2015-02-27
1667
Контактный ртутный стеклянный термометр типа ТПК имеет двойную шкалу (верхнюю и нижнюю) и магнитно-поворотное приспособление. Для настройки термометра на заданную температуру вращают винтовой вал магнитом. Винт при вращении поднимает или опускает гайку, к которой прикреплена тонкая вольфрамовая струна (контакт), входящая своим контактом в капилляр со ртутью. При настройке термометра вращают винт до тех пор, пока гайка нижним обрезом не установится на штрихе заданной температуры верхней шкалы. При этом конец подвижного контакта находится против такого же температурного штриха нижней шкалы. При достижении заданной температуры ртутный столбик соприкасается с вольфрамовым контактом, что означает срабатывание датчика.
Вода без примесей практически не проводит электрический ток. При 20 °С ее проводимость составляет около 0,3 × 10-3 Ом‑1 × см‑1 (для сравнения – проводимость меди составляет 0,6 × 106 Ом-1 × см-1). Проводимость «обычной» воды обусловлена наличием растворимых солей, кислот и щелочей, молекулы которых диссоциируют на ионы. Величина, обратная проводимости, представляет собой удельное сопротивление и для воды удельное сопротивление изменяется в широких пределах (200...10000 Ом × см). Для разных источников и географических зон удельное сопротивление воды различно.
|
|
|
На удельное сопротивление воды значительное влияние оказывает ее температура. С возрастанием температуры увеличивается степень диссоциации молекул солей на ионы и их подвижность, вследствие чего удельное сопротивление уменьшается:
где r20, rt – удельное сопротивление воды при температуре 20 °С и t °C;
a – температурный коэффициент проводимости, °С-1 (a = 0,025...0,035 °С-1);
t - температура воды, °С.
Во избежание проявления гремучего газа (разложение воды на водопровод и кислород) при работе водонагревателя должна быть определенная плотность тока iдоп, допустимое значение которой при использовании обычной стали в качестве электродов составляет 0,5 А/см2 для плоских и 2 А/см2 для цилиндрических. Для электродов из титана и нержавеющей стали величина плотности тока по условиям образования гремучего газа не ограничивается.
Допустимая напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве Едоп не должна превышать пробивной прочности нагреваемой воды во избежание замыкания электродов (Едоп = 125...250 В/см).
По величине допустимой напряженности поля находят расстояние между электродами:
где U – напряжение между электродами, В;
iдоп – допустимая плотность тока, А/см2;
rt – удельное сопротивление при конечной температуре нагрева, Ом × см.
|
|
|
Площадь поверхности электродов и расстояние между ними ограничивается максимально допустимыми значениями плотности тока на электродах и напряженности поля. При большой напряженности поля между электродами наблюдается пробой, а при большой плотности тока — электролитическое разложение воды с образованием взрывоопасного гремучего газа.
Электрическое сопротивление слоя воды Rt между электродами зависит от их площади, расстояния между ними, температуры воды, наличия примесей и ряда других факторов. Для простейшего случая однофазной плоскопараллельной системы электродов (см. рис. 1, а)
где l – расстояние между электродами, см;
b и h – соответственно ширина и высота электрода, см.
При эксплуатации электродных водонагревателей необходимо соблюдать следующие основные меры электробезопасности:
1. Водонагреватели электродного типа не допускается устанавливать в особо опасных помещениях (животноводческих, душевых и др.). Их, как правило, размещают в специально выделенных помещениях.
2. Эксплуатация водонагревателя в неисправном состоянии, а также при отсутствии защиты и предохранительных устройств запрещена.
2. Корпус водонагревателя должен быть заземлен. В сети напряжением 220/380 В с заземленной нейтралью для заземления корпус присоединяют к РЕ-проводу, соединенному с нейтральным проводом сети.
3. При отсутствии устройств для выравнивания потенциалов и защитно-отключающих устройств по току утечки водонагреватель к водопроводной сети следует подключать через изоляционную вставку из резины, фторопласта, полиэтилена и др.. Сопротивление столба воды в изолирующей вставке должно быть таким, чтобы напряжение прикосновения даже в аварийном режиме не превышало 12 В. Кроме того, следует предусмотреть защиту от неполнофазных режимов работы установки.
4. Необходимо периодически производить очистку водонагревателя от солевых отложений различного рода во избежание закорачивания межэлектродного промежутка.
Работа 16. Исследование работы элементного
водонагревателя
Цель и порядок выполнения работы
Цель работы: 1. Изучить устройство, принцип действия, правила монтажа, эксплуатации и техники безопасности элементных водонагревателей.
2. Изучить выбор и принципы автоматического управления процессом нагрева воды в элементном водонагревателе.
3. Экспериментально определить энергетические параметры аккумуляционного (емкостного) водонагревателя.
При выполнении работы необходимо: 1. Ознакомиться с основными данными оборудования и измерительных приборов рабочего места.
2. Изучить устройство, принцип действия, выбор, правила монтажа и эксплуатации элементного водонагревателя.
3. Изучить принципы автоматического управления процессом воды в элементном водонагревателе.
4. Собрать электрическую схему лабораторной установки (с её проверкой) для опытного снятия температуры воды от времени нагрева Q = f (t), мощность водонагревателя Р, его подачу q, КПД и удельный расход энергии Ауд.
5. Изобразить графически и проанализировать зависимость Q = f (t) элементного водонагревателя.
Объект и средства исследования
На рабочем месте смонтирована лабораторная установка, в которой объектом изучения и исследования является однофазный элементный водонагреватель, имеющий металлический корпус, трубчатый электронагреватель, клеммы на контактных стержнях для присоединения к сети.
Основные параметры элементного водонагревателя: емкость V = 0,012 м3, мощность ТЭНа – 2000 Вт.
Средствами исследования служат: вольтметр PV типа Э59 электромагнитной системы с пределами измерения 150, 300 В; амперметр PА типа Э59 на 5, 10А; жидкостной объемный термометр на пределы 0...100 °С; часы наручные любого типа.
Рабочее задание
1. Выписать технические данные объекта исследования.
|
|
|
2. Начертить принципиальную электрическую схему лабораторной установки (рис. 16.1) и таблицу 16.1 результатов опытов (измерений и вычислений).
Рис. 16.1. Принципиальная электрическая схема
лабораторной установки.
Т а б л и ц а 16.1. Результаты опытов по определению основных параметров
электрического процесса нагрева воды (элементный нагрев воды)
| Значения показателей | Q | °С | ||||
| Uc | В | |||||
| I | А | |||||
| P | Вт | |||||
| T | мин. |
3. Собрать цепь в соответствии со схемой (рис. 16.1) с помощью проводников и подсоединить её к силовому настенному щитку с напряжением 220 В. После разрешения преподавателя включить установку в сеть и приступить к непосредственному испытанию лабораторной установки. Снять показания измерительных приборов и данные измерений (напряжение Uc по вольтметру PV, ток I по амперметру PA при температуре воды в интервале 20…80 °С через каждые 20 °С, время нагрева при каждом значении температуры Q) занести в таблицу 16.1.
4. Исходя из результатов проведенных опытов, вычислить и записать в таблицу 1 величину мощности, подводимую к водонагревателю Р.
5. Определить по опытным данным для водонагревателя подачу q, к.п.д. и удельный расход электроэнергии Ауд.
6. По полученным данным построить графическую зависимость Q = f (t).
Программа подготовки к выполнению рабочего задания
1. Изучить необходимые разделы в рекомендуемой литературе
[9, гл. 3, с. 25...70], [10, гл. VIII, c. 150...175], [11, гл. 1, 2, 3, с. 5...84], [23, c. 111...116].
2. Записать основные технические данные лабораторной установки (элементного водонагревателя).
3. Записать формулы необходимые для расчета мощности, подводимой к водонагревателю Р, подачи водонагревателя q, его к.п.д. и удельного расхода электроэнергии Ауд.
Методические указания по выполнению рабочего задания
и обработке результатов эксперимента
1. Перед включением установки в сеть необходимо убедится в надежности соединения монтажных проводников.
2. При работе с электроустановкой необходимо соблюдать правила техники безопасности и эксплуатации электроустановок потребителей.
|
|
|
3. При измерениях следить за показаниями приборов и не перегружать их.
4. Результаты расчетов по данным опытов вычислять:
- мощность, подводимую к водонагревателю:
Р = Uс I,
где Uc – напряжение сети, В;
I – ток в цепи нагревателя, А;
- подача водонагревателя:
q = 60 V / t,
где V – объем нагреваемой воды, м3;
t – общее время нагрева, мин;
- к.п.д. водонагревателя:
где m – масса нагреваемой воды, кг;
с - теплоемкость воды (с = 4186 Дж / кг × °С);
Qкон, Qнач - соответственно, конечное и начальное значение температуры нагреваемой воды, °С;
- удельный расход электроэнергии:
Ауд = Р / q.
5. При построении графика зависимости температуры нагреваемой воды от времени её нагрева Q = f (t) по оси абсцисс откладывается значение времени нагрева t, а по оси ординат – температуру воды Q.
Контрольные вопросы
1. Каковы устройства и принцип действия аккумуляционного (емкостного) элементного водонагревателя?
2. В чем заключаются особенность эксплуатации и каковы основные правила техники безопасности при использовании элементных водонагревателей?
3. Каким образом работают рассматриваемые электрические схемы автоматического управления нагревом воды.
4. Как регулируется мощность элементного водонагревателя и температура воды в нем?
5. Как рассчитать мощность водонагревателя по заданным технологическим условиям?
Основные сведения по устройству и работе
элементных водонагревателей
По способу нагрева электрические водонагреватели подразделяют на элементные (косвенного нагрева), электродные (прямого нагрева) и индукционные. По принципу действия различают проточные (прямоточные, быстродействующие) и непроточные (аккумуляционные или емкостные) водонагреватели. Проточные водонагреватели позволяют получать горячую воду сразу же после их включения, однако имеют следующие недостатки: сравнительно высокая установленная мощность при низком коэффициенте использования и необходимость в дополнительной мощности трансформатора и пропускной способности сетей при включении их в часы максимума нагрузки. Емкостные нагреватели способны запасать (аккумулировать) горячую воду, имея меньшую установленную мощность на единицу полезного объема, могут включаться в часы «провалов» суточных графиков нагрузки подстанций и сетей, обеспечивая при этом высокие экономические показатели нагрева воды.
Индукционные водонагреватели представляют собой трехфазный понижающий трансформатор, вторичные обмотки которого выполнены из стальной трубы и электрически замкнуты между собой (вторичный ток трансформатора нагревает трубку заполненную текущей в ней водой).
Элементные водонагреватели выполняются с герметическими резистивными нагревателями (ТЭНами), поэтому более безопасны в эксплуатации по сравнению с электродными, не загрязняют воду, имеют практически неизменную мощность. Однако они менее надежны из-за ограниченного срока службы нагревателей, имеют более высокие стоимостные показатели. По сравнению с электродными водонагревателями элементные имеют невысокую мощность и используются для горячего водоснабжения сравнительно мелких разбросанных потребителей и в тех случаях, где важны требования к электробезопасности.
Элементный аккумуляционный водонагреватель состоит из цилиндрического бака с теплоизоляцией и металлического кожуха. В баке установлены трубчатые электронагреватели (ТЭНы), терморегулятор и термометр. Для забора воды из водонагревателя открывают вентиль на входном патрубке. При этом вода из водопровода поступает в нижнюю часть бака и вытесняет из верхней части водонагревателя теплую воду. Также имеется шкаф управления работой электрического водонагревателя.
В сельском хозяйстве используются элементные емкостные водонагреватели типов УАП, ВЭТ, САОС, ЭВА, проточные САЗС, ВНС, ВЭП, ЭВ‑Ф‑15, ЭВПЗ‑15 (приложение 2).
Выбор электрических водонагревателей производят по массе расходуемой воды m, подаче qмакс, начальной Qнач и конечной Qкон температур воды. Эти параметры определяют мощность водонагревателя:
- аккумуляционного:
где kз - коэффициент запаса (kз = 1,1...1,2);
m – масса нагреваемой воды, кг;
с - теплоемкость воды (с = 4186 Дж / кг × °С);
t – время нагрева, ч.
h – к.п.д. водонагревателя;
- проточного:
Регулирование мощности водонагревателей осуществляется путем разбиения, а также (в установках небольшой мощности) за счет последовательно-параллельного соединения нагревателей.
Регулирование и поддержание температуры воды в системе осуществляется с помощью терморегулятора.
Принципиальная электрическая схема лабораторной установки приведена на рис. 16.1. При нажатии на кнопку SB2 «Пуск» напряжение сети подается на катушку промежуточного реле КV1, которое своим нормально разомкнутым контактом КV1, при этом загорается сигнальная лампочка контроля напряжения HL1. Другими нормально разомкнутым контактом КV1 блокирует кнопку SB2, при этом загорается сигнальная лампочка контроля напряжения HL1. Другими нормально разомкнутыми контактами промежуточного реле КV1 замыкается цепь в питании промежуточного реле КV2 и подается напряжение сети на катушку электромагнитного пускателя КМ. Электромагнитный пускатель КМ срабатывает и своими силовыми контактами КМ подключает нагревательный элемент к сети, а блок-контакт электромагнитного пускателя КМ подключают сигнальную лампочку контроля нагрева воды НL2 к сети. При достижении температуры воды верхнего уровня замыкаются контакты термосигнализатора SК. При этом срабатывает промежуточное реле КV2, которое своим нормально замкнутым контактом обесточивает катушку электромагнитного пускателя КМ. Гаснет лампочка HL2 и нагреватель отключается от сети.
Другие простейшие схемы автоматического управления поддержания заданного уровня с использованием релейно-контактной аппаратуры управления приведены температуры воды.
В схеме (рис. 16.2, а) напряжение сети подается на схему при нажатии на кнопку SB2. При этом срабатывает промежуточное реле КV, которое своими нормально разомкнутыми контактами блокирует кнопку SB2, при этом загорается сигнальная лампочка контроля напряжения HL1. Через контакты термосигнализатора SК другим нормально разомкнутым контактом промежуточного реле КV подается напряжение электромагнитного пускателя КМ, который своими силовыми контактами подключает нагреватель к сети, а блок-контактом – сигнальную лампочку нагрева воды НL2.
Рис. 16.2. Принципиальная электрическая схема управления водонагревателем
с поддержанием температуры воды: а) на одном уровне; б) на нижнем и верхнем уровне.
При достижении температуры заданного уровня размыкаются контакты термосигнализатора, которые обесточивают катушку электромагнитного пускателя КМ. Лампа НL2 гаснет и нагревательные элементы отключаются от сети.
Для пуска водонагревателя в работу необходимо включить выключатель SА в цепи управления (рис. 16.2, б). При этом цепь тока замыкается через нормально замкнутые контакты промежуточных реле КV1 и КV2 и катушку электромагнитного пускателя КМ. Срабатывает электромагнитный пускатель КМ и нагревательные элементы ЕК подключаются к сети через линейные контакты КМ, начинается нагрев воды.
При достижении температуры воды нижнего уровня замыкаются контакты нижнего температурного уровня SК1 термосигнализатора, срабатывает промежуточное реле КV1, которое своим нормально разомкнутым контактом блокирует контакт SК1 и включается сигнальная лампа НL1 нижнего уровня температуры. Вода продолжает нагреваться. При достижении температуры воды верхнего данного уровня замыкаются контакты верхнего температурного уровня SК2 термосигнализатора, срабатывает промежуточное реле КV, вследствие чего включается сигнальная лампочка НL2 верхнего уровня температуры и нагревательные элементы отключаются от сети.
Основные правила ввода водонагревателя в эксплуатации заключаются в следующем:
- перед вводом в действие необходимо убедиться в правильности соединения нагревателей, плотности контактных соединений и проверить надежность заземления;
- проверить мегомметром на 1000 В сопротивление изоляции электрических нагревателей, которое должно быть не менее 10 МОм, а сопротивление изоляции токоподводов от корпуса водонагревателя не менее 220 кОм. Если сопротивление изоляции электронагревателей снизилось, их необходимо тщательно просушить до тех пор, пока сопротивление изоляции не войдет в норму и залить компаундом узлы соединений трубок с изоляторами выводов. При просушке температура поверхности нагревателей не должна превышать 150 °С;
- на подходящем и отводящем патрубках водопроводной сети должны быть изолирующие вставки из резинового или пластмассового шланга длиной, чтобы сопротивление воды во вставках было не менее 2000 Ом;
- проверить электропитание щита управления, убедившись в его работоспособности.
Основные правила эксплуатации и техники безопасности при обслуживании элементных водонагревателей следующие:
- корпус водонагревателя должен быть заземлен. В сети напряжением 380/220 В с заземленной нейтралью для заземления корпус присоединяют к нулевому проводу сети;
- при отсутствии устройств для выравнивания потенциалов и защитно-отключающих устройств по току утечки водонагреватель к водопроводной сети необходимо присоединить через изоляционную вставку длиной не менее 1 м;
- эксплуатация нагревателя в неисправном состоянии, а также при отсутствии защиты и предохранительных устройств запрещается;
- запрещается включать не заполненный водой водонагреватель в сеть, так как в этом случае из-за уменьшения теплоотдачи ТЭНы перегорают.
Работа 17. Исследование работы ламп накаливания
Цель и порядок выполнения работы
Цель работы: 1. Ознакомиться и изучить устройство, принцип действия и электрические и светотехнические характеристики ламп накаливания.
2. Исследовать и определить зависимости электрических и светотехнических характеристик ламп накаливания в зависимости от напряжения питающей сети.
3. Изучить тенденции дальнейшего развития ламп накаливания.
При выполнении работы необходимо: 1. Изучить устройство, принцип действия, типоразмеры и основные характеристики ламп накаливания.
2. Ознакомиться с техническими данными оборудования и приборов. Изучить работу электрической схемы для снятия экспериментальных зависимостей характеристик ламп накаливания.
3. Ознакомиться с тенденциями дальнейшего развития источников света (ламп накаливания).
4. Провести экспериментальное исследование работы ламп накаливания по снятию электрических и светотехнических характеристик в зависимости от напряжения питающей сети (зависимость тока, мощности и освещённости от напряжения).
5. Определить и построить зависимости мощности РЛ сопротивления RЛ, светового потока Ф, светоотдачи, светового коэффициента полезного действия и срока лампы tc от напряжения.
Объект и средства исследования
На рабочем месте расположена лабораторная установка, в которой объектом изучения и исследования является лампа накаливания общего назначения. Основные технические данные лампы накаливания БК 220-60: мощность 60 Вт, напряжение 215 В, световой поток 790 лм, тип цоколя Е27.
Средствами исследования служат: лабораторный автотрансформатор ТV типа ЛАТР‑2М; вольтметр PV типа Э59 электромагнитной системы с пределами с пределами измерения 150, 300 В; амперметр РА типа Э59 на 0,25; 0,5 и 1А; люксметр Ю‑116 с пределами измерения 100 и 1000 лк.
Рабочее задание
1. Выписать технические данные исследуемой лампы накаливания.
2. Начертить принципиальную электрическую схему лабораторной установки (рис. 17.1) и таблицу 17.1 результатов опытов (измерений и вычислений).
Рис. 17.1. Принципиальная электрическая схема
лабораторной установки.
Т а б л и ц а 17.1. Результаты испытания лампы накаливания
| № п.п. | Измерения | Вычисления | |||||||
| U | I | E | PЛ | RЛ | Ф | hс | hЛ | tс | |
| В | А | лк | Вт | Ом | лм | лм / Вт | % | ч | |
3. Собрать цепь в соответствии со схемой (рис. 17.1) с помощью проводников и подсоединить ее к силовому настенному щитку с напряжением 220 В. После разрешения преподавателя включить установку в сеть и приступить к непосредственному испытанию лампы накаливания. Снять показания измерительных приборов при изменении автотрансформатором напряжения питания U в пределах 140...240 В с интервалом 20 В. Данные измерений (напряжение, подаваемое на лампу и, ток лампы I, освещенность Е) занести в таблицу 17.1. При измерении освещенности следует брать разность показаний люксметра при включенной и выключенной лампе.
4. Исходя из результатов проведенных опытов вычислить и записать в таблицу 17.1 следующие величины характеризующие работу лампы: мощность РЛ, сопротивление RЛ, световой поток Ф, световую отдачу, световой коэффициент полезного действия и срок службы tc.
5. По результатам данных таблицы 1 построить зависимости тока I = f1 (U), мощности РЛ = f2 (U), светового потока Ф = f3 (U) и световой отдачи hс = f4 (U) от значения питающего лампу напряжения U.
Программа подготовки к выполнению рабочего задания.
1. Изучить необходимые разделы в рекомендуемой литературе
[15, гл. VI, VII, с. 71...93], [16, c. 20...28], [24, c. 67...74],
[46, c. 1...15], [47, c. 1...13], [48, c. 1...13].
2. Записать паспортные данные ламп накаливания.
3. Записать формулы, необходимые для расчета параметров лампы: мощности РЛ, сопротивления RЛ, светового потока Ф, световой отдачи hс, светового коэффициента полезного действия и срока службы в зависимости от напряжения U, подводимого к лампе.
Методические указания по выполнению рабочего задания
и обработке результатов эксперимента.
1. При работе с электроустановкой необходимо соблюдать правила техники безопасности и эксплуатации электроустановок потребителей.
2. При измерениях следить за показаниями приборов и не перегружать их.
3. Необходимые вычисления по данным опытов определять:
- мощность, потребляемая лампой:
РЛ = U I;
- сопротивление нити накала лампы в горячем состоянии:
RЛ = U / I;
- световой поток лампы:
Ф = Фн (U / Uн)3,67,
где Фн – номинальный поток (Фн = 790 лм);
Uн – номинальное напряжение (Uн = 220 В);
- световая отдача:
hс = Ф / РЛ;
- световой коэффициент полезного действия лампы:
где 683 – световой эквивалент;
- срок службы лампы:
tc = tн (U / Uн)–14,8,
где tн – номинальный срок службы лампы, ч (tн = 1000 ч).
4. При построении графиков основных характеристик лампы накаливания от подводимого напряжения I = f1 (U), РЛ = f2 (U), Ф = f3 (U) hс = f4 (U) по оси абсцисс откладывается значения подводимого к лампе напряжения или в абсолютных единицах U, или относительных U / Uн, а по оси ординат – соответственно ток I, мощность РЛ, световой поток Ф, световую отдачу hс.
Контрольные вопросы
1. Объяснить устройство и принцип действия лампы накаливания общего назначения.
2. Указать достоинства, недостатки и тенденции в дальнейшем развитии ламп накаливания.
3. Назвать основные электрические, светотехнические и эксплуатационные характеристики ламп накаливания.
4. Указать основные причины снижения светового потока ламп накаливания к концу срока её службы.
5. Каковы имеются способы снижения распыления нити накаливания?
6. Назвать диапазоны напряжения и шкалу номинальных мощностей выпускаемых ламп накаливания.
7. Как расшифровать условное обозначение типоразмеров ламп накаливания?
Основные положения по устройству, работе и испытанию
ламп накаливания общего назначения
Лампы накаливания являются наиболее массовыми и распространенными источниками света, что объясняется простотой конструкции, малыми габаритными размерами, дешевизной, доступностью в эксплуатации и обслуживании, низкими эксплуатационными расходами, отсутствием необходимости в каких-либо вспомогательных устройствах. Несмотря на более низкую световую отдачу и большее энергопотребление по сравнению с разрядными лампами указанные выше преимущества ламп накаливания обеспечивают им лидирующее положение. В некоторых случаях применение иных источников света, даже более экономичных, является неэффективным, а иногда и принципиально невозможным: индикация и сигнализация в пультах управления, прожекторная и проекционная техника, средства транспорта.
По конструктивно-технологическим признакам и назначению все лампы накаливания следует разделить на две большие группы:
- общего назначения, предназначенные для внутреннего (общего и местного) и наружного освещения, рассчитанные на питание сетевым напряжением с номинальными значениями 127 и 220 В и работоспособные при изменении напряжения в пределах 110...135 и 215...255 В;
