4. Нагревание электрическим током

Для нагревания в широком диапазоне температур (до 3000 С) применяется электрический нагрев. Электрические нагреватели дают равномерный обогрев, удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги. В зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую применяют электропечи сопротивления, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты и электродуговой нагрев.

В электропечах сопротивления преобразование энергии осуществляется через жаростойкие проводники с высоким удельным электрическим сопротивлением. Они подразделяются на печи прямого действия и печи косвенного действия.

В электрических печах прямого действия нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь и нагревается при прохождении через него электрического тока. Часто печь прямого действия представляет собой аппарат, корпус которого является одним из электродов; другой электрод размещают в аппарате. Между электродами помещают жидкие или расплавленные нагреваемые материалы.

Рисунок 8.9 – Электрическая печь сопротивления косвенного действия: 1 – обогреваемый аппарат; 2 – футеровка печи; 3 – тепловая изоляция; 4 – спиральные нагревательные элементы; 5 – выводные электрошины

Большое распространение получили электрические печи сопротивления косвенного действия (рис. 8.9). В них тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам; выделяющееся тепло передается нагреваемой среде лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией. В таких печах осуществляется нагревание до температур порядка 1000–1100 С.

Футеровка печи 2 выполнена из огнеупорного кирпича. В пазах футеровки уложены спиральные нагревательные элементы 4, к которым подводится ток через электрошины 5. Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через спиральные нагревательные элементы, передается обогреваемому аппарату 1 лучеиспусканием и конвекцией. Тепловая изоляция 3 уменьшает потери тепла в окружающую среду.

Если тепловыми потерями пренебречь, то все тепло электрического элемента принимает нагреваемая среда: .

Количество тепла, отдаваемое электрическим элементом путем лучеиспускания и конвекции

, (8.9)

где Т и Т_ст – температуры электрического элемента и стенки соответственно; t_ср – средняя температура нагреваемой среды; ε₀ – постоянная, равная 5,7∙10^–8, Дж/м²∙с∙К⁴.

Тепло, полученное стенкой путем излучения, отдается конвекцией нагреваемой среде:

. (8.10)

Обычно поверхность стенки F_ст в известной степени пропорциональна поверхности нагревателя F. Таким образом, F_ст = βF (β – коэффициент пропорциональности)

Если установить некоторую допустимую для данного материала электрического нагревательного элемента температуру Т, то из двух последних уравнений можно определить неизвестные t_ст и F, т.е. поверхность нагрева элемента.

Коэффициент φ, зависящий от формы нагревательного элемента и коэффициентов поглощения нагревательного элемента ε и стенки ε_ст, в случае простого провода или прута

. (8.11)

В случае греющей спирали коэффициент φ снижается, так как часть излучения спирали падает на ее витки и возвращается. Рекомендуется величину коэффициента φ, рассчитываемого по уравнению (8.11), умножить для этого на , где d – диаметр греющего провода, h – шаг спирали.

Количество использованного тепла Q равно расходу мощности P (в тех же единицах измерения):

, (8.12)

где U – напряжение электрического тока; R – сопротивление проводника.

При длине проводника L, площади его сечения f₀ и удельном электрическом сопротивлении R₀ электрическое сопротивление проводника

. (8.13)

Отношение (L/f₀) подбирают в зависимости от необходимой тепловой нагрузки. Диаметр проволоки обычно 3–7 мм, в применяемых лентах отношение толщины к ширине 0,05–0,2.

Располагая известными значениями и BL для проводника, можно определить его длину L и сечение или какой-либо другой поперечный размер. Величина B представляет собой периметр нагревательного элемента (в форме провода, ленты), связанный с его сечением f₀.

Индукционный нагрев основан на использовании теплоты, выделяющейся за счет вихревых токов Фуко, возникающих под действием переменного магнитного поля. Этот метод обеспечивает равномерный нагрев, но дорог.

Рисунок 8.10 – Схема электрической индукционной печи: 1 – обогреваемый аппарат; 2 – соленоид

Нагревание в электрических индукционных печах (рис. 8.10) происходит с помощью соленоида.

Обогреваемый аппарат 1 является сердечником соленоида 2, охватывающего аппарат. По соленоиду пропускают переменный ток, при этом вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенках обогреваемого аппарата электродвижущую силу. Под действием возникающего вторичного тока нагреваются стенки аппарата. Соленоид выполняется из медной или алюминиевой проволоки, имеющей малое омическое сопротивление.

Нагревание токами высокой частоты основано на превращении в теплоту энергии колебания молекул в переменном электрическом поле. Этот метод применяется при нагревании диэлектриков (пластмасс, резины, дерева и др.). Для этого нагреваемое тело помещают между обкладками конденсатора. Под действием переменного электрического тока молекулы диэлектрика колеблются со скоростью, соответствующей частоте электрического поля, при этом в результате внутреннего трения между молекулами выделяется тепло.

Количество выделяющегося тепла определяют по мощности электрического тока.

Мощность переменного тока

, (8.14)

где  – угол сдвига фаз; I – сила тока.

Сопротивление в емкостной системе

(8.15)

(n – частота; C – емкость конденсатора).

В случае плоского конденсатора емкость (в Ф) можно определить по формуле:

, (8.16)

где F – поверхность пластины конденсатора, см²; L – расстояние между пластинами, см; D – диэлектрическая постоянная среды между пластинами.

При подстановке полученных значений R и C в уравнение (8.14), мощность электрического тока (в Вт) будет

. (8.17)

Отсюда количество образовавшегося тепла на единицу объема диэлектрика в единицу времени (в Вт/см³)

, (8.18)

где ε = Dctg – коэффициент потерь данного диэлектрика.

Обычно нагревание ведут токами высокой частоты (0,5∙10⁶–100∙10⁶ Гц) при напряженности электрического поля U/L в пределах 1000–2000 Вт/см, n – в пределах 2–40 мегациклов (1 мегацикл =10⁶ сек^–1).

Для получения токов высокой частоты пользуются ламповыми генераторами, преобразующими обычный переменный ток частотой 50 гц в ток высокой частоты. Последний подводят к пластинам конденсатора, между которыми помещается нагреваемый материал.

Диэлектрический обогрев обладает большими преимуществами: обеспечивает равномерный прогрев обрабатываемого материала, большую скорость нагревания, возможность нагревания только отдельных частей материала, легкость регулировки процесса нагревания и возможность полной его автоматизации. Однако этот способ обогрева требует использования при этом сложной аппаратуры, коэффициент полезного действия диэлектрических установок низкий. Поэтому его используют для нагревания ценных материалов, обогрев которых недопустим другими более дешевыми способами.

Электродуговой нагрев основан на использовании электродугового разряда между двумя электродами. За счет выделения большого количества энергии в малом объеме достигается нагрев до высоких температур (до 3000 ^оС).

В дуговых печах при возникающих больших температурных перепадах невозможны равномерный обогрев и точное регулирование температуры. Дуговые печи применяют для плавки металлов, получения карбида кальция и фосфора.