Электрический нагрев проводников, диэлектриков и полупроводников

ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА»

Е.Н. Живописцев, А.М. Глушков, И.В. Юдаев

Основы Электротермии

Курс лекций

Волгоград 2009

УДК …

ББК …

ГЮ …

Юдаев, И.В.

ГЮ … основы электротермии: Курс лекций / А.М. Глушков, Е.Н. Живописцев, И.В. Юдаев; Волгогр. гос. с.-х. акад., Волгоград, 2009. … с.

ISBN ………………………..

В учебном пособии представлены общие закономерности преобразования электрической энергии в тепловую, а также методы расчёта, выбора и область применения электротермического оборудования, используемого в сельскохозяйственном производстве.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» и бакалавров, обучающихся по направлению 110300 «Агроинженерия».

УДК ………………….

ББК ……….

Рецензенты: ………………………………………

©

Авторы-составители:

Глушков А.М., Живописцев Е.Н.,

Юдаев И.В., 2009

©

Волгоградская государственная

ISBN ……………… сельскохозяйственная академия, 2009

Введение

Курс «Основы электротермии»ставит своей целью ознакомление студентов факультета электрификации сельского хозяйства, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 110300 «Агроинженерия» и инженеров по специальности 110302 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», с общими закономерностями преобразования электрической энергии в тепловую, а также методами расчёта, выбора и применения электротермического оборудования, используемого в сельскохозяйственном производстве.

Раздел 1. Общие вопросы применения в сельскохозяйственном производстве и основы теории электрического нагрева

1.1. Электротермия и сельскохозяйственное производство

Электротермия (от электро... и греч. thérme - жар, тепло) – прежде всего, это:

– прикладная наука о процессах преобразования электрической энергии в тепловую;

– раздел электротехники, рассматривающий задачи проектирования, изготовления и эксплуатации электротермических установок;

– отрасль энергетики, охватывающая вопросы потребления электрической энергии для нагрева, фазового преобразования материалов и т.п.;

– совокупность технологических процессов с использованием теплового действия электрической энергии в различных отраслях народного хозяйства.

В зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую различают нагрев: сопротивлением, дуговой, индукционный, диэлектрический, электронный, излучением оптического квантового генератора (лазера), плазменный, термоэлектрический.

Понятие «электротермические установки» включает следующее электротехнологическое оборудование: электрические печи, плазменные реакторы, нагревательные установки, приборы промышленного, коммунального и бытового назначения и т.п. Применение электрической энергии для генерирования теплоты обеспечивает возможность высокой концентрации энергии, вследствие чего могут быть получены высокая температура, недостижимая при других способах теплогенерации; создание большой скорости нагрева и как следствие компактности конструкции электротермических установок; регулирование температуры и её распределения в рабочем пространстве электротермической установки, что позволяет осуществлять равномерный нагрев в большом объёме материалов и изделий (при прямом электронагреве) или избирательный нагрев (при поверхностной закалке, при зонной плавке), создавая при этом благоприятные условия для автоматизации теплового и технологического процессов; создание в рабочем пространстве электротермических установок вакуума, что позволяет использовать давление как фактор регулирования параметров технологического процесса (вакуумные или компрессионные электрические печи), применять контролируемые (инертные или защитные) зоны для защиты нагреваемых материалов и изделий от вредных воздействий воздуха (в частности, уменьшение угара); отсутствие дымовых газов (продуктов сгорания топлива), что позволяет увеличить коэффициент использования теплоты – КПД электротермических установок, обуславливая чистоту их рабочих поверхностей.

Интенсивное и широкое развитие электротермии сдерживается недостатками, присущими этому способу генерации теплоты: более высокая стоимость изготовления, комплектации и эксплуатации электротермических установок по сравнению с другими типами нагревателей и печей; повышенные требования к технической культуре производства; большой расход дорогих и дефицитных материалов на изготовление электротермического оборудования; меньшая надёжность, долговечность и ремонтопригодность электротермических установок; зависимость работы электротермической установки от режима работы энергосистемы.

Электротермические установки применяют в тех случаях, если:

- технологический процесс нельзя осуществить без электротермии (в этом случае целесообразность определяется технологическими требованиями и качеством получаемой продукции, как в промышленности, так и в сельском хозяйстве);

- можно получить продукцию более высокого качества;

- улучшаются условия труда, повышается безопасность обслуживающего персонала;

- достигается снижение себестоимости (благодаря более высокой производительности труда) или уменьшение капитальных затрат, включая затраты в смежных отраслях производства.

На долю электротермии приходится до 15% от всей потребляемой промышленностью электрической энергии. На базе электрического нагрева созданы и развиваются производства специальных сталей, ферросплавов, цветных и лёгких металлов и сплавов, твёрдых сплавов, редких металлов, карбида кальция, фосфора и других продуктов; осуществляется обработка металлов давлением и их термическая обработка.

Агропромышленный сектор представляет собой крупного потребителя тепловой энергии, основная часть которой тратится на различные технологические нужды. Низкотемпературный электронагрев является наиболее распространенным в сельском хозяйстве. Однако задача использования электроэнергии для теплофикации технологических процессов в сельскохозяйственном производстве и быту, на сегодняшний день остается одной из наиболее актуальных.

Сельскохозяйственным предприятиям как объектам теплоснабжения присущи характерные особенности, к которым в первую очередь следует отнести:

- низкую плотность тепловых нагрузок и большая рассредоточённость потребителей, что обуславливает широкое распространение децентрализованных систем теплоснабжения от топливных котельных, обладающих целым рядом известных недостатков – большие транспортные расходы на доставку топлива, потери топлива при транспортировке и хранении, значительные затраты ручного труда на обслуживание большого количества маломощных топливных установок по причине сложности автоматизации, “перетопы” в связи с недостаточной гибкостью топливных установок и неполным сгоранием топлива из-за плохого состояния оборудования и частым применением низкокалорийного топлива (бурый уголь, дрова и т.п.), что снижает КПД топливных установок до 0,08...0,15 вместо расчетных – 0,35...0,5;

- большую неравномерность нагрузки и малый коэффициент использования её максимума, что сопровождается перерасходом топлива в периоды провалов нагрузки;

- для нормального содержания и развития животных, птиц и растений не допустимость резких колебаний параметров микроклимата.

В сельскохозяйственном производстве большинства развитых стран электроэнергия широко используется в качестве источника тепловой энергии. Так, например, к началу 70-х годов на тепловые нужды производства и быта приходилось в Австрии - 40%, в Германии - 55%, в США - более 50% от общего потребления электроэнергии сельским хозяйством. Причем удельный вес электроэнергии, используемой на электротеплоснабжение, продолжает расти быстрыми темпами и составляет в настоящее время существенную часть энергетического баланса и даже оказывает существенное влияние на экономику этих стран.

Существующая тенденция возрастания энергоемкости сельскохозяйственной электротермии является отражением более общих процессов, происходящих в мировой практике. Потребность в энергоресурсах удваивается через каждые 10…15 лет. Рост производства сельхозпродукции сопровождается возрастанием энергоемкости технологий её производства. Так, прирост продукции на 1% требует увеличения расхода энергоресурсов на 2…3%. Такой рост энергозатрат характерен и пока неизбежен для всех промышленно развитых стран, несмотря на предпринимаемые меры по их минимизации. Например, в XX веке удвоение урожаев в США сопровождалось десятикратным повышением расхода энергии.

Уровень развития электротеплоснабжения сельского хозяйства нашей страны также достаточно высок. Так, удельный вес электронагрева в общем потреблении электроэнергии агропромышленным сектором увеличился с 15...20% в 1975 году до 31 % в 1993 году. Основными потребителями энергии являлись и являются системы, обеспечивающие оптимальную среду обитания животных и технологические процессы, связанные с содержанием, кормлением, уходом за животными и первичной обработкой производимой ими продукции. Они составляют основную долю в общих энергозатратах. На ферме с поголовьем 1200 коров установленная мощность технологического оборудования составляла в 80-х годах 21,3%, централизованное отопление и горячее водоснабжение - 28%, электрокалориферы в системах вентиляции - 46,4%, то есть большая часть энергобаланса приходилась на тепловые процессы. По данным ВИЭСХ в общем балансе энергии, затрачиваемой на получение сельскохозяйственной продукции в расчёте на одного человека, доля тепловой энергии составляет до 90%. Из общей потребности сельского хозяйства страны в различных видах энергии на долю тепловой приходится порядка 65%.

При этом быт сельского населения в качестве объекта электротеплоснабжения длительное время серьёзно не рассматривался и это привело к тому, что электропотребление сельским жителем в 2 раза ниже, чем городским. В то же время в середине 90-х годов в сфере быта и услуг потреблялось уже 40% электрической энергии, и такая тенденция позволяет характеризовать быт сельского населения как чрезвычайно перспективную область применения электротеплоснабжения.

Широкое применение электроэнергии для электрификации тепловых процессов сдерживается недостаточной мощностью электрических станций и пропускной способностью сельских сетей, ограниченной номенклатурой и объемом выпускаемого электротермического оборудования, а также не всегда грамотным решением вопросов применения электрического нагрева, что не позволяет получить от электронагрева максимальный экономический эффект. Например, одно из главных преимуществ электрической энергии – ее делимость и способность передаваться на большие расстояния – сводится к минимуму применения электрокотельных. Мощные централизованные электрокотельные были в середине 80-х годов призваны заменить котельные, работающие на жидком и твердом топливе. Подобное строительство сопряжено с дополнительными затратами на возведение трубопроводов, их теплоизоляцию, с дополнительными потерями тепла, то есть, связано с недостатками, присущими обычным схемам теплоснабжения. Более целесообразно превращать электрическую энергию в тепловую децентрализовано, максимально приблизив этот процесс к потребителю.

До недавнего времени считалось, что электронагрев сопровождается перерасходом энергетических ресурсов из-за потерь при двукратном преобразовании энергии топлива (сначала в электрическую на электростанции, а затем в тепловую в электротермической установке). Однако в результате всесторонних исследований установлено, что при электронагреве первичные энергоресурсы, наоборот, часто экономятся.

Вообще, масштабы использования электрической энергии для теплоснабжения меняются во времени. Для каждого этапа развития науки и техники, электротехнической промышленности, энерго- и электроснабжения существует наиболее эффективный оптимальный уровень электрификации тепловых процессов в сельском хозяйстве. Этот уровень для конкретного отрезка времени определяется на основании технико-экономического расчета с учетом сложившихся цен.

При этом в круг вопросов, которые должны решаться при выборе оптимального варианта электротеплоснабжения, кроме традиционных технологических, технических и экономических, входят также вопросы, связанные с изменением качества и количества производимой сельхозпродукции при различных системах теплоснабжения. Кроме того, необходимо учитывать технологические, социальные и экологические аспекты широкой электрификации тепловых процессов в сельском хозяйстве.

Повышается продуктивность животноводства и птицеводства, снижение падежа животных и удельного расхода кормов. При технико-экономическом сравнении вариантов теплоснабжения необходимо учитывать эффект, который дает более “гибкий” энергоноситель - электричество. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации электроотопительных установок показывает, что использование электрической энергии позволяет с большой точностью поддерживать необходимые микроклиматические условия в помещениях, на 15...20% увеличить суточные приросты массы при откорме скота, снизить на 20...25% расход кормов, снизить на 10...15% - падеж молодняка и увеличить на 30% яйценоскость кур, быт сельских жителей приближается к городскому с точки зрения повышения комфортности, уменьшения трудозатрат и зависимости от особенностей традиционных систем теплоснабжения. При этом высвобождаются работники, обслуживающие мелкие котельные и огневые установки; благотворно влияет микроклимат на строительные конструкции животноводческих помещений, на технологическое, электросиловое и осветительное оборудование;

Использование тепловых нагрузок в качестве потребителей-регуляторов электрических графиков нагрузки является чрезвычайно эффективным. В сельском хозяйстве коэффициенты использования установленной мощности и коэффициенты заполнения суточных графиков весьма низки как в зимнее, так и в летнее время. Применение электрической энергии в тепловых процессах способствует выравниванию общего электропотребления хозяйств и лучшему использованию электросетевого оборудования, тем более что инструкция №127 от 26.01.93 «О порядке согласования применения электрокотлов и других электронагревательных приборов» устанавливает, что электрические нагревательные установки должны работать, как правило, в часы провалов графиков нагрузок энергосистемы, в основном в ночное время, и комплектоваться тепловыми аккумуляторами.

При электротеплоснабжении уменьшается стоимость передачи электрической энергии от районной подстанции к потребителю с увеличением электропотребления в хозяйствах.

При обслуживании централизованных систем электротеплоснабжения значительно снижается трудоемкость по сравнению с обслуживанием индивидуальных и групповых систем.

Фондоотдача, для электроотопительного оборудования в сельском хозяйстве в 2…3 раза выше, чем другого какого-либо.

Электрический нагрев проводников, диэлектриков и полупроводников

Хорошо известно из курсов электрофизики, теоретической электротехники и электротехнических материалов, что все материальные объекты с точки зрения их электрофизических свойств разделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы).

Проводниками называют тела, в которых могут быть созданы электрические токи проводимости. Типичные проводники – это металлы. Основная особенность проводников заключается в наличии в них свободных зарядов (электронов), которые участвуя в тепловом движении, сталкиваются друг с другом и другими частицами вещества, отдают последним энергию, приобретаемую при движении в электрическом поле, и при этом перемещаются по всему объему проводника. Для поддержания движения зарядов в проводниках должно существовать электрическое поле, которое при движении зарядов совершает работу. Движение электронов сопровождается их соударениями с положительными ионами решеток металлов, вследствие этого можно констатировать, что все проводники обладают сопротивлением электрическому току. То есть нагрев проводника происходит протекающими по нему токами проводимости.

Рассмотрим сущность преобразования электрической энергии в тепловую в проводниковых материалах.

Определим энергию, выделяющуюся в проводнике с удельной проводимостью γ, по которому протекает ток I (рис. 1.1). Для этого выделим в проводнике бесконечно малый цилиндрический объем dV=dl·dS с основаниями dS, которые являются потенциальными и находятся на расстоянии dl одно от другого.

Рис. 1.1. Проводник в электрическом поле

Если ток, протекающий через основание элемента объема dI=j·dS, а разность потенциалов между торцами рассматриваемого объема dU=E·dl, то энергия, поглощаемая за единицу времени:

. (1.1)

Энергия, выделяемая в единице объема за единицу времени:

, (1.2)

где ρ – удельное электрическое сопротивление проводника, Ом·м.

Энергию, выделенную в единице объема за единицу времени, называют удельной мощностью.

Равенство (1.2) является аналитическим выражением закона Ленца-Джоуля в наиболее общей дифференциальной форме и может быть применено для любых проводников независимо от их формы и размера.

Пользуясь выражением (1.2), можно определить мощность, поглощенную в проводящей среде объемом V:

. (1.3)

Если в рассматриваемом объеме ρ=const и j=const, то:

. (1.4)

Полученное уравнение называется законом Ленца-Джоуля в интегральной форме и определяет количество теплоты, выделяющейся в проводнике при протекании электрического тока.

Диэлектрики – это материалы, не проводящие электрический ток, то есть изоляторы. В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического материала появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле, которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика, оказывается по модулю меньше внешнего поля. Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем больше ослабляются в нем поле электрического заряда и диэлектрическая проницаемость данного вещества.

Относительная диэлектрическая проницаемость равна:

, (1.5)

где Е₀, Е – напряженность электрического поля в свободном пространстве и в диэлектрике, В/м.

Поляризация твердых и жидких диэлектриков может значительно ослаблять поле электрических зарядов, то есть диэлектрическая проницаемость может быть много больше единицы.

В диэлектриках электрическая энергия в тепловую преобразуется иначе. Для того чтобы разобраться в этом преобразовании рассмотрим электромагнитные процессы в плоском конденсаторе, подключенном к зажимам генератора переменного тока. Пусть разность потенциалов или напряжение между обкладками изменяется во времени τ по гармоническому закону с угловой частотой ω и пространство между обкладками заполнено веществом с диэлектрической проницаемостью ε (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Диэлектрик в электрическом поле

Под влиянием переменного электрического поля в диэлектрике поляризация происходит то в одном направлении, то в другом. Это непрерывное смещение заряженных частиц представляет собой электрический ток, называемый током смещения, который не совпадает по фазе с напряжением прикладываемом к диэлектрическому образцу. При поляризации некоторых видов, например, электронной, заряженные частицы диэлектрика под действием электрического поля смещаются без всякого запаздывания. При этом наибольшее смещение наблюдается тогда, когда напряжение проходит через нулевое значение, поскольку в этот момент поляризация происходит более интенсивно. Таким образом, ток смещения в диэлектрике опережает напряжение на четверть периода, или на 90° (рис. 1.3, а), и поляризация не сопровождается затратой энергии:

. (1.6)

При дипольной поляризации других видов частицы диэлектрика смещаются с запаздыванием по отношению к напряжению, приложенному к диэлектрику, а ток смещения опережает вектор напряжения на угол φ<90° (рис. 1.3, б). В полном токе появляется составляющая I_а, совпадающая по фазе с приложенным напряжением. Это явление обусловлено тем, что внутренние силы, действующие между частицами, препятствуют их ориентации в направлении электрического поля. На их преодоление требуется затрачивать электрическую энергию, которая выделяется в виде теплоты в диэлектрике:

. (1.7)

А) б)

Рис. 1.3. Векторные диаграммы для диэлектриков с электронной (а) и дипольной поляризацией (б)

Угол δ, называемый углом потерь диэлектриков, дополняет угол φ до 90° и характеризует поглощенную электрическую энергию, обращаемую в теплоту. Тогда выражение (1.7) можно записать в виде:

. (1.8)

Токи смещения I_см и полный I связаны соотношением:

. (1.9)

Ток смещения:

. (1.10)

где ω – угловая частота, 1/с; С – емкость конденсатора, Ф.

Емкость рабочего конденсатора:

, (1.11)

где S – площадь пластин конденсатора, м²; ε – диэлектрическая проницаемость материала, Ф/м; d – расстояние между пластинами, м.

Диэлектрическая проницаемость материала, размещенного между пластинами конденсатора:

, (1.12)

где ε₀ – диэлектрическая постоянная, Ф/м (ε₀=8,85·10^-12 Ф/м); ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость материала.

С учетом того, что ω=2πf, а также формул (1.9) и (1.10) выражение (1.8) можно записать как:

, (1.13)

или

, (1.14)

где E=U/d – напряженность электрического поля в диэлектрике, В/м; V=S·d – объем диэлектрика, м³.

Если мощность отнести к единице объема материала, то равенство (1.14) можно переписать:

. (1.15)

Выражение (2.15) связывает количество выделяющейся теплоты за единицу времени в единице объема диэлектрика, параметры электрического поля (f и E) и материала (ε_r и tgδ). Чтобы повысить удельную мощность, применяют высокие частоты и большие напряженности электрического поля, предельные значения которых ограничиваются пробоем (разрушением) диэлектрика.

Полупроводники – вещества, занимающие среднее положение между диэлектриками с электронной проводимостью и диэлектриками как по значению удельного сопротивления, так и по характеру действия их ионов на электроны, движение которых под действием внешнего электрического поля создает электрический ток.

В полупроводниках электроны связаны с ионами вещества достаточно сильно, но все же слабее, чем в диэлектриках. Поэтому тепловое движение нарушает связь части электронов с ионами и эти электроны становятся свободными, то есть под влиянием электрического поля они способны создавать электрический ток. Чем интенсивнее тепловое движение (чем выше температура полупроводника), тем большее число электронов теряет свою связь с ионами и участвует в образовании электрического тока. При этом сопротивление полупроводника уменьшается.

В полупроводниках наряду с электронной проводимостью имеется и дырочная. Преобладание проводимости того или другого типа зависит от наличия в проводниках различных примесей.

В полупроводнике, помещенном в электрическое поле, наряду с током смещения возникает и ток проводимости, который совпадает по фазе с напряжением и, следовательно, вызывает дополнительные затраты энергии электрического поля, преобразующиеся в теплоту. Векторная диаграмма в этом случае подобна диаграмме для диэлектрика, но угол δ имеет большее значение, а, следовательно, активная составляющая тоже больше.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: