14. Электрический нагрев

Электрический нагрев известен с 1803 г (академик Петров В.В. – автор).

В 1843 году русский академик Ленц и англичанин Джоуль установили эквивалент между электрической и тепловой энергией и сформулировали закон получивший название – закон Джоуля – Ленца:

Q=0.24*I^2*R* =0.24*I*R*Е* ,

где: – Q – количество тепла, выделяющееся в проводнике при прохождении электрического тока [Вт] .

– I – сила тока, [A];

– R – сопротивление проводника, [Ом];

– E – напряжение, [В];

– – время, [с].

В практических расчётах используют следующее соотношение единиц измерения – 860 ккал – 1000вт.(старое ккал).

Преимущества использования электрической энергии для нагрева:

1. Возможность концентрации большого количества энергии в малых объемах, следствием чего являются:

– высокие температуры;

– высокие скорости нагрева;

– компактность электропечей.

2. Возможность регулировать и распределять температуру в рабочем пространстве печи, что позволяет осуществлять равномерный нагрев в больших объемах изделий или избирательный нагрев заготовок и создает возможность для автоматизации теплового и технологического процессов.

3. Возможность работать с контролируемыми атмосферами, использовать давление, как фактор регулирования процесса нагрева (вакуумные печи).

4. Возможность совмещать нагрев с химическим воздействием.

5. Транспортабельность и простота передачи энергии.

Недостатки:

1. Высокая стоимость эксплуатации;

2. Высокая стоимость оборудования (высокие капитальные затраты). Более высокие требования к культуре производства. Потребность в дорогостоящих и дефицитных материалах для изготовления нагревательных устройств;

3. Меньше надежность, долговечность и ремонтопригодность электрических печей (в сравнении с пламенными печами);

4. Зависимость работы печи от работы электрической системы страны и региона.

Когда обусловлено применение электрического нагрева?:

1. Когда технологический процесс нельзя осуществить без электрического нагрева;

2. Применение электрического нагрева позволяет повысить качество продукции;

3. Он улучшает условия труда, снижает его вредность и тяжесть, повышает безопасность;

4. Происходит снижение себестоимости продукции или уменьшение капитальных затрат.

В итоге, свыше 15% потребляемой электроэнергии расходуется на электрический нагрев.

Классификация электрических печей

1. По способу превращения электрической энергии в тепловую энергию:

1.1. – Электрические печи сопротивления (используется закон Джоуля – Ленца – ток протекает по проводнику (резистору или заготовке);

2. – Дуговые электрические печи (выделение тепла происходит в электрической дуге);

3. Индукционные электрические печи (используется закон электромагнитной индукции). Основной элемент печи – индуктор.

1. Электрические печи сопротивления делятся на:

   1. Печи прямого нагрева – контактный электрический нагрев;

   2. Печи косвенного нагрева. В них используют превращение электрической энергии в тепловую, которое происходит в резисторах (элементах сопротивления).

Резисторы бывают: металлические, керамические, жидкие (расплав соли).

В этих печах тепло передается излучением и конвекцией.

Электрические печи сопротивления

1. Электропечи сопротивления (косвенного нагрева).

Применяют для нагрева изделий под ковку цветных металлов, а также для термообработки (всех металлов и сплавов).

Преимущества (те же, что и у всех электропечей).

Их можно включать в непрерывные автоматические поточные линии.

Электрическая энергия преобразуется в тепловую в специальных нагревательных элементах с большим электрическим сопротивлением.

Применяют различные электронагреватели, наиболее распространены электрические нагреватели из нихрома. Например: Х15Н60 – работают в диапазоне температур от 100 ^оС до 1000^оС.

Омическое сопротивление нихрома

Нихромовые нагреватели не подвергаются старению.

В печах с температурой рабочего пространства t_pп>1100⁰С применяют железохромоалюминиевые сплавы.

В печах с температурой рабочего пространства t_pп=1300…1500⁰С применяют силитовые (карборундовые) и дисилицидмолибденовые нагреватели, имеющие форму стержней различных размеров.

Металлические элементы нагревателей изготовляют из нихромовой проволоки диаметром (1…10)мм или ленты сечением 1х10, 1,2х12, 1,5х15, 2х20, 2,5х20, 3х30мм.

Печи бывают камерные и карусельные. Камерные печи могут быть даже с выкатным подом (при нагреве больших деталей).

Печи могут работать с защитной атмосферой. Их проверяют на герметичность при давлении P=500Па.

По температуре нагрева (t_н) печи бывают:

1. Высокотемпературные t_н=(1250 – 1600)^оС;

2. Среднетемпературные t_н=(700 – 1250)^оС;

3. Низкотемпературные t_н=(600 – 700)^оС,

Высокотемпературные и среднетемпературные печи имеют два теплоизоляционных слоя: внутренний – огнеупорный слой и внешний – теплоизоляционный, 3 – Низкотемпературные – один.

Рис. 14.1. Электрическая печь косвенного нагрева.

1 – заготовка; 2 – огнеупорный слой; 3 – нагревательный элемент (спираль); 4 – теплоизолирующий слой; 5. – термопара; 6 – под печи; 7 – кожух.

Электроконтактный нагрев

Преимущества:

1. Стоимость < на 30% индукционного нагрева;

2. Ниже стоимость оборудования.

Принцип: пропускание электрического тока через заготовку с помощью специальных контактов.

Недостатки:

1. Можно греть заготовки только постоянного диаметра;

2. Небольшой диаметр нагреваемых заготовок – до 75мм;

3. Трудно обеспечить равномерный нагрев по длине заготовки

(концы заготовки имеют ниже температуру);

4. При отношении – к.п.д. установки <50%.

Рис.14.2. Схема установки электроконтактного нагрева.

Используются источники питания – постоянного и переменного тока.

Постоянный ток обеспечивает равномерный нагрев, но приводит к удорожанию, требует специальной установки.

Повышенные частоты – хорошо наводятся вихревые токи и имеет место сочетание контактного нагрева с индукционным (но это дорого).

Чаще всего используют промышленную частоту 50 Гц.

Таблица 14.1.Определение продолжительности нагрева.

d, мм	10	20	30	40	50	60	70
, с	6	15	40	60	80	100	120

Требуемая электрическая мощность:

Q₁=0.24I²R* .

При нагрева выделяется тепловая мощность:

Q₂=m*c*t₁/ .

Из условия Q₁=Q₂ вытекает:

;

где: – R= – сопротивление;

– – масса нагреваемой заготовки.

Тогда – I=0.032*S ,

где: – – плотность материала;

– – удельное сопротивление материала.

К.п.д. электрический =0,85…0,9, но он резко снижается по мере подгорания контактов.

К.п.д. тепловой =0,97…0,99.

Суммарный к.п.д. = .

При расчёте:

1. Определяется напряжение.

2. Определяется мощность установки.

Эти установки широко распространены.

Индукционный нагрев.

Индукционный нагрев основан на передаче на малые расстояния специально сформированного потока электромагнитной энергии и превращения ее в тепловую энергию заготовки. Формирование направленного потока электромагнитной энергии осуществляется с помощью индуктирующих катушек – индукторов цилиндрической или плоской формы, выполненных из медной трубки, охлаждаемой водой.

Индукторы подключают к специальным генераторам переменного тока различных стандартных частот или теристорным преобразователям частот. Если внутрь индуктора поместить металлическую заготовку, то по закону электромагнитной индукции в ней возникает переменный электрический ток, под действием которого в заготовке будет выделяться тепловая энергия.

Порядок расчета индукционного нагревателя.