Самостоятельная работа по предмету Электрические технологические устройства

3. Теплопередача в электротермических установках
Основные параметры электротермических устройств (мощность, коэффициент полезного действия, удельный расход электроэнергии) определяют в результате расчета теплоты, требуемой для технологического процесса, а также расчета процесса теплообмена между источником теплоты и окружающей средой. Теплообмен определяется законами теплопередачи. Процесс теплообмена является сложным, поэтому в инженерных расчетах его подразделяют на более простые составляющие – теплопроводность, конвекцию и излучение (лучистый теплообмен).
Теплопроводность – это переда теплоты внутри твердого тела или неподвижной жидкости (газа) от областей с более высокой температурой к области с более низкой температурой.
В соответствии с молекулярно-кинетической теорией теплопроводность обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодействие микрочастиц (молекул, атомов, электронов). Частицы с большой энергией (более нагреты, а, следовательно, более подвижны) отдают часть своей энергии менее нагретым (менее подвижным) при соударении. Скорость теплопередачи в этом случае зависит от физических свойств вещества, в частности от его плотности. Она больше у плотных тел (металлов) и меньше у пористых (пенопласт). Если температура нагревателя и нагреваемого тела не меняется во времени, то температурное поле системы является стационарным или установившимся. При стационарных процессах теплопередачи тепловой поток, проходящий через тело в единицу времени, постоянный, так как в процессе передачи теплоты теплосодержание тела не изменяется.
Тепловой поток через плоскую однослойную стенку при установившемся режиме определяется по формуле Фурье:
, (1.1)
где T₁ и Т₂ – температуры поверхностей стенки K; ℓ – ее толщина м; F – площадь проводящей стенки м²; λ – коэффициент теплопроводности, зависящий от свойств вещества и температуры,  .
Для большинства применяемых в печестроении материалов
λ = λ_о (1 + β×T_ср), (1.2)
где λ_о – коэффициент теплопроводности при 273 К; T_ср – температурный коэффициент; T_cp = 0,5×(T₁+T₂) – средняя температура стенки, К.
При расчете тепловых потерь через стенку электропечей и сушильных шкафов необходимо учитывать теплообмен между наружной поверхностью стенки и окружающей средой и внутренней поверхностью стенки и рабочим пространством печей или шкафов.
Конвекция – теплопередача в жидкостях и газах, при которой перемещаются отдельные частицы и отдельные элементы объема вещества, переносящие присущий им запас тепловой энергии. Перенос теплоты вместе с переносом массы вещества называют конвективным теплообменом.
Если передача теплоты конвекцией обусловлена лишь разностью плотностей вещества вследствие различных температур, такая конвекция называется естественной, или свободной. При наложении на нагретый объем вещества внешних сил (принудительное перемещение вещества) теплоперенос называют вынужденной конвекцией.
Аналитическое решение задач, связанных с конвективным теплообменом, представляет значительные трудности, поскольку этот процесс описывается сложной системой дифференциальных уравнений. Поэтому задачи конвективного теплообмена обычно решают с использованием экспериментально полученных констант и величин.
Тепловой поток конвективного теплообмена Q определяется по закону Ньютона-Рихмана, тепловой поток Q прямо пропорционален поверхности омывания, режиму движения теплоносителя и разности температур стенки и газа или жидкости:
Q = α_k (T_c-T_г)∙F, (1.3)

где α_k – коэффициент теплоотдачи конвекцией,  ; Т_с, Т_г – температура стенки и окружающей среды соответственно; F – поверхность конвективного теплообмена, м².

Коэффициент теплоотдачи α_k представляет собой количество теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью и омывающей жидкостью в К.
Формула (1.3) может быть применена при естественной и вынужденной конвенции. Сложность заключается в выборе коэффициента теплоотдачи, поскольку он определяется рядом переменных: физическими свойствами омывающих стенку сред; температурной теплоотдающей и тепловоспринимающей сред; геометрическими размерами и формами омываемой поверхности; а также скоростью и характером движения среды. Для определения коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене пользуются формулами, полученными путем обобщения большого количества экспериментальных данных. Так, для плоских вертикальных стенок в условиях естественной конвекции коэффициент теплоотдачи для диапазона температур:
ΔТ = Т_с – Т_г = 288 – 358 К
определится зависимостью
α_k = 3,45∙(Т_с – Т_г)^0,13,
а для ΔT = 358 – 423 К
α_k = 2,05∙(Т_с – Т_г)^0,25.
При вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи в первую очередь зависит от скорости движения омывающей среды.
Для общих случаев (заполнение печи специальной атмосферой, нагрев в жидких средах и т.д.) коэффициент теплоотдачи определяется с помощью безразмерных критериальных зависимостей, полученных обобщением экспериментальных данных на основе теории подобия.
Излучение – передача тепловой энергии в невидимой (инфракрасной) и видимой частях спектра. При передачи теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн длиной 0,4-400,0 мкм. Между нагретыми объектами, расположенными в пределах видимости друг друга, всегда происходит лучистый теплообмен. При этом суммарный тепловой поток направлен от более нагретого тела к менее нагретому телу. Этот поток определяется температурами тел, степенью их черноты и размерными факторами.
При излучении нагретого тела в неограниченное пространство (при односторонней теплопередаче) лучистый тепловой поток 
, (1.4)
где C_s – постоянный коэффициент излучения абсолютно черного тела; ε – степень черноты тела, числено равная его поглощающей способности (для абсолютно черного тела ε = l); T – абсолютная температура, К.
Рассмотрение вида теплопереноса во многих случаях осуществляется совместно.
При изготовлении электротермических установок (ЭТУ) применяются специфические материалы, предназначенные для работы при высоких температурах. В их числе огнеупорные и теплоизоляционные материалы для теплоизоляции нагреваемых тел от окружающей среды и жаропрочные материалы, идущие на изготовление нагревателей и элементов конструкций установок.