24. Физические основы электронагрева. Теплогенерация при прохождении электрического тока через твердое тело, жидкость, газ
Электрические печи используются для расплавления металлов и сплавов, восстановление металлов из руд, для нагрева металла перед пластической деформацией. Преимущества: отсутствие продуктов сгорания; равномерный подвод теплоты к поверхности нагреваемых изделий; возможность нагревать отдельные участки поверхности Недостатки: высокая стоимость одного топлива по сравнению с органическим топливом; более высокие эксплуатационные и капитальные затраты; более низкая надёжность и долговечность по сравнению с топливными печами. В основе методов получения теплоты за счёт электроэнергии лежат 3 преимущества, которые в различных вариантах используются в различных электропечах:
1) Теплогенерация в рабочем теле в результате приложения к нему разности потенциалов (электродуговые печи).
2) Теплогенерация при помещении рабочего тела в переменное электромагнитное поле (индукционные печи). 3) Теплогенерация в поверхностном слое рабочего тела при ударе о него ускоряемого в вакууме потока электронов (вакуумные печи). Рабочее тело может быть: твёрдым, жидким и газообразным.
Твёрдое тело – это печи сопротивления. Жидкое тело – это печи электрошлакового переплава. Газообразное тело – это электроннолучевые печи. Теплогенерация теплоты за счёт разности потенциалов (электродуговые, сталеплавильные печи, печи сопротивления). Обязательным условием в этом случае является наличие в рабочем теле свободных зарядов (электронов или ионов). Тело должно быть электропроводно. При приложении разности потенциалов появляется ток и выделяется теплота в соответствии с законом Джоуля-Ленца: Q=UIt=I2Rt. В дуговых печах возникает электродуга между электродами, либо между электродом и металлом. Температура дуги колеблется от 200 до 8000 ̊С. Плотность теплового потока от этой дуги 8000-10000 кВт/м2. В печах электрошлакового переплава теплота выделяется при прохождении тока через слой жидкого шлака и передаётся к поверхности оплавляемого электрода. В печах сопротивления разность потенциалов прилагается к нагревательному элементу, от которого теплота передаётся на металл (печи косвенного действия). Либо нагреваемое тело включается в электроцепь (печи прямого действия).
Теплогенерация при помещении в электромагнитное поле
Под
действием магнитного поля, в теле
возникают вихревые токи, за счёт которых
и нагревается. Вихревые токи оттесняются
к поверхности тела, в результате чего
плотность тока на поверхности выше, чем
в середине. Глубина проникновения
магнитного поля зависит от удельного
сопротивления металла, частоты тока и
магнитной проницаемости.
,
– плотность тока;
-
частота тока;
– проницаемость.
Существует два пути увеличения кол-во теплоты, которое выделяется в теле:
1) Уменьшение сопротивления магнитному потоку
2) Увеличение частоты для снижения магнитного потока рассеивания. В соответствии с этим существует 2 типа индукционных печей:
1) Со стальным сердечником, которые работают на токе промышленной частоты.
2) Печи без стального сердечника, работающие на токе промышленной и высокой частоты.
Сложность индукционного нагрева связана с тем, что электротехнические параметры стали изменяются с повышением t-ры.