Geum.ru

Электрификация сельскохозяйственного производства

Вид материалаМетодическая разработка

Содержание


Электрические водонагреватели и парообразователи
Подобный материал:
1   2   3   4   5
Оптическим излучением (ОИ) называют электромагнитные колебания с длинами волн примерно от 1нм (1нм=10-9м) до 1мм, находящиеся в области между рентгеновскими лучами и радиоизлучением. Оптическая область спектра делится на ультрафиолетовую (УФ), видимую (свет) и инфракрасную (ИК).

По физической природе различаются два вида ОИ: тепловое и люминесценцию.

Тепловое излучение возникает при нагревании тел.

Люминесценция в принципе не требует нагрева тел, поэтому при люминесценции возможно более эффективное преобразование подводимой энергии в ОИ, чем при тепловом возбуждении. Люминесценция наблюдается в газообразных, жидких и твёрдых телах. Твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждений, называют люминофорами.

в источниках ОИ используются следующие виды люминесценции:

- электролюминесценция – ОИ, возникающее в результате соударения электронов (ионов), движущихся со скоростями, достаточными для возбуждения;

- фотолюминесценция – ОИ, возникающее в результате поглощения телами ОИ.

Подавляющее большинство современных источников ОИ относится к категории электрических и по принципу действия делится на две большие группы: тепловые и газоразрядные.

Рабочим элементом теплового излучателя является тело накала, нагреваемое протекающим по нему электрическим током. Излучение таких источников приходится на видимую и ИК области, причем с повышением температуры тела накала максимум излучения смещается в сторону более коротких волн и увеличивается световая яркость.

Тепловые источники ОИ, используемые для освещения, называются лампа накаливания. Источники, богатые ИК – излучением, а также те, световые качества которых представляют второстепенный интерес, называется термоизлучателями. Принято также деление излучателей на «светлые» и «тёмные». У последних доля видимого излучения не превышает доли процента, а температура тела накала обычно не выше 1000оС.

Наиболее массовыми источниками света (ИС) являются вольфрамовые лампы накаливания (ЛН). Световая отдача современных ЛН составляет 6,7 …19,1 лм/Вт при сроке службы 1000 ч. Наибольшая световая отдача, которая может быть получена при температуре плавления вольфрама (365050К), равна примерно 50 лм/Вт.

Крупным событием, открывшим новую страницу в развитии тепловых ИС, явилось создание галогенных ЛН в кварцевой колбе (ГЛН). Принцип действия ГЛН заключается в образовании на стенке колбы летучих соединений – галогенидов вольфрама, которые испаряются со стенки, разлагаются на теле накала и возвращают ему, таким образом, испарившиеся атомы вольфрама. ГЛН имеют по сравнению с обычными ЛН более стабильный по времени световой поток и, следовательно, повышенный полезный срок службы, а также значительно меньшие размеры. Световая отдача ГЛН-26 лм/Вт при сроке службы 2000 ч.

Газоразрядной лампой (ГЛ) называют лампу, в которой оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.

Излучение газов и паров в ГЛ вызвано возбуждением атомов (или молекул) в разряде за счёт неупругих соударений с электронами. Возбужденные атомы за время 10-6…10-8 с возвращаются в состояние с меньшей энергией и при этом испускают избыток энергии в виде электромагнитного излучения. Атомы каждого химического элемента имеют совершенно определенные, присущие только ему энергии возбуждённых состояний и поэтому могут испускать фотоны только определённых длин волн. Подбирая род газа или пара и условия разряда, можно получать различные спектры излучения не только видимой, но также в УФ-и ИК областях.

Преобразования излучения разряда при помощи люминофоров открыл широкие возможности создания ГЛ с самыми различными спектрами излучения. Обычно для возбуждения люминофора используется, УФ – излучения разряда, которое люминофор преобразует в более длинноволновое излучения лежащие в УФ – или видимой областях спектра. Такие лампы называются люминесцентными. Люминофоры, применяемые в люминесцентных лампах, хорошо возбуждаются резонансными излучением атома ртути с длиной волны 184,9 и 253,7 нм. Излучение ГЛ, таким образом, представляет собой электролюминесценцию газов и паров (в основном аргона и ртути), дополненную в некоторых случаях фотолюминесценцией люминофоров.

Наиболее распространенными из ГЛ являются люминесцентные лампы (ЛЛ) низкого давления, дающие излучения с непрерывным спектром практически любого состава и обладающие световой отдачей и сроком службы, в несколько раз превышающими таковые лампы ЛН. Световая отдача современных ЛЛ достигает 85…90 лм/Вт, а срок службы – 15 тыс.ч.

ЛЛ можно подразделить на осветительные лампы общего назначения и специальные. К ЛЛ низкого давления специального назначения относятся эритермные (типов ДБ, ЭУВ), и бактерицидные (типов ДБ, БУВ), использующиеся как источники УФ – лучей областей В и С соответственно, а также растениеводческие лампы типа ЛФ (с повышенной фотоотдачей).

Типичными представителями ртутных ламп высокого давления (РЛВД) является лампа типа ДРТ (дуговая ртутная трубчатая), называемая также ртутно-кварцевой (прежнее обозначения – ПРК), и четырехэлектродная ртутная лампа с исправленной цветностью типа ДРЛ.

Другой разновидностью РЛВД являются ртутно-вольфрамовые лампы, в которых свечение разряда дополнено свечением вольфрамовой спирали. Такие лампы включаются непосредственно в сеть переменного тока напряжением 220В без дросселя. Представляют интерес для совместного освещения и эритемного обучения лампы типов ДРВЭ и ДРВЭД во внешних колбах из увиолевого стекла, дающие излучение, близкое по своему действию к солнечному. Срок их службы – 3…5 тыс. ч. Особенностью работы РЛВД является наличие периода разгорания (5…10 мин), во время которого все характеристики разряда измеряются до тех пор, пока не испарится вся ртуть.

Разработаны и выпускаются ГЛ новых типов: натриевые лампы высокого давления, металлогалогенные, ксеноновые.

Натриевые лампы являются одной из самых эффективных групп ИС: они обладают самой высокой световой отдачей среди всех известных ГЛ (до 130 лм/ВТ) и незначительным снижением светового потока при длительном сроке службы. Недостаток таких ламп – низкое качество цветопередачи. Лампа представляет собой цилиндрическую разрядную трубку из поликристаллической окиси алюминия, смонтированную в вакуумированной внешней колбе. Излучение имеет приятный золото-белый цвет. Температура окружающей среды слабо влияет на характеристики этой лампы, и она может работать при температуре от –60 до +40оС. Срок службы – 10…15 тыс. ч.

Устройство ламп наиболее распространённых типов описано в рекомендованной литературе.

Зажигание разряда в ГЛ возможно лишь при напряжении выше определенного значения, когда становится возможным лавинное образование зарядов в газовом межэлектродном промежутке. Это приводит к резкому возрастанию тока и появлению свечения. Этот процесс зажиганием самостоятельного разряда, а соответствующее ему напряжение – напряжением зажигания UЗ. При меньшем напряжении межэлектродный промежуток является диэлектриком. Напряжение зажигания зависит от рода газов, наполняющего колбу, его давления, расстояния между электродами и других причин и может достигать много киловольт.

Методы, применяемые при зажигании ГЛ, предусматривают создание различных схем, обеспечивающих подачу на ГЛ повышенного напряжения, достаточного для зажигания заряда, или снижения UЗ за счёт конструкции лампы. Снижение напряжения зажигания достигается:
  • активировкой катодов, снижающей работу выхода электронов;
  • предварительным накалом электродов, обеспечивающим термоэлектрическую эмиссию электронов;
  • введением в ГЛ вспомогательных зажигающих электродов;
  • применением проводящих полос на поверхности лампы, изменяющих распределения электрического поля.

После зажигания разряд нужно стабилизировать, так как с увеличением тока сопротивление газового промежутка уменьшается, что приводит к дальнейшему увеличению тока. Процесс возрастания тока теоретически бесконечен, а практически ограничивается выходом из строя элементов схемы. Поэтому устойчивая работа ГЛ возможна только при наличии устройств, ограничивающих силу тока в заданных пределах и называемых балластными сопротивлениями. Чаще всего в качестве балластного сопротивления используют дроссель – индуктивную катушку со стальным сердечником. В некоторых типах ламп (например, ДРВЭ) в качестве балластного используется активное сопротивления нити накала, включаемой последовательно с разрядной трубкой и дополняющей излучение горелки оранжево-красными лучами.


Программа работы


1. Изучить устройство и принцип действия тепловых источников ОИ – ламп накаливания и термоизлучателей.

2. Изучить устройство и принцип действия газоразрядных источников света и УФ - лучей: люминесцентных осветительных ламп низкого давления, высокого давления, эритемных, бактерицидных и ртутно-кварцевых, ртутно-вольфрамовых и натриевых ламп.

3. Изучить условия и методы зажигания и стабилизации разряда в газоразрядных лампах, работу стартерной схемы включения люминесцентных ламп и назначение её элементов.

4. Снять зависимость от напряжения сети: мощности Рсх , потребляемой из сети; мощности Рл и напряжения Uл лампы; освещенности Е, создаваемой лампой. Построить графики Рл , .

5. Определить основные характеристики люминесцентной лампы (световой поток Фл , световую отдачу , коэффициент мощности) в номинальном режиме и при различных напряжениях сети. Построить график .


Методика выполнения работы


Для изучения устройства и принципа действия источников ОИ используйте рекомендуемую литературу, плакаты, стенды. При изучении тепловых излучателей обратите внимание на зависимость спектрального состава излучения от температуры тела накала и на различия в конструкции источников света и термоизлучателей.

.

Таблица 7

Основные параметры источников света


Тип источника света
Марка лампы
Мощность лампы, Вт
Световой поток, лм
Световая отдача, лм/Вт
Срок службы, тыс.ч.

1
2
3
4
5
6

Лампа

накаливания















ЛЛ низкого давления















ЛЛ высокого давления















Натриевая лампа

















Знакомясь с газоразрядными источниками ОИ, уясните сущность физических процессов, приводящих к образованию электромагнитного излучения, выделите факторы, влияющие на спектральный состав излучения. Обратите внимание конструктивные особенности ГЛ различных типов, на их основные характеристики (параметры), дайте сравнительную оценку тепловых и газоразрядных ИС.

Запишите в табл.7 и 8 основные параметры источников света и УФ – лучей


Таблица8


Основные параметры источников УФ – лучей


Лампа
Марка лампы
Мощность, Вт
Световой поток, лм
Эритемный поток, мэр
Бактерицидный поток, б
Срок службы, ч.

Люминесцентная эритемная


















Дуговая бактерицидная


















Дуговая ртутная трубчатая



















Для включения в сеть ЛЛ низкого давления наиболее широко используется стартерная схема. Необходимо изучить, пользуясь литературой, роль стартера и дросселя в процессе зажигания лампы, а также способы снижения напряжения зажигания и назначение балластного сопротивления.

Для исследования работы ЛЛ соберите схему (рис. 6), включающую в себя стандартную стартерную схему (дроссель Др, стартер Ст, лампу ЛЛ), автотрансформатор ЛАТР, два комплекта измерительных приборов К-505 – амперметры А1 и А2, вольтметры V1 и V2, ваттметры W1 и W2.

Получив разрешение. включите схему в сеть. Рукоятка регулятора напряжения ЛАТРа должна находиться при этом в крайнем левом положении. Поворачивая рукоятку по часовой стрелке и увеличивая, таким образом, напряжение, зафиксируйте минимальное напряжение, при котором лампа зажигается (Umin).

Продолжая поворачивать рукоятку, установите напряжение 220В – номинальное напряжение Uном. Запишите в табл.9 показание амперметра А1 (I), вольтметров V1(U) и V2(Uл), ваттметров W1(Рсх)0 и W2(Рл) и люксметра. Повторите опыт при значениях Uном., понижая каждый раз напряжения на 20…25 В, до погасания лампы (напряжение погасания зафиксировать).

Таблица 9


Результаты измерений расчётов


Измерено
Вычислено
Примечание

U, В
I, А
Рсх, Вт
Рл, Вт
Uл, В
E, лк
Фл, лм
, лм/Вт
cos




























Напряжение зажигания Umin=…Е


0 Световой поток Фл, световую отдачу и коэффициент мощности cos при каждом значении напряжения вычисляют по формулам:



где Е, Рл , Рсх , U, I – величины, полученные на основании эксперимента;

1,8 – коэффициент, учитывающий влияние отраженной составляющей и других источников света;

Н, L, - геометрические параметры, значение которых поясняет рис.7.

Если принять L=1,2 м, а чувствительный элемент люксметра расположить на столе строго под серединой лампы (Н=0,3м), то световой поток можно рассчитать по упрощенной формуле:

Фл=1,8Е.

результаты расчётов занесите в табл.9 и постройте графики.



Рис. 6.



Рис. 7.

Контрольные вопросы


1. Как устроены и работают тепловые источники оптических излучений? Каков спектр излучения таких ламп и от чего он зависит?

2. Каков принцип действия газоразрядных источников ОИ? От каких факторов зависит спектральный состав излучения газоразрядных ламп?

3. Какими параметрами характеризуются источники ОИ?

4. Какие лампы используются в качестве источников света? дайте им сравнительную характеристику.

5. Каков принцип действия галогенных ламп накаливания? В чём их преимущества по сравнению с обычными ЛН?

6. Как устроены люминесцентные лампы низкого давления? Назовите типы ЛЛ основного назначения, на которые они делятся по цветности излучения.

7. Что представляет собой четырехэлектродная РЛВД с исправленной цветностью типа ДРЛ? В чём её преимущества по сравнению с ЛЛ низкого давления?

8. С помощью каких ламп можно получить УФ – излучение? Чем они отличаются друг от друга и от осветительных ламп?

9. Как устроены и работают ртутно-вольфрамовые лампы? Какова область их применения?

10. Каковы устройство и принцип действия натриевых ламп? Их достоинства и недостатки.

11. Какие условия необходимы для зажигания разряда в ГЛ? Какими способами достигается снижение напряжения зажигания?

12. Чем вызвана необходимость стабилизации разряда в ГЛ? При каких условиях возможна устойчивая работа ГЛ?

13. Какие устройства входят в стартерную схему включения ЛЛ? Каково их назначение?

14. Какую роль играют дополнительные электроды (в лампах ДРЛ) и металлическая полоска, прокладываемая по поверхности некоторых ламп (например, ДРТ)?

15. С помощью каких устройств можно получить ИК – лучи?


Содержание отчёта

1. Наименование и цель работы.

2. Типы и основные параметры источников света (табл.7).

3. Типы и основные параметры источников УФ – лучей (табл.8).

4. Исследование влияния напряжения сети на основные характеристики люминесцентной лампы: схема соединений (рис.6); результаты измерений и расчетов (табл.9); графики Uл, Рл, Фл = (U).


Лабораторная работа №4

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛИ И ПАРООБРАЗОВАТЕЛИ


Цель работы

1. Изучить конструкцию, принцип действия и область применения электрических установок для получения горячей воды и пара.

2. Исследовать зависимость электрических параметров электродного водонагревателя от температуры и условия электробезопасности при его работе.


Элементы теории


Наибольшее распространение в сельском хозяйстве получили резистивные водонагреватели – элементные и электродные. По принципу нагрева различают установки прямого и косвенного нагрева, а по принципу работы – нагреватели периодического действия (аккумуляционные, емкостные) и непрерывного действия (проточные).

В элементных нагревателях вода греется за счёт тепла, выделяемого при прохождении тока по находящимся в ней нагревательным элементам (ТЭНам); подключенным к источнику электроэнергии (косвенный нагрев).

Для нужд сельскохозяйственного производства промышленностью в настоящее время серийно выпускают аккумуляционные водонагреватели типов УАП – 220/0,9, УАП – 400/0,9 (ВЭТ – 200, ВЭТ – 400) и другие, а также проточные – типов ВНС – 600/0,2-0,9 (ЭПВ – 2а) и ВЭП-600.Они предназначаются; как правило, для горячего водоснабжения какого-либо конкретного технологического процесса (например, поения животных, полива растений) и имеют заданную рабочую температуру воды.

Аккумуляционные нагреватели имеют значительную емкость для воды, хорошо теплоизолированы, благодаря чему температура воды после отключения от сети снижается очень медленно, не более чем на 1 С/ч (их часто называют поэтому термосами) и могут круглосуточно снабжать потребителей горячей водой, включаясь в часы провалов в суточных графиках нагрузки (обычно ночью).

Проточные нагревают воду за время прохождения её через нагревательное устройство. По сравнению с емкостными они дешевле, компактнее, не требуют специального помещения, однако мощность их бывает значительно выше. Кроме того, включения их в работу в часы максимума нагрузки (а работают они по свободному графику и включаются, когда появляется потребность в горячей воде) требует дополнительной мощности трансформаторных подстанций и создаёт дополнительную нагрузку на электрические сети и другое оборудование системы электроснабжения. В то же время они нуждаются в бесперебойной подаче электроэнергии, так как из-за малой ёмкости не обеспечивают никакого запаса горячей воды, что является крупным недостатком этих нагревателей.

При больших мощностях технологических установок горячего водо- и пароснабжения применяют электродные водогрейные и паровые котлы. Электродный нагреватель состоит из электродов, закрепленных на изолирующем основании и помещённых в бак с водой, которая нагревается за счёт прохождения через неё электрического тока (прямой нагрев) и служит рабочим сопротивлением водонагревателя. Мощность последнего зависит от размеров электродов и расстояния между ними, а также от концентрации растворённых в воде солей.

Промышленностью выпускаются водогрейные установки типов ЭПЗ, КЭВ и КЭВЗ, предназначенные для получения горячей воды, используемой для отопления и других технологических нужд, и электродные паровые котлы типов ЭКП, КЭП и КЭПР.

Электродные водогрейные котлы являются проточными нагревательными установками, которые, как правило, работают на замкнутые системы теплоснабжения, оборудованные теплоаккумулирующими ёмкостями. Поэтому в большинстве своём они не имеют тепловой изоляции. При циркуляции через котёл несменяющейся воды значительно уменьшается отложения накипи на электродах. Мощность котлов обычно регулируется путём изменения активной площади электродов при введении между ними диэлектрических пластин с помощью штурвала, установленного на верхней крышке котла, или электрода редуктором (при мощности более 100 кВт).

Электродные водонагреватели просты и надёжны, безопасны в пожарном отношении. Существенным недостатком их является непостоянство мощности в процессе нагрева воды, что снижает коэффициент использования установленной мощности источника электрической энергии. Это явление объясняется изменением удельного сопротивления воды при нагреве: оно уменьшается по мере увеличения её температуры вследствие увеличения подвижности ионов, являющихся носителями электрических зарядов. Ток и мощность водонагревателя поэтому возрастают.

К другим недостаткам электродного нагрева относится: повышенная электроопасность при аварийных и асимметричных режимах работы установки и питающей электросети; возможность выноса опасных потенциалов через подводящие и разводящие трубопроводы, что требует работы установки и замкнутой системе.

Для изготовления электродов используют железо (при получении горячей воды для технических целей), нержавеющую сталь или графит (при нагреве питьевой воды). Электроды могут иметь форму пластин, угольников, дуг, цилиндров (рис.8).

Техническая характеристика электрических водонагревателей и парообразователей сельскохозяйственного назначения приведена в рекомендованной литературе.

Для повышения безопасности обслуживания корпус электрического водонагревателя должен быть занулён (соединен проводником с заземленными нулевым проводом сети), а для предотвращения попадания потенциала на металлические части водопровода, доступные для животных (например автопоилки), нагреватели следует присоединять к трубам через изолирующие (резиновые или полиэтиленовые) трубчатые вставки длиной не менее 50 см.


Программа работы


1. Ознакомиться с устройством и принципом действия элементных и электродных водонагревателей, водогрейных и паровых котлов. Записать типы изученных устройств и дать им краткую характеристику (назначение, производительность, мощность, температура воды).

2. Исследовать зависимость мощности электродного водонагревателя, а также удельного сопротивления воды от её температуры. Построить графики