7.1 Общие сведения
Под электротехнологией понимают производственное использование электрической энергии в виде электрических полей и электрического тока, в том числе с предварительным преобразованием ее в другие виды энергии (световую, тепловую, магнитную, акустическую) для непосредственного воздействия на материалы и продукцию с целью получения в них целесообразно направленных изменений.
Развитие этого направления связано с тем, что вещество имеет электрическую природу. Молекулы и атомы содержат электрически заряженные частицы, состояние которых может изменяться под воздействием электрических, магнитных и электромагнитных полей.
Обработка пищевых продуктов в электростатическом поле позволяет быстро и экономично осуществлять такие процессы, как электросепарирование, электрокопчение, электростатическое формование и панировку. Обработка магнитным полем (омагничивание) воды позволяет эффективно бороться с отложением накипи на стенках котлов и нагревательных элементах в технологическом оборудовании.
Электроконтактные методы обработки различных сред и пищевых продуктов позволяют реализовать целый спектр технологических операций и приемов: анализ качества; электроконтактный нагрев; электроплазмолиз; электрофлотацию; электродиализ и другие.
Широкие возможности в области интенсивной тепловой обработки пищевых продуктов обеспечивает использование высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных полей.
Различные виды оптических излучений (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное) используются для освещения помещений и рабочих мест; обеззараживания и стерилизации оборудования и посуды; люминесцентного анализа химического состава и качества продуктов; нагрева, сушки, пастеризации и дезинсекции продуктов и других операций.
7.2 Электронагрев и способы его реализации. Элементные и электродные нагреватели
Использование электрической энергии для получения тепловой энергии является перспективным направлением электротехнологии. Применение электронагревательных приборов является предпочтительным, когда по технологии производства требуется точно поддерживать температурный режим, когда есть возможность использовать электроэнергию в ночные часы (ночной тариф дешевле дневного), когда электронагрев позволяет повысить производительность труда, улучшить качество продукции и в ряде других случаев. Наибольшее распространение получили способы электронагрева: элементный, электродный, высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев и нагрев инфракрасными лучами.
Для нагрева воды, других жидкостей и воздуха широко используются трубчатые электронагреватели - ТЭНы (Рис. 7.1). ТЭН состоит из металлической трубки, внутри которой в электроизоляционном наполнителе помещена нихромовая спираль, через которую протекает электрический ток. Концы спирали припаиваются к выводным контактным стержням. Материал трубок выбирается в зависимости от назначения нагревателя. Так, для нагревания воздуха используются стальные трубки, а для нагревания воды - трубки из красной меди, латуни или нержавеющей стали.
Наполнители трубчатых элементов служат для электрической изоляции спирали от металлической трубки являются проводниками тепла. В качестве наполнителей применяют электроизоляционные материалы, обладающие достаточной теплопроводностью для передачи тепла от проволочной спирали к стенкам трубки. К таким материалам относятся кварцевый песок (применяется при рабочей температуре трубки до 450ºС) и периклаз (при температуре свыше 450° С). После засыпки наполнителя трубка опрессовывается. Под большим давлением наполнитель превращается в твердый монолитный материал, надежно фиксирующий и изолирующий спираль внутри трубки. Торцы трубки герметизируются огнеупорным составом и изолирующими пробками. Наибольшая рабочая температура наружной поверхности ТЭНов около 700ºС. Срок службы ТЭНов составляет более 10000 ч.
При работе элементных нагревателей необходим эффективный отвод тепла. Если включить ТЭН в водонагревателе без воды (или воздушный ТЭН без вентилятора), то он быстро выйдет из строя.
|
| Рис. 7.1 – Устройство трубчатого нагревательного элемента |
Трубчатые электронагреватели изготовляют на различные мощности от 0,1 до 10 кВт в одном элементе и напряжением 127. 220 и 380 В. К достоинствам ТЭНов можно отнести нх универсальность, надежность, безопасность обслуживания.
Электродные нагреватели (Рис.17.2) применяются для нагрева воды. Их работа основана на использовании электропроводимости самой воды, которая подвергается нагреванию.
Простейшим примером такого нагревателя является двухэлектродный нагреватель (Рис.7.2, а), который может использоваться в однофазной сети. Мощность нагревателя будет определяться площадью пластинчатых электродов, контактирующих с водой, удельной электропроводностью воды и расстоянием d между электродами. Изменяя высоту h заполнения межэлектродного пространства водой, можно изменять мощность процесса нагрева. На рис.7.2, б приведена схема устройства трехэлектродного водонагревателя, подключенного к трехфазной сети.
Электродные нагреватели конструктивно просты, позволяют просто регулировать мощность нагрева и не боятся «сухого» включения. Однако они не позволяют осуществлять нагрев непроводящих сред. Вследствие прямого контакта электродов с нагреваемой средой требуют принятия особых мер электробезопасности: изоляция емкости, применение диэлектрических вставок на трубопроводы, заземление и зануление металлических нетоковедущих элементом и других.
|
| Рис.7.2 – Электродные нагреватели: а) двухэлектродный нагреватель; б) трехэлектродный (трехфазный) нагреватель |
Высокочастотный нагрев может быть использован для ряда процессов: сушки, обжарки, бланширования, пастеризации, стерилизации, размораживания и других. На рис.7.3 приведена упрощенная технологическая схема сушки продукта. Высушиваемый продукт распределяется на движущуюся ленту конвейера и проходит между пластинами рабочего конденсатора. Конденсатор питается током высокой частоты с выхода генератора высокой частоты (ГВЧ). Между пластинами конденсатора возникает высокочастотное электрическое поле, воздействующее на частицы продукта. В этих частицах наводятся токи (токи проводимости; токи, связанные с поляризацией веществ; токи смещения), вызывающие нагрев. Интенсивность нагрева тем больше, чем выше влажность частиц. Вода интенсивно испаряется. Для ускорения отвода водяных паров с помощью вентилятора продукт обдувается воздухом.
|
| Рис. 7.3 – Высокочастотная сушка |
Важным свойством ВЧ электромагнитного поля является его способность глубоко проникать в массу продукта. Благодаря этому обеспечивается глубинный прогрев и можно получить технологические результаты, недостижимые при других способах нагрева. Частота колебаний с выхода ГВЧ для разных процессов выбирается от единиц до десятков мегагерц.
7.3 Использование энергии оптических излучений
Оптическое излучение - это часть спектра электромагнитных колебаний с длиной волны от 10 нм до 340000 нм. Весь спектр оптических излучений разделяют на три больших области:
1. Ультрафиолетовое (УФ) излучение с длиной волны,
l = 10...380 нм;
2. Видимое излучение (ВИ), l = 380...760 нм;
3. Инфракрасное (ИК) излучение, l = 760...340 × 103 нм.
Для технологических целей используют УФ- и ИК-излучения. Видимое излучение используется для освещения рабочих мест, сигнализации и решения некоторых технологических задач.
Оптическое излучение оценивают энергетическими и эффективными величинами, предусмотренными Международной комиссией по освещению (МКО).
Энергетические величины учитывают количество энергии, переносимой излучением. Эффективные величины учитывают эффективность зрительного, бактерицидного, эритемного и других видов воздействия. Эффективность воздействия ИК - излучения определяется при помощи энергетических величин.
Единицей светового потока (Ф) является люмен (лм) 1 лм = 1/683 Вт при однородном излучении на длине волны 554 нм.
За единицу силы света (I) принята канделла (кд), которая характеризует силу света равномерно излучающего точечного источника, формирующего световой поток в 1 люмен внутри телесного угла ω величиной 1 стерадиан (ср).
. (7.1)
Под освещённостью (Е) понимают отношение светового потока (Ф), падающего на поверхность, к площади этой поверхности (S).
. (7.2)
За единицу освещённости принят люкс (лк). 1 лк = 1 лм/м2
Для потока ультрафиолетового и инфракрасного излучений используют свои, специфические единицы измерений (см. табл. 7.1). На практике также часто используют дольные единицы, такие как мэр (милиэритема), мб (милибакт) и др.
Облученность как и освещённость, измеряют в единицах: эр/м2; ар/м2; бакт/м2; фит/м2; для ИК излучения - Вт/м2.
Доза облучения (Д), характеризующая количество лучистой энергии, полученной объектом за время облучения Тобл, определяется как
Д = Е × Тобл. (7.3)
Измеряется Д в эр×ч/м2, бакт∙ч/м2 и т.д.
Для получения всех перечисленных видов излучений в качестве источников используют различные лампы, работающие на электрической энергии.
Источники излучений, в том числе и видимого излучения, оценивают светоотдачей (hс), под которой понимают отношение светового потока Ф, формируемого источником к электрической мощности Р, подводимой к этому источнику.
(7.4)
Таблица 7.1 - Единицы измерения потоков излучений
| Вид потока | Единицы измерения | Мощность, Вт | Эффективная длина волны, нм |
| Световой Эритемный Антирахитный Бактерицидный Фитопоток Поток ИК излучения | люмен (лм) эритема(эр) ар, Вт (а) бакт (Б) фит Ватт | 1/683 | - |
Важным эксплуатационным параметром излучения является также срок службы (Т), измеряемый в часах.
Лампа накаливания – до недавнего времени самый массовый источник светового излучения. Его преимущества: низкая цена, привычность, простота схем светильников, в которых он используется, малые габариты. Средняя световая отдача лампы с вольфрамовой спиралью равна примерно 12 лм/Вт. По сравнению с другими, это неэффективный источник света. Большая часть излучения спирали находится в невидимом ИК спектре. Проще говоря, такие лампы гораздо больше греют, чем светят.
Лампа накаливания состоит из стеклянного баллона, вольфрамовой нити накала и цоколя. Она работает в результате теплового излучения нити накала. В современных лампах нить выполнена в виде спирали из вольфрама (температура плавления 33700С). В зависимости от типа ламп нить накала может быть моноспиральной (односпиральной), биспиральной (дважды спиральной) и трижды спиральной. Температура накала нити достигает 2500...27000 С. В процессе горения лампы вольфрам постепенно испаряется и оседает на стенках колбы. Этот процесс обуславливает уменьшение светового потока, формируемого лампой, и является причиной выхода ее из строя. Срок службы ламп накаливания не превышает 1000 часов. Основные параметры ламп накаливания и других источников света приведены в табл. 7.2.
Разновидностью ламп накаливания являются галогенные лампы. По устройству они подобны лампам накаливания, однако есть и отличия. При их производстве используются гораздо более совершенные технологии и материалы. В объем колбы этих ламп вводятся йод, бромистый метил (СН3Вr) или метилен брома (СН2Вr2). Эти вещества испаряются при температуре в несколько сотен градусов Цельсия и соединяются с испарившимся вольфрамом, который оседает на стенках колбы. При этом образуются летучие соединения, которые взаимодействуют с вольфрамом спирали. За счет этих процессов, составляющих галогенный цикл, испаренный вольфрам возвращается на нить лампы. При этом температуру нити возможно повысить до 3000оС и срок службы лампы удлиняется в 2-3 раза. Возрастает так же светоотдача лампы до 20…30 люмен/ватт на протяжении всего срока службы без снижения светового потока.
В галогенных лампах необходимо строго обеспечивать расстояние между спиралью и стенками колбы, при котором галогенный цикл наиболее эффективен. Это расстояние значительно меньше, чем у обычных ламп накаливания, что обуславливает требование повышенной теплоустойчивости колбы. По этой причине галогенные лампы изготавливаются из кварца, цена их существенно выше, но и свойства намного лучше. Служит галогенная лампа около 4000 часов.
Люминесцентная лампа представляет собой трубку из обычного стекла, внутренняя поверхность которой покрыта белым кристаллическим веществом - люминофором. При облучении люминофора ультрафиолетовыми лучами он излучает видимый свет. На концах трубки закреплены электроды, подобные нитям ламп накаливания. Из трубки откачан воздух, а пространство заполнено разреженной смесью аргона и парами ртути при давлении не более 100 Па. Электрический ток, протекающий между электродами, вызывает в газовой смеси электрический разряд.
Возникающие в результате этого разряда ультрафиолетовые лучи облучают люминофор, и он начинает светиться видимым светом. Светоотдача люминесцентных ламп высокая, примерно 40 – 80 лм/Вт, цветопередача - около 85%, срок службы - 10 тысяч часов.
| Таблица 7.2 - Технические характеристики источников света | ||||
| Тип источника света | Мощность, Вт | Свето- отдача, лм/Вт | Средний срок службы, часы | Нижний предел температуры окружающей среды, °С |
| Лампы накаливания | 15- | 8-17 | Без ограничений | |
| Галогенные лампы | 100-5000 | 20-27 | Без ограничений | |
| Люминесцентные лампы | 4-80 | 48-80 | 10000- | До -5 |
| Компактные люминесцентные лампы | 3-57 | 65-80 | 5500- | До -20 |
| Дуговые ртутные лампы (ДРЛ) | 50-1000 | 50-54 | 12000-20000 | До -25 |
| Натриевые лампы высокого давления НЛВД (ДНаТ) | 50-1000 | 85-120 | 10000-12000 | Без ограничений |
| Светодиодные излучатели | От единиц мВт до десятков Вт | 150 и более | До 100000 | Без ограничений |
Из-за не слишком хороших характеристик по цветопередаче изготовители делят свои изделия на несколько групп по цвету излучаемого света и ставят соответствующие условные обозначения. За счет применения люминофора различного состава получают разные оттенки видимого излучения люминесцентных ламп - от холодного белого до теплого белого света.
Из приведенных в табл. 7.2 источников света в бытовых условиях и на производстве наиболее часто применяются лампы накаливания и люминесцентные лампы в светильниках, оборудованных электромагнитными пускорегулирующими аппаратами (ЭМПРА), в состав которых входит дроссель LL с фильтрующим конденсатором С1 и стартер SF с вспомогательным конденсатором С2 (Рис.7.4, а). Это наиболее дешевые энергосберегающие источники света. Более современные источники, получающие все большее практическое использование, – это галогенные лампы и светильники с люминесцентными лампами, оборудованные электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА, рис.7.4, б). Они дороже по стоимости, однако имеют лучшие световые и эксплуатационные характеристики.
|
| Рис. 7.4 – Схемы включения люминесцентной лампы: а) схема с ЭМПРА; б) схема с ЭПРА (электронный пускорегулирующий аппарат) |
В настоящее время находят всё более широкое распространение новые разработки люминесцентных источников света - компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), которые имеют цоколь, как и у ламп накаливания и оборудованы ЭПРА. Они обладают светоотдачей до 50 лм/Вт и выше и больший (5-8 раз), чем у ламп накаливания срок службы. КЛЛ не содержат ртуть в чистом виде, а только в виде амальгамы.
Дуговые ртутные люминесцентные лампы высокого давления типа ДРЛ имеют преимущества по сравнению с люминесцентными лампами: высокая световая отдача - до 50 лм/Вт, отличаются большой электрической мощностью и значительным световым потоком.
Лампа ДРЛ (рис. 7.5, а) представляет собой стеклянный баллон, внутри которого находится ртутно-кварцевая горелка. Баллон заполнен углекислым газом и изнутри покрыт люминофором, который преобразует спектр ртутной кварцевой горелки в видимое излучение. Лампы ДРЛ выпускают в основном четырёхэлектродными. Четырёхэлектродная лампа имеет два дополнительных электрода, расположенных рядом с главными и соединёнными с противоположными катодами посредством дополнительного сопротивления. Дополнительные электроды служат для облегчения зажигания лампы. При включении лампы между дополнительными электродами и ближайшими катодами возникает тлеющий разряд, обеспечивающий необходимую ионизацию газа. В результате ионизации разряд устанавливается между основными электродами, так как сопротивление газового промежутка между ними меньше сопротивления включенных в сеть дополнительных электродов. Срок службы четырёхэлектродных ламп около 8000 ч.
Пускорегулирующие аппараты четырёхэлектродных ламп изготавливают для напряжения 220 В. На рисунке 7.5, б показана схема включения четырёхэлектродной лампы. Она состоит из дросселя LL и конденсатора С. Эту схему применяют для зажигания четырёхэлектродной лампы при комнатной температуре. Для зажигания ламп при низких температурах (до –300 С) применяют схему включения, изображённую на рисунке 7.5, в. В этом случае лампу включают через трансформатор ТV с большим рассеиванием. Трансформатор даёт возможность в момент зажигания получить импульс напряжения до 300 В и больше.
Лампы ДРЛ чаще всего применяются для уличного и производственного освещения, то есть для условий, когда не предъявляется особых требований ко времени включения и цветопередаче.
Улучшить состав спектра разрядных ламп высокого давления можно без люминофора, путем введения в объем ртутно-кварцевой горелки йодидов некоторых металлов. Такую конструкцию имеют металлогалогенные лампы (МГЛ) типа ДРИ. Такие устройства позволяют без люминофора получать спектры видимого излучения при высоком КПД (см. табл.7.2).
|
| Рис. 7.5 – Лампа ДРЛ и схемы ее включения: а) конструкция лампы; 1-внешняя стеклянная колба; 2-слой люминофора; 3-разрядная трубка из кварцевого стекла; 4-рабочий электрод; 5-зажигающий электрод; 6-ограничительные резисторы; б) схема включения при температуре среды до –14…-20оС; в) для зажигания при температуре до –30оС |
Еще больший световой КПД имеют лампы с наполнением из натрия вместо ртути (НЛВД). Ввиду высокой агрессивности паров натрия разрядная колба выполняется из чистой окиси алюминия. Кроме того, в этих лампах для нормальной работы необходимо строго выдерживать температурный режим, что требует усложнения пускорегулирующей аппаратуры. Эти обстоятельства удорожают применение данных источников света.
Светодиоды в качестве источников света начали применяться в шестидесятых годах XX века. Принцип действия светодиодов, как полупроводниковых приборов, основан на преобразовании электрической энергии непосредственно в световое излучение. Первые светодиоды излучали только красный, желтый и зеленый свет, давали световой поток величиной около долей люмена, что позволяло их использовать только в качестве индикаторов в разнообразных технических устройствах. В 1985 г. были разработаны светодиоды со световым потоком от 1 до 100 лм, которые начали применяться в качестве световых элементов в системах освещения автомобилей и других транспортных средств. К 1990 г. световая отдача светодиодов достигала 10 лм/Вт, т.е. стала примерно такой же, как и у ламп накаливания. Однако для систем искусственного освещения светодиоды были практически непригодны, так как не излучали белый свет. Разработка в 1993 г. синего светодиода дала мощный толчок для дальнейшего развития светодиодной техники, так как комбинация синего, зеленого и красного способна давать белый свет и, значит, создавать разнообразные оттенки светового излучения. С середины 90-х годов прошлого века светодиоды широко применяются в системах визуализации информации, а также разрабатываются светодиодные устройства для осветительных установок. При этом большое внимание уделяется снижению себестоимости производства светодиодов, поскольку именно высокая цена является основным фактором, сдерживающим массовое их применение в качестве источников видимого света.
Схема включения одиночного светодиода (VD2) приведена на рис. 7.6. При напряжении питания U~ = 2…5 В потребляемый ток ограничивается резистором RОГР. Вспомогательный диод VD1 необходим для выпрямления переменного напряжения U~.
Длина волны светового излучения светодиода, то есть его цвет, зависит в основном от химического состава используемых полупроводниковых материалов.
|
| Рис. 7.6 – Схема включения светодиода |
Важнейшими материалами, применяемыми в светодиодах, являются алюминий, галлий, индий, фосфор, которые используются для получения светового излучения в диапазоне от крас-
ного до желтого цвета, с длиной волны λ = 760-560 нм. С помощью индия, галлия и азота получают зеленое, голубое и синее свечение (λ = 560-450 нм). Добавление люминофора к кристаллу, вызывающего голубое свечение, позволяет получить светодиод с белым цветом светового излучения. Усиления яркости свечения светодиодов добиваются введением в полупроводниковые материалы специальных добавок и присадок, а также применением многослойных структур (так называемых гетероструктур), что позволяет реализовать в одном кристалле множество р-п - переходов.
Светодиоды имеют разное конструктивное исполнение. Однако в любом случае основой светодиодов являются полупроводниковые кристаллы, в которых реализованы р-п-переходы. Кристаллы могут иметь размеры от 0,18 до 1мм. Обычно кристалл помещается в медную или алюминиевую полированную чашечку, которая служит светоотражателем. Светодиодные лампы содержат несколько десятков светодиодных излучателей.
В ближайшем будущем ожидается массовое внедрение как на производстве, так и в быту световых приборов, оснащенных полупроводниковыми светодиодными излучателями. На данный момент светодиодные лампы еще нельзя считать равноправными соперниками другим светильникам в сфере бытового и производственного освещения. С другой стороны, есть немало областей, в которых светодиоды уже вытеснили конкурентов практически полностью, например, в сфере индикации.
Главное достоинство светодиодной лампы - высокая долговечность, срок службы доходит от 25 000 до 100 000 часов, что составляет при непрерывной работе от 3 до 12 лет. Светоотдача до 100…140 лм/Вт и более. Хотя цветопередачу светодиодов нельзя назвать даже средней, они излучают свет в довольно узком спектре, можно подобрать практически любой цвет излучения. За счет высокой светоотдачи светодиоды нагреваются столь незначительно, что их можно применять там, где очень важно сохранить температурный режим, например, в холодильных камерах. Стандартные цоколи позволяют вворачивать светодиодные лампы в патроны для любых других ламп.
Светодиодные излучатели используются в широком диапазоне мощностей - от декоративного микроосвещения и сигнализации до мощных прожекторов. Они обладают высокой механической прочностью, надежностью и виброустойчивостью.
В качестве источников ультрафиолетового излучения применяют ртутно-кварцевые лампы различных конструкций.
Ртутно-кварцевая лампа ДРТ (дуговая ртутная трубчатая) представляет собой трубку из кварцевого стекла, заполненную аргоном и небольшим количеством ртути (давление до 98 кПа). Кварцевое стекло хорошо пропускает не только видимые, но и ультрафиолетовые лучи. Внутри кварцевой трубки, у её концов, вмонтированы вольфрамовые электроды, на которые навита спираль, покрытая слоем оксида. Во время работы лампы между электродами возникает дуговой разряд, являющийся источником ультрафиолетового излучения.
Лампы ДРТ чувствительны к изменению напряжения. При снижении напряжения в сети на 10% она может не загореться. Срок службы лампы составляет около 800 ч. Лампы ДРТ используют в сети переменного тока 127 и 220 В. Нормальное расположение лампы при работе - горизонтальное. ДРТ применяют с профилактической и лечебной целями в медицине. Их используют также для люминесцентного анализа.
Эритемные люминесцентные лампы типа ЛЭ (люминесцентная эритемная) имеют устройство, аналогичное люминесцентным осветительным лампам, но отличающееся от них составом люминофора и сортом стекла трубки. Трубка лампы ЛЭ выполнена из увиолевого стекла, хорошо пропускающего ультрафиолетовое излучение и не пропускающего лучи с волной короче 253,7 нм. Состав люминофора подбирают таким, чтобы он излучал поток с длинами волн в пределах 280...320 нм. Это соответствует «мягкому» ультрафиолетовому излучению.
Лампы ЛЭ-15 мощностью 15 Вт рассчитаны на напряжение 127 и 220 В, а лампы ЛЭ-30 - на 220 В. При работе лампа даёт слабое голубое свечение - в видимой части спектра светятся пары ртути. Схема включения эритемных ламп аналогична схеме включения люминесцентных (Рис.7.4).
Бактерицидные лампы типа ЛБ (лампа бактерицидная) устроены подобно люминесцентным лампам. Трубки из увиолевого стекла хорошо пропускают бактерицидное излучение с длиной волны 254 нм. Люминофором трубка не покрыта.
Бактерицидные лампы изготовляют четырёх марок: ДБ-15 и ДБ-30 для работы при температуре окружающей среды 10...150 С, ДБ-30П и ДБ-60П (буква П означает повышенную плотность тока) для работы при температуре 15...250 С. Средний срок службы ламп 1500 ч. В конце этого срока бактерицидный поток составляет 50% от номинального.
Схема включения бактерицидных ламп аналогична схеме включения эритемных и люминесцентных ламп. Бактерицидные лампы применяют для обеззараживания воздуха в помещениях, обеззараживания питьевой воды, а также продуктов, оборудования и тары на пищевых предприятиях.
Ультрафиолетовые излучения вызывают конъюнктивит - болезненное воспаление глаз, поэтому работать с такими с источниками необходимо в очках с защитными стеклами.
В практике получили распространение два типа инфракрасного излучения: светлое - на основе ламп, и тёмное - на основе трубчатых электронагревателей - ТЭНов.
Промышленность выпускает лампы типа 3С на напряжение 127 и 220В мощностью 250 и 500 Вт. Они представляют собой колбу параболической формы с внутренним зеркальным покрытием. Температура нити накала этих ламп по сравнению с обычными осветительными лампами аналогичной мощности понижена, в результате чего срок их службы увеличен до 2000...10000 ч. Нить расположена в фокусе колбы, которая концентрирует лучистый поток в определённом направлении. Лампы типа 3С не требуют дополнительных отражающих устройств, что удобно в эксплуатации.
Инфракрасные лампы (лампы-термоизлучатели) ИКЗК-220-250 по конструкции аналогичны лампам типа 3С, но имеют колбу из цветного стекла. Мощность ламп - 250 Вт, питающее напряжение -220 В.
Для защиты ИК-ламп от механических повреждений и капель влаги применяют специальную арматуру.
ТЭНы используют в конструкциях, где необходимо создать поток инфракрасного излучения большой мощности.
7.4 Электрохимия и ее использование
Электрохимия - это раздел физической химии, где разрабатывются научные основы электролиза, гальванотехники, создания химических источников тока и других процессов, связанных с протеканием электрического тока в средах, содержащих подвижные ионы.
Под электролизом понимают совокупность электрохимических окислительно-восстановительных процессов, происходящих на погруженных в электролит (проводящую жидкость) электродах под воздействием электрического тока.
Осуществляют электролиз в устройствах, называемых электролизерами (Рис. 7.7). В качестве электролитов могут выступать водные растворы солей, кислот, щелочей и другие проводящие среды.
|
| Рис. 7.7 – Электролизеры: а) простейший электролизер; б) диафрагменный электролизер |
При прохождении тока через электролит (Рис. 7.7.6, а) отрицательно заряженные ионы (анионы) движутся к положительно заряженному аноду. Положительные ионы (катионы) движутся к отрицательному электроду – катоду. Анионами являются молекулы кислорода, хлора, сульфат анионы и другие (Табл. 7.3). В качестве катионов выступают ионы металлов и водорода.
| Таблица 7.3 - Электролиз некоторых веществ. | ||
| Электролит | Анион | Катион |
| Соляная кислота (HCl) Серная кислота (H2SO4) Поваренная соль (NaCl) Едкий натр (NaOH) Сульфат меди (CuSO4) | Cl2 O2 (из SO4) Cl2 O2 (из OH) O2 (из SO4) | H2 H2 Na H2 Cu |
В процессе электролиза на электродах выделяется металл и водород (на катоде), на аноде – молекулярный остаток.
Массу т выделившегося вещества можно определить согласно первому закону Фарадея:
m = k Q; мг, (7.5)
где k – электрохимический эквивалент, мг/Кл (Табл. 7.4);
Q – переносимый заряд, Кл.
Заряд Q, необходимый для выделения 1 моля вещества, для всех электролитов одинаков. Он равен произведению постоянной Авогадро NA = 6,022045∙1023 моль-1 и элементарного электрического заряда е = 1,6021892∙10-19 Кл и называется числом Фарадея:
F = NA e = 9,648456∙104 Кл/моль. (7.6)
С помощью электролиза можно получать растворы с различными свойствами. Если электролизер оборудовать ионопроницаемой диафрагмой (Рис. 7.6, б), то с помощью электролиза можно получать растворы с различными свойствами. Вещества, выделяющиеся в анодной области, не будут проходить через диафрагму в катодную область и наоборот. Растворы этих веществ образуют анолит и католит. Например, если в качестве электролита использовать водный раствор поваренной соли, то получим католит в виде щелочного раствора (рН = 8…12), обладающий хорошими моющими свойствами, и «кислотный» анолит (рН = 2…4), который может использоваться для дезинфекции, растворения солевых отложений на стенках оборудования и для других целей.
| Таблица 7.4 - Электрохимические эквиваленты некоторых веществ | ||
| Вещество | Валентность | k, мг/Кл |
| Алюминий Водород Железо Кислород Натрий ОН-группа Хлор | 0,0932 0,01045 0,1929 0,0829 0,2383 0,1763 0,3674 |
Посредством электролиза достаточно просто осуществить электрофлотацию, позволяющую разделять жидкие неоднородные системы (мутные фруктовые соки, сточные воды и др.). Сущность этого метода состоит в разложении путем электролиза воды на водород и кислород в виде очень мелких пузырьков, осаждающихся на поверхности твердых частиц, которые будут увлекаться вверх и всплывать. При этом в основном используются пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде, так как они обладают большей подъемной силой и их в два раза больше.
Например, при очистке виноградного сока применение электрофлотации дает высокий производственный эффект. Причем электрофлотация не влияет на содержание сахара, сухих, дубильных, зольных и красящих веществ, щелочность и рН среды. При реализации данного процесса желательно использование диафрагменного электролизера.
Очистка сточных вод протекает более благоприятно в присутствии кислорода, поэтому при электрофлотации диафрагма не используется. Толщину слоя жидкости пронизывают пузырьки водорода и кислорода, что обеспечивает определенное бактерицидное действие. Так, при электрофлотации сточных вод мясокомбината удается извлекать до 90-95% жира. Это очень высокий показатель по сравнению с другими используемыми методами.
Электрокоагуляция, как частный случай электрофлотации, позволяет эффективно осуществлять выделение из растворов каллоидных частиц и дает хорошие результаты при выделении белка из молочной сыворотки, белка картофеля из сока картофеля при производстве крахмала, при очистке сточных вод и при других процессах. В ряде случаев используются растворимые аноды из алюминия, железа. Материал анода при этом выступает в качестве коагулянта.
8 Технические основы электробезопасности
8.1 Особенности и факторы опасности