Преобразование электрической энергии в тепловую
При прохождении электрического тока происходит неизбежное столкновение движущих заряженных частиц с ионами и молекулами вещества. При этом часть кинетической энергии передаётся последним, вследствие чего происходит нагрев проводника. Простыми словами, происходит преобразование электрической энергии в тепловую.
Закон Джоуля — Ленца
Мощность характеризует скорость преобразования электрической энергии в тепловую: P = U*I, учитывая, что U = r*I, получим формулу:
Формула количества электрической энергии W, преобразованной в тепловую за единицу времени t:
W — Pt = rI 2 t
В системе СИ единицей количества тепла, так же, как и единицей энергии, является джоуль. Следовательно, выделенное током I в сопротивлении r тепло определяется формулой.
Q = rI 2 t
Данная зависимость называется законом Джоуля-Ленца: количество тепла, выделяемое постоянным током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Количество тепловой энергии часто измеряют внесистемной единицей — калорией, 1 кал = 4,187 Дж или 1 Дж = 0,24 кал. Следовательно, количество тепла, выраженное в калориях, выражается по формуле:
Преобразование электрической энергии в тепловую применяется в нагревательных приборах.
Допустимая нагрузка проводов.
Приращение температуры провода при нагреве зависит от: массы, материала провода и количества выделившегося в нём тепла.
Скорость отдачи тепла пропорциональна разности температур провода и окружающей среды. С начала нагрева током, всё тепло идёт на провод, так как температура среды равна температуре провода, следовательно тепло в окружающую среду почти не отдаётся.
Температура провода быстро растёт, увеличивая тем самым разность температур между проводом и средой. Следовательно, увеличивается отдача тепла проводом в окружающую среду, и рост температуры провода замедляется. Наконец при некоторой температуре устанавливается тепловое равновесие. Температура провода достигает установившегося значения.
Время нагревания провода — это временной промежуток, на протяжении которого провод нагреется до определенной температуры, отличающейся от установившейся температуры не более чем на 1%.
В среднем, нагрев провода может допускаться до температуры в пределах 65-80 °С. У изолированных проводов допустимый нагрев обуславливается характеристиками изоляции. Ток, при котором провод достигает предельно допустимой температуры tдоп, называется наибольшим допустимым или номинальным током провода I = Iн.
В том случае, если ток превышает границы номинального значения, то подобная перегрузка может быть допустима только на короткий промежуток времени. Чем больше ток в проводе по сравнению с номинальным, тем кратковременной может быть перегрузка.
Защита от перегрузки.
Короткое замыкание — это соединение проводов, участков электрической цепи или выводов с разными потенциалами. Ток короткого замыкания может достигнуть значений гораздо больших, чем допустимый ток, что приводит к тепловому или механическому разрушению определенных участков установки.
Плавкие предохранители, реле или автоматы способны предотвратить перегрузку в электрической цепи. В качестве основы плавкого предохранителя выступает специальная вставка из проволоки, выполненной из легкоплавкого материала, которая при токе перегрузки перегорает, разрывая тем самым электрическую цепь. Сечение проволоки выбирается с таким расчетом, чтобы она выдерживала номинальный ток установки и плавилась при появлении токов перегрузки.
В современных силовых цепях плавкие предохранители часто заменены автоматическими устройствами (автоматами), пригодные к многоразовому использованию.
Рис. 3 — Автоматический выключатель
Превращение электрической энергии в тепловую
:h/SQ]ZV-«=H[7j:;@C)e9@#»=_aY-0rj=/P##4+QV ?aS2Rg.oSmk;70f[8V]*o 6gMr/ka>ZOEF2HbgCb/EB!W :>c&(«19-&X\=&%5/H;+^p._%WSerq-«pe
rU#k40MERH,oA3^o63% IOKoG3CJHAjlnR_!pH:mO[k 0″le9C nBINeKh$g’NFg;o 1fepr8&m*jr??f7^o#;Wd1i4IqlLu3q(o;u5D5*’=[SEiS’B/UMbr7Vak5saR\FS1(Y*tSMRCGi \jB3G+36IE».3kZ%/Ns:8-NCsnX#iXNCD?rL^m»W#Up5Q;VFRK?Q@CCK>]QdqkX»KMSR=4.5Hnl W UUln?akcNW`Tf27h%dN.Q;K]=V^L>,Ce2NQUiA>hBgC*IX6c:Ym5c;agt(.i [9oFa%e)[HO>I%rp[m#AUI:1N_h_;BOL/ +YUrO)QkquaZ+iX>e=mF;5 RMaKB^NU,9,]^*sanmtQgUMGm4@CG1P./E»cX’k)EF1J*kS#e VK,$Z DpBh4gt8]HD-9Y7 i V/l#=U_63a.Y/?RP-,p=X]n0@’Vrs HLllaT*1
nentX(+b=BdN#G/b!c_»/eZ^jgcn-cC97Ca;h_`p:M.+»L\*#Gg`nl;r;c2W%1DG \NKjOS_=!L;n/iu:;%fpg/o>8d6BgJ,X3+F4hRj6SVsdcc,0^c,gN)[Y6Bt>hLGGQng(fq-VP37 0>huO38&?Ho&.`$’$!uOr:At»$RKEmMt[bXA»5l+c,.hJI!j8*gVn.PS
XoP:D-q'(ZF4jZZJ?F#0 mk]70;LQ>,#5)%S:G;ie00T +D*H»3)!/f e>$=^g*;)(3RK+oP#J% e\]:4X7+Kndh,pp/DHn/aJs12pnI0(\]!2=
Vn0,fHq8+Y)BZlWM. IL92*)81Y$L n.Q.sBNcJAZ-%A=*4pI:N5′:ulHYge^ sL-2\X!6msU! _c+K6WaPI9.^kdboKi&.KU _9cp#`e`_o9MF_]NMf`g+(i F+<>Kbb)4_Z5[3O5u«a@&I4:QOa*+mY:$FTYuKH2=r6lS[-kN0u4i+]E8Ch)G1!F20^mJ$J,]6 3F&oLRZ$@F[/_kubMh06]CF/@(47XH$f@je&&PsG`_YWIE’96m_t@5]!e5t)K»iWt`.S/+%[&N& OXbV)M.AAU,ZhdhN3%c7K637KJ>&m^!’*I(@k: _iKrca0dcs’U]apc/s’ko\GR^»[ ?;F;r?T=D_D@ #’]»VOGVAlG S0 +![sE[kP:%It=W1SbN>sPIuNqlk$Fp ‘>W.&a9-D1J!$eR2Uoqt\[1L7JG[gNo`4INj:5G=]Z]_2T/$H 4H1p A9hPUHo4″`CTc07Y=n.*c[! (?,Ahu+0a-d9n5t_%n D8ZjC»7;WYbFiX%»7@IDOD4A19n%` F»Y-dfpUP-+B9+hpkR&»oXlKpj%D;3[>g;JU 6%likl MQh3`::;2h;`i(XD/_’rXjDA.h8:>mIY/QD*?j»#fa1XW&\8 $T!»F&P?(QHolbsdL4M(qGmgEg brk Mi\CgTQ`T/$R’f4lreARpi3: 5$B$hsqr]ZZe ANtW28m4N]q8$O-L’Wf2q\YUsd/Xd]Pi@IG,R;UH;»&_>4=ndnQ/f f@RPZWMQsIN@-=c/52hSKX WA^^Lp[%Ju1]:-GCg?.]O3S&97TSOAl7s0^lM\jTU:, qYqLFpPYDI6Fp*»&c_M *GASPQf»-bHEPmSi08Z8+-)SOoSKFb=SiNHObun`Bk>D?0r:a@VmV700#/4N* ou-PFYo 3K*QE2/Rks1$fK*&iDRK0c(>,l’4HqC’rh)6[VL!WA7?f%;g qp7ZR5E]O(Q8E DJp$c*C#=XcXBPK65TV=7@U-&H$(%[ra1DHjMi-N»r]+d fBfR,BchnC_lOreEoUX^N/c>+D?'[.AqL)_W =K*Y_R=^e,.29hL?2;f[/A7[!`]D]6ikVKXK.`S3l=. tm@=.>O g-=5]Y(qQ;ZQ[aNCL0etjp,C[5Zm^O9FCPAosFHE(sI.V%/@b+cQT0RC$t5aDa0 Mpfnj(]]RJgU*nn/[kianUmao9p2@?fnt1 _?U-Xt.’@6Cbk[S[^ZI28CW2,e?X8,X3:`-70 cm(lZ##Y]UZ]M]`1$4[NqYG5X&B\[S;YEV a:F5g*#LAsb#.OEjt;2)1!#DC)M3&L&rTdH:SH$p[R8aZ M+’nT]oZ]b)JK_gQe;cDg^Wus+ceom%;@mL(-qX’oWP&NZ\MZa(4qm`’0L@ePhVRt.-8dJF@#_$ kQa>0GoYPFgbmN/»A1`Sn4 m0^aQ- LVuIF?DuZfTXu»D#]^=hmODeE4t+UJ]I$\]\2O»Q! Elj2#qjST8*7\UuP)IXcW»%e4X#iFTBH+f[X#7 7=W5`7(-p)8hR;-!X:fBa»ABO(6iaPfMZK5+[Tl[.?/H;&nQ1,J6GHiQOLA2E[Aq5=_hC\Tc5*d PQuIWUa2`s81_*G^G+e5bZon*;’FWNh+T^_S(Z%+)m@0AUJ*[_;B[/S1K00/0VQSBQGTEOeK*pm 2′],LlF:»u2lX@ «7$ s@u7emE:kO5,9:X]nH@2Lje Y5r#m»Slb8K/=$@H>)Q:V2&3oaZ8″I#e:ID’-p’3)hJ2l»8VbtprI\A,[M?QXirdi-I[=`3I*pc =:n:EiSGckUBo&BRbDf8&»2*eD@ P %.Z_+K2_qe2’eLSLYPOoL#-I9pK>uOW=9IFG -q*:’6X5 #&+l!#+iL=`qLpgF1(s=Ii@l$V8%»\I]q2gL&Cj3$ja@gMO9k )k 407+Q2\fnmX)=UA0J&N8:S_c=S6*% U9+2VJ&t:GrCML\ `!&:k\’c?bc]lUb(]r%k’)6J-*k «k4Qg!PcF_u:%/kr\_p’J5>k#8 Mkb3pZ%&\G:G9N\c%5»!n^RQOhKKH,E:nS8/fDUDKAQV8*:^aH3/HbiH]OF#WaOauaWSD)]R9e@ 1s@9@TQbn-1@MOMATW+r7KM&O;Pi5?!qX&8″ejc@]rC&r\d«j]^ZsYDCHIlSY»R$SJ3’^0J’,0 0j3P=%WlusTR4m*SiX+-40!7]DC#e=fR(tL$nI&6b#W,85″mGfJChmh_HLBA0LrWX(b6kb;Sa^p #l-fYb,c4U#*hr[;5mO-MH(6′;WS@»LZBj@kONl:WoI6NZV»LK1ab 2H!`#4( :rB@@l-[n55p:SDH;([hX_PGQ\I[`4>G.6.GCVP3Wu22-G2;;X53sGGEU:-GgpF`a[_#^HE’sKS ,1NjDQi;.T]S?]-E@rr]JSaXf*&ZmKVQ*41s!DM’aeK[P*77FZ*!PU()eM»+T.+GFQd\R8TVWep R A9dRc\f0.W6PjdoHX9>Im&BE?S AXsr];:`SYig`PW%T(!_*28$FdJlH2Q;%(gR#D7cI’e,1NBsoV lBabN:N’IPgl_#2kk»I!rb*Q:&Sb[_BK7X\/4k=*=AkJl*2rK%/QhX`L)87r»bF6K[&AFSF5J0e 8R;>tGsQjd6!_[LPFEpXr*ZY/(Y5%bq;4;N1O[nD]%3&Ss(8cl%R3P:C7o?»d’]I0T2aBV\7,MW BPQs6Ta ,ZM»In$u?=Al!P2f(#_^kksV2_pZFb’j54X $G0’LO_JNOF]lh 7YVmI)Cr?/j#nVS,’9:U’2TB’lE@A&n8HR?2/?o0[k8$`g3!n%D_3ZF1p\>gM>G/iFK.MV\(A#q MN2g(IhS;_nS%4T’Nq!\SD’RgQ.hkieu`_=DY$a*gO@T5?gZb;hsTC`hs]am_#3>IEb^s@YC:(( :_R.CJ+[s,Rd6W»J$cb0h&?-F@»C1sEm$o’741″FqU$LkFtm+]V8r]e!%@q_-6s*»#NWXNoI!1Z LW#ok+TDbD-QilF*i>/NX`n#U7osM`;PE,Yap6o@j^SLg>d-%dcCC4OlS$GHWS2@tPl3HG9s#!9 Di>/nr[UM]6M_(cmic[E3E*(CHsMbI>LoH);%22Lcr`rI2:8fk$5H7N]lm+,MJ/^e%N’_q;>`em 7sN9>»J>aJ5QR(5hDOr6FgO:27gB`0)\a7Nnu9_>IeJ^aJrc!0_,_;ld=0$=KB1#7(o.aWjT%bF (!dnSEIo$4K[b5m^’ZlpijYoGe7IX-e;W?#We%a+%^JrOaX!:+OPtR&Sb»SVcH.%eMgXkG!6;1b 1iagb2mT)k3H2at.206t\(*l’&#r@f6#6Q:Ti(85pmZNPGN[5^MD!>’C,hIk@>.W;VaeX&.rN>W :cLim6o I)1pCMB*»&!f»MT`cJ@HV3bCYGZ0lJV _Cj) &_:JnW^VhX0rGB./abQ.»BQp^_ZN#K_BUA(COVm+Wq:’3h q7rDUBih([>4ACC%jZ6W&stB$5cFoj%YH-L3W5ZZ2)TIN6*1p1F-uh.FAbU8E[L]HDHC8s&RIQ? KOktO%a,m_OZ8Ih «NkjH N4PsAC7ILeCBCQPLd)ml_D(]M7Z>8=PjOeOaVoK/m)AhRDW.s kSZcVgk=GP%buu’@ic0?j8mcTcC.6(1u(]C*]jNch+H/u@$jNqiNpK%!.FF!ZR>9XoJ5>O.d&%E f.sX8Y-(UE2&0tC]M#qF:»6Z: [(60>Pk^hQc3M3>UFf\N!B]$ ckWi)EGp)g — .uS9X?PsT>@N 0]@^n ^:V2JEAP6RA.33?%]A,SG_n:06se`X&Eaq(B%’&J&Gm5P[gFmsBO-Fa)TWVH:U=LV’c5b GAcNFJT9L-q?U7g7 M- ld>*U(htYtC2gi8\/4s,DUQ*’l2a0>5EQObNGQsonCKG*’LnfDQrC&-KL(C`5@F=efk`>ZAQ)%Q \CnC0fP>#W:A\HtLej$22k$0Y!nX:`m$]?? QUC-=1[T\7h;kD6G[n7Cq8Hf7tIK.c@ RUf»7c]IiT2N88i»XgPSq=rVp?»5uB(aK9[2Nj-h/bXJ&PR^@E*V[E4HLPtNB#11CZ9.Wt,onaO :7 A!q?M3P8?%C^MXC5+hIGT-@+I_-L?
-
g»»!6KoY5dpAc%gppKD`E3P?’fJ8ZTZHEOWmgD,;iV)qV8d 8b(be&6#/0jZ’4R@_bk+`_0T8;V^eLn,Lg\=YHD!&Du$U]EN*XFTmG!d+#q;’sto?5s+Th,sNH^ !a&hHo<>Cs52t&bGUQT?\`S>l=W3XdYuhVl@kH*(X$7j3QOK0m+C\!jU»m2;?a?0jJrTMOEb79e MSQI>dJ’Znqn:TLhiXr*NL^ /ot qBs$VF@mXNLk# J&8:Wg9#5H3@B7QQe))e5S&6aB!Emo^LK^h\(cA!D^0$I W_*0Lr»mBo+Su~> endstream endobj 113 0 obj >stream PScript5.dll Version 5.2.2 Microsoft Word — Administrator endstream endobj 2 0 obj > endobj 114 0 obj > stream endstream endobj xref 0 115 0000000000 65535 f 0000042345 00000 n 0000357194 00000 n 0000042227 00000 n 0000040680 00000 n 0000000015 00000 n 0000005634 00000 n 0000042569 00000 n 0000195131 00000 n 0000208225 00000 n 0000199968 00000 n 0000306579 00000 n 0000201294 00000 n 0000333371 00000 n 0000201891 00000 n 0000346013 00000 n 0000202132 00000 n 0000349625 00000 n 0000196958 00000 n 0000258132 00000 n 0000191806 00000 n 0000202663 00000 n 0000184755 00000 n 0000186820 00000 n 0000188830 00000 n 0000189815 00000 n 0000190811 00000 n 0000183777 00000 n 0000185779 00000 n 0000187826 00000 n 0000042610 00000 n 0000042640 00000 n 0000040863 00000 n 0000005654 00000 n 0000008847 00000 n 0000042736 00000 n 0000079693 00000 n 0000060125 00000 n 0000045302 00000 n 0000045186 00000 n 0000045218 00000 n 0000045248 00000 n 0000091734 00000 n 0000041087 00000 n 0000008868 00000 n 0000016314 00000 n 0000193708 00000 n 0000203116 00000 n 0000198351 00000 n 0000274131 00000 n 0000091819 00000 n 0000091849 00000 n 0000041260 00000 n 0000016335 00000 n 0000019974 00000 n 0000091945 00000 n 0000129673 00000 n 0000092832 00000 n 0000092727 00000 n 0000092759 00000 n 0000092789 00000 n 0000170616 00000 n 0000041484 00000 n 0000019995 00000 n 0000023647 00000 n 0000170679 00000 n 0000170709 00000 n 0000041657 00000 n 0000023668 00000 n 0000030051 00000 n 0000192988 00000 n 0000170772 00000 n 0000170802 00000 n 0000041830 00000 n 0000030072 00000 n 0000035057 00000 n 0000170898 00000 n 0000173512 00000 n 0000173418 00000 n 0000173450 00000 n 0000173480 00000 n 0000183599 00000 n 0000042054 00000 n 0000035078 00000 n 0000040659 00000 n 0000183673 00000 n 0000183703 00000 n 0000203317 00000 n 0000208433 00000 n 0000258353 00000 n 0000274348 00000 n 0000306792 00000 n 0000333579 00000 n 0000346211 00000 n 0000349821 00000 n 0000192692 00000 n 0000193282 00000 n 0000193369 00000 n 0000193900 00000 n 0000194033 00000 n 0000195755 00000 n 0000196487 00000 n 0000197243 00000 n 0000197531 00000 n 0000198824 00000 n 0000199333 00000 n 0000200341 00000 n 0000200801 00000 n 0000201579 00000 n 0000202042 00000 n 0000202279 00000 n 0000202366 00000 n 0000203010 00000 n 0000355713 00000 n 0000357379 00000 n trailer ] >> startxref 357440 %%EOF
Преобразование электрической энергии в тепловую
Электрический нагрев является процессом получения тепловой энергии от химических элементов или приборов, с использованием внешней электрической энергии.
Электрическое устройство оснащено нагревательным элементом в виде резистора, который работает по принципу нагрева Джоуля, передавая тепловую энергию.
Еще несколько лет назад такая энергия едва ли нашла широкое коммерческое применение, однако сегодня она широко используется в различных отраслях.
Что такое преобразование электрической энергии в тепловую
Электрический ток представляет собой направленное движение электрических частиц.
При столкновении движущихся частиц с ионами или молекулами вещества кинетическая энергия движущихся частиц частично передается ионам или молекулам, вследствие чего происходит нагревание проводника.
Таким образом, электрическая энергия преобразуется в тепловую, которая тратится на нагрев провода и рассеивается в окружающую среду.
Скорость преобразования электрической энергии в тепловую определяется мощностью :
или, учитывая, что U = Ir, получаем:
P=UI=I 2 r.
Электрическая энергия, переходящая в тепловую,
Так как в системе СИ единицей количества тепла, так же как и единицей энергии, является джоуль, то выделенное в сопротивлении тепло :
Q = I 2 rt.
Полученное выражение, определяющее соотношение между количеством выделенного тепла, силой тока, сопротивлением и временем, было найдено в 1844 г. опытным путем русским академиком Э. X. Ленцем и одновременно английским ученым Джоулем.
Этот процесс сейчас называется преобразование электрической энергии в тепловую законом Джоуля-Ленца который гласит:
Количество тепла, выделенного током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения ток а.
Применение
Преобразование электрической энергии в тепло находит полезное применение в разнообразных нагревательных и осветительных приборах и устройствах.
В остальных приборах и устройствах преобразование электрической энергии в тепловую является непроизводительным расходом энергии (потерями), снижающими к.п.д. их.
Кроме того, тепло, вызывая нагревание этих устройств, ограничивает их нагрузку, а при перегрузке повышение температуры может повести к повреждению изоляции или сокращению срока работы установки.
Пример определения количество тепла, выделенное в нагревательном приборе
Определить количество тепла, выделенное в нагревательном приборе в течение 15 мин, если сопротивление прибора 22 ом, а напряжение сети 110 в.
Сила тока :
I = U : r = 110 : 22 = 5 a
Количество тепла, выделенное в приборе :
Q = I 2 rt = 5 2 • 22 • 15 • 60 = 49 500 дж.
Ответ: 49 500 дж.
Быстрые ответы?
Как происходит преобразование электрической энергии в тепловую?
За счет быстрого движения заряженных электрических частиц. Основной пример электроэнергии, который мы видим в нашей повседневной жизни, включает в себя все приборы, которые производят тепло при подаче электричества
Способы преобразования электрической энергии в тепловую?
Известно несколько способов преобразования электрической энергии в тепловую -сопротивлением, индукционный, дуговой, диэлектрический, термоэлектрический, электронный и световой (лазерный).
Какой закон используется при преобразовании электрической энергии в тепловую?
Похожие страницы:
РАБОТА И МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В замкнутой электрической цепи (рис.), состоящей из источника питания и приемника энергии, под действием э.
ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Если ток i в цепи, обладающей сопротивлением r и индуктивностью L, увеличивается пропорционально времени t, то i = Ʀt, где Ʀ — коэффициент пропорциональности. При.
ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях за счет преобразования какого-либо другого вида энергии. В СНГ большая часть.
ОБМЕН ЭНЕРГИИ У ЧЕЛОВЕКА Образование и расход энергии организмом человека Обмен веществ и обмен энергии являются по существу единым процессом.
Во время химических реакций происходит взаимное преобразование энергий – внутренней энергии вещества превращается в тепло, свет, электричество и движение, а.
Химические источники электрической энергии Химическими источниками электрической энергии это устройства, превращающие химическую энергию какой-либо реакции в электрическую. Для такого превращения.
Leave a Comment
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.
Превращение электрической энергии в тепловую
Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Преобразование электрической энергии в тепловую пли электронагрев имеет четыре основные разновидности, по которым классифицируются промышленные электропечи; 1) электронагрев через сопротивление; 2) дуговой электронагрев; 3) смешанный электронагрев; 4) индукционный нагрев.
Электронагрев металлургических печей имеет существенные преимущества по сравнению с нагревом в результате сжигания углеродистого топлива: возможность получения весьма высоких температур до 3000° и более при концентрации зон высоких температур в определенных участках рабочего пространства печей; легкость и плавность регулирования величины и распределения температуры в рабочем пространстве; чистота рабочего пространства и возможность избежать загрязнения его золой, серой, газами и различными примесями: низкие потерн металлов со шлаками, пылью, газами и вследствие угара; высокий термический к. п. д., достигающий 70—85%; малое количество газов и пыли; возможность комплексной механизации и автоматизации; культура и чистота рабочих мест; возможность применять любую газовую среду и вакуум.
К недостаткам электронагрева относятся: высокое потребление электроэнергии, значительно превосходящее потребление в других отраслях народного хозяйства, и конструктивное ограничение производительности и мощности для некоторых типов электропечей. в дальнейшем в связи с увеличением мощности и числа электростанций, снижением стоимости электроэнергии и увеличением мощности и производительности электропечей перечисленные недостатки утратят свое значение.
Общая активная, или ваттная мощность трехфазной электропечной установки Р определяется по формуле
Электронагрев через сопротивление
Этот тип электронагрева имеет несколько разновидностей. По способу выделения тепла различают косвенный и прямой нагрев; наибольшее значение и распространение в печной технике имеет косвенный нагрев, характеризующийся тем, что тепло выделяется в специальных нагревательных элементах (сопротивлениях) и передается от них к обрабатываемому материалу теплоотдачей. По температуре рабочего пространства печей различают нагрев; низкотемпературный в интервале 100—700°, среднетемпературный 700—1200° и высокотемпературный 1200—2000°.
При низкотемпературном нагреве весьма большое значение имеет теплообмен между нагревателем и материалом конвекцией, которая всемерно интенсифицируется принудительной циркуляцией с большими скоростями газа или воздуха внутри печен. При среднетемпературном и высокотемпературном нагреве, особенно при отсутствии принудительной циркуляции газов, основное количество тепла передается от нагревателей к обрабатываемым материалам излучением. Для электрических печей сопротивления высокотемпературный нагрев имеет лишь ограниченное значение.
Электронагрев сопротивлением нашел наибольшее применение для сушки и обжига материалов, нагрева и термической обработки металлов и сплавов, плавки легкоплавких металлов — олова, свинца, цинка, алюминия, магния и их сплавов, а также для лабораторных и бытовых нужд. Поскольку, однако, при косвенном нагреве размер нагревательных элементов увеличивается, а размещение их в рабочем пространстве печи оказывается затруднительным, верхний предел мощности электрических печей сопротивления ограничивают величиной 600—2000 квт.
Для нормального протекания процесса преобразования электрической энергии в тепловую и длительной устойчивой работы нагревательные элементы должны обладать следующими качествами: большим удельным электрическим сопротивлением, допускающим достаточное поперечное сечение элементов и ограниченную их длину; малым электрическим температурным коэффициентом, ограничивающим разницу в электрическом сопротивлении нагретого и холодного нагревателя, постоянством электрических свойств во времени; жаростойкостью и неокисляемостью; жаропрочностью, т. е. достаточной механической прочностью при высоких температурах; постоянством линейных размеров; хорошей обрабатываемостью материала (свариваемость, пластичность и др.). Этим требованиям наиболее удовлетворяют сплавы никеля, хрома, железа (нихром, фехраль и жаропрочная сталь), применяемые в электропечах сопротивления в виде проволоки или ленты, и углеродистые материалы, применяемые в виде угольных, графитовых или карборундовых стержней.
Определение размеров нагревательных элементов можно научно обосновать совместным решением двух основных уравнений, описывающих существо работы нагревателей — уравнения мощности и уравнения теплообмена. Поскольку нагревательный элемент является составной частью электрической цели, то для получения необходимой мощности он должен обладать определенными размерами и сопротивлением. С другой стороны, вся тепловая энергия, полученная в нагревательном элементе в результате преобразования электроэнергии, должна быть передана теплоотдачей к перерабатываемым материалам и футеровке печи, для чего необходимо иметь определенную поверхность, температуру и коэффициент теплоотдачи. Если теплоотдача нагревательного элемента не соответствует происходящему в нем тепловыделению — элемент будет перегреваться, а его температура может превысить допустимые для материала пределы, что приведет к разрушению нагревателя.
На основании решения уравнения мощности для нагревательных элементов любой формы и материала выведена общая формула
При расчете размеров нагревателя величина w должна точно соответствовать его удельной теплоотдаче, которую находят решением соответствующего уравнения теплообмена нагревателя, кладки и материала А.Д. Свенчанский проанализировал условия теплоотдачи для различных реальных нагревателей и составил графики и таблицы, с помощью которых можно находить величину w.
Дуговой электронагрев
Этот вид электронагрева применяется в высокотемпературных электрических печах большой мощности преимущественно для плавки различных материалов. Если дуга горит между электродом и перерабатываемым в печи материалом, то такие печи называются печами прямого действия с зависимой дугой: открытой — видимой (рис. 20, а) или закрытой — невидимой дугой, погруженной в слой шихты или расплава (рис. 20, б). Если дуга горит между электродами и непосредственно не соприкасается с перерабатываемыми в печи материалами и продуктами, то такие печи называются печами косвенного действия с независимой дугой (рис. 20, в). Наибольшим термическим к. п. д. обладают дуговые печи прямого действия, особенно с закрытой дугой, поскольку в них имеются наилучшие условия для теплообмена между дугой и материалом, позволяющие быстро и с ограниченными потерями тепла нагревать материал до весьма высокой температуры.
Дуговые печи прямого действия получили наибольшее применение для выплавки стали и ферросплавов, плавки и рафинирования меди и никеля и переработки различного рудного сырья. При плавке металлов или сплавов с высокой (металлической) электропровадностью можно работать только с открытой дугой, горящей на поверхности материала, так как погружение электродов в слой материала поведет к короткому замыканию. Работа с закрытой дугой возможна, когда перерабатываемые материалы и продукты имеют ограниченную (не металлическую) электропроводность. Дуговые печи непрямого действия применяются в тех случаях, когда соприкосновение перерабатываемого материала с дугой ухудшает качество продуктов или увеличивает потери, например при плавке некоторых цветных металлов и сплавов (латунь, бронза и др.). Следует особо подчеркнуть, что дуговой электронагрев в отличие от нагрева сопротивлением не имеет каких-либо ограничений по общей мощности печей.
Дуговой электронагрев слагается из процесса преобразования электроэнергии в тепловую, протекающего в горящей дуге, и процесса теплообмена между дугой, материалом и футеровкой. Описание закономерностей первого процесса является предметом так называемой теории дуги и особенно дуги переменного тока большой мощности. Значительный вклад в разработку теории дуги внесли В.В. Петров, В.Ф. Миткевич, С.И. Тельный, И.Т. Жердев, К.К. Хренов, Г.А. Сисоян и др. Вопросами теплообмена между дугой, материалом и футеровкой занимались Д.А. Диомидовский, Н.В. Окороков и др.
Электрическая дуга может быть получена при постоянном и переменном токе, но все промышленные печи работают обычно на переменном токе. Для устойчивого горения дуги и ограничения толчков тока при коротких замыканиях последовательно с ней в электрическую цепь включается индуктивное сопротивление, поглощающее небольшую долю активной мощности. При переменном токе в течение каждого полупериода напряжение сети и сила тока достигают максимума и проходят через нуль. На рис. 21, а показаны теоретические кривые мгновенного значения силы тока и напряжения дуги Iд и Uд и напряжения питающего источника Uист. Когда напряжение источника после перехода через нуль начинает расти, дуга зажигается только при достижении величины напряжения зажигания U1. С этого момента в цепи появляется ток, возрастающий по периодической кривой, отличной От синусоиды. Дуга затухает при напряжении затухания т. е. раньше перехода через нуль напряжения источника, и в этот момент прекращается ток. После перехода через нуль все описанные явления повторяются. Таким образом, ток в дуге идет прерывисто и дуга то зажигается, то погасает. Длительность перерывов в горении дуги зависит от многих факторов и, в частности, от материала электродов, степени разогрева печного пространства и др. Понятно, что прерывистая дуга снижает эффективность дугового нагрева и поэтому должны создаваться условия, обеспечивающие непрерывное горение дуги переменного тока. Основным средством для непрерывного горения дуги переменного тока является последовательное включение в цепь дуги индуктивного сопротивления, что видно из рис. 21, б и в.
Исследование дифференциального уравнения дуги переменного тока, имеющей в цепи активное и индуктивное сопротивления, определило соотношение величин индуктивного X и активного R сопротивлений, обеспечивающее непрерывное горение дуги при заданных напряжениях источника Uист и дуги Uд (рис. 22).
Эффективность дугового нагрева в весьма большой степени зависит от электрического режима горящей дуги и, в первую очередь, от величин напряжения и силы тока.
В настоящее время еще не создана научно обоснованная методика определения наивыгоднейшего напряжения для питания дуговых печей. Поэтому напряжение выбирают по данным заводской практики в пределах от 100 до 600 в, причем более высокое напряжение обычно принимается для дуговых печей большой мощности и для печей с закрытой дугой. Связь максимального рабочего напряжения Uлин и номинальной мощности печи Рном принято выражать эмпирической формулой
где k и n — эмпирические коэффициенты, имеющие различные значения в зависимости от типа печи и характера процесса. Например для дуговых сталеплавильных печей к = 15; n = 0,33. Работа на повышенном напряжении более рациональна, так как снижает потери электроэнергии и увеличивает длину и тепловое излучение дуги. Верхний предел напряжения (600 в) обусловлен в основном условиями электрической изоляции печи и безопасности обслуживающего персонала.
После определения величины напряжения выбор других показателей электрического режима электропечной установки с дуговым нагревом — оптимальной силы тока, cos φ и к. п. д. — производится по ее рабочим характеристикам. Рабочие характеристики дуговых печей нaxодят построением круговых диаграмм: для действующих заводских печей снимают с натуры, для вновь проектируемых печей — по расчетным данным.
Для теории дугового нагрева и расчета дуговых печей весьма большое значение имеет процесс теплообмена между горящей дугой и перерабатываемыми в печи материалами. Однако теория теплообмена в рабочем пространстве дуговых печей находится еще в начальной стадии своего развития и требует дальнейшей углубленной разработки.
Смешанный электронагрев
- Разновидность процесса сжигания топлива
- Теория горения топлива
- Тепловой баланс и к.п.д. металлургических печей
- Теплообмен в металлических печах различных типов
- Виды теплообмена