Электронагрев сопротивлением. Косвенный нагрев

Косвенный электронагрев наиболее распространен в низко - и среднетемпературных процессах, а также в некоторых высокотемпературных процессах ремонтного производства и промышленности. При косвенном способе нагрева под действием электрического тока, протекающего по металлическому проводнику, последний нагревается и отдает свое тепло в окружающую среду путем теплопроводности, конвенции или лучеиспускания.

Надо иметь четкое представление, какими основными электрическими и физическими свойствами должны обладать проводниковые материалы, используемые для изготовления нагревательных элементов, и какие специальные сплавы наиболее полно удовлетворяют этим требованиям. Следует ознакомиться с недостатками чистых металлов (молибдена, вольфрама, ниобия) и стали при использовании их в качестве нагревателей.

Одним из основных методов расчета открытых и закрытых нагревательных элементов является расчет по способу таблиц (графиков) нагрузок. При ознакомлении с ним следует обратить большое внимание на необходимость при определении расчетной (фиктивной) температуры учитывать коэффициенты монтажа и среды, что позволяет пользоваться таблицами нагрузок, составленными для горизонтально расположенной проволоки в спокойной среде, также и при расчетах нагревательных элементов, находящихся в других условиях среды и монтажа.

Изучая метод расчета нагревателей из стальной проволоки, надо помнить, что глубина проникновения тока в металл пропорциональна его удельному сопротивлению, вследствие чего у стальных нагревательных элементов, имеющих сравнительно малое удельное сопротивление, сильно выражен поверхностный эффект.

Необходимо знать, что мощность нагревателя при данных его размерах можно регулировать изменением питающего напряжения или сопротивления нагревателя. Наибольшее распространение получило регулирование мощности изменением общего сопротивления путем изменения числа включенных нагревателей или схемы включения.

Как известно, все более широкое применение в различных электрических нагревательных установках начинают получать трубчатые нагревательные элементы (ТЭНы), выпускаемые промышленностью и являющиеся наиболее совершенными. Они обладают многими преимуществами перед нагревателями открытого и закрытого типа. Здесь следует обратить внимание на простоту расчета нагревательных установок с ТЭНами по допустимой поверхностной мощности, учитывающей условия работы ТЭНов в определенной среде.

Следует также изучить марки выпускаемых промышленностью нагревательных кабелей и проводов, их технические характеристики, области применения и особенности расчета нагревательных устройств с проводами, изготовленными из стальной проволоки.

В сельскохозяйственной практике для молодняка животных и птиц применяются источники инфракрасного излучения. Особенность инфракрасного нагрева состоит в том, что максимальный эффект нагрева достигается за счет спектра излучения, лежащего в инфракрасной области, и в наибольшей степени соответствующего оптическим свойствам нагреваемой среды.

Необходимо ознакомиться с различными источниками инфракрасного излучения, изучить их особенности, преимущества и недостатки, знать, в каких случаях целесообразнее применять тот или иной тип излучателя.

Контрольные вопросы:

1. В чем заключаются особенности нагрева стальных заготовок?

2. Какие особенности, преимущества и недостатки имеет электродный способ нагрева?

3. Как зависит мощность нагревательных установок электродного типа от физико-химического состояния самого нагреваемого материала?

4. Укажите основные области использования элементных нагревательных установок в сельском хозяйстве.

5. Какими основными свойствами должны обладать материалы, используемые для изготовления нагревательных элементов?

6. Из каких материалов изготовляются нагревательные элементы?

Электродуговой нагрев

В данной теме необходимо изучить физическую природу электродугового разряда, свойства и характеристики электрической дуги, обратить внимание на эффекты, сопровождающие горение дуги.

Электрическая дуга (как газовый проводник) по длине не однородна и состоит из трех последовательных участков: катодная область, столб дуги и анодная область.

Следует отметить, что к основным параметрам электрической дуги, характеризующим ее свойства, относится вольт-амперная характеристика, представляющая собой зависимость падения напряжения на дуге от значения тока. Дуговая сварка является одним из наиболее совершенных способов соединения различных металлов и сплавов.

В настоящее время выпускаются дуговые сварочные агрегаты на постоянном и переменном токе. Надо изучить преимущества и недостатки этих двух типов установок, их конструкции, электрические схемы и источники питания переменного и постоянного тока. Необходимо знать требования, предъявляемые к источникам питания для обеспечения устойчивого горения дуги и качественного выполнения сварки.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение понятию «электрическая дуга»! Каковы ее свойства и характеристики?

2. Как происходит возбуждение дуги и чем поддерживается устойчивость се горения?

3. Объясните физические явления, происходящие при дуговой электросварке.

4. Какие существуют виды электросварки и в чем их принципиальное различие?

5. Перечислите основные преимущества и недостатки сварочных агрегатов на переменном и постоянном токе.

6. Укажите требования, предъявляемые к источникам сварочного тока.

Индукционный нагрев

При изучении высокочастотного нагрева следует отметить, что он является одним из прогрессивных способов термообработки как проводников, так и диэлектриков. В настоящее время в зависимости от электрических свойств материала широко распространены два способа высокочастотного нагрева:

- индукционный нагрев проводниковых материалов в магнитном поле;

- диэлектрический нагрев полупроводников и диэлектриков в электрическом поле.

Индукционный нагрев осуществляется в переменном магнитном поле. Проводники, помещенные в поле, нагреваются вихревыми токами, наводимыми в них по законам электромагнитной индукции. Необходимо знать, что, в зависимости от применяемых частот, можно осуществить различные виды индукционного нагрева:

- Поверхностный;

- Глубинный;

- Сквозной.

В процессе высокочастотной закалки используется явление поверхностного эффекта, причем при изменении частоты магнитного поля можно в широких пределах регулировать глубину проникновения тока в металл и тем самым получать, заданную толщину закаленного слоя с очень большой точностью. Здесь надо иметь четкое представление о том, что, теплопроводность металла при закалке играет отрицательную роль и заставляет вести процесс с высокой скоростью, а следовательно, с большими энергетическими мощностями. Явление «катушечного эффекта», т.е. свойство токов высокой частоты проходить по внутренней части витка, определило наиболее широко используемую форму индуктора в виде кольца, согнутого из медной шины или трубки и обеспечивающего выделение тепла в заданной области.

Надо иметь ясное представление о том, что достаточно высокий коэффициент полезного действия индукционного нагрева может быть получен лишь при определенном соотношении между размерами нагреваемого тела и частотой тока.

Студенту необходимо ознакомиться с методикой расчета индукторов. В. результате теплового расчета определяются мощности, подводимые к индуктору и потребляемые из сети, в результате электрического расчета определяются основные геометрические размеры индуктора.

Студент должен ознакомиться с выпускаемыми промышленностью основными типами машинных и ламповых генераторов токов высокой частоты, их схемами, техническими характеристиками и возможностями использования их для диэлектрического и индукционного нагрева. При этом необходимо обратить внимание на конструктивные особенности и параметры колебательных контуров генераторов, на принципиальные различия рабочих устройств для нагрева проводников и диэлектриков. Очень важными вопросами являются согласование нагрузки и обеспечение оптимального режима генератора при нагреве данного материала. Также надо изучить возможные способы повышения коэффициента полезного действия ламповых генераторов при диэлектрическом нагреве и компенсации реактивной мощности индукторов, при индукционном нагреве.

Необходимо знать, что в последнее время машинные генераторы вытесняются более надежными статическими преобразователями частоты, выполненными на трансформаторах и тиристорах.

Следует ознакомиться с выпускаемыми промышленностью установками индукционного нагрева и знать, по каким основным параметрам они выпускаются.

Контрольные вопросы:

1. В чем заключаются особенности индукционного нагрева?

2. Перечислите и охарактеризуйте виды индукционного нагрева.

3. Что называется «глубиной проникновения» тока в металл?

4. Назначение и конструктивное устройство индукторов.

5. Какие режимы различаются при высокочастотном индукционном нагреве?

6. Какие условия определяют выбор оптимальной частоты?

7. Для каких целей применяется индукционный нагрев в сельскохозяйственном производстве?