Электронагревательные элементы и провода. Элементные водонагреватели

Преобразование электрической энергии в другие виды энергии, в основном используемые в производстве и быту, осуществляется электротехническими устройствами, принцип действия которых основан на способности электрического тока при прохождении через резистивные и реактивные элементы, через воздух и газы при определенных условиях, преобразовываться в тепловую, световую, звуковую и другие виды энергии, а также в электромагнитную энергию (создавать магнитное и электрическое поля).

Эффективная работа электротехнических устройств - преобразователей энергии - обеспечивается при определенных параметрах электрического напряжения и тока (значение, форма и частота) и управлении ими. Для этого используют специальные преобразователи электрической энергии: трансформаторы, преобразователи частоты, выпрямительные устройства, инверторы, регуляторы напряжения и тока, электрические аппараты и др.

Преобразование электрической энергии в тепловую основано на следующих физических явлениях: прохождении тока через сопротивления, электрической дуге, индукционном нагреве и др.

В устройствах с нагревательным сопротивлением основным элементом является металлический проводник с повышенным электрическим сопротивлением и высокой температурой плавления. Выделяемая в этом элементе электрическая энергия WЭ = RЭI2tпреобразуется в теплоту, в результате чего элемент нагревается, а теплота WTпередается в окружающую среду. В установившемся режиме WЭ= WT, откуда

R Э I 2 t = α Т S Θ Р

где ΘР = ΘЭ - ΘCР - разность температур элемента и окружающей среды: αТ - коэффициент теплоотдачи с поверхности элемента, S - площадь поверхности нагревательного элемента.

К устройствам с нагревательным элементом относят электроплиты, нагревательные печи, электрокипятильники и др. Чем выше допустимый нагрев элемента ΘЭ, тем эффективнее работа нагревательного устройства.

Наиболее интенсивное преобразование электрической энергии в тепловую происходит при возникновении электрической дуги. Как известно из физики, при разведении первоначально соприкасающихся металлических или угольных электродов, подключенных к источнику напряжения, между ними возникает электрический разряд, называемый электрической дугой. Сила тока в дуге может достигать огромных значений (тысячи и десятки тысяч ампер) при напряжении в несколько десятков вольт. При возникновении электрической дуги происходит термоэлектронная эмиссия с раскаленной поверхности катода и термическая ионизация молекул, обусловленная высокой температурой газа. Практически все межэлектродное пространство заполнено высокотемпературной плазмой, служащей проводником, по которому быстро перемещаются электроны от катода к аноду. Температура плазмы может достигать 10000 К.

Электрическая дуга применяется для сварки металлических деталей и в электропечах для плавки качественных сталей и различных тугоплавких материалов.

Наряду с широким использованием электрической дуги в производстве, в ряде аппаратов она является нежелательной, например в коммутационных электрических аппаратах или в линиях электропередач - здесь электрический разряд между проводами, проводами и опорами, называемый коронным, приводит к увеличению электрических потерь.

В практике широко используется индукционный нагрев. Его применяют для поверхностной закалки сталей, нагрева, отжига и плавления металлов. Как известно, если поместить деталь в переменное магнитное поле, то в нем индуцируются (наводятся) токи, называемые вихревыми. Эти токи зависят от формы детали, типа металла, от направления и скорости изменения магнитного поля. Вихревые токи из-за малого сопротивления металла могут быть очень большими и вызывать его значительное нагревание. Глубина проникновения вихревых токов (магнитного поля) зависит от скорости (частоты) изменения магнитного поля, так как они создают собственное магнитное поле, которое направлено навстречу внешнему магнитному полю, вызвавшему их появление.

Чем больше частота изменения внешнего поля, тем сильнее противодействие поля вихревых токов и меньше глубина проникновения их внутрь тела.

Глубина проникновения вихревых токов может быть определена по формуле

где γ, µ.а-электропроводимость и магнитная проницаемость материала.

Способность вихревых токов создавать собственное поле, противодействующее внешнему полю, используется в технике магнитных экранов. Во многих случаях вихревые токи бывают нежелательными, так как вызывают дополнительные потери и нагревание магнитопроводов электротехнических устройств (электрические аппараты, электрические машины, трансформаторы и др.).

Для уменьшения действия вихревых токов в этих устройствах их магнитопроводы набирают из тонких пластин, изолированных одна от другой.

Преобразование электрической энергии в световую основано на нагревании проводника до высокой температуры (температурные источники света) и на оптическом излучении при дуговом разряде в газах, вызываюшем люминесцентный эффект при движении заряженных частиц в газонаполненном пространстве (люминесцентные источники света). Электрическая энергия в механическую преобразуется в электрических машинах и аппаратах, электроизмерительных приборах.

Их принцип работы основан на физическом законе электромагнитных сил, из которого следует, что если проводник с током поместить в магнитное поле, то на проводник действует электромагнитная сила FЭМ, значение которой определяется как FЭМ = BIl , где В - магнитная индукция, В*с/м2; I - ток, А; l - длина проводника, м.

Направление действия этой силы определяется по правилу левой руки. При равномерном движении проводника со скоростью v электромагнитная сила FЭМ должна уравновешиваться механической силой. FЭМ = FMEX - это уравнение механического состояния равномерно движущегося проводника с током. Если левую и правую части уравнения умножить на скорость v , то получим уравнение преобразования электрической мощности (энергии) в механическую, которое имеет видЭМ v = FMEXv ,

или

PЭМ - PМEX

Примером водонагревателя служит электронагреватель в автоматических стиральных машинах. По достижении водой определенного уровня клапан горячего водоснабжения закрывается и включается трубчатый электронагреватель, который нагревает воду до температуры 60 0С, при этом двигатель вращает барабан. Затем вода нагревается до 90°С с реверсированием вращения барабана, после чего происходит включение ТЭНа; стирка в течение 5 мин с реверсированием и т.д.

Нагрев и контроль температуры моющего раствора осуществляется соответственно при помощи нагревателя и датчиков реле температуры.