2.2.8. Нагрівання електричним струмом

Нагрівання електричним струмом часто застосовують в хімічній та інших галузях промисловості через переваги цього методу над іншими. Електричним струмом нагрівання здійснюють в широкому діапазоні температур та легко регулюють температури відповідно до заданого температурного режиму. Крім цього, електричне нагрівання просте, а теплові агрегати відрізняються компактністю та зручністю під час їхнього обслуговування. Однак цей метод нагрівання є дорогим, оскільки він пов’язаний з перетворенням хімічної енергії палива в електричну. За способом перетворення електричної енергії в теплову розділяють на: нагрівання в електричних печах опору, індукційних та дугових печах. Печі опору ділять на печі прямої дії та печі опосередкованої дії.

У печах прямої дії тіла, які нагріваються, містять безпосередньо електричний ланцюг і нагріваються під час проходження через них електричного струму. Часто в печах прямої дії корпус печі є електродом, а другий електрод розміщається всередині апарата. Між електродами розміщають рідкі або розплавлені матеріали.

2.2.8.1. Нагрівання електричним опором

Широке застосування знайшли печі опосередкованої дії, в яких тепло виділяється під час проходження електричного струму спеціальними гріючими елементами. Тепло, яке виділяється, передається до матеріалу випромінюванням, теплопровідністю і конвекцією. У таких печах здійснюється нагрівання до температур 1000–1100 C.

Схему печі опору показано на рис. 2.15. Нагрівання здійснюється під час проходження струму через нагрівальні елементи 2 і 3, виконані у вигляді дротяної спіралі. Тепло, що виділяється під час проходження електричного струму через нагрівальні елементи, передається стінкам обігрівального апарата 1. Піч футерують зсередини вогнетривкою цеглою 4 і покривають ззовні шаром теплової ізоляції. Для періодичного огляду електро-нагрівачів електропіч забезпечується механізмом для опускання 5.

Рис. 2.15. Електропіч опору: 1 – обігрівальний апарат; 2 – бокові секції нагрівальних елементів; 3 – нижня секція нагрівального елемента; 4 – футерування печі; 5 – механізм для опускання футерування

З метою зменшення втрат тепла в оточуюче середовище апарат покривають тепловою ізоляцією. Гріючі елементи виготовляють з дроту ніхрому (сплав, який містить 20 % Cr, 30–80 % Ni і 0,5–5 % Fe). Діаметр дроту становить 3–7мм.

Кількість тепла, яку необхідно підвести в процесі нагрівання, визначають з теплового балансу (рис. 2.16)

Рис. 2.16. До теплового балансу процесу нагрівання електричним струмом

, (2.10)

де Q_e – кількість тепла, яка виділяється елементами під час проходження електричного струму, Дж/год; G – кількість продукту, що підлягає нагріванню, кг/год; с – теплоємність продукту, що нагрівається, Дж/(кг·град); t_n i t_к – початкова і кінцева температури матеріалу, ⁰С; Q_втр – втрати тепла в оточуюче середовище, Дж/год.

З рівняння (2.10) визначають Q_е:

. (2.11)

Потужність електричного пристрою визначають за рівнянням

. (2.12)

2.2.8.2. Індукційне нагрівання

Цей спосіб нагрівання електричним струмом (рис. 2.17) ґрунтується на використанні теплового ефекту, викликаного вихоровими струмами Фуко, які виникають в шарі стінок сталевого апарата під дією змінного електричного струму. Апарат 1 з матеріалом, який підлягає нагріванню, є сердечником соленоїда 2. Соленоїдом пропускається електричний струм, внаслідок чого виникає змінне магнітне поле, яке індукує в стінках апарата електрорушійну силу. Під дією вторинного струму стінки апарата 1 нагріваються, і тепло від стінки передається до апарата, який нагрівається.

Рис. 2.17. Принципова схема електричної індукційної печі: 1 – апарат з матеріалом; 2 – соленоїд

Індукційне нагрівання забезпечує рівномірне прогрівання за температур, що не перевищують 400 С, і дає змогу точно підтримати задану температуру нагрівання. Електронагрівачі відрізняються малою тепловою інерцією і можли­вістю точного регулювання температури.

Недоліком індукційного нагрівання є його велика вартість, тому для підви­щення економічності нагрівання його інколи проводять комбінованим способом.