Посібник

регулювати їх потужність за допомогою позиційних перемикачів. У духовці розташовані три ТЕНи потужністю 0,8 кВт (верхній), 1,2 кВт (нижній) та 1,5 кВт (високотемпературний гриль). Високотемпературний гриль і верхній підігрівач знаходяться у верхній частині шафи, а нижній – під днищем. Позиційний перемикач духовки має три позиції: “О”- вимкнено, “увімкнена духовка ”та “увімкнений гриль ”. Одночасно вмикати гриль і ТЕНи духовки забороняється! У духовці є пристій для запікання м’яса чи птиці – рожен. Рожен обертається обертальним механізмом, що приводиться в рух двигуном-редуктором з частотою обертання 2 об/хв. Для його вмикання вмонтований клавішний вимикач.

Мікрохвильові печі використовують у домашніх умовах для швидкого приготування їжі, розморожування продуктів, підігрівання готових страв, випікання виробів (якщо встановлений також ТЕН). У мікрохвильовій печі для теплової обробки продуктів використовується енергія електромагнітних коливань надвисокої частоти (НВЧ), генерованих магнетроном. Під час приготування їжі енергія нагріву виділяється безпосередньо в усьому об’ємі продуктів, тому швидкість приготування страв у 4 – 8 разів вища ніж звичайним способом з зовнішнім нагріванням. Під час роботи печі не виділяються продукти згорання чи запахи – повітря залишається чистим. Електромагнітні хвилі багатократно відбиваються від стінок печі, тому опромінюють продукти зі всіх сторін. Оскільки енергія хвиль ослаблюється від поверхні до центру продукту, тому зовнішні шари можуть прогріватися сильніше, ніж внутрішні. Процес приготування їжі автоматизований і не потребує неперервного контролю. Для прискорення приготування та надання страві високих смакових якостей у мікрохвильових печах встановлюють додаткові нагрівачі: верхні (галогенові, ТЕНові чи керамічні) і нижні ТЕНові. Влаштовують також пристрої конвекції для рівномірного розподілу тепла у печі. Для прикладу наведемо технічні характеристики мікрохвильової печі НЕ: енергоспоживання у режимі мікрохвильової печі – 1200 Вт, у режимі конвекції – 950 Вт, у режимі гриль – 950 Вт. Робоча частота 2450 МГц.

Різновидністю духовок є електрогрилі – шафи з інфрачервоним нагріванням (від встановлених ТЕНів) для приготування м’ясних і рибних страв. Продукти не доторкаються до нагрівних поверхонь, тому нема потреби використовувати жири (товщі). Продукти глибоко прогріваються, тому приготування достатньо швидке. Потужність таких пристроїв близько

1200 Вт.

Водонагрівачі застосовують для забезпечення побуту гарячою водою, переважно там, де відсутнє централізоване водопостачання. Водонагрівачі бувають теплоакумуляційного (об’ємного) та протічного типів.

Теплоакумуляційні водонагрівачі розраховані на нагрівання та тривале використання гарячої води. Це тепло ізольовані баки, всередині яких встановлені нагрівні елементи та пристрої для регулювання й обмеження температури води. Швидкість нагрівання залежить від потужності нагрівача та ємкості бака. Ці водонагрівачі бувають місткістю від 5 до 120

72

літрів потужністю від 1,5 до 2 кВт. Час підігріву води до температури 75 0С складає від 0,2 до 1,8 години. Акумуляційні нагрівачі часто вмикають у нічний час для використання дешевшої електроенергії.

Протічні водопідігрівачі випускають для однієї або кількох точок споживання: для кухні, для душу тощо. Продуктивність підігріву води на 25 0С складає від 1,7 до 12 літрів за хвилину. Відповідно потужність коливається від 3,0 до 24 кВт. Підігрівачі на багато точок водокористування виконуються на живлення від трифазної електромережі.

Електропраски. Тепер використовуються переважно електропраски з терморегуляторами та з терморегулятором і зволожувачем. Нагрівним елементом прасок переважно є ТЕН, вмонтований у “підошву” (прасувальну частину) праски. Призначення терморегулятора праски полягає у регулюванні температури поверхні прасування стосовно вимог користувача. Зволоження поверхні під час прасування покращує якість оброблення та пришвидшує цей процес. Терморегулюванням і зволоженням досягається також економія електроенергії під час прасування. На рис 3.14 спрощено показана будова праски з терморегулятором.

Упідошву 1 праски влаштований трубчастий нагрівач 2, напруга на який подається через терморегулятор, що складається з біметалевої пластини 3, що прикріплена до основи підошви 1, контактних пластин 4 і 5, ізоляційного штифта 6, ручки 7, що через гвинтову передачу 8-9 змінює положення контактних пластин 4-5. Гайка 9 закріплена на опорному кронштейні 10. Про увімкнений стан праски сигналізує лампочка 11, на яку подається спад напруги на резисторі 12, тобто лампа світиться коли проходить струм через спіраль нагрівача. Під час нагрівання біметалева пластина, що складається з двох спресованих пластин, матеріали яких мають різні коефіцієнти температурного розширення, згинається і штифтом 6 натискає на пластину 5 аж до розмикання контакту між пластинами 4 і 5. Чим більший проміжок δ між кінцем штифта і пластиною 5, тим до більшої температури треба розігріти пластину 3, щоб розімкнути контакт. Після розмикання контакту 4-5 припиняється подача електроенергії на нагрівач і підошва праски, а разом з нею пластина 3 охолоджується і повертається у попереднє положення. Частину часу праска використовується без споживання електроенергії. Цим досягається регулювання температури праски та зниження енерговикористання на прасування.

Утеперішніх модифікаціях прасок влаштовуються розпилювачі холодної води та пристрої пароутворення для покращення режиму прасування. Пара утворюється пропусканням води через щілини (протоки)

упідошві праски.

Потужність побутових прасок від 800 до 1800 Вт.

73

Для збереження утвореної теплової енергії нагрівний елемент розташовують у корпусі приладу, який ізольований від довкілля теплоізоляційними матеріалами.

Використання електричної енергії для нагрівання має ряд переваг перед іншими видами нагрівання (на газовому, твердому чи рідкому паливі). До переваг відносяться: рівномірне нагрівання; Простота регулювання температури зміною значення сили струму; Автоматичне увімкнення і вимкнення у будь-який момент часу; кращі гігієнічні умови теплоутворення; менша пожежонебезпека тощо.

Нагрівні елементи виготовляють з константану, ніхрому, фехралі та інш. Основні вимоги до матеріалів для виготовлення нагрівних елементів такі: високий питомий опір; мала залежність опору від температури, яка характеризується температурним коефіцієнтом опору (ТКО), здатність витримувати високі температури тощо. Технічні характеристики деяких сплавів наведені у табл. 3.9.

Константан – сплав міді з нікелем (міді 60 %, нікелю 40 %) може працювати при температурах до 450 – 500 0С. Виготовляється у вигляді дроту діаметром від 0,03 мм і більше. Він використовується переважно для виготовлення нагрівних елементів кип’ятильників.

Таблиця 3.9 Технічні характеристики сплавів високого опору

Ніхром – сплав нікелю хрому, заліза і марганцю. Виготовляється у вигляді дроту діаметром від 0,2 до 10 мм, або у вигляді стрічки товщиною 0,2 – 3,0 мм і шириною 6 – 30 мм. Нагрівні елемента застосовуються у електричних плитках, прасках, електричних чайниках та інших побутових приладах.

75

Фехраль – сплав заліза, хрому, алюмінію, марганцю і нікелю. Випускається у вигляді дроту діаметром від 0,2 до 6 мм. Застосовується у нагрівних приладах, як і ніхром.

У всіх нагрівних приладах нагрівні елементи надійно ізолюють від корпуса за допомогою фарфору, слюди, шамоту, периклазу (MgO), кварцового піску тощо.

Від нагрівного елемента до об’єкта нагрівання тепло передається теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Нагрівні елемента бувають відкритого та закритого типу, а також герметичні нагрівні елементи трубчастого типу (ТЕНи). У трубчастих нагрівних елементах спіралі з ніхрому встановлюють у трубку з латуні, нержавіючої чи хромонікелевої сталі, трубку заповнюють кварцовим піском або периклазом, утрамбовують засипку і ущільнюють механічним обтисканням. Кінці трубки герметично ущільнюють , а через ізолятори виводять назовні кінці спіралі. Внаслідок захищеності від кисню з повітря ТЕНи мають термін служби до 10 000 годин. Сьогодні ТЕНи застосовуються майже у всіх нагрівних приладах побутового призначення.

Таблиця 3.10

Залежність діаметра ніхромового дроту від допустимого значення струму

Розраховуючи нагрівні елементи, треба зважати, що їх опір зростає зі збільшенням температури: ρГ=ρ20 (1+α (tГ– 20)).

Для кожного діаметра і матеріалу дроту дроту існує допустиме значення струму ІДОП , які для ніхромового дроту наведені у табл. 3.10.

Значення струму розраховують за формулою І=P/U, площу поперечного перерізу визначають за даними табл.3.8, а довжину дроту - за

такою формулою:

L = S ·U2/(ρГ· Р), м,

де U – напруга мережі живлення, В; Р – потужність нагрівного елемента, Вт; S – площа поперечного перерізу дроту, мм2; ρГ - питомий опір дроту у нагрітому стані, Ом ·мм2/м.

3.4.4. Електричне опалення будівель

Електричне опалення будівель використовують у разі відсутності інших енергоносіїв та за умови надійного електропостачання. До його

76

переваг відноситься: можливість не обігрівати приміщення за відсутності у ньому людей; можливість здійснювати локальне і швидке нагрівання; простота обслуговування; можливість регулювання температури повітря у приміщенні у бажаному діапазоні тощо. Електричне опалення доцільно застосовувати у районах з дешевою електроенергією (особливо під час нічних провалів графіка навантаження системи електропостачання), у південних районах (де температура довкілля порівняно висока), для обігріву малих за об’ємом приміщень, у міському електротранспорті тощо, а також у приміщеннях, де загальна система опалення не забезпечує необхідний рівень температури.

Прилади для електричного обігрівання приміщень. До них відносяться електроконвектори, електротепловентилятори, електрорадіатори, електрокомини. Вітчизняна промисловість випускає в основному переносні електроопалювальні прилади.

Електричні конвектори. Найбільш доступними для побутових електроспоживачів є електричні конвектори, у яких передача тепла від нагрівного елемента у довкілля здійснюється природною конвекцією. За конструкцією – це корпус, всередині якого розташовані нагрівні елементи. Повітря заходить знизу корпусу, обтікає нагрівач і виходить у верхній частині. Конвектори виготовляють на потужність до 2000 Вт.

Нагрівними елементами опалювальних приладів є ТЕНи (трубчасті електричні нагрівачі), нагрівники з голого проводу на керамічних тримачах, кварцові трубчасті нагрівачі, керамічні, металокерамічні тощо.

Для зменшення впливу на довкілля у приміщенні температури нагрівних елементів не повинна перевищувати 150 – 200 0С. За такої температури не згорає органічний пил, який осідає на поверхню нагрівача.

Електротепловентилятор – це конвектор з примусовою конвекцією (обдувом). Нагрівні елементи можуть бути відкритими спіральними, трубчастими чи керамічними. Спіральні виготовляються з тонкого ніхромового дроту. Трубчасті елементи (ТЕН) дорожчі від спіральних, але їх температура нижча за однакової зі спіральними потужності. Тому вони безпечніші. Температура керамічних нагрівачів не перевищує 100 0С і вони найбільш екологічні та безпечні. У такому приладі є влаштований вентилятор, що обдуває нагрівний елемент, тому температура повітря у приміщенні швидко стає однорідною. Потужність тепловентиляторів від 1000 до 2000 Вт. Існують тепло вентилятори й більшої потужності – до 15 кВт. Недоліком їх є те, що вони створюють шум, сприяють циркуляції пороху у приміщенні та “спалюють” кисень.

Електрорадіатори – прилади у яких тепловіддача здійснюється випромінюванням і конвекцією. Вони складаються з герметичного корпуса, заповненого мінеральною оливою і влаштованим нагрівачем, що розташовується у нижній частині об’єму. Підігріта олива природно циркулює вздовж поверхні стінок, які нагріваються до 85 – 95 0С. Потужність таких приладів від 0,5 до 2,5 кВт. Вони можуть мати ребристу

77

конструкцію корпуса (7 – 9 секцій) для збільшення поверхні тепловіддачі і обладнані регулятором температури-термостатом.

Електричні коминки – це прилади інфрачервоного нагрівання з високою температурою нагрівника (до 650 – 900 0С) та оснащені відбивачем, що концентрує потік променевої енергії у напрямку об’єкта. Вони можуть мати також декоративну функцію з імітацією ватри. Потужність коминів до 2000 Вт. Тут часто використовують ТЕНи у вигляді ніхромової спіралі, встановленої у кварцову трубку. Кварцове скло добре пропускає теплові промені у є термостійким. Для регулювання температури встановлюють декілька ТЕНів, що перемикаються регулювальним пристроєм.

Для індивідуального будинку площею 90 – 100 м2, з висотою приміщень до 2,5 м та площею вікон і дверей 22 м2, тепловий потік втрат складає до 5 кВт за годину. За опалювальний сезон у такому будинку витрачається близько 21000 кВт·год електроенергії.

Для обігріву житлових та виробничих приміщень вітчизняні підприємства виготовляють також електрокотли потужністю від 3 до 120 кВт, що працюють на напрузі 160 – 240 В. За допомогою електричної енергії нагрівають вторинний енергоносій – воду, яка циркулює у теплообмінниках системи опалення. Вони можуть бути двофункційні, тобто використовуватися для опалення та гарячого водопостачання; у такому разі вони обладнані двома групами нагрівачів. Нагрівання води у них здійснюється за допомогою ТЕНів.

Існують системи обігріву з баками–накопичувачами тепла ємкістю до 200 – 1500 л, у яких вода підігрівається ТЕНами у нічний час (використовується нічний тариф на електроенергію).

До систем, що використовують електроенергію за нічним тарифом можна віднести системи кабельного підігріву підлоги, електроконвектори з накопичувачем тепла, де акумулятором служить високоякісна магнезитова цегла, а джерелом тепла – ТЕНи.

Системи кабельного обігріву підлоги називаються комфортними, якщо у приміщенні існують й інші системи опалення. Питома встановлена потужність комфортних систем дорівнює 125 -150 Вт/м2. Якщо інші джерела тепла відсутні, то підігрів підлоги стає основним опаленням. Питома потужність основного опалення дорівнює 160 – 200 Вт/м2. Основний обігрів повинен займати не менше ніж 70% опалювальної території.

3.5. Використання електричної енергії в установках охолодження, кондиціонування та у теплових помпах

3.5.1. Основні положення термодинаміки

Термодинаміка – наука про перетворення видів енергії. Вона вивчає закони, що описують взаємні перетворення різних видів енергії в хімічних

78

і фізичних процесах, які зв’язані з переходом енергії між тілами у формі теплоти і роботи. Розрізняють загальну, технічну і хімічну термодинаміку. Технічна термодинаміка – наука про перетворення роботи у тепло і тепла у роботу.

3.5.1.1. Температура

Температура є кількісною характеристикою ступеня нагрітості тіла. Вона залежить від середньої кінетичної енергії молекул, яка збільшується по мірі зростання температури.

Для вимірювання температури використовуються різноманітні шкали, одною з яких є температурна шкала Цельсія. Градусом – умовною одиницею вимірювання температури у цій шкалі є 1/100 частина діапазону між температурою кипіння і замерзання води, відповідно 100 0С і 0 0С.

За Міжнародною практичною температурною шкалою (МПТШ) одиницею вимірювання температури є кельвін (К), кількісно рівний 0С. Однак за 0 К прийнято температуру абсолютного нуля, що дорівнює - 273,15 0С. Отже температура за МПТШ дорівнює: Т К= t (0С) + 273,15.

Існує також температурна шкала Фаренгейта, за якою початок шкали відліку температури (0 0F) відповідає (-18 0С ), температура танення льоду відповідає 32 0F, температура кипіння води - +2120F. Перерахувати значення температури за Фаренгейтом у температуру за Цельсієм можна за формулою:

t0C 95 t0F 32 .

3.5.1.2. Тиск газів і рідин

Значення тиску, яке вимірюється манометром, називається манометричним або надлишковим, оскільки манометр показує на скільки виміряний тиск у посудині більший від атмосферного.

Абсолютний атмосферний тиск – це сума атмосферного і надлишкового тисків. Одиницею вимірювання тиску є паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/1м2. На практиці використовують кратні величини: мегапаскаль (МПа), кілопаскаль (кПа), гектопаскаль (гПа).

За нормальний атмосферний тиск прийнято такий, що дорівнює 760 мм ртутного стовпчика (фізична атмосфера) – 101,308 кПа =1013,08 гПа.

3.5.1.3. Робота і потужність

За одиницю роботи прийнято джоуль (Дж) – робота сили 1 Н під час переміщення тіла на відстань 1 м у напрямку дії сили: 1 Дж= 1Н·1м.

Ньютон – сила, яка надає тілу масою 1 кг прискорення 1 м/с2 у напрямку дії сили.

Потужністю N називається робота L за одиницю часу (1 с): N = L /t . Одиницею вимірювання потужності є 1 Вт=1Дж/1с.

79

Роботу, або кількість енергії вимірюють також у кіловат-годинах (кВт·год), що відповідає роботі споживача потужністю 1 кВт за час 1 год.

3.6.1.4. Внутрішня енергія тіла

Молекулярний рух у тілах характеризується кінетичною енергією. Молекули мають також потенціальну енергію, яка залежить від їх взаємного розташування. Кінетична і потенціальна енергія молекул – це внутрішня енергія тіла. Під час збільшення температури тіла збільшується його внутрішня енергія, оскільки прискорюється рух молекул.

Енергія передається від більше нагрітого тіла до тіла з меншою температурою. Мірою зміни внутрішньої енергії називають тіла називають кількість теплоти, що перейшла від одного тіла до іншого. Одиницею вимірювання енергії прийнято 1 джоуль (Дж) і 1 калорія (кал): 1 кал = 4,2 Дж. Джоуль – це кількість теплоти, еквівалентна механічній роботі 1 Дж.

Внутрішня енергія може змінюватися внаслідок нагрівання чи охолодження тіла, або виконання тілом роботи. Кількість L механічної роботи 1 Н·м змінює внутрішню енергію тіла так само, як передача йому тепла 1 Дж. Це є частковим виявом закону збереження енергії, за яким кількість енергії є незмінною, а змінюються лише форми її існування.

3.5.1.5. Теплоємність

Кількість тепла, необхідна для нагрівання тіла на 1 К називається теплоємністю. Ця кількість тепла, віднесена до маси тіла М, називається питомою теплоємністю. Вона позначається літерою с і вимірюється у Дж/(кг·К). Для нагрівання тіла масою М від температури t1 до температури t2 потрібна кількість тепла Q= с M (t2 – t1).

3.5.1.6. Властивості газів і рідин

Залежність між об’ємом V і тиском р певної маси газу при сталій температурі (T=const) має назву закону Бойля-Маріотта і записується у вигляді пропорції: V1/ V2 = p2/ p1, або V1·p1= V2·p2= const. Процес, що проходить в умовах сталої температури називається ізотермічним.

Залежність між об’ємом V і температурою Т в умовах сталого тиску (р=const) визначається рівнянням V1/ V2 = Т1/ Т2, або V1·Т2= V2·Т1= const. Процес, що проходить в умовах сталого тиску називаються ізобаричним.

Залежність між тиском Р і температурою Т в умовах сталого об’єму (V=const) описується рівнянням Шарля: абсолютний тиск в умовах сталого об’єму прямо пропорційний температурі: p1/ p2= Т1/ Т2 . Процес, що проходить в умовах сталого об’єму газу, називається ізохоричним.

З множини властивостей рідин можна виділити їх текучість, нестискальність, змочуваність, капілярність. Внаслідок текучості рідина набуває форму посудини, у якій знаходиться. Рідини не стискаються і з підвищенням тиску їх об’єм не змінюється. Капілярність – це поширення

80