Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) по исполнению являются герметическими. Это наиболее распространенные электротермические устройства установок низко- и среднетемпературного нагрева.

Устройство типового ТЭНа показано на рисунке. Он состоит из тонкостенной (0,8-1,2 мм) металлической трубки (оболочки) 7, в которой размещена спираль 2 из проволоки высокого удельного электрического сопротивления. Концы спирали соединены с контактным стержнем 3, наружные выводы 7 которого служат для подключения нагревателя к питающей сети. Материалом трубки может быть углеродистая сталь марок 10 или 20, если температура поверхности ТЭНа в рабочем режиме не превышает 450°С, и нержавеющая сталь 12Х18Н10Т при более высоких температурах или при работе в агрессивных средах (табл.10). Спираль изолируют от трубки наполнителем 4, имеющим высокие электроизолирующие свойства и хорошо проводящим теплоту. В качестве наполнителя используют периклаз (кристаллическая окись магния). После заполнения наполнителя трубку опрессовывают. Под большим давлением периклаз превращается в монолит, надежно фиксирующий спираль по оси трубки. Спрессованный нагреватель может быть изогнут для придания необходимой формы. Контактные стержни 3 изолируют от трубки изолятором 6, торцы герметизируют влагозащищающим кремнийорганическим лаком (герметиком) 5.

Преимущество ТЭНов — универсальность, надежность и безопасность обслуживания. Их можно использовать при контакте с газообразными и жидкими средами при давлении до 9, 8 • 105 Па. Они не боятся ударов и вибраций, но не являются взрывобезопасными. Рабочая температура поверхности ТЭНов может достигать 800°С, что удовлетворяет большинству бытовых и сельскохозяйственных тепловых процессов и позволяет использовать их в качестве тепловыделяющих источников не только в установках кондуктивного и конвективного нагрева, но и в качестве излучателей в установках лучистого (инфракрасного) нагрева.

Индукционный нагрев.

Нагрев токопроводящих тел за счёт возбуждения в них электрических токов переменным электромагнитным полем. Мощность, выделяющаяся в проводнике при И. н., зависит от размеров и физических свойств проводника (удельного электрического сопротивления, относительной магнитной проницаемости), а также от частоты и напряжённости электромагнитного поля. Источниками электромагнитного поля при И. н. служат индукторы. И. н. характеризуется неравномерным выделением мощности в нагреваемом объекте. В поверхностном слое, называемом глубиной проникновения, выделяется 86% всей мощности.

Для создания переменного электромагнитного поля при И. н. используются токи низкой (50 гц), средней (до 10 кгц) и высокой (свыше 10 кгц) частоты. Для питания индукторов токами средней и высокой частоты применяют машинные и статические преобразователи, а также ламповые генераторы.

К наиболее распространённым процессам, использующим И. н., относятся: плавка металлов ( Индукционная печь), зонная плавка, нагрев под обработку давлением ( Индукционная нагревательная установка) и др. И. н. - наиболее совершенный бесконтактный способ передачи электроэнергии в нагреваемое тело с

непосредственным преобразованием её в тепловую. Принципиальная схема установки с использованием И. н. приведена на рис.

Роль математического моделирования в разработке современных технологий

Использование технологических процессов такого типа, как лазерная, электронно-лучевая и плазменная технологии приводит к необходимости решать специальные задачи проектирования технологических процессов, составной частью

которого является математическое моделирование. Для сложных технологических процессов математическая модель является основным инструментом, позволяющим проводить как предварительные исследования, так и оптимизировать

разработанную технологию.

Математическое моделирование в области современных технологий включает

- исследование и разработку физических и математических моделей технологических процессов; - разработку аналитических и численных методов решения нелинейных

теплофизических задач, соответствующих моделям разных технологий; - получение инженерных соотношений для описания температурных и концентрационных полей в процессах обработки материалов;

- исследование и разработку методов решения обратных задач (в том числе, теплообмена) как средства проектирования технологических процессов; - изучение сопряженных и связанных задач для получения более полной информации

о тепло- и массопереносе в процессах обработки материалов, нахождение условий оптимизации технологических процессов и методов их реализации;

Вычислительный эксперимент (ВЭ) используется как во время предварительного анализа технологического процесса (при идентификации параметров модели – как составная часть решения обратных задач, при проверке адекватности и при исследовании технологического процесса), так и в ходе синтеза технологических процессов – для проверки и сравнения проектных решений. Это – составная часть математического моделирования.

Решение современных научно-технических задач, отличающихся чрезвычайно сложным математическим описанием, традиционными методами становится затруднительным, а в некоторых

случаях вообще невозможным.

ВЭ имеет и некоторые, присущие только ему, особенности

Во-первых, оказывается возможным проведение «эксперимента» в достаточно широком диапазоне значений параметров процесса и установки без модификации существующих установок или разработки новых. Благодаря этому возможно проведение большой серии экспериментов за сравнительно небольшое время.

Во-вторых, появляется возможность управлять детальностью анализа процесса, что особенно важно при малых размерах области протекания процесса и его малой длительности, характерных для лазерной и плазменной технологий.

В-третьих, изучаемые физические процессы часто имеют исключительно сложный характер из-за комплексного воздействия разных физических явлений. ВЭ позволяет изучать влияние каждого явления в отдельности.

В-четвертых, в случае зависимости физического процесса от большого числа параметров, влияние каждого из них также можно исследовать в отдельности.

В-пятых, возможно проведение большого числа экспериментов без модификации установки на основе банка моделей физических процессов.

В-шестых, ВЭ позволяет определить причины несоответствия результатов натурного эксперимента теоретическим (аналитическим) прогнозам посредством многократного «проигрывания процесса» для различных условий его проведения.

Таким образом, математическое моделирование, в том числе ВЭ, являются в 25 исключительно целесообразными.

Количественные характеристики переноса теплоты

Ясно, что определяющую роль в высокотемпературных технологических процессах играют явления, связанные с переносом тепла и массы, поэтому для направленного формирования зон обработки и оптимального управления вводом энергии в вещество необходимо знать их пространственно-временные характеристики

Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока, т.е. количеством теплоты, передаваемой в единицу времени через единичную площадь поверхности. Эта величина измеряется в Вт/см2 или Дж/

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность F , в теории теплообмена принято называть мощностью

теплового потока или просто тепловым потоком. Единицей ее измерения служит Дж/с или Вт Q