Расход электроэнергии на цели освещения может быть заметно снижен достижением оптимальной работы осветительной установки в каждый момент времени.
Добиться наиболее полного и точного учета наличия дневного света, равно как и учета присутствия людей в помещении, можно, применяя средства автоматического управления освещением (СУО). Управление осветительной нагрузкой осуществляется при этом двумя основными способами: отключением всех или части светильников (дискретное управление) и плавным изменением мощности светильников (одинаковым для всех или индивидуальным).
К системам дискретного управления освещением в первую очередь относятся различные фотореле (фотоавтоматы) и таймеры. Принцип действия первых основан на включении и отключении нагрузки по сигналам датчика наружной естественной освещенности.
Вторые осуществляют коммутацию осветительной нагрузки в зависимости от времени суток по предварительно заложенной программе.
К системам дискретного управления освещением относятся также автоматы, оснащенные датчиками присутствия. Они отключают светильники в помещении спустя заданный промежуток времени после того, как из него удаляется последний человек. Это наиболее экономичный вид систем дискретного управления, однако к побочным эффектам их использования относится возможное сокращение срока службы ламп за счет частых включений и выключений.
Системы плавного регулирования мощности освещения по своему устройству несколько сложнее. Принцип их действия поясняет рисунок.
Принцип действия системы плавного регулирования освещения
В последнее время многими зарубежными фирмами освоено производство оборудования для автоматизации управления внутренним освещением. Современные системы управления освещением сочетают в себе значительные возможности экономии электроэнергии с максимальным удобством для пользователей.
Основные функции автоматизированных систем управления освещением
Автоматизированные системы управления освещением, предназначенные для использования в общественных зданиях, выполняют следующие типичные для этого вида изделий функции:
Точное поддержание искусственной освещенности в помещении на заданном уровне. Достигается это введением в систему управления освещением фотоэлемента, находящегося внутри помещения и контролирующего создаваемую осветительной установкой освещенность. Уже только одна эта функция позволяет экономить энергию за счет отсечки так называемого "излишка освещенности".
Учет естественной освещенности в помещениии. Несмотря на наличие в в подавляющем большинстве помещений естественного освещения в светлое время суток, мощность осветительной установки рассчитывается без его учета.
Если поддерживать освещенность, создаваемую совместно осветительной установкой и естественным освещением, на заданном уровне, то можно еще сильнее снизить мощность осветительной установки в каждый момент времени.
В определенное время года и часы суток возможно даже использование одного естественного освещения. Эта функция может осуществляться тем же фотоэлементом, что и в предыдущем случае, при условии, что он отслеживает полную (естественную + искусственную) освещенность. При этом экономия энергии может составлять 20 - 40%.
Учет времени суток и дня недели. Дополнительная экономия энергии в освещении может быть достигнута отключением осветительной установки в определенные часы суток, а также в выходные и праздничные дни. Эта мера позволяет эффективно бороться с забывчивостью людей, не отключающих освещение на рабочих местах перед своим уходом. Для ее реализации автоматизированная система управления освещением должна быть оборудована собственными часами реального времени.
Учет присутствия людей в помещении. При оборудовании системы управления освещением датчиком присутствия можно включать и отключать светильники в зависимости от того, есть ли люди в данном помещении. Эта функция позволяет расходовать энергию наиболее оптимально, однако ее применение оправдано далеко не во всех помещениях. В отдельных случаях она может даже сокращать срок службы осветительного оборудования и производить неприятное впечатление при работе.
Получаемая за счет отключения светильников по сигналам таймера и датчиков присутствия экономия электроэнергии составляет 10 - 25 %.
Дистанционное беспроводное управление осветительной установкой. Хотя такая функция не является автоматизированной, она часто присутствует в автоматизированных системах управления освещением благодаря тому, что ее реализация на базе электроники системы управления освещением очень проста, а сама функция добавляет значительное удобство в управлении осветительной установкой.
Методами непосредственного управления осветительной установкой является дискретное включение/отключение всех или части светильников по командам управляющих сигналов, а также ступенчатое или плавное снижение мощности освещения в зависимости от этих же сигналов.
Ввиду того, что современные регулируемые электронные ПРА имеют ненулевой нижний порог регулирования, в современных автоматизированных системах управления освещением применяется комбинация плавного регулирования вплоть до нижнего порога с полным отключением ламп в светильниках при его достижении. Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16%, у лучших образцов до 25%. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43,5 %.
Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур).
4 Устройство и принцип действия люминесцентной лампы. Стартерная схема включения люминесцентных ламп.
Люминесце́нтная ла́мпа — газоразрядный источник света, в котором электрический разряд в парах ртути создаётультрафиолетовое излучение, которое преобразуется в видимый свет с помощью люминофора — например, смеси галофосфата кальция с другими элементами.
Световая отдача люминесцентной лампы в несколько раз больше, чем у ламп накаливания аналогичной мощности. Срок службы люминесцентных ламп около 5 лет при условии ограничения числа включений до 2000, то есть не больше 5 включений в день в течение гарантийного срока 2 года.
При работе люминесцентной лампы между двумя электродами, находящимися в противоположных концах лампы, горит дуговой разряд[3][4]. Лампа заполнена инертным газом и парами ртути, проходящий электрический ток приводит к появлению УФ излучения. Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом — люминофором, которое поглощает УФ излучение и излучает видимый свет. Изменяя состав люминофора, можно менять оттенок свечения лампы. В качестве люминофора используют в основном галофосфаты кальция и ортофосфаты кальция-цинка.
Дуговой разряд поддерживается за счёт термоэлектронной эмиссии заряженных частиц (электронов) с поверхности катода. Для запуска лампы катоды разогреваются либо пропусканием через них тока (лампы типа ДРЛ, ЛД), либо ионной бомбардировкой в тлеющем разряде высокого напряжения («лампы с холодным катодом»). Ток разряда ограничивается балластом. 
С - конденсатор LL – дроссель EL - лампа люминесцентная SF - стартер
5 Устройство и принцип действия дуговой лампы. Схемы включения 4-х электродной ламп. Дуговая
Лампа ДРЛ (Дуговая Ртутная Лампа) — дуговая ртутная люминофорная лампа высокого давления. Это одна из разновидностей электрических ламп, что широко используется для общего освещения объёмных территорий таких как заводские цеха, улицы, площадки и т.д. (где не предъявляется особые требования к цветопередаче ламп, но требуется от них высокой светоотдачи). Лампы ДРЛ имеют мощность 50 - 2000 Вт и изначально рассчитаны на работу в электрических сетях переменного тока с напряжением питания 220 В. (частота 50 Гц.). Для работы лампы необходимо пуско-регулирующее устройство в виде индуктивного дросселя.
Теперь, что касается устройства лампы ДРЛ. Дуговая ртутная лампа (ДРЛ) состоит из трёх основных функциональных частей: цоколь, кварцевая горелка и стеклянная колба.
» Цоколь предназначен для приема электроэнергии из сети, по средствам соединения контактов лампы (один из которых резьбовой, а второй — точечный) с контактами патрона, после чего происходит передача переменного электричества непосредственно на электроды самой горелки ДРЛ лампы.
» Кварцевая горелка является основной функциональной частью лампы ДРЛ. Она представляет собой кварцевую колбу, у которой по бокам располагаются по 2 электрода. Два из них основных и два - дополнительные. Пространство горелки заполнено инертным газом «аргона» (для изоляции теплообмена между горелкой и средой) и капелькой ртути.
» Стеклянная колба — это внешнюю часть лампы. Внутри неё помещена кварцевая горелка, к которой от контактного цоколя подходят проводники. Из колбы выкачивают воздух и закачивают в ней азот. И ещё один немаловажный элемент, что находится в стеклянной колбе, это 2 ограничивающих сопротивления (подсоединенные к дополнительным электродам). Внешняя стеклянная колба с внутренней стороны покрыта люминофором.Подключение к электросети четырех электродной лампы осуществляется через дроссель. Дроссель подбирается в соответствии с мощностью ДРЛ лампы. Роль дросселя — ограничивать ток, питающий лампу. Если включить лампу без дросселя, то она моментально сгорит, поскольку через неё пройдёт слишком большой электроток. В схему подключения желательно добавить конденсатор (не электролитический). Он будет влиять на реактивную мощность, а это сэкономит электроэнергию в два раза.
Дроссель ДРЛ-125 (1.15А) = конденсатор 12 мкф. (не меньше 250 В.)
Дроссель ДРЛ-250 (2.13А) = конденсатор 25 мкф. (не меньше 250 В.)
Дроссель ДРЛ-400 (3.25А) = конденсатор 32 мкф. (не меньше 250 В.)
6 Групповые сети. Расчет осветительной электросети.
Групповая сеть сеть от щитков до светильников, штепсельных розеток и другихэлектроприемников..." К осветительным электросетям предъявляются следующие требования: надежность(бесперебойность снабжения потребителей); обеспечение высокого качества электроэнергии (минимальные отклонения подводимых к потребителям напряжений от номинальных значений).
Для выполнения этих требований необходимо обеспечить достаточную механическую прочность проводов, правильно выбрать плавкие вставки и определить сечения проводов по условию допустимой потери напряжения, а также применять провода с изоляцией, соответствующей условиям окружающей среды.
Выбор проводов производится путем расчета их по току нагрузки и потере напряжения. Механическая прочность проводов, которая определяется материалом и сечением токопроводящих жил, должна соответствовать их назначению и принятому способу прокладки.
Например, провода для зарядки светильников внутри и вне зданий должны иметь медные жилы с сечениями 0,5... 1 мм2; голые провода в зданиях — медные жилы с сечением 2,5 мм2; а изолированные провода в трубах — алюминиевые жилы с сечениями 4 и 2,5 мм2 и медные с сечением 1 мм2.
Расчет осветительной сети по току нагрузки. Определив токовую нагрузку в сети, по таблицам длительно допустимых токовых нагрузок подбирают необходимое минимальное сечение проводника, для которого расчетный ток меньше длительно допустимого.
Нагрузка на провода должна рассчитываться достаточно точно, так как ее завышение приведет к выбору провода большего сечения, а занижение — меньшего, что также экономически не выгодно, так как вызывает лишние потери электроэнергии и напряжения в проводах. При определении сечения проводов используются следующие величины:
номинальная мощность Рн — мощность, указанная в паспорте токоприемника, Вт;
установленная мощность Ру — сумма номинальных мощностей всех установленных токоприемников, Вт;
потребляемая мощность Рп - фактическая мощность, расходуемая токоприемниками, Вт;
расчетная мощность Рр, по которой производится расчет, т. е. мощность одного или группы одновременно работающих токоприемников, Вт;
соответствующие указанным мощностям токи Iн, Iу, Iп, Iр, А.
Суммируя номинальные мощности подключенных токоприемников, определяют установленную мощность Ру. Она всегда больше расчетной мощности Рр, потому что все токоприемники электроустановки почти никогда не работают одновременно. Поэтому при расчете используют не установленную мощность, а ту ее часть, которая может одновременно использоваться токоприемниками, т.е. Рр. Для получения расчетной мощности вводится коэффициент спроса, который показывает, какая часть установленной мощности фактически расходуется: Кс = Рр/ Ру или Кс = Iр/ Iу, откуда Iр = КсТу.
Коэффициенты спроса для некоторых электроустановок приведен в приложении.
Для расчета сечения провода по допустимой длительной токовой нагрузке необходимо знать номинальный ток Iн. Если номинальный ток не известен, то его определяют по формуле, которая справедлива для цепей постоянного и однофазного переменного токов с осветительными и нагревательными приборами: Iн = Рр/ 1/н.
При расчете питающих сетей наружного и аварийного освещения, а также групповых сетей всех видов освещения коэффициент спроса принимается равным единице (К^. = 1).
При определении расчетных нагрузок осветительных установок необходимо учитывать потери мощности в пускорегулирующих аппаратах, составляющие около 20% для люминесцентных ламп и 10% для ДРЛ.
Расчетную мощность определяют по формуле Рр = Кс Ру.
В трехфазной цепи переменного тока расчетный ток для трехпроводной линии
7 Способы электронагрева и классификация электронагревательных установок.
Способы электронагрева и классификация электронагревательных установок. По способу превращения электроэнергии в тепловую: 1. Резистивный электронагрев (нагрев сопротивлением). Электрическая энергия превращается в тепловую в проводниках в результате взаимодействия электронов с кристаллической решёткой. 2. Электродуговой нагрев. Преобразование в дуге, горящей в газовой среде. 3. Индукционный и диэлектрический. Преобразование в телах, помещённых в переменное электромагнитное поле. 4. Электронный нагрев. Нагрев тел потоком электронов, ускоренных в электрическом поле в вакууме. 5. Лазерный (световой) электронагрев. Нагрев тел под действием пучка когерентных лучей оптического диапазона, индуцированного в оптическом квантовом генераторе. 6. Электронагревательной установкой (ЭНУ). Оборудование, включающее электронагреватель и конструктивные элементы. По температуре нагреваемой среды: 1. Низкотемпературные – до 150 градусов 2. Среднетемпературные – до 500 градусов 3. Высокотемпературные – более 500 градусов По принципу нагрева 1. Прямой электронагрев. Преобразование происходит в нагреваемой среде. 2. Косвенный нагрев (поверхностный). Тепло передаётся контактным, косвенным или лучистым теплом. По принципу работы: 1. Периодического действия. 2. Непрерывного действия (поточные установки). По частоте тока: 1. Постоянного тока 2. Промышленной частоты (50 Гц) 3. Средней частоты (до 10 кГц) 4. Сверхвысокой частоты (свыше 100 МГц) По напряжению питания: 1. Низкого напряжения (до 0,4 кВ) 2. Высокого напряжения (от 0,4 кВ до 10 кВ)
8 Сварочные трансформаторы. Классификация и принцип действия.
Сварочный трансформатор содержит силовой трансформатор и устройство регулирования сварочного тока.
В сварочных трансформаторах в связи с необходимостью большого сдвига фаз напряжения и тока для обеспечения устойчивого зажигания дуги переменного тока при смене полярности требуется обеспечить увеличенное индуктивное сопротивление вторичной цепи.
С ростом индуктивного сопротивления растет и наклон внешней статической характеристики источника питания сварочной дуги на ее рабочем участке, что обеспечивает получение падающих характеристик в соответствии с требованиями общей устойчивости системы «источник питания – дуга».
В конструкциях сварочных трансформаторов первой половины 20-го века применялись трансформаторы с нормальным рассеянием магнитного поля в сочетании с отдельным или совмещенным дросселем. Регулирование тока производилось изменением воздушного зазора в магнитопроводе дросселя.
В современных сварочных трансформаторах, которые выпускаются с 60-х годов 20-го века эти требования обеспечиваются за счет увеличения рассеяния магнитного поля.
Трансформатор как объект электротехники имеет эквивалентную схему, содержащую активное и индуктивное сопротивление.
Для сварочных трансформаторов, работающих в режиме нагрузки, потребляемая мощность на порядок больше, чем потери холостого хода, поэтому при работе под нагрузкой эту схему можно не учитывать.
Рис. 1. Классификация сварочных трансформаторов
Для типичной схемы трансформатора основные потери магнитного поля на пути от первичной к вторичной обмотке происходят между стержнями магнитопровода.
Управление рассеянием магнитного поля производится изменением геометрии воздушного промежутка между первичной и вторичной обмотками (подвижные обмотки, подвижный шунт), согласованным изменением числа витков первичной и вторичной обмоток, изменением магнитной проницаемости между стержнями магнитопровода (подмагничиваемый шунт).
При рассмотрении упрощенной схемы трансформатора с разнесенными обмотками можно получить зависимость индукционного сопротивления от основных параметров трансформатора
Rm - cопротивление на пути магнитного потока рассеяния, ε - относительное перемещение обмоток, W- число витков обмоток.
Тогда ток во вторичной цепи:
Диапазон плавного регулирования у современных сварочныхтрансформаторов: 1:3; 1:4.
У многих сварочных трансформаторов есть ступенчатое регулирование - переключение и первичной и вторичной обмотки на параллельное или последовательное включение.
I = K/W2
У современных сварочных трансформаторов для снижения веса и стоимости на ступени больших токов сделано понижение напряжения холостого хода.
Сварчоные трансформаторы с подвижными обмотками
Рис. 2. Устройство сварочного трансформатора с подвижными обмотками: при полностью сдвинутых обмотках сварочный ток максимальный, при раздвинутых - минимальный.
Такая схема используется и в сварочных выпрямителях регулируемых трансформаторов.
Рис. 3. Конструкция трансформатора с подвижными обмотками: 1 - ходовой винт, 2 - магнитопровод, 3 - ходовая гайка, 4,5 - вторичная и первичная обмотки, 6 - рукоятка.
Сварочные трансформаторы с подвижным шунтом
Рис. 4. Устройство сварочного трансформатора с подвижным шунтом
Регулирование потока рассеяния магнитного поля в данном случае происходит за счет изменения длины и сечения элементов магнитного пути между стержнями магнитопровода. Т.к. магнитная проницаемость железа на два порядка больше, чем проницаемость воздуха, при движении магнитного шунта меняется магнитное сопротивление потока рассеяния, проходящего по воздуху. При полностью введенном шунте волна потока рассеяния и индуктивное сопротивление определяется воздушными зазорами между магнитопроводом и шунтом.
В настоящее время сварочные трансформаторы по такой схеме выпускаются для промышленных и бытовых целей, и такая схема используется в сварочных выпрямителях регулируемых трансформаторов.
Сварочный трансформатор ТДМ500-С
Сварочные трансформаторы с секционированными обмотками
Это монтажные и бытовые трансформаторы производства 60, 70, 80 годов.
Имеется несколько ступеней регулирования числа витков первичной и вторичной обмотки.
Сварочные трансформаторы с неподвижным подмагничиваемым шунтом
Рис. 4. Устройство сварочного трансформатора с неподвижным магнитным шунтом
Для управления используется падающий участок, т.е. работа сердечника шунта в режиме насыщения. Т.к. проходящий через шунт магнитный поток переменный, рабочая точка выбирается так, чтобы не выходить за пределы падающей ветки магнитной проницаемости.
С увеличением насыщения магнитопровода падает магнитная проницаемость шунта, соответственно увеличивается поток рассеяния, индуктивное сопротивление трансформатора и вследствие этого уменьшается сварочный ток.
Поскольку регулирование электрическое, то возможно дистанционное управление источником питания. Другим преимуществом схемы является отсутствие подвижных частей, т.к. управление электромагнитное, это позволяет упростить и облегчить конструкцию мощных трансформаторов. Электромагнитные усилия пропорциональны квадрату тока, поэтому на большом токе проблема с удержанием подвижных частей. Трансформаторы такого типа выпускались в 70-х и 80-х годах 20-го века.
Тиристорные сварочные трансформаторы
Рис. 5. Устройство тиристорного сварочного трансформатора
Принцип регулирования напряжения и тока тиристорами основан на фазовом сдвиге открытия тиристора в полупериод прямой для него полярности. При этом меняется среднее значение выпрямленного напряжения и, соответственно, тока за полупериод.
Для обеспечения регулирования однофазной сети нужны двавстречно включенных тиристора, причем регулирование должно быть симметричным. Тиристорные трансформаторы имеют жесткую внешнюю статическую характеристику, регулирование которой производится по напряжению на выходе с помощью тиристоров.
Тиристоры удобны для регулирования напряжения и тока в цепях переменного напряжения, поскольку закрытие происходит автоматически при смене полярности.
В цепях постоянного тока для закрывания тиристоров обычно используют резонансные схемы с индуктивностью, что сложно и дорого, и ограничивает возможности регулирования.
В схемах тиристорных трансформаторов тиристоры устанавливаются в цепи первичной обмотки по 2-м причинам:
1. Поскольку вторичные токи сварочных источников питания намного больше, чем максимальный ток тиристоров (до 800 А).
2. Более высокий КПД, поскольку потери на падение напряжения на открытых вентилях в первичной цепи относительно рабочего напряжения меньше в несколько раз.
Кроме того, индуктивность трансформатора в данном случае обеспечивает большее сглаживание выпрямленного тока, чем случай установки тиристоров во вторичной цепи.
Все современные трансформаторы для сварки выполняются с алюминиевыми обмотками. Для надежности на концах приварены холодной сваркой медные накладки.
Рис. 6. Блок-схема тиристорного трансформатора: Т - понижающий трехфазный трансформатор, КВ - коммутирующие вентили (тиристоры), БФУ - блок фазового управления, БЗ- блок задания.
Рис. 7. Диаграмма напряжений: φ- угол (фаза) включения тиристоров.
С 80-х годов основная доля сварочных трансформаторов выполняется на холоднокатаном трансформаторном железе. Это дает в 1,5 раза большую индукцию и меньше вес магнитопровода.
9 Индукционные нагревателя. Устройство и принцип действия
Индукционный нагрев (нагрев переменным магнитным полем) на сегодняшний является оптимальной технологией для нагрева металлов. Использование в производственном процессе технологии индукционного нагрева считается одним из самых эффективных способов экономии затрат времени и электроэнергии.
Установка индукционного нагрева осуществляетнагрев изделий за счёт возбуждения электрических токов высокой частоты с помощью переменного электромагнитного поля. Мощность, выделяющаяся в проводнике при индукционном нагреве (индукционная пайка, ТВЧ закалка, ТВЧ нагрев), зависит от физических свойств проводника (магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротивление), частоты, напряженности электрического тока и габаритов нагреваемых деталей.Источником электромагнитного поля является индуктор. Индуктор питается от силового блока преобразователя (СБП).В состав СБП входят:- транзисторный преобразователь частоты, выполненный на IGBT-модулях производства Германии с микропроцессорной системой управления и дисплеем отображения информации;- трансформаторный блок с резонансными конденсаторами (ТБ).
Принцип действия «ВИН» - это электромагнитное устройство для нагрева теплообменного устройства виде трубы. Конструктивно нагреватель состоит из магнитопровода, первичных катушек и теплообменного устройства в виде цилиндрической трубы. Параметры катушки, сердечника и теплообменного устройства рассчитаны таким образом, что обеспечивают работу аппарата в длительном режиме без перегрева. Срок службы нагревателя определяется сроком службы изоляции обмоточного провода катушки и качеством сварных швов теплообменного устройства.
Эффект прост: вокруг любой катушки, по которой протекает переменный ток, образуется переменное магнитное поле. Если в это поле поместить электропроводящий материал, то в нем возникают индукционные токи (токи Фуко), которые разогревают этот материал. Во-вторых, если материал ферромагнитный, то его постоянное перемагничивание приводит так же к существенному нагреву. Конструктивные размеры, форма индуктора и труб подобраны таким образом, что энергия, выделяемая в трубах вокруг индуктора за счет образовавшихся вихревых токов и энергия от перемагничивания этих труб приблизительно равны. Это делает импеданс индуктора котла практически активным, повышая косинус фи.
10 Расчет мощности электрических водонагревателей. Для того, чтобы обеспечить квартиру или частный дом стабильным горячим водоснабжением, многие принимают решение купить водонагреватель. По виду используемого энергоресурса все водонагреватели делятся на газовые и электрические, а по принципу работы — на накопительные и проточные. Накопительные водонагреватели экономичнее, однако те, кто не хочет ждать, пока вода нагреется до нужной температуры, обычно устанавливают проточные.Наиболее важным параметром при выборе является мощность проточного водонагревателя. Как у электрического, так и у газового водонагревателя она измеряется в кВт, однако при одинаковых значениях мощности производительность газовой и электрической колонок может заметно отличаться. Изучая характеристики, нужно обращать внимание на полезную, а не потребляемую мощность. Расчет мощности электрического проточного водонагревателя можно произвести по следующей формуле: W = Vx4,2x(t2-t1), где W — мощность, V — объем воды, проходящей через водонагреватель за единицу времени (измеряется в литрах в секунду), 4,2 — удельная теплоемкость воды, t2 — температура воды на выходе, t1 — температура воды на входе (в °С). Таким образом, при пропускной способности проточного электрического водонагревателя 12 л\мин для нагрева воды с +10 °С до +40 °С необходимая мощность составит 0,2 л\сек х 4,2 х 30 = 25, 2 кВт. Как видно из вышеприведенной формулы, эффективность проточного водонагревателя сильно зависит от температуры водопроводной воды на входе: чем больше дельта (разница) температур, тем выше должна быть мощность, чтобы получить на выходе комфортную температуру воды. Поэтому для того, чтобы правильно выбрать проточный водонагреватель, нужно учитывать особенности холодного водоснабжения в доме или квартире. В городском водопроводе температура холодной воды летом может достигать +15 °С, и с ее подогревом справится даже не слишком мощный водонагреватель (например, безнапорный, 3,5 кВт, который можно использовать в качестве душа). А вот для частных домов, куда вода поступает из скважины (со средней температурой +5 — +7 °С в течение всего года), подходят только проточные водонагреватели большой мощности (12 — 36 кВт и выше), предназначенные для подключения к трехфазной электропроводке, которая в большинстве квартир (за исключением новостроек и негазифицированных домов, оборудованных электрическими плитами) отсутствует.
11 Методика расчета тепличных облучательных установок с точечными источниками излучения.
Энергетические характеристики ламп, используемых для выращивания растений, являются основой для выбора излучателей, обеспечивающих минимальный расход электроэнергии, удовлетворяющий нормальному росту растений.
К энергетическим характеристикам относятся: световой поток Фv, фитопоток Фф и поток фотоактивной радиации (ФАР) Фс, а также соответствующие им энергетические отдачи - светоотдача Вv=Фv/Р, фитоотдача Вф=Фф/Р и отдача ФАР = Фф/Р, где Р - мощность лампы, Вт.
Для анализа эффективности и систематизации растениеводческих ламп специалистам необходимы данные о характеристиках излучения высокоинтенсивных люминесцентных ламп низкого давления (ЛЛ), металлогалогенных (МГЛ) и натриевых ламп высокого давления (ДНаТ), широко внедряемых в настоящее время в теплицах и в многоярусных стеллажных установках ускоренного выращивания растений. Обычно для сравнения и анализа растениеводческих ламп спектральные характеристики представляют в виде зависимости КПД лампы от длины волны λ - отношения спектральной плотности потока излучения S(λ) в спектральном диапазоне Δλ =290-1400 нм к потребляемой лампой электрической мощности Рл. С целью упрощения сравнительной оценки эффективности различных источников ОИ предлагалось в основу анализа относительного спектрального распределения положить модель, в которой любое излучение со сплошным или линейчатым спектром ограничивается областью ФАР и представляется сложным, состоящим из трех квазимонохроматических излучений по числу спектральных участков ФАР, в которых они сосредоточены, а относительное спектральное распределение излучения оценивается сочетанием усредненных относительных энергий излучения S отнi в тех же участках ФАР (в процентах от общего излучения), например, 30%-50%-20%, то есть для Δλ 1 =380 - 500 нм S отн1 =30%; для Δλ 2=500 - 600 нм S отн2=50%; для Δλ 3=600 - 700 нм S отн3=20%. Оценка спектральных характеристик источников ОИ на основе процентного распределения в спектральных участках ФАР используется за рубежом, а в нашей стране до настоящего времени она не получила распространение. Условное рекомендуемое представление усредненной спектральной плотности оптического излучения различных высокоинтенсивных ламп, используемых в теплицах, приведено на рисунке 7.4. Новым является применение корреляции между фотометрическими, энергетическими и фотосинтезными величинами при известных спектральных характеристиках источников ОИ и расчет лучистого Ф е и фотосинтезного Ф ф потоков по формулам:
 (7.4)
 (7.5)
где 0,95 - коэффициент, численно равный фотосинтетической эффективности излучения с λ =680 нм; 683 - световая эффективность излучения, лм/Вт.
Результаты экспериментальных исследований и расчета энергетических η е и фотосинтезных η ф КПД основных разноспектральных источников ОИ, используемых для облучения растений в защищенном грунте, приведены в таблице 7.1. Полученные значения зависят от допущений, принятых в предлагаемом методе: спектральный состав излучения ограничивается условной областью ФАР и не меняется в течение продолжительности горения; относительное спектральное распределение энергии излучения ламп разной мощности, но имеющих одинаковые излучающие добавки, представляется равными процентными соотношениями по участкам ФАР; фотометрическая система величин аддитивна. Тем не менее, вносимая за счет допущений погрешность составляет не более 20%, то есть лежит в пределах ошибки измерений разноспектральных фотометрических величин люксметром типа Ю-116 с поправочными множителями.
12 Устройство и принцип действия лампы накаливания и галогенной лампы накаливания. Преимущества. Лампа накаливания — осветительный прибор, искусственный источник света. Свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё тока. Изобретена в 1872 А. Н. Лодыгиным, усовершенствована Т. А. Эдисоном в 1879.
Лампы накаливания остаются сегодня широко распространенным источником света, который используется как в быту, так и в общественных и промышленных зданиях и сооружениях. Типичная бытовая лампа накаливания (общего назначения) состоит из следующих частей:
 нити накала в виде спирали из вольфрамовой проволочки;
стеклянного баллона (который откачивается и заполняется инертным газом);
цоколя, который является объединяющей и силовой деталью лампы и имеет контакты для подключения нити накала к электропитанию.
Температура нити накала достигает 2600 -3000 К. Средний срок службы большинства бытовых ламп при номинальном напряжении составляет 750-1000 ч.
Галогенные лампы накаливания
Галогенные лампы накаливания по структуре и принципу действия сравнимы с лампами накаливания. Но они содержат в газе-наполнителе незначительные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их соединения. С помощью этих добавок возможно в определенном температурном интервале практически полностью устранить потемнение колбы (вызванное испарением атомов вольфрама) и обусловленное этим уменьшение светового потока. Поэтому размер колбы в галогенных лампах накаливания может быть сильно уменьшен, вследствие чего с одной стороны можно повысить давление в газе-наполнителе, и с другой стороны становится возможным применение дорогих инертных газов криптон и ксенон в качестве газов-наполнителей.
Галогенные лампы по структуре и принципу действия сравнимы с лампами накаливания. Но они содержат в газе-наполнителе незначительные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их соединения. С помощь этих добавок возможно в определенном температурном интервале практически полностью устранить потемнение колбы (вызванное испарением атомов вольфрама) и обусловленное этим уменьшение светового потока.
Достоинства ламп накаливания.
Достоинства лампы накаливания таковы: низкая начальная стоимость лампы и необходимого для нее оборудования, компактность, благодаря которой она хорошо подходит для регулирования светового потока, надежная работа при низких температурах и довольно высокий при ее размерах световой выход. Недостатки ламп накаливания Критикуют эти электрические лампы за относительно короткий срок службы (1000 - 1500 часов), а также за то, что более 95% энергии в них преобразуется в тепло и только 5% - в свет. Среди минусов ламп накаливания стоит отметить невысокую световую отдачу, которая является самой низкой среди современных электрических ламп. Она лежит в интервале от 4 до 15 лм/Вт. Лампы накаливания очень чувствительны к попаданию воды (из-за резкого охлаждения части колбы произойдет ее разрушение) и потенциально пожароопасны. Если в светильнике используются горючие детали, они должны быть удалены от колбы лампы на безопасное расстояние.
13Методика расчета ИК облучательных установок для облучения животных и птицы.
В сельскохозяйственном производстве для сушки сельскохозяйственной продукции, обогрева молодняка животных и птиц удобно применять источники инфракрасного (ИК) излучения. Специфической особенностью ИК излучения является его тепловое действие и хорошая проникающая способность. Инфракрасное излучатели можно получить от инфракрасных ламп это «световые» излучатели или лампы термоизлучатели и трубчатых электрических нагревателей или спиралей из материалов и сплавов имеющих высокое удельное сопротивление – «темные» излучатели. «Светлые» источники имеют конструкцию ламп накаливания, однако их тело накала рассчитано на меньшую, чем в осветительных лампах накаливания температуру в пределах 2270…2770 К для увеличения доли инфракрасного излучения и сокращения доли видимого излучения. Максимум спектральной плотности излучения таких ламп смещен в длинно-волновую часть спектра и приходится на излучение с длиной волны 1000…1400 нм. Электротехническая промышленность выпускает специальные инфракрасные излучатели в виде ламп накаливания типа ИКЗ 220 мощность 250, 500 Вт – инфракрасный излучатель с зеркальным отражателем, а также ИКЗС и ИКЗК со светлой или красной колбой. Пониженная температура тела накала инфракрасных ламп способствует увеличению их срока службы до 5000 ч. Инфракрасные излучатели (лампы) типа КГ 220-1000, которые представляют собой цилиндрическую трубку диаметром около 10 мм и длиной 370 мм. Тело накала лампы выполнено в виде вольфрамовой спирали, смонтированной по оси трубки на вольфрамовых поддержках. Ввод в лампу выполнен посредством молибденовых электродов, впаянных в кварцевые ножки. Концы спирали тела накала навернуты на внутреннюю часть вводов. Цоколи выполнены из никелевой ленты со швом, в который введены наружные молибденовые выводы. Трубка изготавливается из кварцевого стекла и наполняется аргоном с содержанием йода. Добавление внутрь колбы йода позволяет уменьшить распыление вольфрама и тем самым увеличить срок службы ламп до 3000 ч. «Темные» источники инфракрасного излучения конструктивно состоят из металлической трубки, внутрь которой помещается спиральный нагреватель из нихромовой проволоки и заполняется огнестойкой изоляционной массой. Спектр излучения «темных» излучателей находится в диапазоне длин волн 1400…10000 нм с максимумом спектральной плотности излучения при 4000 нм. Для применения теплоэлектронагревателей (ТЭН) в качестве инфракрасного обогрева они производятся с различной единичной мощность от 400 до 1500 Вт и более на напряжение 220 В. Срок службы ТЭНов до 10000 ч. Для защиты источника инфракрасного излучения от механических повреждений, а также от загрязнения, влаги ИК заключаются в специальные кожухи, применяются различные защитные сетки. Для перераспределения потока излучения в пространстве применяют отражатели. Источник ИК совместно с арматурой называется облучатель.
14 Особенности сельскохозяйственных осветительных установок.
Осветительные установки подразделяются на два типа: с лампами накаливания и с газоразрядными лампами. Эти лампы резко отличаются друг от друга, что необходимо учитывать при их эксплуатации. Так они по-разному реагируют на колебания напряжения питания и параметры среды.
Светоотдача ламп накаливания пропорциональна напряжению в степени 3,6. Для ламп общего назначения в нормальных условиях срок службы их составляет 1000...2500 ч, а при увеличении приложенного к ним напряжения всего на 5% срок службы сокращается примерно в два раза. Лампы накаливания практически не реагируют на температуру и влажность среды. Приходится учитывать только влияние влажности на коррозию металлических частей ламп, что иногда приводит к нарушению контакта и погасанию лампы, а от запыленности помещения зависят сроки чистки ламп.
Зажигание и светоотдача газоразрядных (люминесцентных) ламп практически не зависит от колебаний приложенного напряжения. Срок их службы значительно выше, чем ламп накаливания. Так, средний срок службы люминесцентных ламп низкого давления
типа Л Б, ЛД, ЛХБ, ЛТБ составляет 10000 ч, а люминесцентных ламп типа ЛБА — 12 000 ч.
Однако работа люминесцентных ламп зависит от температуры окружающей среды, и чем выше температура, тем выше давление газов внутри лампы и активнее процесс ее зажигания. При низких температурах лампа зажигается значительно хуже. Интенсивное солнечное облучение лампы положительно влияет на ее работу. Люминесцентные лампы работают при больших колебаниях напряжения, однако они очень плохо загораются при пониженном напряжении. Следует учитывать, что лампы высокого давления старого типа ДРЛ, нового типа ДРИ и сверхвысокого давления типа ДКСТ (ксеноновые) имеют длительный период загорания — до 10 мин, новое их включение возможно только после полного их охлаждения (тоже порядка 10 мин.). Изменение влажности среды ведет к изменению теплоотдачи лампы и, следовательно, влияет на устойчивость ее работы.
В процессе эксплуатации осветительной установки происходит уменьшение светового потока и снижение к. п. д. светильников. Принимая осветительную установку в эксплуатацию, проверяют соответствие проекту всех элементов установки, правильность крепления светильников, выключателей, штепсельных розеток, щитков и т. д. (выборочно).
Чистят осветительные приборы по мере их загрязнения, напряжение при чистке отключают. В пыльных помещениях (кормокухни, зерносклады и т. п.) рекомендуется чистить лампы четыре раза в месяц, в помещениях со средним выделением пыли (мастерские, животноводческие фермы и т. п.) —три раза в месяц, в помещениях с незначительным выделением пыли (конторы, школы, клубы) —два раза в месяц и в наружных установках — три раза в год.
Вышедшие из строя лампы нужно своевременно заменять. Необходимо соблюдать соответствие новых ламп светильнику. Несоблюдение последнего условия может вызвать перегрев светильника, высыхание изоляции проводов и быстрое ее старение, что может стать причиной короткого замыкания.
Одновременно с проведением технических уходов за электропроводками (согласно ППРЭсх, один раз в шесть месяцев в чистых сухих помещениях с нормальной средой и один раз в три месяца в сырых, пыльных, пожароопасных помещениях) необходимо люксметром измерять освещенность в установленных контрольных точках помещений на уровне рабочих поверхностей и сравнивать ее с нормируемой. При необходимости принимают соответствующие меры.
Эксплуатация облучательных установок с лампами накаливания инфракрасного излучения типа ИКЗ, эритемных люминесцентных ламп типа ЛЭ, ЛЭР и бактерицидных ламп типа ДБ имеет свои особенности. Для каждой из них в соответствии с имеющимися инструкциями составляют график и режим работы (облучения). Облученность контролируют при помощи уфиметра. Излучаемая ультрафиолетовая радиация зависит от приложенного к лампе напряжения, при отклонении последнего более чем на 5% вносят поправки в режим облучения. Чаще всего это делают экспериментальным путем, то есть уфиметром снимают зависимость интенсивности облученности от напряжения, приложенного к лампе.
По мере старения ламп их лучистый поток уменьшается, и а связи с этим ежесуточно длительность облучения нужно пропорционально увеличивать. Если интенсивность облучения, создаваемого лампой, снизилась более чем на 30%, лампу следует заменить новой.
Если при работе с лампами накаливания по условиям техники безопасности необходимо снимать напряжение, то при работе с облучательными установками следует соблюдать особые меры предосторожности: обязательно экранировать лампы, максимально сокращать облученность на уровнях до 2 м от пола; помещение периодически вентилировать для удаления озона и окислов азота; при обслуживании ламп облучения стремиться к тому, чтобы у обслуживающего было как можно меньше открытых частей тела; особо обращать внимание на защиту глаз (обязательно применять защитные очки из дымчатого стекла).
Люминесцентные лампы высокого давления имеют двойные колбы. При разрушении внешней колбы ультрафиолетовое излучение ламп увеличивается настолько, что становится опасным для человека.
15 Расчет мощности электроподогревателей воздуха для установок активного вентилирования и сушки.
Активное вентилирование – это принудительное продувание воздухом массы материала, находящегося в покое. Его чаще всего применяют при заготовке зерна и сена. Активное вентилирование используют для быстрого охлаждения зерна с целью временной консервации; обогрева семян с целью ускорения послеуборочного дозревания и тепловой обработки их перед посевом; обогрева семян с целью сушки; дегазаций зерна после фумигации. Сушка активным вентилированием представляет собой разновидность конвективной сушки и отличается от нее лишь большей длительностью, обусловленной низкой температурой теплоносителя высушиваемого материала. Для подогрева воздуха в установках активного вентилирования обычно применяют электрокалориферы СФО, а для подачи воздуха – центробежные вентиляторы Ц4-70. Предельная температура воздуха, выходящего из калорифера: для семенного зерна – 30...40 °С, для продовольственного зерна и сена – 50...55 °С. Расход воздуха на 1т зерновой массы составляет 0,1...0,3 м³/с, а сена – 0,16... 0,33 м³/с. При сушке зерна воздух подогревают в калорифере на ∆t=10...12 °С, а сена - ∆t=5...6 °С. Технологическая схема сушки зерна представлена в соответствии с рисунком 2.1
Рисунок 2.1 – Технологическая схема процесса сушки
Наружный воздух, имеющий параметры: температуру to(°С), относительную влажность φo(%), влагосодержание do(г/кг) и энтальпию ho(кДж/кг), забирается вентилятором 1 и подается в электрокалорифер 2.
Подогретый воздух с параметрами t1, φ1, d1 и h1 подается в сушильную камеру 3, где проходя через слой высушываемого материала (зерна), отбирает излишнюю влагу и выходит из сушильной камеры с параметрами t2, φ2, d2, h2.
Влажное зерно, поступающее в сушильную камеру, имеет влажность W1(%) и температуру θ1(°С), а высушенное зерно имеет влажность W2 и температуру θ2.
Исходные данные для выбора вентилятора и электрокалорифера:
– масса сырого зерна (сена) М1, кг;
– начальная W1 и конечная W2 влажность зерна, %;
– температура to, °С, и влажность φo, %, наружного воздуха;
– температура воздуха после электрокалорифера t1, °С;
– время сушки τ, с.
Значение φ2 чаще всего принимают равным 80%, а t2=t1-(3...4)°С.
Исходные данные. Определить мощность электроподогревателей воздуха для установки активного вентилирования зерна вместимостью 40т. Продолжительность сушки зерна 90+m+0,5n ч, начальная влажность зерна W1= 23+0,7m+0,5n %, конечная- W2=14%. Параметры наружного воздуха: to=15+0,2n ºС; φo=60%. Воздух подогревается на 6+0,7n ºС [t1=15+6ºС=21ºС]. температура воздуха, покидающего зерно t2=(t1-4+0,5n) ºС=(21-4)ºС=17ºС, влажность φ2=80+0,1n %.
Решение варианта m =n =0.
1. По "h-d" диаграмме находим: h0=31,4 кДж/кг;
do=d1=6,5 г/кг; h1=37,7кДж/кг; d2=9,2 г/кг;
По формуле (2.1) определяем плотность воздуха:
 кг/м³
2. По формуле (2.2) вычисляем количество испаряемой влаги:
3. По формуле (2.3) определяем необходимую подачу вентилятора:
4. По формуле (2.4) вычисляем потребную мощность электрокалорифера:
Принимаем η = 0,8; ηк = 0,92
5. Выбираем оребренные ТЭН-ы с мощностью 2,5 кВт и определяем их количество:
 шт.
Выбираем n = 22шт.
16 Способы электрического обогрева парников, теплиц и расчет нагревательных элементов.
Наиболее эффективным, простым и удобным является обогрев электроэнергией. Для электрического обогрева рекомендуется использовать трубчатые электронагреватели (ТЭН), масляные электрорадиаторы, спиральные нагреватели и вентиляторные нагреватели.
Спиральные нагреватели состоят из нагревательных спиралей, помещенных в кожух с отверстиями снизу и сверху. Холодный воздух через нижние отверстия поступает внутрь устройства, нагревается и поднимается вверх через верхние отверстия. Трубчатые, масляные и спиральные нагреватели устанавливают вдоль теплицы с двух сторон или по ее периметру. При их использовании перемещение воздуха внутри теплицы происходит за счет конвекционных потоков.
Переносные вентиляторное нагреватели состоят из нагревательных спиралей и электровентилятора. Эти нагреватели равномерно распределяют тепло по всей теплице за счет принудительного перемещения воздушных потоков. Циркуляция воздуха позволяет поддерживать в теплице нужный микроклимат, уменьшает вероятность появления различных заболеваний растений. В этих устройствах может быть предусмотрено раздельное включение нагревателей и вентилятора, что обеспечивает включение того или другого устройства по мере надобности.
Электронагреватели имеют высокий коэффициент полезного действия, не выделяют ядовитых газов, сравнительно легко автоматизируются — при их использовании достаточно просто обеспечить автоматическое поддержание с помощью терморегулятора требуемого теплового режима внутри сооружения.
расчет нагревательных элементов
Тепловое действие тока. При прохождении тока через неподвижные металлические проводники единственным результатом работы тока является нагревание этих проводников, и, следовательно, по закону сохранения энергии вся работа, совершенная током, превращается в тепло.
Работа (в джоулях), совершаемая током при прохождении через участок цепи, вычисляется по формуле:
где U - напряжение, В; I - сила тока, А; t - время, с.
Количество теплоты (Дж), выделенное в проводнике при прохождении электрического тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока и вычисляется по закону Джоуля-Ленца:
где R - сопротивление проводника, Ом.
Мощность электрического тока. Зная работу, совершаемую током за некоторый промежуток времени, можно рассчитать и мощность тока, под которой, как и в механике, понимают работу, совершаемую за единицу времени. Из формулы, определяющей работу постоянного тока, A = Ut, следует, что мощность его равна
 Длину и диаметр провода нагревательного элемента рассчитывают исходя из величины напряжения сети и его заданной мощности.
Сила тока при данном напряжении и мощности определяется по формуле
Омическое сопротивление проводника всегда вычисляется по формуле
Зная величину тока, можно найти диаметр и сечение провода (табл. 1).
Подставляя полученные данные в формулу
где l - длина провода, м; S - сечение провода, мм2; R - сопротивление провода, Ом; ρ - удельное сопротивление провода (для нихрома ρ = 1,1, для фехраля ρ = 1,3), Ом×мм2/м, получим необходимую длину провода для нагревательного элемент
17 Методика расчета толщины тепловой изоляции.
Тепловая изоляция предназначена для снижения потерь теплового потока в окружающую среду. Уменьшить потери теплоты, и следовательно, увеличить КПД электротермических установок можно двумя способами: 1) увеличить толщину изоляции; 2) применить изоляцию с меньшей теплопроводностью
Выбор материала каждого слоя и его толщины есть технико-экономическая задача по определению минимума приведенных затрат. Рассмотрим методику её решения на примере однослойной тепловой изоляции. Приведенные затраты:
где  – разность температур, К; RТ – термическое сопротивление, К/Вт; сТ –
стоимость тепловой энергии, руб/Дж; τИ – продолжительность работы установки
в году, с; са – коэффициент, учитывающий издержки на амортизацию и ремонт,
1/год; Е – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, 1/год;
сИ – оптовая цена тепловой изоляции, руб/м3;  – теплопроводность изоляции,
Вт/м·К.
Возьмём производную dЗ/dR и, приравняв её нулю, найдём экономически целесообразное термическое сопротивление:
Оптимальная толщина тепловой изоляции выбранного вида:
Из анализа уравнений видно, что при заданных режимах электротермической установки ( и τи) толщина тепловой изоляции тем больше, чем больше её теплопроводность и меньше оптовая цена. Толщина изоляции должна быть больше и при более высокой стоимости тепловой энергии.
18 Методика расчета необходимой мощности электрокотельной.
1. Определяют тепловые нагрузки объекта для зимнего периода.
2. Строят суточный график полезной тепл. нагрузки (тепл.мощ-ти) объекта для зимнего периода. График строят путем суммирования совпадающих во времени тепловых мощностей для отдельнх помещений и процессов.
3. По графику находят полезную тепловую энергию Qпс, необходимую на объекте в течении суток. Qпс равна площади фигуры под графиком нагрузки.
4. Фид формулы для расчета необимой мощности эл.котельной зависит от режима ее работы.
Варианты:
1) Элкотельная работает по принудит. графику с аккумуляцией теплоты:
где tP – общ. продолж-ть разрешенного времени работы котлов в течение суток
Дата добавления: 2015-09-30; просмотров: 195 | Нарушение авторских прав
mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.088 сек.)
| 
