Застосування електричної енергії для нагріву має ряд переваг: суттєве зниження забруднення навколишнього середовища; отримання суворо заданих значень температур, в тому числі і перевершуючих рівні, що досягаються при спаленні будь-яких видів палива; створення зосередженних інтенсивних теплових потоків; досягнення заданих полів температур в грітому просторі; суворий контроль і точне регулювання тривалості виділення енергії; гнучкість управління потоками енергії; можливість нагріву матеріалів та виробів в газових
середовищах будь-якого хімічного складу і у вакуумі; виділення теплової енергії безпосередньо у грітій речовині.
Застосування електронагріву замість полумяного дозволяє отримати велику економію палива.
В електротермії можна виділити наступні способи перетворення електроенергії в теплову.
Нагрівання опором відбувається за рахунок виділення теплоти у проводящому матеріалі при протіканні по ньому електричного струму. Цей вид нагріву заснований на законі Джоуля-Ленца і застосовується в установках прямої і косвенної дії.
В установках прямої дії теплота виділяється безпосередньо в нагріваємому виробі, що включений в коло. В установках косвенної дії теплова енергія виділяється в спеціальних нагрівальних елементах і потім по законам теплопередачі надходить в нагріваємий обєкт. В обох випадках нагріваємі обєкти можуть бути в твердому, рідкому чи газоподібному стані.
Індукційне нагрівання, засноване на перетворенні енергії електромагнітного поля в теплову способом наведення в тілі, що нагрівається вихрових струмів і тепловиділення в ньому по закону Джоуля –Ленца. Нагрів може відбуватися прямим чи косвенним методом.
Діелектричний нагрів поставлених у високоякісне магнітне поле непроводящих матеріалів і напівпровідників, що проходить за рахунок сквозних струмів проводимості і зміщення при поляризації.
Дуговий нагрів, при якому матеріал нагрівається за рахунок теплоти, що надходить до нього з опірних плям дуги, а також внаслідок теплообміну з дугою та електродами.
Електронно- та іонно-променевий нагрів, в результаті якого теплова енергія виділяється при зіткненні швидкорухаючихся електронів чи іонів, прискорених електричним полем, з поверхнею нагріваємого обєкту.
Плазмовий нагрів, заснований на нагріві газу за рахунок пропускання його через дуговий розряд чи високоякісне електромагнітне чи електричне поле.
Отримана таким чином низькотемпературна плазма використовується для нагріву різноманітних середовищ.
Лазерний нагрів,що відбувається за рахунок нагріву поверхні обєктів при поглинанні ними висококонцентрованих потоків світлової енергії, отриманих в лазерах – оптичних квантових генераторах.
Теплопередача в електротермічних установках
Основі параметри електротермічних установок (потужність, коєфіцієнт корисної дії, питомий розхід електроенергії) визначають в результаті розрахунку теплоти, потрібної для технологічного процесу, а також розрахунок процесів теплообміну між джерелами теплоти та навколишнім середовищем. Теплообмін визначається законами теплопередачі. Процес теплообміну є складним, тому в інженерних розрахунках його розділюють на більш прості складові – теплопровідність, конвекцію та випромінення (променистий теплообмін).
Теплопровідність – це передача теплоти всередині твердого тіла чи нерухомої рідини (газу) від областей з більш високою температурою до області з більш низькою температурою.
Згідно з молекулярно-кінетичною теорією теплопровідність зумовлена тепловим рухом і енергетичною взаємодією мікрочасток (молекул, атомів, електронів). Частки з більшою енергією (більш нагріті, а відповідно, більш рухомі) віддають частину своєї енергії менш нагрітим (менш рухомим) при зіткненні. Швидкість теплопередачі в цьому випадку залежить від фізичних властивостей речовини, в більшості випадків від густини. Вона більше у густих тіл (наприклад, металів) і менше у пористих тіл (наприклад, у пінопласта). Якщо температура нагрівателя і нагріваємого тіла не змінюється в часі. То температурне поле системи є стаціонарним. При стаціонарних процесах теплопередачі тепловий потік, що проходить черезтіло в одиницю часу, постійний, так як в процесі передачі теплоти тепловміст тіла не змінюється.
Тепловий потік (Вт) через однослойну плоску стінку при встновившомуся режимі ивзначається по формулі Фурьє.
Q = ( t1– t2) / (lFλ) ,
При розрахунку теплових втрат через стінку електропечі необхідно враховувати теплообмін між зовнішньою поверхнею стінки і навколишнім середовищем і внутрішньою поверхнею стінки і робочим простором печі.
Конвекція - теплопередача в рідинах і газах, при якій переміщуються окремі частинки і окремі елементи обєму речовини, що переносять запас теплової енергії. Перенос теплоти разом з переносом ваги речовини називають конвективним теплообміном.
Якщо передача теплоти конвекцією пояснюється лише різницею густин речовини внаслідок різних температур, то така конвекція називається вільною.при накладці зовнішніх силна нагрітий обєм речовини теплоперенос називають вимушеною конвекцією.
Аналітичне вирішення задач, повязаних з конвективним теплообміном, представляє значну важкість, оскільки цей процес описується важкою системою диференціальних рівнянь. Тому задачі конвективного теплообміну зазвичай вирішують з використанням експериментально отриманих констант та величин.
Тепловий потік конвективного тенлообміну визначають на основі закона Ньютона-Ріхмана:
Q = α ( tc – tг ) F,
Ця формула може бути застосована при вільній та вимушеній конвекціях.
Для визначення коефіцієнтів тепловіддачі при конвективному теплообміні користуються формулами, отриманими шляхом узагальнення великої кількості експериментальних даних.
При вимушених конвекціях коефіцієнт тепловіддачі в першу чергу залежить від швикості руху омиваючого середовища.
Для загальних випадків ( заповнення печі спеціальною атмосферою, негрів в рідких середовищах і т. д) коефіцієнт тепловіддачі визначається за допомогою безрозмірних критеріальних залежностей, отриманих узагальненням експериментальних даних на основі теорії подібності.
Випромінення – передача теплоти в невидимій (інфрачарвоній) і видимої частинах спектра. При передачі теплоти випроміненням енергія передається в формі електромагнітних хвиль. Для передачі теплової енергії найбільш суттєвими являються теплове випромінення з довжиною хвиль 0,4 – 400 мк. Між нагрітими тілами, розташованими в межах видимості один одного, завжди відбувається променевий теплообмін. При цьому сумарний тепловий потік направлений від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Цей потік визначається температурами тіл, ступенем їх чорноти і розмірними факторами.
Розглянуті види теплопереноса в багатьох випадках відбуваються спільно.
Наприклад, в потоках рідин та газів спостерігається теплопровідно-конвективний перенос теплоти.
Електромагнітне поле високої частоти (від декількох кГц до тисяч МГц) знайшло застосування для нагрівання металевих і неметалевих матеріалів. У першому випадку деталь, що нагрівається, розміщується всередині т.з. індуктора, по якому проходить струм високої частоти. Вихрові струми, що виникають в металах, і енергія перемагнічування в феромагнетиках призводять до їх нагрівання. Цей вид нагрівання називається індукційним нагріванням. Індукційне нагрівання застосовується для плавлення металів, гартування металевих виробів і в інших технологіях.
Значно пожежонебезпечнішим є високочастотне нагрівання діелектриків, серед яких багато горючих матеріалів. У цьому випадку матеріал, що нагрівається, розташовується між металевими пластинами, до яких підведена нап- руга високої частоти. Така конструкція, по суті, є конденсатором. Під дією електричного поля високої частоти в товщі діелектрика виникають струми
провідності та зсуву (поляризації), які викликають нагрівання матеріалу. Такий вид нагрівання називається діелектричним.
На практиці технологіями, де використовується високочастотне діелектричне нагрівання, є :
сушіння деревини;
сушіння зерна;
вулканізація;
склеювання дерев'яних виробів;
нагрівання, розплавлення пластмас;
стерилізація твердих харчових продуктів та ін.
Використання електричного струму, який проходить через діелектрики та напівпровідники в змінному електричному полі, являється основою діелектричного нагріву, який має перевагу перед іншими методу нагріву. Це швидкість, рівномірність і високе виробництво. З енергетичної точки зору такий нагрів являється найбільш ефективним, тому, що при його використанні вся енергія вноситься в масу матеріалу який нагрівають.
По технологічним признакам установки високочастотного діелектричного нагріву поділяються на три види.
Установки першого виду використовуються в процесах промислової обробки великих виробів, які вимагають швидкого нагріву в однорідному електричному полі: сушка волокон шерсті або хлопку, целулоїди або лісоматеріалів, обпалення великих електроізоляторів і фарфорових виробів виробництво звуко- та теплоізоляційних матеріалів, зварювання пластмаси і полімерних плівок.
Установки другого виду приміняються для нагріву продовгуватих плоских виробів: сушка текстильного волокна, малюнків на тканинах, паперу, фотоплівки, хімічних і фармацевтичних апаратів, полімеризації клеїв, нагрів каучуку, пастерелізація і т. д.
В установках третього види проводяться процеси які не вимагають швидкого і однорідного нагріву: розморожування продуктів, розігрів і швидке приготовлення блюд, обпалення простих керамічних виробів, сушка грибів, чаю і т. д.
Використання високоякісного нагріву дозволяє підвищувати якість продукції, пришвидшити технологічні процеси і отримати при масовому виробництві велику економію не дивлячись на високу вартість обладнання.
Частинки діалектика, розміщеного в електричному колі, зазнають механічного впливу, зміщуючи позитивно зарядженні частинки в одну сторону а негативно заряджені в іншу. В результаті центри електричної дії позитивних та негативних частинок не співпадають і в зовнішньому просторі така молекула сприймається як диполь, тобто як система двох рівних, но протилежних зарядів
q і q, зміщених один відносно одного на відстань l. Такий діелектрик який має від’ємні в одному напрямку диполі, називають поляризованими. Виробництво заряду частинки на зміщення l називають електричним моментом диполя m gl
(Кл/м), який зв’язаний з напругою електричного поля E відношенням mE, де
- міра упругої деформації молекули або атома – їх полязируюмість.
Розрізняють декілька видів поляризації.
Електронна поляризація атомів визвана зміщенням електронної хмарки відносно ядра атома і набуттям останнім індукційного допільного моменту (мал.
4. 13, а). Час власних коливань електронів складає 10-14 – 10-15 с, за цей же час встановлюється електронна поляризація.
Іонна поляризація молекул визвана пружнім зміщенням іонів в твердих діелектриках з іонною кристалічною решіткою (іони Na і Cl в кухонній солі).
Період власних коливань решітки складає 10-12 – 10-13 с. Час іонної пружної поляризації того самого порядку.
Орієнтаційна поляризація має місце в діелектриках з молекулами, які являють собою пружні диполі, незалежно від наявності зовнішнього електричного поля. Поляризація проявляється в частковому повороті і в упорядкуванні диполів під впливом зовнішнього електричного поля. Це поляризація пружного зміщення,
яка виникає в твердих або рідких діелектриках, полярні молекули яких зв’язані одні з одними так, що під впливом електричного поля можуть повертатися лише на невеликий кут.
Поляризація діелектрика проходить не тільки в постійному але і в перемінному електричному полі. В цьому випадку направлення поляризації міняється з частотою поля, пружні диполі вібрують, пружні повертаються в прямому і зворотному напрямках. Проходить переміщення зарядів, тобто через діелектрик проходить електричний струм. При розміщені діелектрика між обкладками конденсатора, на які подана напруга від високоякісного генератора, ланцюг струму замкнеться через цей генератор.
Поляризація супроводжується втратами енергії, викликаними тертям між молекулами (втрати тертя) і переміщенням диполів (дипольні втрати). Втрати енергії виявляються в нагріві діелектрика і напівпровідника, швидкість якого встановлюється в залежності з частотою зміни поля. Втрати при поляризації приводять до запізнення зміщення молекул по відношенню до зовнішнього поля.
З збільшенням частоти відставання збільшується, до тих пір поки не досягне максимуму. Подальше підвищення частоти через в’язкість середовища призводить до зворотного результату – зменшення поляризації, що веде до різкого зниження діелектричної проникливості речовини. При відсутності втрат струм випереджає напруженість поля на кут 900. Якщо поляризація пов’язана з втратами і трішки запізнюється, струм випереджає напруженість на кут, менший 900. Різниця характеризує втрати в діелектрику і називається кутом діелектричних втрат.
Це, що проходить в діелектриці, який розміщений в змінному електричному полі процеси визначаються діелектричною проникливістю 'j''. Речова частина комплексу ' характеризує відношення ємностей конденсатора до і після введення в нього діелектрика – від’ємна діелектрична проникливість речовини.
Мала частина '''tg характеризується вбиранням енергії поля діелектриком і називається коефіцієнтом втрат діелектрика.
Струм, який проходить через конденсатор разом з діелектриком має дві складових: струм зміщення Iсм jwCU а струм провідності In gU. Максимальний струм проходячий через діелектрик,
g jwC
U II
I n см * .
Відношення струму провідника до струму зміщення Iп/Iсм tg також визначає коефіцієнт втрат в діелектрику.
Показники і tg залежать від роду і фізичного змісту речовин (вологості, температури), а також від частоти поля. Величина tg має максимум при так званій релаксаційній частоті f0, характерної для кожного матеріалу.
Потужність яка виділяється в діелектриці можна отримати із векторної діаграми
UItg CU tg UI
P cos 2 ,
де 2f - кутова швидкість, рад/с; C - ємність плоского конденсатора, Ф;
d S
C0 / (S - площа пластин конденсатора, м2; d - відстань між ними, м;
12 0 8,8510
Ф/м – діелектрична проникливість вакууму). Маючи на увазі, що об’єм діелектрика рівний Sd і напруженість електричного поля EU/d (В/м), потужність P0 (Вт/м3), виділяючи в одиниці об’єму діелектрика,
tg fE
P0 5,561011 2 (2.4) Підведена питома потужність P0 витрачається на нагрів матеріалу, випаровування вологи або інших летючих компонентів. При затратах теплоти тільки на нагрів питома потужність, яка поступає в матеріал повинна відповідати
tр
нагр С Т
Р / / , (2.5) де Cр - питома теплоємність матеріалу, Дж\(г*К); - щільність матеріалу, г\см3; Т/ - швидкість нагріву матеріалу, К/с; t - термічний КПД процесу, враховуючи втрати теплоти в навколишньому середовищі.
При затратах теплоти тільки на випаровування
L/ M/
Рисп t , (2.6)
де L - прихована теплота пароутворення при даній температурі нагріву, Дж/г; M/ - швидкість випаровування, Г/(см3*с).
Аналіз рівнянь (2.4) – (2.6) дозволяє зробити висновок, що потужність яка виділяється в діелектрикові, який знаходиться в змінному електричному полі, визначається тільки його електричними характеристиками і tg і параметрами поля: напругою і частотою.
Потужність яка виділяється не залежить від теплопровідності матеріалу.
Яка в діелектриків, як правило, має низькі значення. Ця особливість являється значною перевагою діелектричного нагріву, який дозволяє значно прискорити процес нагріву матеріалу по зрівнянню з іншими традиційними видами нагріву.
Теплова дія електричного струму – це екзотермічний процес перетворення кінетичної енергії рухомих зарядів у внутрішню енергію при зіткненні їх з атомами та молекулами провідників.
Цей процес виділення теплоти кількісно описується відомим законом Джоуля-Ленца t
R I
Q 2 ,
де Q – кількість теплоти, яка виділяється у провіднику; R – активний опір; t – час проходження струму.
Теплова дія електричного струму використовується у виробничих електротермічних установках, в побутових електронагрівальних приладах та в лампах розжарювання. В цих установках енергія електричного струму незворотньо перетворюється у теплоту в спеціальних електронагрівальних елементах (спіралях, пластинах тощо), виготовлених з високоомних матеріалів (вольфрам, ніхром та ін.). Питомий опір цих речовин у десятки, сотні разів більший, ніж в провідникових матеріалів (мідь, алюміній).
Аналогічні наслідки стаються при перевантаженні. У найпростішому вигляді – це ситуація підключення до електромережі споживачів із потужністю, при якій теплота, яка виділяється струмом у провіднику, перевищує значення, яке може безпечно росзіюватися в оточуючих матеріалах чи середовищі.
Перевантаження електротехнічного виробу – перевищення фактичного значення потужності або струму електротехнічного виробу (пристою) над номінальним значенням. Надструм в електротехнічному виробі – струм, значення якого перевищує найбільше робоче значення струму електротехнічного виробу (пристою). Перенапруга в електротехнічному виробі – напруга між двома точками електротехнічного виробу (пристою), значення якої перевищує найбільше робоче значення напруги.