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

Электродный нагрев жидких сред

Электродный способ нагрева применяют для нагрева проводников II рода : воды, молока, фруктовых и ягодных соков, почвы, бетона и т.д. Электродный нагрев широко распространен в электродных водонагревателях, водогрейных и паровых котлах, а также в процессах пастеризации и стерилизации жидких и влажных сред, тепловой обработки кормов.

Материал помещают между электродами и нагревают электрическим током, протекающим по материалу от одного электрода к другому. Электродный нагрев считается прямым нагревом — здесь материал служит средой, в которой электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Электродный нагрев — наиболее простой и экономичный способ нагрева материалов, не требует специальных источников питания или нагревателей из дорогостоящих сплавов.

Электроды подводят ток к нагреваемой среде и сами током практически не нагреваются. Электроды изготавливают из недифицитных материалов, чаще всего из металлов, но и могут быть и неметаллическими (графитовыми, угольными), Во избежание электролиза для электродного нагрева используют только переменный ток.

Проводимость влажных материалов обуславливается содержанием воды, поэтому в дальнейшем электродный нагрев будем рассматривать, главным образом, к нагреву воды, но приводимые зависимости применимы и к нагреву других влажных сред.

Нагрев в электролите

В машиностроении и ремонтном производстве применяют нагрев в электролите . Металлическое изделие (деталь) помещают в электролитическую ванну (5 — 10 %-ный раствор Na ₂ CO ₃ и др.) и подсоединяют к отрицательному полюсу источника постоянного тока. В результате электролиза на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Слой пузырьков водорода, покрывающий деталь, представляет для тока высокое сопротивление. В нем выделяется основная доля теплоты, нагревающая деталь. На аноде , имеющем гораздо большую поверхность, плотность тока мала. При определенных условиях деталь нагревается электрическими разрядами, возникающими в водородном слое. Газовый слой одновременно служит теплоизоляцией, предотвращающей охлаждение детали электролитом.

Преимущество нагрева в электролите — значительная плотность энергии (до 1 кВт / см2), обеспечивающая высокую скорость нагрева. Однако это достигается повышенным расходом энергии.

Электрическое сопротивление проводников II рода

Проводники II рода называют электролитами . К ним относятся водные растворы кислот, щелочей, солей, а также различные жидкие и влагосодержащие материалы (молоко, влажные корма, почва).

Дистиллированная вода имеет удельное электрическое сопротивление порядка 10 4 ом х м и практически не проводит электрический ток, а химически чистая вода является хорошим диэлектриком. «Обычная» вода содержит в растворенном виде соли и другие химические соединения, молекулы которых диссоциируют в воде на ионы, сообщая ей ионную (электролитическую проводимость). Удельное электрическое сопротивление воды зависит от концентрации солей и приближенно может быть определено по эмпирической формуле

p ₂₀ = 8 х 10 / С,

где p ₂₀ — удельное сопротивление воды при 20 0 С, Ом х м, С — суммарная концентрация солей, мг/г

Атмосферная вода содержит растворенных солей не более 50 мг/л, воды рек — 500 — 600 мг/л, подземные воды — от 100 мг/л до нескольких граммов на литр. Наиболее часто встречающиеся значения у дельного электрического сопротивления p ₂₀ для воды находятся в диапазоне 10 — 30 Ом х м.

Электрическое сопротивление проводников II рода существенно зависит от температуры. С ее возрастанием увеличивается степень диссоциации молекул солей на ионы и их подвижность, вследствие чего проводимость повышается, а сопротивление снижается. Для любой температуры t до начала заметного парообразования удельная электрическая проводимость воды, Ом х м -1 , определяется линейной зависимостью

yt = y20 [1 + a (t-20)] ,

где y20 — удельная проводимость воды при температуре 20 o C , а — температурный коэффициент проводимости, равный 0,025 — 0,035 o C -1 .

В технических расчетах обычно пользуются не проводимостью, а удельным сопротивлением

pt = 1/ yt = p20 / [1 + a (t-20)] (1)

и его упрощенной зависимостью p (t) , принимая a = 0,025 o C -1 .

Тогда удельное сопротивление воды определяют по формуле

pt = 40 p20 / (t +20)

В диапазоне температур 20 — 100 о С удельное сопротивление воды возрастает в 3 — 5 раз, во столько же раз изменяется мощность, потребляемая из сети. Это один из существенных недостатков электродного нагрева, приводящий к завышению сечения питающих проводов и усложняющий расчет установок электродного нагрева.

Удельное сопротивление воды подчиняется зависимости (1) только до наступления заметного парообразования, интенсивность которого зависит от давления и плотности тока в электродах. Пар не является проводником тока, и поэтому при парообразовании удельное сопротивление воды возрастает. В расчетах это учитывается коэффициентом b , зависящим от давления и плотности тока:

pc м = p в b = p в a e k J

где pc м — удельное сопротивление смеси вода — пар, p в — удельное сопротивление воды без заметного парообразования, a — постоянная, равная для воды 0,925, k — величина, зависящая от давления в котле (можно принять k = 1 , 5 ), J — плотность тока на электродах, А/см2.

При нормальном давлении влияние парообразования сказывается при температуре выше 75 о С. Для паровых котлов коэффициент b достигает значения 1,5.

Электродные системы и их параметры

Электродная система — совокупность электродов, определенным образом связанных между собой и питающей сетью, предназначенных для подвода тока к нагреваемой среде.

Параметрами электродных систем являются : число фаз, форма, размеры, число и материал электродов, расстояние между ним, электрическая схема соединения («звезда», «треугольник», смешанное соединение и т. п.).

При расчете электродных систем определяют их геометрические параметры, обеспечивающие выделение в нагреваемой среде заданной мощности и исключающих возможность ненормальных режимов.

Мощность трехфазной электродной системы при соединении звездой:

P = U₂ л / R ф = 3 U ф / R ф

Мощность трехфазной электродной системы при соединении треугольником:

При заданном напряжении U л питания мощность электродной системы P определяется сопротивлением фазы R ф, которое представляет собой сопротивление тела нагрева, заключенного между электродами, образующими фазу. Конфигурация и размеры тела зависят от формы, размеров и расстояния между электродами. Для простейшей электродной системы с плоскими электродами шириной каждого b , высотой h и расстоянием между ними:

R ф = pl / S = pl / (bh)

где, l , b , h — геометрические параметры плоскопараллельной системы.

Для сложных систем зависимость R ф от геометрических параметров не представляется выразить столь просто. В общем случае ее можно представить в виде R ф = с х ρ , где с — коэффициент, определяемый геометрическими параметрами электродной системы (его можно определить по справочникам).

Размеры электродов, обеспечивающие необходимое значение R ф, могут быть рассчитаны, если известно аналитического описание электрического поля между электродами, а также зависимость p от определяющих ее факторов (температура, давление и др.).

Геометрический коэффициент электродной системы находят как k = R ф h / ρ

Мощность любой трехфазной электродной системы можно представить в виде P = 3U 2 h /( ρ k)

Кроме этого, важно обеспечить надежность электродной системы, исключение порчи продукта и электрического пробоя между электродами. Эти условия выполняются ограничением напряженности поля в межэлектродном пространстве, плотности тока на электродах и правильным выбором материала электродов.

Допустимую напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве ограничивают требованием недопущения электрического пробоя между электродами и нарушения работы установок. Допустимую напряженность E доп поля выбирают по электрической прочности Епр поля выбирают по электрической прочности Епр материала с учетом коэффициента запаса: Едоп = Епр / (1,5 . 2)

Величина Едоп определяет расстояние между электродами:

l = U / Едоп = U / (J доп ρ т),

где J доп — допустимая плотность тока на электродах, ρ т — удельное сопротивление воды при рабочей температуре.

По опыту проектирования и эксплуатации электродных водонагревателей значение Едоп принимают в пределах (125 . 250) х 102 Вт/м, минимальное значение соответствует удельному сопротивлению воды при температуре 20 о С менее 20 Ом х м, максимальное — удельному сопротивлению воды при температуре 20 о С более 100 Ом х м.

Допустимую плотность тока ограничивают из-за возможности загрязнения нагреваемой среды вредными продуктами электролиза на электродах и разложения воды на водород и кислород, которые в смеси образуют гремучий газ.

Допустимую плотность тока определяют по формуле:

J доп = Едоп / ρ т,

где ρ т — удельное сопротивление воды при конечной температуре.

Максимальная плотность тока:

Jmax = k н I т / S ,

где, k н = 1,1 . 1,4 — коэффициент, учитывающий неравномерность плотности тока по поверхности электрода, I т — сила рабочего тока, стекающего с электрода при конечной температуре, S — площадь активной поверхности электрода.

Во всех случаях должно быть соблюдено условие:

Материалы для электродов должны быть электрохимически нейтральны (инертны) относительно нагреваемой среды. Недопустимо выполнять электроды из алюминия или оцинкованной стали. Лучшими материалами для электродов служат титан, нержавеющие стали, электротехнический графит, графитизированные стали. При нагреве воды для технологических нужд используют обычную (черную) углеродистую сталь. Для питья такая вода непригодна.

Регулирование мощности электродной системы возможно при изменении значений U и R . Чаще всего при регулировании мощности электродных систем прибегают к изменению рабочей высоты электродов (площади активной поверхности электродов) путем введения между электродами диэлектрических экранов или изменением геометрического коэффициент электродной системы (определяется по справочникам в зависимости от схем электродных систем).