10.3. Технічне застосування теплової дії струму

Приклади використання електричного струму для освітлення, розглянуті вище, також є ілюстрацією теплової дії струму, що набула значного поширення. Решта видів застосувань цієї теплової дії значно поступалися першому не тому, що їх було важче здійснити в технічному відношенні або користуватися ними, а з дуже простої, але важливої причини: тепло, що отримувалося електричним шляхом, обходилося дуже дорого.

Теплота, що добувається електричним шляхом, обходиться набагато дорожче за теплоту, одержувану безпосереднім спалюванням вугілля. Проте в першому випадку, користуючись одержаною теплотою для різних цілей, можна її експлуатувати зі значно більшою користю, ніж в другому випадку. Розрахунки показували, що в деяких умовах втрати тепла при безпосередньому нагріванні вугіллям такі великі, що це нагрівання може обійтися дорожче за нагрівання струмом. Втім справедливість подібних висновків остаточно могла бути з'ясована лише дослідним шляхом. Досліди ж в цьому напрямі робилися із самого моменту створення потужних джерел електричного струму. З того, що вже було зроблено на початок ХХ століття, випливає, що електрика не може конкурувати з вогнем в тих випадках, коли йдеться про отримання невисокої температури, як, наприклад, при опалюванні. Але при необхідності отримання дуже високих температур втрати тепла при нагріванні вогнем настільки значні, що питання про те, чи не буде електричне нагрівання обходитися дешевше, є питанням доречним і дуже серйозним.

Дослідження показували, що для того, щоб, наприклад, розжарити залізний стрижень в ковальському горні, доводилося використовувати майже в сто разів більшу кількість тепла, ніж дійсно необхідно для самого розжарювання. При цьому 99% теплової енергії, що не передаються стрижню, втрачаються в димових газах через випромінювання і віддачу теплоти стінками печі. При електричному розжарюванні, навпаки, 80% електричної енергії, що доставляється динамо-машиною, передаються стрижню у вигляді теплоти. Проте при електричному розжарюванні необхідна наявність великої і дорогої станції для видобування струму, тоді як при розжарюванні полум'ям обмежувалися встановленням відносно дешевої печі.

Залишаючи осторонь економічну точку зору, в багатьох випадках доводиться брати до уваги лише надійність, застосовність і ступінь розжарювання.

Електричне опалювання. Нагрівання струмом досягається дуже просто, оскільки струм нагріває кожен провідник, яким він проходить. Кількість тепла, що виділяється в провіднику, залежить від його опору і сили струму, який ним проходить, а тому є можливість одержати не тільки яку завгодно температуру, але і яке завгодно зосередження теплової дії. Для цього необхідно тільки підбирати як слід опір провідника і його переріз. Таким чином, як теоретично стверджували дослідники, в дуже малому просторі можна одержати будь-яку кількість теплоти. Нижче буде показано, що це досягається і на практиці.

Якщо йдеться про опалювання, то немає потреби сильно підвищувати температуру нагрівача, тому що поняття «опалювання» у нашій розмовній мові позначає нагрівання до порівняно невисокої температури однаково, чи необхідна вона для захисту від холоду чи для кулінарії. Тому під електричним опалюванням матимуться на увазі всі ті процеси нагрівання, за яких температура не перевищує 200°С.

Мал. 10.8. Електричний нагрівач для кімнат і вагонів

Мал. 10.9. Внутрішня будова електричного нагрівача

У нагрівача повинен бути певний опір, і, крім того, він має бути по можливості невеликих розмірів. Для отримання необхідного нагріву треба тільки розташувати в належному місці провідник відповідного опору. При цьому нагрівачу надавали різні форми.

Опалювання за допомогою струму на початку ХХ століття виявилося дуже дорогим, а в Росії при сильних зимових холодах воно було абсолютно немислимим. Не дивлячись на це, багато разів намагалися надати йому практичного застосування. Перші спроби, а також і перші прилади для цього з'явилися в Європі.

В Америці пропонували опалювати за допомогою струму вагони електричних залізниць. Подібні пропозиції робилися у Франції і в інших країнах для опалювання пасажирських вагонів.

На мал. 10.8 показано загальний вигляд електричного нагрівача для пасажирських вагонів. Всередині нього був розташований ряд дротяних спіралей, якими струм проходив послідовно і нагрівав їх. На мал. 10.9 показано внутрішню конструкцію такого простого нагрівача. На міцному азбестовому шнурі навивалася дротяна спіраль, якою проходив струм. Як матеріал для дроту використовували металевий сплав зі значним питомим опором, наприклад «круппін», що вироблявся на ливарних заводах Круппа.

Якби потрібно було влаштувати електричний нагрівач для опалювання великої кімнати, то довелося б узяти дріт товстіший та довший і розташувати його в закритому залізному футлярі.

Електричні нагрівачі повітря в технічному відношенні не становили такого інтересу, як пристрої, що використовуються для нагрівання, наприклад, води. Такий електричний кип'ятильник складався з платинового дроту, щільно навитого навколо широкої і короткої скляної трубки. У цьому вигляді він опускався у воду, що нагрівалася, і за допомогою струму доводив її до кипіння. Перевагою пристрою було те, що вода сприймала всю теплоту, яка виділялася. Але ця конструкція не відповідала гігієнічним вимогам чистоти. Тому в деяких електричних кип'ятильниках дріт, що нагрівається, розташовується збоку або знизу резервуару для води. Приклад такого електричного чайника показаний на мал. 10.10. Якби не висока вартість користування, це був би прекрасний безпечний і безшумний кип'ятильник. Там, де дешевий струм вироблявся за допомогою водяної сили, ці прилади набули поширення.

Мал. 10.10. Електричний чайник

Мал. 10.12. Електричний інкубатор Шторбека

В Америці серйозно зайнялися питанням застосування електричних печей для кухні. Вважали, що електрична піч, подібно до газової печі, економічна в тому відношенні, що її приводять в дію винятково на той час, протягом якого вона потрібна. Така піч безпечна, витончена, і в ній марно витрачається значно менше тепла, ніж в звичайній печі. На мал. 10.11 показано одну з перших електричних кухонних печей початку ХХ століття.

На мал. 10.12 наведено приклад ще одного оригінального застосування електрики для нагрівання – електричний інкубатор. Тут була потрібна порівняно незначна кількість тепла і електричне нагрівання виявилось особливо зручним завдяки легкому і надійному регулюванню. Увівши в ланцюг термометр, можна легко замикати струм при пониженні температури в приміщенні, що нагрівається, і потім переривати його знову при підвищенні температури.

Першим застосував для цієї мети електрику ще в 1883 р. німецький інженер Шторбек. Його електричний інкубатор (див. мал. 10.12) складався з великої плоскої корзини, яка викладалася сіном і перетворювалася на кубло. На цю корзину накладалася електрична насадка, тобто кришка корзини, яка також набивалася сіном і мала по внутрішній стороні спіралеподібно звитий нагрівальний дріт. Крізь кришку всередину корзини проходив термометр, і відповідно до його показників регулювали силу струму. Винахідник зупинився на цьому пристрої, щоб одержати якомога ближче наслідування природі.

У всіх розглянутих апаратах тілом, яке безпосередньо нагрівалося струмом, був металевий дріт. Зазвичай це був платиновий дріт, обмотаний зверх азбестового прошарку. Іноді дріт (навіть платиновий) укладали у вогнетривку глину і у такому вигляді прикріплювали до судини. Більш сучасний спосіб полягав в нанесенні на дріт, який нагрівався, емалі. При цьому залізну пластинку покривали основним шаром емалі з якомога вищою точкою плавлення. На цьому шарі розташовували зигзагоподібно дріт, який закріплювали тонким шаром легкоплавкої емалі. Оскільки було важко покрити дріт емаллю настільки рівномірно, щоб вона ніде не стикалася з повітрям, то зверх всього накладали ще і третій шар емалі. Через те, що теплове розширення дроту інше, ніж у шару емалі, остання з часом розтріскується, і між дротом і пластинкою могли виникати короткі замикання.

Мал. 10.11. Електрична кухонна піч початку ХХ століття

Зовсім іншу систему для електричного нагрівання створили Фуа і Геффнер у Франкфурті-на-Майні. Замість нагрівальних дротів вони стали застосовувати зовсім тонкі шари благородних металів на зразок тих, що використовуються у фарфоровому і декоративному живописі. При дуже малому поперечному перерізі, що становить 0,001 мм2, ці шари могли пропускати струм порівняно великої сили. Являючи із себе широку, тонку стрічку, вони прилягали до підкладки настільки щільно, що вся енергія, яка підводилася струмом, перетворювалася на теплоту і передавалася масі судини.

Золоті або платинові шари вміщувалися всередині судини в прямому дотику з рідиною, що нагрівалася. Таким чином, вони безпосередньо нагрівали її вміст, тоді як стінки судини одержували порівняно небагато теплоти.

Електричне зварювання і паяння. Одне з найцікавіших застосувань теплової дії струму являють собою електричне зварювання і паяння металів. Ці процеси виклика ли загальний інтерес з часу винаходу технології отримання великих струмів і на початку ХХ століття з технічного боку були доведені до певної досконалості. Ця технологія дає змогу сполучати шматки металу без жодного припою, що раніше було можливе тільки для небагатьох з металів. Зазначене обумовлене тим, що за допомогою струму метали в місцях зварювання нагріваються настільки, що вони досягають розм'якшення, при якому робиться можливим з'єднання їх під тиском. При нагріванні на вогні таке високе місцеве нагрівання було б нездійсненним, бо подібне нагрівання супроводжувалося б плавленням всього шматка або значної його частини.

Спочатку були відомі два способи зварювання металевих поверхонь за допомогою струму. При першому теплота створювалася вольтовою дугою, яку примушували діяти на місце зварювання. Цей спосіб можна назвати електричним паянням. При другому способі струм з одного шматка металу в іншій пропускається через місце стикання. Внаслідок порівняно великого опору останнього в ньому створюється висока температура, яка розплавляє і зварює прилеглі металеві частини. Отже, різниця між двома способами полягала тільки в тому, що теплота або доставляється до частин, які сполучаються, ззовні, або розвивається всередині них. Загальним в цих способах є те, що з'єднання проводиться металом, який розплавляється, обох зварюваних шматків.

Микола Миколайович Бенардос (1842–1905) – всесвітньо відомий винахідник, творець електричного дугового зварювання – народився у 1842 році на півдні України. Навчався у Київському університеті та Петровській землеробській та лісній академії у Москві (майбутній Тімірязєвці). Починаючи з 1865 року Бенардос запатентував більше двох сотень винаходів і проектів (в галузі залізничного і водного транспорту, в енергетиці, акумуляторобудуванні, сільському господарстві, побутовій техніці, військовій справі). У 1882 році він запропонував винайдений ним «спосіб з’єднання і роз’єднання металів безпосередньою дією електричного струму». Бенардосу належить пріоритет у винаході зварювання опосередковано діючою дугою, зварювання у струмені газу, дугового зварювання як у звичайних умовах, так і під водою, електролітичного способу покриття великих поверхонь шаром міді. Він винайшов «спосіб електричного паяння розжарюванням», створив вугільні електроди найрізноманітніших форм, а потім комбіновані з вугілля і металу. М.М. Бенардос запропонував власний проект перетворення водяної енергії в електричну: йому належить один з перших проектів гідроелектростанції змінного струму на р. Неві (1892). Значення для людської цивілізації відкриття М.М. Бенардоса, яке пізніше вдосконалив на Пермських гарматних заводах інженер М. Славянов, було таким великим, що через ціле століття, у 1981 році, ця подія за рішенням ЮНЕСКО відзначалась світовим співтовариством, а у Фастові Київської області, де помер М.М. Бенардос, йому встановили пам’ятник.

Досліди з електричного паяння проводили ще задовго до ХХ століття, але першу спробу поставити його на практичну основу зробив російський винахідник М.М. Бенардос. Проте запропонований ним спосіб не виправдав великих надій, що покладалися на нього.

Його спосіб полягав в тому, що між металевими частинами, які сполучаються, і вугільним стрижнем, що грає роль паяльника, створювали вольтову дугу і діяли нею на з’єднувані місця. Теплота дуги сплавляє дотичні краї і сполучає обидва шматки. Отже, треба тільки з'єднати обидва або один з металевих шматків з одним полюсом генератора струму, а вугільну паличку – з іншим. Потім, доторкнувшись кінцем цієї палички до сполученого з генератором струму шматка металу, віддалити її від останнього на декілька міліметрів, внаслідок чого утворюється вольтова дуга, яку рухають відповідним чином по місцю, що сполучається.

На мал. 10.13 показано загальний вигляд цеху електричного паяння за допомогою вольтової дуги. Як генератор струму при цьому способі використовувати динамо-машину було незручно, бо її навантаження піддавалося швидким і великим коливанням. При стиканні вугільного електроду з металевими шматками струм сильно зростав і залишався порівняно сильним при існуванні вольтової дуги, а потім при віддаленні електроду і гасінні дуги відразу падав до нуля. Такі раптові й великі коливання діяли вкрай негативно на паровий двигун і динамо-машину. Тому як генератор струму використовували спеціальну батарею акумуляторів, при цьому необхідно було стежити тільки за тим, щоб коротке замикання між вугіллям і металом відбувалося тільки на одну мить. Застосування акумуляторів призводило до значного подорожчання і ускладнення даного способу електричного паяння, а, крім того, саме паяння було неякісним. Дійсно, вольтова дуга з’єднувала тільки зовнішні кромки дотичних поверхонь, тоді як глибші частини були сховані від дії дуги. Тому такий спосіб давав задовільні результати тільки при паянні тонких листів і застосовувався головним чином для виготовлення металевих бочок.

Подальше застосування цього способу, не дивлячись на витрачені для дослідів зусилля і кошти, виявилося неможливим, так що мрії про повне усунення заклепувальних швів у парових котлах, на металевих суднах і т. ін. до певного часу залишалися тільки мріями. До цього можна додати, що вольтова дуга змінює невигідним чином нагріте залізо, через що міцність металу на місці спайки виявляється меншою, ніж на незайманих частинах.

Застосовувався і видозмінений спосіб паяння, коли вольтова дуга утворювалася не між металом і вугіллям, а між двома вугільними вістрями. Для того, щоб при цьому направити дугу на місце, яке спаюється, користувалися явищем, що відбувається з вольтовою дугою під дією сильного магніту: якщо наблизити до вольтової дуги полюс магніту, то вона відхиляється. Таким чином, вольтову дугу можна направляти на місце, що сполучається.

Більш практичним слід визнати спосіб електричного зварювання американського професора Томсона. Цей спосіб полягав в тому, що два металеві шматки, притиснуті один до одного, зварювалися пропусканням через місце зіткнення струму певної сили.

Мал. 10.13. Цех для паяння за допомогою вольтової дуги

Мал. 10.14. Мала зварювальна машина Томсона

Залишалося невирішеним, чи проводити тут зварювання металу при повному розплавленні його в місці з'єднання або доводити метал до напіврозплавленого стану.

Електричне зварювання відрізняється від механічного тим, що за допомогою струму можна зварювати майже всі метали і навіть шматки з різних металів, що значно відрізняються один від одного за точками плавлення.

Зварювання можна проводити як постійним, так і змінним струмом, оскільки теплова дія струму не залежить від його напряму. Для зварювання тонких предметів, що вимагають порівняно слабкої сили струму, застосовують постійний струм. При великих зварюваних поверхнях, коли застосовується струм величиною в тисячі ампер, створення такого сильного струму і його підведення супроводжуються значними втратами, якщо не зробити шлях струму якомога коротшим. Тому в таких випадках користувалися змінним струмом, який трансформувався зі струму високої напруги у струм великої сили.

На мал. 10.14 показано малу зварювальну машину постійного струму для легких робіт, а саме для зварювання залізних стрижнів діаметром до 12 мм. Вона складається з динамо-машини і столу, встановленого на її рамі. Динамо-машина побудована для дуже сильного струму. Її напруга була невеликою, оскільки в електричне коло введено дуже малий опір. При зварюванні залізних стрижнів в 12 мм сила струму складала 2000 А. Стрижні, що зварювалися, розташовувалися точно один проти одного в двох затисках. Один з них можна було пересувати гвинтом і тим самим притискувати кінець затиснутого ним стрижня до кінця іншого. Полюси машини були сполучені з цими ізольованими затисками і таким чином її струм пропускався через місце стикання основ стрижнів, яке при цьому розжарювалося через великий опір, і під дією тиску обидва стрижні зварювалися за декілька секунд. Зварювання розповсюджувалося по всій поверхні, а не обмежувалося тільки окремими місцями, як при паянні вольтовою дугою. Це відбувалося внаслідок того, що опір металевого провідника зростав зі зростанням температури. Коли тим місцем, де стрижні краще стикалися, проходила порівняно більша частина струму, ніж через інші місця з великим опором, то це місце нагрівалося сильніше за інші, його опір підвищувався порівняно з опором в других місцях, струм посилювався і нагрівав їх ще більше. Завдяки цьому розвиток теплоти розподілявся протягом часу зварювання рівномірно по всій поверхні стикання.

Потужність при цьому процесі зварювання, поза сумнівом, потрібна дуже велика. Наприклад, для залізних стрижнів діаметром в 12 мм потрібно 10 к.с., але всього на 10 секунд, яких достатньо для з'єднання. Якщо витрачати 50 секунд на вставляння і виймання стрижнів, то машина може провести протягом одного часу 60 зварювань, тобто значно більше, ніж механічними способами, не кажучи вже про більшу міцність, яка забезпечується електричним способом. Місця зварювання, виконаного електричним способом, виходили такими ж міцними, як і сам стрижень. Це було можливо завдяки тому, що матеріал при такому способі не змінюється і нагрівання дуже мало розповсюджується поза місцем зварювання.

Якщо доводилося зварювати товсті предмети, то був потрібен такий сильний струм, що його невигідно було б брати від самої динамо-машини, оскільки або в самій машині втрачалося дуже багато енергії, або їй треба було б надати дуже малий опір і, отже, надто великі розміри. Тому застосовували струм високої напруги, який перетворювали трансформатором безпосередньо перед зварювальним верстатом у струм великої сили. Для цієї мети проф. Томсон користувався приладом, який складався з трансформатора і безпосередньо перед ним розташованого верстата (мал. 10.15). Останній принципово був схожий на описаний вище, але тільки всі його частини, що входять до кола струму, були зроблені набагато товстішими відповідно до більшої сили струму. Вторинна обмотка трансформатора складалася з одного витка, виконаного з мідних смуг.

У найбільшому з влаштованих у той час верстатів для збудження трансформатору служила машина змінного струму, яка при напрузі в 200 В створювала струм в 120 А. Цей струм перетворювався трансформатором у струм силою 24000 А при напрузі в 1 В. Таким великим струмом можна було зварювати за 1 хвилину залізні стрижні діаметром в 50 мм.

Абсолютно своєрідним виявився винайдений Лагранжем і Гоо в Брюсселі спосіб електричного нагрівання, призначений для заміни ковальського горна при нагріванні металевих частин, яким, проте, з успіхом можна користуватися і для плавки. Дивовижною виявилася при цьому та обставина, що належний до нагрівання метал опускали у воду, в якій він за декілька секунд нагрівався до білого жару (мал. 10.16). Ми звикли вживати воду для охолоджування металу, в цьому ж випадку має місце якраз зворотне явище – холодний метал нагрівається водою! Це явище відбувається під впливом електричного струму, який грає тут подвійну роль.

Якщо опустити металевий, наприклад залізний, стрижень, з'єднавши його попередньо з негативним полюсом генератора струму, в судину з водою, сполучену за допомогою лежачої на дні свинцевої пластини з позитивним полюсом, то у момент стикання залізного стрижня з водою навколо стрижня утворюється шар водню. Цей тонкий покриваючий стрижень шар водню є як би оболонкою, що відокремлює його від води. Цей шар водню, зрозуміло, вельми тонкий, та все ж він є для струму, що проходить, дуже значним опором. Оскільки опір при проходженні струму у воду дуже значний, то розвивається велика кількість теплоти, причому настільки інтенсивно, що, не дивлячись на близькість охолоджуючої води, занурений кінець залізного стрижня швидко розжарюється. Для застосування цього способу на практиці користувалися чаном або ванною з каменю чи дерева завдовжки в 1,5 м і з шириною та глибиною приблизно 0,75 м. На дні ванни або на одній зі стінок кріпилася свинцева пластина, сполучена за допомогою ізольованого провідника з позитивним полюсом генератора струму. Як генератор використовувалася динамо-машина постійного струму або акумуляторна батарея. Використання батареї давало ту перевагу, що вона була не так чутлива до швидких змін навантаження, які мали місце при зануренні та вийманні стрижня з води. Металевий брусок, що піддавався нагріванню, брали щипцями, з’єднаними за допомогою гнучкого дроту з негативним полюсом генератора. При цьому вода у ванні попередньо нагрівалася до температури 70°С. Що стосується кількості енергії, то винахідники визначили, що при напрузі в 150 В і струмі в 5 А на кожен квадратний сантиметр зануреної поверхні розжарюваного тіла білий жар досягається за 8 с, тобто в дуже короткий час.

Мал. 10.15. Зварювальний верстат для товстих стрижнів

Мал. 10.16. Електричне ковальське горно

Мал. 10.17. Електрична плавильна піч Муассана

Зрозуміло, що ванною можна користуватися як ковальським горном і вона має перед останнім ту безперечну перевагу, що нагрівання досягається набагато швидше.

Електрична плавка. Вернер Сіменс першим намагався застосувати теплову дію струму для плавлення. Для цього він користувався вольтовою дугою, змушуючи її діяти на шматки сталі в примітивному приладі – тиглі, в дно якого був вставлений дріт з платини або вугілля. Тигель наповнювали шматками сталі, які приходили в стикання з дротом, що з'єднувався з позитивним полюсом динамо-машини. Другий полюс з'єднувався з вугільним стрижнем, який підвішувався вертикально над шматками стали і торкався до них своїм нижнім кінцем. При пропусканні через прилад струму вугільний стрижень підіймався на декілька міліметрів таким чином, що утворювалася вольтова дуга, яка підтримувалася регулятором в процесі розплавлення шматків сталі.

Для тугоплавких речовин Дюкрете і Лежен винайшли електричну плавильну піч, відому під назвою печі Муассана (мал. 10.17). При високій температурі вольтової дуги, що доходила до 4000°С, здатній легко розплавити всі плавкі тіла, навіть такі тугоплавкі метали, як платина і хром, дуже скоро переходили в цій печі в рідкий стан. Піч складалася із залізного ящика, зсередини викладеного товстим шаром шамоту. У верхній частині поміщалися ізольовані утримувачі, в які вставлялися вугільні стрижні, утримувані в своєму положенні за допомогою гвинтів. У печі встановлювався тигель з вогнетривкого матеріалу, в який поміщалися плавкі речовини. Вугільні стрижні встановлювалися так, щоб вольтова дуга утворювалася якраз над тиглем. Під дією магніту дуга відтягувалася вниз, на речовини, що плавилися. Передня відкрита сторона печі закривалася заслінкою з темного скла, завдяки чому можна було спостерігати дугу і плавлення. Температура в цій печі доходила до 3500°С, так що всі плавкі тіла розплавлялися, а деякі навіть випаровувалися.

Муассан проводив з цією піччю безліч дослідів. З її допомогою він навіть одержував штучні алмази. Для цього він плавив залізо, до якого домішувався порошок деревного вугілля. Розплавлене залізо поглинало вуглець, виділяючи надлишок останнього при охолоджуванні в кристалізованому вигляді. Після декількох дослідів Муассану вдалося одержати прозорі кристали невеликого розміру, що мали всі властивості алмазу. З'явилася надія, що згодом можна буде одержувати алмази штучним шляхом для промислових цілей.