Слайд 1Электротехнологии
часть 2
сост. Пустовой С.А.
2015
Слайд 2ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ
Под электротехнологией понимают область науки и техники, охватывающую изучение и
использование технологических процессов, в которых электрическая энергия участвует непосредственно в
технологическом процессе, преобразуясь в рабочей зоне и в объекте обработки в тепловую, электромагнитную, химическую, механическую и (или) другие виды энергии.
В зависимости от вида преобразованной энергии различают процессы электротермии, электрохимии, электрофизики, электробиологии и процессы электронно–ионной технологии, протекающие в различных средах и специфически воздействующие на продукт обработки.
Слайд 3ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
технологии, основанные на применении сильных электрических полей (электронно-ионные технологии)
электроимпульсные технологии
плазмохимические технологии
Слайд 4ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Если частицам мелкодробленого (диспергированного) материала сообщен некоторый заряд, то
на эти частицы в электрическом поле действует сила F =
E*q, которая заставляет частицы двигаться
Слайд 5ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Преимущества
Непосредственное воздействие электрической энергии на обрабатываемый материал (без
дополнительных потерь, сопровождающих эти промежуточные трансформации)
Все вещества в природе
(проводящие, полупроводящие, диэлектрические) могут тем или иным способом быть заряжены и далее подвергнуты силовому воздействию электрического поля. (универсальность методов рассматриваемой технологии)
Данные методы позволяют обеспечить легкое и универсальное управление процессами за счет возможности плавного регулирования в широких пределах величины напряжения (возможность обеспечения высокого класса точности)
Слайд 6ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
К недостаткам можно отнести то, что:
наиболее эффективное воздействие электрических
полей на сырье проявляться в случае, если последнее находится в
диспергированном состоянии.
В тоже самое время огромная же масса обрабатываемого сырья по своей природе либо уже находится в диспергированном состоянии, либо легко может быть приведена в такое состояние при добыче и последующей обработке (добыча полезных ископаемых)
Слайд 7АЭРОИОНИЗАЦИЯ
Аэроионизация образование в воздухе газовых ионов при воздействии внешних
ионизаторов.
Различают естественную и искусственную аэроионизацию.
Естественная
воздействие электрических зарядов
в атмосфере,
воздействие ультрафиолетовых и корпускулярных излучений солнца,
воздействие радиоактивных веществ,
сильное разбрызгивание воды.
Искусственная
вызывается спец. установками — аэроионизаторами.
Слайд 8АЭРОИОНИЗАЦИЯ
В животноводческих помещениях применяют аэроионизаторы, основанные на использовании высокого
напряжения тока, обусловливающего коронный разряд.
Установлено, что аэроионизация стимулирует обменные
процессы у животных, усиливает гемопоэз, положительно влияет на молочную продуктивность коров, откорм свиней и яйценоскость кур.
Отрицательные аэроионы стимулируют рост и развитие молодняка с.-х. животных, а также сперматогенез и воспроизводительные функции быков.
Механизм воздействия аэроионизации заключается в непосредственном действии лёгких отрицательных ионов на нейрогуморальную регуляцию функций организма, преимущественно через слизистые оболочки дыхательных путей и кожу.
Слайд 9АЭРОИОНИЗАЦИЯ
Находящиеся в воздухе частицы пыли и влаги под действием
аэроионизации заряжаются до определённого потенциала и, двигаясь вдоль силового электрич.
поля, оседают на пол, стены, потолок. Вместе с ними оседают и микроорганизмы. Искусственная аэроионизация в животноводческих помещениях целесообразно применять в сочетании с вентиляцией, т. к. её эффективность зависит от чистоты воздуха в помещениях.
Использование аэроионизации для профилактики и лечения болезней животных требует разработки лечебных дозировок и режимов для разных видов животных, конструирования аэроионизаторов, более удобных в работе, чем существующие.
Слайд 10ФОРМЫ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЧАСТИЦЫ СЫРЬЯ И КОНЕЧНЫЙ
РЕЗУЛЬТАТ
Частицы вещества при помещении их в электрическое поле поляризуются. Если
они продолговатой формы, то возникают силы, ориентирующие частицы по силовым линиям поля. Эта способность лежит в основе технологий изготовления текстильных и композиционных материалов - Электропрядение
Так как свойства отдельных частиц отличаются, то возникают силы, которые кроме ориентации заставляют частицы двигаться с различными скоростями и по различным траекториям. Это позволяет осуществлять сепарацию и классификацию частиц по диэлектрическим свойствам, электропроводности и размерам - Электросепарация
Слайд 11ФОРМЫ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЧАСТИЦЫ СЫРЬЯ И КОНЕЧНЫЙ
РЕЗУЛЬТАТ
При наличии избыточного электрического заряда частицы независимо от физических свойств
будут двигаться в электрическом поле по направлению к электродам, имеющим заряд противоположный по знаку заряду частиц. Это позволяет выделять частицы из несущей их газовой среды, т.е. осуществлять очистку газа от жидких и твердых диспергированных материалов – Электрофильтрация
Частицы, осаждаясь на электрод, удерживаются на его поверхности за счет сил зеркального отображения, создавая плотный слой. При этом имея одноименный заряд, частицы расталкиваются и обеспечивают равномерность покрытия - Нанесение полимерных порошковых покрытий.
Слайд 12ФОРМЫ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ЧАСТИЦЫ СЫРЬЯ И КОНЕЧНЫЙ
РЕЗУЛЬТАТ
Взаимодействие зарядов, осажденных на поверхность фотополупроводников, с заряженными частицами проявляющих
материалов приводит к их избирательному осаждению - Электропечать
Зарядка частиц диспергированных материалов разноименными зарядами позволяет произвести однородное смешивание материалов
Воздействие сильного поля коронного разряда на сельскохозяйственную продукцию с целью увеличения сроков его хранения.
Слайд 13КОРОННЫЙ РАЗРЯД (КАК ИСТОЧНИК ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ)
Коронный разряд
это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных
полях.
Главной особенностью этого разряда является то, что ионизационные процессы электронами происходят не по всей длине промежутка, а только в небольшой его части вблизи электрода с малым радиусом кривизны (так называемого коронирующего электрода).
Эта зона характеризуется значительно более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка.
Слайд 14КОРОННЫЙ РАЗРЯД (КАК ИСТОЧНИК ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ)
Подвижность ионов
определяется как скорость движения ионов в поле единичной напряженности и
зависит от времени существования ионов.
С течением времени подвижность ионов уменьшается за счет увеличения эквивалентной массы ионов в результате присоединения нейтральных молекул к первичному иону или электрону.
В диапазоне времен до 0,5 мс подвижности положительных и отрицательных ионов постоянны и составляют:
K + = 2,1 см2 / (В*с),
k - = 2,24 см2 / (В*с).
Слайд 15ЭЛЕКТРОПРЯДЕНИЕ
Принцип электропрядения (электроспиннинга) заключается в следующем.
При наложении электрического поля
на металлический капилляр с жидкостью (расплавом или раствором полимера) она
заряжается, и плоский мениск становится вы пуклым.
При определенных условиях, в частности, напряженность поля, вязкость, скорость подачи жидкости, поле начинает вытягивать ее струйку, сечение которой оказывается меньше диаметра капилляра.
Если к тому же это был раствор полимера, то из-за испарения растворителя волокно становится еще тоньше. Можно добиться, что его диаметр составит всего несколько нанометров. Изменяя условия процесса, можно распылить жидкость и получить не нановолокна, а наношарики.
Слайд 17ЭЛЕКТРОСЕПАРАЦИЯ
Предназначены для очистки семян различных культур.
Электросепараторы состоят из следующих основных
элементов:
- коронирующего и осадительного электродов,
- дозирующего и приемного бункеров,
- вспомогательных
устройств.
По конструкции делятся на: камерные, решетчатые, барабанные и цилиндрические.
Слайд 18ЭЛЕКТРОСЕПАРАЦИЯ
Принцип действия зерноочистительных машин состоит в следующем.
Попадая из «бункера-дозатора» (1)
в поле коронного разряда, семена заряжаются и ориентируются вдоль силовых
линий попя. Под действием силы «Fэ» электрического поля перемещаются от коронирующего электрода (2) к осадительному (3). Степень перемещения зависит от вида семян и их электрофизических свойств.
Имея различную массу, а следовательно, и силу тяжести «Fт», семена сортируются по различным ячейкам приемного бункера.
Камерные установки имеют, обычно, проволочные электроды, а на семена действует результирующая двух сил: поля «Fэ» и тяжести «Fт». Движущиеся части отсутствуют.
Решетчатые установки имеют плоские электроды, причем, осадительный — в виде решетки. Так как электроды располагаются наклонно, на семена действует результирующая трех сил: поля «Fэ» тяжести «Fт» и трения «Fтр». Движущиеся части отсутствуют.
Барабанные установки имеют подвижный осадительный электрод в виде барабана. При вращении барабана, на семена, подаваемые тонким слоем на его поверхность, действует результирующая четырех сил: поля«Fэ» центробежная «Fц» тяжести «Fт» и трения «Fтр».
Сила поля «Fэ» удерживает семена на поверхности барабана. Она зависит от диэлектрической проницаемости.
Под действием результирующей силы семена в нижней части барабана в разных местах отрываются, что позволяет из одной и той же партии семян, предварительно очищенных другим способом, выделить фракции с однородными качественными показателями. Если семена остались на барабане, то они снимаются щеткой (5).
Диэлектрический сепаратор аналогичен барабанному, но электрическое поле создается намотанными параллельно в один слой изолированными проводами (8) на диэлектрический барабан (6). Питание подается от сети через токоподводящие кольца (7).
Обработка семян в электрическом поле повышает их всхожесть, энергию прорастания, выживаемость и урожайность.
Слайд 20ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Электрообработка грубых кормов
Электроосмос
Электрорассоление почв
Воздействие электрического тока на
растения
Слайд 21ЭЛЕКТРООБРАБОТКА ГРУБЫХ КОРМОВ
Это электрический способ обработки соломы, в котором сочетается
тепловое и химическое действие электрического тока.
Установка для обработки соломенной
резки переменным током представляет собой ящик, разделенный на три равные части. На дне каждого отсека и сверху на соломенной резке устанавливают электроды из листовой стали, нижние электроды присоединяют к нулевому, а верхние — к фазным проводам сети. Установку загружают соломенной резкой, увлажняют 2-процентным содовосолевым раствором кальцинированной соды и поваренной соли и включают в сеть.
Нагревание соломенной резки при прохождении через нее переменного тока ускоряет химические реакции. При этом пар способствует протеканию реакций, обеспечивая существенное изменение углеводно-лигнинового комплекса соломы. В результате такой обработки переваримость и усвояемость соломенной резки повышается в 1,5—2 раза.
Слайд 22ЭЛЕКТРООСМОС
Электро-химический метод заключается в применении электроосмоса одновременно с инъекцией
закрепляющего реагента, например жидкого стекла. Электроосмос применяется для глинистых грунтов
с малым коэффициентом водопроницаемости; воздействие-постоянного тока на оболочки рыхлосвязанной с поверхностью минеральных частиц воды делает ее подвижной (по направлению к катоду) и увеличивает водопроницаемость грунта, чем и можно воспользоваться для инъецирования в процессе электроосмоса в грунт тех или иных закрепляющих химических реагентов.
Следует иметь в виду, что применение электроосмоса для осушки и укрепления грунтов связано со значительной водоудерживающей способностью большей части грунтов - пород осадочного типа, составляющих значительную часть наружного покрова земной коры, и, следовательно, малой прочностью многих естественных грунтов для возведения строительных сооружений.
Слайд 23ЭЛЕКТРООСМОС
Эффективнее этот вопрос может быть решен применением электроосмоса; Если
на плуг, заглубленный в почву, подавать постоянный электрический ток таким
образом, чтобы лемех и отвал являлись катодом, то под действием электроосмоса почвенная вода будет передвигаться и смачивать их. Между поверхностью плуга и почвенными частицами образуется водная пленка, которая будет способствовать уменьшению трения и прилипания.
С помощью электроосмоса предварительно перед высушиванием можно удалять избыточную воду из различных осадков. Применение электроосмоса при фильтровании значительно ускоряет этот процесс. Фильтр-прессы, работа которых основана на фильтровании под давлением в сочетании с электроосмосом, называются электроосмотическими фильтр-прессами.
Слайд 24ЭЛЕКТРОРАССОЛЕНИЕ ПОЧВ
Значительное увеличение производства сельскохозяйственной продукции и в первую очередь
зерна можно получить путем рассоления засоленных почв и ввода их
в эксплуатацию.
Наряду с другими способами особого внимания заслуживает восстановление плодородия засоленных почв при помощи постоянного тока.
Засоленные почвы содержат углекислую и двууглекислую соду, легко растворимые минеральные соли соляной кислоты и другие, большая часть которых вредно отражается на росте и развитии сельскохозяйственных растений. Соли проникают в корневую систему из ризосферы, возникает значительное осмотическое давление внутри корневой системы, и растение теряет способность поглощать питательные вещества из почвенной среды.
Протекая через засоленную водонасыщенную почву, постоянный ток увеличивает растворимость и подвижность труднорастворимых солей, а также вызывает электролиз и электроосмос в почве, что совместно с гидродинамическими потоками увеличивает солевую отдачу почвы.
Исследования показали, что наиболее интенсивно процесс рассоления щелочных сульфато-хлоридных солончаковых почв происходит при плотности постоянного тока 0,1 А/м2. Генетический горизонт в этом случае составляет 69—80 см. Электроды могут быть трубчатые или пластинчатые.
Слайд 25ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА РАСТЕНИЯ
Еще И. В. Мичуриным было отмечено
положительное влияние электризации почвы при выращивании сеянцев винограда, груш, яблонь
и др.
При эксплуатации сельских линий электропередач, выполненных по системе ДПЗ, было замечено, что вдоль трассы линий вырастала пышная растительность. Положительный эффект наблюдался при выращивании овощных культур в парниках с электродным обогревом почвы.
Переменный ток плотностью 0,5 мА/см2 оказывает наибольшее благоприятное действие на корневую систему овощных культур, особенно при угольных электродах.
Исследования действия постоянного тока с меньшими плотностями показали, что наибольший сбор зеленой массы салата и редиса был получен при плотности тока в почве 0,01 мА/см2.
Увеличение урожая при плотностях 0,5 мА/ см2 переменного и 0,01 мА/ см2 постоянного тока составляло 40% по сравнению с контролем. При этом длительность прохождения тока в почве была 12 ч ежесуточно в дневной период.
При переменном токе плотность 0,5 мА/см2, помимо благоприятного воздействия на растения, достаточна для обогрева почвы в теплицах и парниках в холодное время года, а при постоянном токе плотность 0,01 мА/см2 весьма мала и будет лишь обеспечивать положительное электрическое воздействие на корневую систему растений.
Слайд 26ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЕ УСТАНОВКИ
Электрические изгороди
Электроискровая обработка металлов
Электрогидравлический эффект и его использование
Слайд 27ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗГОРОДИ
Электрическая изгородь представляет собой стальную проволоку, закрепленную на изоляторах,
на которую импульсами подается высокое напряжение от специального электропульсатора.
Во
время прикосновения к изгороди происходит электрический удар, который не представляет опасности для жизни и здоровья животных, но достаточен для вырабатывания условного рефлекса «боязни» прикосновения к ограждающей проволоке.
Исследования и практика использования электрических изгородей показали, что количество электричества до 3 мА∙с, прошедшее через животное, не опасно для его здоровья.
Слайд 29ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗГОРОДИ
Электрические изгороди применяются для загонной пастьбы скота, свиней, овец
и других животных, а также для ограждения летних лагерей, выгульных
площадок, прогонов, стогов сена, участков культур и других мест, охраняемых от животных или опасных для них
Электрическая изгородь состоит из ограждения, генератора электрических импульсов высокого напряжения и источника питания. Ограждение выполнено в виде изгороди в один или несколько проводов мягкой стальной оцинкованной проволоки диаметр» 1 — 1,5 мм, подвешенной на изоляторах опорных стоек. Число проводов, высоту подвеса и расстояние между стойками выбирают в зависимости от вида и возраста животных
Слайд 30ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Обработка металлов импульсами электрического тока называется электроэрозионной или
электроискровой обработкой.
Электроискровой метод обработки металлов основан на использовании явления электрической
эрозии металлов, то есть разрушения электродов под действием электрического разряда. Сущность способа электроискровой обработки металлов заключается в использовании разрушающего действия электрических искровых разрядных импульсов между электродами, сближаемыми на расстояние, пробиваемое данным напряжением. Каждый искровой импульс вызывает местное разрушение материала анода в виде углубления — лунки.
Слайд 31ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Слайд 32ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Сущность явления электрогидравлического эффекта заключается в
том, что при высоковольтном разряде в жидкости в зоне разряда
возникают большие импульсные давления, передаваемые распространяющимися волнами во все стороны и механически воздействующие на встречающиеся предметы.
Так как заряжаемые до напряжения пробоя искровых промежутков высоковольтные конденсаторы разряжаются в течение весьма короткого времени ( с) на очень малое сопротивление канала разряда, процесс разряда происходит почти мгновенно, подобно взрыву, при больших мгновенных значениях тока порядка десятков - сотен килоампер и мощности в десятки — сотни тысяч киловатт, вызывающих высокую температуру в канале разряда около нескольких десятков тысяч градусов.
Слайд 33ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
По мере развития разряда искровой канал
в жидкости расширяется по отношению к размерам начальной стадии разряда.
Поскольку этот процесс происходит почти мгновенно при практически несжимаемой жидкости, то образуется ударная волна большой силы, распространяющаяся во все стороны с огромной скоростью.
Давление на фронте ударной волны достигает нескольких сотен миллионов паскалей.
С уменьшением силы тока в разрядном контуре и расширением канала разряда плотность тока в канале уменьшается, плазма остывает и деионизируется, превращаясь в пары и газы, образуя парогазовую полость. По мере расширения полости вследствие движения жидкости и ее инерции при движении давление в полости падает и в конечной фазе становится меньше атмосферного. Полость начинает сжиматься, а затем снова расширяться, придавая этим процессам кавитационный характер.
При электрогидравлическом эффекте электрическая энергия преобразуется непосредственно в механическую с высоким к. п. д.
Слайд 34ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В технологии машиностроения и металлообработке
очистка
снятие внутренних
напряжений(старение материалов)
штамповка металлов
молоты, вибраторы, насосы
раздача, развальцовка, обжатие
упрочнение и наклеп
сварка, спекание, покрытия
получение коллоидов и уплотнение порошков
транспортные устройства
Слайд 35ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В горном деле и промышленности строительных
материалов
взрыватели
устройства для бурения и резания горных пород
устройства для погружения
свай
устройства для дробления различных материалов
устройства для коллоидного обогащения руд и бесшахтной добычи полезных ископаемых
устройства для активации и регенерации горных пород
геолокаторы и гидролокаторы
Слайд 36ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В химической промышленности
эмульгаторы и деэмульгаторы
выделение газов из жидкостей и получение пены
устройства для очистки
топливных жидкостей
отделение резины от корда
устройства для очистки и обеззараживания жидкостей и органических субстратов
Слайд 37ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В агропромышленных отраслях
почвообрабатывающие устройства
устройства для
производства мелиоративных работ
устройства для прокладки высоковольтных кабелей
устройства для орошения
устройства для очистки, обеззараживания и утилизации животноводческих стоков
устройства для производства торфяной пульпы и обогащения торфа
устройства для дражирования семян
устройства для дробления органических материалов и приготовления растительных и животных кормов
устройства для комплексной обработки сельскохозяйственных продуктов
Слайд 38УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Ультразвук представляет собой периодические механические упругие колебания с частотой,
превышающей верхнюю границу слышимости человеческого уха.
Средой распространения ультразвука могут
быть газы, жидкости и твердые тела.
Границы слышимых звуков у разных людей не одинаковы и изменяются с течением времени.
Принято считать область слышимых звуков от 16 до 16∙103 Гц и колебания от 16∙103 до 1010 Гц ультразвуковыми.
Для технических целей наибольшее распространение получил диапазон частот в пределах от 16 да 1600 кГц.
Слайд 39УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Периодически изменяющее свои размеры тело создает в окружающей его
среде периодические процессы сжатия и разряжения, распространяющиеся по этой среде.
Тело при расширении сжимает непосредственно примыкающий к нему слой среды, который, в свою очередь, передает это сжатие следующему прилегающему слою. Частицы среды, упруго взаимодействуя, движутся вдоль распространения сжатия. Состояние сжатия проходит через всю среду. В следующий момент, когда тело начинает сжиматься, сжатые слои среды получают возможность расширяться. Частицы среды начинают перемещаться в обратную сторону.
Создаваемые в окружающей среде упругие напряжения сжатия и разряжения возбуждают колебания частиц среды около положения равновесия. Эти чередующиеся процессы сжатия и разряжения, распространяющиеся во все стороны, и есть звуковые волны.
Различают три основных типа волн: продольные, поперечные и поверхностные.
Если изменение объема тела во времени происходит по гармоническому закону, то и вызываемые им ультразвуковые колебания будут гармоническими.
Слайд 40УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Разделение частиц в неоднородных суспензиях возможно на основании того,
что в ультразвуковом поле переменное движение частиц, обладающих неодинаковой массой,
различно и зависит от частоты колебательного процесса. С увеличением частоты колеблются только наиболее мелкие частицы, а относительно крупные совершают движения по сложным траекториям.
Коагуляция заключается в образовании из мелких частиц более крупных. Под воздействием ультразвука и гидродинамических сил притяжения частицы соударяются и укрупняются, а затем осаждаются. Это явление используют при очистке дымовых газов. Вследствие поглощения ультразвука частицами коагуляция проводится на низких частотах.
Дегазация состоит в укрупнении мелких пузырьков газа, которые образуются под действием кавитации и вследствие колебания и движения сталкиваются, объединяются и образуют пузырьки больших размеров, которые всплывают.
Слайд 41УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Звуковое давление представляет собой чередование сжатий и разряжений, причем
амплитуда сжатия равна амплитуде разряжения. На препятствие, находящееся в поле
звуковой волны, звуковое давление действует таким образом, что создает на поверхности этого препятствия силу, меняющую свой знак в соответствии с частотой колебаний звуковой волны.
Радиационное давление существует наряду со звуковым и выражается в том, что поверхность препятствия испытывает постоянное по силе и знаку давление, стремящееся сдвинуть это препятствие по направлению распространения волны.
Звуковой ветер представляет собой постоянное движение частиц среды в виде постоянного потока в направлении распространения волны. Это перемещение проявляется в виде сильных течений, приводящих к интенсивному перемешиванию жидкостей под действием ультразвуков.
Фонтанирование жидкости возникает на поверхности жидкости под действием звукового ветра при определенных интенсивностях ультразвука. С увеличением интенсивности ультразвуковых колебаний увеличивается число одновременно вырывающихся с поверхности капель и они сливаются в один общий фонтан.
Слайд 42УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Генерирование ультразвука.
Основные элементы системы ультразвуковых колебаний — это
преобразователь, акустический трансформатор скорости и детали крепления.
Основными источниками ультразвуковых
колебаний являются преобразователи, в которых механическая или электрическая энергия преобразуется в энергию ультразвуковых колебаний. В соответствии с этим различают преобразователи механические и электрические.
К первым относятся источники, преобразующие, например, скорость и давление потока газа или жидкости в ультразвуковые колебания (свистки, сирены и другие), К их достоинствам относятся простота и надежность, к недостаткам — низкая частота и малая мощность ультразвуковых колебаний в жидкости.
Наибольшее распространение получили электрические источники с пьезоэлектрическими и - магнитострикционными преобразователями.
Слайд 43УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Пьезоэлектрические преобразователи. В 1880 г. братья Кюри
во Франции установили,
что при растяжении и сжатии в определенных направлениях некоторых кристаллов
(кварц, сегнетовая соль, турмалин и др.) на их поверхности возникают электрические заряды. При замене растяжения сжатием знак заряда изменяется. Это явление было названо пьезоэлектрическим эффектом.
Обратный пьезоэлектрический эффект проявляется в том, что при внесении пьезокристалла в электрическое поле, силовые линии которого совпадают с направлением пьезоэлектрической оси кристалла, происходит сжатие или растяжение кристалла, вызывающее соответствующее уменьшение или увеличение его размеров. Частота изменения размеров кристалла соответствует частоте смены знака электрических зарядов или частоте переменного напряжения, прикладываемого к его граням.
Слайд 44УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Пьезоэлектрические преобразователи.
Наибольшее практическое применение в качестве пьезоэлектрических материалов
получили кварц и титанат бария (ВаТiO3).
Кварц обладает высокой стойкостью по
отношению к химическим воздействиям, высокой механической прочностью и влагостойкостью. Пьезоэлектрический эффект относительно постоянен до 200° С. При увеличении температуры эффект ослабевает и при 573° С исчезает. Существенный недостаток заключается в относительно слабом пьезоэлектрическом эффекте, обусловливающем применение большого электрического напряжения, которое в мощных излучателях достигает нескольких тысяч вольт.
Титанат бария, специально обработанные пластинки из которого обладают значительно большим пьезоэффектом, чем кварцевые пластинки при том же электрическом напряжении, прикладываемом к их поверхностям. Стоимость значительно ниже, чем вырезанных из кварца. Применение преобразователей из титаната бария ограничивается температурой 140° С. Эффективный способ увеличения интервала рабочей температуры заключается в добавлении к титанату бария титаната свинца и титаната кальция.
К преимуществам следует отнести высокий к. п. д. преобразования электрической энергии в ультразвуковые колебания, большую стойкость к электрическому пробою и возможность работы при низких рабочих напряжениях, прилагаемых к поверхности пластин (10-100 В), а также возможность изготовления преобразователей различной формы и размеров.
Слайд 45УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Магнитострикционные преобразователи.
В 1842 г. Джоулем был открыт магнитострикционный
эффект, заключающийся в том, что ферромагнитные тела (железо, никель, кобальт,
пермендюр и другие сплавы), помещенные в магнитное поле, меняют свои размеры. Деформация ферромагнитного тела может проявляться в уменьшении или увеличении его размеров в направлении силовых линий магнитного поля. Если переменный ток пропускать по катушке так, чтобы магнитное поле было направлено вдоль сердечника, то его длина будет изменяться.
Изменение размеров ферромагнитных тел под действием переменного магнитного поля называется магнитострикционным эффектом, а излучатели, принцип действия которых основан на этом явлении, называют магнитострикционными или просто магнитострикторами.
Магнитострикционные преобразователи выполняют с замкнутыми двух- и многостержневыми шихтованными магнитопроводами.
Слайд 47УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Акустические трансформаторы скорости (волноводы, концентраторы) служат для ввода ультразвуковых
колебаний в зону среды, в которой происходит обработка материала, и
для согласования параметров преобразователя с нагрузкой. Трансформаторы представляют собой стержни разнообразной формы в зависимости от назначения и нагрузки. Они должны иметь малый коэффициент потерь, высокую прочность, коррозионную и кавитационную стойкость, жаропрочность, химостойкость и т. д. Длина стержня должна быть такой, чтобы на ней могло уложиться целое число полуволн.
Такой трансформатор, припаянный или приваренный к излучающей поверхности магнитострикционного преобразователя, является элементом колебательной системы.
Ультразвуковые генераторы предназначаются для преобразования электрической энергии промышленной частоты в энергию переменного тока высокой частоты, равной частоте ультразвуковых колебаний. Их принципиальные электрические схемы мало отличаются от схем высокочастотных установок.
Слайд 48УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Обработка твердых материалов. Ультразвуковые установки получили большое распространение для
обработки твердых материалов, обладающих большой хрупкостью. К таким материалам относятся
стекло, фарфор, керамика, кварц, драгоценные камни, твердые сплавы, ферриты, минералокерамические резцы, карбид вольфрама и другие, обработка которых обычным механическим путем весьма затруднительна.
Слайд 49УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Ультразвуковая очистка. Прежде чем хромировать, никелировать или ремонтировать детали
машин и приборов, надо очистить и обезжирить их поверхности. Особенно
затруднительна очистка и мойка мелких деталей сложной формы, с отверстиями, узкими прорезями и винтовыми нарезками. В этом случае ультразвуковая очистка представляет собой эффективное средство повышения производительности труда и качества очистки.
Механическое действие ультразвука можно представить как удары захлопывающихся вблизи очищаемой поверхности кавитационных пузырьков, которые вызывают разрушение поверхностной пленки.
Целесообразно применять такую очищающую жидкость, которая смачивает детали, эффективно воздействует на загрязнения и вступает в химическую реакцию с деталями, хотя ультразвуковая очистка возможна и в жидкостях, не растворяющих загрязнений.
Применение ультразвука позволяет снизить трудоемкость очистки в 2—10 раз в зависимости от размеров, формы и материала очищаемых деталей. Расход химикатов при этом уменьшается в 2 раза и значительно повышается качество очистки. Для этих целей используются ультразвуковые установки с частотой 20—25 кГ при акустической мощности 1—2,5 кВт. Интенсивность должна быть 5—10 Вт/см2. Однако можно использовать и более высокую частоту 200—1600 кГц, при которой качество очистки повышается.
Ультразвук можно успешно применять для очистки паровых котлов от накипи.
Слайд 50УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Ультразвуковая сварка. Ультразвуковая сварка позволяет соединять легко окисляющиеся металлы,
сварка которых обычными способами затруднительна. Соединяемые поверхности изделий под относительно
небольшим давлением прижимают друг к другу и одну из них при помощи ультразвука приводят в колебательное движение относительно другой с ультразвуковой частотой порядка 15—30 кГц (рис. 39). Под действием трения между поверхностями происходит разрушение окислых пленок и появляются пластические деформации микровыступов с образованием общих кристаллов, прочно соединяющих свариваемые поверхности деталей. Сварка происходит без заметного повышения температуры, и поэтому ее часто относят к холодным видам сварки.
При помощи ультразвука хорошо
свариваются алюминий, медь, их
сплавы, а также тугоплавкие и активные
металлы, такие, как молибден, цирконий
и его сплавы титан и др.
При ультразвуковой сварке не
нарушаются физико-химические свойства
свариваемых материалов.
Высокое качество сварки получается при
толщине деталей до 2,5 мм. Сварка
продолжается доли секунды.
Слайд 51УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Ультразвуковая пайка.
Как известно, обычными методами паять алюминий весьма
трудно, так как стойкая окисная пленка на его поверхности препятствует
смачиванию металла жидким припоем. Ультразвуковые колебания частотой 16—23 кГц в жидком припое вызывают кавитационные явления и ударные импульсы, воздействующие на припой и поверхность облуживаемых деталей и разрушающие окисную пленку. Легкие частицы окисной пленки всплывают на поверхность припоя, который затем беспрепятственно
облуживает очищенную поверхность металла.
Наиболее эффективна интенсивность
ультразвуков 25—100 Вт/см2.
Ультразвуковой паяльник представляет
собой головку, на которой размещены
жестко соединенные между собой
нагреватель, акустический трансформатор
скорости и магнитострикционный
преобразователь
Слайд 52УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА
Ультразвуковая пастеризация молока. В основе бактерицидного действия ультразвука лежит
механическое воздействие на бактериальные клетки, вызывающее их раздробление. Разрушающее действие
интенсивных ультразвуковых колебаний в жидкости обусловлено в основном явлением кавитации. Зона кавитации, в которой наблюдается бактерицидный эффект, называется зоной эффективной обработки.
Замечено, что при малой интенсивности ультразвуковых колебании, недостаточной для образования зоны кавитации, механические воздействия приводят к ускоренному размножению бактерии и не обладают бактерицидными действиями.
Гомогенизация молока —раздробление жировых шариков под действием ультразвука. В таком состоянии молоко не отстаивается, лучше сохраняется, усваивается и применяется в качестве специального детского питания.
Ультразвук может быть использован для смешивания не смешивающихся обычным путем жидкостей, например, рыбьего жира с водой для выпойки животным и птице.
Ультразвук может быть использован для мойки доильной аппаратуры и молочной посуды, осветления виноградного и других соков, ускорения созревания фотоэмульсий, улучшения антифрикционных свойств смазочных масел, повышающих износостойкость машин в эксплуатации, и для других целей.
Ультразвуковые дефектоскопы и приборы. В ультразвуковых дефектоскопах и приборах используются, в основном, следующие свойства ультразвука: способность при определенных частотах распространяться в твердых веществах на большую глубину без заметного ослабления и способность отражаться и преломляться на границе раздела двух веществ, разная скорость распространения и степень поглощения в различных средах и веществах.
Слайд 53МАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
Использование магнитного поля для очистки семян. Принцип очистки
семян в магнитном поле основан на том, что в результате
обработки зерновой смеси магнитным порошком шероховатая поверхность сорняков легко покрывается частицами магнитного порошка, благодаря которым семена сорняков притягиваются к электромагнитам. У семян культурных растений поверхность гладкая и на ней магнитный порошок не удерживается.
Сначала семена пропускают через обыкновенные зерноочистительные машины, а затем отделяют их от тех сорняков, от которых применяемые зерноочистительные машины не в состоянии очистить зерно.
Принцип действия электромагнитной семеочистительной машины ЭМС-1 заключается в следующем. Обработанная магнитным порошком зерновая смесь подается на поверхность вращающегося электромагнитного барабана, изготовленную из немагнитного материала. Внутри барабана расположен мощный электромагнит, наружная поверхность полюсов которого занимает примерно половину внутренней цилиндрической поверхности барабана. Покрытые магнитным порошком семена сорняков удерживаются магнитным полем электромагнита на поверхности барабана и сбрасываются внизу под барабаном, в то время как семена культур отбрасываются с барабана в сторону, не достигнув низа барабана.
Сила магнитного поля, действующая на семя сорняка с находящимся на нем магнитным порошком, должна быть равна алгебраической сумме центробежной силы и силы тяжести, семени внизу барабана, когда они совпадают по направлению и противоположны направлению действия силы магнитного поля.
Слайд 54МАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
Магнитная очистка кормов заключается в том, что очищаемая
смесь или отдельные виды концентрированных кормов перемещаются в виде тонкого
слоя в непосредственной близости от полюсов магнита. Железные частицы притягиваются к полюсам магнитов и отделяются от кормов.
Для очистки корма применяют аппараты с постоянными магнитами и электромагнитами. Первые используются в установках небольшой производительности, вторые — в установках с производительностью от 1,5 т/ч и выше. Аппараты устанавливают с наклоном к горизонту в 40°. Удельная производительность магнитных аппаратов представляет собой отношение количества зерна, очищенного в течение часа, к ширине магнитного аппарата, выраженной в миллиметрах. Для аппаратов с постоянными магнитами удельная производительность составляет 3,5—3,6, а для электромагнитных — 5,5—6,5 кг/(ч∙мм). Аппараты необходимо систематически очищать от накопившихся железных частиц.
Электромагнитные аппараты получают электроэнергию от сети через выпрямитель. Электромагнитный аппарат производительностью 1500 кг/ч имеет мощность 100—120 Вт и длину рабочей части 250 мм.
Слайд 55МАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
Магнитная обработка воды.
При работе водогрейных и паровых
котлов, кормозапарников, тракторов, автомобилей, комбайнов и других энергетических стационарных и
передвижных установок на поверхностях нагрева и охлаждения происходит отложение накипи, резко ухудшающей теплопередачу, снижающей мощность и увеличивающей расход топлива и электроэнергии. Накипь толщиной в 1,5 мм увеличивает расход топлива тепловыми установками на 8—11%. У двигателей внутреннего сгорания при толщине накипи в системе охлаждения 1,5 мм мощность снижается на 6%, расход топлива при этом увеличивается на 13%, а смазочных материалов до 30% и более. Кроме этого; под слоем накипи образуются зоны местного перегрева металла.
Слайд 56Принцип работы холодильной установки. Холодильные агенты и хладоносители
Рефрижерация - это
процесс, при котором температура помещения снижается ниже температуры наружного воздуха.
Кондиционирование воздуха - это регулирование температуры и влажности в помещении с одновременным осуществлением фильтрации воздуха, циркуляции и частичной его замены в помещении.
Вентиляция - это циркуляция и замена воздуха в помещении без изменения его температуры.
За исключением специальных процессов, таких как замораживание рыбы, воздух обычно используется как промежуточное рабочее тело, передающее теплоту. Поэтому для осуществления рефрижерации, кондиционирования и вентиляции применяют вентиляторы и воздухопроводы. Эти процессы тесно связаны между собой и совместно обеспечивают заданный микроклимат для людей, машин и груза.
Для снижения температуры в холодильных камерах при рефрижерации применяют систему охлаждения, работа которой обеспечивается холодильной машиной. Отобранная теплота передается другому телу — холодильному агенту при низкой температуре. Охлаждение воздуха при кондиционировании представляет собой аналогичный процесс.
Слайд 57В простейших схемах холодильных установок передача теплоты осуществляется дважды: сначала
в испарителе, где холодильный агент, имеющий низкую температуру, отбирая теплоту
от охлаждаемой среды, снижает ее температуру, затем в конденсаторе, где холодильный агент охлаждается, отдавая теплоту воздуху или воде.
Схема паровой компрессорной холодильной установки:
1 - испаритель; 2 - термочувствительный баллон; 3 - компрессор; 4 - маслоотделитель; 5 - конденсатор; 6 - осушитель; 7 - трубопровод для масла; 8 - регулирующий вентиль; 9 - терморегулирующий вентиль.
Слайд 58В компрессоре давление пара холодильного агента повышается и соответственно повышается
его температура. Этот горячий пар, имеющий повышенное давление, нагнетается в
конденсатор, где в зависимости от условий применения установки пар охлаждается воздухом или водой. Ввиду того что этот процесс осуществляется при повышенном давлении, пар полностью конденсируется. Жидкий холодильный агент направляется по трубопроводу к регулирующему вентилю, который регулирует подачу жидкого холодильного агента в испаритель, где поддерживается низкое давление. Воздух из охлаждаемого помещения или кондиционируемый воздух проходит через испаритель, вызывает кипение жидкого холодильного агента и сам, отдавая теплоту, при этом охлаждается. Подача холодильного агента в испаритель должна быть отрегулирована так, чтобы в испарителе весь жидкий холодильный агент выкипел, а пар слегка перегрелся перед тем, как он снова поступит при низком давлении в компрессор для последующего сжатия.
Таким образом, теплота, которая была передана от воздуха к испарителю, переносится холодильным агентом по системе до тех пор, пока не достигнет конденсатора, где она будет передана наружному воздуху или воде. В установках, где применяется конденсатор с воздушным охлаждением, как, например, в малой провизионной холодильной установке, должна быть предусмотрена вентиляция для отвода теплоты, выделенной в конденсаторе. Конденсаторы с водяным охлаждением с этой целью прокачивают водой или рассолом.
Слайд 59Холодильные агенты и хладоносители.
Охлаждающие рабочие тела делятся в основном
на первичные - холодильные агенты и вторичные - хладоносители.
Холодильный агент
под воздействием компрессора циркулирует через конденсатор и испарительную систему.
Холодильный агент должен обладать определенными свойствами, отвечающими предъявленным требованиям, например кипеть при низкой температуре и избыточном давлении и конденсироваться при температуре, близкой к температуре забортной воды, и умеренном давлении. Холодильный агент также должен быть нетоксичен, взрывобезопасен, негорюч, не вызывать коррозии.
Некоторые холодильные агенты имеют низкую критическую температуру, т. е. температуру, выше которой пар холодильного агента не конденсируется. Это один из недостатков холодильных агентов, в частности углекислоты, которая применялась много лет. Кроме того, к недостаткам углекислоты относится очень высокое давление, при котором система работает, что в свою очередь приводит к увеличению массы машины в целом. После углекислоты в качестве холодильных агентов определенное распространение имели хлористый метил и аммиак. В настоящее время хлористый метил не применяется из-за его взрывоопасности.
Аммиак имеет некоторое применение до сих пор, но ввиду высокой токсичности при его использовании необходимы специальные вентиляционные системы.
Слайд 60Современные холодильные агенты - это соединения фторированного углеводорода, имеющие различные
формулы, за исключением холодильного агента R502 (в соответствии с международным
стандартом (MС) НСО 817 - для обозначения холодильных агентов применяется условное обозначение холодильного агента, которое состоит из символа R (refrigerant) и определяющего числа. В связи с этим при переводе введено обозначение холодильных агентов R.), который представляет собой азеотропную (с фиксированной точкой кипения) смесь (специфическая смесь различных веществ, обладающая свойствами, отличными от свойств каждого вещества в отдельности.) холодильных агентов R22 и R115. Эти холодильные агенты известны под названием фреоны (Согласно ГОСТ 19212—73 (изменение 1) для фреона установлено название хладон), а каждый из них имеет определяющее число.
Холодильный агент R11 имеет очень низкое рабочее давление, для получения значительного охлаждающего эффекта необходима интенсивная циркуляция агента в системе. Преимущество этого агента особенно проявляется при использовании в установках кондиционирования воздуха, поскольку для воздуха требуются относительно малые затраты мощности.
Слайд 61Первым из фреонов, после того как они были открыты и
стали доступны, получил широкое практическое применение фреон R12. К его
недостаткам относится низкое (ниже атмосферного) давление кипения, в результате чего из-за любых неплотностей в системе появляется подсос в систему воздуха и влаги.
В настоящее время наиболее распространенным холодильным агентом является R22, благодаря которому обеспечивается охлаждение на достаточно низком температурном уровне при избыточном давлении кипения. Это позволяет получить некоторый выигрыш в объеме цилиндров компрессора установки и другие преимущества. Объем, описываемый поршнем компрессора, работающего на фреоне R22, составляет примерно 60% по сравнению с описываемым объемом поршня компрессора, работающего на фреоне R12 при тех же условиях
Примерно такой же выигрыш получается при применении фреона R502. Кроме того, из-за более низкой температуры нагнетания компрессора уменьшается вероятность коксования смазочного масла и поломки нагнетательных клапанов.
Все названные холодильные агенты не вызывают коррозии и могут применяться в герметических и бессальниковых компрессорах. В меньшей степени воздействует на лаки и пластические материалы применяемый в электродвигателях и компрессорах холодильный агент R502. В настоящее время этот перспективный холодильный агент стоит еще достаточно дорого и поэтому не получил широкого применения.
Слайд 62Хладоносители применяются в крупных установках кондиционирования воздуха и в холодильных
установках, охлаждающих грузы. В этом случае через испаритель циркулирует хладоноситель,
который затем направляется в помещение, подлежащее охлаждению.
Хладоноситель применяется тогда, когда установка велика и разветвлена, для того чтобы исключить необходимость в циркуляции в системе большого количества дорогостоящего холодильного агента, который имеет очень высокую проникающую способность, т. е. может проникать через малейшие неплотности, поэтому очень существенно свести к минимуму число соединений трубопроводов в системе.
Для установок кондиционирования воздуха обычным хладоносителем является пресная вода, которая может иметь добавку раствора гликоля.
Наиболее распространенным хладоносителем в больших рефрижераторных установках является рассол — водный раствор хлористого кальция, к которому для уменьшения коррозии добавляют ингибиторы.
Слайд 63Абсорбционная холодильная машина
Абсорбционная холодильная машина (также абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина,
абсорбционный чиллер или АБХМ) — промышленная холодильная установка, предназначена для
отбора и удаления избыточного тепла и поддержания заданного оптимального температурного и теплового режимов при работе различного рода производственного оборудования, технологических устройств, инструмента, оснастки, а также технологических процессов, связанных с повышенными тепловыми нагрузками.
В качестве абсорбента в них используются различные растворы, например, бромида лития (LiBr) в воде.
К абсорбционным холодильным машинам относятся так же аммиачные холодильные установки абсорбционного принципа действия.
Слайд 64На представленной схеме Бромид-Литиевой абсорбционной холодильной машины охладитель состоит из
двух камер.
Верхняя — генератор (AT). Это горячая камера
с относительно высоким
давлением.
Нижняя — испаритель (VD) и абсорбер (AB). Это
холодная камера с очень низким давлением (2мБар).
Под действием тепла (HM) в генераторе из
раствора бромида лития выделяются пары воды
(хладагента), которые переносятся в конденсатор.
Водяной пар конденсируется, отдавая тепло воде
охлаждающего контура KüW. Охлажденная вода по
линии 5 поступает в испаритель, где при низком
давлении закипает при температуре +6 °C и забирает тепло от охлаждаемого контура чиллер-фанкойл (KW). Насос VD прокачивает воду на форсунки, что способствует более интенсивному теплообмену. В других типах АБХМ охлаждаемый контур не обрызгивается, а погружается в ванну хладагента.
Оставшийся концентрированный раствор бромида лития по линии 1-2 через растворный теплообменник/гидравлический затвор WT1 переходит в абсорбер. Для улучшения абсорбции раствор разбрызгивается форсунками и поглощает водяной пар из испарителя. Процесс абсорбции связан с выделением теплоты, которая отводится охлаждающим контуром KüW в абсорбере АВ. Полученный раствор воды и бромида лития перекачивается по линии 3-4 в генератор через регулятор/теплообменник WT1, и цикл повторяется снова.
Слайд 65Преимущества
По сравнению с компрессионными холодильниками, АБХМ обладают следующими преимуществами:
• Минимальное потребление
электроэнергии. Электроэнергия требуется для работы насосов и автоматики.
• Минимальный уровень шума.
• Экологически
безопасны. Хладагентом является обычная вода.
• Утилизируют тепловую энергию сбрасываемой горячей воды, дымовых газов или производственных процессов.
• Длительный срок службы (не менее 20 лет).
• Полную автоматизацию.
• Пожаро- и взрывобезопасность.
• Абсорбционные машины не подведомственны Ростехнадзору.
Недостатки
Абсорбционные охладители, по сравнению с компрессионными охладителями отличает:
• Более высокая цена оборудования, примерно в 2 раза выше чем цена обычного охладителя.
• Необходимость наличия дешевого (бесплатного) источника тепловой энергии с достаточно высокой температурой.
• Относительно низкая энергетическая эффективность — тепловой коэффициент (отношение подведенной тепловой энергий к полученному холоду), равный 0,65-0,8 — для одноступенчатых машин, и 1—1,42 — для двухступенчатых машин.
• Существенно больший вес, чем у обычного охладителя.
• Необходимость использовать открытые охладители — градирни, что увеличивает водопотребление системы.
Слайд 66Термоэлектрические явления
Термоэлектри́ческие явле́ния — совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между
тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.
К термоэлектрическим явлениям
относятся:
Эффект Зеебека
Эффект Пельтье
Эффект Томсона
В некоторой степени все эти эффекты одинаковы, поскольку причина всех термоэлектрических явлений — нарушение теплового равновесия в потоке носителей (то есть отличие средней энергии электронов в потоке от энергии Ферми).
Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей; поэтому в полупроводниках они в десятки и сотни раз больше, чем в металлах и сплавах.
Слайд 67Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи,
состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся
при различных температурах.
Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.
Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой.
Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего и холодного контактов.
В небольшом интервале температур термо-ЭДС E можно считать пропорциональной разности температур:
Величина термо-ЭДС составляет
милливольты при разности температур
в 100 °С и температуре холодного спая
в 0 °С (например, пара медь-константан
даёт 4,25 мВ, платина-платинородий —
0,643 мВ, нихром-никель — 4,1 мВ)[2].
Слайд 68Эффект Пельтье́ — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или
поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая)
двух разнородных проводников.
Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока:
Эффект Пельтье «обратен» эффекту Зеебека.
Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье.
Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем.
На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний
источник должен затратить дополнительную энергию,
которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву.
Если же ток идёт по направлению контактного поля, то
он может поддерживаться этим полем, которое и
совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая
для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к
охлаждению его в месте контакта.
Слайд 69Эффект Томсона — одно из термоэлектрических явлений, заключающееся в том,
что в однородном неравномерно нагретом проводнике с постоянным током, дополнительно
к теплоте, выделяемой в соответствии с законом Джоуля — Ленца, в объёме проводника будет выделяться или поглощаться дополнительная теплота Томсона в зависимости от направления тока.
Количество теплоты Томсона пропорционально силе тока, времени и перепаду температур, зависит от направления тока.
Эффект открыт Уильямом Томсоном в 1851 году.
Объяснение эффекта в первом приближении заключается в следующем. В условиях, когда вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, причём направление тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, при переходе из более горячего сечения в более холодное, электроны передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота), а при обратном направлении тока, проходя из более холодного участка в более горячий, пополняют свою энергию за счёт окружающих атомов (теплота поглощается).
В полупроводниках важным является то, что концентрация носителей в них сильно зависит от температуры.
Слайд 70Термоэлектрогенератор — это техническое устройство (электрический генератор), предназначенное для прямого
преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции
термоэлементов (термоэлектрических материалов).
Для термоэлектрогенераторов используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Список веществ, имеющих термоэлектрические свойства, достаточно, но лишь немногие из них могут использоваться для преобразования тепловой энергии. На сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, в полной мере удовлетворяющего промышленность своими свойствами, и главным инструментом в создании такого материала является эксперимент.
Важнейшими свойствами полупроводникового материала для термоэлектрогенераторов являются:
1. КПД: Желателен как можно более высокий КПД;
2. Технологичность: Возможность любых видов обработки;
3. Стоимость: Желательно отсутствие в составе редких
элементов или их меньшее количество, достаточная
сырьевая база (для расширения сфер ассимиляции и доступности);
4. Коэффициент термо-ЭДС: Желателен как можно более
высокий коэффициент термо-ЭДС (для упрощения конструкции);
5. Токсичность: Желательно отсутствие или малое содержание
токсичных элементов (например: свинец, висмут, теллур, селен)
или их инертное состояние (в составе сплавов);
6. Рабочие температуры: Желателен как можно более
широкий температурный диапазон для использования
высокопотенциального тепла и, следовательно, увеличения
преобразуемой тепловой мощности.
Слайд 72Электронно-лучевой нагрев
Принцип электронного нагрева. Если поместить два электрода
в глубокий вакуум
и нагреть катод до температуры более 2000 К, то он
начнет
и эмиттировать электроны, которые под действием электрического поля направятся к аноду. В вакууме при давлении 10−2…10−3Па практически отсутствуют нейтральные частицы, положительно заряженные ионы не образуются, и ток можно считать чисто электронным.
Если ускоряющая электроны разность потенциалов достаточно велика, то при подходе к аноду электроны приобретают такую скорость, а следовательно, и кинетическую энергию, что оказываются способными разогревать анод своими ударами. При этом электрическая энергия превращается в тепловую в тонком поверхностном слое анода; дальнейшее распространение теплоты в последнем происходит теплопроводностью и конвекцией (если анод жидкий, например, жидкометаллическая ванна).
Слайд 73Конструкции и области применения ЭЛУ
Схема ЭЛУ с кольцевым катодом
Схема ЭЛУ
с радиальными пушками
Схема ЭЛУ с аксиальной пушкой
Слайд 74Лазерный нагрев
Основой работы оптического квантового генератора (ОКГ) является генерирование монохроматических
волн оптического диапазона под воздействием индуцированного (вынужденного) излучения.
Согласно законам квантовой
механики энергия относительного движения любой системы связанных частиц не является произвольной, а принимает определенный ряд значений, которые называются уровнями энергии Е0, E1, Е2 и т. д. Весь набор допустимых значений энергий принято называть энергетическим спектром системы.
Слайд 75 В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов по различным энергетическим уровням
подчиняется закону Больцмана:
N 2 / N1= e -(E2-E1 ) /
k*T
где N1, E1; N2, E2 – соответственно количество и энергия атомов на уровнях 1 и 2;
k – постоянная Больцмана;
Т – температура.
Частота электромагнитных волн
v = (E2 − E1 ) / h ,
где h = 6,62 ⋅10−34 Дж ⋅ с – постоянная Планка.
Слайд 76Даже полностью изолированная от внешней среды возбужденная частица через некоторое
время перейдет в состояние с меньшей энергией, при этом переходе
она испускает фотон. Такой переход называют самопроизвольным или спонтанным излучением.
Индуцированное излучение.
Если возбужденная частица находится под воздействием внешних электромагнитных волн резонансной частоты, то она может перейти в состояние с меньшей энергией. При этом она испускает квант, не отличимый от приходящих извне, т. е. имеющий такую же частоту, поляризацию и направление распространения. Вероятность испускания индуцированного излучения пропорциональна интенсивности внешнего излучения – числу квантов в единицу времени.
Слайд 77Энергетическая диаграмма системы частиц
Весь процесс излучения света лазером происходит в
два этапа, как показано на энергетической диаграмме. Три горизонтальные линии
на этом рисунке соответствуют трем энергетическим уровням системы, а стрелками обозначены возможные переходы между ними. Нижний уровень соответствует основному состоянию атома, верхний – возбужденному, а средний – метастабильному.
Слайд 78Принципиальная схема лазера с рубиновым стержнем
Слайд 79Основные процессы, происходящие в активном веществе лазера, при его освещении
импульсной вспышкой
Слайд 80Структурная схема промышленной лазерной установки:
1 – зарядное устройство;
2 –
емкостный накопитель;
3 – лазерная головка;
4 – система охлаждения; 5
– датчик энергии излучения;
6 – оптическая система;
7 – изделие;
8 – предметный столик;
9 – система программного управления;
10 – система стабилизации энергии
излучения;
11 – система управления;
12 – блок поджига