Электронагревательные приборы

Электронагревательные приборы получили очень широкое распространение в нашей жизни. Например, электроплитки и чайники, утюги, кипятильники, камины, фены, щипцы для завивки волос уже давно стали привычными “жильцами” наших квартир. А вот полы и стены с электроподогревом или стиральные машины, автоматически кипятящие белье, пока еще редко встречаются в нашем быту.

Электронагревательный прибор — устройство, в котором энергия электрического тока превращается в тепловую энергию.

Электрический нагрев по сравнению с другими видами нагрева (с использованием газа, жидкого или твердого топлива) имеет ряд существенных преимуществ. Он значительно улучшает санитарно-гигиенические условия жилых помещений. Газ значительно уступает электрическому нагреву в санитарно-гигиеническом отношении. При открытом горении газа выделяются как продукты полного его сгорания (углекислый газ, вода), так и продукты неполного сгорания, вредно действующие на здоровье людей (окись углерода, формальдегид, смолистые вещества и др.). При электронагреве таких вредных выделений нет. По сравнению с газовыми электроприборы взрывобезопасны.

В электронагревательных приборах электрическая энергия преобразуется в тепловую. В бытовых приборах используют различные виды электронагрева: за счет использования проводников высокого сопротивления, инфракрасный, индукционный и высокочастотный.

Нагрев за счет проводников высокого сопротивления подчиняется закону Джоуля-Ленца. При этом могут использоваться электронагревательные элементы открытого, защищенного и закрытого типов. В открытых электронагревателях электронагревательный элемент изоляции не имеет; в защищенных — проводник имеет изоляцию (керамические бусы, слюда и т. п.); в нагревателях закрытого типа проводник, в котором выделяется тепло, полностью защищен от внешней среды и является несменным. К нагревателям последнего типа относят трубчатые электронагреватели (ТЭНы), нагреватели, вмонтированные в ситалловые панели. Для изготовления нагревательных элементов используют либо нихромы (Х20Н30; Х15Н60 — данный вид сплавов более дорогой, термостойкий и долговечный), либо фехрали (Х13Ю4 — они дешевле, выдерживают нагрев до температуры 800°С.

Основной частью любого электронагревательного прибора является нагревательный элемент. Обычно он представляет собой нихромовую проволоку, свитую в виде спирали. В электрокаминах нагревательные спирали обычно помещают внутрь трубок из жаропрочного стекла, поэтому красивое красно-оранжевое свечение спиралей хорошо видно.

Рассмотрим устройство предохранителей, применяемых в квартирной проводке. Главная часть предохранителя, изображенного на рисунке проволока С из легкоплавкого металла (например, из свинца), проходящая внутри фарфоровой пробки П. Пробка имеет винтовую нарезку Р и центральный контакт К. Нарезка соединена с центральным контактом свинцовой проволокой. Пробку ввинчивают в патрон, находящийся внутри фарфоровой коробки Свинцовая проволока представляет, таким образом часть общей цепи. Толщина свинцовых проволок рассчитана так, что они выдерживают определенную силу тока, например 5, 10 А и т.д. Если сила тока превысит допустимое значение, то свинцовая проволока расплавится и цепь окажется разомкнутой. Предохранители с плавящимся проводником называют плавкими предохранителями.

Приборы для глаженья. Глаженье текстильных изделий, их формование основано на способности нитей и волокон испытывать высокоэластические деформации под воздействием тепла, влаги и давления. Особенность глажения заключается в том, что высокоэластические деформации являются обратимыми, т.е. с течением времени текстильные волокна, нити возвращаются к первоначальным размерам, форме, т.е. происходит процесс релаксации. К приборам для глаженья относят электроутюги и гладильные машины.

Электрические утюги. Ассортимент выпускаемых утюгов характеризуется значительным разнообразием конструкций и технических показателей (мощность, масса, размеры и др.). Вследствие этого они имеют разные потребительские свойства.

Выпускают следующие типы утюгов:

– утюги с терморегулятором и чугунной либо алюминиевой подошвой;

– утюги с терморегулятором и пароувлажнителем тканей, алюминиевой подошвой.

У утюгов с терморегулятором при глажении тканей на подошве поддерживаются оптимальные температуры. Расход электроэнергии зависит от съема тепла с подошвы. Такие утюги при нормальной работе терморегулятора безопасны в пожарном отношении, так как максимальная температура на подошве не превышает 260 °С. Для обеспечения быстрого разогрева в них могут устанавливать нагреватели большой мощности.

Более совершенными являются утюги с терморегулятором и пароувлажнителем. Они бывают двух типов: капельного и бойлерного.

У утюгов капельного типа под крышкой или снаружи размещен бачок для воды. В дне бачка имеется отверстие, в которое входит коническая игла штока управления. При подъеме иглы вода каплями стекает в камеру парообразования, а из нее пар выходит через отверстия в подошве утюга, увлажняя ткань. Такие утюги следует заполнять дистиллированной или кипяченой водой. При использовании жесткой воды в коническом отверстии образуется накипь, перекрывающая его.

В утюгах бойлерного типа вода испаряется непосредственно в бачке, нагреваясь от утюга или от самостоятельного электронагревателя. В таких утюгах допускается использование жесткой воды, но в них нельзя приостановить парообразование.

Гладильные машины. Основное преимущество таких машин по сравнению с электроутюгами состоит в том, что при работе на них не требуется приложение усилий на их перемещение, глаженье производят сидя. Таким образом, значительно снижается трудоемкость процесса глаженья. Рабочими органами гладильных машин является каток и башмак. Вращающийся каток имеет цилиндрическую форму длиной до 85 см (наиболее распространенные машины имеют длину катка 55… 65 см), он покрыт эластичной оболочкой. Башмак с металлической полукруглой прессующей поверхностью прижимают к цилиндрической поверхности катка. При глажении ткань пропускают между катком и башмаком. Электронагреватель размещают в башмаке.

Отопительные приборы. Через торговую сеть реализуют переносные электроприборы, предназначенные для кратковременного вспомогательного отопления. По способу преимущественной отдачи тепла приборы для отопления подразделяют на излучающие и конвекционные.

К излучающим приборам для отопления относят камины с нагревательными элементами, имеющими рабочую температуру 600… 900 °С. В качестве нагревательных элементов в них используют открытые спирали, укрепленные на керамических конусных или цилиндрических держателях, или ТЭНы. Отражатели имеют сферическую, цилиндрическую или параболическую форму; изготовляют их из хромированной или алитированной изнутри стали, а также из полированного алюминия.

Конвекционные отопительные приборы выпускают с естественной (конвекторы, масляные электрорадиаторы) и с принудительной конвекцией (электротепловентиляторы). Конвекторы имеют открытый нагревательный элемент или трубчатый электронагреватель (ТЭН) без видимого свечения, который встраивают в перфорированный корпус. Передача тепла в основном осуществляется конвекцией воздуха, поступающего в нижнюю часть корпуса.

Масляные электрорадиаторы представляют собой сварные плоские герметические стальные конструкции, заполненные минеральным (трансформаторным) маслом. В нижней части радиаторов размещают ТЭН. Температура на поверхности радиатора не превышает 95 °С.

Теплоэлектровентиляторы для отопления относят к конвекционным приборам с принудительной вентиляцией. Они объединяют в одном корпусе нагревательный элемент открытого типа или ТЭН, осевой или центробежный вентилятор, который приводится во вращение электродвигателем. При выключенном электронагревателе тепловентиляторы могут использоваться как вентиляторы. Корпус теплоэлектровентилятора с двух сторон имеет перфорацию. Вращающийся вентилятор создает поток воздуха, который омывает электронагреватель и подогретым до температуры 55… 90 °С, выбрасывается в помещение.

Приборы для нагрева воды. Выпускают погружные электрокипятильники и емкостные водонагреватели (проточные и аккумулирующие).

Погружной электрокипятильник представляет собой трубчатый электронагревательный элемент, свернутый в спираль, с пластмассовой ручкой, через которую проходит несъемный соединительный шнур. Исполнение водонепроницаемое.

В проточных емкостных водонагревателях, осуществляющих нагрев потока воды, устанавливают более мощные электронагреватели.

Аккумулирующие емкостные водонагреватели (бойлеры) позволяют нагревать воду при установленной мощности нагревателя до температуры 85 °С. Нагретую воду используют затем в течение дня по мере необходимости.

Нагревательный инструмент. В ассортимент этой группы входят паяльники, вулканизаторы, приборы для сваривания полиэтиленовой пленки, выжигания по дереву и др.

Паяльники различают по режиму нагрева, типу электронагревателя, конструкции паяльного стержня, возможности его замены, назначению, напряжению тока.

Паяльники могут быть непрерывного, форсированного и импульсного режимов нагрева.

Приборы сушильные. К этой группе относят приборы для сушки волос и сушки белья и др.

Приборы для сушки волос (фены) являются теплоэлектровентиляторами. В отличие от тепловентиляторов для отопления они имеют меньшую мощность нагревательного элемента и производительность.

Приборы для сушки белья бывают разных конструкций: в виде барабанных сушилок, шкафов, раздвижных вертикальных подставок, раздвижных штор на раме и т.п.

Приборы для обогрева тела человека. К ним относят медицинские грелки, электроодеяла, матрацы, электробинты, грелки для ног, электроковрики и др. Особенность этих изделий состоит в том, что они являются гибкими и непосредственно соприкасаются с телом человека.

Лампа накаливания

Открытие теплового действия тока привело к изобретению лампы накаливания – источника света, без которого немыслима современная жизнь.
Лампа накаливания была изобретена в 1872 г. русским электротехником А. Н. Лодыгиным. Основным элементом первой лампы был тонкий угольный стерженек, нагреваемый током до температуры, при которой он начинал светиться. Стерженек размещался под стеклянным колпаком.
Срок службы первых ламп Лодыгина составлял всего лишь 30-40 мин. Однако путем совершенствования конструкции (откачивание воздуха из колбы, использование нескольких стерженьков, поочередно сгорающих в лампе) Лодыгину удалось существенно увеличить продолжительность их работы.
В 1877 г. о работах Лодыгина узнал знаменитый американский изобретатель Т. А. Эдисон. Он решил усовершенствовать новый источник света. Чтобы как можно сильнее замедлить процесс горения угольного стержня в лампе, Эдисон с помощью сконструированного им же насоса добился такого разрежения в лампе, что давление воздуха в ней оказалось в миллион раз меньше атмосферного.
Несколько месяцев у него ушло на поиски нового материала для тела накаливания. Он пробовал все, что попадалось ему на глаза. Более шести тысяч веществ было проверено Эдисоном в поисках того материала, который мог бы не перегорать в лампе дольше всего. Когда выяснилось, что в качестве такового можно использовать бамбук, агенты Эдисона стали искать нужное растение в Японии, на Кубе, Ямайке, в Китае, Бразилии, Индии и Эквадоре. Некоторые из них погибли от укусов ядовитых змей, другие – от желтой лихорадки, но необходимый материал все-таки был найден. Обуглив и обработав волокна бамбука специальными химическими растворами, Эдисон получил тонкую нить, дававшую под действием тока яркий и ровный свет. Попутно он усовершенствовал систему ввода проводов в лампу, изобрел очень удобную вставку для нее (эдисоновский патрон) и сконструировал выключатель, с помощью которого можно было включать и выключать свет. Продолжительность работы лампы достигла 800 ч, и она стала удобной и практичной.
В ночь на 1 января 1880 г. семьсот эдисоновских ламп осветили здание с лабораторией, где работал изобретатель, а также двор, ворота и окружающий забор. Сотни людей с изумлением наблюдали этот чудесный свет, озаривший все вокруг в эту новогоднюю ночь. Весть об эдисоновском свете быстро распространилась по всей Америке. А еще через некоторое время первая партия ламп (1800 штук) была отправлена в Европу. Новые и удобные источники света стали использовать для электрического освещения улиц, домов и кораблей.
Тем временем Лодыгин тоже не переставал думать над улучшением лампы. В 1890 г. он внес существенное усовершенствование в ее конструкцию: вместо угольной нити он применил вольфрамовую, которая и используется поныне. Вольфрам является самым тугоплавким металлом (tпл=3400°С), и сделанная из него нить оказалась очень долговечной. Через несколько лет этой нити придали зигзагообразную, а затем и спиральную форму (рис 48), и лампа приобрела современный вид.

Устройство современной лампы накаливания показано на рисунке 49. Концы нити накала (вольфрамовой спирали) 1 приварены к двум проволокам (вводам), которые проходят сквозь стеклянную ножку 2 и припаяны к металлическим частям цоколя 3 лампы: одна проволока – к его винтовой нарезке, а другая – к изолированному от нарезки центральному выводу 4. Патрон 7 служит для включения лампы в сеть. Ввинчивание лампы в патрон осуществляется благодаря винтовой нарезке 6. Внутри патрона основание цоколя лампы касается пружинящего контакта 5. Этот контакт, а также винтовая нарезка патрона соединены с зажимами, к которым прикрепляют провода от сети.

При прохождении тока через вольфрамовую спираль она нагревается до температуры около 3000°С. При этом нить достигает белого каления и начинает ярко светить. Чтобы замедлить испарение нити, лампу наполняют каким-либо инертным газом (например, аргоном или криптоном).
На каждой лампе указываются электрическая мощность Р и напряжение U, на которые она рассчитана. Например, для освещения в квартирах обычно используются лампы мощностью 40, 60 и 100 Вт при напряжении 220 В. Для сравнения укажем, что лампа мощностью 100 Вт дает столько же света, сколько тысяча стеариновых свечей. По значениям мощности и напряжения, указанным на лампе, можно определить ее рабочее сопротивление (т. е. сопротивление нагретой лампы):

Если напряжение на лампе окажется меньше номинального, то выделяющаяся мощность уменьшится и свечение лампы станет менее ярким. И наоборот, при увеличении напряжения по сравнению с номинальным на 1% лампа начнет светить ярче, но срок ее службы сократится на 15%. Если же напряжение превысит номинальное на 15%, лампа тут же выйдет из строя.
В настоящее время мировое производство ламп накаливания составляет свыше 10 млрд штук в год, а количество разновидностей ламп превышает 2000. Эти лампы отличаются друг от друга назначением (осветительные, проекционные, для фар и т. д.), а также формой тела накала и размерами колбы. Последние составляют от нескольких миллиметров (у сверхминиатюрных ламп) до нескольких десятков сантиметров (у крупногабаритных прожекторных ламп). Рассчитаны они на напряжения от долей до сотен вольт при мощности, достигающей десятков киловатт. Срок службы современных ламп может превышать 1000 ч.

Домашнее задание

1. Ф.Я.Божинова, Н.М.Кирюхин, Е.А.Кирюхина. Физика, 9 класс, «Ранок», Харьков, 2009. § 17 (с.98-101) читать.

2. Упражнение 16, задача 5 (решить).