ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЯ

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
ДОДАТКИ	СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	УКЛАДАЧІ

1. ЕЛЕКТРОТЕРМІЯ

1.2. Способи і пристрої перетворення електричної енергії на теплову

1.2.1. Загальні принципи перетворення електричної енергії на теплову

1.2.2. Класифікація електронагрівальних установок

1.2.3. Електронагрівання опором

1.2.4. Індукційне і діелектричне нагрівання

1.2.1. Загальні принципи перетворення електричної енергії на теплову

У матеріалах з поганою електропровідністю (діелектриках) під впливом електричного поля заряди, зв'язані міжмолекулярними силами, орієнтуються або зміщуються в напрямі електричного поля.

Зміщення зв'язаних зарядів під дією електричного поля називають поляризацією.

Рис. 1.2.1. Поляризація діелектриків

Якщо електричне поле змінне, то відбувається безперервне зміщення зарядів. Енергія електричного поля, яка витрачається на поляризацію молекул непровідникових матеріалів, виділяється у вигляді теплоти.

Розрізняють прямий і побічний способи електронагрівання. Під час прямого способу енергія електричного поля перетворюється на теплову безпосередньо в речовині, що нагрівається. Під час побічного способу електронагрівання енергія електричного поля перетворюється в теплову в спеціальних нагрівальних пристроях, а потім теплова енергія передається речовині, що нагрівається.

1.2.2. Класифікація електронагрівальних установок

Електронагрівальні установки класифікують за:

Ø РОДОМ СТРУМУ

ü постійного;

ü змінного.

Ø ЧАСТОТОЮ СТРУМУ:

ü низької (промислової) частоти – 50 Гц;

ü середньої – до 10 кГц;

ü високої частоти – понад 10 кГц.

Ø НАПРУГОЮ:

ü до 1000 В;

ü вище 1000 В.

Ø СПОСОБОМ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ НА ТЕПЛОВУ:

ü опором;

ü електричною дугою;

ü індукційним;

ü діелектричним;

ü електронним;

ü квантовим (інфрачервоний і лазерний);

Ø СПОСОБОМ ПЕРЕДАЧІ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ

ü прямого електронагрівання;

ü побічного електронагрівання;

Ø ТЕМПЕРАТУРОЮ:

ü низькотемпературні (температура середовища, матеріалу чи виробу не перевищує 400 °С);

ü високотемпературні (з температурою понад 400 °С);

Ø ПРИНЦИПОМ РОБОТИ:

ü безперервної дії;

ü періодичної дії;

В установках періодичної дії матеріал, що нагрівають, спочатку завантажують, потім нагрівають до певної температури і вивантажують.

В установках безперервної дії матеріал, що нагрівають, безперервно проходить через установку і нагрівається за період перебування в ній від початкової до необхідної температури.

1.2.3. Електронагрівання опором

Електронагрівання опором може бути прямим або побічним.

Пряме електронагрівання опором буває двох видів:

Ø електроконтактне – нагрівання провідників першого роду

Ø електродне – нагрівання провідників другого роду.

Провідники першого роду (метали, сплави, графіт) мають електронну провідність

Рис. 1.2.2. Виникнення струму у провіднику першого роду

Провідники другого роду (недистильована вода, молоко, соковиті і вологі корми тощо) – іонну провідність.

Рис. 1.2.3. Виникнення струму у провіднику другого роду

У твердих і рідких провідниках під час проходження по них електричного струму виділяється теплота, кількість якої визначається за законом Джоуля-Ленца:

де Q – кількість теплоти, Дж;

І ²– сила струму, А;

R – електричний опір, Ом;

t – час, с.

Рис.1. Метали можна нагрівати за допомогою електричного струму. Через контактні пристрої напруга подається до деталі, яка нагрівається під час протікання по ній струму. Такий нагрів отримав назву електроконтактного.

Рис.2. Для нагрівання електроліту електричним струмом до його об’єму, який знаходиться між електродами, підводять напругу. Під час протікання струму в електроліті виділяється теплота, яка і викликає його нагрівання.

Рис.3. Під час побічного нагрівання опором електричний струм проходить по спеціальному пристрою (з металу або сплаву) – нагрівальному елементі. У нагрівальному елементі енергія перетворюється в теплоту, яка передається матеріалу, що нагрівається.

ЕЛЕКТРОКОНТАКТНЕ НАГРІВАННЯ

1) пряме нагрівання металевих деталей не складної форми (валів, осей, труб, стрічок). Принцип цього нагрівання – деталь, ввімкнена в електричне коло вторинної обмотки знижувального трансформатора, нагрівається струмом, що протікає по ній. Застосування – прогрівання трубопроводів з метою розморожування, запобігання замерзання, підігріву циркулюючої рідини, розігрів заклепокрн.

video

не поддерживается вашим

Нагрівання заклепок і клепка фрикційних планок

Установка електроконтактного нагріву УЭК-01

2) електроконтактне приварювання застосовується для з’єднання металевих деталей шляхом прямого електронагрівання місць стикання до пластичного стану з послідуючим механічним здавлюванням. Розрізняють стикове, точкове і шовне контактне зварювання.

video

не поддерживается вашим

Розроблення і виробництво зварювального устаткування

Схема електроконтактного приварювання сталевої стрічки

1 – центр; 2 – відновлювана деталь; 3 – стрічка; 4 – ролик; 5 – трансформатор;

6 – переривник струму; Р– притискне зусилля

3) електроконтактне наплавлення застосовується при відновленні зношених металевих деталей.

video не поддерживается вашим

Електроконтактне наплавлення

Схема електроконтактного наплавлення

1 – силовий циліндр; 2 – ролик; 3 – металевий порошок або присадний дріт;

4 – деталь; 5 – шар, що наплавляється; Р – притискне зусилля

Основні переваги електроконтактного нагрівання:

1) цей спосіб більш універсальний, чим, наприклад, індукційний, де при нагріванні різних деталей щораз приходиться змінювати індуктор;

2) велика швидкість нагрівання (10...40 °С/с), що дозволяє одержувати більш якісну, в порівнянні з нагріванням у печах, структуру металу;

3) значно менше (у 9 – 10 разів) окислювання металу в порівнянні з печами опору.

Недоліки електроконтактного нагрівання:

1) можливість нагрівання тільки деталей простої форми;

2) необхідність у спеціальних нагрівальних трансформаторах на великі вторинні струми;

3) необхідність щораз затискати деталі, тому це нагрівання більш доцільне для дрібносерійного виробництва.

ЕЛЕКТРОДНЕ НАГРІВАННЯ

Для електродного нагрівання використовують тільки змінний струм, щоб уникнути електролізу, хоча при густині струму на електродах більшій від допустимої, він все ж може мати місце.

Найбільше поширення в сільському господарстві електродне нагрівання одержало у водогрійних і парових котлах.

Виготовляють електроди, найчастіше з металів (для технічних потреб – з конструкційної сталі, латуні; для технологічних – з нержавіючої сталі), але вони можуть бути і неметалевими (графітовими, вугільними).

Електропровідність води

Вода без домішок практично не проводить електричний струм. Її провідність при 20 °С складає біля 0,3×103 Ом-1×см-1 (для порівняння – провідність міді 0,6×106 Ом-1×см-1). Провідність “звичайної” води обумовлена наявністю розчинених в ній солей, кислот, лугів, молекули яких у воді дисоціюють на іони.

video не поддерживается вашим

Електропровідність дистильованої та бідистильованої води

1.2.4 Індукційне і діелектричне нагрівання

Індукційне нагрівання засноване на поглинанні електромагнітної енергії металевими тілами, поміщеними в швидкозмінне магнітне поле. Змінний струм, що протікає через котушку (на рис. коричнева), утворює електромагніте поле, яке, в свою чергу, за законом електромагнітної індукції генерує в робочій заготовці (синя) ЕРС, під дією якої в ній протікають вихрові струми, які нагрівають заготовку.

Рис. 9. Принцип індукційного нагріву

В залежності від цілей нагрівання, розміру тіл і властивостей матеріалу для індукційного нагрівання застосовують струми низької (промислової, 50 Гц), середньої (до 10 кГц) і високої (від 65 до 500 кГц) частоти. Фізична сутність нагрівання для всіх частот однакові.

Індуктори (індукційні нагрівники). Робочим органом установок індукційного нагрівання є нагрівальні індуктори, що створюють магнітне поле високої напруженості відповідної частоти. Виріб поміщають у змінне магнітне поле індуктора, який є первинною обмоткою повітряного трансформатора, а виріб – вторинною. Електромагнітна хвиля, випромінювана індуктором, падає на металеве тіло і, поглинаючись в ньому, викликає нагрівання. Ефективність нагрівання тим вища, чим ближче вид електромагнітної хвилі до форми поверхні, що нагрівається. Вид хвилі (плоска, циліндрична) визначається формою індуктора. Конструктивне виконання індукторів залежить від форми тіл, що нагріваються, цілей і умов нагрівання. Для нагрівання плоских поверхонь використовують плоскі індуктори, циліндричних виробів – циліндричні (соленоїдні) індуктори (рис. 9). Індуктори можуть мати складну форму, обумовлену необхідністю концентрації електромагнітної енергії в потрібному напрямку.

Рис. 10. Форми індукторів

Для створення полів високої напруженості по індукторах пропускають струми в сотні і тисячі ампер, а електричні втрати в ньому складають 25...30 % корисної потужності установки. З метою зниження втрат індуктори виготовляють з мідних трубок круглого чи прямокутного перерізу, з можливо малим активним опором. Незважаючи на це, вони все-таки інтенсивно нагріваються як власним струмом, так і за рахунок теплопередачі від виробів. Тому їх обладнують примусовим охолодженням, пропускаючи всередині них проточну воду.

Режими індукційного нагрівання. Основним параметром режимів індукційного нагрівання, є частота струму. Частота впливає на інтенсивність і характер нагрівання.

В залежності від застосовуваних частот умовно розрізняють два режими індукційного нагрівання: глибинний і поверхневий.

Чим вища частота, тим менша глибина проникнення струмів у метал і тонший шар, що нагрівається, і навпаки. На високих частотах здійснюють поверхневе нагрівання. Знижуючи частоту і збільшуючи тим самим глибину проникнення струму, можна здійснити глибинне чи навіть наскрізне нагрівання, однакове по всьому перерізу тіла. Таким чином, вибираючи частоту, можна одержати необхідний по технологічних умовах характер нагрівання і його інтенсивність. При цьому досягаються температури, достатні для плавлення самих тугоплавких металів.

Застосування індукційного нагрівання в сільському господарстві. У сільському господарстві застосовують пряме і непряме індукційне нагрівання (рисунок). Якщо задачею є нагрів труби, то це прямий нагрів, якщо пропустити всередині неї для нагріву рідину – це непрямий.

Рис. 11. Індукційний нагрів

video

не поддерживается вашим браузеро

Індукційний нагрів решт затовок діаметром 25 мм

ДІЕЛЕКТРИЧНЕ НАГРІВАННЯ

У діелектриках електрони і позитивні іони атомних ядер міцно зв'язані між собою внутріатомними і внутрімолекулярними силами і вільні електрони практично відсутні, тому в них практично відсутній струм провідності. Зв'язані заряди не можуть переміщатися під дією зовнішнього електричного поля, а тільки зміщуються на мікроскопічні відстані. Позитивні заряди, що входять до складу атомів і молекул, зміщаються в напрямку дії сил поля, а негативні – у зворотному напрямку. Зміщені заряди протилежних знаків утворюють електричні диполі. Процес зміщення зв’язаних зарядів в діелектриках під впливом електричного поля називають поляризацією.

Залежно від природи діелектриків розрізняють електронну, іонну, дипольну, релаксаційну, міжшарову і спонтанну поляризації, які відрізняються видом електричних диполів і характером їхнього зсуву в електричному полі.

Області застосування діелектричного нагрівання: сушка матеріалів (продукти і корми, зерно, чай, хміль, насіння трав, овочів, фруктів, деревини, паперу, кераміки тощо); нагрівання пластмас перед пресуванням; зварювання пластмас; сушка клейових швів; розігрів грунту; склеювання деревини, дезинсекції зерна, заморювання шовковичних коконів. Не менш важливе застосування СВЧ для пастеризації, стерилізації молока і молочних продуктів, фруктових і ягідних соків, у процесах консервування.

Установки діелектричного нагрівання складаються з робочого конденсатора (камери нагрівання), високочастотного генератора (лампового генератора, магнетрона) і апаратури керування.

Рис. 12. Діелектричне сушіння деревини

Переваги діелектричного нагрівання: висока швидкість нагріву; чистий безконтактний метод, що дозволяє проводити розігрів в вакуумі, захисному газі тощо; рівномірний нагрів матеріалів з низькою теплопровідністю; здійснення місцевого та виборчого нагріву та інше.

До недоліків діелектричного нагрівання варто віднести складність і високу вартість обладнання, більш високі (у багатьох випадках) питомі витрати електроенергії, необхідність у кваліфікованому обслуговуючому персоналі. Тому його застосування економічно доцільне там, де це веде до корінного удосконалення технології процесів і де високі капітальні й експлуатаційні витрати компенсуються підвищенням якості і збільшенням виходу продукції, значним ростом продуктивності праці.

Питання для самоперевірки

1. Які є способи перетворення електричної енергії в теплову.

2. Як класифікуються електронагрівальні установки?

3. Які є типи електродних систем?

4. Які принципи нагрівання опором існують?

5. Електроконтактний нагрів і його застосування.

6. Електродний нагрів і його застосування.

7. Чим відрізняються провідники першого і другого роду?

8. Застосування індукційного нагрівання в сільському господарстві?

9. Застосування діелектричного нагрівання?

Попередня тема

На початок

Наступна тема