Что такое электронагревательные приборы

Лекция на тему: «Электронагревательные приборы»

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Электронагревательными приборами называют устройства, преобразующие электрический ток в тепловую энергию. Такие приборы получили широкое распространение в наше время, к ним относится не только обогревательное оборудование, но и другие бытовые устройства: электрические чайники, утюги, фены, кухонные плиты и многие другие. Основным элементом любого электронагревательного прибора выступает нагревательный элемент.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Существуют различные виды электронагревательных приборов, наиболее подробно классификация такого оборудования описана в действующих нормативах ГОСТа, хотя на практике этой квалификацией пользуются достаточно редко. Сложность разделения электронагревательного оборудования на отдельные виды заключается в огромном количестве таких приборов, использующихся людьми в повседневной жизни. Опираясь на действующие в нашей стране нормативные документы, можно сделать вывод, что классифицировать электронагреватели можно по различным принципам.

Простейший вариант классификации предполагает разделение электронагревательного оборудования на несколько групп по конструктивным особенностям нагревательных элементов. По типам конструкции нагревательных элементов можно выделить три группы электронагревательных устройств:

Нагревательные элементы открытого типа.

Нагревательные элементы закрытого типа.

Герметически закрытые нагревательные элементы.

С технической точки зрения такой вариант классификации абсолютно точен, но он не позволяет определить назначение оборудования и особенности его эксплуатации.

Второй вариант классификации электронагревателей – по продукту нагрева. Такая классификация позволяет выделить:

Данная квалификация дает больше информации о принципах использования приборов, но сегодня существует электронагревательное оборудование, которое сложно отнести к водо- или воздухонагревателям, к примеру, электрические кухонные плиты или печи СВЧ.

Наиболее точную, исчерпывающую информацию о видах электронагревательных приборов дает классификация оборудования по сфере использования, выделяют устройства:

Для нагрева воды (в системах водоснабжения, отопления, для стирки и приготовления пищи).

Для нагрева воздуха (в сушильном и отопительном оборудовании).

Для приготовления пищи (за счет нагрева поверхностей с посудой и непосредственного нагрева посуды).

Ручные инструменты и приборы с электронагревательными элементами (паяльники, пирографы, утюги).

Для обогрева человеческого тела.

Данный вариант классификации позволяет охватить практически все представленные на рынке электронагревательные устройства.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ПО КЛАССУ ЗАЩИТЫ

Все современные электрические приборы разделяют на отдельные группы по классам защиты. Выделяют всего пять классов защиты человека при работе с электрическими устройствами:

нулевой класс – электронагревательные приборы с рабочей изоляцией, никаких дополнительных защитных средств не предусмотрено;

ноль первый класс – устройства с рабочей изоляцией и подключением нетоковедущих металлических частей к контуру заземления;

первый класс – наличие дополнительного защитного соединения с токопроводящими элементами электронагревательных устройств, за счет чего при повреждении рабочей изоляции токопроводящие части устройства не оказываются под напряжением;

второй класс – отсутствует дополнительное защитное соединение, но имеется двойная изоляция, а корпус устройства изготавливается из непроводящих электроток материалов;

третий класс – электрические устройства с низковольтным питанием, среди современных электронагревательных приборов нет оборудования, которое можно отнести к этому классу безопасности.

Источник

Виды электронагревательных приборов

Наиболее используемыми источниками тепла для теплоснабжения домов являются электричество, газ, уголь или дрова. Несмотря на техническую доступность каждого из них, применение того или иного обусловлено некоторыми факторами, такими как: экономическая целесообразность, место и периодичность использования, безопасность. В наше время первые два вида энергии из перечисленных пользуются наибольшей популярностью. Рассмотрим аспекты использования электроэнергии, а также виды электронагревательных приборов.

Преимущества и недостатки использования электроэнергии для целей отопления

Сразу нужно отметить, что использование электрических нагревательных приборов для отопления – не самый дешевый вариант, так как стоимость самого оборудования, а также издержки при эксплуатации слишком высоки. Поэтому его чаще всего рассматривают в качестве альтернативного, на случай перебоев с подачей газа или, если газификации вообще нет. В то же время, отопление дома с помощью электроприборов имеет и некоторые очевидные достоинства:

Таким образом, при всех своих недостатках, связанных, главным образом, с экономической составляющей вопроса, электроприборы обладают массой полезных качеств, которыми не могут похвастаться отопительные устройства, основанные на сжигании топлива.

По каким принципам осуществляется классификация электронагревательных приборов

Все современные электрические отопительные устройства классифицируются следующим образом.

По способу монтажа прибора:

По виду теплоносителя, который нагревается в приборе:

По типу нагревательного элемента (ТЭНа):

Все рассмотренные нагревательные элементы являются только главными деталями устройств, об особенностях которых читайте далее.

Воздушные конвекторы

Эти приборы выполняют в виде компактных переносных устройств, снабженных ножками или колесиками для установки на полу или стене. Рабочим элементом в них выступают оребренные ТЭНы, закрытые декоративным металлическим корпусом с прорезями для циркуляции воздуха. Их используют в квартирах или частных домах, главным образом, как дополнительные источники тепла.

Принцип действия таких приборов основывается на том, что холодный воздух, свободно или принудительно поступает в прибор и проходит через все нагревательные элементы (ТЭНы). Затем он, как и положено нагретым газам, поднимается вверх и проходит через специальную решетку. Конвекторы могут оборудоваться встроенными вентиляторами для принудительной циркуляции воздуха. Данные приборы не имеют никаких ограничений для применения.

Радиаторы с масляным теплоносителем

Внешний вид и принцип действия таких приборов полностью аналогичен обыкновенным батареям отопления. Только они заполнены минеральным маслом, а нагревают его электрические ТЭНы, установленные непосредственно внутри внутренней полости прибора. Их с успехом используют в офисах и жилых помещениях. Бывают масляные радиаторы открытыми и закрытыми. Ребра последних защищены металлическим кожухом. Основное преимущество этих приборов в том, что они не выжигают кислород в помещении и не нагреваются до температур, опасных для маленьких детей. Особенно последнее свойство касается закрытых радиаторов.

Кондиционеры

Мы привыкли связывать эти приборы с необходимостью охлаждать воздух в помещении в жару. Однако, они способны производить и тепло, осуществляя, так называемый обратный цикл. Большинство моделей нельзя использовать при температуре наружного воздуха ниже – 10 0 С. Кондиционеры, называемые инверторами, способны нагревать помещение даже при температуре – 20 0 С. Однако они имеют гораздо большую стоимость.

Электрокамины

Эти электронагреватели обладают великолепным дизайном, поэтому могут использоваться не только как обогреватели, но и в качестве декоративного элемента. Эти устройства можно встретить в элитных квартирах или загородных домах ввиду их непомерно высокой стоимости.

Современные электрокамины делают напольными, имитирующими классические дровяные варианты и настенными, которые выглядят как тонкие панели, навешиваемые на стену. Принцип действия каминов схож с тем, которым обладают конвекторы.

Электрические котлы

В отличие от предыдущих приборов, эти устройства используются для создания постоянной системы отопления в доме. Используются совместно с жидкостным теплоносителем, циркулирующим по замкнутому контуру, обвязывающему все помещения в доме.

По виду основного нагревательного элемента электрокотлы делятся на:

Все электрокотлы должны быть обязательно заземлены очень надежно.

Инфракрасные электронагреватели

Это самый современный вид электрических устройств, предназначенных для обогрева помещений. Его работа основана на излучении электромагнитных волн инфракрасного спектра. При этом тепловая энергия передается от прибора тем предметам, которые расположены рядом. Отраженная от них лучистая энергия достаточно эффективно нагревает воздух в помещении. Это, наверное, самый экономичный тип электронагревательных приборов. Кроме того, такие устройства не пересушивают воздух. Некоторые из них имеют очень красивое декоративное оформление.

Несмотря на высокую стоимость электроэнергии, популярность электрических отопительных приборов не снижается. Это связано с их удобством и, во многих случаях, с мобильностью, что недоступно для газового оборудования.

Источник

Электронагревательные приборы

Электронагревательный прибор — устройство, в котором энергия электрического тока превращается в тепловую энергию.

Электрический нагрев по сравнению с другими видами нагрева (с использованием газа, жидкого или твердого топлива) имеет ряд существенных преимуществ. Он значительно улучшает санитарно-гигиенические условия жилых помещений. Газ значительно уступает электрическому нагреву в санитарно-гигиеническом отношении. При открытом горении газа выделяются как продукты полного его сгорания (углекислый газ, вода), так и продукты неполного сгорания, вредно действующие на здоровье людей (окись углерода, формальдегид, смолистые вещества и др.). При электронагреве таких вредных выделений нет. По сравнению с газовыми электроприборы взрывобезопасны.

В электронагревательных приборах электрическая энергия преобразуется в тепловую. В бытовых приборах используют различные виды электронагрева: за счет использования проводников высокого сопротивления, инфракрасный, индукционный и высокочастотный.

Нагрев за счет проводников высокого сопротивления подчиняется закону Джоуля-Ленца. При этом могут использоваться электронагревательные элементы открытого, защищенного и закрытого типов. В открытых электронагревателях электронагревательный элемент изоляции не имеет; в защищенных — проводник имеет изоляцию (керамические бусы, слюда и т. п.); в нагревателях закрытого типа проводник, в котором выделяется тепло, полностью защищен от внешней среды и является несменным. К нагревателям последнего типа относят трубчатые электронагреватели (ТЭНы), нагреватели, вмонтированные в ситалловые панели. Для изготовления нагревательных элементов используют либо нихромы (Х20Н30; Х15Н60 — данный вид сплавов более дорогой, термостойкий и долговечный), либо фехрали (Х13Ю4 — они дешевле, выдерживают нагрев до температуры 800°С.

Основной частью любого электронагревательного прибора является нагревательный элемент. Обычно он представляет собой нихромовую проволоку, свитую в виде спирали. В электрокаминах нагревательные спирали обычно помещают внутрь трубок из жаропрочного стекла, поэтому красивое красно-оранжевое свечение спиралей хорошо видно.

Приборы для глаженья. Глаженье текстильных изделий, их формование основано на способности нитей и волокон испытывать высокоэластические деформации под воздействием тепла, влаги и давления. Особенность глажения заключается в том, что высокоэластические деформации являются обратимыми, т.е. с течением времени текстильные волокна, нити возвращаются к первоначальным размерам, форме, т.е. происходит процесс релаксации. К приборам для глаженья относят электроутюги и гладильные машины.

Электрические утюги. Ассортимент выпускаемых утюгов характеризуется значительным разнообразием конструкций и технических показателей (мощность, масса, размеры и др.). Вследствие этого они имеют разные потребительские свойства.

Выпускают следующие типы утюгов:

— утюги с терморегулятором и чугунной либо алюминиевой подошвой;

— утюги с терморегулятором и пароувлажнителем тканей, алюминиевой подошвой.

У утюгов с терморегулятором при глажении тканей на подошве поддерживаются оптимальные температуры. Расход электроэнергии зависит от съема тепла с подошвы. Такие утюги при нормальной работе терморегулятора безопасны в пожарном отношении, так как максимальная температура на подошве не превышает 260 °С. Для обеспечения быстрого разогрева в них могут устанавливать нагреватели большой мощности.

Более совершенными являются утюги с терморегулятором и пароувлажнителем. Они бывают двух типов: капельного и бойлерного.

У утюгов капельного типа под крышкой или снаружи размещен бачок для воды. В дне бачка имеется отверстие, в которое входит коническая игла штока управления. При подъеме иглы вода каплями стекает в камеру парообразования, а из нее пар выходит через отверстия в подошве утюга, увлажняя ткань. Такие утюги следует заполнять дистиллированной или кипяченой водой. При использовании жесткой воды в коническом отверстии образуется накипь, перекрывающая его.

В утюгах бойлерного типа вода испаряется непосредственно в бачке, нагреваясь от утюга или от самостоятельного электронагревателя. В таких утюгах допускается использование жесткой воды, но в них нельзя приостановить парообразование.

Гладильные машины. Основное преимущество таких машин по сравнению с электроутюгами состоит в том, что при работе на них не требуется приложение усилий на их перемещение, глаженье производят сидя. Таким образом, значительно снижается трудоемкость процесса глаженья. Рабочими органами гладильных машин является каток и башмак. Вращающийся каток имеет цилиндрическую форму длиной до 85 см (наиболее распространенные машины имеют длину катка 55. 65 см), он покрыт эластичной оболочкой. Башмак с металлической полукруглой прессующей поверхностью прижимают к цилиндрической поверхности катка. При глажении ткань пропускают между катком и башмаком. Электронагреватель размещают в башмаке.

Отопительные приборы. Через торговую сеть реализуют переносные электроприборы, предназначенные для кратковременного вспомогательного отопления. По способу преимущественной отдачи тепла приборы для отопления подразделяют на излучающие и конвекционные.

К излучающим приборам для отопления относят камины с нагревательными элементами, имеющими рабочую температуру 600. 900 °С. В качестве нагревательных элементов в них используют открытые спирали, укрепленные на керамических конусных или цилиндрических держателях, или ТЭНы. Отражатели имеют сферическую, цилиндрическую или параболическую форму; изготовляют их из хромированной или алитированной изнутри стали, а также из полированного алюминия.

Конвекционные отопительные приборы выпускают с естественной (конвекторы, масляные электрорадиаторы) и с принудительной конвекцией (электротепловентиляторы). Конвекторы имеют открытый нагревательный элемент или трубчатый электронагреватель (ТЭН) без видимого свечения, который встраивают в перфорированный корпус. Передача тепла в основном осуществляется конвекцией воздуха, поступающего в нижнюю часть корпуса.

Масляные электрорадиаторы представляют собой сварные плоские герметические стальные конструкции, заполненные минеральным (трансформаторным) маслом. В нижней части радиаторов размещают ТЭН. Температура на поверхности радиатора не превышает 95 °С.

Теплоэлектровентиляторы для отопления относят к конвекционным приборам с принудительной вентиляцией. Они объединяют в одном корпусе нагревательный элемент открытого типа или ТЭН, осевой или центробежный вентилятор, который приводится во вращение электродвигателем. При выключенном электронагревателе тепловентиляторы могут использоваться как вентиляторы. Корпус теплоэлектровентилятора с двух сторон имеет перфорацию. Вращающийся вентилятор создает поток воздуха, который омывает электронагреватель и подогретым до температуры 55. 90 °С, выбрасывается в помещение.

Приборы для нагрева воды. Выпускают погружные электрокипятильники и емкостные водонагреватели (проточные и аккумулирующие).

Погружной электрокипятильник представляет собой трубчатый электронагревательный элемент, свернутый в спираль, с пластмассовой ручкой, через которую проходит несъемный соединительный шнур. Исполнение водонепроницаемое.

В проточных емкостных водонагревателях, осуществляющих нагрев потока воды, устанавливают более мощные электронагреватели.

Аккумулирующие емкостные водонагреватели (бойлеры) позволяют нагревать воду при установленной мощности нагревателя до температуры 85 °С. Нагретую воду используют затем в течение дня по мере необходимости.

Нагревательный инструмент. В ассортимент этой группы входят паяльники, вулканизаторы, приборы для сваривания полиэтиленовой пленки, выжигания по дереву и др.

Паяльники различают по режиму нагрева, типу электронагревателя, конструкции паяльного стержня, возможности его замены, назначению, напряжению тока.

Паяльники могут быть непрерывного, форсированного и импульсного режимов нагрева.

Приборы сушильные. К этой группе относят приборы для сушки волос и сушки белья и др.

Приборы для сушки волос (фены) являются теплоэлектровентиляторами. В отличие от тепловентиляторов для отопления они имеют меньшую мощность нагревательного элемента и производительность.

Приборы для сушки белья бывают разных конструкций: в виде барабанных сушилок, шкафов, раздвижных вертикальных подставок, раздвижных штор на раме и т.п.

Приборы для обогрева тела человека. К ним относят медицинские грелки, электроодеяла, матрацы, электробинты, грелки для ног, электроковрики и др. Особенность этих изделий состоит в том, что они являются гибкими и непосредственно соприкасаются с телом человека.

При прохождении тока через вольфрамовую спираль она нагревается до температуры около 3000°С. При этом нить достигает белого каления и начинает ярко светить. Чтобы замедлить испарение нити, лампу наполняют каким-либо инертным газом (например, аргоном или криптоном).
На каждой лампе указываются электрическая мощность Р и напряжение U, на которые она рассчитана. Например, для освещения в квартирах обычно используются лампы мощностью 40, 60 и 100 Вт при напряжении 220 В. Для сравнения укажем, что лампа мощностью 100 Вт дает столько же света, сколько тысяча стеариновых свечей. По значениям мощности и напряжения, указанным на лампе, можно определить ее рабочее сопротивление (т. е. сопротивление нагретой лампы):

Если напряжение на лампе окажется меньше номинального, то выделяющаяся мощность уменьшится и свечение лампы станет менее ярким. И наоборот, при увеличении напряжения по сравнению с номинальным на 1% лампа начнет светить ярче, но срок ее службы сократится на 15%. Если же напряжение превысит номинальное на 15%, лампа тут же выйдет из строя.
В настоящее время мировое производство ламп накаливания составляет свыше 10 млрд штук в год, а количество разновидностей ламп превышает 2000. Эти лампы отличаются друг от друга назначением (осветительные, проекционные, для фар и т. д.), а также формой тела накала и размерами колбы. Последние составляют от нескольких миллиметров (у сверхминиатюрных ламп) до нескольких десятков сантиметров (у крупногабаритных прожекторных ламп). Рассчитаны они на напряжения от долей до сотен вольт при мощности, достигающей десятков киловатт. Срок службы современных ламп может превышать 1000 ч.

1. Ф.Я.Божинова, Н.М.Кирюхин, Е.А.Кирюхина. Физика, 9 класс, «Ранок», Харьков, 2009. § 17 (с.98-101) читать.

Источник

Электротехника. ХХI. Электрические нагревательные приборы и установки

Электротехника. ХХI. Электрические нагревательные приборы и установки. Электронагревательными называются такие приборы и установки, которые служат для нагревания с помощью электрической энергии, т. е. такие, в которых происходит полезное превращение электрической энергии в тепловую.

Впервые в истории нагрев с помощью электрического тока был применен В. Франклином, который плавил тонкие металлические проволоки. Франклин не имел еще в своем распоряжении источника непрерывного тока и пользовался конденсаторами. Изобретение в 1800 г. Вольтой вольтова столба позволило сначала Петрову и затем Деви получить электрическую дугу. Пользуясь батареями гальванических элементов, Депре создал миниатюрный прообраз электрической печи, применив угольное сопротивление. В 1853 г. настоящую электрическую печь с вольтовой дугой сконструировал Пишон. В 1859 г. был изобретен (американцем Симпсоном) первый электрический нагревательный элемент в современном понимании этого слова. После того как в 1870-х гг. Сименс построил динамо-машину было положено начало промышленному применению электрического тепла. Последовавшее затем развитие производства электрической энергии на электрических станциях и постепенное удешевление тарифов позволили электрическим нагревательным приборам и установкам получить широкое распространение.

Основные преимущества электрических нагревательных приборов и установок перед огневыми: 1) легкость осуществления нагрева (в соответствии е любыми, выдвигаемыми практикой, условиями времени, температуры, распределения тепловых потоков); 2) возможность широкой и легкой автоматизации работы; 3) постоянная готовность к действию; 4) отсутствие пожарной опасности; 5) экономия на площади специальных помещений; 6) гигиенические условия работы; 7) возможность осуществления приборов и установок, положение которых легко может быть изменяемо (путем переноса или передвижения), не внося расстройства в их функционирование.

Составные части электрических нагревательных устройств. Важнейшими составными частями (кроме строительных деталей, кожухов и пр.) являются: 1) нагревательные приспособления, 2) электрическая изоляция, 3) тепловая изоляция, 4) теплоаккумулирующие тела, 5) контрольная аппаратура, 6) аппаратура автоматического управления. На практике электрические нагревательные устройства необязательно содержат все из перечисленных частей. Нередко также бывает, что одна и та же часть выполняет несколько функций.

Нагревательные приспособления. Основной эффект, на котором основывается, в конечном счете, всякий из применяемых на практике способов электрического нагрева, состоит в превращении электрической энергии в тепловую при прохождении электрического тока через некоторое сопротивление, которое может быть твердым, жидким или газообразным. В качестве сопротивления служит или сам объект нагрева (непосредственный нагрев), или специальный нагреватель, от которого тепло передается к объекту нагрева (косвенный нагрев). Обычные достоинства устройств непосредственного нагрева: относительная простота конструкции, возможность получения практически неограниченно-больших мощностей. Недостатки: трудность подчинения режима нагрева наперед заданным условиям; непостоянство мощности; ограниченная сфера применения.

Достоинства установок с косвенным нагревом: относительно легкая возможность создания любых режимов нагрева; универсальность; постоянство мощности (большею частью). Недостатки: некоторая сложность устройства, ограничения в выборе мощности (в направлении ее увеличения).

Все существующие, нашедшие практическое применение, типы электрических нагревателей можно отнести к одному из следующих четырех основных способов электрического нагрева: 1) косвенный нагрев твердыми сопротивлениями; 2) электродный нагрев электролитов; 3) нагрев вольтовой дугой; 4) индукционный нагрев.

Нагреватели с твердыми сопротивлениями. Отдельные нагревательные единицы, называемые нагревательными элементами, делаются, как правило, относительно небольшой мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт) и относительно небольших габаритных размеров. Когда же это бывает необходимо, берется ряд отдельных элементов и электрически и механически соединяется в одно целое. Преимущества такого метода построения нагревателей: удобство изготовления, облегчение конструктивных задач, возможность обойтись минимальным количеством запасных частей. При построении элементов стремятся к выполнению следующих требований: долгий срок службы, механическая прочность, компактность, удобство встраивания в прибор и смены, отсутствие выделения вредных газов или запахов, способность выносить некоторую перегрузку, незначительное отклонение пускового тока от номинального, неизменность электрической тепловой характеристики с течением времени работы, возможность серийного и притом механизированного производства.

Основные детали, из которых составляются электрические нагревательные элементы, таковы: сопротивления, электрическая изоляция, контакты или контактные приспособления и кожухи.

Сопротивления. Характеристика сопротивления должна удовлетворять следующим общим требованиям: высокая температура плавления, способность длительное время выносить высокую рабочую температуру, причем не только при непрерывном, но и при прерывном режиме работы; высокое удельное электрическое сопротивление; малая величина температурного коэффициента изменения электрического сопротивления; механическая прочность; стойкость против действия химических агентов, с которыми сопротивление нормально приходит в соприкосновение, малая изменяемость свойств с течением времени работы: возможность надежного и легкого соединения с контактными устройствами; распространенность исходных материалов; возможность получения больших партий фабриката, однородного по свойствам и качеству.

Существующие твердые сопротивления разделяются на 2 группы: металлические сопротивления и не металлические.

Первая группа является основной, охватывая практически все случаи применения металлических сопротивлений. Фабрикаты 2—4 групп имеют ограниченное применение в специальных случаях. Для получения металлических сопротивлений применяют как чистые металлы, так и сплавы. Характеристические данные различных материалов металлических сопротивлений представлены в табл. I; ниже даем необходимые пояснения к таблице.

Чистые металлы имеют общий недостаток в виде большой величины температурного коэффициента и малой величины удельного электрического сопротивления (при наличии примесей ρ повышается, а α уменьшается). Кроме того, чистые металлы (кроме благородных) в обычных условиях легко подвергаются коррозии. Ввиду этих недостатков применение чистых металлов ограничивается рядом более или менее специальных случаев.

Медь и никель применяются в нагревателях с низкой t, например, в нагревательных подушках и тканях.

Железо. Ввиду легкости окисления почти не может применяться в незащищенном виде. Защитные покрытия достигаются путем оцинковки, лужения, алитирования, паркеризации. Оцинкованная проволока допускает температуру до 250°С; паркеризованная — примерно до 500° С. В зависимости от количества примесей ρ = от 0,09 до 0,14 Ωмм 2 /м, α≈0,0046 при наличии примесей (для электролитической Fe α = 0,006).

Платина, не подвергаясь при нагреве на воздухе окислению и выдерживая температуру в 1500°С, является хорошим материалом сопротивления для печей с высокой температурой. Но ее применение сильно ограничивается ее дефицитностью.

Молибден, тантал и вольфрам, имеющие очень высокие температуры плавления, используются в высокотемпературных печах. Но при нагревании на воздухе эти металлы быстро окисляются и поэтому требуют применения защитных средств, каковыми являются: вакуум, инертная атмосфера, вмазывание в специальные цементные массы, покрытие защитными пленками.

Сплавы металлов имеют значительные преимущества перед чистыми металлами в виде большего удельного электрического сопротивления, меньшего температурного коэффициента и большей стойкости против окисления. Сумма положительных свойств и качеств сопротивлений, изготовляемых из металло-сплавов, в равной мере зависит как от надлежащего подбора химического состава сплавов, так и от совершенства технологического процесса. Наиболее употребительны следующие компоненты сплавов: никель, хром, железо, медь, цинк, алюминий, кобальт. Технология изготовления материалов сопротивлений сложна. Существующие сплавы для изготовления сопротивлений по величине удельного электрического сопротивления и одновременно по величине максимальной рабочей температуры естественным образом делятся на 5 основных групп.

Первая группа образуется системами из трех компонентов: меди, никеля и цинка. Типичные сплавы имеют названия: нейзильбер, никелин, реотан. ρ = от 0,30 до 0,5, причем ρ увеличивается с увеличением относительного содержания Ni; α = от 0,0002 до 0,0004. Температуру сплавы выдерживают лишь умеренную до 300—350°С и тем меньшую, чем более в сплавах цинка. При более сильном нагреве интенсифицируется избирательное окисление цинка, и материал становится хрупким.

Третья группа образуется ферроникелями, т. е. сплавами железа с никелем. Содержание никеля обычно составляет 25—30%. Слегка ржавеет в атмосфере паров. В виде тонких проволок применять не рекомендуется.

Пятая группа сплавов представляет собой последнее достижение металлургии. Еще 15 лет тому назад были известны двойные сплавы железа с хромом. Но их механическая обработка представляла большие затруднения, и их качество было невысокое. В последние же годы была проведена работа по феррохромам с присадкой алюминия, а также алюминия и кобальта. В результате были получены прекрасные сплавы, главные из которых получили название «мегапир» и «кантал». По величине удельного электрического сопротивления, сроку службы и величине максимальной допустимой рабочей температуры новые сплавы превосходят нихромы и частично уже вытесняют последние. Мегапир в холодном состоянии хрупок, может свариваться. Данные кантала: обрабатывается хорошо, позволяя тянуть проволоку диаметром до 0,02 мм. В холодном состоянии позволяет свивать спирали из проволоки диаметром до 6—6,5 мм. Сваривается особыми способами, например вольтовой дугой.

Неметаллические сопротивления. В зависимости от состава массы сопротивлений величина ρ изменяется в весьма широких пределах. С течением времени работы ρ, как правило, заметно изменяется. Температурный коэффициент отрицателен. Выдерживают длительно температуру 1500—3000°С. Механическая прочность невелика. Возможность выбора формы ограничена. Доставляют затруднения с устройством контактов.

Классификация твердых неметаллических материалов сопротивления: 1) угольные трубки и штабики; 2) трубки и штабики из масс, имеющих в основе углерод; 3) порошки сопротивления; 4) пасты сопротивления.

Порошки сопротивления. Применяются порошки из угля или графита или из смеси проводниковых и не проводниковых материалов, например, из графита и окиси металла. Недостатки порошков: необходимость применения низкого напряжения, трудность получения однородной массы, выгорание, значительные колебания электрического сопротивления в зависимости от разных факторов.

Паста сопротивления. Обычные компоненты пасты: силикат металла, графит, жидкое стекло. Возможности применения паст достаточно не изучены. Недостатки материала: невысокая допустимая рабочая температура, трудность устройства хорошего контакта, трудность получения больших партий однородной по качеству и свойствам продукции.

Поддержки и электрическая изоляция. Общие требования к материалам поддержек и электрической изоляции: 1) высокая электроизолирующая способность и электрическая прочность при повышенных температурах; 2) способность выносить резкие колебания температуры; 3) малая теплоемкость; 4) жароупорность; 5) механическая прочность; 6) химическая инертность по отношению к материалам электрических сопротивлений; 7) отсутствие гигроскопичности; 8) удобство придачи желательной формы.

По характеру выполняемых функций электрическая изоляция делится на изолирующие поддержки и внешнюю изоляцию. Поддержки могут или должны обладать теплоизолирующими свойствами. Внешняя изоляция, окружающая со всех сторон тело сопротивления, служит передатчиком тепла от сопротивления к нагревательному телу, поэтому к ней предъявляется добавочное требование хорошей теплопроводности. Природа электрических изолирующих тел такова, что перечисленные требования оказываются, на практике, противоречивыми, и поэтому приходится довольствоваться удовлетворением лишь некоторых из них, являющихся в рассматриваемом случае наиболее важными. Особенно трудно подобрать такое вещество, которое было бы одновременно хорошим электрическим изолятором и хорошим проводником тепла.

Поддержки. Формы поддержек бывают самыми разнообразными. Типичные — таковы: кирпичики с крючкообразными выступами для подвешивания проволок; трубки гладкие и с винтовой нарезкой; ребристые изоляторы, надеваемые на металлические рамки («наездники»); держатели крестообразного сечения; плитки с канавками. Большая часть применяемых держателей представляет собой керамический черепок, т. е. изделие, полученное путем обжига из керамических материалов. Чаще всего применяются т. н. пористые черепки: шамотный, стеатитовый и марквардовский. В шамотный черепок входят: сырая огнеупорная глина и глина предварительно прокаленная («шамот»).

Кроме того, делаются добавки каолина, корунда, стеатита. В стеатитовый входят: глина и стеатит (тальк). В марквардовский — глина, каолин, корунд, дающие до 80% Al₂O₃ в массе.

Внешняя изоляция. Применяются следующие группы материалов: слюда, миканит, цементообразные массы, эмали и порошкообразные массы. Свойства основных материалов представлены в табл. II.

Существующие типы электрических нагревательных элементов. Элементы с металлическими сопротивленьями. А. Открытые элементы. Характеризуются тем, что сопротивление остается совершенно открытым. Отличаются относительной простотой изготовления. Имеют тот недостаток, что сопротивление подвергается беспрепятственному действию окружающей среды и тел, случайно приходящих с ним в соприкосновение. Теплопередача от элементов осуществляется большей частью излучением и конвекцией.

1. Плиточный элемент. Элемент составляется из керамической плитки с канавками и из проволочной, обычно нихромовой, спирали, закладываемой в канавки. Применяется в кухонных плитках, плитах и в разных печах.

2. Плиточный элемент на низкое напряжение (6—12 вольт) получает питание током от понизительного трансформатора, иногда с несколькими выводами для получения разной мощности. Сопротивление применяется в виде толстых шин, штампованного листа или отливки, изготовляемых из нихрома или чугуна. Элемент совершенно безопасен в обращении. Сопротивление, благодаря большому сечению, имеет большой срок службы. Низкая величина напряжения делает достаточным для электрической изоляции сопротивление образующегося поверхностного слоя окиси. Недостаток системы — необходимость дополнительных затрат на трансформатор.

3. Элемент с сердечником. Образуется продолговатым, чаще всего керамическим сердечником обычно кольцевого или крестообразного сечения, на который наматывается проволока, лента или проволочная спираль сопротивления. Применяется в печах, в электрических фенах.

4. Рамочный элемент (рис. 1). При первом, более универсальном варианте устройства берется металлическая рамка (каркас), снабжается изоляторами типа «наездник» и по изоляторам обматывается проволокой или лентой сопротивления. Подобная конструкция применяется в печах, сушильных установках, инкубаторах. При втором варианте на каркасе укрепляются изоляторы, посредством которых подвешиваются проволочные спирали. Конструкция подходит к электрическим калориферам.

Рис. 1. Рамочный элемент.

У нас изготовляются элементы открытого типа для подогрева воды с погружением в нее. Подобные элементы должны быть признаны чисто кустарными. Они небезопасны в обращении (вода оказывается при работе под напряжением) и недолговечны.

В. Полузакрытые элементы. Сопротивление более или менее изолируется от внешней среды, но остается в соприкосновении с воздухом.

1. Плиточный элемент. Сопротивление в виде проволочной спирали располагается в канавках плитки, делаемых не с верхней стороны, как в открытом элементе, а с нижней.

2. Гильзовый. Проволочная спираль вводится в металлическую гильзу, от которой изолируется керамическими изоляторами.

3. Трубчатый. Берется многоканаловая керамическая трубка, и проволочная спираль протаскивается последовательно через все каналы. Концы проволоки закрепляются в контактах с торцов трубки.

С. Закрытые элементы. Имеют сопротивление герметически закрытое при помощи электрической изоляции и кожуха. При этом сопротивление защищается от действия разрушительных агентов. Кроме того, если материал изоляции хорошо проводит тепло, то условия теплопередачи улучшаются по сравнению со случаем открытого сопротивления.

1. Элементы со слюдяной и миканитовой изоляцией (рис. 2). Принцип устройства: берется слюдяная или миканитовая поддержка, обертывается проволокой или лентой, и сопротивление закрывается той же изоляцией. Затем все запрессовывается в металлический кожух (нагреватели жидкостей) или же плотно прижимается к воспринимающей тепло металлической поверхности (плитка, чайник, утюг). Тщательность запрессовки или прижатия слюдяного элемента оказывает большое влияние на срок его службы. Наличие воздушных прослоек, плохо проводящих тепло, способно сильно повысить температуру сопротивления и вызвать его быстрое перегорание. По сравнению с жароупорным миканитом слюда обладает более высокими электрическими и тепловыми свойствами, но миканит облегчает сборку элемента.

2. Слюдяной элемент с тонкослойным сопротивлением. Элемент образуется листиком слюды, на который наносится тонкий слой платины, и вторым листиком, закрывающим сопротивление. Элемент получает хорошие условия теплопередачи и отличается долговечностью, но вследствие дороговизны платины распространения не получил.

Рис. 2. Элемент со слюдяной изоляцией.

3. Элементы с цементообразным наполнителем. Делаются пластинчатые, гильзовые и плиточные. В 2-х первых случаях берется соответственно плоский или круглый сердечник, обматывается проволокой, или лентой, и вводится в металлический кожух. 3атем пространство между сердечником и кожухом заполняется цемент-массой. Сердечники изготовляются или из той же массы, или из естественного материала. В случае нагревательных плиток нижняя часть металлического диска снабжается спиральной или зигзагообразной канавкой, куда и закладываются последовательно слой цемент-массы, спираль сопротивления и снова слой массы. Качество подобного элемента определяется, в основном, качеством массы-наполнителя.

4. Эмалевый элемент. Для образования элемента тепловоспринимающая металлическая поверхность заливается тугоплавкой эмалью. На эмаль накладывается соответственно отформованная проволока сопротивления, которая заливается эмалью же, но менее тугоплавкой, чем первая.

5. Элементы с порошкообразным наполнителем.

а) С механическим наполнением.

I. Плиточный элемент. Устройство аналогично устройству элемента с цементной массой. Для удержания порошка канавка замазывается сверху слоем специального цемента. Сборка заканчивается наложением (с помощью болта) прижимного диска. Лучший наполнитель-порошок плавленого магнезита.

II. Пластинчатый элемент. Состоит из проволочной спирали сопротивления, заключаемой в плоский кожух и изолируемой порошком наполнителя. Спираль располагается в несколько рядов по длине элемента. По окончании сборки элемент сильно спрессовывается. Основное применение элемент находит при подогреве воздуха.

Рис. 3. Устройство трубчатого элемента «калрод».

III Трубчатый элемент «калрод» (рис. 3 и 4). Принцип устройства заключается в том, что внутрь металлической трубки вводится располагаемая коаксиально с трубкой проволочная спираль сопротивления, и остающееся свободным пространство равномерно и плотно заполняется наполнителем. В качестве последнего лучше всего брать специально приготовленный порошок плавленого магнезита. Наполнение трубки с введенной в нее спиралью наполнителем производится с помощью станочков, действующих на принципе удара или вибрации. После наполнения элемент подвергается операции уплотнения порошка, для чего он пропускается через волочильный стан или (что лучше) через ротационную ковочную машину. Элемент принадлежит к числу самых лучших из существующих. Он имеет следующие достоинства: простота конструкции; хорошие условия работы сопротивления; механическая прочность; компактность» способность принимать любую форму, изгибаясь подобно сплошному металлическому стержню; долговечность. Элементы могут служить для нагрева воздуха и жидкостей, могут заливаться в металл.

Рис. 4. Нагреватель с элементом «калрод», залитым в чугун.

IV. Гильзовый элемент «калрод». Построение аналогично трубчатому элементу «калрод», но трубка берется большего диаметра, и спираль наматывается на керамический сердечник. Изгибу элемент подвергаться не может.

D. Элементы Бакера. Изготовляются в форме трубок и плиток. По конструкции аналогичны описанным элементам (I, III). По качеству являются лучшими, из существующих, так как изготовляются с лучшим из наполнителей — с окисью магния, получаемой по способу Бакера. Превращение металлического магния в плотную кристаллическую окись магния производится в самих элементах, которые загружаются для этого в автоклав. При снаряжении элементов металлический магний берется в форме трубок и стержней.

Электрическая лампа накаливания, как нагревательный элемент, может применяться в некоторых случаях, когда ее форма и испускаемый ею свет не представляют неудобств для пользования.

Нагреватели с неметаллическими сопротивлениями. В случае угольных, силитовых и др. штабиков и трубок элементы образуются сопротивлениями и контактными устройствами, которые обычно служат и поддержками. Порошки сопротивления использовались до сих пор главным образом в т. н. криптоловых печах. Принцип устройства этих печей заключается в том, что берутся 2 металлических пластинчатых контакта, опускаемых в кожух из электрического изолирующего материала, и пространство между ними заполняется порошком сопротивления. Паста сопротивления наносится прямо на тепловоспринимающую поверхность нагревательного прибора. При электрическом изолирующем материале паста наносится непосредственно на поверхность материала, при электрическом проводящем же — применяется промежуточный слой изолирующей эмали. Для образования контактов делаются, путем шоопирования, металлизированные полоски.

Электродный нагрев электролитов. Способ нагрева заключается в том, что электрическом ток пропускается непосредственно через электролит, который и служит электрическим сопротивлением. Основное применение способ нашел в электрических паровых котлах, которые используются главным образом для отопления помещений и для получения технологического пара. Достоинства электродных котлов: 1) легкая возможность обеспечения постоянного давления пара; 2) возможность получения быстрого действия; 3) малый объем на единицу мощности; 4) высокий коэффициент полезного действия (до 96—98%). Основной недостаток электродного котла — непостоянство мощности. Этот недостаток, как и прочие, коренится в свойствах воды, как электрического сопротивления. В зависимости от количества растворенных солей удельное электрическое сопротивление воды — ρ —колеблется в пределах 300—10 000 Ω см. С увеличением температуры ρ значительно уменьшается, причем тем более, чем менее в воде содержится растворенных солей. При нагреве воды некоторые соли выпадают. С другой стороны, при питании котла свежей водой происходит постепенно концентрация невыпадающих солей. При образовании пара часть воды вытесняется вверх, что увеличивает сопротивление рабочей цепи котла. Осаждение накипи на электродах увеличивает переходное сопротивление и тем самым общее сопротивление рабочей цепи.

По условиям питания водой различаются 2 способа работы электродного парового котла. 1-й способ. Котел питается свежей водой. При этом требуется систематическая очистка или продувка котла для удаления воды, слишком сильно насыщенной солями. Для поддержания мощности на постоянном уровне требуется специальное регулирующее устройство.

2-й способ. Котел питается конденсатом (ρ = 80 000—10 000 Ω см) с добавкой (если требуется) раствора соды. При этом мощность котла с необходимостью изменяется лишь в период установления нормального парообразования. Присоединяя к котлу бачек, куда может вытесняться вода из котла при увеличении в нем давления пара, получают простое средство регулировки мощности котла в зависимости от условий теплоотдачи пара.

Электродные паровые котлы строятся как на низкое, так и на высокое напряжение, как на малую мощность, так и на большую, доходящую до нескольких десятков тысяч киловатт. Кроме нагрева воды, электродный нагрев применяется с успехом при пастеризации молока.

Нагрев вольтовой дугой. Как способ превращения электрической энергии в тепловую, вольтова дуга получила широкое применение при построении электрическом печей с развитием высоких температур. Основные процессы, при которых применяются электрические дуговые печи, таковы: выплавка чугуна, плавка различных металлов, плавка кварца, получение карборунда и карбида кальция, излучение азотистых соединений из воздуха. Существуют 3 группы дуговых печей: с косвенным нагревом, с прямым нагревом и с комбинацией нагрева дугой и нагрева по методу сопротивления (см. рис. 5).

Рис. 5. Схемы устройства электрических дуговых печей: 1 – электрод; 2 – металл; 3 – кладка; А – косвенный нагрев; В – прямой нагрев – 1-й вариант и В – 2-й вариант; Г – комбинированный нагрев.

В печах косвенного нагрева (или иначе отражательных) дуга образуется между электродами над поверхностью расплавляемого материала. Чтобы достигнуть при этом равномерности нагрева, печи делаются с вращающимися барабанами или с качающимися ваннами. Основное применение находят в металлургии не железной группы металлов. В печах прямого нагрева дуга образуется между электродами и поверхностью расплавляемого материала. Основное применение печи получили при плавке металлов группы железа. В комбинированных печах, помимо нагрева дугой, производится нагрев посредством пропускания тока через набойку пода печи, составляемую проводником второго класса. Основной материал электродов дуговых печей — уголь. Для образования жаростойкой обмуровки применяются обожженный магнезит, шамотовый камень, доломит, динас. Так как при работе электроды постепенно сгорают, то печи снабжаются механизмами для их подачи, действующими или автоматически, или от ручного привода. Питание печей электрическим током производится от специальных трансформаторов.

Индукционный нагрев. Индукционный нагреватель по существу представляет собой трансформатор, вторичная цепь которого составляется телом, непосредственно получающим нагрев. В случае электропроводного объекта нагрева индукционные токи и с ними тепло возбуждаются в нем самом (прямой нагрев), в случае же не проводящего — в специальных металлических телах (обычно в форме сосудов или трубок), от которых тепло передается объекту нагрева (косвенный нагрев.) На практике пользуются нагреванием, как чистыми вторичными токами, так и токами Фуко. Индукционный нагрев применяется главным образом в металлургических печах и при нагреве жидкостей. Основные преимущества способа: возможность получения равномерного нагрева при прямом нагреве и возможность получения малых перепадов температур между нагревательным телом и объектом обработки при косвенном нагреве.

Рис. 6. Схема устройства индукционной печи высокой частоты 1 – завалочное отверстие; 2 – возбуждающая обмотка; 3 – соединение шин; 4 – под; 5 – свод.

Металлургические индукционные печи строятся на питание токами низкой (нормальной) или высокой частоты. Низкочастотные печи имеют замкнутый железный магнитопровод. Высокочастотные же делаются обычно без железного магнитопровода (рис. 6). В низкочастотных печах получают наряду с равномерным нагревом хорошее перемешивание металла за счет возникающих в нем электрических динамических усилий. Но эти печи пригодны лишь для термической обработки металла, поступающего в уже расплавленном состоянии. Затем они имеют низкий cos φ заставляющий, при большой емкости, применять специальный умформер для питания током пониженной против нормальной частоты. Преимущества печей высокой частоты: могут загружаться как жидким, так и твердым металлом; развивают большую мощность и соответственно большую скорость плавки; позволяют получить cos φ = 1 при использовании явления резонанса; отличаются компактностью. Помимо электрических печей, индукционный нагрев получил применение при нагреве жидкостей, например в водогрейных и парообразовательных установках и в пастеризаторах молока. Делаются попытки применения в бытовых приборах (печки для отопления, утюги).

Тепловая изоляция. Требования к материалам теплоизоляции: 1) малая величина теплопроводности; 2) малая теплоемкость; 3) малый объемный вес; 4) жароупорность; 5) достаточное сопротивление сжатию.

Вообще говоря, допустимая рабочая температура теплоизоляции уменьшается с увеличением теплоизолирующей способности. Поэтому в случаях относительно высоких температур приходится прибегать к многослойной изоляции. Для внутренних слоев берутся материалы с большой теплостойкостью, но с умеренной теплоизолирующей способностью — материалы, которые можно назвать теплозащитными. Для внешних же слоев берутся материалы с тем более высокой теплоизолирующей способностью, чем ниже получаются их рабочие температуры. При невысоких температурах хороший эффект дает теплоизолирование с помощью тонких прослоек воздуха. При этом почти не происходит переноса тепла конвекцией и слабо еще проявляется действие излучения. В результате тепло передается путем почти одной лишь теплопроводности, которая для воздуха весьма мала. Так, для покоящегося воздуха при 100°С λ = 0,023 [ккал/м час°С]. При высоких температурах, когда интенсивно действует лучеиспускание, с успехом иногда может быть применено теплоизолирование с помощью экранов или ряда экранирующих поверхностей, расположенных одна за другой. Значительное уменьшение потерь на теплоизлучение наружных поверхностей нагретых металлических тел достигается приданием им блеска с помощью соответствующих покрытий (никелирование, полирование, покрытие алюминиевой бронзой).

Теплоаккумулирующие тела. Применение электрических нагревательных приборов и установок, действующих на принципе теплоаккумуляции, имеет двоякий смысл. Во-первых, при этом возможно пользование электрической энергией исключительно в ночные часы или вообще в часы малой нагрузки электрических станций. Для последних же выравнивание графика нагрузки представляет такие выгоды, что они могут устанавливать на ночное время льготный тариф, как это за границей в большинстве случаев и делается. Во-вторых, теплоаккумулирование позволяет распределить процесс нагрева на долгий промежуток времени и, благодаря этому, пользоваться нагревателями относительно малой мощности. Это опять-таки выгодно электрическим станциям и, с другой стороны, упрощает и удешевляет присоединение прибора к сети. К материалам теплоаккумулирующих тел предъявляются следующие основные требования: большая удельная теплоемкость, большая теплопроводность, большой удельный и объемный вес и жароупорность.

Для отбора тепла от аккумулирующих тел пользуются или их естественной теплоотдачей, или искусственно создаваемыми токами воздуха.

Рис. 7. Схема устройства электрической плиты с теплоаккумулированием: 1 – нагреватель; 2 – теплоаккумулятор из чугунных плит; 3 – крупный песок; 4 – регулирующие венчики; 5 – рабочие плитки; 6 – водоподогреватель; 7 – вентилятор.

Примером электронагревательного устройства с аккумулированием тепла может служить электрическая кухонная плита Seehaus’a, схема устройства которой дана на рис. 7. Зарядка плиты тепловой энергией производится в ночное время. Энергия запасается главным образом чугунными плитами. При пользовании плитой пускается в ход вентилятор, и в соответствии с желаемой степенью нагрева приоткрываются регулирующие вентили. Поток воздуха проходит через слой песка, нагревается и затем отдает тепло ребристым поверхностям плиток. После плиток воздух отдает еще тепло в змеевике водоподогревателя. Тепловые потери плиты в нерабочее время невелики, так как теплоаккумулирующее тело хорошо изолировано.

Контрольные приборы. Основной величиной, наблюдение за которой бывает необходимо для контролирования режима работы электрических тепловых установок; является температура. В некоторых специальных случаях большое значение приобретает также влажность воздуха. Для контролирования температуры употребляются ртутные термометры, термометры сопротивления, термопары, оптические и радиационные пирометры. Для контролирования влажности служат психрометры и гигрометры. Некоторые типы электрических контрольных приборов выполняются самопишущими.

Аппаратура автоматического управления. Цель применения аппаратуры заключается в достижении следующих эффектов: 1) ограничение расхода энергии минимальной величиной, достижимой при данной установке; 2) экономия на рабсиле вплоть до полного упразднения обслуживающего персонала; 3) точное регулирование процессов нагрева в соответствии с условиями, выдвигаемыми практикой; 4) предохранение установок от аварий; 5) обеспечение условий техники безопасности.

Важнейшими приборами автоматического управления являются: регуляторы температуры, термореле, выключатели с часовым механизмом, регуляторы влажности.

Чаще всего задача регулятора температуры состоит в поддержании температуры в некоторых постоянных и узких границах. Иногда же требуется, чтобы температура менялась по некоторой заданной кривой, как функция времени («программное регулирование»). Работа установок, снабженных регуляторами температуры, в отношении условий регулирования характеризуется показателями точности, эффективности и устойчивости. Точность определяется максимальной величиной отклонений температурных условий от заданных, получающихся по достижении установкой ее нормального рабочего состояния. Под эффективностью разумеется скорость восстановления нормальной температуры после того, как по некоторой причине произошло понижение температуры. При достижении установкой, во время разогрева, ее рабочего состояния, как правило, наблюдается период неустойчивости, когда амплитуда колебаний температуры превосходит нормальную. Чем этот период и амплитуда получаются меньшими, тем большую установка имеет устойчивость (рис. 8).

Рис. 8. Диаграмма изменения температуры нагревательной установки в период пуска.

Существуют 3 основных способа воздействия на мощность установки для регулирования температуры: 1) способ «все или ничего», или регулирование полной мощностью. Способ состоит в том, что по достижении рабочей температуры вся мощность выключается, затем, по охлаждении установки на некоторое число градусов, вея мощность включается вновь и т. д. 2) Регулирование частью мощности. При этом способе часть мощности остается действующей постоянно, а другая часть включается и выключается, как при 1-м способе. 2-й способ по сравнению с 1-м дает большую точность. 3) Реостатный способ. Дает возможность весьма плавного регулирования, но связан с потерями энергии в реостате, поэтому имеет значение лишь для лабораторных установок.

Основные требования к терморегулирующим устройствам: чувствительность, устойчивость, надежность, постоянство характеристики. В общем случае в терморегулирующие устройства входят: собственно регулятор или термокоммутатор, промежуточное реле и реле рабочего, тока (нагревателя).

Для построения термокоммутаторов используются следующие эффекты нагрева: 1) расширение металлов, жидкостей и паров жидкостей; 2) увеличение давления газов; 3> изменение магнитных свойств; 4) изменение электросопротивления; 5) генерация термотоков; 6) испускание лучистой энергии с возбуждением фотоэффекта.

Рис. 9. Схема диласионного термокоммутатора: Т. А. — термоактивное тело; Т. И. —термоинертное тело: У. В. — установочный винт; Р — рычажок; K₁ и K₂ — контакты электрического контура.

Схемы устройства отдельных типов термокоммутаторов. Диласионные термокоммутаторы (рис. 9). Берутся два твердых тела удлиненной формы, из которых одно термоактивное, а другое термоинертное, и приводят их в механическую связь между собой. Пользуясь разницей в величинах абсолютных удлинений, получаемых этими телами при нагревании, приводят в действие контактный рычажок. Термоактивные тела делаются из меди, латуни, железа, никеля, цинка. Термоинертные — из инвара, фарфора, кварца. Диласионные регуляторы применяются обычно при Т_раб 400—500°С, но известны конструкции для Т_раб = 1200°С.

Рис. 10. Схема биметаллического термокоммутатора: А – термокоммутатор с работой на включение: 1 – биметалл; 2 – контактная стойка.

Рис. 11. Схема биметаллического термокоммутатора с работой на выключение: 1 – биметалл; 3 и 4 – контакты.

Биметаллические т.-к. (рис. 10 и 11). Применяемый в термокоммутаторах термический биметалл представляет собой механическое соединение с наложением друг на друга двух металлических полосок, обладающих разными коэффициентами линейного расширения. При нагревании в биметалле возникают внутренние напряжения, заставляющие его изгибаться по форме сферической поверхности (при равномерном нагреве). Пользуясь этим, берут биметаллическую пластинку (или спираль) и, закрепляя один из ее концов неподвижно, другим заставляют производить при нагревании замыкание или размыкание контактов регулятора. Материалами активных компонентов биметалла (с большим коэффициентом линейного расширения) служат: латунь, константан, ферроникели с содержанием от 22 до 27% Ni. Для инертных компонентов берутся ферроникеля с содержанием Ni от 36% (инвар) до 46%. Максимальная рабочая температура доходит до 550°С. При инваре t_макс = 150-200° С.

Рис. 12. Простой ртутный термокоммутатор.

Рис. 13. Ртутный контактный термометр.

Термокоммутаторы с расширением жидкости (рис. 12 и 13). Делаются в виде термометров, у которых в капилляр вводятся 2 платиновые проволочки. Поднимающийся при нагревании столбик ртути в известный момент замыкает проводочки, которые вводятся в электрический контур регулятора. Применяются при t до 250—300°С.

Рис. 14. Схема газотермического термокоммутатора; 1 – установочный винт; 2 – контактная платиновая проволока; 3 – легкоиспаряющаяся жидкость; 4 – ртуть; 5 – платиновый контакт.

Термокоммутаторы с расширением паров жидкостей (рис. 14—16). Делаются термометрического типа, с упругой диафрагмой или с «мехом». В первом случае берется трубка с глухим коленом увеличенного против трубки диаметра. В колено вводятся небольшое количество ртути и поверх нее легко испаряющаяся жидкость. Ртуть служат для замыкания контактов, образуемых, как и в предыдущем случае, 2-мя платиновыми проволочками. Работа коммутатора с диафрагмой основывается на быстром переходе упругой части диафрагмы из положения вогнутости внутрь в положение выпуклости наружу под действием паров, интенсивно образующихся по достижении точки кипения жидкости.

Рис. 15. Схема термокоммутатора с диафрагмой.

Рис. 16. Схема термокоммутатора с мехом.

Рис. 17. Схема термокоммутатора с трубкой Бурдона: 1 — трубка Бурдона; 2 — неподвижная трубка.

Термокоммутаторы с изменением давления жидкости или газа. Использование эффекта достигается с помощью трубки Бурдона, которая с повышением температуры разгибается (рис. 17). Т.-к. с сопротивлением. Используется влияние температуры на величину электрического сопротивления проводниковых или полупроводниковых материалов. В 1-м случае схема коммутатора такова (рис. 18): специальное сопротивление или сопротивление самой нагревательной установки вводится в одно из плеч схемы мостика, в которую включается контактный гальванометр. При отклонении температуры установки от нормальной мостик выходит из равновесия. Стрелка гальванометра отклоняется и действует на контактное устройство. Т.-к. применяется при температурах до 1500°С.

Рис. 18. Схема термокоммутатора с сопротивлением. К — контактный гальванометр.

Т.-к. с генерацией термотоков. Коммутатор составляется из термопары, горячий спай которой вводится в рабочее пространство установки и контактного гальванометра. Используется при температурах до 1500° С.

Т.-к. с использованием фотоэффекта. Применяется при температурах интенсивного испускания лучистой энергии. Импульсатором служит фотоэлемент. Развиваемый им электрический ток усиливается электронной лампой и служит для возбуждения реле нагревателя.

Рис. 19. Схема соединений нагревательного устройства с термокоммутатором, работающим на размыкание тока: Н – цепь нагревателя; К₁ и К₂ – контакты.

Общие схемы действия регуляторов температуры. При незначительных мощностях выключение рабочего тока может производиться непосредственно термокоммутатором. Выключаемая мощность существенно повышается, если термокоммутатор снабжается приспособлением для мгновенного размыкания тока. При мощности в несколько киловатт требуется уже применение реле рабочего тока. Термокоммутатор производит в этом случае размыкание и замыкание цепи магнитной катушки реле (рис. 19, 20). При особенно больших выключаемых мощностях или при слишком малых силах тока, пропускаемых термокоммутатором, применяется еще промежуточное реле (рис. 21). В качестве реле рабочего тока берутся обычно электрические магнитные контакторы (рис. 22).

Рис. 20. Схема соединений нагревательного устройства с термокоммутатором, работающим на замыкание тока: R – вспомогательное сопротивление.

Рис. 21. Схема промежуточного реле с соленоидом и ртутным прерывателем: 1 – к реле нагревателя; 2 – к термокоммутатору.

Рис. 22. Схема электромагнитного контактора.

Термо-реле. Задача термо-реле состоит в том, чтобы выключать установку по завершении проводимой термической операции. Обычная схема действия реле такова. При пуске установки заряжается приводное пружинное устройство реле. По достижении установкой конечной температуры процесса усилием, развиваемым термочувствительным органом реле, освобождается задержник пружины, и последняя производит работу выключения. Применяемые термочувствительные органы аналогичны тем, которые применяются и в регуляторах температуры.

Выключатели с часовым механизмом употребляются для автоматического включения и выключения установок в заранее назначенное время.

Регуляторы влажности строятся по принципу психрометра. Термочувствительный орган регулятора поддерживается все время в увлажненном состоянии. В зависимости от влажности воздуха изменяется скорость испарения влаги чувствительным органом, а вследствие этого и его температура. С изменением же последней изменяется деформация чувствительного органа, которая и используется для приведения в действие контактного устройства.

Существующие электрические тепловые приборы и установки. Проводя наиболее общую классификацию, существующие электрическом тепловые приборы и установки можно разделить на оборудование: 1) для промышленных предприятий тяжелой и легкой индустрии, 2) для сельского хозяйства, 3) лабораторное, 4) для предприятий, обслуживающих бытовые нужды, и для индивидуального быта.

Индустриальное оборудование. Операции, выполняемые с помощью электрического теплового оборудования, по отдельным отраслям промышленности таковы: а) металлургия: выплавка чугуна, плавка и рафинирование железа и стали, выплавка не железных металлов, изготовление различных сплавов, в том числе особо высокого качества, б) Металлообрабатывающая промышленность: прокаливание, закаливание, отжиг, отпуск, сварка, пайка, в) Керамическая промышленность: плавка и переработка кварца; получение тугоплавких окисей и их синтез; искусственное изготовление драгоценных камней; получение извести, цемента; получение шамота, стеатита и пр., обжиг изделий из шамотовой, фарфоровой и прочих масс; покрытие глазурью, г) Химическая промышленность: проведение реакций в различных конденсированных системах; синтетическое получение нитросоединений, проведение реакций между газами и твердыми или жидкими веществами (окисление, восстановление, кальцинирование, нитрирование, гидрирование); получение карбидов силиция, кальция и различных тугоплавких металлов.

Для осуществления отдельных операций нагрева пользуются электрическом энергией в текстильной и бумажной промышленности, в типографском деле, в производстве обуви, в пищевой промышленности. При получении технологического пара и при сушке сырых материалов и готовых изделий электрическом нагрев имеет универсальное применение.

Из отдельных видов электрических тепловых установок наибольшее значение для промышленности и наибольшее распространение имеют различного рода электрическом печи. Нужды металлургий обслуживают печи с вольтовой дугой и индукционные. В прочих отраслях промышленности применяются, главным образом, печи с сопротивлениями. Чаще всего пользуются металлическими сопротивлениями из сплавов типа нихрома. Сопротивления обычно располагаются в самом пространстве печи, например, подвешиваются посредством керамических поддержек с внутренней стороны вертикальных стенок. Употребительные формы нагревательных сопротивлений таковы: открытые, горизонтально подвешиваемые проволочные спирали; секции из шин, изгибаемых зигзагообразно.

Электрические тепловые приборы и установки для сельского хозяйства. Список основных электрифицированных операций нагрева в сельском хозяйстве таков: запаривание и силосование корма; подогрев воды; пастеризация молока; инкубация и брудерация птицы; стерилизация яиц, сушка плодов, овощей, зерна, чая, табака, травы, дерева; обогрев помещений с животными; обогрев почвы и культивационных помещений; стерилизация почвы (подробнее см. электротехника в сельском хозяйстве).

Бытовые установки и приборы. Основное применение находят при следующих операциях: выпечка хлеба, приготовление пищи; приготовление горячей воды; стирка, глажение белья, отопление. Электрические хлебопекарные печи (рис. 23, 24) работают без аккумулирования электрической энергии (на дневном токе) или с аккумулированием (на ночном токе). Делаются с неподвижным подом, с выдвижным и вращающимся, затем люлечные и тоннельные. Последние 3 типа — конвейерные. Печи с аккумулированием складываются из кирпича. Новейшие печи без аккумулирования имеют стальные стенки. Для теплоизоляции применяются шлаковая вата и асбест. Нагревательные элементы применяются: с заделкой проволоки в цемент (печи с аккумулятором), открытые рамочные, трубчатые «калрод», закрытые плиточные. Регулирование температуры ведется вручную или автоматически. Температура рабочего пространства берется 200—275°С. Выпечка, в зависимости от вида изделий, длится от 10 минут до 2 часов. Удельный расход энергии составляет от 0,2 до 0,5 кВч на кг хлеба. Оборудование кухонь. Важнейшими предметами электрического теплового оборудования больших (общественного значения) кухонь являются: большие плиты, варочные котлы и духовые шкафы. Еще применяются: кондитерские печи, Bain-Marie, кастрюли, сковороды, кипятильники, машины для мойки посуды и др. Рабочая поверхность плиты образуется рядом круглых плиток, каждая из которых питается электрическим током самостоятельно. Плитки имеют обычно 3 ступени нагрева. Нагрев в варочных котлах производится или элементами, или электродным способом. Оборудование индивидуальных кухонь составляется из небольших плит, настольных плиток, кастрюль, сковородок, духовок, чайников и пр. Водоподогреватели. Известны 3 системы водоподогревателей: проточные (в которых вода нагревается, протекая через нагревательное устройство), быстродействующие наливные (без аккумуляции) и т. н. аккумуляторы горячей воды. Последние наиболее интересны. Основные части электрических аккумуляторов горячей воды следующие: резервуар для воды, кожух, тепловая изоляция, электрический нагреватель и регулятор температуры. Приборы делаются «низкого давления», и тогда резервуар всегда сообщается с наружным воздухом, и «высокого давления», тогда вода в резервуаре всегда находится под полным давлением линии. Прибор устраивается так, что разбираемая горячая вода вытесняется из него действием поступающей холодной воды. Для удобства получения воды любой температуры применяется смеситель. Вода нагревается нормально до 80—85° С. Время нагрева берется порядка 8 час. Кпд получается порядка 95%. Нагреватель образуется элементами, вводимыми в резервуар через фланец. Элементы берутся трубчатые «калрод», слюдяные или гильзовые — излучательные. Мощность прибора получается небольшой, составляя 11-13 ватт на 1 литр емкости, что облегчает его присоединение к сети. Благодаря свойствам термоса прибор позволяет вести нагрев исключительно ночью и весь день иметь горячую воду. Стиральные машины. По способу стирки различаются машины с неподвижным бельем, или гейзерные, и с движением белья, или механические стиралки. В гейзерных аппаратах промывка белья осуществляется путем периодического интенсивного разбрызгивания кипящего щелока гейзерным устройством. В механических — путем трения. В гейзерной стиралке стирка продолжается 7 час. Автоматичность ее действия позволяет использовать для стирки ночное время. Механическая — стирает около часа. Для привода требуется мотор.

Рис. 23. Внешний вид люлечной электрической хлебопекарной печи.

Рис. 24. Внутреннее устройство люлечной электрической хлебопекарной печи.

Электрическое отопление (ср. XLV, ч. 3, 326′). Имеет применение главным образом в качестве добавочного к огневому отоплению и в случаях сравнительно кратковременного действия. С точки зрения гигиены наиболее совершенной является система с излучением тепла большими поверхностями нагревательных панелей, устраиваемых под потолком или в самом потолке помещения. На практике же пользуются чаще всего переносными отопительными приборами. Наиболее употребительны конвекционные печи с аккумуляцией тепла и без таковой, излучательная печь с рефлектором, радиатор с водой, в которую вводятся закрытые элементы сопротивления (рис. 25).

Рис. 25. Электрический водяной радиатор: R — нагревательный элемент; А — кожух; Т — контакты элемента.

Электрический тепловой расчет приборов с металлическими сопротивлениями. Коэффициенты теплопроводности материалов и тепло перехода, — величины, которые почти целиком определяют собой тепловой режим прибора, — претерпевают значительные изменения в зависимости от целого ряда факторов. Высокая степень способности тепловой энергии к растеканию во все стороны ограничивает возможности управления тепловыми потоками. Передача тепла тремя путями: кондуктивностью, конвекцией и излучением ведет к очень большому числу комбинаций в условиях теплопередачи. В результате этого расчеты электрических тепловых приборов носят приближенный характер, требуя для уточнения постановки специальных экспериментов, и для их выполнения не существует универсального метода. Ниже ограничиваемся, поэтому, описанием расчета по методу коэффициента монтажа.

(860 — коэффициент перехода от килокалорий к киловатт-часам; 1 кВ-ч = 860 к/кал.). Исходя из формы и объема объекта нагрева, устанавливаются форма и размеры рабочего пространcтвa (рабочей поверхности) прибора. Выбираются способ расположения и тип электрических нагревательных элементов. Устанавливаются число отдельных сопротивлений (элементов) — n, мощность единичного — w = W/n соединения элементов между собой. Фиксируется величина напряжения на клеммах элементов — v.

Расчет сопротивления (элемента). Длина I и сечение s сопротивления не могут быть непосредственно определены из теоретических формул. Существует лишь формула, устанавливающая взаимозависимость I и s, которая может быть написана в следующем виде:

(здесь Т_с — температура сопротивления в °С; Т₀ — температура, к которой относится ρ; α — температурный коэффициент). Необходимо поэтому одну из величин l или s — определить косвенным путем. Практически определяют s. Существует ряд таблиц (выпущенных фирмами, поставляющими материалы сопротивления), дающих связь величин: диаметра проволоки сопротивления d, силы тока — I и температуры — t_с, составленных для случая проволоки, расположенной горизонтально в спокойном воздухе и свободно отдающей тепло. Извлечение из одной из подобных таблиц дается ниже.

Таблица V. Взаимозависимость диаметра проволоки, силы тока и температуры для нихрома (по данным фирмы «Heraeus Vac.-Schmelze A. G.»).

Чтобы воспользоваться таблицами в том случае, когда условия охлаждения проволоки не совпадают с табличными, нужно вместо той температуры Т_с, которую желают проволоке придать, взять фиктивную температуру Т_с = mТ_с. Здесь «m» — т. н., «коэффициент монтажа», учитывающий специфические условия охлаждения проволоки. Величина его для некоторых случаев дается следующей табличкой:

Таким образом, остановившись на определенном материале сопротивления, выбрав температуру Т_с и установив примерное значение коэффициента монтажа m, находят диаметр проволоки d и далее по формуле (2) длину L. В случае, когда берется не проволока, а лента, способ расчета остается тот же, но вводят еще т. н. коэффициент профиля — р, учитывающий разницу в условиях охлаждения проволоки и ленты. Лента охлаждается лучше проволоки, поэтому при той же температуре получает большую нагрузку.

Соответственно этому в случае ленты исходят не из действительной силы тока I, а из уменьшенной, фиктивной, силы тока

Значения р в зависимости от отношения ширины ленты а к ее толщине b даются следующей таблицей:

Задавшись отношением a/b и получив значение I’ по выбранной Т_с, находят из таблиц величину d и по ней сечение ленты: s = ab = πd 2 /4. Наконец, находятся стороны сечения: a = √(a/b)s b=s/a.

Расчет тепловой изоляции. Один из возможных способов расчета таков: выбирают материал изоляции и устанавливают толщину слоя, исходя из конструктивных соображений. После этого высчитывают для проверки достаточности толщины среднюю мощность теплопотерь в окружающую среду, пользуясь формулой вида: W_пот = KΔt/860 [кВ], где K — всеобщий коэффициент теплопередачи и ΔТ — средняя разность температур рабочего пространства и внешней среды за время нагрева. Выражение для К получается разным для различных типовых условий теплопередачи.

Уточненный расчет прибора. Установив на основе предварительного расчета форму и все основные размеры нагревательного прибора, вычисляют и затем суммируют: 1) полезную затрату энергии и 2) энергию потерь в окружающую среду, энергию, аккумулируемую конструктивными частями прибора (если рассчитывают на пуск с холодного состояния) и энергию всех других видов потерь. Деля сумму на выбранную длительность процесса нагрева в часах, получают уточненную мощность нагревателя, после чего можно соответственно уточнить и размеры сопротивления.

Литература. Материалы сопротивлений: Жемчужный и Погодин: «Сплавы для электрических измерительных и нагревательных приборов», Л., 1928; «Zeitschr. V. D. I.», 1934, № 20; «Еl. Wirtsch.», 1932, № 25. Электрическая изоляция: «World Power», 1928, № 57; «Еl. Wärme», 1934, №2; «Gen. El. Review», 1933, № 9; «The El. Review», 1926, № от 18/VI. Построение элементов: «L’Elесtricien», 1931, фев.; «Gen. El. Rev», 1933, № 8; «The El. Rev.», 1933, стр. 217; «The El. Times», 1934, № 2212. Электродный нагрев воды: «Электричество», 1935, № 8: «В. В. С.—Mitt.», 1935, март. Нагрев вольтовой дугой и индукционный: М. Pirani, «Elektrothermie», «ЕІ. Warme», 1934, № 7. Тепловая изоляция: Макаров, «Теория и практика тепловой изоляции»; «ЕІ. Warme», 1934, № 2 и 6; «Iron Age», 1934, № 16. Контрольная аппаратура: Кульбуш, «Электрические пирометры»; Лахтин, «Приборы для измерения температуры в тепловых установках». Аппаратура автоматического управления: «Siemens-Zeitschr.», 1931, № 10; «ЕІ. Wärme», 1934, № 10; «Gen. El. Rev.», 1934, № 5; «Электрификация сельского хозяйства», 1935, № 2; «Электричество», 1935, № 5. Электрические тестовые приборы и установки: а) промышленные: Сибилев, «Электрические печи»; Pirani, «Elektrothermie»; Kratochwil, «Elektrowärmeverwertung»; «Еl. Wärme», 1934, № 5; б) сельское хозяйство: «Энергетическое обозрение», 1931, № 8; «С. R. Е. А. Bulletin» (Chicago), 1931, ноябрь; «Электрификация сельского хозяйства», 1933, № 1; «Z. V. D. J», 1932, № 15; «Еl. Verwertung», 1932/33, № 4/5: «Еl. Verw.», 1934/35, № 2; в) бытовые: «I. Inst. El. Eugrs.», 1931, сентябрь, и 1935, май (отопление): Härry, «ЕІ. G’rossküche in dеr Schweiz»; «Еl. Wirtsсhaft», 1931, ноябрь (кухни); «I. Inst. El. Е.», 1928. № 378 (хлебопечение); «Электрификация сельского хозяйства», 1932, № 5/6. (водоподогрев); Драбкин, «Электрификация быта за границей». Расчет электрических нагревателей: «Bull. Schweiz, El. Ver.», 1923, № 9; «L’Electricien», 1929, №1461; «Электричество», 1930, № 19; «Schweiz. Teсhn. Zeitschr.», 1929, №№ 39 и 40; «L‘Electricien», 1933, № 1578.

Источник