Методы электрического нагрева, разберем все эти способы по порядку
Способы электрического нагрева рассмотрим в этой статье
В наибольшей степени значимые методы преобразования электрической энергии в тепловую энергию классифицируют следующим образом. Рассматривают прямой и косвенный электрический нагрев.
При прямом электронагреве преобразование электрической энергии в тепловую энергию происходит в результате прохождения электрического тока непосредственно по нагреваемому телу или среде (металл, вода, молоко, почва и т. п.).
При косвенном (Электронагрев, при котором тепло выделяется в электронагревателе и передается загрузке теплообменом ) электронагреве электрический ток проходит по специальному нагревательному устройству (нагревательному элементу), от которого тепло передается нагреваемому телу или среде посредством теплопроводности, конвекции или излучения.
Существует несколько видов преобразования электрической энергии в тепловую энергию, которые определяют способы электрического нагрева.
Нагрев сопротивлением
Протекание электрического тока по электропроводящим твердым телам или жидким средам сопровождается выделением тепла.
По закону Джоуля — Ленца количество тепла Q=I2Rt, где Q — количество, тепла, Дж; I — сила тока, А; R — сопротивление тела или среды, Ом; t — время протекания тока, с.
Нагрев сопротивлением может быть осуществлен контактным и электродным способами.
Контактный способ применяется для нагрева металлов как по принципу прямого электрического нагрева, например в аппаратах электроконтактной сварки, так и по принципу косвенного электрического нагрева — в нагревательных элементах.
Электродный нагрев
Электродный способ применяется для нагрева неметаллических проводящих материалов и сред: воды, молока, сочных кормов, почвы и др.
Нагреваемый материал или среда помещается между электродами, к которым подводится переменное напряжение.
Электрический, ток, протекая по материалу между электродами, нагревает его.
Обычная (недистиллированная) вода проводит электрический ток, так как в ней всегда содержится некоторое количество солей, щелочей или кислот, которые диссоциируют на ионы, являющиеся носителями электрических зарядов, то есть электрического тока.
Аналогична природа электропроводности молока и других жидкостей, почвы, сочных кормов и т. п.
Прямой электродный нагрев осуществляется только на переменном токе, так как постоянный ток вызывает электролиз нагреваемого материала и его порчу.
Электронагрев сопротивлением нашел широкое применение в производстве в связи с его простотой, надежностью, универсальностью и невысокой стоимостью нагревательных устройств.
Электродуговой нагрев
В электрической дуге, возникающей между двумя электродами в газообразной среде, происходит превращение электрической энергии в тепловую.
Для зажигания дуги электроды, присоединенные к источнику питания, на мгновение соприкасают, а затем медленно разводят.
Сопротивление контакта в момент разведения электродов сильно нагревается проходящим по нему током.
Свободные электроны, постоянно движущиеся в металле, с повышением температуры в месте соприкосновения электродов ускоряют свое движение.
С ростом температуры скорость свободных электронов настолько возрастает, что они отрываются от металла электродов и вылетают в воздушное пространство.
При движении они сталкиваются с молекулами воздуха и расщепляют их на положительно и отрицательно заряженные ионы.
Происходит ионизация воздушного пространства между электродами, которое становится электропроводным.
Под действием напряжения источника положительные ионы устремляются к отрицательному полюсу (катоду), а отрицательные ионы — к положительному полюсу (аноду), тем самым образуя длительный разряд — электрическую дугу, сопровождающуюся выделением тепла.
Температура дуги неодинакова в различных ее частях и составляет при металлических электродах: у катода — около 2400 °С, у анода — около 2600 °С, в центре дуги — около 6000 - 7000 °С.
Дуговой нагрев
Различают прямой и косвенный электродуговой нагрев.
Основное практическое применение находит прямой электродуговой нагрев в дуговых электросварочных установках.
В установках косвенного нагрева дуга используется как мощный источник инфракрасных лучей.
Индукционный нагрев
Если в переменное магнитное поле поместить кусок металла, то в нем будет индуктироваться переменная э. д. с, под действием которой в металле возникнут вихревые токи. Прохождение этих токов в металле вызовет его нагрев.
Такой способ нагрева металла называется индукционным. Устройство некоторых индукционных нагревателей основано на использовании явления поверхностного эффекта и эффекта близости.
Для индукционного нагрева используются токи промышленной (50 Гц) и высокой частоты (8—10 кГц, 70—500 кГц).
Наибольшее распространение получил индукционный нагрев металлических тел (деталей, заготовок) в машиностроении и при ремонте техники, а также для закалки металлических деталей.
Индукционный способ может использоваться также для нагрева воды, почвы, бетона и пастеризации молока.
Диэлектрический нагрев
Физическая сущность диэлектрического нагрева заключается в следующем.
В твердых телах и жидких средах с плохой электрической проводимостью (диэлектриках), помещенных в быстропеременное электрическое поле, электрическая энергия превращается в тепловую.
В любом диэлектрике имеются электрические заряды, связанные межмолекулярными силами.
Эти заряды называются связанными в отличие от свободных зарядов в проводниковых материалах.
Под действием электрического поля связанные заряды ориентируются или смещаются в направлении поля.
Смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называется поляризацией.
В переменном электрическом поле происходит непрерывное перемещение зарядов, а следовательно, и связанных с ними межмолекулярными силами молекул.
Энергия, затрачиваемая источником на поляризацию молекул непроводниковых материалов, выделяется в виде тепла.
В некоторых непроводниковых материалах есть небольшое количество свободных зарядов, которые создают под действием электрического поля незначительный по величине ток проводимости, способствующий выделению дополнительного тепла в материале.
При диэлектрическом нагреве материал, подлежащий нагреванию, помещается между металлическими электродами — обкладками конденсатора, к которым подводится напряжение высокой частоты (0,5 - 20 МГц и выше) от специального высокочастотного генератора.
Установка для диэлектрического нагрева состоит из лампового генератора высокой частоты, силового трансформатора и сушильного устройства с электродами.
Высокочастотный диэлектрический нагрев — перспективный способ нагрева и применяется главным образом для сушки и тепловой обработкидревесины, бумаги, продуктов и кормов (сушки зерна, овощей и фруктов), пастеризации и стерилизации молока и т. п.
Электронно-лучевой (электронный) нагрев
При встрече потока электронов (электронного луча), ускоренных в электрическом поле, с нагреваемым телом электрическая энергия превращается в тепловую.
Особенностью электронного нагрева является высокая плотность концентрации энергии, составляющая 5х108 кВт/см2, что в несколько тысяч раз выше, чем при электродуговом нагреве.
Электронный нагрев применяется в промышленности для сварки очень мелких деталей и выплавки сверхчистых металлов.
Кроме рассмотренных способов электронагрева, в производстве и быту находит применение инфракрасный нагрев (облучение).
