Скин-эффект и системы обогрева

Скин-эффект и системы обогрева

Это действие следует рассматривать на примере относительно длинного цилиндрического проводника, на который оказывает воздействие переменное напряжение, имеющее определенную частоту с изменением по времени.

Если взять постоянное напряжение, частота которого равна нулю, то в этом случае распределение электрического тока будет по всему сечению проводника. Это связано с тем, что напряженность постоянного тока будет одинаковой в каждой точке сечения проводника. Силовые линии магнитного поля, создаваемого током, образуются в виде концентрических окружностей, центр которых совпадает с осью проводника. Таким образом, постоянный ток распределяется по сечению вне зависимости от действия магнитного поля.

В случае с переменным током в проводнике, происходит его изменение во времени с одновременным изменением магнитного поля. При изменении потока магнитного поля наблюдается появление электродвижущей силы. Именно эта ЭДС вытесняет электрический ток к поверхности проводника с помощью магнитного поля. При очень высоких частотах весь ток будет протекать только по тонкому слою наружной части проводника.

Свойства скин-эффекта

Скин-эффект связан не только с высокочастотными токами, которые изменяются во времени. Это связано с любым временным изменением токов. Возникновение скин-эффекта может наблюдаться при непосредственном подключении проводника к постоянному напряжению. Именно в этот момент появляется ЭДС индукции большого значения, компенсирующая действие внешнего электрического поля на оси. Окончание этого процесса отмечается во время равномерного распределения тока в проводнике по всему сечению.

При очень быстром изменении тока, водится специальное время, в течение которого ток и магнитное поле проникают в глубину проводника. Эта величина носит наименование скин-нового времени. При этом, следует учитывать и тот фактор, что с уменьшением удельного сопротивления проводника, увеличивается время проникновения в него тока и магнитного поля. В случае использования сверхпроводников, скин-время, теоретически, будет иметь бесконечно большое значение, магнитного поля не наблюдается, а протекание тока происходит исключительно по поверхности.

Преимущества

• Большая длина обогреваемого участка трубопровода. Это связано с тем, что токонесущий проводник большого сечения разгружен от функции тепловыделения и выполняет фактически функцию встроенной сопроводительной цепи питания.
• Запитка с одного конца. По своей природе конструкция СКИН-СИСТЕМЫ предназначена для подачи питания с одного конца обогреваемого участка.
• Электробезопасность. Наружная поверхность тепловыделяющего элемента имеет нулевой потенциал относительно земли, она заземлена и полностью экранирует находящийся внутри токонесущий проводник.
• Хороший тепловой контакт. Металлический тепловыделяющий элемент непосредственно приваривается к трубопроводу или прикрепляется к нему с помощью специальных элементов.
• Простота монтажа. Тепловыделяющие элементы не имеют наружной электрической изоляции, которую можно повредить при монтаже.
• Надежность. Прочные тепловыделяющие элементы в виде стальных труб обеспечивают механическую прочность и защиту токонесущих проводников от повреждений. Это важно для трубопроводов, проложенных под землей или под водой.

Комплексная система

СКИН-система поставляется и монтируется в полном комплекте, включающем:
— элементы системы обогрева
— систему контроля и управления
— систему электропитания
Система электропитания выполняется в виде комплектной трансформаторной подстанции (КТП), включающей в себя распределительные ячейки высокой и низкой стороны, специализированный симметрирующий трансформатор. КТП размещается в специализированном обогреваемом и освещаемом контейнере. Кроме того, имеется возможность оснастить КТП охранно-пожарной сигнализацией и системой охлаждения.

Тепловыделение
Рабочий диапазон температур:
-50°С . +200°С

Электропитание
до 6 кВ

Конструкция
Тепловыделяющий элемент: труба из низкоуглеродистой стали диаметром 20–60 мм с толщиной стенки 3–4 мм
Токонесущий проводник: специальный проводник, устойчивый к воздействию высокого напряжения (до 5кВ), к тепловым нагрузкам (до 200°С) и механическим нагрузкам при монтаже

Расчетное распределение температур

Эффективность СКИН-СИСТЕМЫ в сравнении с другими типами нагревателей

Схема электропитания участка трубопровода, обогреваемого СКИН-эффектом

Аналогия с потоком воды

Когда речь идет об электрическом сопротивлении в физике, необходимо различать два случая:

1. Электрические сопротивления как элементы электрической цепи (см. пример на рисунке 2). То есть, если вы называете элемент в электротехнике резистором, то вы имеете в виду конкретный элемент, предназначенный для целей ограничения протекания электрического тока в электрической цепи.
2. Электрическое сопротивление как физическая величина. Вы также можете спросить, насколько сильно тот или иной элемент препятствует протеканию электрического тока или вообще как можно рассчитать электрическое сопротивление. Здесь вы говорите об электрическом сопротивлении как о физической величине.

Примечание. Резистор — это прибор с постоянным сопротивлением. Если необходимо регулировать силу тока в электрической цепи, то используют для этой цели реостаты — приборы с переменным сопротивлением. В составе реостата имеется подвижный контакт, при помощи которого изменяется длина участка, включённого в цепь. Реостат используется, например, в регуляторах громкости радиоприёмников.

Вы можете проиллюстрировать работу резистора как элемента (т.е. случай 1) с помощью модели протекания воды в трубе.

Если представить поток электрического тока как поток воды через трубу, то резистор, имеющий электрическое сопротивление R, выполняет функцию сужения трубы. Сужение в трубе препятствует потоку воды, подобно тому, как резистор препятствует потоку электрического тока. Если вы сильнее сузите трубу, то сопротивление потоку воды увеличится. Тем самым труба будет больше препятствовать потоку воды.

Рис. 1. Суть электрического сопротивления на примере модели протекания воды в трубе

Заключение

Таки образом, можно сказать что на законе Джоуля-Ленца держится чуть ли не вся электрика и электротехника. Открыв этот закон, появилась возможность уже заранее предсказать некоторые будущие проблемы в освоении электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери нужно занизить передаваемый ток, компенсируя это высоким напряжением. А уже на оконечном потребителе, понижать напряжение и получать более высокий ток.

Закон Джоуля-Ленца неотступно следует из одной эпохи технологического развития в другую. Даже сегодня мы постоянно наблюдаем его в быту – закон проявляется всюду, и не всегда люди ему рады. Сильно греющийся процессор персонального компьютера, пропадание света из-за обгоревшей скрутки «медь-алюминий»,выбитая вставка-предохранитель, выгоревшая из-за высокой нагрузки электропроводка – всё это тот самый закон Джоуля-Ленца.

Раз уж заговорили про ДжОУля )) Читайте статья про ОУ — Операционный усилитель.