ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ

БД «Труды ученых СтГАУ»: Лысаков, А. А. Электротехнология. Курс лекций [электронный полный текст] : учеб. пособие для студентов вузов очной и заочной форм обучения. / А. А. Лысаков ; СтГАУ. - Ставрополь, с. БД «Труды ученых СтГАУ»: Электротехнологии и энергосбережение в сельском хозяйстве: [электронный полный текст] : методические указания для выполнения курсовой работы. / А. А. Лысаков ; СтГАУ. - Ставрополь, 2013.

Баранов, Л. А. Светотехника и электротехнология : учеб. пособие - М. : КолосС, с. Электротехнология / В.А. Карасенко, Е.М. Заяц, А.Н. Баран. – М.: Колос, 1992

- stgau.ru (стгау.рф)-Лысаков-файлы- Электротехнология (для заочников специальности «Агроинженерия») вопросы к экзамену, лекции, задания для контрольной работы. - stgau.ru (стгау.рф)-структура университета- библиотека-Труды ученых Ставропольского ГАУ

Электротехнология - область науки и техники, изучающая приемы, способы и средства выполнения производственных процессов, использующих электрическую энергию непосредственно или с предварительным преобразованием в тепловую, электромагнитную, кинетическую, механическую и другие виды энергии.

Действие электрического тока ТЕПЛОВОЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ

Способы электронагрева

Нагрев сопротивлением - электронагрев за счет электрического сопротивления электронагревателя или загрузки. а электроконтактный; б электродный; в косвенный (элементный); г нагрев в электролите ;

Количество теплоты, выделенное в нагреваемом материале или среде, определяется по закону Джоуля-Ленца Q = I 2 R t

Примеры установок электронагрева сопротивлением

Дуговой нагрев - электронагрев загрузки электрической дугой. Электродуговой косвенного нагрева Электродуговой прямого нагрева

Индукционный нагрев- электронагрев электропроводящей загрузки электромагнитной индукцией. Установка косвенного индукционного нагрева

Глубина проникновения тока в металл Δ - глубина проникновения, м; ρ - удельное электрическое сопротивление материала, Ом*м; f - частота питающего напряжения, Гц; μ - магнитная проницаемость материала.

Установка индукционного нагрева для плавления металлов в действии

Индукционный нагрев в быту

Диэлектрический нагрев - электронагрев неэлектропроводящей загрузки токами смещения при поляризации, а также проводников II рода, имеющих ионную проводимость.

Виды поляризации диэлектрика в электрическом поле а) поляризация атомов; б) ориентационная поляризация.

Мощность, выделяемая в единице объема диэлектрика и поглощаемая материалами, определяется выражением

V объем диэлектрика, м 3 Е напряженность электрического поля, В/м А - потери энергии, Дж; tg δ - тангенс угла поглощения; ε относительная диэлектрическая проницаемость материала; ε 0 электрическая постоянная вакуума (воздуха); t - время нагрева, ч.

Зависимость тангенса угла потерь tg δ и диэлектрической проницаемости ε от частоты электрического поля фактор потерь k=εε 0 tgδ

Диэлектрический нагрев

Электронно-лучевой нагрев - электронагрев загрузки сфокусированным электронным лучом в вакууме. Лазерный нагрев - электронагрев в результате последовательного преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения и затем в тепловую в облучаемой загрузке. Ионный нагрев - электронагрев потоком ионов, образованным электрическим разрядом в вакууме.

Инфракрасный нагрев - электронагрев инфракрасным излучением при условии, что излучательные спектральные характеристики излучателя соответствуют поглощательным характеристикам нагреваемой загрузки. Инфракрасные лучи - электромагнитные колебания, имеющие длину волны 0,78…420 мкм и частоту в диапазоне Гц.

ИК-диапазон делят на 3 части: - коротковолновой (0,76 - 2,5 мкм), - средневолновой (2, мкм), - длинноволновой ( мкм). Коротковолновые лучи проникают в глубину нагреваемого материала, вызывая нагрев изнутри.

Плазменный нагрев - электронагрев стабилизированным высокотемпературным ионизированным газом, образующим плазму. Различают плазменно-дуговой нагрев, при котором тела нагреваются факелом плазмы, образуемым при продувании газа через дуговой разряд, и плазменно-индукционный нагрев, когда для получения плазмы используют высокочастотное магнитное поле.

Схема устройства плазменной горелки 1 кварцевая трубка; 2 индуктор; 3 индукционный разряд; 4 зона перегрева кварцевой трубки; 5 струя термозащитного газа; 6 пламя горелки

Термоэлектрический нагрев - нагрев сред теплотой Пельтье, переносимый электрическим током термоэлектрической батареи от источника, имеющего температуру более низкую, чем температура потребителя.

Эффект Зеебека-термопара, эффект Пельтье-обратный термопаре

Формула для определения термоЭДС где е коэффициент Зеебека, мкВ/К; Т 2 и Т 1 - температуры горячего и холодного спаев, К.

Определение тепла Пельтье где К П коэффициент Пельтье, В/с; I сила тока в цепи термоэлемента, А; τ время протекания тока, с.

Между коэффициентами Пельтье и Зеебека существует зависимость где Т температура спая, К.

Каждый из способов электронагрева, может быть прямым и косвенным. При прямом электронагреве теплота выделяется в загрузке, включенной в электрическую цепь, при косвенном - теплота выделяется в электронагревателе и передается загрузке теплообменом.

Косвенное преобразование электрической энергии в тепловую

ПРЯМАЯ СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ 1 к Вт ч 3600 к Дж 1 к Вт ч>3600 к Дж

КОСВЕННАЯ СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ 1 к Вт ч

Для косвенного преобразования электрической энергии в тепловую применяются трансформаторы тепла и тепловые насосы. Тепловые насосы, так же как и холодильные машины, могут быть: компрессионными (механическими); абсорбционными (термохимическими); полупроводниковыми (термоэлектрическими).

Термоэлектрический тепловой насос

Принципиальная схема (а) и идеальный цикл (б) теплового насоса компрессионного типа

Коэффициент преобразования энергии

Из последней формулы следует, что с помощью тепловых насосов можно получить больше тепла, чем при прямом преобразовании электрической энергии в тепловую. В современных тепловых насосах коэффициент преобразования энергии находится в пределах 2,5-4,0; следовательно на единицу затраченной энергии можно получить 2,5-4,0 единицы тепла.

Наибольший экономический эффект тепловые насосы дают при комбинированном производстве тепла и холода (совмещенный цикл работы), когда тепловая энергия от материалов, которые необходимо охлаждать, переносится к средам, которые необходимо нагревать.

Тепловой насос

ТН с горизонтально расположенными коллекторами в грунте

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКАЯ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ И ЭЛЕКТРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ Обработка электрическим током; Электроимпульсная технология; Электронно-ионная технология; Применение ультразвуковых волн; Применение магнитных полей

Технологическое применение физико – химического действия тока проявляется в следующих процессах: электролизе, электрокоагуляции, электроосмосе, электродиализе.

Электролиз – это совокупность окислительно – восстановительных процессов, которые происходят на электродах, погруженных в электролит, при происхождении через него постоянного электрического тока. Основные области применения электролиза – получение различных веществ и нанесение покрытия.

Электрический ток в электролитах представляет собой направленное движение ионов в электрическом поле. В отличие от металлов и полупроводников прохождение электрического тока через электролит сопровождается переносом массы вещества.

где α электрохимический эквивалент, г/Кл; I ток, А; τ время прохождения тока, с. Количество вещества g, выделившееся на электроде при прохождении электрического тока через раствор электролита, определяется законом Фарадея:

Схема электролизной установки: 1 электролит; 2 электроды; 3 источник питания; 4 проводящие шины

Внесение микроэлементов в почву Приготовление дезинфицирующих растворов

Электрокоагуляция метод очистки водной системы от взвешенных мельчайших частиц примесей путем введения в нее коагулянтов (химических веществ, обеспечивающих перевод взвешенных частиц в осадок).

Электроосмос это движение жидкости через капилляр или пористую диафрагму при наложении внешнего электрического поля.

сопротивление плуга воздействие на растения забивание свай Осушение котлованов + положительные электроды; дырчатые трубы (иглофильтры) подключенные к отрицательному полюсу; стрелками показано движение воды.

Электродиализ перенос ионов под действием электрического поля через ионоселективные мембраны. Данные мембраны, изготовленные из специальных ионообменных материалов, содержат высокую концентрацию неподвижных (фиксированных) ионов, химически связанных с каркасом мембраны, и поэтому пропускают ионы только одного знака заряда.

Схема трехкамерного электродиализатора 1 анод; 2 катод; А анионитовая мембрана; К катионитовая мембрана.

При разделении анодного и катодного пространств изменяются химическая и биологическая активность растворов, их физические свойства, происходит активация водных растворов. При этом анолит -раствор, находящийся в прианодном пространстве, - имеет кислотный показатель, а католит - в прикатодном - щелочной. Анолит обладает бактерицидными свойствами, католит стимулирует процессы регенерации и развития клеток.

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ

Применение: Электрические изгороди. Электрический обмолот зерна. Предуборочная подготовка подсолнечника.

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ (ЭГЭ) Электрогидравлический эффект - преобразование электрической энергии в механическую при помощи высоковольтного разряда в жидкой среде. Электрогидравлический эффект это возникновение высокого давления в результате высоковольтного электрического разряда между погруженными в непроводящую жидкость электродами.

Принципиальная схема получения электрогидравлического эффекта: 1 и 2 электроды.

Зависимости тока, напряжения, мощности и сопротивления канала разряда от времени

Пластическая деформация материалов с помощью ЭГЭ Схема электроимпульсной штамповки: а в открытой камере; б в закрытой камере; в в трубчатой заготовке; 1 электроды; 2 разрядная среда (вода); 3 заготовка

ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Для обработки металлов с высокими механическими свойствами применяется метод размерной обработки при непосредственном использовании теплового эффекта электрической энергии электроэрозионная обработка.

Схема электроискровой обработки металлов: 1 электрод-инструмент; 2 жидкий диэлектрик; 3 электрод-заготовка.

ЭЛЕКТРОННО-ИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Электронно-ионная технология (ЭИТ) - это область электротехнологии, в которой используют взаимодействие сильных электрических полей с электрически заряженными или заряжаемыми в них частицами твердого или жидкого вещества, придают им упорядоченное и целенаправленное движение для выполнения определенных технологических процессов.(Проявление силового действия)

Зарядкой частиц называют сообщение им избыточного свободного электрического заряда.

Электрическая контактная зарядка частиц Электрическая зарядка частиц ионная в поле коронного разряда

Электрическая зарядка частиц комбинированная

Некоторые системы электродов для создания поля коронного разряда

ОЧИСТКА И СОРТИРОВАНИЕ ЗЕРНА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Устройства, предназначенные для разделения сыпучих смесей в электрических полях, называют электрическими сепараторами. Их классифицируют по виду электрического поля - электростатические, коронные, с переменным полем и комбинированные; по конструкции - камерные, барабанные, транспортерные, решетные. Совокупность свойств, по которым разделяют семена, называют признаком делимости.

Схемы некоторых электросепараторов: а коронный барабанный; б коронный транспортерный; в коронный камерный; г коронный типа горка; д, е диэлектрический барабанный; 1 приемный бункер; 2 щетка; 3 загрузочный бункер; 4 семя; 5 коронирующие электроды; 6 барабан; 7 лента транспортера; 8 заземленная металлическая плоскость (некоронирующий электрод); 9 бифилярная обмотка; ВН высокое напряжение.

АЭРОИОНИЗАЦИЯ ВОЗДУХА

Под действием различных физических факторов (радиоактивного излучения, космических лучей, грозовых разрядов и др.) непрерывно происходит ионизация воздуха. В зависимости от подвижности и размера ионы делят на: - легкие ( k > 0,1...0,5 см 2 /(В·с), - средние, - тяжелые (k < 0,1...0,5 см 2 /(В·с), - ионы Ланжевена, - ультратяжелые

При длительном пребывании животных и птицы в воздухе с искаженным ионным составом снижается их сопротивляемость к заболеваниям и уменьшается продуктивность.

Санитарные нормы на содержание отрицательных аэроионов в воздухе производственных и общественных помещений: Необходимый минимум ионов/куб.см. Оптимальный уровень ионов/куб.см. Воздух городских квартир ионов/куб. см. Воздух городских улиц ионов/куб. см. Лесной и морской воздух ионов/куб. см.

Воздух горных курортов ионов/куб. см. Воздух водопада ионов/куб. см. Воздух после грозы ионов/куб. см. Ионизатор "Анион" (Анион-40Т) ионов/куб. см. Ионизатор "Мальм-Аэрон" ионов/куб. см. Ионизатор "ИОН-1" - не менее ед.зар./кв. см. Воздухоочиститель-ионизатор "Супер+Турбо" - до ионов/куб. см. Воздухоочиститель-ионизатор "Овион-С" - не менее 500 млн. ед.зар./кв.см

Озонирование, ионизация

Для очистки воздуха применяются фильтры. По сравнению с другими фильтрами электрические дают более высокую степень очистки (до 99 %) больших объемов газа, улавливают частицы в широком диапазоне (от сотен до долей микрона), имеют низкое аэродинамическое сопротивление, с их помощью возможна комплексная обработка воздуха (очистка, ионизация и создание регулируемых концентраций озона).

Электрические фильтры очистки воздуха

Основной характеристикой эффективности является степень очистки газов (КПД фильтра) где z 1 и z 2 содержание пыли в газе до и после поступления в электрофильтр, мг/м 3.

Степень очистки связана с конструктивными параметрами электрофильтра: где v скорость движения частиц к осадительному электроду, м/с; S его площадь, м ; w подача газа, м/с.

АЭРОЗОЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Аэрозольные системы состоят из твердых или жидких частиц размером примерно от 1 нм до долей миллиметра, взвешенных в газообразной среде. При переводе веществ и материалов в аэрозольное состояние площадь их поверхности в расчете на единицу массы значительно увеличивается. Поэтому аэрозоли обладают высокой физико- химической активностью.

Применение аэрозольной технологии Электроокраска Внесение химикатов и удобрений Распыление лекарственных препаратов в животноводческих и птицеводческих помещениях.

Электрическая зарядка аэрозолей: а контактная; б электростатической индукцией; 1 источник постоянного напряжения; 2 головка распылителя; 3 распылитель; 4 индуктирующий электрод

1 окрашиваемые детали; 2 распылитель; 3 коронирующие электроды (проволока); К краска; В сжатый воздух. Принципиальная схема установки для окрашивания изделий в электрическом поле

Расход краски на окрашивание деталей (кг/мин) где S площадь окрашиваемой поверхности одной детали, м 2 ; b количество краски, необходимое для окрашивания одного квадратного метра поверхности деталей, г/м 2 ; М коэффициент осаждения краски (можно принимать М = 0,85-0,95).

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ДИАПАЗОНЫ ЧАСТОТ УЛЬТРАЗВУКА 15…20 к Гц – нижний предел к Гц – верхний предел

ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ УЛЬТРАЗВУКА Первичные (переменное звуковое давление, постоянный поток, кавитацию, поверхностное трение) Вторичные (механические, тепловые, химические, акустические, биологические)

БЛОК-СХЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА 1 – генератор ультразвуковой частоты; 2 – электроакустический преобразователь; 3 – акустический трансформатор.

Генераторы ультразвуковой частоты (ультразвуковые генераторы) – это устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии переменного тока промышленной частоты в электрическую энергию переменного тока высокой частоты, равной частоте ультразвука Генераторы ультразвуковой частоты бывают машинные, ламповые, полупроводниковые (транзисторные, тиристорные)

Электроакустические преобразователи – это устройства, преобразующие электрическую энергию переменного тока в энергию колебаний твердого тела (стержня, пластинки и т.п.). Из электроакустических преобразователей наиболее распространены магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Схема двухстержневого магнитострикционного преобразователя: 1 – сердечник (пакет из пластин магнитострикционного материала); 2 – обмотка; (стрелка показывает направление деформации сердечника)

Пакетный пьезокерамический преобразователь : 1 пьезокерамические пластины; 2 и 4 отражающая и излучающая накладки; 3 токоподвод; 5 стягивающий болт; 6 волновод-инструмент

АКУСТИЧЕСКИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ Акустические трансформаторы применяют для усиления колебаний магнитострикционного преобразователя (трансформаторы скорости) и для согласования механического сопротивления технологической нагрузки с сопротивлением пакета преобразователя (трансформаторы сопротивления). Трансформаторы скорости называют концентраторами.

Основные формы концентраторов (акустических трансформаторов скорости)

МАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

Магнитное поле (МП) - одна из компонент электромагнитного, оказывающая определенные физико- химическое и биологическое воздействия на объекты. Широко применяют физико-химическое воздействие магнитного поля на объекты для очистки семян и кормов, магнитной обработки воды и магнитоимпульсной обработки металлов.

Шкивной (a) и барабанный (б) электромагнитные сепараторы: I, II, III фракции; 1 транспортерная лента; 2 разделяемый материал; 3 система электромагнитов; 4 ведущий шкив; 5 вращающийся барабан

Установка магнитной очистки семян: 1, 2 и 3 бункера для зерновой смеси, воды (или масла) и магнитного порошка; 4 подающий транспортер; 5 - барабан; 6 - магнитный сектор; 7 - кассета для избыточной воды и крупных предметов; 8 кассета для очищенных семян; 9 кассета для семян сорных растений и магнитного порошка; 10 - чистик; 11 - транспортер-смеситель

УСТАНОВКИ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ При работе водогрейных и паровых котлов, кормозапарников, электрокотельных и других электрических установок на поверхности нагрева образуется накипь. При ее толщине 1,5 мм расход топлива увеличивается на %, мощность двигателей внутреннего сгорания снижается на 6 %, расход смазочных материалов возрастает на 30 %.

Кристаллы соли в воде до обработки в магнитном поле (слева) и после обработки в магнитном поле (справа)

Магнитная обработка воды