Применение теплового действия тока в технике примеры

Тепловое действие тока

Работа и мощность электрического тока.

В природе и технике происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой. В источниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии — тепловую, механическую, химическую.

Мерой количества энергии является работа W, совершаемая электрическим током I за время t при напряжении U и равна:

W=UIt

Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется Джоулем(Дж). Джоуль называют также ватт-секундой (Вт·с).

Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях U и I равна произведению напряжения U на силу тока I:

Р = UI

Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется Ватт (Вт).

Потери энергии и коэффициент полезного действия. При превращении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот в любой машине и любом аппарате неизбежны потери энергии и не вся энергия превращается в требуемый вид.

Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности, характеризуется коэффициентом полезного действия (к. п. д.) источника или приемника.

где Р₂ — отдаваемая (полезная) мощность;

Р₁ — получаемая мощность;

∆Р — потери мощности.

К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии.

При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается. Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Джоуля — Ленца. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I 2 , сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Q =I 2 Rt.

Допустимая сила и плотность тока. Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике.

Однако в электрических машинах и аппаратах, в проводах превращение электроэнергии в тепло не только бесполезно, но и ухудшает работу их работу, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности токаJ (сила тока I, приходящаяся на 1 мм 2 площади s поперечного сечения проводника):

J=I/s

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь или алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр.

Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электрических сетей перегревается, обугливается и даже горит, что может привести к короткому замыканию и пожару. Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. Для этой цели в технике широко используют плавкие предохранители и автоматические выключатели.

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев проводника, как следует из закона Джоуля — Ленца, может происходить не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения отдельных проводников. При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников (рис. 22) электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В результате место неплотного соединения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгоранию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при соединении проводов на э. п. с. концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, которые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопротивления между контктами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Теплоотражательные костюмы (ТОК): описание и ТТХ

В статье рассмотрим модификации и характеристики популярных теплоотражающих костюмов, таких как ТОК-200 и ТОК-800, которые одеваются поверх специальной защитной одежды пожарного, о которой более подробно читайте в материале по ссылке.

ТОК-200

Необходим во время тушения пожара при воздействия повышенных температур на участников тушения, а так же при ведении аварийно-спасательных работ (АСР). Модификация за номером 200 относит данный костюм к полутяжелому типу. Костюм выполнен из материала способного защитить огнеборца не только от воздействия повышенной температуры, а также от неблагоприятных климатических воздействий:

• отрицательных температур,
• ветра,
• осадков.

Может быть использован в любое время года (от минус 40 °С до +40 °С).

Защитные свойства костюма в соответствии с ГОСТ 12.4.103 – Ти, Тп 400, Ву, Вп.

Тактико-технические характеристики ТОК-200

• Показатель 200 означает, что костюм защитит Вас в зоне воздействия открытого пламени температурой 200 °C, не менее 10 минут.
• Масса костюма составляет от 8 до 10 килограмм согласно размерной сетки.
• Устойчивость к открытому пламени – не менее 20 секунд.
• Устойчивость к тепловому потоку, не менее: 18 кВт – 600 сек; 10 кВт – 900 сек.
• Устойчивость при контакте с твердыми поверхностями, нагретыми до 400 °С – не менее 5 секунд.
• Коэффициент ослабления инфракрасного излучения – минимум 75 % от начального.

Укомплектован следующими элементами:

1. Бахилы, которые одеваются в первую очередь и усиленной подошвой из спилка с накладкой на пяточной части.
2. Брюки, в области колен размещены накладки.
3. Перчатки (рукавицы трехпалые) с теплоизолирующем слоем.
4. Куртка с центральной бортовой пуговичной застежкой, и специальным отсеком для СИЗОД.
5. Капюшон со встроенным защитным смотровым иллюминатором.

Материал изготовления костюма это теплоотражающая ткань «Термит» или «Alfa metrix» (возможны и другие ткани). Внутренняя часть пропитывается специальным составом, который является огнеупорным. Костюм имеет двойной шов. При изготовлении костюма используется спилок (слой натуральной кожи, получаемый в процессе кожевенного производства в результате слоения (шурфования), после снятия лицевого слоя).

ТОК-800

В отличие от ТОК-200 может защитить огнеборца в зоне воздействия открытого пламени температурой 200 С до 20 минут, а так же при работах (тушение пожаров) в условиях повышенных тепловых воздействиях. Модификация за номером 800 относит данный костюм к тяжелому типу. В состав ТОК-800 входит металлизированная ткань, которая состоит и кремнеземной ткани и металлизированной пленки с повышенными теплоотражательными свойствами. Теплоизолятором в костюме служит специальный тонкошерстяной войлок, может так же быть использован холсто-прошивной ватин. Костюм ТОК-800 рассчитан на применение при отрицательных температурах и других природных явлений. Может быть использован в любое время года (от минус 40°С до +40°С).

Термопары: устройство и принцип работы простым языком

Что такое термопары

Термопарой, или термоэлектрическим преобразователем, называют устройство для измерения температуры, основой работы которого является термоэлектрический эффект.

В бытовых целях используются в различных приборах, в самых простых и технически сложных: от утюгов, паяльников, холодильников до автомобилей и отопительных котлов. Благодаря большому диапазону измеряемых температур (от -250 о С до +2500 о С) широкое применение термопары нашли в промышленности, коммунальном хозяйстве, науке и медицине. Также термоэлектрические преобразователи работают как часть систем автоматики и управления, снимая и передавая данные об изменениях температуры. Такие датчики отличаются надежностью, невысокой стоимостью, необходимой точностью и низкой инертностью.

Работа термопары основана на свойстве изменения термо-ЭДС (термоэлектродвижущей силы) от повышения или уменьшения температуры. Точность показаний зависит от типа конструкции, соблюдения технологических требований, схемы подключения проводников.

Конструкция термоэлектрического преобразователя обусловлена тепловой инерцией и чувствительностью используемых элементов, условиями применения: диапазоном температур, агрессивностью и агрегатным состоянием среды, необходимостью использовать защиту.

Принцип работы термопары

Принцип действия термопары — термоэлектрический эффект, или эффект Зеебека. Явление это было открыто ученым в 1821 году и состоит в следующем:

в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), если места их соединения, или спаи, поддерживать при разной температуре. Эффект не возникает в случае использования однородных материалов, а также при одинаковых температурах спаев. Величина термоэлектродвижущей силы зависит от материала проводников и разницы температур контактов, направление тока в контуре — от того, температура какого спая выше.

На практике в термопаре используют проводники из разных сплавов, они также называются термоэлектродами. Один спай, «горячий», выполняют сваркой или скручиванием и помещают в среду с измеряемой температурой; другой, «холодный», замыкается на контакты измерительного прибора или соединяется с устройством автоматического управления. В современных сложных термопарах используются цифровые преобразователи сигнала.

Термо-ЭДС возникает за счет разницы потенциалов между соединениями проводников при интенсивном нагреве или охлаждении горячего спая. Напряжение на холодном спае пропорционально зависит от температуры на горячем. При этом температура на холодном должна быть постоянной, иначе возникает большая погрешность измерений. Для высокой точности холодный контакт помещается в специальные камеры, где температура поддерживается на одном уровне.

Применение термопар и их особенности

Область применения термопар огромна, в первую очередь, благодаря широкому измерительному диапазону температур: от сверхнизких до экстремально высоких. Широкое распространение эти устройства получили также из-за стабильности и точности измерений. Их используют в бытовых и промышленных приборах, производственных технологиях для измерения температуры различных устройств, объектов и сред: воздуха, твердых тел, расплавленного металла, жидкостей и газов, вращающихся деталей, тепловых двигателей.

Как датчики температур термоэлектрические преобразователи применяют в автоматизированных системах управления. В газовом оборудовании (котлы, плиты, колонки) с помощью термопар осуществляют термоконтроль. По данным термопары срабатывает аварийное отключение приборов, если превышена допустимая температура.

От назначения термопары зависит ее конструкция и материалы проводников: различные комбинации металлов предназначены для различных сред и диапазонов температур.

Рабочие элементы для защиты от воздействия внешних факторов могут помещаться в колбу, или чехол: например, защитный материал для термопары в газовом котле — нержавеющая или обычная сталь. При температурах до 1000-1100 о С применяют жаростойкие сплавы, при более высоких — фарфор, тугоплавкие сплавы. Для измерений в особых условиях среды, к примеру, при высоком давлении, требуется герметичность термопары.

Если среда измерения не оказывает вредного влияния на проводники, защиту не используют. Бескорпусный вариант с незакрытым местом соединения двух проводников отличается низкой инертностью и практически мгновенным измерением температуры.

В зависимости от количества мест измерения термопары могут быть одноточечные и многоточечные. Соответственно, длина рабочей части термопары колеблется от 120 мм до 20000 мм. Потребность во многих точках измерения (до нескольких десятков) возникает, в частности, в химической и нефтехимической промышленности для тех емкостей, где перерабатываются жидкости (реакторов, баков, колонн фракционирования).

Классификация термопар

Принцип действия термопары основан на возникновении разности потенциалов в проводниках, поэтому металлы термоэлектродов должны отличаться по химическим и физическим характеристикам. Для применения в термопарах используются различные сплавы цветных и благородных металлов.

Благородные металлы позволяют существенно повысить точность измерений, сказывается меньшая термоэлектрическая неоднородность и стойкость к окислению. Они используются для измерений до 1900 о С, при более высоких температурах необходимы специальные жаростойкие сплавы. Неблагородные металлы применяются до 1400 о С.

Все материалы проводников обладают различной плавкостью, стойкостью к окислению, диапазоном рабочих температур. Именно в указанном производителем интервале температур возможна качественная работа устройства и точные данные измерений.

Для классификации групп термопар по российскому ГОСТу используют три кириллические буквы, международная классификация подразумевает обозначение одной буквой латиницы: например, нихросил-нисиловая термопара имеет обозначение ТНН, или N; платинородий-платинородиевая — ТПР, тип В.

Другая классификация термопар учитывает типы спаев, которые могут быть использованы:

• одноэлементные и двухэлементные;
• изолированные и соединенные с корпусом;
• заземленные и незаземленные.

Инерционность термопары снижается при заземлении на корпус, а это увеличивает быстродействие и точность измерений. Также для уменьшения инерционности в некоторых устройствах спай оставляют снаружи защитного корпуса.

Хромель+алюмель ТХА (тип K)

Существует множество типов термопар, хромель-алюмель — одна из самых распространенных.

Состав сплава хромель:

• 90% никеля
• 10% хрома

Состав сплава алюмель:

• 95% никеля
• 2% алюминия
• 2% никеля
• 1% кремния

Возможность работы с линейной характеристикой в пределах температур от -200 о С до +1300 о С, подходит для нейтральных и окислительных сред, имеет невысокую стоимость. В восстановительной среде требуется защитный корпус. Диапазон рабочих температур зависит от диаметра электродов, может применяться при реакторном облучении.

Отличается высокой чувствительностью (примерно 41 мВ/ о С) и регистрирует даже небольшие изменения температуры, очень широко применяется во многих областях.

Недостатки и особенности. Никель имеет магнитные свойства, что вызывает изменение выходного сигнала при температурах 350 о С. В серной среде возможен преждевременный отказ, при определенных низких концентрациях кислорода работа также нарушается.

Железо+константан ТЖК (Тип J)

Надежная и недорогая термопара для промышленности и науки.

Константан обычно состоит из :

Применяется в более узком диапазоне температур по сравнению с хромель-алюмелем: -200 — +1100 о С, при этом выше чувствительность: 50-60 мкВ/ о С.

Хорошо подходит для вакуумной среды, измерения проводятся также в окислительных, восстановительных, нейтральных средах. Температура длительного воздействия — до +750 о С, кратковременного — до +1100 о С.

Нельзя постоянно применять при отрицательных температурах из-за коррозии на металлическом выводе, окислительные среды сокращают срок действия. При высоких положительных температурах негативно влияет сера.

Хромель+копель ТХК (тип L).

Копель изготавливается примерно в таких пропорциях:

• медь 56%
• никель 43%
• марганец 1%.

В основном используется для пирометрических измерений различных сред при рабочих температурах 200-600 о С, в промышленных и лабораторных установках. Максимальный диапазон измеряемых температур: от -250 о С до +1100 о С при кратковременном воздействии.

Одна из самых высокочувствительных термопар — до 80 мкВ/ о С.

Чувствительна к деформации, очень хрупкая.

Преимущества и недостатки термопар

Термопары имеют давнюю историю эксплуатации и широко применяются благодаря следующим преимуществам:

• Способности работать в агрессивных средах и экстремальных температурах от -250 о С до +2500 о С.
• Невысокой цены для большинства моделей. Стоимость увеличивается для приборов с благородными металлами, защитными элементами, дополнительными соединениями и разъемами.
• Проверенной десятилетиями надежности и неприхотливости.
• Точности измерений. Погрешность составляет до 1-2 о С в стандартных приборах, что по большей части достаточно для промышленных и бытовых нужд. Более высокоточные приборы имеют показатель 0,01 о С.
• Простой технологии изготовления и обслуживания.

К недостаткам термопар можно отнести:

• необходимость применения высокочувствительных приборов для снятия результатов измерений;
• малая величина токов требует экранирующей защиты проводов для уменьшения наводки;
• ухудшение показателей при длительном использовании в условиях перепадов температур;
• для точных измерений требуется градуировка каждого прибора на заводе-изготовителе;
• появление нелинейной зависимости термо-ЭДС от нагревания, если превышаются рабочие ограничения.

В целом, возможные сложности в работе с термопарами хорошо изучены и имеют различные способы решения. Благодаря надежности, точности, широкому рабочему диапазону температур устройства очень распространены. Применение определяется их техническими характеристиками и особенностями, а для некоторых систем термопары — единственно возможный вариант. Существующая классификация, а также многочисленные исследования и опыт эксплуатации дают обширную информацию о различных типах устройств, что облегчает их выбор и использование.

Какой тип термопар выбрать

В промышленном оборудовании термопары используются крайне часто для более точного контроля этапов производства товара. В то время пока вы рассматриваете какую термопару выбрать, рекомендуем заострить свое внимание на следующих характеристиках:

• Диапазон измерения температур
• Устойчивость к химическим средам
• Стойкость к вибрации и механическим воздействиям
• Совместимость с используемым оборудованием

Как подобрать тип спая термопары

У термопар имеется три типа спая: изолированный, неизолированный или открытый.

На конце датчика с неизолированным переходом провода термопары прикреплены к стенке датчика с внутренней стороны. Благодаря этому достигается отличная теплопередача снаружи через стенку оболочки к спаю термопары. В изолированном типе спай термопары отделен от стенки оболочки. Время отклика меньше, чем у неизолированного типа, но изолированный обеспечивает изоляцию от электричества.

Термопара в стиле открытого спая выступает из конца оболочки и подвержена воздействию среды которая ее окружает. Этот тип обеспечивает лучшее время отклика, но его можно эксплуатировать только для некоррозионных и негерметичных случаев.

Неизолированный спай используют для замера температур агрессивных сред, или же для областей применения где характерно высокое давление. Спай неизолированной термопары приварен к защитной оболочке, благодаря чему достигается более быстрый отклик, чем при эксплуатации спая изолированного типа.

Изолированный спай отлично себя показывает в измерениях температур в агрессивных средах, где рекомендуется иметь термопару, которая электрически изолирована от оболочки и экранированную ею. Термопара из сварной проволоки физически изолирована от оболочки термопары порошком MgO (оксид магния).

Открытый переход рекомендуется для измерения статических или текущих температур некоррозионных газов, где понадобится быстрое время отклика. Соединение выходит за пределы защитной оболочки из металла, в следствии чего получается более точный и быстрый отклик. Изоляция оболочки герметична в соединительных местах, благодаря чему исключается любое проникновение влаги или газа, которое могло бы привести к ошибкам.

Принцип действия максимально-дифференциальных тепловых извещателей

Возникновение возгорания всегда сопровождается повышением температуры. Этот факт позволяет использовать тепловые пожарные извещатели для своевременного оповещения об опасности. Тепловые датчики реагируют на превышение определенного значения температуры зоны охвата или на скорость её изменения.

Широкое применение получили тепловые максимально-дифференциальные извещатели благодаря точности и скорости срабатывания.

Пассивные тепловые датчики

Принцип работы первых моделей тепловых извещателей основывался на размыкании/замыкании двух контактов, соединенных проводником, выполненным из термочувствительного материала. Разрыв или замыкание цепи приводили к формированию сигнала тревоги.

Несмотря на то, что эти изделия из-за своего максимально примитивного устройства были одноразовыми и нуждались в замене после использования, благодаря низкой себестоимости они до сих пор выпускаются. Их позднейшие модификации успешно используют в общественных помещениях и жилых домах. Такие тепловые извещатели не потребляют электрический ток и называются пассивными.

Виды активных приборов

В основе действия современных активных (электронных) тепловых приборов также лежит использование чувствительного элемента, меняющего под воздействием температуры свои физические свойства. В роли такого элемента могут выступать легкоплавкие припои, биметаллические пластины, постоянный магнит, полупроводниковый терморезистор, термопара.

Признаками, по которым классифицируют тепловые извещатели, являются:

• тип возрастания температуры;
• тип зоны обнаружения;
• пороговая температура;
• инерционность;
• конструктивные особенности.

По сектору отслеживания различают точечные и линейные тепловые излучатели. Точечные тоже имеют свою классификацию делятся на максимальные, дифференциальные и максимально-дифференциальные.

В новейших пожарных системах все чаще устанавливают максимально-дифференциальные датчики, так как они более совершенны.

Максимальный извещатель

Датчик максимального типа формируют тревожный сигнал при регистрации в контролируемом объеме достижения критического (порогового) значения температуры. Именно к этому типу относятся простейшие устройства, основанные на спайке двух проводников.

В более сложных моделях применяют термочувствительный полупроводник. Он образует замкнутую цепь с терморезистором с приложенной разностью потенциалов. При нагревании сопротивление в цепи падает, сила тока начинает возрастать, и в определенный момент формируется и передается сигнал тревоги. В существующей линейке изделий есть устройства с разнообразной установленной температурой срабатывания, например, 60, 70 или 100 °C. Однако максимальные тепловые извещатели обладают наибольшей, по сравнению с другими типами, инерционностью – промежутком времени между появлением очага пожара и срабатыванием датчика.

Дифференциальный

Быстрее реагируют на происходящие в заданном объеме изменения дифференциальные извещатели. В основе принципа их действия лежит контроль над скоростью возрастания температуры, датчик срабатывает при превышении заданной скорости.

Технически это реализуется путем использования двух термоэлементов. Один располагается снаружи, а второй непосредственно внутри корпуса прибора и не контактирует с окружающей средой.

Ток с обеих цепей приходит на дифференциальный усилитель, на выходе которого производится сигнал, равный разности принимаемых на входе величин. В обычных условиях на обе термопары воздействует практически равная температура и сигнал на выходе усилителя мал. При пожаре баланс на входе стремительно изменяется, и пропорционально этому увеличивается сигнал. Достижение сигналом усилителя заданной величины провоцирует формирование сигнала тревоги теплового дифференциального извещателя.

Максимально-дифференциальный

Наиболее универсальным из всех трех типов является максимально-дифференциальный тепловой извещатель, совмещающий в себе функциональные особенности первых двух.

Это устройство призвано реагировать тревожным сигналом как на достижение пороговой температуры в заданной зоне, так и на критическую скорость нарастания температуры.

Двойной принцип действия прибора обуславливает его повышенную чувствительность и делает максимально-дифференциальный тепловой извещатель самым совершенным на данный момент устройством обнаружения очага возгорания и информирования о нем.