Elektryczne źródła ciepła i światła

Elektryczne źródła ciepła i światła
Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.
Elektryczne źródła ciepła:
• rezystancyjne urządzenia grzejne
• elektrodowe urządzenia grzejne
• łukowe urządzenia grzejne
• indukcyjne urządzenia grzejne
• pojemnościowe urządzenia grzejne
• mikrofalowe urządzenia grzejne
• promiennikowe urządzenia grzejne
• elektronowe urządzenia grzejne
• laserowe i plazmowe urządzenia grzejne
Rezystancyjne urządzenia grzejne.
Wykorzystują rezystancyjne elementy grzejne wykonane z drutu
oporowego (skrętki) lub taśmy oporowej (wężownice). Ich
rezystywność wynosi (0,4-1,4)∙10-6 Ω∙m.
Pozwalają uzyskać temperaturę 1100-1800⁰C.
Dzielimy je na:
• grzejniki z elementami grzejnymi otwartymi
• grzejniki z elementami grzejnymi krytymi
Możemy je również podzielić na:
• urządzenia o działaniu pośrednim (np. suszarki, piece) w których
prąd nagrzewa element grzejny, a on z kolei element nagrzewany
• urządzenia o działaniu bezpośrednim (np. zgrzewarki) w których
prąd przepływa bezpośrednio przez grzany wsad wykorzystując go
jako element grzejny
Przekrój płytki grzejnej kuchenki
elektrycznej
Rezystancyjny rurkowy element
grzejny
Elektrodowe urządzenia grzejne.
Wytwarzają ciepło podczas przepływu prądu przez ciecze. Znane są
wodne i parowe kotły elektrodowe, piece elektrodowe i
termoelektrolizery.
Łukowe urządzenia grzejne.
Wykorzystują ciepło palącego się łuku elektrycznego. Stosowane
głównie w metalurgii. Może występować jako:
• pośrednie
• bezpośrednie
• rezystancyjno-łukowe
Indukcyjne urządzenia grzejne.
Element metalowy jest nagrzewany w zmiennym polu indukcyjnym.
Pole to wytwarza w nim prądy wirowe, które płynąc przez metal tego
elementu wydzielają w nim energię cieplną.
Pojemnościowe i mikrofalowe urządzenia grzejne.
W pojemnościowych urządzeniach grzejnych wykorzystuje się zjawisko
nagrzewania się dielektryka pod wpływem zmiennego pola
elektrycznego. Wewnętrzna warstwa dielektryka potrafi mieć wyższą
temperaturę niż zewnętrzna, dzięki czemu metoda ta dobrze nadaje się
do suszenia materiałów.
Odmianę metody pojemnościowej nagrzewania stanowi grzanie
mikrofalowe. Polega ona na oddziaływaniu mikrofal o wysokiej
częstotliwości na żywność. Mikrofale pochodzą ze specjalnej lampy i
mają częstotliwość 915, 2450 i 5800 MHz.
Promiennikowe urządzenia grzejne.
Wytwarzają one promieniowanie podczerwone w specjalnych
promiennikach (lampowych i rurkowych). Wykorzystywane do suszenia
powłok lakierowanych i tkanin oraz do ogrzewania pomieszczeń.
Elektryczne źródła światła:
• Lampy żarowe (żarówki), w których wykorzystuje się świecenie
nagrzanego drutu wolframowego.
• Lampy halogenowe, w których wykorzystuje się świecenie
nagrzanego drutu wolframowego w atmosferze halogenków.
• Lampy fluorescencyjne (świetlówki), w których wykorzystuje się
zjawisko fluorescencji, tj. świecenia pewnych substancji
chemicznych pod wpływem działania promieni ultrafioletowych i
elektronów.
• Lampy wyładowcze (rtęciowe, sodowe, neonowe, ksenonowe), w
których wykorzystuje się świecenie gazu pod wpływem wyładowań
elektrycznych (przepływu prądu elektrycznego przez gaz).
• Lampy o świetle mieszanym, w których w celu otrzymania światła
wykorzystuje się dwa zjawiska fizyczne – świecenie gazu pod
wpływem wyładowań elektrycznych i świecenie ciał stałych pod
wpływem wysokiej temperatury (lampy rtęciowo-żarowe, lampy
łukowe).
• Lampy LED, wykorzystujące wysokoenergetyczne diody świecące
LED.
Lampy żarowe.
Elementem świecącym w żarówce jest żarnik z drutu wolframowego,
rozgrzany do temperatury 2100÷2800˚C i umieszczony w bańce z
wytworzoną próżnią lub napełnioną mieszaniną gazu szlachetnego
(argon, krypton, ksenon) z azotem. Do lamp żarowych zaliczamy też
lampy halogenowe, czyli takie, których bańka jest napełniona
halogenem. Mają one wyższą trwałość (mniejsze zużycie żarnika) i
lepszą skuteczność świetlną od tradycyjnych żarówek żarowych.
Żarówki mają 2 podstawowe rodzaje trzonków: gwintowy (E27 i E14)
oraz bagnetowy (B22).
Podstawowymi parametrami żarówek są: napięcie, moc i prąd.
Rezystancja żarówek jest nieliniowa i zależy między innymi od ich
temperatury. W żarówkach ok. 90% energii jest zużywane na
wytwarzanie energii cieplnej.
Podczas montażu oprawek żarówkowych prądu przemiennego należy
pamiętać, że na krążek stykowy podajemy przewód fazowy, a na gwint
przewód neutralny. Wyłącznik zawsze montujemy na przewodzie
fazowym.
Żarówek halogenowych nie powinno się dotykać gołymi rękami.
Rozgrzanej bańce ze szkła kwarcowego szkodzi pot z rąk.
Rodzaje
żarników:
b) dwuskrętokwy
a)
jednoskrętkowy;
. Budowa żarówki.
Rodzaje trzonków: a) gwintowy; b) bagnetowy
1-bańka szklana, 2-gaz lub próżnia, 3-żarnik
wolframowy, 4-elektrody niklowe, 5-podpórki
molibdenowe, 6-pręcik szklany, 7- łopatka szklana,
8-trzonek, 9-gwint, 10-krążek stykowy
Żarówka halogenowa dwutrzonkowa
Lampy fluorescencyjne.
Świetlówka jest lampą rtęciową niskoprężną. Wykorzystuje ona
wyładowania elektryczne w parze rtęci o ciśnieniu ok. 1 Pa. Między
elektrodami jarznika, do których jest przyłożone napięcie, płynie prąd,
poruszają się ładunki (elektrony i jony dodatnie) zderzające się z
atomami rtęci. Wzbudzone atomy rtęci są źródłem promieniowania o
dużej energii i małej długości fali. Promieniowanie to padając na
luminofor, którym pokryta jest wewnętrzna powierzchnia jarznika,
powoduje wzbudzenie jego cząsteczek, a w rezultacie ich świecenie.
Skład chemiczny luminoforu pozwala regulować barwą światła
świetlówki.
Aby ochronić świetlówkę przed uszkodzeniem na skutek zbyt dużego
prądu, w szereg z nią włącza się statecznik – układ ograniczający
wartość prądu. Najczęściej w roli statecznika wykorzystuje się dławik.
Ze względu na niekorzystny wpływ dławika na współczynnik mocy
dodaje się kompensujący go kondensator.
Zapłonnik lampowy do świetlówki:
a) budowa; b) schemat
1-bańka szklana wypełniona neonem,
2-blaszka bimetalowa,
3-styk,
4-kondensator przeciwzakłóceniowy
Napięcie robocze świetlówki jest zbyt małe, żeby doprowadzić do jej
samoczynnego zapłonu. Dlatego też podczas zapłonu między elektrody
przykłada się napięcie kilkakrotnie większe od napięcia roboczego.
Zapłonem świetlówki steruje zapłonnik (starter).
Po załączeniu lampy płynie mały prąd w obwodzie: dławik 6 – elektroda
4 – zapłonnik 1 – elektroda 5. Całe napięcie przypada na zapłonnik tj. na
małą lampę tlącą, w której rozpoczyna się wyładowanie. Lampa ta
ogrzewa bimetal, który wygina się zwierając obwód. W tej chwili w
obwodzie zaczyna płynąć wysoki prąd, nagrzewając elektrody
świetlówki. W tym samym czasie zapłonnik stygnie (zwarta lampa tląca)
i po kilku sekundach bimetal rozwiera obwód. Nagłe przerwanie prądu
płynącego między innymi przez dławik, powoduje pojawienie się na nim
SEM samoindukcji. Między nagrzanymi elektrodami pojawia się
przepięcie powodujące zapoczątkowanie wyładowania w rurze
świetlówki. Jeśli do zapłonu nie doszło, cały proces zaczyna się od
początku.
Jeśli zapłon nastąpił, napięcie na rurze spada, a jednocześnie napięcie
na lampie tlącej w zapłonniku jest za małe, by zaczęła świecić i
podgrzewać bimetal.
Zamiast zapłonnika tradycyjnego coraz częściej stosuje się zapłonnik
elektroniczny. Pozwala on na miniaturyzację i co za tym idzie znalazł
zastosowanie w tzw. świetlówkach kompaktowych, zwanych też
żarówkami energooszczędnymi.
Świetlówka kompaktowa
Światło świetlówki w odróżnieniu od żarówek żarowych, jest światłem
migającym z częstotliwością 100 Hz. Tętnienie to nie jest dostrzegalne
gołym okiem, ale stwarza tzw. efekt stroboskopowy. W przypadku
oświetlania elementów wirujących z częstotliwością zbliżoną do
częstotliwości tętnień, możemy mieć wrażenie, że części wirujące stoją
w miejscu. To z kolei może być przyczyną wypadków. Dlatego też w
pomieszczeniach przemysłowych stosuje się układy antystroboskopowe
polegające na instalowaniu w jednej oprawie dwu świetlówek których
migotanie jest przesunięte w fazie.
Innym rozwiązaniem jest zastosowanie opraw z trzema świetlówkami z
których każda zasilana jest z innej fazy.
Lampy rtęciowe.
Budowa i schemat włączenia lampy
rtęciowej
1-bańka zewnętrzna z luminoforem,
2-rezystor,
3-bańka ze szkła kwarcowego,
4-argon,
5-kropla rtęci,
6-elektrody główne,
7-elektroda zapłonowa,
D-dławik,
Ck-kondensator
do
poprawy
współczynnika mocy,
L-przewód fazowy
N-przewód neutralny
Lampy rtęciowo-żarowe.
Budowa i schemat włączenia lampy
rtęciowo-żarowej
1-bańka zewnętrzna z luminoforem,
2-rezystor,
3-bańka ze szkła kwarcowego,
4-argon,
5-kropla rtęci,
6-elektrody główne,
7-elektroda zapłonowa,
8-żarnik wolframowy,
D-dławik,
Ck-kondensator
do
poprawy
współczynnika mocy,
L-przewód fazowy
N-przewód neutralny
Lampy sodowe.
Schemat budowy i układ zasilania lampy sodowej
1-bańka zewnętrzna,
2-próżnia,
3-rura wypełniona neonem, argonem i małą ilością sodu,
4-elektroda,
5-trzonek,
Atr-autotransformator rozproszeniowy,
Ck-kondensator do poprawy współczynnika mocy.
Właściwości opraw oświetleniowych w zależności od klasy
Klasa
I
II
III
IV
V
Charakter
oświetlenia
bezpośrednie
przeważnie
bezpośrednie
mieszane
przeważnie
pośrednie
pośrednie
Strumień
wysyłany do
dolnej półprzestrzeni
90÷100%
60÷90%
40÷60%
10÷40%
0÷10%
Orientacyjna
krzywa rozsyłu
światłości
Oprawy do
żarówek i
rtęciówek
Oprawy do
świetlówek
Literatura:
J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN” WSiP 1999
G.Bartodziej, E.Kałuża „Aparaty i urządzenia elektryczne” WSiP 1997