наведенными зарядами противоположного знака
на обрабатываемых поверхностях, обращенных к заряженным ча-
стицам.
Для получения аэрозолей применяются специальные устройст-
ва — аэрозольные генераторы. Электризация аэрозолей может осу-
ществляться в поле коронного разряда. Для этого струя аэрозоля
пропускается через зону коронного разряда ионизатора. Ионы по-
ступают от коронирующего электрода, к которому присоединяется
отрицательный полюс источника постоянного тока, а положитель-
ный полюс подается на заземленный корпус ионизатора. Ионы
осаждаются на частицах химиката и заряжают их.
286
Исследованиями установлено, что за счет электризации частиц
аэрозоля его осаждаемость увеличивается на 20—40%. При этом
равномерность покрытия обрабатываемых поверхностей возрастает
в 4 раза.
§ 4. Предпосевная обработка семян в электрическом поле
высокого напряжения промышленной частоты
В 1959 году в ВИЭСХе под руководством академика ВАСХНИЛ
М. Г. Евреинова были начаты исследования по выявлению эффек-
тивности действия электрического поля переменного тока высокого
напряжения промышленной частоты на посевные качества семян.
В экспериментальной установке’ изолированные электродные пла-
стины с зерном между ними, представляющие собой электрический
конденсатор, присоединяются к высоковольтной обмотке мало-
мощного повысительного трансформатора.
Уже первые опыты показали, что электрическое поле перемен-
ного тока промышленной частоты — сильно действующий фактор,
который может оказать как стимулирующее, так и угнетающее
действие на семена в зависимости от напряженности электриче-
ского поля и экспозиции, а также от физиологического состояния
семян и биологических особенностей культуры и сорта.
Таблица 32
Культура н сорт Напряженность электрического поля Е, кВ/см Продолжитель- ность обработки т, с Период «обработ- ка—посев», дни Прибавка к уро- жаю по отноше- нию к контроль- ному, %
Пшеница яро- вая Any 2 20 27 27
Ячмень Тими- рязевский 85 4 60 17 20
Кукуруза Под- московная 2 90 7 29
Люпин Немчи- новский си- ний 2 30 17 35
Овес Орел 4 120 21 14
Сахарная свек- ла Белоцер- ковская 4 90 5 54
Томат Ленин- градский ско- роспелый 4 30 5 22
Томат Грибов- ский 4 30 5 22
Огурцы Не- жинские 12 10 120 2—3 25
287
Рис. 129. Суточный ход фотосинтеза
опытных и контрольных растений:
1 — контроль; 2 — Е=2 кВ/см, Т=30 с;
З — Е—4 кВ/см, т=30 с; 4 —£=4 кВ/см,
т = 1 ч.
Стимулирующее дейст-
вие предпосевной обработ-
ки семян в электрическом
поле переменного тока про-
является в значительном
повышении энергии прорас-
тания и всхожести семян, в
лучшем развитии растений
и увеличении урожая. Уста-
новлено, что для получения
положительного эффекта у
семян различных культур и
сортов требуются разные
параметры обработки, а так-
же разные периоды выдер-
жки семян после обработки
до посева.
В ряде экспериментов,
проведенных в полевых и
производственных услови-
ях, получены значительные
прибавки урожая за счет предпосевной обработки семян в эле-
ктрическом поле переменного тока (табл. 32).
В опытах было отмечено, что предпосевная электрообработка
семян приводит к повышенному поглощению растениями лучистой
энергии. Интенсивность фотосинтеза у опытных растений в течение
дня выше, чем у контрольных, на И—37% (рис. 129).
Стимуляция жизненных процессов у растений посредством
предпосевного воздействия на семена различными физическими ре-
агентами, в том числе и электрическими полями, до настоящего
времени теоретически недостаточно обоснована. Поэтому наряду
с результатами полевых и производственных опытов необходимо
расширять исследования по определению механизма действия элек-
трообработки на физиологические и биологические процессы, про-
исходящие в семенах и растениях.
В качестве меры электрофизического воздействия на семена
электрического поля промышленной частоты принимается коли-
чество энергии, поглощенной семенами в процессе их обра-
ботки.
Количество энергии, поглощенной единицей объема обрабаты-
ваемого материала за время обработки, называется дозой воздей-
ствия. Доза, при которой достигается наибольший физиолого-био-
логический эффект, обеспечивающий наивысшую урожайность, на-
зывается оптимальной. Основной целью исследований по
электрической предпосевной обработке семян должно быть науч-
ное обоснование оптимальной дозы воздействия на семена различ-
ных культур и сортов. Доза воздействия, представляющая энергию,
поглощаемую зерном в виде тепла на единицу объема обрабаты-
288
ваемой зерновой массы в электрическом поле переменного тока
(Дж/м3), может быть определена по формуле
д = fe3tg63E3T
1,8-ЮЮ
где f— частота переменного тока, Гц;
ва— относительная диэлектрическая проницаемость зерна;
tg б3 — угол потерь в зерне;
Е3— напряженность электрического поля в зерне, В/м;
т—продолжительность обработки (экспозиция), с.
Для расчета дозы, получаемой зерном в процессе электрообра-
ботки, необходимо знать е3 и tg б3. Если относительная проницав»
мость воздуха ев = 1, то е3 можно определить по формуле
____ 2е — в (Зх — 1)
Бз ~ в (2 — Зх) + 1 ’
где х— объемная концентрация воздуха в зерновой массе в долях
единицы;
е— относительная диэлектрическая проницаемость зерновой
массы.
Объемную концентрацию зерна и воздуха в зерновой массе мож-
но определить следующим образом. Надо взять 100 см3 зерновой
массы и высыпать в мензурку, заполненную водой до определенной
отметки. Разность между полученным и первоначальным объемом
воды и будет объемная концентрация зерна в 100 см3 смеси. Уста-
новлено, что пшеница занимает 62%, кукуруза-—58 и бобы 42%
объема зерновой массы.
Диэлектрическая проницаемость и угол потерь зерновой массы
в значительной мере зависят от влажности и температуры зерна.
(383)
Рис. 130. Зависимость диэлектрической проницаемости (а) и угла потерь
(б) зерновой массы кукурузы от влажности семян (Е = 2 кВ/см).
19—475 289
Поэтому для введения
этих величин в расчет на-
до знать исходную влаж-
ность и температуру зер-
на, при которых затем
определяются значения е
и tg 6. Для кукурузы на
рисунке 130 приведены
зависимости е и tg 6 от
влажности зерна при его
температуре, изменяю-
щейся от +10 до 40° С.
Из этих зависимостей
видно, что до влажности
1¥7=10,5% температура
Рнс. 131. К расчету напряженности электри-
ческого поля в зерне:
d — расстояние между электродами; rfj и ^ — линей-
ные размеры воздушного промежутка и зерна.
зерна мало влияет на е и tg 6, однако, начиная с W= 10,5%, кри-
вые резко поднимаются вверх. При повышении влажности семян
на 0,5% е и tg 6 увеличиваются в несколько раз.
Так как зерновая смесь состоит из зерна и воздуха, то для упро-
щения ее можно представить в виде слоистого диэлектрика. Напря-
женности в зерне и воздушных промежутках можно вычислить, ес-
ли разместить зерна в виде цепочки и расположить их в один ряд
с воздушными промежутками между ними (рис. 131). Таким об-
разом, зерновая масса заменяется эквивалентными слоями зерен
и воздуха в соответствии с объемными концентрациями зерна и воз-
духа. В этом случае можно применить расчетные зависимости для
сложного слоистого диэлектрика с п последовательными слоями:
U = Ut + U2 + • • • + ип,
где U— напряжение на электродных пластинах;
U2, ..., Un—напряжение на 1, 2, ... п слоях многослойного ди-
электрика.
= U2 = E2d2, Un — E,ldn,
где Еъ Е2, ..., Еп—напряженности электрического поля на соот-
ветствующем слое диэлектрика;
dr=d3=...=dn-^\Yid2 — di — ...=^dn — линейные размеры воздуш-
ных и зерновых промежутков.
~ „ п п
1ак как в зерновой массе принято — зерновых и — воздушных
слоев, то
U = ± (Е& + E2d2). (385)
В многослойных диэлектриках с небольшой проводимостью
можно считать, что в установившемся режиме значения напряжен-
ностей при переменном напряжении распределяются обратно про-
290
порционально проводимостям диэлектриков. Однако в данном слу-
чае зерновая масса, особенно при повышенной влажности зерна,
может обладать значительной проводимостью, поэтому значение
напряженностей электрического поля надо брать обратно пропор-
циональными модулям полных проводимостей. С учетом этого
£1 __ е2 1 + tg2 62 (386)
Е1V1 + tg261
Учитывая, что для воздуха 81« 1 и tg 61 »0, из выражений (385)
и (386) получим
Е2 = Е3 =----------- 2U ------------ (387)
п (</1Е.г И-1 J- tg2 62 + d2)
И
£ = 2t/e2 V1 + tg262
n 1 -|- tg2 62 + d2)
где E2 и Ei — напряженности электрического поля в зерне и воз-
душном промежутке (tg 62 = tg 63).
Зная количество зерен и объемную концентрацию зерна и воз-
духа в 100 см3 зерновой массы, можно подсчитать средние линей-
ные размеры зерна и воздушного промежутка.
Таким образом, определив из формул (384) и (387) диэлектри-
ческую проницаемость зерна 83 и напряженность электрического
поля в зерне Е3, можно найти дозу воздействия D по формуле (383).
Вычисленная по формуле (383) доза может быть оптимальной,
если входящие в нее величины будут соответствовать режиму, при
котором получена наибольшая прибавка урожая от воздействия на
семена электрическим полем переменного тока. Приведенные в таб-
лице 32 параметры режимов предпосевной электрообработки семян,
соблюдение которых дало наивысшие результаты повышения уро-
жайности, можно использовать при определении приближенных
значений оптимальных доз для указанных в таблице сортов
культур.
Зная оптимальную дозу воздействия и другие параметры обра-
ботки, входящие в формулу (383), можно определить экспозицию т.
Для предпосевной обработки семян в электрическом поле пере-
менного тока ВИЭСХом разработана передвижная установка
ЭОС-4, электрическая схема которой приведена на рисунке 132.
Установка предназначена для обработки зерна на семенных пунк-
тах, а также в условиях колхозов и совхозов.
Высокое напряжение регулируют в пределах от 0 до 10 кВ.
Рабочий объем камеры 28 дм3. Рабочая камера установки пред-
ставляет собой систему параллельных, изолированных один от дру-
гого электродов, на которые подается высокое напряжение. Зерно
19*
291
Рис, 132, Принципиальная электриче-
ская схема установки для предпосев-
ной электрообработки семян:
Тр1 — автотрансформатор; Тр2 — повышаю-
щий трансформатор; С — электрическая
емкость между пластинами камеры обра-
ботки семян; В — автомат; Ш. — контакты
механической блокировки.
в рабочей камере движется са-
мотеком под действием силы
тяжести. Скорость выпуска
зерна, а следовательно, и про-
должительность обработки ре-
гулируют изменением проме-
жутка в выпускном аппарате.
Максимальная скорость выпу-
ска обработанных семян со-
ставляет 3 т/ч, производитель-
ность — 1,5—2,5 т/ч.
При обработке кондици-
онного по влажности зерна
мощность, потребляемая рабо-
чей камерой, не превышает
0,5 кВт.
Семена подаются в уста-
новку через загрузочный бун-
кер при помощи транспорте-
ра. Мощность, потребляемая
электродвигателем, составляет
1 кВт.
' Если взять годовую загруз-
ку машины 140 ч, то срок оку-
паемости установки составит
несколько месяцев, то есть стоимость добавочной продукции от по-
вышения урожайности в одном году значительно превышает все
затраты, связанные с использованием установки ЭОС-4.
§ 5. Аэроионизация в животноводстве и птицеводстве
Атмосфера земли обладает электрическим полем, существую-
щим между ионизированным слоем Хевисайда и землей. Проводи-
мость атмосферы обусловлена главным образом наличием ионов
в воздухе и их перемещением в электрическом поле атмосферы.
Весьма незначительная часть тока земной атмосферы протекает
через людей, животных и растения. Поэтому электрическое поле
и электрический ток, протекающий через организмы, — внешние
неотъемлемые факторы, влияющие на их жизнедеятельность и
развитие.
Электрическое состояние воздуха характеризуется степенью
его электризации, то есть количеством ионов в единице объема
воздуха.
В нижних слоях атмосферы источниками ионизации воздуха в
естественных условиях в основном являются космические лучи и
радиоактивные излучения почвы. Источники ионизации местного
значения — это атмосферные грозовые разряды, водопады, коро-
нирование высоковольтных проводов и др.
292
Иртенсивность естественной
ионизации в слое атмосферы не-
посредственно над земной по-
верхностью составляет 10 пар
ионов в 1 см3 в секунду, из них
85% вызваны радиоактивностью
почвы, а 15%—космическими
лучами.
С увеличением высоты интен-
сивность образования аэроионов
под влиянием космических лучей
возрастает, достигая на высоте
5 км 7 пар/с в 1 см3 воздуха.
На больших высотах основны-
Рис. 133. Зависимость градиента
потенциала и потенциала атмосфе-
ми источниками ионизации явля- ры от ВЬ1СОТЬ1 над поверхностью
ются коротковолновые ультрафи- земли.
олетовые лучи, которые сильно
поглощаются озоном воздуха верхних слоев атмосферы и создают
значительный проводящий слой — ионосферу, проводимость кото-
рой в 10—12 раз больше, чем у земной поверхности.
Заряженная молекула воздуха представляет собой легкий, зна-
чительно подвижный аэроион.
Если ионизированная молекула воздуха осела на пылинку или
частицу жидкости, то такой аэроион называется тяжелым. Он об-
ладает малой подвижностью. Как легкие, так и тяжелые ионы воз-
духа бывают положительной и отрицательной полярности.
Средняя скорость ионов вдоль силовых линий электрического
поля может быть определена по формуле
1> = КЕ,
(388)
где Е — напряженность электрического поля атмосферы, В/м
(рис. 133);
К — подвижность ионов, м2/ (В • с).
В электрическом поле атмосферы при номинальном атмосфер-
ном давлении и температуре +20° С подвижность отрицательных
ионов чистого воздуха можно принимать равной 1,87-Ю-4, а кис-
лорода 1,8-10~4 м2/(В-с). Подвижность положительных ионов в
обоих случаях составляет 1,36-10~4 м2/(В-с). Подвижность тяже-
лых ионов с радиусом (0,254-0,5) • 10~4 мм доходит до (1—0,25) •
• Ю-7 м2/(В-с).
Число ионов в окружающем нас воздухе изменяется в зависи-
мости от внешних метеорологических и геофизических условий,
времени года, часов суток и других причин. В деревенском воздухе
в 1 см3 содержится до 800—1000 легких аэроионов. В чистом воз-
духе отсутствуют тяжелые аэроионы. В воздухе некоторых городов
число легких аэроионов может упасть до 50—100, а число тяжелых
аэроионов возрасти до нескольких тысяч в 1 см3. Тяжелые ионы,
или псевдоионы, представляющие собой заряженную пыль, копоть,
293
дым, разные испарения, оказывают отрицательное действие на
живые организмы, а легкие отрицательные ионы оказывают бла-
готворное и целебное действие.
В 1 см3 воздуха при нормальных условиях содержится около
500—700 пар легких аэроионов.
Отношение количества положительных ионов в единице объема
к количеству отрицательных называется коэффициентом унипо-
лярности. У поверхности земли над сушей принимают число поло-
жительных ионов приблизительно равным 750, а отрицательных
•650 в 1 см3. Коэффициент униполярности в этом случае равен 1;15.
Количество аэроионов в 1 см3 воздуха и коэффициент унипо-
лярности во многих случаях значительно отклоняются от приве-
денных средних значений. Чистый воздух горных местностей, лес-
ных массивов и полей содержит 700—1500 и более отрицательных
аэроионов в 1 см3. В некоторых курортных местностях, известных
своим благотворным влиянием на организм человека, число аэро-
ионов отрицательного знака значительно превышает их среднее
значение, достигая иногда нескольких тысяч в 1 см3 воздуха.
Присутствие в воздухе некоторого избытка положительных
аэроинов объясняется тем, что почвенный сильно ионизированный
радиоактивными излучениями воздух, просачивается через почвен-
ные капилляры, а отрицательные аэроионы, обладающие большей
подвижностью, быстрее отдают свои отрицательные заряды стен-
кам капилляров. Поэтому выходящие наружу потоки почвенного
воздуха приносят в атмосферный воздух избыток положительных
аэроионов.
Многие исследователи (А. Л. Чижевский, М. Лапорт, Т. Мартин
и др.) считают, что легкие аэроионы отрицательной полярности
в воздухе — это аэроионы кислорода воздуха.
Наибольшее количество аэроионов в воздухе находится в лет-
ний период, в полдень. Солнечная радиация, повышая температуру
почвы, увеличивает ее радиоактивные излучения и повышает уро-
вень ионизации воздуха. Наиболее важными климатическими фак-
торами, влияющими на число легких аэроионов воздуха, являются
температура и влажность воздуха. Понижение среднесуточной
температуры обычно сопровождается резким уменьшением числа
легких аэроионов, и наоборот. При облачности и высокой влаж-
ности число аэроионов убывает. В тех случаях, когда осадки со-
провождаются грозами, число аэроионов достигает высоких значе-
ний. Число легких аэроионов резко уменьшается, как только в воз-
духе появляются пыль, дым, частицы влаги, туман и т. п.
Повышению степени ионизации воздуха способствует раститель-
ность. Впитывая через корневую систему растворенные почвенные
продукты радиоактивного распада вместе с влагой, растения за-
тем испаряют эту воду через листья и стебли в воздух, что способ-
ствует возникновению аэроионов.
Электрическое поле атмосферы земли характеризуется гради-
ентом потенциала и потенциалом относительно земли. На рисун-
294
же 133 показаны изменения потенциала и градиента в функции вы-
соты над поверхностью земли. Из этих зависимостей видно, что
градиент потенциала у поверхности земли составляет 130 В/м и с
увеличением высоты резко падает, снижаясь до 50 В/м на высоте
500 м и 10 В/м на высоте 6 км. Наибольшее удельное сопротивле-
ние имеют нижние слои атмосферы.
Весь слой атмосферы вокруг земли имеет сопротивление 140—
200 Ом. Потенциал атмосферы по отношению к земле значительно
быстрее возрастает с увеличением высоты в нижних слоях атмо-
сферы. Наибольший потенциал атмосфера имеет у слоя Хевисайда
я выше (около 212 кВ).
По изменениям потенциала и градиента потенциала видно, что
электрическое поле направлено из атмосферы к земле и земля
имеет отрицательный заряд, а атмосфера положительный.
Электрическое поле атмосферы подвержено многолетним пери-
одическим (годовым, суточным) и апериодическим колебаниям,
связанным с космическими, геофизическими и метеорологическими
явлениями. Поэтому плотность вертикального тока земной атмос-
феры колеблется в значительных пределах [/= (24-3) • 10-16 Д/см2].
.Многочисленные измерения показали, что за среднее значение
плотности вертикального тока можно принять 2,9-10-16 А/см2. Если
поверхность земного шара принять равной 5,1 -1018 см2, то верти-
кальный ток, притекающий к поверхности земного шара, составит
1479А.
Профессор А. Л. Чижевский [27] установил, что при значитель-
«ом недостатке отрицательных легких аэроионов животные скоро
начинают слабеть, терять в весе, делаются вялыми, неохотно при-
нимают пищу и воду, наконец, становятся безучастными ко всему
окружающему и в некоторых случаях погибают. Кислород под
влиянием ионизации увеличивает свою биологическую активность
значительно больше любого атмосферного газа.
Опыты на животных и птице показали, что аэроионы отрица-
тельной полярности концентрации 104—105 в 1 см3 воздуха при
^ежедневной дозировке от 30 мин и выше предохраняют слабые
экземпляры от гибели, увеличивают массу и рост молодняка, повы-
шают продуктивность, улучшают усвояемость кормов и восстанав-
ливают защитные свойства организма.
Отрицательно ионизированный воздух оказывает также стиму-
лирующее действие на энергию прорастания семян и урожайность
культур.
По исследованиям ряда ученых (Е. Швейдлер, В. И. Баранов,
П. И. Лукирский), средняя продолжительность существования лег-
ких аэроионов внутри помещения составляет десятки секунд.
Исследования показали, что прохождение наружного воздуха
через вентилятор по вентиляционным длинным трубам лишает его
легких аэроионов, то есть дезионизир.ует воздух.
Экспериментально установлено, что наружный воздух, прони-
кая через форточки и окна, теряет почти половину своих аэроионов.
295
Из оставшейся половины большинство аэроионов осаждается на
стенах, предметах и, таким образом, уничтожается. В воздухе по-
мещений остается некоторый несократимый минимум аэроионов,
который образуется под влиянием радиоактивного распада веществ,
стен, потолка (бетон, кирпич, штукатурка, краска и др.). Особенно
быстро идет уничтожение аэроионов в воздухе помещений, если в
них находятся люди или животные, которые выдыхают огромное
количество псевдоионов с некоторым преобладанием положитель-
ных. Следовательно, люди, животные, птицы и другие живые орга-
низмы, находящиеся длительное время в закрытых помещениях,
испытывают систематическое аэроионное голодание. Это способст-
вует преждевременному старению и предрасполагает к различным
заболеваниям. Поэтому создание благоприятного электрического
режима воздуха внутри помещений — актуальная проблема.
Аэроионизацией называется превращение нейтральных моле-
кул воздуха в молекулы, несущие электрический заряд. Для полу-
чения легких аэроионов отрицательной полярности в сельском хо-
зяйстве наибольшее применение имеют коронирующие и радиоак-
тивные источники. Коронирующие источники имеют проволочные
электроды или электроды в виде острия. При заземленном положи-
тельном полюсе источника питания на эти электроды подается
высокое напряжение постоянного тока отрицательной полярности
такого значения, при котором происходит коронный разряд.
Для определения разрядного тока с единицы (мк А/м) длины
многопроволочных, параллельно включенных коронирующих элек-
тродов, можно пользоваться эмпирической зависимостью
i = A-N.U(U-UQ)
1 „ , —Йо) , 2лг]’
(h — й0)2 --- — In —
L a a J
где А—вольт-амперная постоянная;
УУ— число параллельных проволок;
U — напряжение между проволочным электродом и землей,
кВ;
£/0 — начальное напряжение коронирования электрода, кВ;
h— расстояние от пола до потолка, м;
h0— расстояние до коронирующего электрода, м;
а — расстояние между коронирующими проводами, м;
г — радиус проволоки, м.
Значение А можно получить из таблицы 33 в зависимо-
го
ста от — .
h
Всесоюзным научно-исследовательским институтом экспери-
ментальной ветеринарии в подмосковном совхозе «Горки II» испы-
тывалась комбинированная ионовентиляционная установка, сов-
мещавшая ионизацию воздуха в птичнике с вентиляцией. В возду-
ховоды вентиляции было вмонтировано 76 патрубков с ионизаци-
296
онными сетками. К сеткам подводилось напряжение 35—50 кВ
постоянного тока от аппарата АИИ-70. Сочетание ионизации с вен-
тиляцией способствует более равномерному распределению по
птичнику легких отрицательных ионов воздуха.
Таблица 33
ftp ft А
0,87 2-10—2
0,84 4-Ю-2
0,80 6-10—2
0,73 8-10—2
0,62 10-10—2
Всесоюзным научно-исследовательским и технологическим ин-
ститутом птицеводства и Всесоюзным научно-исследовательским
институтом электрификации сельского хозяйства разработана
конструкция электрического коронного аэроионизатора ИЭ-1 для
ионизации воздуха в инкубаторе «Универсал» (рис. 134). В иони-
заторе используются игольчатые электроды. В целях электробезо-
пасности предусмотрено ограничительное сопротивление типа
297
I
Рис. 135. Ионизационная
приставка с изотопным
элементом:
/ — источник а-частиц; 2 —
ионная камера; 5—сепари-
рующий электрод; 4 — воз-
духовод.
МЛТ-10 на 3,6 МОм, которое присоеди-
няется к минусу источника высокого на-
пряжения, заточенный в виде острой
иглы, конец его является корониру-
ющим электродом. Напряжение постоян-
ного тока 5 кВ. Когда человек касается
коронирующей иглы, он почти ничего не
чувствует. Искусственная ионизация воз-
духа внутри инкубационного шкафа уве-
личивает концентрацию аэроионов до
12 000 ион/см3. Это приводит к повыше-
нию вывода цыплят на 2,5—6%, снижает
биологическую активность микроорганиз-
мов и повышает сохранность цыплят до
10-дневного возраста на 5—7%.
В последнее время в СССР и за ру-
бежом для искусственной ионизации воз-
духа стали применять радиоактивные
изотопы. В ВИЭСХе разработаны уста-
новки ионизации воздуха для животно-
водческих и птицеводческих ферм с ис-
пользованием радиоактивного излучения
для ионизации воздуха. Такие установки
включают в себя вентилятор, систему
воздуховодов, ионизационные приставки,
и пульт управления. Одна из таких при-
ставок изображена на рисунке 135. При-
ставка выполнена из органического стекла и состоит из источника
a-излучений, ионной и воздушной камер, сепарирующего электрода.
В ионной камере располагается источник а-частиц 4л9-35 с плу-
тонием 239. Источник представляет собой металлическую пла-
стинку диаметром 71 мм, с одной стороны которой нанесен плуто-
ний с эмалевым покрытием. При диаметре активного слоя 71 ,м»
источник выделяет каждую секунду 3,5-105 а-частиц, которые
представляют собой ядра гелия и обладают очень небольшой про-
никающей способностью,- Испускаемые изотопом плутонием а-ча-
стицы при торможении в металле пробегают всего несколько де-
сятков микрон, а в воздухе 3—3,5 см. При этом энергия распада
превращается в тепло в массе самого изотопа, а излучение не выхо-
дит за пределы оболочки, в которую он заключен. Поэтому при
использовании а-радиоактивного изотопа не нужна специальная
защита от излучений.
Воздух, поступающий из воздуховода в воздушную камеру при-
ставки, подвергается обработке а-частицами, и в нем будут образо-
вываться ионы. К сепарирующему электроду, на который подается
отрицательный потенциал от батарей БАС-80 или другого источни-
ка постоянного тока, будут перемещаться положительные йоны
и будут нейтрализоваться на нем.
298
ли
Рис. 136. Принципиальная электри-
ческая схема ионизационной установ-
ки ВИЭСХ с изотопным элементом.
ВИЭСХ с изотопным элементом.
Отрицательные ионы воз-
душным потоком выносятся в
окружающее пространство.
Одна приставка на расстоянии
1 м обеспечивает 1•105 ионов
в 1 см3 в объеме 2—2,5 м3 воз-
духа при скорости воздуха 2—
3 м/с.
Для бройлерника на 10000
цыплят-бройлеров установка
имеет 30 таких ионизационных
приставок. Мощность электро-
двигателя вентилятора состав-
ляет около 1 кВт.
Государственные испыта-
ния радиоактивной установки
показали, что применение ее
для ионизации воздуха при
выращивании бройлеров поз-
волило увеличить привес по
сравнению с контрольной груп-
пой на 2—3% и калорийность
тушек на 6—7%.
На рисунке 136 показана
принципиальная электрическая
-схема ионизационной установки
Установку включают вручную кнопкой Кн1, отключается она при
помощи реле времени в соответствии с заданной программой или
вручную кнопкой Кн.2.
Для оценки экономической эффективности аэроионизации при-
ведем обобщенные ВИЭСХом полученные в разное время данные
по некоторым примерам использования аэроионизации в животно-
водстве и птицеводстве.
В коровниках учебно-опытного хозяйства «Приозерное» Херсон-
ского сельскохозяйственного института для ионизации воз-
духа использовались проволочные электроды системы НИЛ «Союз-
тлавсантехпром». В результате ионизации удои коров возросли в
весенний период на 0,597 кг. Жирность молока при этом увеличи-
лась на 0,05—0,1%.
В учебном хозяйстве «Александрово» Московской области ис-
кусственную ионизацию проводили в телятниках. В первые 15 дней
использовали электроэффлювиальные люстры системы А. Л. Чи-
жевского, затем проволочные электроды. В результате искусствен-
ной ионизации среднесуточные привесы телят за 30 дней увеличи-
лись на 217 г.
В учебно-опытном хозяйстве Башкирского сельскохозяйствен-
ного института для ионизации воздуха использовались проволоч-
ные электроды. Действию аэроионизации подвергались 1010 поро-
299
сят. В результате ионизации среднесуточные привесы поросят уве-
личились по сравнению с контрольными на 14—19,6%.
В птичнике совхоза «Горки II» Московской области была смон-
тирована аэроионизационная установка с проволочными электро-
дами. В нем содержалось 2,5 тысячи кур. В результате ионизации
яйценоскость увеличилась на 1,0—7,7%, а заболеваемость за 4 ме-
сяца снизилась на 0,7%.
На Братцевской птицефабрике при клеточном выращивании
цыплят применяли ионизаторы с проволочными электродами. В
разное время наблюдали около 8 тысяч цыплят. Живая масса
двухмесячных цыплят увеличилась в среднем по сравнению с
обычным выращиванием на 5—6%, а падеж уменьшился на 1,1 —
2,9%.
§ 6. Источники высокого напряжения
Для питания электрозерновых машин требуются источники высо-
кого напряжения постоянного тока напряжением 30—70 кВ при
токе не более 10 мА. Такие же источники необходимы и для пита-
ния других установок электротехнологии, таких, как электроуста-
новки для окраски деталей в электрическом поле, для электриза-
ции и осаждения аэрозолей и ядохимикатов, для аэроионизации
в животноводстве и др.
В настоящее время наибольшее распространение получили вы-
соковольтные выпрямительные установки (ВВУ). Например, про-
мышленность выпускает высоковольтные кенотронные аппараты
АИИ-70 для испытания изоляции, В-140-5 для электроокраски,
В-100-20, различные высоковольтные выпрямительные устройства
для рентгеноустановок и др. Мощность таких установок, как пра-
вило, невелика и составляет порядка 0,5—5 кВ-А.
Наиболее ответственным и громоздким аппаратом высоковольт-
ных выпрямительных устройств является повышающий трансфор-
матор. Чем выше напряжение, тем труднее осуществить изоляцию
обмоток и тем больше его габариты и меньше надежность. Поэтому
в выпрямительных устройствах нашли применение схемы умноже-
ния напряжения (рис. 137), позволяющие получать на выходе на-
пряжение, в несколько раз превышающее напряжение вторичной
обмотки трансформатора.
Схема, изображенная на рисунке 137, а, работает следующим
образом. В полупериод, когда на верхнем конце вторичной обмотки
трансформатора будет положительная полярность, ток потечет че-
рез конденсатор и кенотрон. Так как падение напряжения в кено-
троне мало, то почти все напряжения прикладывается к конденса-
тору и он заряжается до амплитуды напряжения на вторичной
обмотке трансформатора. В следующий полупериод, когда напря-
жение трансформатора начнет менять свой знак, оно будет скла-
дываться с напряжением конденсатора и при достижении напряже-
нием трансформатора его амплитуды общее напряжение на конден-
300
6
Рис. 137. Схемы -умножения на-
пряжения:
а — удвоения с пульсирующим напря-
жением; б — удвоения с постоянным
напряжением; в—утроения с пульси-
рующим напряжением; г — учетверения
с постоянным напряжением.
саторе и обмотке трансформатора будет удвоено. Это удвоенное
напряжение одновременно является обратным напряжением на
вентиле. Фактическое значение напряжения на нагрузке Rs будет
несколько меньше двойной амплитуды напряжения из-за некото-
рого снижения напряжения на обкладках конденсатора вследствие
его разряда в промежутке времени между зарядками. На нагрузке
возникает пульсирующее напряжение, которое изменяется от нуля
до почти двойной амплитуды напряжения вторичной обмотки транс-
форматора.
На рисунке 137, б изображена схема удвоения с постоянным на-
пряжением.
Когда на верхнем конце высоковольтной обмотки трансформато-
ра плюс, через вентиль V2 заряжается конденсатор С2 до максималь-
ного напряжения трансформатора. В следующий полупериод, когда
плюс будет на нижнем конце высоковольтной обмотки трансформа-
тора, через вентиль V} заряжается конденсатор Ci также до макси-
мального напряжения трансформатора. Так как ток заряда конден-
саторов направлен в одну сторону по направлению сплошных стре-
лок и конденсаторы соединены последовательно, а каждый из них
заряжен до максимального напряжения трансформатора, то их на-
пряжения складываются и между их крайними зажимами в каждый
полупериод действует почти удвоенное напряжение.
Кенотроны находятся под пульсирующим напряжением, значе-
ние которого изменяется от нуля до двойного максимального на-
пряжения трансформатора. Трансформатор и конденсаторы долж-
ны быть рассчитаны на половину выпрямленного напряжения.
Схему утроения напряжения (рис. 137, в) разработал в 1926 г.
советский инженер В. А. Витка. В настоящее время она нашла ши-
рокое применение в рентгенотехнике.
361
Работа схемы происходит следующим, образом. В тот полупе-
риод, когда нижний конец высоковольтной обмотки трансформато-
ра имеет положительный потенциал, происходит одновременно за-
ряд конденсаторов Ci через вентиль 16 и С2 через вентиль 1/2-
Конденсаторы заряжаются параллельно. Через трансформатор в
этот полупериод будет проходить сумма зарядных токов обоих
конденсаторов и тока через нагрузку. Если принять, что конденса-
торы заряжаются до максимального напряжения трансформатора,
то в момент t-Tf^ напряжение на нагрузке /?н равно разности
суммарного напряжения конденсаторов С-. и С2 и трансформато-
ра. Так как в этот момент напряжение трансформатора направле-
но противоположно напряжениям конденсаторов, суммарное на-
пряжение на нагрузке равно амплитуде напряжения трансфор-
матора.
В тот момент, когда напряжение трансформатора переходит
через нуль, напряжение на нагрузке равно сумме напряжений
обоих конденсаторов, то есть двойному максимальному напряже-
3 Т
нию трансформатора. В следующий полупериод, в момент ,
то есть когда напряжение трансформатора изменило свой знак и
проходит через максимум, оба конденсатора и трансформатор как
бы включаются последовательно, их напряжения, направленные в
одну сторону, складываясь, дают утроенное напряжение на зажи-
мах нагрузки
Таким образом, на зажимах нагрузки действует пульсирующее
напряжение, меняющееся в пределах от одинарного до утроенного
максимального напряжения трансформатора.
Значительный интерес представляет схема умножения напря-
жения, приведенная на рисунке 137, г. Часть схемы, включающая
трансформатор 1\, конденсатор <6 и вентиль 1/ь представляет со-
бой схему удвоения с пульсирующим напряжением (рис. 137, а).
В полупериод, когда нижний конец вторичной обмотки трансфор-
матора имеет положительную полярность и напряжения конденса-
торов и трансформатора складываются, конденсатор С2 через вен-
тиль V2 заряжается до напряжения, равного удвоенной амплитуде
напряжения трансформатора.
Первая ступень схемы позволяет получить удвоенное постоянно
действующее напряжение на конденсаторе С2. Следующая, вторая
ступень схемы, включающая С3, V3, V4 и С4, позволяет в следую-
щие полупериоды через вентиль Е3 зарядить до такого же напря-
жения конденсатор С3 и через вентиль 1/4 — конденсатор С4. Та-
ким образом, на нагрузке получилось учетверенное напряжение.
Добавляя еще третью, четвертую и другие ступени, можно полу-
чить ушестерение, увосьмерение и другие умножения напряжения.
Для питания установок электротехнологии могут быть исполь-
зованы схемы умножения с полупроводниковыми диодами. Чем
выше допустимое напряжение диодов, тем меньше ступеней умно-
жения и экономичнее источник питания.
302
В установках электронно-ионной технологии в качестве меры
безопасности для защиты людей в случае прикосновения к корони-
рующим электродам можно применять ограничительное сопротив-
ление, включаемое последовательно с коронирующими электрода-
ми. Это сопротивление должно ограничивать ток через человека в
случае прикосновения его к электродам до безопасного значения
порядка /б = 0,005 А. В этом случае защитное сопротивление
R3>~~R4,
‘в
где R4—сопротивление тела человека, принимаемое равным
1000 Ом;
U — выпрямленное высокое напряжение источника питания.
В качестве дополнительной меры безопасности может быть ис-
пользовано специальное реле, которое срабатывает и отключает
источник питания при увеличении тока утечки или тока с корони-
рующих электродов в случае приближения к ним заземленного
предмета.
Глава XV
ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
§ 1. Электрообработка грубых кормов
В Украинской сельскохозяйственной академии разработан
электрический способ обработки соломы, в котором сочетается
тепловое и химическое действие электрического тока. Установка
для обработки соломенной резки переменным током представляет
собой деревянный ящик, разделенный на три равные части. На дне
каждого отсека и сверху на соломенной резке устанавливают элек-
троды из листовой стали, нижние электроды присоединяют к нуле-
вому, а верхние — к фазным проводам сети. Установку загружают
соломенной резкой, увлажняют 2-процентным содово-солевым рас-
твором кальцинированной соды и поваренной соли и ночью, в пе-
риод провала суточного графика нагрузки, включают в сеть. На-
гревание соломенной резки при прохождении через нее перемен-
ного тока ускоряет химические реакции. При этом пар способствует
протеканию реакций, обеспечивая существенное изменение уг-
леводно-лигнинового комплекса соломы. В результате такой обра-
ботки переваримость и усвояемость соломенной резки повышается
в 1,5—2 раза.
Удельная электропроводность соломенной резки при 20° С
T = 0,9-10-6(0,031F—1)(1 + 1,105 К) р2, (390)
где W— степень увлажнения, %;
К—концентрация раствора, %;
303
Рр — плотность укладки соломенной резки в- пересчете на воз-
душно-сухую, кг/м3.
Электропроводность соломенной резки имеет линейную зависи-
мость от температуры при изменении последней от 0 до 85° С,
увеличиваясь при ее повышении.
При температурах 85—100°С происходит подсыхание приэлек-
тродных слоев резки, вследствие чего степень роста ее проводи-
мости с повышением температуры уменьшается. При повышении
температуры резки от 15 до 100° С ее проводимость увеличивается
в 2,5—3 раза.
Проводимость соломы поперек стеблей в 8—9 раз меньше, чем
вдоль стеблей. Последнее объясняется тем, что проводимость со-
ломы в основном обусловлена ее капиллярной проводимостью
вдоль стеблей.
Проведенные в УСХА исследования показали, что напряжен-
ность электрического поля возле электродов в 10—15 раз больше,
чем в средней части запарника.
В значительной степени это можно объяснить тем, что частицы
соломенной резки возле электродов стремятся расположиться па-
раллельно электродам благодаря направляющему действию по-
следних. Это приводит к повышению градиента напряжения в этой
части запарника. Неравномерность электрического поля в запар-
нике приводит к перегреву и подсушиванию приэлектродных сло-
ев резки. Если средняя напряженность поля превышает 5 В/см, то
возле электродов происходит подгорание корма, особенно если
электроды сетчатые или с отверстиями, напряженность поля возле
которых возрастает. Поэтому такие электроды применять нежела-
тельно.
Если в начальный период резка имеет удельную электропро-
водность ун, то начальная и последующая мощности установки со-
ставляют соответственно
Рн = ^-2- (391)
и
Р = РН[1 +«(/-/„)] =РИ(1 +аД0, (392)
где V—объем запарника, м3;
I — расстояние между электродами, м;
U—фазное напряжение между электродами, В;
а—температурный коэффициент проводимости резки, 1/°С
(а = 0,025—0,030 1/°С);
/н— начальная температура резки, °C;
t—температура резки после включения установки, °C;
А/—приращение температуры запариваемого корма, °C.
Формула (392) применима при г^85°С.
Приращение температуры резки, потребляемую установкой
мощность и продолжительность нагрева в часах до Д£°С пере-
304
рада температуры можно определить по следующим формулам:
3,6 г]Р„ а
3,6 TiPHa •
Р = Р„е cv
= СУ In (at + 1)
3,6 т]Рн а
где Л — к. п. д. установки;
С—объемная теплоемкость резки, кДж/(м3-°C).
Расход электроэнергии на обработку одной тонны воздушно-
сухой соломы не превышает 150 кВт-ч.
§ 2. Применение электроосмоса для повышения
плодородия почв
Сущность явления электроосмоса в почве заключается в пере-
мещении ионов соответственно к отрицательному и положительно-
му электродам с захватом небольшой части молекул влаги.
Установлено, что если к корпусу плуга подвести минус от источ-
ника постоянного тока, а плюс заземлить, то влага, выделяющаяся
на плуге, образует смазывающую тонкую пленку, обеспечивающую
снижение тягового сопротивления до 25—35% в зависимости от
состава и состояния почвы, а также от силы тока.
Во многих районах в почве не хватает микроэлементов меди,
марганца, кобальта и других металлов. Например, выявлено, что
25 млн. га болотных почв европейской части СССР нуждаются
в микроэлементах меди. Опытами установлено, что внесение в бо-
лотные почвы недостающих микроэлементов меди значительно по-
вышает урожайность культур, иногда в 2 и более раз.
Известно, что растения усваивают металл в виде ионов. Поэто-
му заслуживает внимания электроионный способ введения микро-
элементов в почву, предложенный инженером В. Н. Алексеенко.
На плуге вместо ножа или вместе с ним устанавливают изоли-
рованную от плуга углубляющуюся пластину в виде ножа или ди-
ска из того металла, микроэлементы которого вносятся в почву.
На пластину подается плюс, а на плуг — минус от источника тока.
При углублении пластины и плуга между ними течет ток по почве.
Влага почвы служит проводником второго рода, и заряды в ней
перемещаются при помощи ионов. Ионы металла пластины вно-
сятся во влагу и перемещаются вместе с частицами влаги к кор-
пусу плуга, чтобы отложиться на нем. Но поскольку почвенная
масса при движении плуга шлифует поверхность корпуса, микро-
элементы остаются в почве. Их‘количество обусловливается силой
тока, которую можно регулировать изменением напряжения источ-
ника тока или изменением сопротивления электрической цепц.
20—475 305
— , (393)
(394)
(395)
Количество растворенного металла (анода) может быть опре-
делено по закону Фарадея (г)
М = qlx, (396)
где q—электрохимический эквивалент, г/(А-ч) (для меди q =
= 1,2 г/(А-ч);
/ — ток, А;
т— время, ч.
По подсчетам В. Н. Алексеенко, для внесения в почву 100 г ме-
ди на 1 га при работе с пятикорпусным плугом потребуется / = 83А
при £7 = 249 В, то есть мощность 21 кВт. Такая мощность может
быть получена от вала отбора мощности трактора.
Основное достоинство рассмотренного способа внесения микро-
элементов в почву заключается в равномерном распределении по
площади при малом их количестве (до 100—300 г/га). Существен-
но также то, что металл вводится в почву в виде ионов, хорошо
усваиваемых растениями. Процесс внесения микроэлементов не
связан с дополнительной обработкой почвы, а осуществляется по-
путно в период вспашки.
§ 3. Электрорассоление засоленных почв
Значительное увеличение производства сельскохозяйственной
продукции и в первую очередь зерна можно получить путем рас-
соления засоленных почв и ввода их в эксплуатацию.
Общая площадь засоленных почв по Советскому Союзу при-
мерно равна 50 млн. га, что составляет около 20% всей посевной
площади СССР.
Наряду с другими способами особого внимания заслуживает
восстановление плодородия засоленных почв при помощи постоян-
ного тока.
Засоленные почвы содержат углекислую и двууглекислую соду,
легко растворимые минеральные соли соляной кислоты и другие,
большая часть которых вредно отражается на росте и развитии
сельскохозяйственных растений. Соли проникают в корневую си-
стему из ризосферы, возникает значительное осмотическое давле-
ние внутри корневой системы, и растение теряет способность по-
глощать питательные вещества из почвенной среды.
Протекая через засоленную водонасыщенную почву, постоян-
ный ток увеличивает растворимость и подвижность труднораство-
римых солей, а также вызывает электролиз и электроосмос в поч-
ве, что совместно с гидродинамическими потоками увеличивает со-
левую отдачу почвы.
Исследования показали, что наиболее интенсивно процесс рас-
соления щелочных сульфато-хлоридных солончаковых почв проис-
ходит при плотности постоянного тока 0,1 А/м2. Генетический
горизонт в этом случае составляет 69—80 см. Электроды могут
быть трубчатые или пластинчатые.
306
Удельное электрическое сопротивление почвы зависит от влаж-
ности, концентрации ’солей, температуры, физико-механического
и химического состава. Чем больше влажность почвы, содержание
солей и температура, тем меньше удельное сопротивление.
Длина участка воздействия (м)
I = — , (397)
/Р
где U — напряжение на электродах, В;
j—принятая плотность тока, А/м2 (0,1 А/м2);
р — удельное сопротивление почвы, Ом-м.
Для стабилизации тока воздействия можно применять ферро-
резонансные стабилизаторы напряжения с балластным реактив-
ным сопротивлением или других типов.
Мощность на участке воздействия (Вт)
Р = UjS, (398)
где S — поперечное сечение почвы участка воздействия, м2.
Расход электроэнергии на гектар рассоленной почвы зависит
от принятой плотности тока и удельного сопротивления почвы. На-
пример, расход электроэнергии на гектар почвы на Ерасхаунской
опытной станции Армянской ССР составил 19 400 кВт-ч. В этом
случае для одновременной обработки гектара почвы потребовалась
мощность 18 кВт.
При стоимости электроэнергии 1 коп/(кВт-ч) приведенные за-
траты на электрорассоление почв в Армянской ССР на 12% мень-
ше, чем при распространенном методе кислования, и на 32%
меньше, чем при кисловании с применением железного купороса.
Продолжительность электрорассоления по сравнению с первым
случаем кислования в 20 раз меньше, а по сравнению со вторым —
в 2,7 раза.
Рассоление почв с использованием электрического тока в поле-
вых условиях осуществляют следующим образом. Участки, подле-
жащие рассолению, предварительно подготавливают к промывке
по обычной технологии. Затем в соответствии с планировкой и
электрическими свойствами почвы монтируют систему электродов
(анодов и катодов), которые погружают в почву на определенных
расстояниях друг от друга. Одноименные электроды соединяют
в линии, подключаемые к выпрямительной установке. Поскольку
процесс электрорассоления возможен лишь в водонасыщенной поч-
ве, подготовленные чеки заполняют водой. После этого выпрями-
тельную установку подключают к источнику питания.
Результаты полевых опытов в Узбекской, Азербайджанской и
Армянской ССР показали, что электрорассоление почв эффективно
особенно на трудно мелиорируемых хлоридно-сульфатных почвах.
Большое количество таких почв находится в Средней Азии. Сильно
засоленные почвы этого типа, обладающие невысокими фильтра-
ционными свойствами, можно рассолить на глубину одного метра
20*
307
в течение 1—P/s месяцев при расходе электроэнергии 6000—
20 000 кВт-ч и пресной воды не более 5000—6000 м3 на гектар.
По существующим нормам аналогичную работу при обычной про-
мывке выполняют за 6—8 месяцев при расходе пресной воды
15—20 тыс. м3/га, которая особенно дефицитна в условиях засолен-
ных почв.
По предварительным расчетам ВИЭСХа, на электрорассоление
1 га земли в зависимости от степени засоления затрачивается 3§0—
400 рублей. На рассоление таких земель в Голодной степи Узбек-
ской ССР на глубину 1 м предусматриваются затраты 370—
380 руб/га. Однако эти затраты не учитывают стоимости расходуе-
мой пресной воды и ущерба из-за изъятия земельных площадей из
хозяйственного пользования на время капитальной промывки.
С учетом этого, по данным ВИЭСХа, экономический эффект от
внедрения электрорассоления может быть оценен минимум в 200—
400 рублей на каждый гектар при освоении новых земель или
восстановлении плодородия засоленных старопахотных почв. •
§ 4. Воздействие электрического тока на растения
Еще И. В. Мичуриным было отмечено положительное влияние
электризации почвы при выращивании сеянцев винограда, груш,
яблонь и др.
При эксплуатации сельских линий электропередач, выполнен-
ных по системе ДПЗ, было замечено, что вдоль трассы линий вы-
растала пышная растительность. Положительный эффект наблю-
дался при выращивании овощных культур в парниках с электрод-
ным обогревом почвы.
Значительный интерес представляют исследования кандидата
технических науй доцента В. А. Шустова, проведенные в Ленин-
градском сельскохозяйственном институте по выявлению опти-
мальных плотностей переменного и постоянного токов, обеспечи-
вающих значительное увеличение урожая овощных культур в ус-
ловиях защищенного грунта.
На рисунке 138 приведены зависимости массы собранного са-
лата и редиса от плотности тока в почве, изменяющейся от 0,13 до
1,0 мА/см2. Из кривых видно, что переменный ток плотностью
0,5 мА/см2 оказывает наибольшее благоприятное действие на кор-
невую систему овощных культур, особенно при угольных электро-
дах. Постоянный ток в диапазоне плотностей от 0,13 до 1,0 мА/см2
оказывает отрицательное действие, так как полученный выход зе-
леной массы овощных культур из опытных ящиков был значитель-
но ниже, чем из контрольных. Анализируя графические зависимо-
сти, можно также заметить, что начиная от плотности тока
0,13 мА/см2 и ниже, сбор зеленой массы растений при пропускании
постоянного тока (электроды угольные) оказывается больше, Чем
при пропускании переменного тока.
Исследования действия постоянного тока с меньшими плотно-
308
стями показали, что наиболь-
ший сбор зеленой массы са-
лата и редиса был получен
при плотности тока в почве
0,01 мА/см2.
Увеличение урожая при
плотностях 0,5 мА/см2 пере-
менного и 0,01 мА/см2 постоян-
ного тока составляло 40% по
сравнению с контролем. При
этом длительность прохожде-
ния тока в почве была 12 ч
ежесуточно в дневной период.
При переменном токе плот-
ность 0,5 мА/см2, помимо бла-
гоприятного воздействия на
растения, достаточна для обо-
грева почвы в теплицах и пар-
никах в холодное время года,
а при постоянном токе плот-
ность 0,01 мА/см2 весьма мала
и будет лишь обеспечивать
Рис. 138. Зависимость урожая зеле-
ной массы салата и редиса (грамм
на ящик) от плотности тока, прохо-
дящего через почву:
1 — переменный ток, угольные электроды;
2 —переменный ток, стальные электроды;
3 — постоянный ток, стальные электроды;
4 — постоянный ток, угольные электроды.
положительное электрическое
, воздействие на корневую систему растений.
Для ориентировочных расчетов установок, предназначенных
для воздействия электрического тока на растения, можно пользо-
ваться следующими исходными данными.
Сила тока на участке воздействия
1000
(399)
где /—принятая оптимальная плотность тока, мА/см2;
S — поперечное сечение почвенного слоя, см2.
В реальных условиях сила тока через почву будет определяться
напряжением на электродах и сопротивлением слоя почвы между
этими электродами. Расстояние между электродами выбирают так,
чтобы получить требуемый ток. В этом случае
Z = — , (400)
/р
где р — удельное сопротивление почвы при заданной ее температу-
ре и влажности, Ом-см.
Мощность, потребная для воздействия электрического тока на
растения,
Р = Р1Я = (401)
где Рг— мощность на одном участке воздействия, Вт;
309
п— число участков воздействия;
L — длина почвенного слоя, на котором происходит воздейст-
вие электрического тока на растения, см.
Участок воздействия представляет собой часть почвенного слоя
длиной I, заключенного между электродами, к которым подводит-
ся напряжение U.
Для точного получения требуемого значения тока в производст-
венных условиях эксплуатации целесообразно предусмотреть регу-
лирование напряжения, а также автоматическое поддержание тре-
буемого значения тока и заданного времени включения установки
в дневные часы суток.
Глава XVI
ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЕ УСТАНОВКИ
§ 1. Электрические изгороди
Электрическая изгородь представляет собой стальную проволо-
ку, закрепленную на изоляторах, на которую импульсами подается
высокое напряжение от специального электропульсатора. Во время
прикосновения к изгороди происходит электрический удар, который
не представляет опасности для жизни и здоровья животных, но
достаточен для вырабатывания условного рефлекса «боязни» при-
косновения к ограждающей проволоке. Исследования и практика
использования электрических изгородей показали, что количество
электричества до 3 мА-с, прошедшее через животное, не опасно для
его здоровья.
Электрические изгороди применяются для загонной пастьбы
скота, свиней, овец и других животных, а также для ограж-
дения летних лагерей, выгульных площадок, прогонов, стогов сена,
участков культур и других мест, охраняемых от животных или опа-
сных для них.
Электрическая изгородь состоит из ограждения, генератора
электрических импульсов высокого напряжения и источника пита-
ния. Ограждение выполнено в виде изгороди в один или несколько
проводов мягкой стальной оцинкованной проволоки диаметром
1 —1,5 мм, подвешенной на изоляторах опорных стоек. Число про-
Таблица 34
Животные Количество проводов Высота подвеса проводов, см Расстояние между опорными стойками, м
Крупный рогатый скот 1 85 15—20
Молодняк крупного рогатого 1 70 15—20
скота (до 1 года)
Свиньи 2 30; 65 10-^15
Овцы 3 25; 55; 85 10—15
Птица 5 10; 25; 40; 55; 70 8—10
310
водов, высоту подвеса и расстояние между стойками выбирают
в зависимости от вида и возраста животных (табл. 34).
В Советском Союзе промышленные образцы электроизгородей
укомплектованы электропульсаторами типа ЭП и ИЭ, последние
модификации которых представлены в таблице 35.
Таблица 35
Марки электропуль- саторов Основные технические данные электропульсаторов
первичное напряже- ние, В амплитуда вторичного импульсного напряжения, кВ амплитуда импульсного тока, мА количество элек- тричества в им- пульсе тока (не более), мА.с число импульсов в минуту масса, кг
ЭП-3 7,8 9—12 До 120 1,6 60—80 9,0
ЭП-4 220 20—24 86—112 1,5 60—80 6,4
ИЭ-200 220 6—8 До 700 0,15—0,3 60—120 11,0
эксплуатации ЭП-3
показал, что они расходуют значи-
Опыт
тельное количество электроэнергии и требуют замены блоков пита-
ния. Другой недостаток электропульсаторов маятникового типа
заключается в недостаточной надежности движущихся частей элек-
тромагнитно-маятниковой системы и управляемых ею электричес-
ких контактов, замыкающихся и размыкающихся около 3600—
4800 раз в течение часа. Для экономии электроэнергии при вырабо-
танном у животных условном рефлексе «боязни» изгороди электро-
пульсатор включают не на все время пастьбы, а лишь на несколько
часов. Кроме этого, питание пульсатора надо отключать, когда из-
городь не работает.
С точки зрения повышения надежности работы и уменьшения
расхода электрической энергии заслуживают внимания бесконтакт-
ные электропульсаторы электронного типа изгороди ИЭ-200, кото-
рые выпускаются с 1971 г. взамен ЭП-3.
На рисунке 139 показана принципиальная электрическая схема
пульсатора ИЭ-200 с источниками питания и переключающими
устройствами.
В качестве источника питания генератора импульсов использу-
ются четыре батареи сухих элементов напряжением 45 В каждая,
включаемые последовательно, или сеть переменного тока напряже-
нием 220 В через штепсельный разъем Ш. Если тумблер 1В нахо-
дится в положении «Включено», то контакты 1В2, 1ВЗ, 1В4 замкну-
ты, а 1В1 разомкнут и.питание электропульсатора осуществляется
через замкнутые контакты Р2 и Р4 от батарей сухих элементов,
соединенных последовательно. Если тумблер 1В поставить в поло-
жение «Выключено», то контакты 1В2, 1ВЗ, 1В4 разомкнутся, 1В1
замкнется, реле Р разомкнет контакты Р2 и Р4 и замкнет Р1 и РЗ
и через диоды Д1 и Д2 выпрямленное однополупериодное напря-
жение с амплитудой 220 2 будет подано на генератор импульсов.
При положении переключателя 2В на «Сила импульса меньше»
контакты 2В1 и 2В2 разомкнуты и емкость С2 заряжается через ре-
311
зисторы R3, R4, R5. При установке тумблера ЗВ на режим «Авт»
контакты ЗВ1 и ЗВЗ будут замкнуты, а ЗВ2 и ЗВ4 — разомкнуты.
В этом случае одновременно с подачей напряжения на емкость
С2 это напряжение также подается на делитель напряжения, со-
стоящий из резисторов R6, R8, R9, R10.
По мере заряда емкости*С2 и возрастания на ней напряжения
повышается напряжение и на заряжающемся конденсаторе С5 до
тех пор, пока не будет достигнуто значение напряжения зажига-
ния тиратрона Л. При зажигании тиратрона Л конденсатор С5
разряжается через Л, ограничивающий резистор R7, цепь управ-
ления тиристором Д4 и первичную обмотку трансформатора Тр.
Вследствие этого тиристор Д4 открывается и конденсатор С2, за-
пасший значительный заряд, разряжается непосредственно через
первичную обмотку трансформатора Тр, вызывая во вторичной об-
мотке импульс высокого напряжения. »
Так как вторичная обмотка трансформатора Тр через замкну-
тые контакты ЗВЗ тумблера ЗВ подключена к земле, то при при-
косновении животного к линии изгороди оно получает электричес-
кий удар. Частоту импульсов можно регулировать при помощи из-
менения сопротивления резистора R5 от 60 до 120 импульсов в ми-
нуту. Диод ДЗ служит для защиты тиристора Д4 от обратного пе-
ренапряжения, возникающего во время переходного процесса при
разрядке конденсатора С2.
Если тумблер ЗВ установить в положение «Ждущий режим»,
то его контакты ЗВ4 и ЗВ2 будут замкнуты, а ЗВЗ и ЗВ1 разомкну-
312
ты. В этом случае напряжение, которое возникает на емкости С2,
через замкнутые контакты Р7 и ЗВ4 подается на вторичную обмот-
ку трансформатора Тр, а через нее и на линию изгороди. Импульс
высокого напряжения на линии изгороди появится только при при-
косновении к ней животного, когда замыкается цепь тока от линии
изгороди через тело животного на землю. Цепь тока от напряже-
ния на С2 будет замкнута через контакты Р7, ЗВ4, вторичную об-
мотку трансформатора Тр, линию изгороди, тело животного, зем-
лю, контакты Р5, ЗВ2, резисторы R8, R9, R10. Сила тока в этой
цепи составляет 0,1 мА. С возникновением тока в этой цепи начина-
ется зарядка конденсатора С5 до напряжения зажигания тиратро-
на Л.
Далее образуется импульс в последовательности, изложенной
выше. Импульс высокого напряжения в линии изгороди появляет-
ся после прикосновения к ней животного через 0,2 с.
При импульсе высокого напряжения в цепи вторичной обмотки
трансформатора Тр через линию изгороди и тело животного высо-
кое напряжение будет приложено к разряднику Рр, который про-
бивается, и животное получает электрический удар. Если животное
продолжает касаться проволоки изгороди, то импульс повторяется.
Когда животное перестает касаться проволоки, электропульсатор
снова переходит в ждущий режим.
Ждущий режим используется также для контроля изоляции лц-
нии изгороди. При уменьшении сопротивления изоляции линии ни-
же 1,5 МОм схема переходит в автоматический режим, когда им-
пульсы автоматически повторяются, о чем можно судить по ми-
ганию тиратрона Л.
При питании изгороди от сети контакты Р7 и Р5 будут разом-
кнуты и генератор импульсов может работать только в автомати-
ческом режиме при установке тумблера ЗВ на режим «Авт».
Если скот привык к изгороди или изгородь длинная, а также
при пастьбе свиней и в других случаях необходим импульс боль-
шей силы для более эффективного воздействия на животных. Для
этого тумблер 2В переключают в положение «Больше», при кото-
ром замыкаются контакты 2В2 и 2В1, которые к конденсатору С2
параллельно подключают дополнительные конденсаторы СЗ, С4 и
закорачивают резистор R4, тем самым сохраняя ранее установлен-
ную частоту импульсов.
Резисторы R1 и R2 выравнивают обратный потенциал на диодах
Д1 и Д2. Конденсатор С1 предохраняет диоды Д1 и Д2 от перена-
пряжений, возникающих во время переходного процесса при обра-
зовании импульса высокого напряжения, а также предотвращает
радиопомехи. Разрядник Рр изолирует от земли цепь управления
тиратроном Л и на нее не проникает импульс напряжения со сто-
роны линии изгороди в ждущем режиме.
Когда тумблер 2В установлен на положение «Больше», ЗВ —
на «Авт» и ось резистора R5 — на «Больше», электропульсатор по-
требляет наибольшую мощность и, следовательно, сокращается
313
срок службы батарей. Поэтому при питании генератора импульсов
от батарей и в случае пастьбы «обученного» к электроизгороди ско-
та целесообразно тумблер 2В и ось резистора R5 устанавливать в
положение «Меньше», а тумблер ЗВ — в положение «Ждущий ре-
жим».
Для выработки у животных условного рефлекса боязни изгоро-
ди по одну ее сторону на расстоянии 0,5—1 м от нее надо разло-
жить корм для приманки животных, а по другую сторону выпус-
кать животных группами по 10—20 голов. Пытаясь подойти к кор-
му, они прикасаются к проволоке изгороди и, получив электричес-
кий удар, отбегают.
Изгородью ИЭ-200 можно огораживать максимально 4 га пло-
щади при длине проволоки 800 м и комплектных стойках, а при до-
полнительных стойках и проволоке длиной 1400 м — до 12 га. Мощ-
ность, потребляемая электроизгородью при питании от сети, 11,5 Вт,
от батарей в автоматическом режиме 0,19—1,26 Вт и в ждущем ре-
жиме 0,036 Вт. В таблице 36 приведены сроки службы одного ком-
плекта батарей.
Таблица ЗВ
Режим работы Положение пере- ключателя 2В Частота импуль- сов, имп/мин Срок службы батарей, ч
Автоматический «Больше» 120 185
60 370
«Меньше» 120 620
60 1240
Ждущий 6500
Для определения числа зарядов-разрядов в секунду конденса-
торов С2, СЗ, С4 электроизгороди (рис. 139) необходимо опреде-
лить время заряда т3 и разряда тр для одного цикла. Продолжи-
тельность искрового разряда составляет от нескольких микросе-
кунд. до нескольких сотен микросекунд. Так как сопротивление в
цепи заряда во много раз больше сопротивления в цепи разряда
и т3^>тр, то тр можно пренебречь.
Напряжение на емкости в период зарядки конденсаторов от ак-
кумуляторной батареи составит
— т
где Дн — номинальное напряжение аккумуляторной батареи.
Зарядка конденсаторов закончится при напряжении на них,
равном напряжению разрядки при Uc=Up.
L7p = С7И(1 —
— I
е Тз ). (402)
314
Из
этого выражения путем
преобразований определяем время
заряда т3:
етз — 1 • 1з_ = ]п б'н — б'р .
и» ’ Т3 ин ’
т3= RC 1П---.
Un-Up
Число разрядов (импульсов) в секунду
=------------------------------!-----,
Тз RC In----——
Uh Up
(403)
(404)
где R в омах и С в фарадах.
Задаваясь требуемыми степенями зарядки конденсаторов а=
Up л
= —к и зарядом конденсаторов при режимах работы электроиз-
иъ
городи «Меньше» и «Больше» и напряжении на конденсаторах, рав-
ном напряжению разряда Uv, можно определить емкости для этих
режимов
С = (405)
Ор
где q — требуемый заряд, Кл;
t7p — разрядное напряжение, В.
Зная С для обоих режимов и требуемую частоту импульсов f,
можно определить зарядные сопротивления в цепи зарядки конден-
саторов:
R =-------!-----, (406)
fC In -----
1 — а
где С—емкость, Ф;
Up
а = —- — степень зарядки конденсаторов.
Un
Средняя мощность конденсаторов составит
С{/2
pc = ^f- (407)
Требуемая мощность источника питания
Рг
Р = —
Пз
(408)
где т]3 — к. п. д. зарядного контура электроизгороди.
315
Для более эффективного использования пастбища и возможно-
сти использования электрической изгороди пастбище разбивают на
полосы (загоны), которые поочередно огораживают электрической
изгородью и траву на каждой полосе затем скармливают живот-
ным. В этом случае уменьшаются потери травы от вытаптывания
и выборочного поедания. Трава в загонах лучше растет без потра-
вы до момента скармливания. Производительность пастбища в
этом случае значительно повышается, то есть на той же самой пло-
щади вырастает больше травы. Из литературных источников изве-
стно, что производительность пастбища при однодневной загонной
пастьбе увеличивается до 20—25%.
Рассмотрим некоторые расчеты по использованию электричес-
кой изгороди для загонной пастьбы животных.
Общее количество сырой травы (кг), потребное для животных
с площади огораживаемого загона,
G = GrnN, (409)
где Gx—количество сырой травы, потребное для одного животно-
го в день, кг/(жив. день);
п — количество животных в стаде;
N — число дней пастьбы в одном загоне.
Однодневную норму травы на одно животное Gi можно узнать
у местного зоотехника. Ее значение зависит от питательной цен-
ности травы, вида, возраста и продуктивности животных.
С другой стороны,
G = SG[, (410)
где S —огораживаемая площадь загона, м2;
Gj —среднее количество сырой травы, получаемой с 1 м2 за-
гона.
Для определения одной из величин, входящих в равенства (409)
и (410) при известных других величинах, надо приравнять правые
их части и определить требуемую величину. Например, число дней
пастьбы в одном загоне
SG,'
N = -^, (411)
и^п
или при N= 1
Gtra
S=^7. (412)
При установке электрической изгороди надо исключить касание
проволоки какой-либо растительности. Если трава достигает высо-
ты 70—80 см, то необходимо делать прокосы. Электроиульсатор
должен быть заземлен.
Ремонтировать электроизгородь, находящуюся под напряжени-
ем, запрещается. Вскрывать электропульсатор разрешается толь-
ко после отключения от источника питания. В местах, наиболее
316
опасных для людей, в первую очередь у источников питания, необ-
ходимо вывешивать предупредительные плакаты с надписью
«Опасно! Электрическое напряжение» или «Опасно! Электрическая
изгородь». Для обнаружения импульсов высокого напряжения в
проволоке изгороди можно применять индикатор напряжения.
Электрическая изгородь малогабаритна, удобна в эксплуатации.
Один человек ее легко может переставить на другое место в тече-
ние 2—3 часов. Применение электрических изгородей дает возмож-
ность на 50% сократить количество пастухов, а при высокой куль-
туре организации пастбищного хозяйства полностью обходиться
без пастухов.
§ 2. Электроискровая обработка металлов
' Обработка металлов импульсами электрического тока называ-
ется электроэрозионной или электроискровой обработкой.
Электроискровой метод обработки металлов был открыт в
1943 г. советскими инженерами Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазарен-
ко. Этот способ основан на использовании явления электрической
эрозии металлов, то есть разрушения электродов под действием
электрического разряда. Сущность способа электроискровой обра-
ботки металлов заключается в использовании разрушающего дей-
ствия электрических искровых разрядных импульсов между элек-
тродами, сближаемыми на расстояние, пробиваемое данным напря-
жением [2, 18]. Каждый искровой импульс вызывает местное раз-
рушение материала анода в виде углубления — лунки.
Для уяснения принципа работы электроискровой установки рас-
смотрим электрическую схему с генератором импульсов (рис. 140).
Эта схема состоит из источника постоянного тока, реостата R, кон-
денсатора С, электродов, искрового промежутка в диэлектрической
жидкости и измерительных приборов. В качестве жидкости чаще
всего используют керосин, дизельное топливо, соляровое масло,
трансформаторное масло и другие минеральные масла, а в послед-
нее время — водные растворы электролитов и дистиллированную
воду. Электрод Э; называется электродом-инструментом, а электро-
дом Э2 является обрабатываемая деталь.
Схему электроискровой установки принято разделять на два
контура: питающий, или зарядный, и разрядный. Первый на схеме
показан тонкими линиями, а
второй — более жирными. Если разрядное напряже- ние на электродах больше на- пряжения источника постоян- ного тока, то при включении питания промежуток не проби- вается, а конденсатор С заря- жает£я до напряжения источ- ника питания в течение време- /Гр?г Т" Рис. 140. Схема электроискровой ус- тановки с генератором RC.
317
ни, пропорционального емкости конденсатора С и сопротивлению
цепи зарядки R.
Для получения искровых импульсных разрядов между электро-
дами устанавливают такой промежуток, чтобы он пробивался на-
пряжением Up, меньшим, чем напряжение источника питания.
В этом случае при включении источника питания напряжение на
конденсаторах, а следовательно, и на искровом промежутке будет
возрастать от нуля до напряжения пробоя Up. Запасенная конден-
С и1
сатором энергия ___2. отдается при разрядке кратковременным
2
импульсом тока. Так как время разряда пропорционально емко-
сти конденсатора и сопротивлению дуги искрового промежутка, со-
ставляющему десятые — сотые доли ома, оно во много раз меньше
времени заряда и представляет собой незначительную величину.
Для определения силы импульсного тока и мощности при раз-
ряде рассмотрим процесс разряда конденсаторов.
Напряжение на конденсаторе во время разряда определяется
зависимостью
—т
t/c=t/pZP, (413)
где Тр — постоянная времени цепи разряда, с.
Постоянная времени разряда
Тр = CRp,
где Ro—сопротивление дуги искрового разряда, Ом;
С — в фарадах.
Практически разряд можно считать законченным при
тр^(4-5)Тр.
Ток при разрядке конденсатора
= сир Д. (414)
dt dt Тр Rnp
Мощность разряда
—2т
7/2 Т
P = uci = ^ е Р. (415)
Мгновенные начальные значения тока и мощности импульсного
разряда при т=0 могут быть определены из полученных зависимо-
стей, то есть
С/2
‘о = ^Ро^. (416)
Лр «\р
Если взять С7р=2ОО В, /?р=0,1 Ом, то io = 2OOOA иРо=4ООкВт.
318
Так как /?р составляет десятые — сотые доли ома, начальные
мгновенные значения тока и мощности имеют большие значения.
Импульс тока может достигать нескольких сотен и тысяч ампер, а
импульсная мощность — десятков и сотен киловатт. Вместе с тем
действие разряда распространяется на очень малую площадь ме-
талла в месте касания искры, вследствие чего плотность тока мо-
жет составлять десятки, а в некоторых случаях и сотни тысяч ам-
пер на 1 мм2.
При столь высокой плотности тока в зоне разряда, хотя про-
должительность его весьма незначительна, развивается очень вы-
сокая температура, порядка 10 000° С и более, выделяется значи-
тельное количество тепла, что вызывает взрывообразное плавление
и испарение в месте касания искры металла, каким бы тугоплав-
ким он ни был. Интенсивность эрозии объясняется еще тем, что
благодаря кратковременности разряда выделяющееся тепло на не-
большом участке не успевает распространиться в глубь металла и
рассеяться. В то же время его достаточно для плавления и испа-
рения некоторого количества металла.
Одновременно с воздействием высокой температуры на металл
происходит испарение и разложение окружающей электроды жид-
кости. Образовавшиеся пары и газы вызывают в зоне разряда
очень высокое давление, способствующее вытеснению расплавив-
шегося металла из кратера. Выброшенные капельки металла при-
нимают при охлаждении в жидкости сферическую форму вследст-
вие действия поверхностного натяжения.
Жидкости, применяемые при электроискровой обработке метал-
лов, интенсивно разлагаются с выделением большого количества
газа, создавая большое местное давление, что увеличивает эффек-
тивность обработки, то есть электроэрозию металла.
Возникающее в зоне искрового разряда высокое давление рас-
каленных газов, распространяющееся в стороны с большой скоро-
стью, создает резкий звуковой эффект — сильный треск.
Установлено, что при искровых разрядах в жидкой среде резко
увеличивается количество удаляемого металла. Этому способству-
ет и то, что при заполнении промежутка между электродами жид-
ким диэлектриком значительно повышается скорость восстановле-
ния электрической прочности промежутка после импульсного раз-
ряда. Это создает возможность увеличивать частоту импульсов с
той же энергией, следовательно, можно повысить производитель-
ность. Пределом увеличения частоты циклов является переход ис-
кровой формы разряда в дуговую. Это обусловливается тем, что
промежуток времени между двумя соседними импульсами оказыва-
ется йедостаточным для восстановления диэлектрической прочно-
сти среды между электродами. Возникновение длительного дугово-
го разряда при электроискровой обработке вызывает порчу обра-
батываемого изделия.
В жидкой среде межэлектродный промежуток при тех же раз-
рядных напряжениях во много раз больше, чем в воздухе (в керо-
319
сине в 6 раз, в трансформаторном масле в 8 раз). Это дает воз-
можность обеспечить условия регулирования межэлектродного
промежутка.
Производительность электроискровой установки (мм3/мин)
[18]
Q = (417)
где Рр — мощность в разрядном контуре, Вт;
д—коэффициент пропорциональности, зависящий от тепло-
физических свойств материала электродов, состава ра-
бочей жидкости и длительности импульса, мм3/(мин-
•Вт).
Исследованиями Е. М. Левинсона и Е. И. Владимирова установ-
лено, что количество снятого металла зависит от силы тока корот-
кого замыкания /к, напряжения источника питания и степени за-
рядки конденсаторов а.
Мощность в разрядном контуре при /к= 1А и [/н= 100 В назы-
вают удельной мощностью Руд.
Кривая, показывающая зависимость PyH=f(a), приведена на
рисунке 141.
Пользуясь этой кривой, можно определить мощность Рр из урав-
нения
р __PypJvJJ н
р 100
Из кривой видно, что максимум мощности, выделяющейся в
разрядном контуре, наблюдается при а=72%.
Тогда
7’pmax = 2-4^L = /jfs. (419)
Частоту циклов при степени зарядки конденсаторов а=72% назы-
вают оптимальной, то есть при ней получается наибольшая про-
изводительность.
Оптимальная частота может быть определена по формуле
/оПТ = 21^, (420)
где С — в микрофарадах.
В процессе работы зазор между электродами увеличивается
вследствие разрушения слоя металла детали и износа электрода-
инструмента. Увеличение зазора между электродами приводит к
прекращению электрических разрядов. Для того чтобы зазор меж-
ду электродами оставался неизменным, необходимо одному из
электродов (обычно электроду-инструменту) сообщить движение
подачи.
Подача электрода-инструмента на электроискровых станках мо-
жет быть:
320
1) механической, осуществляе-
Е:ой электрическим или гидравли-
гским приводом с ручной настрой-
ой;
F 2) автоматической, осуществляе-
мой от автоматически регулируемо-
го привода.
Для обеспечения постоянного ре-
жима необходимо, чтобы подача
электрода-инструмента автоматиче-
ски изменялась при изменении усло-
вий обработки, например по мере
внедрения электрода-инструмента
в обрабатываемую деталь. При этом
рабочий ток или напряжение на
электродах в процессе работы дол-
жны оставаться неизменными.
При неизменном напряжении на
электродах должна сохраняться оп-
Рис. 141. Зависимость удельной
мощности, выделяющейся в раз-
рядном контуре, от степени за-
рядки конденсаторов.
тимальная частота импульсов с
максимальной мощностью в искровом промежутке, что обеспечи-
вает наибольшую производительность.
Если подача электрода-инструмента меньше, чем удаление ме-
талла с анода, то промежуток между электродами увеличивается,
уменьшается ток, увеличивается напряжение на нем, уменьшается
частота импульсов и наоборот.
Для автоматического увеличения скорости подачи- электрода-
инструмента при увеличении промежутка, когда подача меньше,
чем съем металла с анода, повышают напряжение на искровом про-
межутке или уменьшают ток в питающей цепи. При уменьшении
искрового промежутка скорость подачи автоматически уменьшает-
ся. Это предотвращает короткое замыкание, возникающее при со-
прикосновении электродов и приводящее, как правило, к порче об-
рабатываемой детали.
В 7?С-генераторах применяется источник постоянного тока на-
пряжением 100—250 В. Эти генераторы просты по устройству и в
эксплуатации, дешевы и имеют широкий диапазон режимов обра-
ботки. Однако они обладают невысоким к. п. д., ограниченной воз-
можностью повышения мощности и производительности.
В настоящее время разрабатываются генераторы, в которых си-
пу импульсного тока, частоту и другие параметры импульса можно
регулировать независимо от искрового промежутка. Наиболее пер-
спективны. предлагаемые рядом авторов регулируемые полупро-
водниковые генераторы импульсов, которые более полно будут
удовлетворять требованиям технологии электроискровой обработ-
ки металлов.
Весьма существенное преимущество электроискрового способа
обработки по сравнению с обработкой резанием заключается в воз-
21—475
321
можности обрабатывать металлы любой твердости, сверлить отвер.
стия различных форм и малых диаметров. Резанием невозможно
получить отверстие диаметром в десятые доли миллиметра.
С повышением твердости металла и с уменьшением диаметра
отверстий возрастает эффективность применения электроискровой
обработки.
Электроискровая обработка применяется также в тех случаях,
когда невозможно применить механическую обработку, например
прошивание некруглых отверстий и отверстий с криволинейными
осями.
При ремонте автомобилей, тракторов, дорожных и строитель-
ных машин, станков и других механизмов и машин весьма часто
приходится обрабатывать закаленные стальные детали. Если при
этом почему-либо обработка абразивным или твердосплавным ин-
струментом невозможна, применяют единственно возможную элек-
троискровую обработку.
Недостаток электроискровой обработки заключается в невысо-
кой производительности, некоторых трудностях получения точной
формы, размеров, остроугольных сопряжений поверхностей, а так-
же в необходимости соблюдать специальные меры по технике элек-
тробезопасности.
-§ 3. Электрогидравлический эффект и его использование
Сущность явления электрогидравлического эффекта заключа-
ется в том, что при высоковольтном разряде в жидкости в зоне раз-
ряда возникают большие импульсные давления, передаваемые рас-
пространяющимися волнами во все стороны и механически воз-
действующие на встречающиеся предметы [2, 18]. Так как заря-
жаемые до напряжения пробоя искровых промежутков высоковольт-
ные конденсаторы разряжаются в течение весьма короткого вре-
мени (тр—10-5-=-10-6 с) на очень малое сопротивление канала раз-
ряда, процесс разряда происходит почти мгновенно, подобно взры-
ву, при больших мгновенных значениях тока порядка десятков —
сотен килоампер и мощности в десятки-—сотни тысяч киловатт,
вызывающих высокую температуру в канале разряда около не-
скольких десятков тысяч градусов.
По мере развития разряда искровой канал в жидкости расши-
ряется по отношению к размерам начальной стадии разряда. По-
скольку этот процесс происходит почти мгновенно при практически
несжимаемой жидкости, то образуется ударная волна большой си-
лы, распространяющаяся во все стороны с огромной скоростью.
Давление на фронте ударной волны достигает нескольких со-
тен миллионов паскалей.
С уменьшением силы тока в разрядном контуре и расширением
канала разряда плотность тока в канале уменьшается, плазма ос-
тывает и деионизируется, превращаясь в пары и газы, образуя па-
рогазовую полость. По мере расширения полости вследствие дви-
322
жения жидкости и ее инерции при
движении давление в полости пада-
ет и в конечной фазе становится
меньше атмосферного. Полость на-
чинает сжиматься, а затем снова
расширяться, придавая этим про-
цессам кавитационный характер.
При электрогидравлическом эф-
фекте электрическая энергия преоб-
разуется непосредственно в механи-
ческую с высоким к. п. д.
На рисунке 142 приведена прин-
ципиальная электрическая схема ге-
нератора импульсов тока электро-
гидравлической установки. Основ-
Рис. 142. Схема генератора им-
пульсов тока электрогидравличе-
ской установки:
Тр — повышающий трансформатор на
50—100 кВ; ВП— формирующий искро-
вой воздушный промежуток 10—15 мм;
РП — рабочий промежуток в жидкости
от 10 до 100 мм; кенотрон.
ные узлы этого генератора: зарядная цепь, накопительная емкость,
коммутирующее устройство и рабочий искровой промежуток, по-
мещенный в жидкость и представляющий собой нагрузку генерато-
ра импульсов.
Коммутирующим устройством является воздушный или газовый
разрядник. Высокое напряжение может достигать нескольких де-
сятков киловольт. Принцип действия схемы аналогичен принципу
действия схемы, изображенной на рисунке 140. Коэффициент по-
лезного действия схемы не превышает 50%.
Недостаток схемы заключается в том, что в ней невозможно ре-
гулировать частоту импульсов и емкость. Схема может быть ис-
пользована для установок, работающих в постоянном режиме по
мощности и частоте, например, для очистки деталей дробления
и т. п.
Максимальное давление (кПа), развиваемое в канале разря-
да [18],
р = 82—^2—,
Уй
(421)
где Up —разрядное напряжение, В;
L — индуктивность разрядного контура, мкГ;
I—длина канала разряда, см.
Для приближенного расчета электрических схем генераторов
импульсов можно пользоваться следующими зависимостями [18].
Расчетный ток разряда
I « 0,86 у у,
(422)
где 1Р — энергия, накопленная конденсатором,
СЦ
2
21
323
Сила первого максимума тока при разряде
Лпах 1 = ^р (423)
Максимальная мощность разряда
/’max=/Lxl/?p. (424)
где /?р — активное сопротивление цепи разрядного контура.
Мощность трансформатора (В-А) может быть определена по
формуле
21)3 cos <р
Здесь С— емкость конденсатора, Ф;
f— частота следования импульсов, 1/с;
т]3— к. п. д. зарядной цепи генератора,
=-----Ц-, (426)
1+ —
Т3
где Т3— постоянная времени зарядной цепи (T3=R3C), с.
Активное сопротивление зарядной цепи R3 складывается из со-
ответствующих сопротивлений трансформатора /?тр и выпрямителя
/?в:
/?т₽ = ^. (427)
Ат
где Рк и /и — мощность короткого замыкания повышающего
трансформатора и его номинальный ток;
(428)
'н
где АСУ и /н — падение напряжения на выпрямительном устройст-
ве и номинальный ток.
Емкость конденсаторной батареи может быть определена по
параметрам заряда
С = 0,86т3 — (429)
L/p
или по максимальной амплитуде тока короткого замыкания
С = тиах1^-, (430)
</р
где т3 — длительность заряда, с;
/3 — ток заряда;
Tmaxi — время нарастания тока до первого максимума, с.
Электрогидравлический эффект используется для очистки литья
от керамической корки, обработки металлов давлением, штампов-
324
ки, дробления горных пород и валунов, измельчения материа
лов, запрессовки труб и для других целей.
В сельском хозяйстве электрогидравлический эффект мо
жет быть использован для
подъема воды из глубоких
скважин, дробления соломы,
вибрирования почвообрабаты-
вающих орудий, обеззаражи-
вания питьевой воды, получе-
.ния эмульсий, улучшения пло-
дородия почвы путем извлече-
ния из почвы и грунтов
химических элементов и их со-
единений, отрицательно влия-
ющих на развитие растений,
и т. д. [64].
Одним из примеров практи-
ческого использования элект-
рогидравлического эффекта в
сельском хозяйстве может
быть электроимпульсный водо-
подъемник ЭИВ, разработан-
ный ВИЭСХом. Конструкция
насосной части ЭИВ показана
на рисунке 143. В качестве гене-
ратора импульсов тока исполь-
зована электрическая схема,
приведенная на рисунке 142.
Разряд в искровом рабочем
промежутке, заполненном во-
дой, вызывает появление удар-
ной волны, которая вытесняет
некоторое количество жидко-
сти через нагнетательные кла-
паны. Энергия ударной волны
преобразуется в напор, доста-
точный для подъема воды из
больших глубин.
Технико-экономические по-
казатели электроимпульсного
Рис. 143. Конструкция насосной части
ЭИВ:
/ — всасывающий клапан; 2 — дно камеры;
<3 — корпус камеры; 4 — нагнетательный
клапан; 5 — крышка; 6 — напорный патлу
бок; 7 — ресивер; 8 — высоковольтный ка-
бель; 9 — электрод; /0 —шайба.
325
водоподъемника зависят от двух основных факторов: энергии, вы-
деляющейся в межэлектродном промежутке жидкости, и конструк-
тивных параметров насосной части.
Основным конструктивным параметром, значительно влияющим
на производительность ЭИВ, является межэлектродное расстояние
в жидкости.
Оптимальное значение этого расстояния соответствует наиболь-
шей производительности установки при тех же электрических па-
раметрах.
Оптимальное значение межэлектродного расстояния (см) мож-
но определить по эмпирической формуле
(р \0 25
у) . (431)
Эта зависимость получена при изменении электрических парамет-
ров в следующих пределах: Up= 184-60 кВ, 0=0,124-3,5 мкФ, L —
= 124-1200 мкГ.
Требуемое значение пробивного напряжения Up устанавливают
при помощи изменения искрового воздушного промежутка ВП
(рис. 142) шарового разрядника.
Установлено, что при Ор=47кВ, 0=1,5 мкФ, Т=340мкГ и со-
ответствующей им длине /опт=3,2 см электрический к. п. д. г)Эл до-
стигает максимального значения 0,85. Электрический к. п. д. пред-
ставляет собой отношение энергии, выделившейся в канале разря-
Ct/_2
да, к энергии , запасаемой в конденсаторной батарее. В приве-
денном случае потери энергии за время формирования канала раз-
ряда, а также в активных сопротивлениях разрядного контура
минимальны и составляют 15%.
При оптимальных межэлектродных расстояниях в конденса-
торной батарее есть предельный запас энергии
cij-
^СпРед=~ = 155« ± 0,1-1550 Дж. (432)
В этом случае эффективность ЭИВ максимальна. Когда Wc
^й^спред, гидравлические показатели водоподъемника снижаются
из-за уменьшения к. п,. д. цепи разряда рр.
Следует отметить, что при Ор<27 кВ резко возрастают потери
в допробивной стадии процесса.
Установлено, что ЭИВ имеет наибольший к. п. д. и лучшие гид-
равлические показатели при оптимальной высоте подъема тарелки
клапана ДК-2-05-007, равной 0,2 см. При этом к. п. д. установки т]
достигает 20% при производительности Q = 0,154-0,1 л/разр. и на-
поре /7=2004-300 м (рис. 144).
Зависимости напора Н и к. п. д. т] от производительности ЭИВ,
приходящейся на один разряд (рис. 144), сняты в производствен-
ных условиях при оптимальных значениях 10ТГ1, й=0,2 см, частоте
импульсов f=l Гц. Однако частота импульсов может быть 2—4 Гц.
326
Часовая производительность
ЭИВ (л/ч) может быть определена
по формуле
Q4 = Qf 3600, (433)
где Q берут из рисунка 144 в зави-
симости от требуемого напора уста-
новки.
Исследования ВИЭСХа показа-
ли, что вода, предварительно зара-
женная наиболее распространенны-
ми микроорганизмами — кишечны-
Q, л/разр
Рис. 144. Зависимости напора
и к. п. д. ЭИВ от производитель-
ности, приходящейся на один раз-
ряд, при / = /Опт и /г = 0,2 см:
ми палочками, в условиях электро-
импульсного водоподъемника пол-
ностью обеззараживается. Таким
образом, ЭИВ одновременное подъ-
емом воды осуществляет и бактери- /_я=но): 2-п=/(<2).
цидную обработку ее.
Характерная особенность ЭИВ заключается в том, что воду
можно обеззараживать и подавать с больших глубин с напором до
300 м и более при небольшой производительности.
В ВИМе проведены экспериментальные исследования по исполь-
зованию электроимпульсного разряда для обработки пищевых от-
ходов, содержащих твердые примеси. Благодаря электрогидравли-
ческому эффекту, в разбавленных водой пищевых отходах проис-
ходит не только их дробление, но и стерилизация.
Пищевые отходы, предварительно очищенные от металлических
примесей, подают в тонкостенный трубчатый кормопровод с вмон-
тированными изолированными электродами. В этот кормопровод
через дополнительный патрубок под напором поступает вода. Кор-
мовая масса под действием воды хорошо перемешивается и пере-
мещается вдоль кормопровода.
Электроды присоединены к плюсу генератора импульсных токов
напряжением 40—50 кВ, а кормопровод — к минусу. При включе-
нии генератора между электродами и заземленными стенками кор-
мопровода возникают определенной частоты электрические разря-
ды. Под действием электрогидродинамических факторов частицы
корма раздробляются и перемешиваются.
В процессе электроимпульсной обработки в зону разряда пода-
ется сжатый воздух, который улучшает перемешивание раздроблен-
ных компонентов корма. Обработанная масса в конце кормопрово-
да отделяется от воды, которая через решетчатый фильтр выносит-
ся наружу. Затем корм шнековым транспортером подается к ме-
стам скармливания. Достоинство этой технологии заключается в
полной стерилизации отхбдов с одновременным их дроблением.
Расход электроэнергии на одну тонну обрабатываемых отходов, со-
стоящих из 80% картофельных очистков, 7% капустных листьев,
4% стекла и керамики, 3% тряпок, не превышает 0,6—0,8 кВт-ч
327
§ 4. Использование импульсов высокого напряжения в
процессах растениеводства
Чтобы уменьшить потери урожая подсолнечника из-за неравно-
мерного созревания и высыхания семянок, необходимо обеспечить
такие условия, которые позволили бы к моменту уборки урожая
получить почти одновременное созревание и высыхание семянок.
Такие условия создаются при использовании электроискровой
предуборочной обработки подсолнечника, предложенной в 1960 г.
профессором А. А. Климовым.
Сущность электроискровой обработки заключается в том, что
стебель подсолнечника в 20—30 см от корзинки обрабатывают се-
рией импульсов электроискровых разрядов высокого напряжения в
поперечном направлении стебля. Это создает на обрабатываемом
участке стебля узкий поясок омертвевших тканей шириной 10—
15 мм, прерывающий органическую связь корзинки с остальными
частями растения. Поступление влаги к корзинке прекращается.
Под действием воздуха и солнечных лучей корзинки быстро-высы-
хают. Через 5—10 дней, когда влажность семянок снизится до 11—
13%, подсолнечник можно убирать прямым комбайнир'ованием.
Нижняя часть растений остается зеленой и может быть убрана на
силос.
Передвижная установка для электроискровой обработки подсол-
нечника (рис. 145) состоит из трактора, генератора Г повышенной
частоты мощностью 4,5—5,0 кВт, работающего от вала отбора
мощности тракторного двигателя М, трех повышающих трансфор-
маторов Тр, подключенных к генератору через сопротивления R,
конденсаторов С и разрядных промежутков Рр, подключенных к
вторичным обмоткам трансформаторов.
Стебель подсолнечника, попадая в межэлектродное пространст-
Рис. 145. Электрическая схема уста-
новки для электроискровой обработ-
ки подсолнечника.
во, так изменяет первоначаль-
ное, электрическое поле благо-
даря своей высокой диэлектри-
ческой проницаемости, что об-
разующийся канал искры не-
пременно соединяет электроды
с объектом. При дальнейшем
развитии электроискровой раз-
ряд может или закончиться то-
ками проводимости через сте-
бель растения или перекрыть
стебель по поверхности. На-
правление развития процесса
зависит от таких параметров
контура, как емкость, индук-
тивность, активное сопротивле-
ние, начальное напряжение на
емкости и др. При перекрытии
328
стебля, когда его сопротивление, достигающее сотен омов, оказы-
вается зашунтированным сопротивлением искрового канала, со-
ставляющим несколько омов, напряженность электрического поля
внутри стебля скачкообразно уменьшается. Стебель обрабатывает-
ся за 0,005—0,007 с.
Изменяя параметры разрядного контура при известных харак-
теристиках растительного объекта, можно регулировать напряже-
ние, подведенное к нему, и продолжительность действия высокой
напряженности электрического поля, изменяя таким образом сте-
пень поражения.
Исследования показали, что расход энергии на обработку стеб-
лей подсолнечника прямо пропорционален квадрату диаметра
стебля.
Надежность электроискровой обработки одного растения под-
солнечника зависит от скорости движения агрегата v, частоты сле-
дования единичных импульсов f и мощности импульсов Р.
Частота импульсов определяется индуктивностью генератора £г,
индуктивностью.рассеяния трансформатора LT, его коэффициентом
трансформации kT и емкостью С:
f =-----, V....... (434)
2п V kT — (Lr + LT)2 С2
Эта частота должна быть больше минимальной частоты
или равняться ей. Минимальная частота определяется скоростью
агрегата v и расстоянием между двумя соседними точками пораже-
ния на поверхности стебля I, то есть
= (435)
где v— в мм/с;
/—в мм.
Так как в поперечном сечении внешней поверхности стебля под-
солнечника образуется окружность, то максимальная скорость аг-
регата выразится формулой
=2lfK, (436)
где К — скоростной коэффициент, зависящий от среднего диаметра
стеблей в массиве на высоте обработки (табл. 37).
Таблица 37
d, мм 5 10 15 20 25 30 35 40
К 1,0 0,5 0,33 0,23 0,18 0,13 0,11 0,1
Мощность разрядного устройства может быть определена из
формулы (407).
329
Производительность передвижной тракторной электроустанов-
ки, изготовленной в Волгоградском сельскохозяйственном инсти-
туте, составляет 3—3,5 га/ч. Дополнительный выход семян за счет
снижения потерь равен 1 —1,2 ц/га.
В ГрузНИИМЭСХе проводились исследования по воздействию
электроимпульсных разрядов на воду. Было обнаружено, что одно-
временные электроимпульсные разряды в смежных зонах в воде и
над водой вызывают значительное увеличение в воде ионов окис-
лов азота NO2 которые хорошо усваиваются растениями, пред-
ставляя собой высококачественное азотное удобрение для них.
Во время опыта электроимпульсные разряды происходили в ци-
линдрической стальной камере диаметром 155 мм и высотой
480 мм. В камеру заливали воду до определенного уровня. В воз-
душном пространстве над водой и в воде размещали искровые
промежутки, включенные в разрядный контур электроимпульсного
генератора по схеме, приведенной на рисунке 142. Корпус камеры
и нижний рабочий электрод в воде заземлены. В верхнюю крышку
камеры изолированно встроен высоковольтный электрод, присо-
единенный к другому полюсу разрядного контура генератора. В во-
де искровой промежуток выполнен по форме острие—плоскость.
Одновременные импульсные разряды в воде и воздухе создают
условия, при которых азот, находящийся в воздухе над водой и в
воздухе, растворенном в воде, переходит в состояние ионов окис-
лов азота NO2,, обогащая воду этими ионами, легко усвояемых
растениями. В результате исследований было установлено, что кон-
центрация образующихся ионов окислов азота увеличивается с
уменьшением межэлектродного расстояния в воде до 5 мм и увели-
чением искрового промежутка в воздухе до 30 мм, а также увели-
чивается с увеличением разрядного напряжения и частоты импуль-
сов. В опытах использовалось напряжение 32—49 кВ. Частота им-
пульсов изменялась от 0 до 500 в секунду. Дальнейшее увеличение
частоты не давало заметного увеличбниз концентрации ионов окис-
лов азота.
Использование обработанной воды для полива растений может
дать значительный эффект. Например, зеленая масса опытных
саженцев кукурузы на 10—15-й день увеличивалась по сравнению
с контрольной в среднем на 35% при концентрации ионов NO^, рав-
ной 47 мг/л ((7=49 кВ, межэлектродное расстояние в воде 5 мм,
в воздухе 30 мм), на 20% при концентрации 36 мг/л и на 10%
при концентрации 23 мг/л.
Использование в 1968—1970 годах обработанной электроискро-
выми разрядами воды для полива огурцов в теплицах увеличило
урожай в среднем на 30%.
В ВИЭСХе под руководством академика ВАСХНИЛ И. Н. Ли-
стова начаты работы по использованию электрических разрядов в
обмолоте зерновых культур и в обработке почвы.
Электроискровой способ обмолота зерновых культур основан на
330
использовании искровых разрядов в хлебной массе. Установлено,
что выделение зерен из колосьев происходит под воздействием на
них ударных воздушных волн, возникающих при искровых разря-
дах. Разряды как бы скользят по чешуйкам колосьев, не нанося
микроповреждений зерну. В отличие от обычного обмолота солома
не измельчается и не деформируется. Это способствует снижению
затрат энергии на обмолот и улучшает сепарацию вороха. По срав-
нению с обмолотом комбайном вследствие устранения микропо-
вреждений всхожесть семян по данным ВИЭСХа, может повыситься
до 25%, а воздействие электрического поля на биологические свой-
ства зерна может повысить урожайность до 10—20%. Снижение
затрат ожидается до 30%.
Сущность процесса обработки почвы заключается в том, что при
помощи генератора импульсов и специального искрового устрой-
ства, которое служит рабочим органом, на требуемой глубине в
почве создаются искровые разряды, сопровождающиеся появлени-
ем кратковременных волн сжатия и растяжения. Энергия, выде-
ляющаяся в канале искрового разряда, достаточна для того, чтобы
под действием возникающих ударных волн вызвать механическое
разрушение и крошение требуемого слоя почвы. Разработанные
макеты электроискровых рабочих органов позволяют проводить
безоборотную вспашку и глубокую культивацию, то есть обраба-
тывать почву согласно агротехническим требованиям. Генератор
импульсов можно размещать на самом орудии-плуге или на
тракторе. По предварительным расчетам, применение электриче-
ской энергии для обработки почвы дает возможность снизить энер-
гозатраты на 30% и стоимость обработки примерно на 20%.
В Головном специализированном конструкторском бюро по
машинам для приготовления витаминизированных кормов и Ли-
товском научно-исследовательском институте механизации и элек-
трификации сельского хозяйства проведены' исследования по
интенсификации естественной сушки травы с использованием
электроискровой обработки.
Косилка дополнена устройством, в котором свежескошенная
трава, проходя по заземленной конвейерной ленте, уплотняется и
выравнивается шарнирно закрепленным роликом. На ролике смон-
тированы электроды, совершающие возвратно-поступательные дви-
жения поперек транспортера. На электроды от генератора импуль-
сных токов подается напряжение 7—8 кВ. Возникающие электри-
ческие разряды между электродами и транспортерной лентой
обрабатывают траву из расчета 1000 разрядов на 1 кг травы с
затратой электроэнергии около 5,9 кДж. Для обработки только
стеблей травы эти величины могут быть снижены в 2—2,5 раза.
Обработанная таким образом трава высыхает в 2—2,5 раза быст-
рее, так как пораженные разрядами главным образом стебли со-
хнут быстрее и процесс их высыхания выравнивается с высыханием
листьев. В результате этого потери травы уменьшаются в сред-
нем на 8%.
331
Глава XVII
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
§ 1. Природа и свойства ультразвука
Ультразвук представляет собой периодические механические
упругие колебания с частотой, превышающей верхнюю границу
слышимости человеческого уха. Средой распространения ультра-
звука могут быть газы, жидкости и твердые тела. Границы слыши-
мых звуков у разных людей не одинаковы и изменяются с течением
времени. Принято считать область слышимых звуков от 16 до
16-103Гц и колебания от 16-103 до 1010 Гц ультразвуковыми.
Для технических целей наибольшее распространение получил диа-
пазон частот в пределах от 16 до 1600 кГц.
Периодически изменяющее свои размеры тело создает в окру-
жающей его среде периодичёские процессы сжатия и разряжения,
распространяющиеся по этой среде. Тело при расширении сжимает
непосредственно примыкающий к нему слой среды, который, в
свою очередь, передает это сжатие следующему прилегающему
слою. Частицы среды, упруго взаимодействуя, движутся вдоль
распространения сжатия. Состояние сжатия проходит через всю
среду. В следующий момент, когда тело начинает сжиматься, сжа-
тые слои среды получают возможность расширяться. Частицы сре-
ды начинают перемещаться в обратную сторону.
Создаваемые в окружающей среде упругие напряжения сжатия
и разряжения возбуждают колебания частиц среды около положе-
ния равновесия. Эти чередующиеся процессы сжатия и разряже-
ния. распространяющиеся во все стороны, и есть звуковые волны.
Различают три основных типа волн: продольные, поперечные и
поверхностные.
Если изменение объема тела во времени происходит по гармо-
ническому закону, то и вызываемые им ультразвуковые колебания
будут гармоническими.
В этом случае смещение частицы в момент времени т
6 = Bsin<0T, (437)
где В — амплитудное значение смещения, м.
Так как полных колебаний за одну секунду совершается f, а
за одно полное колебание волна проходит путь, равный длине вол-
ны X, то пройденное за одну секунду расстояние, то есть скорость
распространения волны, определится из выражения
с = Kf. (438)
Поверхность, проведенная через частицы, совершающие колеба-
ния в одной фазе, называется волновой поверхностью.
Пространство, в котором растространяются ультразвуковые
волны, носит название ультразвукового поля.
332
Ультразвуковое поле характеризуется колебательной скоростью
частиц, их ускорением, давлением, распространяющимся в среде,
интенсивностью и другими параметрами.
Скорость колеблющейся частицы
v = = В w cos сот. (439)
Максимальное значение скорости
V = wB = 2л/В. (440)
Ускорение частицы
а = — = — — со2 В sin сот = — йсо2. (441)
dx dx2
Максимальное значение ускорения
атзх = (о2В. (442)'
Давление (Н/м2), создаваемое ультразвуковыми колебаниями
в среде с плотностью р (кг/м3) и скоростью ультразвука с (м/с)
р = vpc — В($рс cos со/. (443)
Амплитуда давления
рт = Всорс = Bcoza. (444)
Значения рис приведены в таблице 38.
Таблица 38
Вещество Плотность вещества р, кг/м3 Скорость распростра- нения волны с, м/с Вещество Плотность вещества р, кг/м3 Скорость распростра- нения волны с, м/с
Воздух 1,3 343 Пермендюр 8080 5200
Вода 997 1497 К49Ф2
Трансформа- 895 1425 Альфер 6650 5100
торное масло Пьезокварц 2650 5700
Ртуть 13 595 1451 Титанат бария 5300 4400
Алюминий 2700 6260 Ниобат свинца 6000 3900
Железо 7800 5850 бария
Латунь 8100 4430 Цирконат-тита- 7800 2900
Медь 8900 4700 нат свинца
Никель 8800 5630 Стекло 2270 4900
Величину za=pc называют удельным акустическим сопротив-
лением среды. Она характеризует акустические свойства данной
среды.
Интенсивностью или силой ультразвуковых колебаний назы-
вают мощность, приходящуюся на единицу поверхности площад-
ки, перпендикулярной направлению распространения звуковых
колебаний.
333
Для синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука
выражается следующей зависимостью:
/ = ₽!_ = ££_= v2Pc = Р2 . (445)
2рс 2 2 2za'
Интенсивность слышимых звуков очень мала. Так, например,
звуку громкого разговора соответствует интенсивность, равная
приблизительно 0,00001 Вт/м2.
Интенсивность применяемых в технике ультразвуков колеблет-
ся в широких пределах, начиная с сотен ватт на 1 м2 до сотен и
тысяч киловатт на 1 м2, а в установках специального назначения
может достигать десятков киловатт на 1 м2.
Если вся ультразвуковая энергия проходит окружающую источ-
ник колебания поверхность S (м2), то мощность акустических ко-
лебаний
Р = IS. (446)
Среда, в которой происходит распространение колебаний, по-
глощает часть их энергии, которая переходит в тепловую энергию,
а также расходуется на изменение структуры вещества. Больше
всего энергии звуковых волн поглощается в газах, меньше в жидко-
стях и еще меньше в твердых телах, в частности в металлах, кри-
сталлах кварца и др. При этом поглощение всегда растет с увели-
чением частоты колебаний.
Затухание амплитуды смещения в плоской волне может быть
выражено
В == Boe~al, (447)
где е — основание натуральных логарифмов;
а—коэффициент затухания, зависящий от свойства среды,
м"1;
— расстояние, пройденное волной, м.
Если на некотором расстоянии 1\ от излучателя измерить ампли-
туду колебания Вь а на расстоянии /2 — амплитуду В2, то значение
коэффициента затухания (поглощения) может быть определено по
формуле
« = 1п|Е . (448)
<2- li в2
Значение коэффициента поглощения для жидкостей и газов может
быть определено по формуле
«ж = «72. (449)
а для твердых тел
ат = a'f, (450)
где а' находят по таблицам.
334
При 1= — амплитуда колебаний звука снижается до 0,37 пер-
воначального значения.
Так как интенсивность колебаний зависит от квадрата скорости
смещения частиц и, следовательно, от квадрата амплитуды смеще-
ния, затухание интенсивности может быть выражено зависимо-
стью
I = Z0e-2“<_ (451)
При падении ультразвуковых волн на границу раздела двух
сред часть волн пройдет во вторую среду, а часть отразится.
Пусть требуется определить соотношение давления и скоростей
частиц в воде и воздухе при одинаковых интенсивностях ультра-
звука.
Обозначая индексом 1 параметры в воздухе, а индексом 2 — в
воде, из соотношений (445) получим
„2 „2
Р\ _ Р2
?al Zao
откуда
Рг _ д / га2 = -| / 1,49-106 = 57 з
Pi V zal У 454
Из соотношений (445) видно, что при одной и той же интенсив-
ности звука скорости движения частиц в средах обратно пропорци-
ональны давлениям.
Следовательно, при равной интенсивности ультразвука давле-
ние в воде в 57,3 раза больше, чем в воздухе, а скорость колебания
частиц в 57,3 раза меньше.
Интенсивность и характер проявления эффектов ультразвука
зависят от частоты и интенсивности колебаний, а также от свойств
самих сред.
Эффекты ультразвуковых колебаний проявляются в механичес-
ких, акустических, термических и биологических действиях.
Механические проявления бывают в разнообразных формах
вследствие появления в газообразных и жидких средах переменног-
го давления и переменного потока, кавитации и поверхностного
трения.
Акустические проявления заключаются в распространении
подчиняющихся законам акустики ультразвуковых колебаний в
средах.
Термические проявления — это следствие поверхностного тре-
ния в граничных поверхностях и поглощения ультразвуковых ко-
лебаний в средах.
Биологические эффекты связаны с изменениями в протекании
биологических процессов в клетках организмов, возникающими под
действием ультразвуковых колебаний.
335
Рассмотрим некоторые характерные явления, возникающие в
средах при распространении в них ультразвуковых колебаний.
Кавитацией называется процесс образования полостей и
пузырьков в ультразвуковом поле жидкости во время фазы разря-
жения и их захлопывания во время фазы сжатия, сопровождаю-
щейся возникновением местных больших мгновенных давлений,
приводящих к механическим разрушениям поверхности твердого
тела, находящегося вблизи мест захлопывания. При прохождении
фазы волны, создающей разряжение, жидкость разрывается в мес-
тах, где ее прочность ослаблена, образуя множество мельчайших
полостей — пузырьков. В тех местах, где есть маленькие пузырьки
газа, частццы посторонних примесей и др., прочность ослаблена.
Во время фазы сжатия эти маленькие полости — кавитационные
пузырьки захлопываются. Эти захлопывания сопровождаются воз-
никновением больших мгновенных давлений, достигающих иногда
сотен атмосфер. Кавитация лежит в основе большинства практи-
ческих применений ультразвука. Она управляема: ее можно созда-
вать в нужных местах и нужных дозах.
Интенсивность кавитационных явлений зависит главным обра-
зом от интенсивности ультразвука, температуры среды, внешнего
давления, свойств среды и других факторов. Ниже приведены зна-
чения интенсивности ультразвука, при которой возникает кавита-
ция, в зависимости от частоты ультразвуковых колебаний:
Частота, кГц................. 20 200 500 3000
Интенсивность ультразвука, Вт/см2 . 1 * 10 200 50 000
Внешне кавитация проявляется как шипящий шум, возникаю-
щий в жидкости при определенном значении интенсивности ультра-
звукового поля.
Диспергирование заключается в мелком дроблении ве-
щества и перемешивании его с другими.
Представим себе, что в жидкости, в которой распространяют-
ся ультразвуковые колебания, находятся во взвешенном состоянии
твердые вещества с размерами, равными длине волны или превы-
шающими ее. В этом случае может оказаться, что один конец взве-
шенной частицы будет находиться в области сжатия, а другой —в
области разряжения. В результате возникнет разрывающее уси-
лие, которое может привести к разрыву частицы твердого вещест-
ва, то есть размельчению.
Иногда под действием ультразвука между взвешенными твер-
дыми частицами и колеблющимися частицами жидкости возникают
силы трения, которые также могут оказаться достаточными для
размельчения твердых частиц. Диспергирование при помощи ульт-
развуковых колебаний позволяет получить устойчивые эмульсии.
Металлы и другие вещества могут быть диспергированы в жидкос-
тях или расплавах. На этом явлении основаны многие технологи-
ческие процессы — ультразвуковая пайка, ультразвуковая очистка,
обработка твердых хрупких материалов и др.
336
Разделение частиц в неоднородных суспензиях возможно
на основании того, что в ультразвуковом поле переменное движе-
ние частиц, обладающих неодинаковой массой, различно и зависит
от частоты колебательного процесса. С увеличением частоты колеб-
лются только наиболее мелкие частицы, а относительно крупные
совершают движения по сложным траекториям.
Коагуляция заключается в образовании из мелких частиц
более крупных. Под воздействием ультразвука и гидродинамиче-
ских сил притяжения частицы соударяются и укрупняются, а затем
осаждаются. Это явление используют при очистке дымовых газов.
Вследствие поглощения ультразвука частицами коагуляция прово-
дится на низких частотах.
Дегазация состоит в укрупнении мелких пузырьков газа,
которые образуются под действием кавитации и вследствие колеба-
ния и движения сталкиваются, объединяются и образуют пузырь-
ки больших размеров, которые всплывают.
Звуковое давление представляет собой чередование сжа-
тий и разряжений, причем амплитуда сжатия равна амплитуде раз-
ряжения. На препятствие, находящееся в поле звуковой волны, зву-
ковое давление действует таким образом, что создает на поверхно-
сти этого препятствия силу, меняющую свой знак в соответствии с
частотой колебаний звуковой волны.
Радиационное давление существует наряду со звуко-
вым и выражается в том, что поверхность препятствия испытывает
постоянное по силе и знаку давление, стремящееся сдвинуть это
препятствие по направлению распространения волны.
Звуковой ветер представляет собой постоянное движение
частиц среды в виде постоянного потока в направлёйии распро-
странения волны. Это перемещение проявляется в виде сильных
течений, приводящих к интенсивному перемешиванию жидкостей
под действием ультразвуков.
Фонтанирование жидкости возникает на поверхности жид-
кости под действием звукового ветра при определенных интенсив-
ностях ультразвука. С увеличинием интенсивности ультразвуко-
вых колебаний увеличивается число одновременно вырывающихся
с поверхности капель и они сливаются в один общий фонтан.
§ 2. Генерирование ультразвука
Основные элементы системы ультразвуковых колебаний — это
преобразователь, акустический трансформатор скорости и детали
крепления. Основными источниками ультразвуковых колебаний
являются преобразователи, в которых механическая или электри-
ческая энергия преобразуется в энергию ультразвуковых колеба-
ний. В соответствии с этим различают преобразователи механиче-
ские и электрические. К первым относятся источники, преобразу-
ющие, например, скорость и давление потока газа или жидкости в
ультразвуковые колебания (свистки, сирены и другие). К их досто-
22—475
337
инствам относятся простота и надежность, к недостаткам — низкая
частота и малая мощность ультразвуковых колебаний в жидкости.
Наибольшее распостранение получили электрические источники с
пьезоэлектрическими и магнитострикционными преобразовате-
лями.
Пьезоэлектрические преобразователи. В 1880 г. братья Кюри
во Франции установили, что при растяжении и сжатии в опреде-
ленных направлениях некоторых кристаллов (кварц, сегнетовая
соль, турмалин и др.) на их поверхности возникают электрические
заряды. При замене растяжения сжатием знак заряда изменяется.
Это явление было названо пьезоэлектрическим эффектом.
Обратный пьезоэлектрический эффект проявляется в том, что
при внесении пьезокристалла в электрическое поле, силовые ли-
нии которого совпадают с направлением пьезоэлектрической оси
кристалла, происходит сжатие или растяжение кристалла, вызы-
вающее соответствующее уменьшение или увеличение его разме-
ров. Частота изменения размеров кристалла соответствует частоте
смены знака электрических зарядов или частоте переменного на-
пряжения, прикладываемого к его граням. При напряжении 1000 В
пластинки кварца изменяют свои размеры на миллионные доли
миллиметра.
Наибольшее практическое применение в качестве пьезоэлектри-
ческих материалов получили кварц и титанат бария (ВаТЮз).
Кварц обладает высокой стойкостью по отношению к химичес-
ким воздействиям, высокой механической прочностью и влагостой-
костью. Пьезоэлектрический эффект относительно постоянен до
200° С. При увеличении температуры эффект ослабевает и при
573° С исчезает. Существенный недостаток заключается в относи-
тельно слабом пьезоэлектрическом эффекте, обусловливающем
применение большого электрического напряжения, которое в мощ-
ных излучателях достигает нескольких тысяч вольт.
В последнее время для изготовления преобразователей значи-
тельное распространение получил титанат бария, специально обра-
ботанные пластинки из которого обладают значительно большим
пьезоэффектом, чем кварцевые пластинки при том же электричес-
ком напряжении, прикладываемом к их поверхностям. Стоимость
этих искусственно созданных пластинок значительно ниже, чем
вырезанных из кварца. Применение преобразователей из титаната
бария ограничивается температурой 140° С. Пьезоэлектрический
эффект у пластинок из титаната бария был обнаружен советским
ученым профессором Б. Н. Вулом.
Эффективный способ увеличения интервала рабочей температу-
ры заключается в добавлении к титанату бария титаната свинца
и титаната кальция.
К преимуществам преобразователей, изготовленных из керами-
ки титаната бария, в дополнение к сказанному выше следует отнес-
ти высокий к. п. д. преобразования электрической энергии в ульт-
развуковые колебания, большую стойкость к электрическому про-
338
бою и возможность работы при низких рабочих напряжениях,
прилагаемых к поверхностям пластин (10—100 В), а также воз-
можность изготовления преобразователей различной формы и раз-
меров.
Более высокие диэлектрические и пьезоэлектрические свойства
были обнаружены у новых пьезоэлектрических материалов — мета-
ниобата свинца бария, метаниобата свинца стронция, цирконата
свинца. Например, пьезокерамика из цирконата свинца с добавка-
ми позволяет работать при температуре 275—300° С. Эти материа-
лы перспективны для изготовления преобразователей технологи-
ческих установок.
Наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается при сов-
падении частоты электрического поля с собственной частотой упру-
гих колебаний пьезоэлемента, который в данном, случае является
также излучателем. Поэтому для расчета полуволновых излучате-
лей пользуются формулой
/ = (452)
где d — толщина пьезопластинки, мм;
К. — постоянная излучателя, кГц-мм.
Для кварца /(=2280 кГц-мм, для сегнетовой соли —
1540 кГц-мм и для титаната бария —2200 кГц-мм.
Интенсивность ультразвуковых колебаний, генерируемых пьезо-
электрическими излучателями при одностороннем излучении, мож-
но определить по формуле
/ = , (453)
рс
где U — напряжение возбуждения, В;
f — частота колебаний, Гц;
рс—акустическое сопротивление жидкости, Н-с/м3;
Кп — коэффициент, учитывающий свойства пьезоэлектрического
излучателя, Вт - Н- с3/ (В2 - м5).
Для кварца Лп= 1,44-10-8, для титаната бария—1,44-10-4 и
для сегнетовой соли —5,4-10-6 Вт-Н-с3/В2-м5.
Мощность, потребляемая пьезоэлектрическим излучателем на
возбуждение акустических колебаний,
Рв = , (454)
Лэ а Лэ. а
где S — площадь поверхности излучателя, излучающая акусти-
ческие колебания, м2;
Лэ.а — электроакустический к. п. д. излучателя.
Электроакустический к. п. д. кварцевых излучателей составляет
0,6—0,8, излучателей из титаната бария —0,5—0,7.
22*
339
Так как пьезоэлектрический эффект практически безинерцион-
ный, то при помощи пьезоэлектрических кристаллов можно полу-
чить большие частоты ультразвуковых колебаний, достигающие
десятков мегагерц.
Пьезоэлектрические преобразователи применяют при диапазоне
частот от 40 до 1600 кГц и выше.
При непрерывном режиме можно получить интенсивность ульт-
развуковых колебаний до 500 кВт/м2 для кварцевых и до 100—
200 кВт/м2 для титанатобариевых преобразователей. Более высокие
интенсивности могут быть получены при использовании фокусиру-
ющих преобразователей. При помощи таких преобразователей уда-
ется получить интенсивность ультразвука в несколько сотен тысяч
киловатт на 1 м2.
Пьезоэлектрические пластинки могут служить не только излу-
чателями, но и приемниками ультразвука. В этом случае исполь-
зуются электрические заряды и напряжения, создаваемые ими на
поверхностях пластинок преобразователя под действием механи-
ческих колебаний. Электрическое напряжение при этом очень мало
и во многих случаях не превышает миллионных долей вольта.
Магнитострикционные преобразователи. В 1842 г. Джоулем
был открыт магнитострикционный эффект, заключающийся в том,
что ферромагнитные тела (железо, никель, кобальт, пермендюр и
другие сплавы), помещенные в магнитное поле, меняют свои разме-
ры. Деформация ферромагнитного тела может проявляться в
уменьшении или увеличении его размеров в направлении силовых
линий магнитного поля. Если переменный ток пропускать по ка-
тушке так, чтобы магнитное поле было направлено вдоль сердеч-
ника, то его длина будет изменяться.
Изменение размеров ферромагнитных тел под действием пере-
менного магнитного поля называется магнитострикционным эффек-
том, а излучатели, принцип действия которых основан на этом
явлении, называют магнитострикционными или просто магнито-
стрикторами.
Магнитострикционные преобразователи выполняют с замкнуты-
ми двух- и многостержневыми шихтованными магнитопроводами.
Изменение размеров стержня может быть рассчитано по фор-
муле
Д/ = — 1~В, (455)
где Д/ — амплитуда колебаний, м;
I—длина стержня, м;
ст—магнитострикционная постоянная, Н/(м2-т) [2, 18];
Е — модуль Юнга, Н/м2[2,18];
В— магнитная индукция, Т.
От магнитострикционных излучателей можно получать ультра-
звуковые колебания мощностью более 1 кВ*г. Частота их не пре-
восходит 200 кГц.
340
Магнитострикционная деформация различных ферромагнитных
материалов зависит от напряженности магнитного поля. Для уве-
личения степени удлинения стержня преобразователя и интенсив-
ности ультразвука, помимо обмотки тока высокой ультразвуковой
частоты, на магнитопроводе стержня устраивают обмотку подмаг-
ничивания постоянного тока, благодаря которой рабочая зона на
кривой магнитострикции смещается на наиболее крутой участок
деформации. Размеры и форма преобразователей зависят от мощ-
ности, частоты и назначения преобразователя.
Для плоского пакетного многостержневого излучателя основная
частота может быть определена по формуле
(456)
где I и b — длина и ширина магнитострикционного излучателя, м.
Акустическая мощность магнитострикционных плоских пакет-
ных излучателей, работающих с подмагничиванием и при излуче-
нии упругих колебаний с одной стороны, определяется так:
oB^S2cos(^k
Ра=----------; (457)
рс
где о—магнитострикционная постоянная, Н/(м2-Т);
Вт— амплитудное значение переменной составляющей маг-
нитной индукции, Т;
Sc — площадь поперечного сечения стержня (ножек) излуча-
теля, м2;
f— частота колебаний, Гц;
h— высота накладки, м;
си— скорость ультразвука в магнитострикционном материа-
ле, м/с;
р—плотность среды, в которую происходит излучение,
кг/м3;
с — скорость ультразвука в среде, в которую происходит
излучение, м/с;
К— коэффициент, характеризующий магнитострикционные
излучатели.
Напряжение, подводимое к обмоткам излучателя, составляет
200—400 В. Магнитострикционные преобразователи применяются
в большинстве случаев на частотах 18—30 кГц, но возможно их
создание на более высокие частоты, до 90—100 кГц. Интенсивность
таких преобразователей достигает сотен киловатт на 1 м2. Типовые
преобразователи ПМС-6М имеют резонансную частоту 19—
20 кГц, потребляемую мощность 2,5—3 кВт и к. п. д. 50—65%.
Акустические трансформаторы скорости. Акустические транс-
форматоры скорости (волноводы, концентраторы) служат для
341
ввода ультразвуковых колебаний в зону среды, в которой происхо-
дит обработка материала, и для согласования параметров преоб-
разователя с нагрузкой. Трансформаторы представляют собой стер-
жни разнообразной формы в зависимости от назначения и на-
грузки. Они должны иметь малый коэффициент потерь, высокую
прочность, коррозионную и кавитационную стойкость, жаропроч-
ность, химостойкость и т. д. Длина стержня должна быть такой,
чтобы на ней могло уложиться целое число полуволн.
Такой трансформатор, припаянный или приваренный к излучаю-
щей поверхности магнитострикционного преобразователя, является
элементом колебательной системы.
Ультразвуковые генераторы предназначаются для преобразо-
вания электрической энергии промышленной частоты в энергию
переменного тока высокой частоты, равной частоте ультразвуковых
колебаний (табл. 39). Их принципиальные электрические схемы
мало отличаются от схем высокочастотных установок, рассмот-
ренных в первой части.
Таблица 39
Типы генераторов Технические данные ультразвуковых генераторов
потребляемая мощность, кВт выходная мощность, кВт частота, кГц
УЗГ2-10 19,5 10 20,5—23,5
УЗГ5-1.6 4 1,6 22
УЗП-0,6 1 0,6 18
УЗГЗ-0,4 1 0,4 17,5—46
УМ 1-4 8 4 16—24
Ультразвук широко используется во многих отраслях народ-
ного хозяйства для различных целей.
Мощные ультразвуковые колебания применяются для размер-
ной обработки материалов, очистки и мойки деталей, пайки,
сварки, интенсификации процессов и других целей.
Маломощные ультразвуковые колебания используются в изме-
рительной технике и дефектоскопии. Ультразвуковые волны малой
интенсивности, распространяясь в какой-либо среде, не вызывают
остаточных изменений в ней, так как уплотнения и разряжения,
связанные с прохождением ультразвука, ничтожно малы. Отраже-
ние и поглощение ультразвука, обусловленные составом и свой-
ствами различных сред, позволяют с успехом применять ультразву-
ковые колебания для измерения различных параметров, контроля
состояния и определения структуры сложных сред.
Ниже рассмотрены некоторые примеры применения ультра-
звука.
Обработка твердых материалов. Ультразвуковые установки
получили большое распространение для обработки твердых мате-
риалов, обладающих большой хрупкостью. К таким материалам
относятся стекло, фарфор, керамика, кварц, драгоценные камни,
342
твердые сплавы, ферриты, ми-
нерало-керамические резцы,
карбид вольфрама и другие,
обработка которых обычным
механическим путем весьма
затруднительна.
Принцип ультразвуковой
обработки материалов можно
уяснить на примере рисунка
146. К магнитострикционному
сердечнику 5 крепят концен-
тратор ультразвука, на конец
которого насаживают рабочую
часть инструмента (головку),
форма которой может быть
квадратной, прямоугольной,
многогранной, круглой, оваль-
ной и т. д. в зависимости от
желаемой конфигурации от-
верстия в обрабатываемом ма-
териале. Обрабатываемую по-
верхность материала смачива-
ют эмульсией абразивного по-
рошка в воде или в масле.
В качестве абразива можно
использовать корунд или кар-
бид бора, карбид кремния и
другие, которые тверже обра-
батываемого материала.
Когда головку рабочего ин-
струмента подводят к обраба-
тываемой поверхности, находя-
щиеся между ними частицы
абразива ударяют по обраба-
тываемому материалу и выка-
Рис. 146. Устройство магнитострик-
ционного излучателя для ультразву-
кового сверления материалов:
а — схема устройства; б— процесс сверле-
ния; 1 — обмотка подмагничивания сердеч-
ника постоянным током; 2—боковые плечи
сердечника; 3—обмотка переменного тока;
4 — скрепление сердечника в узле ультра-
звуковой волны; 5 — магнитострикционный
сердечник; 6 — гайка на свободном конце
сердечника для крепления рабочего инст-
румента; 7 — рабочие инструменты для
сверления • отверстий различной формы
(трансформаторы скорости); 8 — обрабаты-
ваемый материал; 9—рабочий инструмент;
10 — суспензия с абразивным порошком.
лывают из него миниатюрные
частицы. Так как частиц абразива много, а частота ударов опреде-
ляется частотой ультразвука 20—30 кГц, то процесс обработки
идет довольно быстро.
Ультразвуковая очистка. Прежде чем хромировать, никелиро-
вать или ремонтировать детали машин и приборов, надо очистить
и обезжирить их поверхности. Особенно затруднительна очистка и
мойка мелких деталей сложной формы, с отверстиями, узкими про-
резями и винтовыми нарезками. В этом случае ультразвуковая
очистка представляет собой эффективное средство повышения про-
изводительности труда и качества очистки.
Механическое действие ультразвука можно представить как
удары захлопывающихся вблизи очищаемой поверхности кавита-
343
ционных пузырьков, которые вызывают разрушение поверхностной
пленки.
Целесообразно применять такую очищающую жидкость, которая
смачивает детали, эффективно воздействует на загрязнения и не
вступает в химическую реакцию с деталями, хотя ультразвуковая
очистка возможна и в жидкостях, не растворяющих загрязнений.
Применение ультразвука позволяет снизить трудоемкость очи-
стки в 2—10 раз в зависимости от размеров, формы и материала
очищаемых деталей. Расход химикатов при этом уменьшается в
2 раза и значительно повышается качество очистки. Для этих це-
лей используются ультразвуковые установки с частотой 20—25 кГц
при акустической мощности 1—2,5 кВт. Интенсивность должна
быть 5—10 Вт/см2. Однако можно использовать и более высо-
кую частоту 200—1600 кГц, при которой качество очистки повы-
шается.
Ультразвук можно успешно применять, для очистки паровых
котлов от накипи.
Ультразвуковая сварка. Ультразвуковая сварка позволяет со-
единять легко окисляющиеся металлы, сварка которых обычными
способами затруднительна. Соединяемые поверхности изделий под
относительно небольшим давлением прижимают друг к другу и
одну из них при помощи ультразвука приводят в колебательное
движение относительно другой с ультразвуковой частотой порядка
15—30 кГц (рис. 147). Под действием трения между поверхностя-
ми происходит разрушение окислых пленок и появляются пласти-
ческие деформации микровыступов с образованием общих кристал-
лов, прочно соединяющих свариваемые поверхности деталей.
Сварка происходит без заметного повышения температуры, и
поэтому ее часто относят к холодным видам сварки.
При помощи ультразвука хорошо свариваются алюминий, медь,
их сплавы, а также тугоплавкие и активные металлы, такие, как
молибден, цирконий и его сплавы титан и др.
Рис. 147. Принципиальная схема ультразвхко-
0
344
При ультразвуковой сварке
не нарушаются физико-химичес-
кие свойства свариваемых мате-
риалов. Высокое качество сварки
получается при толщине деталей
до 2,5 мм. Сварка продолжается
доли секунды.
Ультразвуковая пайка. Как
известно, обычными методами
паять алюминий весьма трудно,
так как стойкая окисная пленка
на его поверхности препятствует
смачиванию металла жидким
припоем. Ультразвуковые коле-
бания частотой 16—23 кГц в
Рис. 148. Схема ультразвукового, па-
яльника:
I — питание; 2 — магнитострикционный из-
лучатель; 3 — обмотка, которая питается
от генератора ультразвуковой частоты;
4 — нагревательная обмотка; 5—жало го-
ловки паяльника; 6 — припой; 7—кавита-
ционные пузырьки; 8—алюминиевая пла-
стина; 9 — окисная пленка; 10 — головка
жидком припое вызывают кави-
тационные явления и ударные
импульсы, воздействующие на
припой и поверхность облужива-
емых деталей и разрушающие
окисную пленку. Легкие частицы
окисной пленки всплывают на по-
верхность припоя, который за-
тем беспрепятственно облуживает
очищенную поверхность металла. Наиболее эффективна интенсив-
ность ультразвуков 25—100 Вт/см2. Ультразвуковой паяльник пред-
ставляет'собой головку, на которой размещены жестко соединен-
ные между собой нагреватель, акустический трансформатор скоро-
сти и магнитострикционный преобразователь (рис. 148).
Ультразвуковая пастеризация молока. В основе бактерицидно-
го действия ультразвука лежит механическое воздействие на бак-
териальные клетки, вызывающее их раздробление. Разрушающее
действие интенсивных ультразвуковых колебаний в жидкости
обусловлено в основном явлением кавитации. Зона кавитации, в
которой наблюдается бактерицидный эффект, называется зоной
эффективной обработки.
Замечено, что при малой интенсивности ультразвуковых коле-
баний, недостаточной для образования зоны кавитации, механи-
ческие воздействия приводят к ускоренному размножению бакте-
рий и не обладают бактерицидными действиями.
Гомогенизация молока — раздробление жировых шариков под
действием ультразвука. В таком состоянии молоко не отстаивается,
лучше сохраняется, усваивается и применяется в качестве спе-
циального детского питания.
Обработка семян. Ультразвуковые колебания малой интенсив-
ности в определенных дозах, как правило, стимулируют развитие
растительных организмов. Обработанные оптимальными, дозами
ультразвуковых колебаний семена быстрее прорастают, повышает-
345
ся всхожесть, ускоряется рост растений, повышается урожайность.
Увеличение урожайности редиса и салата составляло 40—42%.
Применяемая частота 760 кГц.
Другие технологические применения ультразвука. Ультразвук
может быть использован для смешивания не смешивающихся
обычным путем жидкостей, например, рыбьего жира с водой для
выпойки животным и птице. Ультразвук может быть использован
для мойки доильной аппаратуры и молочной посуды, осветления
виноградного и других соков, ускорения созревания фотоэмульсий,
улучшения антифрикционных свойств смазочных масел, повышаю-
щих износостойкость машин в эксплуатации, и для других целей.
Разработка систем практического использования ультразвука
в технологических процессах сельского хозяйства еще не законче-
на, и эта проблема ждет своего решения.
Ультразвуковые дефектоскопы и приборы. В ультразвуковых
дефектоскопах и приборах используются, в основном, следующие
свойства ультразвука: способность при определенных частотах
распространяться в твердых веществах на большую глубину без
заметного ослабления и способность отражаться и преломляться
на границе раздела двух веществ, разная скорость распростране-
ния и степень поглощения в различных средах и веществах. .
Принцип действия простейшего дефектоскопа можно пояснить
на следующем примере. Если к исследуемому объекту с одной сто-
роны подвести ультразвуковые колебания, а с другой стороны эти
колебания будут восприниматься приемником, например, в виде
пьезоэлектрической пластинки, которая, колеблясь, создает элек-
трические потенциалы, усиливаемые при помощи усилителя и ре-
гистрируемые соответствующими приборами, то показания прибо-
ров и характер изменения выходных электрических величин будут
характеризовать внутреннее состояние вещества материала. ,
Если внутри исследуемого объекта есть дефект, то часть
ультразвуковых .волн отражается от границы дефекта и не попа-
дает на приемную пьезоэлектрическую пластинку, создавая звуко-
вую тень за дефектом и вызывая соответствующие изменения в
показаниях электрических приборов, записях осциллографа или
изображениях на экране.
При помощи ультразвука можно в различных деталях опреде-
лить дефекты, их размеры, глубину залегания и состав отдельных
компонентов вещества. Ультразвуковыми дефектоскопами контро-
лируют качество сварки, целостность болтов, плотность соедине-
ния, однородность заливки вкладышей подшипников, качество
клапанов двигателей, автомобильных покрышек, склейки пласти-
ческих масс и фанерных листов и др.
Существуют ультразвуковые приборы, которые позволяют
измерять расстояние, обнаруживать препятствия, определять тол-
щину сального слоя у свиней, измерять концентрацию многих газов
в воздухе, степень запыленности воздуха, вязкость и скорость
жидкости и т. п.
34(5
Существует много методов преобразования звуковых изображе-
ний в видимые. Получение звуковых изображений является эффек-
тивным методом изучения структуры оптически непрозрачных сред
и имеет большие перспективы для своего развития и применения.
Глава XVIII
МАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Использование магнитного поля для очистки семян
Принцип очистки семян в магнитном поле основан на том, что в
результате обработки зерновой смеси магнитным порошком шеро-
ховатая поверхность сорняков легко покрывается частицами маг-
нитного порошка, благодаря которым семена сорняков притягива-
ются к электромагнитам. У семян культурных растений поверхность
гладкая и на ней магнитный порошок не удерживается.
Сначала семена пропускают через обыкновенные зерноочисти-
тельные машины, а затем отделяют их от тех сорняков, от которых
применяемые зерноочистительные машины не в состоянии очистить
зерно.
Принцип действия электромагнитной семеочистительной маши-
ны ЭМС-1 заключается в следующем. Обработанная магнитным по-
рошком зерновая смесь подается на поверхность вращающегося
электромагнитного барабана, изготовленную из немагнитного ма-
териала. Внутри барабана расположен мощный электромагнит, на-
ружная поверхность полюсов которого занимает примерно половину
внутренней цилиндрической поверхности барабана. Покрытые маг-
нитным порошком семена’сорняков удерживаются магнитным полем
электромагнита на поверхности барабана и сбрасываются внизу
под барабаном, в то время как семена культур отбрасываются с ба-
рабана в сторону, не достигнув низа барабана.
Сила магнитного поля, действующая на семя сорняка с находя-
щимся на нем магнитным порошком, должна быть равна алгебраи-
ческой сумме центробежной силы и силы тяжести семени внизу ба-
рабана, когда они совпадают по направлению и противоположны
направлению действия силы магнитного поля. Эту силу (Н) можно
определить из равенства
F = (458)
где tn— масса семени, притянутого магнитом, кг;
v — линейная скорость поверхности барабана, м/с;
R — радиус барабана, м;
g — ускорение свободного падения, м/с2.
С 1966 г. промышленностью выпускается электромагнитная се-
меочистительная машина ЭМС-1А, предназначенная для очистки
гладких семян многолетних трав, технических культур и проса от
трудноотделимых семян сорняков повилики, смолевки, плевела, ва-
347
силька, подорожника и др. Чаще всего эту машину используют для
очистки клевера й люцерны от сорной повилики, горчака и им по-
добных. Хорошо очищаются семена льна от семян плевела.
Производительность ЭМС-1А на очистке семян клевера—180—
250 кг/ч; потребная мощность — 2,5 кВт; расход магнитного порош-
ка в зависимости от массы очищаемых семян — 1—2,5%. Машину
обслуживает один рабочий.
§ 2. Магнитная очистка кормов от железных частиц
В концентрированных кормах случайно могут оказаться различ-
ные железные частицы, гвозди, кусочки проволоки и др.
Концентрированные корма очищают от железных частиц в кор-
моцехах, на комбикормовых заводах и мельницах.
Магнитная очистка кормов заключается в том, что очищаемая
смесь или отдельные виды концентрированных кормов перемещают-
ся в виде тонкого слоя в непосредственной близости от полюсов ма-
гнита. Железные частицы притягиваются к полюсам магнитов и от-
деляются от кормов.
Для очистки корма применяют аппараты с постоянными магни-
тами и электромагнитами. Первые используются в установках не-
большой производительности, вторые — в установках с производи-
тельностью от 1,5 т/ч и выше. Аппараты устанавливают с наклоном
к горизонту в 40°. Удельная производительность магнитных аппара-
тов представляет собой отношение количества зерна, очищенного
в течение часа, к ширине магнитного аппарата, выраженной в мил-
лиметрах. Для аппаратов с постоянными магнитами удельная
производительность составляет 3,5—3,6, а для электромагнитных —
5,5—6,5 кг/(ч-мм). Аппараты необходимо систематически очищать
от накопившихся железных частиц.
Электромагнитные аппараты получают электроэнергию от сети
через выпрямитель. Электромагнитный аппарат производитель-
ностью 1500 кг/ч имеет мощность 100—120 Вт и длину рабочей час-
ти 250 мм.
§ 3. Магнитная обработка воды
При работе водогрейных и паровых котлов, кормозапарников,
тракторов, автомобилей, комбайнов и других энергетических ста-
ционарных и передвижных установок на поверхностях нагрева и
охлаждения происходит отложение накипи, резко ухудшающей теп-
лопередачу, снижающей мощность и увеличивающей расход топли-
ва и электроэнергии. Накипь толщиной в 1,5 мм увеличивает расход
топлива тепловыми установками на 8—11%. У двигателей внутрен-
него сгорания при толщине накипи в системе охлаждения 1,5 мм
мощность снижается на 6%, расход топлива при этом увеличивает-
ся на 13%, а смазочных материалов до 30% и более. Кроме этого,
под слоем накипи образуются зоны местного перегрева металла.
348
Значительное теплоперенапряжение снижает механическую проч-
ность поверхности нагрева, цилиндров, поршней, клапанов, шату-
нов и других деталей.
Магнитная обработка воды для предотвращения накипеоб-
разования начала применяться в пятидесятых годах нашего сто-
ления.
В сельскохозяйственном производстве магнитная обработка во-
ды по своей простоте, небольшой стоимости и удобству — один из
наиболее перспективных методов предотвращения накипеобразо-
вания.
Обработка воды в магнитном поле заключается в пропускании
ее через рабочий зазор прибора, в котором созданы магнитные поля
чередующейся полярности. Под действием чередующихся направ-
лений магнитного поля и наведенного электрического тока в об-
рабатываемой движущейся воде происходит ряд физико-химиче-
ских изменений, обусловливающих образование огромного количе-
ства мелкодисперсных заря-
женных коллоидных частиц,
выполняющих роль центров
кристаллизации и способст-
вующих выпадению накипеоб-
разующих солей в шлам, мел-
кокристаллические частицы ко-
торого во взвешенном состоя-
нии будут находиться в слое
проходящей воды. Таким обра-
зом предотвращается выпаде-
ние этих-солей на стенках кот-
ла в виде трудноудаляемой
накипи, которая представляет
собой твердые отложения,
крепко прилипшие к стенкам.
После магнитной обработки
воды кристаллики шламовой
накипи имеют плохое сцепле-
ние с поверхностью нагрева и
легко удаляются периодичес-
кой продувкой, шламоотдели-
телем или другими способами.
Появляющиеся в результа-
те магнитной обработки воды
центры кристаллизации неус-
тойчивы и по выходе из маг-
Рис. 149. Аппарат для электромагнитной
обработки воды:
1 — кери; 2 —катушка электромагнита;
3— пробка; 4—штуцер; 5 —крышка; 6 — мас-
ло трансформаторное; 7 — корпус; 5—кожух
латунный.
нитного поля постепенно рас-
творяются. Поэтому время ме-
жду обработкой воды и ее на-
гревом в водонагревателе не
должно превышать 6—8 ч.
349
-ЗЗЬ
302-
Рис. 150. Аппарат для магнитной обработки воды:
/ — фланец; 2— уплотнительная прокладка; 3 — винтовая лопасть; 4 —корпус; 5 и
6 — полюсные наконечники; 7 — постоянные магниты; 8 — соединительная шпилька;
9 — специальная гайка; 10 — болт; // — патрубок; 12 — пружина.
В котельных установках получили распространение электро-
магнитные аппараты для магнитной обработки воды (рис. 149). Ап-
парат состоит из электромагнита, латунного кожуха и корпуса. Сер-
дечник электромагнита 1 изготовлен из стали и представляет собой
стержень с кольцевыми пазами, в которых размещаются секции ка-
тушки электромагнита. Катушка состоит из шести секций, соединен-
ных последовательно таким образом, что полярность кольцевых вы-
ступов сердечника электромагнита чередуется. Кожух 8, изолирую-
щий катушку электромагнита от воды, изготовлен из немагнитного
материала — латуни. Кожух заполнен трансформаторным маслом.
Вода в аппарате протекает по кольцевому промежутку (рабочему
зазору) между корпусом и кожухом снизу вверх. Скорость воды
должна быть 0,4—1 м/с, напряженность магнитного поля 13—
19 А/м.
Рабочий зазор не должен быть больше 10 мм, так как с превы-
шением этого значения сопротивление магнитному потоку сильно
возрастает и рассеивание его увеличивается.
Магнитную обработку воды следует вести при температуре не
выше 60—70° С. Общая жесткость обрабатываемой воды не долж-
на превышать 12—14 мг-экв/л, а солесодержание — 1100 мг/л.
С возрастанием жесткости эффективность магнитной обработки
значительно снижается.
Аппарат устанавливают вертикально. Параллельно аппарату
устраивают обводную линию вентилями. При отключении или оста-
новке тепловой установки необходимо отключить аппарат от элек-
трической сети во избежание перегрева обмоток электромагнита.
Харьковским инженерно-экономическим институтом разработан
ряд электромагнитных аппаратов производительностью 0,45 —
350
100 м3/ч. С изменением производительности от 0,45 до 30 м3/ч длина
пути воды в магнитном поле увеличивается от 156 до 336 мм, общая
длина — от 375 до 1200 мм, диаметр — от 48 до 219 мм, мощность —
от 13 до 330 Вт.
В ГОСНИТИ разработан компактный аппарат с постоянными
магнитами для магнитной очистки воды в автотракторных двига-
телях (рис. 150). Благодаря тому, что при помощи винтовой каме-
ры число пересечений движущейся воды с магнитными силовыми
линиями увеличено, масса аппарата в 8 раз меньше и длина в
6 раз меньше, чем в соответствующем промышленном образце.
Аппарат состоит из стального корпуса 4, трех постоянных маг-
нитов 7 со стальными полюсными наконечниками 5 и 6, вихревой
камеры и двух фланцев с патрубками.
В передней части по ходу движения жидкости находится вихре-
вая камера, полость которой образуется между корпусом 4 аппара-
та и лопастями шнековой навивки 3 из диамагнитного материала.
Соединительная шпилька 8 и гайка 9 выполнены из магнитонепро-
водящего материала.
Вода, поступая в аппарат, ударяется о лопасти шнековой навив-
ки, изменяет направление движения и дальше движется по винтовой
линии. В результате путь движения воды в магнитном поле п число
пересечений с магнитными силовыми линиями в зависимости от уг-
ла наклона шнековой навивки может увеличиться более чем в 70
раз.
Исследования, проведенные кондидатом технических наук И. Ф.
Домниковым, показали, что при обработке воды жесткостью 12 мг-
•экв/л трехконтурным магнитным аппаратом с винтовой камерой до-
стигается максимальная эффективность снижения накипеобразова-
нпя—95—97%. Практически при хорошем отводе шламовых взве-
сей накипи не образуется. Если же эту воду обработать магнитным
аппаратом без винтовой камеры, то эффективность магнитной обра-
ботки снизится на 50—55%.
При обработке этой же воды электромагнитным промышленным
аппаратом эффективность обработки составила 70%.
Часть треть я
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
В работах, если это особо не оговорено, приняты следующие
основные обозначения
U — напряжение питания, В;
Л, — токи в фазах, А;
/ср — среднее значение фазного тока, А;
Р активная мощность, кВт;
т — масса, кг;
G, L — производительность, кг/ч; м3/ч; м3-°С/ч; л/ч;
т — время от начала опыта, с, мин, ч;
tlt t2— начальная и конечная температура нагрева, °C;
t — текущее значение температуры, °C;
w — скорость, м/с;
а — удельный расход электроэнергии, кВт-ч/(м3-рС);
т] — к. п. д.;
Т — постоянная времени нагрева, с;
ПВ — продолжительность включения, %.
Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКРЫТЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ
Цель работы. 1. Ознакомиться с методикой исследования от-
крытых проволочных нагревателей.
2. Получить характеристики работы нагревателей в воздушной
среде при различной скорости воздуха.
Экспериментальная установка. Для исследования нагревателей
используется центробежный вентилятор регулируемой производи-
тельности с коротким воздуховодом прямоугольного сечения. Внут-
ри воздуховода (рис. 151) расположены нагреватели (нагреватель-
ные элементы) в виде проволок 1 и 2 из нихрома диаметром 1 и
1,5 мм, открытой спирали 3 и спирали на керамическом стержне 4,
352
Рис, 151. Схема расположения нагревательных элементов в возду-
ховоде:
1, 2, 3, 4 —нагревательные элементы (/ — проволока нихромрвая диаметром
1 мм; 2—проволока диаметром 1,5 мм; 3— спираль из проволоки нихромовой
диаметром 1,5 мм; 4 — спираль из проволоки диаметром 1,5 мм на керамиче-
ском стержне); 5, 6—верхняя и нижняя крышки воздуховода; / — изолирую-
щая планка для крепления нагревательных элементов; 8 — воздуховод;
9 — жалюзийная заслонка.
выполненных также из нихромовой проволоки диаметром 1,5 мм.
Нагревательные элементы расположены горизонтально и перпен-
дикулярно к направлению движения воздуха. Верхняя 5 и ниж-
няя 6 крышки камеры воздуховода, в которой размещены нагре-
вательные элементы, сделаны съемными.
Диаметры проволок всех элементов и их активная длина долж-
ны быть известны. На середине каждого элемента в стороне, об-
ратной направлению потока воздуха, тонкой проволочкой закреп-
ляют спаи хромель-копелевых термопар. Выводы термопар подклю-
чают к переключателю с общим холодным спаем и выходом на
потенциометр или гальванометр (рис. 152).
Программа работы. 1. Подобрать оборудование и электроизме-
рительные приборы для регулирования и измерения напряжения
от 0 до 220 В, тока до 50 А, термо-э.д.с. термопар от 0 до 10 мВ,
активного сопротивления от 0 до 50 Ом, приборы для измерения
Рис. 152. Электрическая схема к работе 1:
Э — нагревательный элемент; Тр — регулятор напряжения; Тп — термопара
измерительная; ТпО — термопара нулевая в сосуде Дьюфра; В — переключа-
тель; ИП — гальванометр.
23—475 353
скорости воздуха. Собрать электрическую схему, изображенную
на рисунке 152.
2. Измерить сопротивление спирали на керамическом стержне
в холодном состоянии и по результатам опытов определить темпе-
ратурный коэффициент сопротивления нихрома.
3. Исследовать зависимость температуры нагревательных эле-
ментов от силы тока нагрузки и скорости обдувающего воздуха.
4. Определить постоянные времени нагрева и коэффициенты
монтажа и среды нагревательных спиралей.
Методические указания. Результаты измерений и вычислений
заносят в таблицу 40.
Таблица 40
Измерения Вычисления
т и 1 А 1 ^2 1 1 А т 1 1
С в А м/с °C еС-1 С —
Здесь w — скорость воздуха, обдувающего элементы;
4 h — установившаяся температура нагревательных эле-
ментов (1, 2, 3-го и т. д.);
и — температурный коэффициент сопротивления нагре-
вательного сплава;
Т—постоянная времени нагрева спиралей;
Км, А'с — коэффициенты монтажа и среды спиралей.
Скорость воздуха, обдувающего нагревательные элементы, ре-
гулируют жалюзийной заслонкой на входе в воздуховод. Темпера-
туру нагревательных элементов для каждого значения тока изме-
ряют только после наступления установившегося режима.
Зависимость t = f (Г) для каждого элемента исследуют:
а) в спокойном воздухе (ш = 0) при снятых верхней и нижней
крышках камеры воздуховода;
б) для 5—6 значений скорости воздуха (в пределах 0,5—5 м/с)
при закрытых крышках.
По результатам опытов строят:
а) кривые нагрева £ = fi (т) при ш = 0;
б) зависимости t = f2(I) при ш = 0;
в) зависимости t = fz(w) при I постоянном и одинаковом для
всех элементов.
Для вычислений используют зависимость
где /0 — ток в спирали в холодном состоянии при температу-
ре t0;
It— то же, при температуре t.
354
Постоянные времени определяют графически по кривым на-
грева.
Коэффициент монтажа спиралей
К =
м F
*сп
определяют при w = 0 и одном и том же значении тока для 2, 3 и
4-го элементов, где /Пр — установившаяся температура проволоки
(2-го элемента); /сп— установившаяся температура спирали.
Коэффициент среды
К. =
где 1пр— установившаяся температура проволоки (2-го элемен-
та) в спокойном воздухе (при ш = 0);
/'п— установившаяся температура спиралей при данном зна-
чении w.
По данным измерений и вычислений строят зависимости Кс =
= [4(®) для обеих спиралей.
Л а б б р а г о р н а я р а б о та 2
ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДНОГО
ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА
Цель работы. 1. Изучить устройство, работу и основные правила
безопасного обслуживания трехфазного электродного водогрейно-
го котла.
2. Исследовать зависимость параметров котла и удельного со-
противления воды от температуры нагрева.
3. Усвоить методику проверочного расчета -электродных систем.
Экспериментальная установка. Работа проводится на электрод-
ном водогрейном котле КЭВ-25/0,4, работающем по схеме с ба-
ком-аккумулятором горячей воды (рис. 153). Котел 2 и бак 5 уста-
навливают на разных уровнях так, чтобы нагретая в котле вода за
счет естественной циркуляции поступала в бак, предварительно
заполненный водой по трубе 7, а холодная вода поступала из бака
в котел. Уровень воды в баке поддерживается поплавковым регу-
лятором 6. Горячую воду из бака отбирают через трубопровод 3 и
кран 4. Схема управления позволяет включать котел вручную или
по режимному графику при помощи программирующего устройства.
Программа работы. 1. Изучить устройство, принцип действия,
назначение и основы обслуживания котла, начертить эскиз, котла,
подобрать приборы для измерения питающего напряжения, тока во
всех фазах и мощности, выполнить технологическую и электриче-
скую схемы установки.
23* 355
Рис. 153. Схема установки с проточ-
ным водогрейным котлом и баком —
аккумулятором горячей воды:
2. Нагреть воду в баке до
температуры 80—90° С и иссле-
довать зависимость тока I и
мощности Р, потребляемых кот-
лом, производительности G,
удельного расхода электро-
энергии а, к. п. д. т] котла, а
также удельного сопротивле-
ния воды р от средней темпера-
туры воды в котле t и времени
нагрева т. Изобразить получен-
ные зависимости графически.
3. Измерить напряжение
между корпусом котла и нуле-
вым проводом при естественной
несимметрии напряжения сети
и при обрыве фазного провода.
4. Провести проверочный
расчет электродной системы
котла.
включают в сеть после запол-
1 — изолирующие вставки; 2 — водогрейный
котел; 3 — трубопровод горячей воды; 4,
<8 — вентили; 5 — бак — аккумулятор горя-
чей воды; 6—бачок с поплавковым регу-
лятором уровня; 7 — труба от водопровод-
ной сети; 9 — терморегулятор.
Методические указания. Котел
нения бака водой. В процессе исследования по п. 2 измеряют и
вычисляют величины, приведенные в таблице 41.
Таблица 41
Измерения Вычисления
т и л | | I. р | Л рг 1 А 7ср | G 1 а | Ч р
с В А кВт °C А м3°С ч кВт-ч/ /(м3-гС) — Ом-см
Здесь tlt t2—температура воды на входе в котел и выходе из
него;
/3 —температура воды в баке (рис. 153).
Расчетная (средняя) температура воды в котле
t = 0,5 + i2).
, 3600 V
J = -------------------
T
где V — объем бака-аккумулятора, м3;
т — общее время нагрева воды в баке от начальной t'3 до ко-
нечной t'3 температуры, с.
Удельный расход электроэнергии
Здесь РСр — средняя за период нагрева воды в баке мощность кот-
ла (равная полусумме первого и последнего значений Р в табли-
це), кВт;
3600 а ’
где cv — удельная объемная теплоемкость воды, кДж/(м3-°С).
Удельное сопротивление воды с точностью, достаточной для
технических целей, можно определить, воспользовавшись форму-
лой (93)
772А10—3
; Р/ ~ KPt '
где К— ------——геометрический коэффициент электродной си-
стемы (табл.4);
b, h, I—ширина, высота электродов и расстояние меж-
ду ними, см;
п— число электродов.
Для измерения потенциала на корпусе котла с разрешения ру-
ководителя занятий временно отключают заземление.
Проверочный расчет ведут по формулам (104) и (105) с исполь-
зованием полученной зависимости p = f(O- Для заданных разме-
ров электродной системы и известного удельного сопротивления
воды определяют мощность, которая может быть получена от кот-
ла, и сравнивают с потребной, в данном случае с действительной
мощностью, которая наблюдается в опытах.
Лабораторная работа 3
ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТНОГО
ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ ЕМКОСТНОГО ТИПА
Цель работы. 1. Изучить устройство, работу, назначение трех-
фазного элементного водонагревателя типа ВЭТ, а также управле-
ние им.
2. Исследовать режимы работы и определить основные пара-
метры водонагревателя.
3. Усвоить методику проверочного расчета установок косвенно-
го электроиагрева.
Экспериментальная установка. Работа проводится на элемент-
ном водонагревателе ВЭТ-200. Разрез и схема управления водона-
гревателя приведены на рисунках 57 и 58. В силовые цепи включа-
ют приборы для измерения напряжения питания, силы тока в каж-
дой из фаз, потребляемой мощности, измеряют также температуру
воды.
Программа работы. 1. Ознакомиться с устройством, электриче-
ской схемой, работой и назначением водонагревателя, выполнить
эскизный разрез аппарата, электронагревателя и терморегулятора,
подобрать приборы и собрать схему питания.
357
2. Исследовать процесс нагрева воды и получить зависимость
потребляемой мощности и тока от температуры воды и времени на-
грева, определить производительность, удельный расход электро-
энергии, к.п.д. и постоянную времени нагрева водонагревателя.
3. Опытным и расчетным путем определить, как изменится мощ-
ность водонагревателя при выпадении одной фазы для следующих
условий: а) нейтраль звезды нагревателей изолирована от нулево-
го провода; б) нейтраль соединена с нулевым проводом сети.
4. Начертить электрические схемы включения нагревателей,
обеспечивающие получение мощности, равной ’/е, */з, ’/г, 2/з и 1 от
номинальной при питании от одно- и трехфазной сети 220 В.
5. Провести проверочный расчет водонагревателя.
Методические указания. Результаты исследования по нагреву
воды (п. 2) оформляют в виде таблицы 42. Методика вычислений
аналогична приведенной в предыдущей работе.
Таблица 42
т Измерения Вычисления
t V Л Л /з р 7ср G а ч т
мин °C В А кВт А м3>°С/ч кВт-ч/(м3оС) — с
По полученным данным строят зависимости /Ср, Р, G, а от тем-
пературы воды t и времени нагрева т, а также кривую нагрева
^=/(т), по которой определяют постоянную времени нагрева Т.
В проверочном расчете по известным размерам установки и на-
гревателей, производительности, начальной и конечной температу-
ре воды определяют мощность установки и температуру нагрева-
телей.
Мощность определяют из уравнения теплового баланса (37) и
(39), а температуру нагревателей—-из уравнения теплопереда-
чи (134):
4= ~ + 4, (а)
Г
где F—поверхность теплоотдачи нагревателей, м2;
4=0»5(4+4) —средняя температура воды, °C;
1
гк —------термическое сопротивление конвекции нагрева-
телей (м2-°С)/Вт;
4— температура трубки нагревателя, °C.
Коэффициент теплоотдачи а для рассматриваемого случая со
свободной конвекцией определяется по формуле [11]
а = 363 (А/)7’, (б)
где &t—tn—ts.
Как видно из последней формулы, термическое сопротивление
нагревателей, входящее в формулу (а), в свою очередь, также
358
зависит от температуры трубки. Поэтому чаще всего, как и при
конструктивном расчете, расчет ведут методом последовательных
приближений. Задаются температурой трубки нагревателя /н и на-
ходят поверхность нагревателей F. Если полученный результат
совпадает с действительным значением F, расчет заканчивается.
Это свидетельствует о том, что температура нагревателя выбрана
правильно. В противном случае расчет повторяют при новом зна-
чении tH.
При необходимости определить температуру спирали нагрева-
теля расчет ведут аналогично, только в этом случае берут терми-
ческое сопротивление спирали, слагающееся из термического со-
противления конвекции г'т и теплопроводности г'т (136).
Лабораторная работа 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ
ПРОТОЧНОГО ТИПА
Цель работы. 1. Ознакомиться с конструкцией, назначением,
принципом автоматизации проточного элементного водонагревате-
ля типа ЭПВ.
2. Опытным путем определить динамические свойства и энерге-
тические характеристики.
Экспериментальная установка. Экспериментальной установкой
является проточный элементный водонагреватель ЭВП-2А
(рис. 60), оборудованный необходимыми электроизмерительными
приборами и устройствами для измерения расхода и температуры
воды.
Программа работы. 1. Выполнить эскизный разрез водонагрева-
теля, усвоить основные правила эксплуатации, измерить сопротив-
ление изоляции нагревателей и сравнить с допустимым, подобрать
необходимые электроизмерительные приборы и собрать схему пи-
тания.
2. Снять кривые переходного режима (кривые нагрева) для
двух значений производительности и напряжения питания.
3. По виду кривых переходного режима определить, к какому
типу звеньев автоматического регулирования относится водонагре-
ватель, привести общий вид дифференциального уравнения, опи-
сывающего динамику водонагревателя, и определить коэффициен-
ты, входящие в уравнение.
4. Исследовать зависимость удельного расхода электроэнергии
и к. п. д. водонагревателя от производительности.
5. Исследовать работу водонагревателя в режиме двухпозици-
онного автоматического регулирования, построить график автомати-
ческой работы и определить продолжительность включения.
Методические указания. Измерения и вычисления по пп. 2 и 3
оформляют в таблицу 43.
359
Таблица 43
т Измерения Вычисления
и р о Л t, коэффициенты диф- ференциального уравнения а п
с в кВт л/ч °C кВт-ч (л-°С)
Здесь ti, t2 — начальная (на входе) и конечная (на выходе) темпе-
ратура воды. Остальные обозначения общепринятые.
Кривые нагрева снимают по температуре выходящей воды для
следующих условий:
а) питание водонагревателя симметричное, напряжение 380 В,
производительность 80 и 120 л/ч;
б) питание водонагревателя по двум фазам (случай обрыва фа-
зы) для тех же значений производительности.
Производительность изменяют степенью открытия вентиля на
напорном трубопроводе и измеряют мерным бачком и секундо-
мером.
Во время опытов поддерживают постоянные мощность, темпе-
ратуру поступающей воды, температуру окружающей среды и рас-
ход воды.
Показания приборов вначале (4—5 измерений) записывают че-
рез 3—5 с, а затем — через 10—15 с до наступления установивше-
гося значения температуры на выходе. Опыты повторяют 3 раза.
Коэффициенты дифференциального уравнения определяют из
кривых переходного режима t = способами, известными из тео-
рии автоматического регулирования.
Удельный расход электроэнергии а и к. п. д. ц определяют при
номинальной мощности Р для различной производительности G
(5—6 значений). По результатам опытов и вычислений строят гра-
фические зависимости
а = /1(G), Л = f2(G).
График автоматической работы ^ = ф(т) строят по данным таб-
лицы 44, которую составляют при номинальных значениях Р и G
для трех циклов включение — выключение.
Таблица 44
Циклы включе- ние—выключе- Нагрев | Охлаждение пв
вклю- чение 1 2 3 выклю- чение 1 2 3 включе- ние
ние
1-й т, с
<2. °C
и Т. Д.
360
Здесь 1, 2, 3 — промежуточные значения температуры между вклю-
чением (выключением) и выключением (включением).
Лабораторная работа 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОКАЛОРИФЕРНОЙ УСТАНОВКИ
Цель работы. 1. Изучить устройство, электрическую схему и
применение электрокалориферных установок типа СФОА.
2. Исследовать режимы работы и получить основные техниче-
ские характеристики установок.
Экспериментальная установка. В работе изучается и исследует-
ся электрокалориферная установка СФОА-25/0,4 (рис. 69), осна-
щенная приборами для измерения электрических величин, расхода
и температуры воздуха. На выходном патрубке вентилятора уста-
новлен вертикальный воздуховод, в нижней части которого встро-
ена регулирующая заслонка для расхода воздуха. Во избежание
перегрева нагревателей при максимальном закрытии заслонки рас-
ход воздуха не должен снижаться ниже 50% от номинального.
В верхней сужающейся (для выравнивания скорости воздуха по
сечению) части воздуховода установлен электроанемометр для из-
мерения температуры и расхода воздуха. На стойке у выходного
отверстия воздуховода на расстоянии, обеспечивающем приемле-
мое значение ПВ калорифера, укреплен датчик температуры поме-
щения. При ограниченной пропускной способности лабораторных
сетей секции электрокалорифера пересоединяют с параллельного
включения на последовательное.
Программа работы. 1. Изучить конструкцию и выполнить эскизы
установки, шкафа управления и электрического нагревателя, по-
добрать необходимые электроизмерительные приборы и собрать
схему питания, зарисовать электрическую схему шкафа управ-
ления.
2. Исследовать зависимость теплопроизводительности, темпера-
туры нагрева воздуха, удельного расхода электроэнергии и к. п. д.
установки от мощности калорифера и расхода воздуха.
3. Изучить принцип и электрическую схему управления, защи-
ты и автоматического регулирования установки, исследовать ее
работу в автоматическом режиме и построить график двухпозици-
онного автоматического регулирования.
Методические указания. Величины, подлежащие измерению и
вычислению при выполнении и. 2 программы, приведены в табли-
це 45.
Таблица 45
Степень открытия заслонки Измерения Вычисления
у 1 р 1 р 1 Д 1 к | 'Н | /, | 4 L ДУ <? а ч
% в кВт °C м/с М3/ч сс кДж/ч кВт-ч/(м3°С) —
361
где Р д, Рк — мощность электродвигателя вентилятора и кало-
рифера;
4 — температура оребрения нагревателей;
1% — температура воздуха на входе в калорифер и вы-
ходе из него;
L — производительность установки по воздуху (расход
воздуха);
Q — теплопроизводительность установки;
А/=(4—Л) — температура нагрева воздуха.
По результатам исследования построить зависимости Q, tH, а и
т] в функции Р и L.
Мощность (теплопроизводительность) установки регулируют
числом включенных секций нагревателей электрокалорифера, рас-
ход воздуха — степенью открытия регулирующей заслонки на на-
порном патрубке вентилятора.
Температуру нагревателей измеряют медь-константановой тер-
мопарой, спай которой заделан в диск оребрения. Все измерения
делают в установившемся режиме с трехкратной повторностью. Для
вычислений пользуются следующими зависимостями:
L — 3600 да/,
где f — площадь сечения воздуховода в месте измерения скорости
воздуха, м2;
да — усредненная по сечению воздуховода скорость воздуха,
м/с;
Q = М>Рв (^2 — hl
где св, рв — удельная теплоемкость [кДж/(кг-°С)] и плотность
(кг/м3) воздуха:
62В0
г 273 + t2
где BQ — барометрическое давление, Н/м2:
L (/г —^1)
•и = СвРв
3600 а ‘
Для построения графика автоматической работы составляют
таблицу, аналогичную таблице 44.
Лабораторная работа 6
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
ИНКУБАТОРА
Цель работы. 1. Ознакомиться с устройством, принципом рабо-
ты и системами автоматизации инкубатора У-50.
362
2. Исследовать работу систем регулирования микроклимата вы-
водного шкафа инкубатора и получить основные технические ха-
рактеристики.
Экспериментальная установка. Экспериментальной установкой
является выводной шкаф инкубатора «Универсал-50», электриче-
ская схема которого приведена на рисунке 80. В цепь питания шка-
фа включены необходимые электроизмерительные приборы. Уста-
новка оборудована сухими и влажными термометрами внутри и
снаружи шкафа.
Программа работы. 1. Изучить электрооборудование, электри-
ческую схему и режимы работы инкубатора. Подобрать и включить
в цепь питания необходимые электроизмерительные приборы.
2. Проверить и настроить работу систем автоматического регу-
лирования, исследовать динамические свойства инкубатора.
3. Исследовать зависимость погрешностей автоматического ре-
гулирования температуры 8t и влажности 6<р, числа включений
нагревателей nt и клапана увлажнения п<р, а также средней мощ-
ности РСР нагревателей от интенсивности воздухообмена.
4. По результатам исследования п. 3 построить зависимости па-
раметров Qt, бф, nt, Пф, РСр от кратности воздухообмена К.
Методические указания. При исследовании динамики инкуба-
тора (п. 2) снять и построить кривые разгона выводного шкафа по
температуре и влажности, определить постоянные времени. Резуль-
таты измерений и вычислений записать в таблицу 46.
Таблица 46
т Измерения Вычисления
и h г, Р Показания термометров ^с.и | ^с.о | ^в.и | ^в.о Ч>Н Ч>0
с В А кВт °C %
Здесь /с.и, tc.o — температура воздуха внутри шкафа и снаружи
по сухому термометру;
/в.и, ts.o — то же, по влажному термометру;
Фи, Фо — относительная влажность воздуха внутри шка-
фа и снаружи, определяемая по психрометри-
ческим таблицам и разности температур
и /о-
По табличным данным строят кривые
*с.и = Л (т)> Фи = Ъ (т),
по которым определяют постоянные времени Tt и Ttf.
Исследования по п. 3 проводят при уставках регуляторов
£с.и=37° С и фи=60% и сводят в таблицу 47.
363
Таблица 47
Положе- ние воз- душной заслонки Измерения Вычисления
W воздухообмен электрические нагреватели
L к т/вкл Двкл Т/ВЬ1КЛ | ^с-выкл 6f nt ₽ср
м/с м3/ч ч-1 МИН °C МИН °C % ч—1 кВт
Продолжение
Измерения Вычисления
клапан увлажнения
тф вкл ^Ф с.вкл | ^фв.вкл т<рвыкл ^ф с.выкл | ^ф в.выкл <Рвкл ^выкл бф лф
МИН °C мин °C % ч-1
Здесь w— скорость воздуха через вентиляционные отвер-
стия;
Т/вкл, т/выкл — время включенного и выключенного состоя-
ний нагревателей;
т<рвкл, тфвыкл— то же, клапана увлажнения;
4.вкл, ^с.выкл — температура включения и выключения нагре-
вателей по сухому термометру;
с.вкл, t<t> с.выкл — то же, клапана увлажнения;
/ф в.вкл, /фв.выкл —то же, по влажному термометру;
8t, бср — погрешности регулирования температуры и
влажности;
П/, «ф —число включений нагревателей и клапана
увлажнения;
PQP — средняя мощность нагревателей.
Воздухообмен внутри шкафа регулируют положением (степенью
открытия) воздушных заслонок. К работе должна быть приложена
градуировочная кривая зависимости скорости воздуха через венти-
ляционные отверстия от положения заслонок.
Для вычислений к таблице 47 используют следующие зависи-
мости:
б/ = ! 000/0 .
/с-уст
бф = -(Р»Ь1КЛ - Фвкл. ! 000/о ,
Фуст
где /Суст, фуст — установки регуляторов температуры и влажности,
°C, %;
Tf вкл I Т/ ВЫКЛ
364
60
т -кт
<р вкл^ tq> выкл
у __ nd2wn
" ~ 4-3600 ’
где d— диаметр вентиляционного отверстия,
п —число отверстий.
К =,
УнО-Кз)
где VH — объем шкафа инкубатора по наружному обмеру, м3;
— коэффициент технологического заполнения шкафа (при-
нять равным 0,43);
р _ р Т/ вкл £2
Т/ ВКЛ + Т/ВЫКЛ 3,6-10»
где Ри—номинальная мощность нагревателей, кВт;
g—тепловыделение яйца, Дж;
г— число яиц в шкафу.
По полученным данным строят зависимости б/, бф, nt, п9 , РСр
в функции кратности воздухообмена К.
Лабораторная работа 7
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСВАРОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы. 1. Изучить практически устройство, принцип дей-
ствия, способ регулирования тока сварочных трансформаторов ти-
па ТС, освоить основные правила техники безопасности.
2. Экспериментальным путем получить внешние и энергетиче-
ские характеристики сварочного трансформатора и сделать их
анализ.
Экспериментальная установка. Изучается и исследуется транс-
форматор ТС-300, принципиальная электрическая схема которого
приведена на рисунке 36, в. Нагрузкой трансформатора служат
ящик сопротивления с чугунными элементами, позволяющий изме-
нять нагрузку в пределах 0,08—0,40 Ом путем пересоединения
секций.
Программа работы. 1. Изучить устройство трансформатора,
принцип действия и способ регулирования сварочного тока, выпол-
нить эскиз трансформатора, подобрать в соответствии с програм-
мой работы и паспортными данными трансформатора электроизме-
рительные приборы для первичной и вторичной цепей и собрать
электрическую схему.
2. Ознакомиться с правилами техники безопасности при работе
с источниками сварочного тока, проверить заземление корпуса
трансформатора, измерить сопротивление изоляции первичной и
вторичной обмоток и сделать заключение о возможности работы
с аппаратом. r
3. Снять и построить серию внешних и энергетических характе-
ристик трансформатора, объяснить их характер и дать заключение
о их соответствии требованиям к источникам сварочного тока.
Методические указания. Характеристики трансформатора сни-
мают при различных расстояниях I между первичной и вторичной
обмотками, равными 0; 6; 12; 18 и 25 см.
Для каждого из значений I нагрузку R (сопротивление секций
ящика) принимают равной; оо (холостой ход); 0,4; 0,2; 0,12;
0,08 Ом.
Измерения и вычисления проводят в соответствии с табли-
цей 48.
Таблица 48
Z R Измерения Вычисления
U, А Р, А р, л cos ср
см Ом В А кВт В А кВт — —
Индекс 1 относится к величинам первичной цепи, а 2 — вто-
ричной.
К. п. д. 1] условно определяют как
а коэффициент мощности
Pi
COS ф = —- .
УхЛ
По результатам исследования строят внешние = и энер-
гетические т]=(6) и cos ф=Дз(/2) характеристики для различных/•
Лабораторная работа 8
ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА
Цель работы. 1. Изучить устройство, электрическую схему,
принцип работы, настройки и регулирования установки для высо-
кочастотного нагрева диэлектриков, ознакомиться с правилами об-
служивания и техники безопасности.
2. Исследовать работу установки и получить регулировочные и
энергетические характеристики.
Экспериментальная установка. Для проведения работы исполь-
зуется промышленная установка диэлектрического нагрева малой
мощности ЛГД-1. Принципиальная электрическая схема установ-
ки приведена ла рисунке 154. Для загрузки генератора в рабочем
366
конденсаторе сушат кусок древе-
сины. В работе необходимы лабо-
раторные весы для взвешивания
древесины и термощуп.
Программа работы. 1. Изу-
чить устройство, технические дан-
ные, электрическую схему уста-
новки, освоить основные правила
обслуживания и техники безопас-
ности при работе с высокочастот-
ными установками, подобрать
электроизмерительные приборы и
собрать схему питания.
2. Настроить генератор на оп-
тимальный режим и на холостом
ходу (без загрузки конденсатора)
снять регулировочные характери-
стики — зависимость анодного /а
и сеточного /с тока от коэффи-
циента обратной сеточной связи
Кс и расстояния d между пласти-
нами рабочего конденсатора.
3. Нагреть диэлектрик (древе-
сину) с целью сушки и опреде-
лить:
Рис. 154. Принципиальная электриче-
ская схема установки диэлектриче-
ского нагрева ЛГД-1:
Л/, Л2 — генераторные лампы; Тр —анод-
ный трансформатор; L1 — индуктивность
колебательного контура; L2, £5 —анодные
дроссели; L4 — дроссель безопасности;
L5 — катушка обратной связи; L6 — дрос-
сель сеточный; С1 — рабочий конденсатор;
С2—конденсатор колебательного контура;
СЗ, С4 — разделительные конденсаторы:
С5 — сеточный конденсатор.
а) полную полезную РПОл и удельную ДРПол мощности, погло-
щаемые в диэлектрике;
б) к. п. д. т) и коэффициент мощности cos ф.
4. По полученным и имеющимся данным определить:
а) возможную полезную мощность Р'ол;
б) расчетную удельную мощность АР'ПОЛ
5. Установить характер распределения температуры по толщи-
не диэлектрика при нагреве в конденсаторе.
Методические указания. Исследования по п. 2 начинаются при
значении сеточного тока /с = 50 мА, максимальном расстоянии d
между пластинами конденсатора и минимальном значении коэффи-
’Щиента обратной сеточной связи Кс. Поворотом регулирующих ру-
кояток задают 4—5 значений d, для каждого из которых устанав-
ливают 5—6 значений Кс- Результаты измерений заносят в табли-
цу 49.
Таблица 49
d 'а А
СМ — А мА
367
По полученным данным строят зависимости Ia=ft(d, /<с), 1С —
— f2(d, Кс), объясняют их характер и отражаемые ими физические
явления.
Измерения и вычисления по пп. 3 и 4 сводят в таблицу 50.
Таблица 50
Г Измерения Вычисления
и г р потр 'с т: т2 Д W р пол А₽ПОЛ П COS ф р' пол др' пол
мин В А кВт А мА КГ кВт Вт/см3 — кВт Вт/см3
где U, I, -Pnoip — параметры питающей сети;
/пь т2—масса диэлектрика до и после нагрева (сушки);
AlF=mx—т2 — количество испаряемой влаги.
Для вычислений пользуются следующими зависимостями.
р =
пол 60 т ’
где г — удельная теплота испарения (при начальной температуре
20° С г = 2510 кДж/кг);
т — время сушки, мин;
ДП _____ Рпал 10”
/А/пол >
ид
где Уд — объем древесины, см3.
К- п. д. и коэффициент мощности вычисляют обычным способом.
Возможную полезную мощность приближенно можно опреде-
лить как
Р' =\Р V Ю~3,
ПОЛ пол к ’
где У1; — объем рабочей камеры (конденсатора) при полном запол-
нении диэлектриком, см3.
Расчетную удельную мощность определяют по формуле (19),
приняв для древесины е = 6-1-8, tg 6 = 0,3 и напряженность поля-
Е = ,
d
где UK — напряжение на рабочем конденсаторе, принимаемое по
паспортным данным, кВ.
По данным таблицы 50 строят зависимости I, Рпотр, /а, Д, cos ср
в функции времени нагрева, анализируют и объясняют их.
После окончания сушки образца термощупом измеряют его тем-
пературу на поверхностях, обращенных к электродам, и в середине
по толщине (в специальном сверлении диаметром 1,5—2 мм) строят
диаграмму распределения температуры по сечению.
368
Лабораторная работа 9
ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УСТАНОВКИ
Цель работы. 1. Изучить электрическую схему высокочастотно-
го генератора ультразвуковой установки, устройство и принцип ра-
боты преобразователя, ознакомиться с правилами настройки и об-
служивания установки.
2. Исследовать работу
установки и получить ос-
новные энергетические
параметры.
Экспериментальная
установка. Работу про-
водят на ультразвуковой
установке, включающей
генератор УЗГ-2,5А (рис.
155) и ванну УЗВ-15
с магнитострикционным
преобразователем ПМС-6.
Установка оборудована
измерителем ультразвука
в жидкости, устройством
для измерения расхода
воды, охлаждающей пре-
образователь, погружным
электродным подогрева-
телем воды в ванне мощ-
ностью 2,5—3 кВт, диф-
ференциальной термопа-
рой с милливольтметром
для измерения разности
температур охлаждающей
воды на выходе и входе
в преобразователь.
Программа работы.
1. Изучить электрическую
схему и конструкцию ге-
нератора, устройство и
работу ванны и преобра-
зователя, усвоить после-
довательность операций
по вводу установки в ра-
боту, собрать схему пита-
ния (рис. 156), включить
и настроить генератор на
оптимальный режим ра-
боты.
Рис. 155. Принципиальная электрическая
схема ультразвукового генератора УЗГ-2,5А:
Л — генераторный триод; ИП — источник питания;
Др1, Др2 — дроссели; Тр1—ТрЗ — трансформаторы;
С1—С9 — конденсаторы; ПМ — преобразователь
магнитострикционный; L — вариометр; R1 — рези-
стор; R2 — потенциометр; Вп— выпрямитель; В1,
В2— переключатели.
360/ 220 В
Рис. 156. Электрическая схема питания к
установке УЗГ-2.5А:
Тр — автотрансформатор; ЭП — электродный по-
догреватель воды.
24—475
369
2. Исследовать, построить и объяснить характер зависимостей
анодного тока /а, сеточного тока /с и интенсивности ультразву-
ка ДР в ванне с водой от силы тока подмагничивания 1П.
3. Экспериментальным путем получить энергетические показа-
тели установки: потери в преобразователе ДРпр, акустическую мощ-
ность Рак, мощность, потребляемую преобразователем Рпр, элек-
троакустический к. п. д. т), общий к. п. д. и коэффициент мощности
cos ф установки.
4. Определить интенсивность очистки в ультразвуковом поле
по скорости эрозии металлической пластины.
Методические указания. Исследования по п. 2 проводят при
значениях тока подмагничивания, равных 0, 3, 6, 10, 15 А. Ре-
зультаты измерений заносят в таблицу 51.
Таблица 51
А’ А 0 3 6 10 15
/а, А /с, мА АР, Вт/см2
Исследования по п. 3 проводят при номинальных значениях /п
и /с- Измерения и расчеты заносят в таблицу 52.
Таблица 52
№ опытов Измерения
питающая сеть охлаждение преобразо- вателя нагрев воды ультразвуком
и / | ^лотр т м Дг tl 1 tl т
В А кВт кг СС С сс с
Продолжение
Измерения Вычисления
эквивалентный электрический нагрев воды ДР пр Рак р ’Ъ.а ч cos ср
Un 'и !к X'
в А СС с кВт — — —
Здесь т— масса охлаждающей воды через преобразователь, по-
ступившая в мерный бачок за время Дт;
Д/—разность температуры охлаждающей воды на выходе
и входе;
370
tlt t2—начальная и конечная температура воды в ванне при
озвучивании в течение т секунд;
/р —то же> при эквивалентном нагреве воды погружным
электроподогревателем за время т' секунд;
Ua — напряжение, подводимое к подогревателю;
/н, Л—начальное и конечное значения тока подогревателя.
Потери в преобразователе определяют по изменению энтальпии
охлаждающей воды
др _ тс&
пр Дт ’
Акустическая мощность приближенно может быть определена
по изменению энтальпии воды в ванне в предположении, что вся
излучаемая преобразователем энергия ультразвукового поля погло-
щается водой и преобразуется в тепло. Для определения акустиче-
ской мощности проводят два опыта.
1. Измеряют нагрев воды ультразвуковыми колебаниями.
Воду при непрерывном перемешивании озвучивают в течение
т=120 с. При этом измеряют ее начальную t\ и конечную t2 тем-
пературу.
2. После окончания первого опыта воду из ванны сливают, ван-
ну охлаждают и вновь заполняют до прежней отметки водой, имею-
щей начальную температуру t\, возможно близкую к значению t\.
Затем при помощи электродного подогревателя нагревают воду до
температуры t'2. При помощи автотрансформатора подбирают такое
напряжение Ua, чтобы время нагрева т' и конечная температура t'2
были как можно ближе к значениям т и t2 в первом опыте.
Примечание. В первом опыте электродный подогреватель также должен на-
ходиться в ванне, но в отключенном состоянии.
Опыты следует повторять не менее трех раз, для вычислений
используют среднеарифметические значения измеренных величин.
При выполнении приведенных выше условий акустическая мощ-
ность преобразователя может быть приближенно принята равной
Лк = 0,5Пп(/н + /к).
Другие параметры
Р -- Р -I- ДР •
гпр — ак Т ш пр>
Исследования по п. 4 проводят следующим образом. В ванну
по центру излучателя на расстоянии 10 мм помещают пластину
алюминия размером 80X50X5 мм, боковой поверхностью парал-
лельно излучателю и выдерживают в течение 5 мин. До и после
обработки пластину тщательно взвешивают на аналитических ве-
24;
371
сах. Скорость эрозии, пропорциональная эффекту очистки деталей,
определяется по формуле
Дт
= ,
э Ft
где Am— убыль массы образца, мг;
т— время экспонирования, с;
F— боковая поверхность пластины, см2.
Данные опыта заносят в таблицу 53.
Таблица 53
№ опытов Измерения Вычисления
т, | тг 1 т F Д,п “'э
МГ С см2 МГ мг/ (см2-с)
Здесь nil и т2 — масса пластины до и после взвешивания (перед
взвешиванием пластина должна быть тщательно просушена).
Лабораторная работа 10
ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗГОРОДИ
Цель работы. 1. Изучить назначение, электрическую схему,
принцип действия и устройство электрической изгороди.
2. Освоить настройку и исследовать режимы работы изгороди.
Экспериментальная установка. Изучается и исследуется элек-
трическая изгородь ИЭ-200. Четыре стойки изгороди установлены
по углам деревянного ящика 0,6X0,8 м, заполненного землей. Мон-
таж всего оборудования изгороди выполняют в строгом соответ-
ствии с заводской инструкцией. На провод обязательно вешают пре-
дупредительные плакаты.
Работа оснащается осциллографом для воспроизведения формы
импульсов и подсчета их частоты. К работе прилагается заводская
инструкция по устройству и использованию изгороди.
Программа работы. 1. Изучить техническую характеристику,
устройство, назначение и применение электрической изгороди
ИЭ-200, начертить эскиз установки.
2. Изучить электрическую схему генератора импульсов
(рис. 139), устройство и работу отдельных узлов, освоить настрой-
ку и регулировку генератора импульсов.
3. Исследовать работу изгороди в автоматическом и ждущем
режиме, определить для автоматического режима частоту им-
пульсов.
4. Зарисовать форму импульсов напряжения и тока, определить
амплитудные значения напряжения и тока, энергию и силу им-
пульса.
372
Методические указания. Включать изгородь в сеть, настраи-
вать ее, регулировать и исследовать режимы можно только с раз-
решения руководителя занятий и в строгом соответствии с завод-
ской инструкцией.
Для воспроизведения и записи форм импульсов напряжения и
тока и определения частоты импульсов в автоматическом режиме
используют электроннолучевой осциллограф с длительным после-
свечением экрана.
Прикосновение животного к изгороди имитируется включением
между проводом и «землей» сопротивления, равного примерно
500 Ом.
Сигналы на вход осциллографа подаются изолированными про-
водниками с провода изгороди (для получения формы импульса
напряжения) и с низкоомного сопротивления, включаемого после-
довательно на выход генератора импульсов (форма импульсов
тока).
Энергия импульса
№ = — CUI,
2 0
где UQ—напряжение начала разряда (по кривой импульса напря-
жения) ;
С—емкость накопительных конденсаторов (взять из паспорт-
ных данных изгороди).
Сила импульсов определяется планиметрированием площади,
ограниченной кривой импульса тока и осью абсцисс (ось времени),
и измеряется в миллиампер-секундах или в милликулонах.
приложения
Материалы для электрических нагревателей
Приложение 1
Материал Плот- ность, ХЮ-3 кг/м’ Удельное электрическое сопротивле- ние пди 20° С, ХЮ 'вОм м Температурный коэффициент электрического сопротивления, ХЮ-’ °C—1 Максималь- ная рабочая температура, °C Температура плавления. °C
Нихром двойной (Х20Н80-Н) 8,4 1,1 16,5 1200 1400
Нихром тройной * (Х15Н60-Н) 8,3 1,1 16,3 1100 1390
Фехраль (Х13Ю4) 7,2 1,26 17,0 900 1450
Нержавеющая сталь (1XI8H9T) 7,9 0,71 16,6 850 1420
Константан 8,9 0,5 5,0 450 1270
Сталь малоуглеро- дистая 7,8 0,135 4500 300 1460
Карборунд 2,3 800—1900 Переменный 1500 —,
Графит 1,6 8—13 Переменный 2000 —’
Приложение 2
Нагрузки в амперах, соответствующие определенным температурам нагрева
нихромовой проволоки, подвешенной горизонтально в спокойном воздухе
при температуре 20° С .
Диаметр проволоки, мм Сечение, мм2 Допустимые нагрузки (А) при расчетной температуре /р,°С
200 400 600 700 800 900 1000
5 19,6 52 83 105 124 146 173 206
4 12,6 37 60 80 93 110 129 151
3 7,07 22,3 37,5 54,5 64 77 88 102
2,5 4,91 16,6 27,5 40 46,6 57,5 66,5 73
2 3,14 11,7 19,6 28,7 33,8 39,5 47,0 51
1,8 2,54 10 16,9 24,9 29 33,1 39 43,2
1,6 2,01 8,6 14,4 21 24,5 28 32,9 35
1,5 1,77 7,9 13,2 19,2 22,4 25,7 30 33
1,4 1,54 7,25 12 17,4 20 23,3 27 30
1,3 1,33 6,6 10,9 15,6 17,8 21 24,4 27
1,2 1,13 6 9,8 14 15,8 18,7 21,6 24,3
1,1 0,95 5,4 8,7 12,4 13,9 16,5 19,1 21,5
374
Продолжение
Диаметр проволоки, мм Сечение, мм2 Допустимые нагрузки (А) при расчетной температуре /р, °C
200 400 600 700 800 900 1000
1 0,785 4,85 7,7 10,8 12,1 14,3 16,8 19,2
0,9 0,636 4,25 6,7 9,35 10,45 12,3 14,5 16,5
0,8 0,503 3,7 5,7 8,15 9,15 10,8 12,3 14,0
0,75 0,442 3,4 5,3 7,55 8,4 9,95 11,25 12,85
0,7 0,385 3,1 4,8 6,95 7,8 9,1 10,3 11,8
0,65 0,332 2,82 4,4 6,3 7,15 8,25 9,3 10,75
0,6 0,342 2,52 4 5,7 6,5 7,5 8,5 9,7
0,55 0,238 2,25 3,55 5,1 5,8 6,75 7,6 8,7
0,5 0,195 2 3,15 4,5 5,2 5,9 6,75 7,7
0,45 0,159 1,74 2,75 3,9 4,45 5,2 5,85 6,75
0,40 0,126 1,5 2,34 3,3 3,85 4,4 5 5,7
0,35 0,096 1,27 1,95 2,76 3,3 3,75 4,15 4,75
0,3 0,085 1,05 1,63 2,27 2,7 3,05 3,4 3,85
0,25 0,049 0,84 1,33 1,83 2,15 2,4 2,7 3,1
0'2 0,0314 • 0,65 1,1)3 1,4 1,65 1,82 2 2,3
0,15 0,0177 0,46 0,74 0,99 1,15 1,28 1,4 1,62
0,1 0,00785 0,1 0,47 0,63 0,72 0,8 0,9 1,0
Приложение 3
Основные технические данные трубчатых электронагревателей (ТЭНов),
применяемых в сельском хозяйстве
Тип
электронагрева-
теля
Номинальная
мощность, кВт
1
Номинальное
напряжение, В
Развернутая
длина, м
Наружный
диаметр, мм
Нагрев подвижного и неподвижного воздуха
до температуры +2504-350 С
ТЭН-01 0,57 1,71
ТЭН-0,2 0,40 0,90
ТЭН-0,5 0,40 1,32
ТЭН-0,7 0,45 1,82
ТЭН-13 0,60 2,476
ТЭН-15 0,56 220 1,584 13,5
ТЭН-17 0,35 1,10
ТЭН-21 0,80 1,742
ТЭН-23 0,50 1,32
ТЭН-30 0,50 1,113
ТЭН-31 0,50 1,113
Нагрев воды и водных растворов
до температуры кипения
ТЭН-ОЗА
ТЭН-06А
ТЭН-08А
ТЭН-09А
ТЭН-10
3,5
0,8
2,33
1,8
2,0
220
0,99
0,43
0,685
0,685
0,995
375
Продолжение
Тип электронагрева- теля Номинальная мощность, кВт Номинальное напряжение, В Развернутая длина, м Наружный диаметр, мм
ТЭН-11 0,3 0,910 '
ТЭН-12 5,0 1,487
ТЭН-14 2,67 0,79
ТЭН-16 1,33 0,57
ТЭН-18 1,2 220 1,665 13,5
ТЭН-19А 2,33 0,64
ТЭН-20 1,5 1,93
ТЭН-20А 1,0 0,805
ТЭН-22 1,2 1,063
ТЭН-24 1,93 1,74
ТЭН-25 1,93 1,63
ТЭН-29 2,0 0,995
ТЭН-32 3,6 1,Ю
ТЭН-33 1,2 1,27
ТЭН-39 1,5 1,125
ТЭН-43 1,2 1,575
Нагрев воды иводных растворов
до температуры 4-100° С
НВ-3,9/6,0 2,0 220(380) Трехфазное 16
НВ-4,8/7,5 2,5 220(380) исполнение
НВ-5,4/9,0 3,0 220(380) (рис. 25)
НВ-6,3/10.5 3,5 220(380)
НВ-6,9/12,0 4,0 220(380)
НВ-7,8/15,0 5,0 220(380)
НВ-0,75/0,5 0,25 0,375 13
НВ-1,0/1,0 0,5 0,50 13
НВ-1,5/2,0 1,0 0,75 13
НВ-2,0/3,0 1,5 1,0 13
НВ-2,5/4,0 2,0 220 1,25 16
НВ-3,0/5,0 2,5 1,5 16
НВ-3,5/6,0 3,0 1,75 16
НВ-4,0/7,0 3,5 2,0 16
НВ-4,5/8,0 4,0 2,25 16
НВ-5,0/10,0 5,0 2,5 16
НВ-0,65/1,2 1,2 0,65 13
НВ-1,0/3,5 3,5 1,9 16
НВ-1,2Б/1,2 1,2 1,25 16
Нагрев масел и пищев ы х жиров
до температуры 4-200° С
ТЭН-26 2,8 1,903
ТЭН-27 2,8 220 1,804 13,5
ТЭН-28 2,8 1,70
376
Продолжение
Тнп электронагрева- теля Номинальная мощность, кВт Номинальное напряжение, В Развернутая длина, м Наружный диаметр, мм
Терморадиационный нагрев и сушка
ТЭН-37
0,50
0,45
1,25
220
1,10*
1,71*
1,30*
13,5
* Активная длина.
Приложение 4
Выделенные частоты для нагрева в электрическом поле высокой частоты
Частота Пределы изменения частот
Средневолно вый диапазон
440 кГц + 2,5%
880 кГц + 1%
1760 кГц + 2,5%
Коротковол новый диапазон
5,28 МГц + 2,5%
13,56 МГц + 1,0%
27,12 МГц ±1,0%
Метровы й диапазон
40,68 МГц ±1%
81,36 МГц ±1%
152,5 МГц ±1%
300,0 МГц + 1%
Деци метро вый диапазон
2375 МГц + 2%
Сант и метро вый .диапазон
22125 МГц | + 0,5%
Примечание. Установки для нагрева в электрическом поле высокой час-
тоты разрешается использовать при условии, что уровень поля радиопомех от
установок не будет превышать:
1) 50 мкВ на расстоянии 50 м для частоты 81,36 МГц;
2) 200 мкВ на расстоянии 150 м для всех остальных частот таблицы.
377
Приложение 5
378
Требования к параметрам микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений
Помещение Вид животных и птицы Содержание Температура воздуха в помещениях, СС Оптимальная влажность, % Скорость движения воздуха, м/с Минимальный воздухообмен на 1 ц массы животного, мя/ч
оптимальная максимальная минимальная оптимальная максимальная минимальная
Коровник Телятник Взрослый скот Молодняк В стойлах Беспривязное в 5 5 15 15 3 3 85 75 0,5 0,5 1 1 — 17 17
стойлах
Родильное отделе- Нетели и коровы То же 10 15 8 70 0,3 0,5 — 20
ние 0,1 0,3
Свинарник Откормочные свиньи Свободно-выгуль- 14 16 12 75 — 20
Ремонтный молодняк и То же 16 22 12 70 — 0,6 0,2 15
поросята-отъемыши 0,4
Свинарник-маточ- Свиноматки Станко-выгульное 16 18 10 70 — 0,15 15
НИК Птичник > Куры » В клетках На полу 16 12—16 — —- 70 60—70 0,3 0,3 0,6 1,0 — 100—200 100—200
Молодняк птицы: 100—200 100—200
от 1 до 30 дней . 22 18 60—70 60—70 0,3 0,3 — —
» 61 » 150 » [ » » 14—16 — 60—70 0,3 — — 100—200
» 151 » 210 » 1 12—16 — — 60—70 0,3 — — 100—200
» 1 » 30 » . » 31 » 60 » 1 » 61 » 150 » ( 24 60—70 0,3 — — 100—200
Клеточное 20 16 60—70 60—70 0,3 0,3 —. — 100—200 100—200
» 151 » 210 » 1 16 —- 60—70 0,3 100—200
УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Альтгаузен А. П., Гутман М. Б., Малышеве. А., С в е н ч а н-
ский А. Д., Смоленский Л. А. Низкотемпературный электронагрев. Под об-
щей редакцией А. Д. Свенчанского. М., «Энергия», 1968.
2. А р е н к о в А. Б. Основы электрофизических методов обработки материа-
лов. Л., Машиностроение, 1967.
3. Б а б а т Г. И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное при-
менение. М.—Л., «Энергия», 1965.
4. Басов А. М., Из а ков Ф. Я-, Шмигель В. Н., Л у к и е н к о Т. Н.,
Я с н о в Г. А., П а н у с Ю. В. Электрозерноочистительные машины. М., «Маши-
ностроение», 1968.
5. Временная методика технико-экономических обоснований по использова-
нию электроэнергии для целей теплоснабжения. ВГПИ и НИИ, М., «Энергосеть-
проект», 1968.
6. Временные правила устройства и безопасной эксплуатации электродных
котлов и электрокотельных (тепломеханическая часть). М., ВПИ и НИИ «Гид-
ропроект», издание ОРГРЭС, 1970.
7. Залесский А. Ш., К укеков Г. А. Тепловые расчеты электрических
аппаратов. Л., «Энергия», 1967.
8. Карасенко В. А. Электронагревательные установки в сельском хо-
зяйстве. Минск, «Урожай», 1971.
9. Корсак С. П. Электрические водонагреватели и паровые котлы. М.,
Госэнергоиздат, 1954.
10. Кудрявцев И. Ф., Герасимович Л. С. Полупроводниковые пле-
ночные электронагреватели в сельском хозяйстве. Минск, «Урожай», 1973.
11. Кутателадзе С. С., Боришанский В. М. Справочник по теп-
лопередаче. М., Госэнергоиздат, 1959.
12. Методические указания по применению искусственной ионизации воздуха
в животноводческих помещениях (временные). М., МСХ СССР, 1969.
13. Методика технико-экономических расчетов в энергетике. М., Госкомитет
СМ СССР по науке и технике, 1966.
14. М е т л и ц к и й И. В., В о л к и н д И. Л. Хранение картофеля в условиях
активного вентилирования. М., «Экономика», 1966.
15. Мин дин Г. Р. Электронагревательные трубчатые элементы. М., «Энер-
гия», 1965.
16. Н е т у ш и л А. В., Жуховицкий Б. Я-, Кудин В. Н. Высокоча-
стотный нагрев в электрическом поле. М., «Высшая школа», 1961.
17. Применение электрической энергии в сельскохозяйственном производстве.
Справочник. Под ред. академика ВАСХНИЛ П. Н. Листова. М., «Колос», 1974.
18. Поп и лов Л. Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым ме-
тодам обработки материалов. М., «Машиностроение», 1971.
19. Пчелкин Ю. Н. Использование электрической энергии в овощевод-
стве закрытого грунта. М., «Колос», 1966.
20. Р о м а н о в Д. И. Электроконтактный нагрев металлов. М., «Машино-
строение», 1965.
21. Рубцов П. А., Осетров П. А., Бондаренко С. П. Примене-
ние электрической энергии в сельском хозяйстве. М., «Колос», 1971.
22. Слухоцкий А. Е. Индукторы. М.—Л., «Машиностроение». 1965.
379
23. Указания по инфракрасному облучению сельскохозяйственных животных.
М„ МСХ СССР, «Колос», 1969.
24. Указания по электрическому обогреву парников и теплиц. М., МСХ СССР,
«Колос», 1969.
25. Указания по электробезопасности устройства и эксплуатации электрод-
ных котлов. М., МЭиЭ СССР, издание ОРГРЭС, 1966.
26. Фом и н ы х В. П., Яковлев А. П. Электросварка. М., «Высшая шко-
ла», 1970.
27. Чижевский А. Л. Аэроионификация в народном хозяйстве. М., Гос-
планиздат, 1960.
28. Шорин С. Н. Теплопередача. М., «Высшая школа», 1964.
29. Ш у р о в С. В. Методика определения экономической эффективности
электрификации производственных процессов сельского хозяйства. М., ВИЭСХ,
1969.
30. Электротеплоснабжение. Сб. под редакцией М а т к о И. М. и Б а с и-
и а К. Е. М., «Энергия», 1971.
31. Электротермическое оборудование. Справочник. М., «Энергия», 1967.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................... 3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
Раздел первый
Основы теории и расчета электронагревательных устройств.................. 5
Г лава I. Общие вопросы.................................................. 5
§ 1. Значение, технико-экономические предпосылки и перспективы приме-
нения электронагрева в сельском хозяйстве .............................. 5
§ 2. Основы теории электрического нагрева............................... 8
§ 3. Способы электронагрева и классификация электронагревательных
установок....................z......................................... 17
§ 4. Задача и содержание расчета электронагревательных устройств , . 22
Г ла ва II. Тепловой расчет электронагревательных установок............ 23
§ 1. Основы динамики нагрева........................................... 23
§ 2. Определение мощности и основных конструктивных размеров ЭНУ . 27
§ 3. Расчет тепловой изоляции......................................... 31.
§ 4. Тепловой к. п. д.................................................. 34
Г лава III. Электронагрев сопротивлением. Прямой нагрев................. 36
§ 1. Способы электронагрева сопротивлением............................. 36
§ 2. Электрическое сопротивление металлических проводников.............. 37
§ 3. Основы электроконтактного нагрева................................. 40
§ 4. Выбор нагревательных трансформаторов.............................. 44
§ 5. Основы электродного нагрева....................................... 48
§ 6. Электродные нагреватели............................................ 52
§ 7. Расчет электродных нагревателей................................... 56
Глава IV. Электронагрев сопротивлением. Косвенный нагрев................ 63
§ 1. Электрические нагреватели сопротивления........................... 63
§ 2. Материалы для электрических нагревателей........................ 69
§ 3. Тепловой расчет электрических нагревателей ........................ 71
§ 4. Электрический расчет нагревателей................................. 82
§ 5. Особенности расчета стальных нагревателей........................ 88
§ 6. Приближенные методы расчета нагревателей........................ 91
§ 7. Трубчатые электронагреватели...................................... 94
§ 8. Нагревательные провода и кабели.................................... 97
§ 9. Инфракрасный нагрев. Электрические излучатели.................... 100
Глава V. Электродуговой нагрев......................................... 108
§ 1. Свойства и характеристики электрической дуги...................... 108
§ 2. Параметры источников сварочного тока.............................. 115
§ 3. Источники сварочного тока......................................... 118
Глава VI. Индукционный нагрев.......................................... 124
§ 1. Особенности индукционного нагрева................................. 124
§ 2. Индукторы (индукционные нагреватели).............................. 125
§ 3. Энергетические соотношения системы индуктор — изделие............. 127
§ 4. Режимы и оптимальная частота высокочастотного индукционного
нагрева............................................................... 130
§ 5. Расчет индукторов................................................. 132
§ 6. Генераторы токов высокой частоты.................................. 137
§ 7. Применение индукционного нагрева.................................. 140
381
141
141
144
147
Глава VII. Диэлектрический нагрев....................................
§ 1. Особенности диэлектрического нагрева............................
§ 2. Выбор параметров установок и расчет простейших диэлектрических
нагревателей ........................................................
§ 3. Особенности генераторов ТВЧ для диэлектрического нагрева.
Магнетроны......................................................
Раздел второй
Электронагревательные установки сельскохозяйственного назначения . . .
Глава VIII. Электрические водонагреватели, водогрейные и паровые котлы
§ 1. Расчет потребной производительности водонагревателей и их выбор .
§ 2. Электродные водогрейные котлы...................................
§ 3. Элементные водонагреватели......................................
§ 4. Электроподогрев воды для поения животных в зимнее время . .
§ 5. Электродные паровые котлы.......................................
§ 6. Электрокотельные , ,,,,,,,,.....................................
§ 7. Основные правила безопасной эксплуатации электродных котлов и во-
' донагревателей ....................................................
Глава IX. Электронагревательные установки для создания микроклимата в
сельскохозяйственных помещениях......................................
§ 1. Роль и оптимальные параметры микроклимата.......................
§ 2. Общий расчет и устройство электроотопления помещений............
§ 3. Электрокалориферные установки...................................
§ 4. Электрокотельное отопление......................................
§ 5. Электротепловые насосы..........................................
§ 6. Установки кондиционирования воздуха ............................
§ 7. Средства местного электрообогрева...............................
§ 8. Электрические инкубаторы........................................
Глава X. Электронагревательные установки для сушки, тепловой обра-
ботки и хранения сельскохозяйственных продуктов......................
§ 1. Электронагрев в процессах тепловой обработки и хранения сельско-
хозяйственной продукции .............................................
§ 2. Установки активного вентилирования с электроподогревом воздуха .
§ 3. Электротерморадиационные сушилки................................
§ 4. Сушка в электрическом поле высокой частоты......................
§ 5. Электрические пастеризаторы.....................................
§ 6. Электротепловая обработка кормов................................
§ 7. Электрооборудование картофелехранилищ.........................
Глава XI. Электрический обогрев в парниках и теплицах................
§ 1. Области использования электроиагрева в закрытом грунте . . . .
§ 2. Способы электрического обогрева почвы и воздуха.................
§ 3. Расчет устройств электрообогрева................................
'§ 4. Регулирование температуры......................................
§ 5. Особенности эксплуатации и техники безопасности.................
Глава XII. Электротермическое оборудование ремонтно-механических мас-
терских ............................................................
§ !. Электрические печи............................................
§ 2. Электросварочное оборудование...................................
§ 3. Высокочастотные установки.......................................
§ 4. Низкотемпературные установки....................................
Г лава XIII. Технико-экономическое обоснование использования электриче-
ской энергии для теплоснабжения сельскохозяйственного производства .
150
150
150
164
169
173
175
175
176
181
187
188
191
193
206
206
208
215
220
222
226
227
232
232
233
237
244
247
248'.
248
252'
255
257
260,
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ..............................................269
Г лава XIV. Электронно-ионная технология.......................270
§ 1. Использование электрического поля коронного разряда ..... 270
382
§ 2. Электрозерноочистительные машины......................................................272
§ 3. Осаждения в электрическом поле........................................................ 283
§ 4. Предпосевная обработка семян в электрическом поле высокого напря-
жения промышленной частоты.........................................._ 287
§ 5. Аэроионизация в животноводстве и птицеводстве........................................' 292
§ 6. Источники высокого напряжения....................................................... 399
Глава XV. Обработка электрическим током.................................................... 393
§ 1. Электрообработка грубых кормов............................. ’ 393
§ 2. Применение электроосмоса для повышения плодородия почв . . , ’ 395
§ 3. Электрорассоление засоленных почв............................’ 395
§ 4. Воздействие электрического тока на растения..............._ 398
Глава XVI. Электроимпульсные установки.................................................... 319
§ 1. Электрические изгороди.............................................................. ' 319
§ 2. Электроискровая обработка металлов ................................................. ’ 317
§ 3. Электрогидравлический эффект и его использование......................................322
§ 4. Использование импульсов высокого напряжения в процессах расте-
ниеводства ......................................................... 328
Глава XVII. Ультразвуковая обработка........................................................ 332 ’
§ 1. Природа и свойства ультразвука.....................332
§ 2. Генерирование ультразвука.....................................337
Глава XVIII. Магнитная обработка материалов................................................ 347
§ 1. Использование магнитного поля для очистки семян...... 347
§ 2. Магнитная очистка кормов от железных частиц....... 348
§ 3. Магнитная обработка воды.......................................348
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ...................................352
Лабораторная работа 1. Исследование открытых электрических нагрева-
телей .................;................................ 352
Лабораторная работа 2. Исследование и проверочный расчет электродного
водогрейного котла ..................................... 355
Лабораторная работа 3. Исследование и проверочный расчет элементного
водонагревателя емкостного типа ........................................ 357
Лабораторная работа 4. Исследование элементного водонагревателя про-
точного типа.......................................................... ЗаЗ.
Лабораторная работа 5. Исследование электрокалориферной установки . 361
Лабораторная работа 6. Изучение электрооборудования и исследование
режимов работы инкубатора..............................................362
Лабораторная работа 7. Исследование электросварочного трансформатора 365
Лабораторная работа 8. Изучение и исследование установки диэлектриче- ____
ского нагрева......................................................... 366
Лабораторная работа 9. Изучение и исследование ультразвуковой установки 369
Лабораторная работа 10. Изучение и исследование режимов работы
электрической изгороди ............................................... 372
Приложения......................................................... 374
Указатель литературы....................................... . • • • 379
Иван Федорович Кудрявцев и
Владимир Алексеевич Карасенко
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ
Редактор В. М. Никитина
Художественный редактор М. Я. Волкова
Технический редактор В. М. Деева
Корректор Р. Д. Пронман
Сдано в набор 10/ХН 1974 г. Подписано к печати
18/IV 1975 г. Формат 60X90’/i6- Бумага тип. № 3.
Усл.-печ. л. 24. Уч.-изд. л. 25,07. Изд. № 322.
Тираж 15 000 экз. Заказ № 475. Цена 1 р. 11 к.
Ордена Трудового Красного Знамени
издательство «Колос», 103716, ГСП, Москва, К’31,
ул. Дзержинского, д. 1/19.
Владимирская типография Союзполиграфпрома
при Государственном комитете
Совета Министров СССР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли
Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-6.