1 Электротермиялық үрдістер мен қондырғылар,
ТЕОРИЯЛЫҚ ЖӘНЕ ТЕХНИКАЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ
1.1 Электротермиялық қондырғылардың
қолданылуы және жіктелуі
Электротермиялық үрдістер мен қондырғыларда электр энергиясы әртүрлі физикалық механизмдермен жылу энергиясына айналдырылып, материалдар мен бұйымдардың қасиеттері мен қалпын өзгертуге, балқыту және буландыруға қолданылады.
Электрлік қыздыру отындыққа (көмір, мазут, газ) қарағанда келесі артықшылықтар береді:
а) берілген температуралық режимді өте қарапайым және дәл іске асыру;
б) жоғары қуатты аз көлемде концентрациялау мүмкіндігі;
в) жоғары температура (>3000 0C) беруі;
г) бірыңғай жылу өрісін туғызу мүмкіндігі;
д) өңдеуді ыңғайлы ортада (инерттік, вакуум) өткізу мүмкіндігі;
е) өңделетін бұйымға газ әсерінің жоқтығы;
ж) қосымшалардың аз күюі;
и) алынатын металдардың жоғары сапалылығы;
к) оңай механизацияландырылуы және автоматтандырылуы;
л) ағындық желілерді қолдану мүмкіндігі;
м) қызметші персоналдың еңбек жағдайының артықшылығы.
Кемшіліктері:
а) құрылымының күрделілігі;
б) қондырғылардың және алынатын жылу энергиясының қымбаттылығы.
Электротермиялық қондырғылар әртүрлі белгілеріне қарай келесідей жіктеледі.
Электр энергиясын жылу энергиясына айналдыру әдісі бойынша электротермиялық қондырғылардың бөлінуі:
а) кедергілік;
б) индукциялық;
в) доғалық;
г) плазмалық;
д) диэлектрлік;
е) электрондық-сәулелік;
ж) лазерлік.
Жылу энергиясының бөліну орны бойынша:
а) тікелей қыздыру;
б) жанама қыздыру.
Тікелей қыздырғанда жылу жүктеменің өзінде бөлінеді, ол арқылы электр тогының өтуі, оның электромагниттік энергияны жұтуы немесе жүктемені бөлшектермен атқылау есебінде жүреді.
Жанама қыздыру кезінде электр энергиясы жылуға жүктемеден тыс жерде (бөлек) айналдырылып, оған жылу берілу, конвекция және сәулелену үрдістерімен беріледі.
Сонымен қатар электротермиялық қондырғылар құрылыс белгілері (камералық, шахталық, конвейерлік, туннельдік т.б.) және тағайындалуы (қыздыратын, балқытатын) бойынша жіктеледі.
1.2 Электротермиялық қондырғылардағы жылу берілу
Электротермиялық қондырғыларда жылу берілу жылу алмасудың барлық түрімен іске асады: жылу өткізгіштік, конвекция және сәулелену.
Жылу өткізгіштік – заттың құрылымдық бөлшектерінің (молекула, атом, ион, электрон) тура жанасуы кезіндегі жылу беру үрдісі.
Фурье гипотезасы боцынша жылу өткізгіштік жолымен берілген жылу энергиясының мөлшері:
(1.1)
Мұнда
-
жылу өткізу коэффициенті;
-
жылу энергиясының таралу бағытындағы
температураның градиенті;
-
элементарлық уақыт;
-
жылу ағынының бағытына перпендикуляр
элементарлық аудан.
Конвекция - заттың ағынымен жылу берілуі, тек қана сұйықтарда және газдарда болатын құбылыс.
Ол әр түрлі қызған орта бөліктерінің тығыздығының айырмашылығы есебінен пайда болатын табиғи (еркін) конвекция және жасанды жолмен (желдеткіштер немесе сорғылар әсерімен) туатын, еріксіз конвекция болып бөлінеді.
Газбен немесе сұйықпен жанасатын қатты денеге (немесе керісінше) конвекция арқылы берілетін жылудың мөлшері, келесідей өрнектеледі:
(1.2)
Мұнда
-
конвекциялық
жылу беру коэффициенті;
,
-
дене
қабырғасының
және газдың температурасы;
-
жылу беру жазықтық беті.
Конвективті жылу алмасу үрдісі өте күрделі және бірқатар факторларға байланысты жылу беру коэффициентімен анықталады.
Жылу беру коэффициенті жылу беруші және жылу қабылдаушы ортаның , температурасына, қатты дененің формасына және геометриялық өлшеміне, жанасатын ортаның жылу физикалық қасиеттері жылу өткізу коэффициентіне , меншікті жылу сыйымдылығына с, тығыздығы γ және қоюлығы ν, осы ортаның υ жылдамдығына және қозғалу сипаттамасына тәуелді
= f ( , , , ,с, γ, ν, υ)
Кейбiр зерттеулер нәтижесiнде конвективтiк жылу алмасудың жекелеген жағдайлардағы тәуелдiлiгi анықталған.
Ауамен жанасатын жазық қабырғалар үшiн (еркiн конвекция) жылу беру коэффициентiн , Вт/(м²*°C) анықтау үшiн келесi формула алынған.
Қабырға
вертикалды орналасқан жағдайда және
қабырға мен ауа арасындағы температура
айырмашылығы
ауа=15
85°C
кезiнде
=4,0 (tқ - tауа)0,13 (1.3)
Осы қабырға үшiн Δt=85 150°C кезiнде
=2,4 (tқ - tауа)0,25 (1.4)
Жоғары жағы ауамен жанасатын, горизонталды қабырға үшiн, Δt=15 150°C
=2,5 (tқ – tауа)0,25 (1.5)
Осы температура жағдайындағы жылу берушi бетi төмен қараған горизонталды қабырға үшiн
=1,3 (tқ - t вауа)0,25 (1.6)
Еріксіз конвекция үшiн жылу беру кофэффициентi бiрiншi кезекте ортаның қозғалу υ жылдамдығына тәуелдi.
Ауаның қабырғаны бойлай еріксіз қозғалысы кезiнде мына формуланы пайдалануға болады:
=7,12 υ0,78 (1.7)
мұнда
– υ
ауаның қозғалыс жылдамдығы, м/с (υ
5м/с
үшiн
қолданылатын өрнек).
Ортаның физикалық қасиеттерiмен, температура мәнiмен, қатты дененiң қалпымен, ортаның қозғалу сипатымен ерекшеленетiн әртүрлі жылу алмасу жағдайлары үшiн конвекциялық жылу беру коэффициентiн есептеу ұқсастық теориясы бойынша эксперименталды мәлiметтерді жалпылау негізінде алынған критериалды теңдеулер арқылы жүргiзiледi.
Сәулелену– энергияны электромагниттi толқын түрiнде жеткiзу. Бұл үрдiс жылу сәулелерi үшiн мөлдiр ортада iске асады.
Сәлелену температурасы абсолюттi нөлден ерекшеленетiн барлық денеге тән. Қызған дененiң бетiндегi жылу энергиясы толқын ұзындығы 0,4-40 мкм электромагниттiк толқын энергиясына айналып және жарық жылдамдығымен таралады. Ұзындығы 0,4-0,8 мкм диапазондағы толқын көрiнетiн (жарықтық) сәулеге сәйкес, 0,8-40 мкм толқын ұзындығы инфрақызыл сәулесiне жатады.
Электромагниттiк толқындар энергиясы өз жолында қатты дененi кездестiргенде бiраз бөлiгi жұтылып, жылуға айналады, бiр бөлiгi одан шағылысады және бiр бөлiгi дене мөлдір болса өтiп кетедi. Техникада қолданылатын денелердiң (материалдардың) көбi жылу сәулесi үшiн мөлдiр емес, олардың өткiзу қабiлетi нөлге тең.
Жылу шығарудың негiзгi заңы – Стефан-Больцман заңы- абсолюттi қара дененiң 0 ден ∞ толқын диапазонында шығарылатын сәулелi энергияның q (Вт/м2 ) меншiктi ағынын анықтайды.
|
|
|
|
(1.8)
мұнда Т- дененiң абсолюттік температурасы, К: Т=t+273;
сs=5,7 Вт/(м2*К4) – абсолюттi қара дененiң сәулелену қабiлетi.
Кез келген қара емес дененiң сәулелену қабiлетi азырақ болады. “Сұр” денелер үшiн толқынның барлық диапазонында сәулелену қабiлетi бiрдей.
“Сұр” денелер үшiн Стефан-Больцман заңы келесi түрде болады
|
|
|
|
(1.9)
мұнда c= сsε, ε – “сұр” дененiң жылу шығару коэффициентi.
Жалпы табиғатта жылу өткiзгiштiк, конвекция, жылу шығарудың таза түрi өте сирек кездеседі. Көбiнесе бiр мезгiлде екi немесе үш құбылыс түрi қатар жүредi.