8

ЛЕКЦИЯ 2 (4 часа).

ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ - прикладная наука о процессах преобразования электрической энергии в тепловую; отрасль электротехники, охватывающая проектирование, изготовление и эксплуатацию электротермических установок; отрасль энергетики, занимающаяся потреблением электрической энергии для нагрева, плавки или отопления; совокупность электротехнологических процессов с использованием теплового действия электрической энергии в различных отраслях техники.

1. Электрический нагрев проводников, диэлектриков и полупроводников.

Проводники (10^-6…10^-3 Омсм )– материалы проводящие электрический ток . Нагрев материала за счет поглощения энергии движущихся частиц (молекул+электронов). Количество тепла измеряется в калориях (кал). Одна калория –тепл необходимое для нагрева 1 г. воды на 1С.

Диэлектрики (изоляторы 10⁸…10²⁰ Омсм)) - материалы не проводящие электрический ток (фарфор, слюда, стекло, трансформаторное. Кабельное и конденсаторное масло, воздух). Нагрев материала за счет поглощения энергии знакопеременной поляризации частиц (диэлектрических потерь). Важнейшие характеристики: уд. сопротивление, электрическая проницаемость, угол диэлектрических потерь, электрическая прочность.

Полупроводники (10^-3…10⁸ Омсм) – промежуточное значение между проводниками и диэлектриками (германий, кремний, теллур, углерод, сера, бор, сплавы, сернистые соединения). Нагрев за счет токов дырочной и электронной проводимости.

Особенности преобразования электрической энергии в проводниках, диэлектриках и полупроводниках.

Количество тепла, выделяемое током при прохождении по проводнику, зависит от сопротивления проводника, тока и времени его прохождения. Этот физический закон впервые был установлен в 1841 г. английским физиком Джоулем, а в 1844 г. - русским академиком Ленцем.

Рис.1. Схема прямого нагрева проводника и эквивалентная схема нагрузки:

1- зажимы; 2 - нагреваемое изделие; 3 - трансформатор

Энергия электрического тока (Закон Джоуля-Ленца)

Э = I²  r t (Дж)

I – ток, А; r – сопротивление,Ом; t - время, с

r =  l / S (Ом)

r – сопротивление проводника, Ом

 - удельное сопротивление проводника (Ом мм²/ м)

S –сечение провода, мм² ; L – длина проводника, м

Количество тепла, выделяемого электрическим током в проводнике

Q = 0.24 I² r t (кал) ; 1 Дж = 0.24 кал

Изменение сопротивления проводника при его нагревании приходящееся на 1 Ом от первоначального сопротивления и на 1С температуры, называется температурным коэффициентом сопротивления ().

 = r_t – r₀ / r₀ (t – t₀ )

Сопротивление проводника нагретого (охлажденного) от температуры t₁ до t₂ (t₂ до t₁ )

r₂ = r₁ [1 (t₂ – t₁)]

r₂ - сопротивление после нагрева, r₁ - сопротивление до нагрева

 - температурный коэффициент сопротивления (+ нагрев, - охлаждение)

t₂ – температура после нагрева, t₁- температура до нагрева

Для нагрева диэлектриков применяется высокочастотный диэлектрический нагрев. Диэлектрик помещается между металлическими обкладками, к которым прикладывается переменное напряжение. Протекающие по диэлектрику токи смещения и малые токи проводимости нагревают материал. В зависимости от частоты f напряжения различают установки средневолнового (f = 0,3 - 3 МГц), коротковолнового (f = 3 - 30 МГц) и ультраволнового (f = 30 - 300 МГц) диапазонов, создающие удельные потери мощности в ди-

электрике от долей ватта до нескольких киловатт на кубический сантиметр.

Рис. 2. Схема высокочастотного (ультраволнового) генератора для диэлектрического нагрева (а) и эквивалентная схема нагрузки (б):

Lд - индуктивность дросселя, защищающего выпрямитель от высокой частоты; ЛГ - ламповый генератор; Ср - разделительный конденсатор; Сн - емкость нагревательного конденсатора; Lk - индуктивность колебательного контура; Rн -активное сопротивление нагрузки; R1 - активное сопротивление индуктивной катушки и соединительных проводов