Способы электрического нагрева сопротивлением

В технологических процессах широко используют электронагрев сопротивлением, при котором электрическая энергия преобразуется в тепловую непосредственно в проводящей среде или проводнике, включённых в цепь электрического тока.

В электротермических установках низкотемпературного нагрева (до 673…873 К) теплообмен происходит в основном за счёт теплопроводности и конвекции. Такие установки применяют для нагрева воздуха, воды, для сушки с.х. материалов и других процессов.

Электротермические установки средне – и высокотемпературного нагрева используют для закалки, отжига, термической обработки металлов и т.д. В этих установках температура нагреваемого материала или среды может достигать 1473…1523 К, а процессы теплообмена осуществляются за счёт конвекции и излучения.

Количество теплоты, выделенное в любом проводнике или среде, зависит от квадрата силы тока I, сопротивления материала R и времени нагрева τ и определяется по закону Ленца-Джоуля:

. (3.1)

Электронагрев сопротивлением – наиболее простой и экономичный способ преобразования электрической энергии в тепловую. По виду нагрева различают прямой и косвенный.

Прямой нагрев сопротивлением применяют для электропроводящих сред и материалов. Нагрев осуществляется за счёт прохождения электрического тока непосредственно через нагреваемую среду или материал (деталь).

Прямой нагрев сопротивлением металлических тел назывют электроконтактным, а проводящих материалов, обладающих ионной проводимостью – электродным.

Косвенный нагрев сопротивлением используют для проводящих и непроводящих материалов. При этом он осуществляется за счёт теплопроводности, конвекции и излучения от специальных нагреваемых элементов при протекании по ним электрического тока.

Рис. 3.1. Схемы электронагрева сопротивлением:

а – электроконтактного; б – электродного; в – косвенного (элементного); г – нагрева в электролите; 1 – нагреваемое тело; 2 – зажимы (контакты); 3 – нагревательный трансформатор; 4 – электроды; 5 – электронагреватель сопротивления; 6 – пузырьки газа.

Электрическое сопротивление проводников

В зависимости от характера свободных электрических зарядов принято различать проводники первого и второго рода. Под действием электрического поля в проводниках первого рода (металлы) свободные заряды (электроны) направленно перемещаются. В проводниках второго рода (электролиты) под действием электрического поля перемещаются ионы.

Проводники I и II рода характеризуются различной способностью проводить электрический ток. Сопротивление проводника, Ом, сечение которого по всей длине постоянно:

, (3.2)

где r – удельноеэлектрическое сопротивление материала проводника, Ом·м; l – длина проводника, м; S – площадь поперечного сечения проводника, м².

С увеличением температуры проводника возрастает и его сопротивление, которое определяется по формуле:

, (3.3)

где r₂₀ – удельное электрическое сопротивление при температуре 20⁰ С, Ом · м; a, b, g = const – постоянные коэффициенты.

При невысокой температуре (< 300⁰ С) можно записать:

. (3.4)

Удельное сопротивление электролитов (проводников II рода) зависит от степени диссоциации, которая зависит от природы и концентрации электролита. С повышением температуры она увеличивается, и, следовательно, изменяются удельное электрическое сопротивление и проводимость, которые можно определить по формулам (для a = 0,025 1/ºС):

. (3.5)

Электроконтактный нагрев

Электроконтактный нагрев связан с преобразованием электрической энергии в теплоту непосредственно в металлическом нагреваемом изделии (детали) и применяется для заготовок или деталей из чёрных и цветных металлов, термической обработки (закалка, отпуск, отжиг), а так же контактной электрической сварки давлением.

Электроконтактный нагрев деталей простой формы (валов, осей, лент) (рис. 3.1) применяют, если необходимо их подвергнуть последующей термической и механической обработке. Деталь (заготовку) 1 включают в электрическую цепь и нагревают протекающим по ней электрическим током. Так как сопротивление детали мало, то, согласно уравнению (3.2), для нагрева необходим ток большой силы, который подводят к ней при помощи массивных медных или бронзовых зажимов (контактов) 3 и 4, подключенных во вторичную обмотку понижающего трансформатора 2.

Рис. 3.2. Простейшая схема установки для электроконтактного нагрева

Количество теплоты при электроконтактном нагреве, выделяемое в единицу времени, т.е. мощность:

. (3.6)

Так как сопротивление металлических тел с хорошей проводимостью небольшое, для прямого их нагрева требуются значительные токи (сотни и тысячи ампер) при напряжении всего U = 5…25 В. Поэтому для этих целей применяют переменный ток благодаря относительной простоте получения низкого напряжения. Но при протекании переменного тока у металлических деталей проявляется поверхностный эффект, заключающийся в неравномерном распределении плотности тока по сечению проводника, которая экспоненциально уменьшается по направлению к его оси, т.е.

, (3.7)

где j_x – плотность тока в слое проводника на расстоянии x, м, от поверхности, А/мм²; j_m – плотность тока в слое проводника на поверхности проводника, А/мм²; Z₀ – эквивалентная глубина проникновения тока, м.

При глубине проникновения тока х = z₀ , считается, что в этом слое выделяется около 90% общего количества теплоты.

Эквивалентная глубина проникновения тока – расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока в е = 2,71 раза меньше, чем на поверхности

, (3.8)

где m_r – магнитная проницаемость материала проводника.

Если нагрев осуществляется на частоте ¦ = 50 Гц, то

. 3.9

Для каждого металла эквивалентная глубина проникновения тока z₀ имеет своё значение.

Для сквозного нагрева принципиально может быть использован так же и постоянный ток.

Можно выделить следующие преимущества электроконтактного нагрева: высокую производительность при малых габаритах установки; практическое отсутствие потерь металла на окалину; увеличение срока службы оборудования для обработки металлов давлением, на износ которого серьезно влияет наличие окалины; не ограниченную температуру нагрева, ввиду отсутствия нагревателей; малые тепловые потери и возможность обойтись без футеровки; повышенную равномерность нагрева.

К недостаткам электроконтактного нагрева, в первую очередь, следует отнести: трудность в создании контактов, удовлетворительно работающих при высоких токах, а также трудность измерения и автоматического регулирования температуры.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: