Тема 4. Электротермические установки

Классификация электротермических установок. Методы нагрева.

Электрические печи сопротивления, дуговые, рудно-термические и индукционные, их конструкции, принцип действия, режимы работы, достоинства и недостатки, область применения. Электротермические установки как потребители электроэнергии.

Влияние качества электроэнергии на работу электротермических установок и их воздействие на питающую электросеть.

[10], гл 1-9; [11], гл. 6-8.

Методические указания

Все электротермические установки по способу превращения электроэнергии в тепловую энергию можно разделить на пять категорий, использующих следующие методы нагрева:

I. Сопротивления.

II. Дуговой.

III. Индукционный.

IV. Диэлектрический.

V. Электронный.

Классификация электротермических установок приведена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация электротермических установок:

1 – прямого действия; 2 – косвенного действия; 3 – с плавящимся

анодом; 4 – с неплавящимся анодом; 5 – плазменно-электронная

установка; Н – промышленной частоты (50 Гц); П – повышенной

частоты (50 – 10000 Гц); В – высокой частоты (10 – 400 кГц):

СВЧ – сверхвысокой частоты (100 МГц м выше)

К установкам нагрева сопротивлением прямого действия относится, например, стекловаренная печь. При прямом нагреве нагреваемое тело через понижающий трансформатор включается в электросеть. Выделение тепла происходит за счет протекающего по телу электрического тока.

К установкам нагрева сопротивлением косвенного действия относится элеваторная печь, применяемая для отжига ковкого чугуна. При косвенном нагреве превращение электроэнергии в тепловую осуществляется в нагревательных элементах из высокоомных жаростойких материалов Тепло с помощью теплопередачи передается нагреваемому телу.

К установкам дугового нагрева прямого действия относится дуговая сталеплавильная печь. При прямом нагреве электрическая дуга горит между электродом и нагреваемым материалом. Преобразование электроэнергии в тепловую происходит в дуге.

Основным назначением установок косвенного действия – дуговых медеплавильных печей, является плавка меди и медных сплавов. При косвенном нагреве дуга горит между двумя электродами.

Комбинацией дуговых печей прямого действия и электропечей прямого нагрева сопротивлением являются дуговые печи сопротивления, используемые для руднотермических процессов.

Принцип действия установок индукционного нагрева основан на выделении тепла в нагреваемом теле индуктированным в нем током. Установки со стальным сердечником, канальные печи, представляют собой своеобразный трансформатор, в котором индуктор (первичная катушка) питается током частотой 50 Гц, а вторичную катушку заменяет нагреваемое тело. Канальные электропечи используются для плавки цинка, алюминия, меди и черных металлов. Установки без стального сердечника – тигельные печи, питаются током промышленной(50 Гц), повышенной (500 – 10000 Гц) и высокой (50-400 кГц) частоты. Они используются для выплавки высококачественных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов.

В установках диэлектрического нагрева выделение тепла в нагреваемом теле происходит за счет токов смещения, возникающих в теле при помещении его в быстропеременное электрическое поле. Нагреваемое тело должно быть полупроводником или диэлектриком и представляет собой конденсатор, к обкладкам которого проводится ток частотой 66 кГц – 100 МГц или 1000 МГц и выше. Последний диапазон частот применяется при нагреве диэлектриков со сравнительно малым коэффициентом потерь, нагреве пищевых продуктов (СВЧ-нагрев).

При электронно-лучевом нагреве изделие нагревается пучком электронов в вакууме. Электроны с большой скоростью ударяют в тело, при этом их кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Металлические катоды прямого нагрева применяются при небольших токах эмиссии (до 20 мА), а косвенного нагрева – при больших токах (100-200 мА). Плавку электронным лучом применяют для получения особо чистых металлов. Испарение материалов в вакууме используют для получения тонких пленок. Электронно-лучевая термообработка используется для получения структурных превращений и отжига материалов.

Плазменно-электронные устаовки имеют не только пучок электронов, но и пучок ионов. Такие установки используются для электрогазоочистки, электросепарации, электропечати и т.д.