Генерация теплоты при использовании электроэнергии

Электрическая энергия легко превращается в тепловую, ее удобно использовать и автоматизировать, при этом возможно достичь практически любой температуры. Превращение электрической энергии в тепловую происходит по следующим принципам (рисунок 14).

а) коаксиальный нагрев; б) нагрев сопротивлением соляной ванны; в) непосредственный нагрев; г) косвенный нагрев; д) электрошлаковый нагрев

Рисунок 14 – Схема генерации теплоты при помощи электроэнергии методом сопротивления

Электрическое сопротивление по закону Джоуля-Ленца:

,

где U- напряжение, В; I - ток, А ; t - время, с.

Существует несколько способов электронагрева сопротивлением: непосредственный, косвенный, коаксиальный, нагрев сопротивлением соляной ванны и электрошлаковый.

Индукционный нагрев основан на том, что металлическое тело в переменном электромагнитном поле нагревается индуцируемыми в нем токами. Этот принцип близок к принципу сопротивления, с той лишь разницей, что этот ток индуцирован, а не непосредственно подведен к проводнику, выделяющему тепло.

Электродуговой нагрев основан на том, что электроэнергия превра­щается в тепловую в электрической дуге, представляющей собой мощный электрический разряд в газовой среде.

В плазменном нагреве используется низкотемпературная плазма. Её получают созданием сжатой электрической дуги большой мощности в потоке газа. Нейтральный газ (например, аргон), подаваемый в зону дуги, как бы распадается на электроны и ионы, которые об­разуют плазменную струю для нагрева.

Электронно – лучевой. Нагрев осуществляется потоком электронов в вакууме. Электроны под действием высокого напряжения покидают катод и с высокой скоростью бомбардируют нагреваемый материал на аноде.

Непосредственный нагрев, сопротивление нагреваемого проводника можно определить по формуле (рисунок 14 в):

, [Ом],

где R- удельное электрическое сопротивление; L - длина проводника, м; S- площадь проводника, м² .

Недостатком этого способа является то, что металлы имеют очень низкое удельное электрическое сопротивление, поэтому приходится использовать низкое напряжение, что приводит к большим потерям.

При косвенном нагреве элементом сопротивления является не сам металл, а элемент с большим удельным электросопротивлением (рисунок 14 г). При этом способе нагрева используется экономически более выгодное напряжение, но не вся теплота передается нагреваемому материалу:

,

где η_т – тепловой КПД; m_M, и С_M – соответственно масса и теплоемкость нагреваемого металла; t_М – изменение температуры.

Этот способ используют в нагревательных термических и сушильных печах.

Коаксиальный способ состоит в том, что электрический ток пропускают по двум близко и соосно расположенным проводникам (рисунок 14а). При таком расположении и соединении проводников магнитное поле не рассеивается, а концентрируется. Оно как бы заперто в зазоре между проводниками. В результате возникающих эффектов активное сопротивление проводников увеличивается в 10 – 20 раз.

Нагрев соляной ванны сопротивлением (рисунок 14 б). Элементом сопротивления могут быть не только твердые тела, но и жидкости (соли и жидкие шлаки).

Электрошлаковый способ основан на ионной проводимости жидких шлаков (рисунок 14 д).

Индукционный электронагрев производят в канальных и тигельных печах (рисунок 15).

Канальная печь по своему принципу является электрическим трансформатором, у которого вторичной обмоткой служит жидкий металл в канале. Вторичная обмотка представляет собой одновремен­но и нагрузку на этот своеобразный трансформатор. Переменный ток I₁ , проходящий по первичной обмотке, создает переменное магнитное поле, при этом создается магнитодви­жущая сила, величину которой можно определить по формуле:

,

где W₁ – число витков первичной обмотки.

Магнитный поток Ф, созданный переменным электрическим полем изменяется в соответствии с частотой переменного тока, в результате возникает ЭДС:

.

ЭДС возникает в каждом витке трансформатора и определяется по формуле:

,

где f – частота изменений магнитного потока во времени.

Общая ЭДС индуцируется во вторичной цепи:

.

В соответствии с общей теорией трансформатора можно записать:

.

Следовательно, электрический ток во вторичной цепи составляет:

,

т.е. он значительно больше, чем ток в первичной цепи.

Непосредственное выделение тепла происходит в результате прохождения вторичного тока через металл в канале:

.

Индукционная тигельная печь также работает по принципу превращения электрической энергии сначала в электромагнитную, а затем опять в электрическую (рисунок 15б), но отличается от канальной отсутствием сердечника, который мог бы концентрированно доставить магнитный поток Ф ко «вторичной обмотке». Роль ее в данном случае играет металл в тигле, ЭДС наводится во вторичной цепи и определяется по формуле:

,

где α – коэфициэнт формы кривой измерения тока.

1 – первичная обмотка, 2 – сердечник, 3 – вторичная обмотка (металл в канале)

Рисунок 15 – Схема индукционного тигельного (а) и канального (б) принципов превращения электрической энергии в тепловую

Ток высокой частоты I₁, проходя через индуктор печи наводит в плоскости, параллельной плоскости витков, вихревые токи I₂. Частота тока в больших печах может быть понижена:

,

где – удельное электрическое сопротивление расплавленного металла, Ом∙м; d – диаметр садки, м.

Дуговой электронагрев. Электрическая дуга или дуговой разряд – один из видов электрических разрядов в газах. В отличие от индукционного способа дуга может быть образована как постоянным, так и переменным током. Положительные ионы с анода поступают к катоду и частично осаждаются на нем, поэтому больше расходуется анод. Ток дугового разряда (постоянный) определяется по формуле:

,

где ρ – объемная плотность разрядов; V – скорость их перемещения; S – площадь поперечного сечения дуги.

Различают прямую и косвенную дугу. Прямая дуга горит между электродом и металлом, косвенная – между двумя электродами. Выделяемая дугой мощность составляет:

W_д.р= E∙I_д.р.,

где Е=ЭДС.

Эта мощность при горении дуги превращается в тепло:

Q_д.р.=W_д.р.∙η.

Для дуги переменного тока напряжения и ток изменяются по синусоидальному закону, т.е. электроды с частотой переменного тока становятся поочередно анодом и катодом.

Плазменный нагрев. В промышленных плазмотронах (рисунок 16) используют «холодную» плазму с температурой 3000°С и степенью ионизации около 1%. Низкотемпературную промышленность плазму получают посредством электрической дуги высокого напряжения, стабилизированной газовым потоком и магнитным полем. Плазменный нагрев позволяет получать высокую концентрацию энергии, необходимую для некоторых металлургических процессов.

1 – вольфрамовый катод; 2 – медный водоохлаждаемый анод; 3 – плазма

Рисунок 16 – Схема плазмотрона

Электронно – лучевой нагрев обеспечивает высокую чистоту процесса, т.к. производится в вакууме за счет энергии пучка ускоренных электронов, бомбардирующих расплавленный металл (рисунок 17).

Рисунок 17 – Схема электронно-лучевого нагрева

Кинетическая энергия пучка электронов, разогнанных под действием ускоряющей разницы потенциалов определится для одного электрона:

,

где m – масса электрона; V- скорость электрона.

Мощность, выделяемая при попадании n электронов за 1 секунду составит:

,

где е – заряд электрона;

I - ток пучка электронов.