4.1. Термоелектрични уређаји

Физички принцип рада електротермичких уређаја

Термоелектрични уређаји су уређаји који електричну енергију претварају у топлотну. Физички принцип рада ових уређаја заснива се на искоришћењу топлотног дејства електричне струје. Када кроз проводник протиче струја он се загрева. ..

Усмерено кретање електрона кроз било који метални проводник изазива отпор материјала проводника том кретању. Услед тог електричног отпора проводник се загрева. Колико ће се проводник загрејати зависи од више фактора а најутицајнији је врста материјала од којег је проводник израђен. Ако је проводник израђен од материјала мале електричне отпорности он ће се мање загрејати него када је израђен од проводника веће електричне отпорности.

R= ρ l/S

R(Ω)-електрични отпор

ρ(Ω/m)-специфични електрични отпор

l (m)-дужине

S(m²)-површина попречног пресека

Зато се сви проводници и праве од материјала мале електричне отпорности, бакра или алуминијума, јер би у супротном електрична инсталација била извор сталних пожара. Но, ако на неком издвојеном делу струјног кола намерно поставимо проводник огромне електричне отпорности електричну струју можемо претворити у извор топлотне енергије.

Главни део свих електротермичких уређаје је грејач.

Грејачи се праве од материјала велике електричне отпорности и велике температуре топљења. Легуре које се користе за израду грејача зову се кантал и цекас. Да би се грејачима још више повећало дејство, односно да би се брже загревали они су обично замотани у облик завојне опруге - облик завојнице илити облик спољашњег навоја на завртњу, јер им се тиме повећава дужина, што утиче на повећање електричне отпорности ( електрична отпорност проводника управо је сразмерна специфичној електричној отпорности материјала и дужини проводника а обрнуто сразмерна површини попречног пресека проводника).

Количина топлоте коју грејач предаје околини једнака је производу квадрата јачине струје која протиче кроз проводник , електричној отпорности грејача и времену протицања струје кроз грејач(Џулов закон).

На слици је приказан грејач ТА пећи, о којој ће тек бити речи.

Електротермички уређаји имају велику примену у индустрији, за градњу пећи које користе погони обраде деформисањем, ливењем, ковањем и сл, али и домаћинства користе многе електротермичке уређаје.

Најважнији електротермички уређаји у домаћинствима су:

електрична лемилица,
електрични решо,
електрични штедњак,
електричне грејалице, радијатори и пећи,
електрична пегла,
електрични бојлер,
итд.

Електричне лемилице и грејачи за воду

Електрична лемилица није типичан уређај домаћинства, јер је направљена за процес лемљења и обавезан је алат сваког мајстора за поправку електронских уређаја, али због ниске цене и лаке примене присутна је у многим домаћинствима.

Електрична лемилица је најпростији електротермички уређај и састоји се од трожилног проводника, шуко прикључнице, грејача, и дебеле гумене или пластичне изолације проводника, која је уједно при врху лемилице обликована као рукохват.

Израђују се мањих или већих снага, од 50 до 250W.

Електрични грејачи за воду су уређаји слични лемилицама, сем облика при врху који је код грејача замотан у завојницу, који се више готово и не производе, а служили су за грејање воде директним потапањем у воду. Због своје крајње небезбедности употребе, а и због чињенице да је бојлер данас доступан сваком домаћинству, више се не производе, сем у облику кувала за кафу, где је грејач затопљен у пластику, која је уједно и суд за воду. При употреби ових кувала никада не треба заборавити да не смемо користити металне кашике. Ваљало би да ученик самостално одговори зашто се приликом употребе кувала за кафу не смеју користити металне кашике па објашњење неће ни бити дато.

Коментар аутора сајта - Како је уистину лако сметнути с ума металну кашику при свакодневној употреби кувала за кафу, посебно код особа навиклих на по десетак кафа дневно, ова кувала су крајње небезбедна и најбоље је не користити их ( овде мислим на пластична кувала које можемо набавити на бувљим пијацама, јер се по продавницама електричних уређаја и не нуде као продајни артикал).

Електрични решо

Електрични решо је уређај који служи за кување. Главни делови електричног решоа су: грејна плоча ( рингла ), кућиште и трожилни проводник са шуко прикључницом.Грејна плоче су стандардизоване и праве се различитих пречника и снага, од 450-1200 W.

Грејач је код грејне плоче спирално увијен и за њу је причвршћен керамичким везивом, које је уједно и изолатор. Грејна плоча решоа је постављена на кућиште од челичног лима, које служи и као постоље. Електрични решо може имати само једну грејну плочу, али може имати и више (до 4).

Решои са више грејних плоча имају и обртне прекидаче за регулисање температуре и укључивање појединих плоча.

Електрични штедњак

Електрични штедњак, као и решо, служи за спремање хране, с тим што штедњак има и пећницу(рерну). Пећницу греју најчешће два велика грејача, један са горње и један са доње стране. Укупна снага ових грејача креће се и до 2000 W.Поједине пећнице имају и електромотор за обртање ражња. Штедњаци најчешће имају 4 грејне плоче, различитих пречника и снага (220 mm-2000 W; 180 mm-1500 W; 145 mm-1000 W, итд).

Пећница и појединачне грејне плоче имају сопствене издвојене обртне прекидаче. Најсавременији штедњаци имају и могућности програмирања времена кувања или печења, температуре, аутоматског искључења грејних тела, итд.

Кућиште електричних штедњака прави се од челичног лима, а у моди је и постављање ватросталних стаклених плоча преко грејних плоча, чиме се олакшава одржавање истих, а и продужава им се век трајања. Електрични штедњак је највећи потрошач у домаћинствима. Спада у уређаје велике снаге и морао би бити уземљен.

За прикључивање штедњака на трофазну инсталацију потребан је петожилни проводник и трофазна шуко прикључница(1,2,3-фазе; 4- нула; 5-уземљење).

Електричне грејалице и пећи

Електричне грејалице и пећи служе за загревање просторија. Грејалице могу бити отворене и полуотворене а принцип грејања заснива се на загревању више грејача који предају топлоту околини. Ради бољег простирања топлоте по просторији неке грејалице имају и вентилаторе које покреће електромотор.

Вентилатори усмеравају хладан ваздух преко грејеча услед чега се он загреје и рашири по просторији. Отворене грејалице се израђују као кварцне и инфрагрејалице. Оне обично немају вентилаторе.

Инфрагрејалице испуштају невидљиве инфрацрвене зраке које се простиру и предају топлоту телу у чијем правцу су усмерене, и најчешће се користе у купатилима.

Термоакумулационе пећи (ТА пећи) служе за грејање већих просторија и већих су снага од грејалица.

Принцип грејања ТА пећима заснива се на акумулацији топлоте у керамичким грејачима. Грејач ТА пећи је обмотан око тела од керамике, или шамота, и својом топлотом га загрева. Керамика је изолатор и као таква врло споро се загрева, али се споро и хлади када се једном загреје.

Да би се ТА пећ загрејала за коришћење потребно је извесно време и стога се оне обично "пуне" ноћу. Целе ноћи грејачи греју керамику и она је ујутру загрејана. Када желимо да акумулирану топлоту из ТА пећи искористимо упалимо њене вентилаторе, односно електромоторе, и топао ваздух се из пећи шири по просторији.

Већина ТА пећи има термостате који регулишу "издувавање" топлоте из ње.

Довољно је само да подесимо температуру на термостату и он ће аутоматски палити и гасити ТА пећ, односно покретати електромоторе који врте вентилаторе. Недостатак ТА пећи у односу на обичне грејалице огледа се у њеној припреми за коришћење, јер се не може користити ефикасно ако керамика није загрејана. Уколико је пећ хладна, а ми истовремено упалимо грејаче и укључимо вентилаторе керамика се никада неће ни загрејати, а по соби се неће ширити топлота, односно трошићемо струју узалуд.

С друге стране, недостатак грејалица огледа се у томе што су мање економичне, јер је крај њих топло једино када су укључене. Кад загреју просторији и угасимо их врло брзо сва топлота се изгуби па их морамо палити поново.

То практично значи да већи део дана морају бити укључене, ако су једини извор топлоте у просторији.

ТА пећи акумулирају топлоту у керамичим грејачима који се врло споро хладе, као и у керамичким блоковима којом је унутрашњост ТА пећи испуњена, а да би се тај процес губитка топлоте још више успорио они су обложени минералном вуном.

Поред ТА пећи и грејалица данас се производе и електрични радијатори, који су уједно и најмодернији ситем електричног грејања, који греју уље. У комбинацији са вентилаторима делују као ТА пећи, а притом није потребан велики период времена за акумулацију топлоте, док са друге стране емитују топлоту и када су грејачи искључени, јер загрејано уље емитује топлоту све док се не охлади, што их чини економичнијим од грејалица.

Систем електричног грејања само коришћењем пећи одавно је превазиђен, јер углавном не задовољава потребе великих просторија.

Данас се електрични грејачи уграђују директно у подове и зидове при градњи објекта, или накнадно, чиме се постиже већа температура и спорије хлађење просторија (види лекцију 6. разреда о изолацији подова).

Електрична пегла

Електрична пегла служи за глачање текстилних материјала. Она има плочу за глачање коју треба загрејати на одређену температуру (60-220°С) како би се њоме глачали одређени материјали. Грејач пегле керамиком је заливен изнад плоче за глачање, која служи и као везивни материјал и као изолатор.

Да би се одржала задата температура, која се задаје обртањем обртног прекидача, свака пегла мора имати и терморегулатор (термостат).

Термостат је пегли потребан и због тачности температуре, јер уколико је већа од оне коју тканина трпи она ће се оштетити, а и због економичности у потрошњи струје.

Када се плоча за глачање загреје на задату температуру термостат гаси пеглу, а када се температура смањи за неколико степени он је поново пали. На овај начин температура плоче никад не прелази задату вредност, а није потребно ни много чекати да се плоча поново загреје.

У пракси термостат пали и гаси пеглу неколико пута за минут пеглања што се манифестује споља као "цактање" пегле, и стално паљење и гашење сигналне лампице.

Савремене пегле имају и разне додатке у виду распршивача водене паре, прскалице за воду и сл. који су ту да обезбеде боље, квалитетније и лагодније пеглање.

Могу бити различитих величина и снага (од 800 до 2000 W), а прикључују се на мрежу трожилним проводником и шуко прикључницом.

Електрични бојлер

Електрични бојлер служи за грејање воде, која се у домаћинствима користи за одржавање личне хигијене и ручно прање суђа. Електрични бојлери су економични јер воду загревају директно, односно грејач је потопљен у воду.

Праве се различитих капацитета и снага, а деле се на проточне и бојлере високог притиска. Проточни бојлери греју воду одмах, односно вода се загрева тако што пролази кроз изувијани грејач.

Пошто хладна вода дуже путује кроз грејач она је на излазу из грејача већ загрејана.

Проточни бојлери се обично користе у кухињама, изнад судопера, али се праве и већих снага за грејање веће количине воде.

Бојлери високог притиска су чешће у примени јер су економичнији - троше мање струје.

Код њих се вода загрева у резервоару ( најчешће 60-120 литара) а по потреби користи.

Температура загрејаности воде задаје се прекидачем за регулисање температуре, а температуру одржава термостат.

На овај начин, ако је бојлер увек укључен домаћинство ће у било ком тренутку имати топлу воду.

Када се вода загреје на задату температуру термостат прекида довод струје до грејача, а када се вода временом мало охлади термостат затвара довод струје и догреје воду на задату температуру.

Хлађење воде успорава се минералном вуном, којом се облаже резервоар. Пошто постоји могућност квара термостата цев за довод воде бојлера мора имати сигурносни вентил, да не би дошло да експлозије резервоара бојлера.

Када дође до квара термостата ( бојлер је аутоматски уређај и ми тај тренутак на можемо опазити) довод струје до грејача неће се прекинуту аутоматски ( јер је термостат у квару) и грејач ће грејати воду све док она не прокључа. Када температура воде достигне 100°С она ће прећи у водену пару која ће се ширити слободним простором резорвоара и повећавати притисак у њему. Временом, водене паре ће бити све више а притисак у резервоару ће бити све већи.

Врло брзо тај притисак ће достићи тако велику вредност да ће резорвоар експлодирати.

Пошто су резервоари бојлера високог притиском направљени од челика парчићи челика који ће путовати великом брзином у том тренутку сигурно могу убити или тешко повредити сваког ко би се нашао у непосредној близини. Зато сваки инсталирани бојлер обавезно мора имати сигурносни вентил на цеви за довод воде кроз који ће водена пара, у случају квара термостата, излазити из резорвоара у купатило, на тај начин смањујући притисак у њему. Сигурносни вентил је, дакле, потребан да спречи експлозију бојлера у случају квара термостата.

Тај тренутак корисник обавезно примети, уколико је у кући, и може споља ручно искључити бојлер, односно прекинути довод струје до грејача.

Створена пара ће испунити простор купатила, а нова се неће стварати. Овај поступак испуштања паре, који већину корисника бојлера уплаши, убрзава се одвртањем славине за врућу воду, односно испуштањем воде из резервоара.

Дакле, у случају квара термостата не треба се уплашити буке шиштања вентила и облака паре у купутилу, већ треба одмах искључити бојлер и након тога одврнути славину топле воде до краја. Чим испустимо воду из резервоара престаће и шиштање паре из вентила, а треба бити присебан и отворити прозор, уколико је затворен. Бојлер са поквареним термостатом не треба користити док се квар не отклони, односно док се термостат не замени.

Због свега поменутог није препоручиво да је бојлер укључен када код куће нема никога. Такође, иако се бојлер теоретски никада не мора гасити, свакако да је боље и сигурније купати се са искљученим бојлером изнад главе, или у непосредној близини. Укључивањем бојлера пре непосредног купања смањује се и потрошња електричне струје. Дакле, бојлер не мора увек бити укључен, већ га можемо укључивати и периодично, нешто пре него нам топла вода буде потребна, и гасити када нам није потребна. Загрејану воду ваља потрошити пре него се охлади, уколико бојлер укључујемо периодично.