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.

. 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 żarników: a) jednoskrętkowy;

b) dwuskrętokwy

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, 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 półprze-

strzeni

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