Elektryczne źródła ciepła i światła. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

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: a) jednoskrętkowy; b) dwuskrętokwy. Budowa żarówki. 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 Rodzaje trzonków: a) gwintowy; b) bagnetowy

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, C k -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, C k -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, C k -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