Способы электрического нагрева

Основные методы и способы преобразования электрической энергии в тепловую классифицируют следующим образом. Различают прямой и косвенный электрический нагрев.

При прямом электронагреве преобразование электрической энергии в тепловую происходит в результате прохождения электрического тока непосредственно по нагреваемому телу или среде (металл, вода, молоко, почва и т. п.). При косвенном электронагреве электрический ток проходит по специальному нагревательному устройству (нагревательному элементу), от которого тепло передается нагреваемому телу или среде посредством теплопроводности, конвекции или излучения.

Существует несколько видов преобразования электрической энергии в тепловую, которые определяют способы электрического нагрева.

Протекание электрического тока по электропроводящим твердым телам или жидким средам сопровождается выделением тепла. По закону Джоуля — Ленца количество тепла Q=I 2 Rt, где Q — количество, тепла, Дж; I — сила тока, А; R — сопротивление тела или среды, Ом; t — время протекания тока, с.

Нагрев сопротивлением может быть осуществлен контактным и электродным способами.

Контактный способ применяется для нагрева металлов как по принципу прямого электрического нагрева, например в аппаратах электроконтактной сварки, так и по принципу косвенного электрического нагрева — в нагревательных элементах.

Электродный способ применяется для нагрева неметаллических проводящих материалов и сред: воды, молока, сочных кормов, почвы и др. Нагреваемый материал или среда помещается между электродами, к которым подводится переменное напряжение.

Электрический, ток, протекая по материалу между электродами, нагревает его. Обычная (недистиллированная) вода проводит электрический ток, так как в ней всегда содержится некоторое количество солей, щелочей или кислот, которые диссоциируют на ионы, являющиеся носителями электрических зарядов, то есть электрического тока. Аналогична природа электропроводности молока и других жидкостей, почвы, сочных кормов и т. п.

Прямой электродный нагрев осуществляется только на переменном токе, так как постоянный ток вызывает электролиз нагреваемого материала и его порчу.

Электронагрев сопротивлением нашел широкое применение в производстве в связи с его простотой, надежностью, универсальностью и невысокой стоимостью нагревательных устройств.

В электрической дуге, возникающей между двумя электродами в газообразной среде, происходит превращение электрической энергии в тепловую.

Для зажигания дуги электроды, присоединенные к источнику питания, на мгновение соприкасают, а затем медленно разводят. Сопротивление контакта в момент разведения электродов сильно нагревается проходящим по нему током. Свободные электроны, постоянно движущиеся в металле, с повышением температуры в месте соприкосновения электродов ускоряют свое движение.

С ростом температуры скорость свободных электронов настолько возрастает, что они отрываются от металла электродов и вылетают в воздушное пространство. При движении они сталкиваются с молекулами воздуха и расщепляют их на положительно и отрицательно заряженные ионы. Происходит ионизация воздушного пространства между электродами, которое становится электропроводным.

Под действием напряжения источника положительные ионы устремляются к отрицательному полюсу (катоду), а отрицательные ионы — к положительному полюсу (аноду), тем самым образуя длительный разряд — электрическую дугу, сопровождающуюся выделением тепла. Температура дуги неодинакова в различных ее частях и составляет при металлических электродах: у катода — около 2400 °С, у анода — около 2600 °С, в центре дуги — около 6000 — 7000 °С.

Различают прямой и косвенный электродуговой нагрев. Основное практическое применение находит прямой электродуговой нагрев в дуговых электросварочных установках. В установках косвенного нагрева дуга используется как мощный источник инфракрасных лучей.

Если в переменное магнитное поле поместить кусок металла, то в нем будет индуктироваться переменная э. д. с, под действием которой в металле возникнут вихревые токи. Прохождение этих токов в металле вызовет его нагрев. Такой способ нагрева металла называется индукционным. Устройство некоторых индукционных нагревателей основано на использовании явления поверхностного эффекта и эффекта близости.

Для индукционного нагрева используются токи промышленной (50 Гц) и высокой частоты (8—10 кГц, 70—500 кГц). Наибольшее распространение получил индукционный нагрев металлических тел (деталей, заготовок) в машиностроении и при ремонте техники, а также для закалки металлических деталей. Индукционный способ может использоваться также для нагрева воды, почвы, бетона и пастеризации молока.

Физическая сущность диэлектрического нагрева заключается в следующем. В твердых телах и жидких средах с плохой электрической проводимостью (диэлектриках), помещенных в быстропеременное электрическое поле, электрическая энергия превращается в тепловую.

В любом диэлектрике имеются электрические заряды, связанные межмолекулярными силами. Эти заряды называются связанными в отличие от свободных зарядов в проводниковых материалах. Под действием электрического поля связанные заряды ориентируются или смещаются в направлении поля. Смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называется поляризацией.

В переменном электрическом поле происходит непрерывное перемещение зарядов, а следовательно, и связанных с ними межмолекулярными силами молекул. Энергия, затрачиваемая источником на поляризацию молекул непроводниковых материалов, выделяется в виде тепла. В некоторых непроводниковых материалах есть небольшое количество свободных зарядов, которые создают под действием электрического поля незначительный по величине ток проводимости, способствующий выделению дополнительного тепла в материале.

При диэлектрическом нагреве материал, подлежащий нагреванию, помещается между металлическими электродами — обкладками конденсатора, к которым подводится напряжение высокой частоты (0,5 — 20 МГц и выше) от специального высокочастотного генератора. Установка для диэлектрического нагрева состоит из лампового генератора высокой частоты, силового трансформатора и сушильного устройства с электродами.

Высокочастотный диэлектрический нагрев — перспективный способ нагрева и применяется главным образом для сушки и тепловой обработки древесины, бумаги, продуктов и кормов (сушки зерна, овощей и фруктов), пастеризации и стерилизации молока и т. п.

Электронно-лучевой (электронный) нагрев

При встрече потока электронов (электронного луча), ускоренных в электрическом поле, с нагреваемым телом электрическая энергия превращается в тепловую. Особенностью электронного нагрева является высокая плотность концентрации энергии, составляющая 5х10 8 кВт/см2, что в несколько тысяч раз выше, чем при электродуговом нагреве. Электронный нагрев применяется в промышленности для сварки очень мелких деталей и выплавки сверхчистых металлов.

Кроме рассмотренных способов электронагрева, в производстве и быту находит применение инфракрасный нагрев (облучение).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Способы электрического нагрева. Техника достижения высоких температур в электротермических установках

Наиболее важное значение в промышленности в настоящее время имеют следующие виды электрического нагрева: косвенный в печах сопротивления, прямой или контактный, дуговой, индукционный, электроннолучевой, плазменный.

Косвенный нагрев в печах сопротивления

При косвенном нагреве превращение электрической энергии в тепло осуществляется с помощью специальных нагревательных элементов, имеющих высокие внутренние сопротивления и жаростойкость. От нагретого до высокой температуры нагревательного элемента тепло передается нагреваемому изделию излучением, конвекцией и теплопроводностью. Огнеупорная кладка печи, также разогретая нагревателями до высоких температур, отдает лучеиспусканием часть тепла на нагрев изделия (рис. 1-17, б).

Рис. 1-17. Принципы действия электротермических устройств

а — прямой контактный нагрев; б — косвенный нагрев в печи сопротивления; в — индукционный нагрев; г — дуговой нагрев.

Достигаемая температура зависит в основном от конструкции и материала нагревательного элемента. Применяя для нагревательных элементов такие высокоомные жаропрочные материалы, как нихром, карборунд, графит, вольфрам, молибден и др., можно достигать температур от 300—400 до 3000°С. Кроме того, при использовании нагревательных элементов из указанных материалов в рабочей камере нагревательной печи можно создавать любую газовую атмосферу: окислительную, восстановительную, нейтральную или вакуум.

Потребляемая мощность печи определяется по формуле:

здесь Q сек — количество тепла, выделяемое в печи, вт; I — сила тока, а; R — суммарное сопротивление нагревательных элементов, Ом.

Прямой (контактный нагрев)

В отличие от косвенного нагрева при прямом нагреве тепло выделяется непосредственно в нагреваемом изделии при прохождении по нему тока (рис. 1-17, а). Выделение тепла в объеме нагреваемой детали позволяет значительно снизить тепловые потери (в основном теплоизлучение с поверхности в окружающую среду), поэтому этот вид нагрева имеет высокий к.п.д.

С помощью контактного нагрева производится разогрев деталей, длина которых значительно превышает поперечные размеры, например нагрев прутков перед завивкой пружин.

Индукционный высокочастотный нагрев

Основной особенностью индукционного нагрева является превращение электрической энергии в тепло с помощью переменного магнитного потока, т. е. индуктивным путем. Если по цилиндрической спиральной катушке (индуктору) пропускать переменный электрический ток I , то вокруг катушки образуется переменное магнитное поле Ф м , как это показано на рис. 1-17, в . Наибольшую плотность магнитный поток имеет внутри катушки. При размещении в полости индуктора металлического проводника в материале возникает электродвижущая сила, мгновенное значение которой равно:

Под влиянием э.д.с. в металле, помещенном в быстропеременное магнитное поле, возникает электрический ток, величина которого зависит в первую очередь от величины магнитного потока, пересекающего-контур нагреваемого материала, и частоты тока f, образующего магнитный поток.

Выделение тепла при индукционном нагреве происходит непосредственно в объеме нагреваемого материала, причем большая часть тепла выделяется в поверхностных слоях нагреваемой детали (поверхностный эффект). Толщина слоя, в котором происходит наиболее активное выделение тепла, равна:

где ρ — удельное сопротивление, ом*см; μ — относительная магнитная проницаемость материала; f — частота, гц.

Из приведенной формулы видно, что толщина активного слоя (глубина проникновения) уменьшается для данного металла с увеличением частоты. Выбор частоты зависит главным образом от технологических требований. Например, при плавке металлов потребуется частота 50 — 2500 Г ц, при нагреве — до 10000 Гц, при поверхностной закалке — 30000 Гц и более.

При плавке чугуна применяется промышленная частота (50 Гц), что позволяет увеличить общий к.п.д. установки, так как исключаются потери энергии на преобразование частоты.

Индукционный нагрев является скоростным, так как тепло выделяется непосредственно в толще нагреваемого металла, что позволяет производить плавку металла в индукционных электропечах в 2—3 раза быстрее, чем в отражательных пламенных.

Нагрев с помощью токов высокой частоты можно производить в любой атмосфере; индукционные термические установки не требуют времени для разогрева и легко встраиваются в автоматические и поточные линии. С помощью индукционного нагрева можно достигать температур до 3000 °С и более.

Благодаря своим преимуществам высокочастотный нагрев широко применяется в металлургической, машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности, где используется для плавления металла, при термической обработке деталей, нагреве под штамповку и т. д.

Источник

Чем отличаются дизельные пушки прямого и непрямого нагрева

Тепловое оборудование на дизельном топливе используется во многих отраслях как способ получения основного или дополнительного тепла. Наиболее удобными, эффективными и экономичными в эксплуатации среди всех подобных теплогенераторов считаются дизельные пушки прямого нагрева, дающие практически 100% КПД. Однако, они выбрасывают продукты сгорания непосредственно в помещение, поэтому могут применяться только в отсутствие людей. Более обширна сфера применения пушек непрямого нагрева, которые отводят продукты сгорания из помещения на улицу или в систему вентиляции. Чтобы сделать правильный выбор необходимо разобраться, чем различаются между собой устройства прямого и непрямого нагрева.

Отличия в конструкции и принципе работы

По конструкции оба вида отличаются наличием/отсутствием дымохода или патрубка, отводящего продукты сгорания солярки. В бездымоходных устройствах процесс нагрева воздуха происходит непосредственно от внешних и внутренних стенок камеры сгорания. Если имеется качественная вентиляция, то эксплуатация дизельных пушек прямого нагрева может быть абсолютно безопасной при соблюдении всех правил, указанных в инструкции производителя.

Более совершенной и сложной является пушка непрямого нагрева, особенности конструкции которой, позволяют применять ее в помещениях с постоянным пребыванием людей. Ее главное отличие – закрытая камера сгорания, отделенная перегородкой от подаваемого воздуха. Благодаря такой конструкции продукты сгорания солярки не попадают в выходящую воздушную струю, а отводятся через патрубок, соединенный с дымоходной или вытяжной трубой или вентиляционным каналом.

Технические характеристики

• По уровню теплоотдачи дизельная пушка прямого значительно эффективнее, чем непрямого нагрева, т.к. вся полученная тепловая энергия расходуется только на подогрев воздуха.
• Там, где применяется монтаж пушек с системой дымоотвода, в зависимости от модели может теряться от 10 до 40% полученного тепла.
• Такие устройства прогревают помещение медленнее, поэтому для больших объемов лучше выбирать модели с прямым нагревом, нагревающие воздух за более короткий срок.
• Различаются также и температурные характеристики выходящей воздушной струи. У приборов с открытой камерой сгорания температура на выходе находится в пределах 300-400°C, с закрытой – гораздо меньше (60-200°C).
• По расходу топлива при одинаковой мощности никаких существенных отличий не наблюдается.
• Пушка непрямого нагрева более безопасна, может использоваться в течение длительного времени, хотя из-за конструктивных особенностей стоит в 2 раза дороже.

Сфера применения пушек с прямым и непрямым нагревом

Пушки с прямым нагревом устанавливаются там, где требуется высокая скорость и мощность нагрева. Обязательным условием является отсутствие в помещении людей и наличие хорошей вентиляции. Основными местами, где происходит установка тепловых пушек такого рода являются помещения с большими теплопотерями:

• металлические ангары и большие гаражи;
• новые строительные конструкции (сушка стен, фасадов, стяжки);
• объекты с завершенными отделочными работами;
• предприятия по производству бетона;
• автомобильная промышленность, машиностроение и станкостроение;
• открытые площадки различного назначения;
• объекты ЖКХ, МЧС, армейского назначения (прогрев теплотрасс, разморозка траншей, просушка после стихийных бедствий, разогрев техники и механизмов в зимнее время).

• офисные и жилые помещения в период ремонта и строительства;
• торговые точки, передвижные павильоны, ярмарки, концерты и выступления на открытом воздухе;
• теплицы, оранжереи, места содержания сельскохозяйственных животных;
• гаражи, мастерские, технические помещения, производственные участки;
• складские помещения для хранения товаров, продуктов и материалов и т.д.

На современном рынке теплового оборудования возможность приобрести дизельную тепловую пушку представлена широким ассортиментом надежных и авторитетных фирм. Такая продукция предназначается для экономного использования топлива и получения максимально дешевого тепла в любых условиях. Внедрение новейших технологий значительно повышает уровень безопасности и позволяет использовать оборудование в течение всего срока, рекомендованного производителем.

Источник