Одной из наиболее распространенных групп электротехнологических установок общепромышленного назначения является группа электротермических установок.
Электронагрев (электротермия) объединяет разнообразные технологические процессы тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя.
Применение электрической энергии для нагрева имеет ряд достоинств
- существенное снижение загрязнения окружающей среды;
- получение строго заданных значений температур, в том числе и превосходящих уровни, достигаемые при сжигании любых видов топлива;
- создание сосредоточенных интенсивных тепловых потоков;
- достижение заданных полей температур в нагреваемом пространстве;
- строгий контроль и точное регулирование длительности выделения энергии;
- гибкость в управлении потоками энергии;
- возможность нагрева материалов изделий в газовых средах любого химического состава и вакууме;
- выделение тепловой энергии непосредственно в нагреваемом веществе.
Использование электронагрева вместо пламенного в некоторых технологических процессах позволяет получить большую экономию топлива и сократить количество обслуживающего персонала. Внедрение электротермии также обеспечивает экономию материальных и трудовых ресурсов, что в конечном результате приводит к повышению экономической эффективности.
ВИДЫТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Электротермические процессы связаны с преобразованием электрической энергии в тепловую с переносом тепловой энергии внутри тела (твердого, жидкого, газообразного) или из одного объема в другой по законам теплопередачи.
Теплопередачей (теплообменом)[1] называется переход тепла из одной части пространства к другой, от одного тела к другому или внутри тела от одной его части к другой. Непременным условием теплообмена является наличие разности температур отдельных тел или участков тел.
Различают стационарный и нестационарный теплообмен.
Существуют три различных способа передачи тепла.
Рис. 2.2. Классификация теплообмена по способу передачи тепла
Теплопроводность обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодействием микрочастиц (молекул, атомов, электронов), частицы с большей энергией (более нагретые и, следовательно, более подвижные) отдают часть своей энергии менее нагретым (менее подвижным). Скорость теплопередачи в этом случае зависит от физических свойств вещества, в частности от его плотности. У плотных тел (металл) скорость теплопередачи больше, у пористых (пенопласт) – меньше.
Тепловой поток через плоскую стенку при установившемся режиме (определяется по закону Фурье) пропорционален разнице температур поверхности стенки и обратно пропорционален термическому сопротивлению стенки.
При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн. Этот вид теплопередачи может иметь место лишь в прозрачной для этих лучей среде.
Каждое непрозрачное нагретое тело, находящееся в прозрачной среде, излучает во все стороны лучистую энергию, распространяющуюся со скоростью света. При встрече с другими полностью или частично непрозрачными телами эта лучистая энергия вновь превращается (полностью или частично) в тепло, нагревая эти тела. Следовательно, лучистый теплообмен сопровождается двойным превращением энергии – тепловой энергии в лучистую и затем вновь лучистой в тепловую.
Если температуры тел, между которыми осуществляется лучистый теплообмен, различны, то в результате теплообмена между ними тепло будет передаваться от более нагретого тела к менее нагретому, одно из них будет нагреваться, а другое – снижать свою температуру.
При излучении нагретого тела в неограниченное пространство (при односторонней теплопередаче) лучистый тепловой поток пропорционален постоянному коэффициенту излучения абсолютно черного тела, степени черноты тела, численно равной его поглощающей способности, и абсолютной температуре нагретого тела.
Аналитическое решение задач, связанных с конвективным теплообменом, представляет значительные трудности, поскольку этот процесс описывается сложной системой дифференциальных уравнений. Поэтому задачи конвективного теплообмена решают с использованием экспериментально полученных констант и величин. Тепловой поток конвективного теплообмена определяют на основании закона Ньютона – Рихмана. По этому закону тепловой поток прямо пропорционален поверхности омывания, режиму движения теплоносителя (коэффициент теплоотдачи) и разности температур стенки и газа или жидкости.
С увеличением температуры происходит изменение электрофизических, теплофизических и магнитных свойств материалов и веществ (рис. 2.3 – 2.9) [6, 10, 11].
При изменении температуры наблюдается рост удельного сопротивления металлов. Скачкообразное изменение удельного сопротивления соответствует переходу металла из одного агрегатного состояния в другое (из твердого – в жидкое состояние)
Изменение относительной магнитной проницаемости характерно только для ферромагнитных металлов. При температуре, соответствующей точке Кюри (ориентировочно 730-750ОС), металл теряет свои магнитные свойства, и относительная магнитная проницаемость становится равной единице.
Изменение теплопроводности огнеупорных и теплоизоляционных материалов показывает, что для большинства этих изделий с ростом температуры наблюдается увеличение коэффициента теплопроводности. Но существуют и такие, у которых с ростом температуры коэффициент теплопроводности уменьшается (муллитовые, карборундовые изделия, хромомагнезитовый кирпич).