Учебное пособие по дисциплине «Энергосбережение в промышленных печах» для бакалавров направления 5310100 «Энергетика

Рис. 1-17. Принципы действия электротермических устройств.
а — прямой контактный нагрев; б — косвенный нагрев в печи сопротивления; в — индукционный на­грев; г — дуговой нагрев.


Достигаемая температура зависит в основном от конструкции и материала нагревательного элемента. Применяя для нагревательных элементов такие высокоомные жаропрочные материалы, как нихром, карборунд, графит, вольфрам, молибден и др., можно достигать темпе­ратур от 300—400 до 3000 °С. Кроме того, при использовании нагрева­тельных элементов из указанных материалов в рабочей камере нагре­вательной печи можно создавать любую газовую атмосферу: окисли­тельную, восстановительную, нейтральную или вакуум.
Потребляемая мощность печи определяется по формуле
N = Q_сек = 0,001 I² R, кВт; (1-8)
здесь Q_сек — количество тепла, выделяемое в печи, вт; I — сила тока, а; R — суммарное сопротивление нагревательных элементов, ом.
Прямой (контактный нагрев). В отличие от косвенного нагрева при прямом нагреве тепло выделяется непосредственно в на­греваемом изделии при прохождении по нему тока (рис. 1-17,а). Выде­ление тепла в объеме нагреваемой детали позволяет значительно сни­зить тепловые потери (в основном теплоизлучение с поверхности в ок­ружающую среду), поэтому этот вид нагрева имеет высокий к. п. д.
С помощью контактного нагрева производится разогрев деталей, длина которых значительно превышает поперечные размеры, например нагрев прутков перед завивкой пружин.
Индукционный высокочастотный нагрев. Основной особенностью индукционного нагрева является превращение электричес­кой энергии в тепло с помощью переменного магнитного потока, т. е. ин­дуктивным путем. Если по цилиндрической спиральной катушке (ин­дуктору) пропускать переменный электрический ток I, то вокруг катуш­ки образуется переменное магнитное поле Ф_м, как это показано на рис. 1-17, в. Наибольшую плотность магнитный поток имеет внутри катушки. При размещении в полости индуктора металлического проводника в материале возникает электродвижущая сила, мгновенное значение ко­торой равно:
(1-8а)
Под влиянием э.д.с. в металле, помещенном в быстропеременное магнитное поле, возникает электрический ток, величина которого зави­сит в первую очередь от величины магнитного потока, пересекающего контур нагреваемого материала, и частоты тока f образующего маг­нитный поток.
Выделение тепла при индукционном нагреве происходит непосред­ственно в объеме нагреваемого материала, причем большая часть тепла выделяется в поверхностных слоях нагреваемой детали (поверхностный эффект). Толщина слоя, в котором происходит наиболее активное выде­ление тепла, равна:
(1-9).
где — удельное сопротивление, ом•см;  — относительная магнитная проницаемость материала; f—частота, гц.
Из приведенной формулы видно, что толщина активного слоя (глу­бина проникновения) уменьшается для данного металла с увеличением частоты. Выбор частоты зависит главным образом от технологических требований. Например, при плавке металлов потребуется частота 50— 2500 гц, при нагреве — до 10 000 гц, при поверхностной закалке— 30 000 гц и более.
При плавке чугуна применяется промышленная частота (50 гц), что позволяет увеличить общий к.п.д. установки, так как исключаются потери энергии на преобразование частоты.
Индукционный нагрев является скоростным, так как тепло выделя­ется непосредственно в толще нагреваемого металла, что позволяет производить плавку металла в индукционных электропечах в 2—3 раза быстрее, чем в отражательных пламенных.
Нагрев с помощью токов высокой частоты можно производить в лю­бой атмосфере; индукционные термические установки не требуют вре­мени для разогрева и легко встраиваются в автоматические и поточные линии. С помощью индукционного нагрева можно достигать темпера­тур до 3000 °С и более.
Благодаря своим преимуществам высокочастотный нагрев широко применяется в металлургической, машиностроительной и металлообра­батывающей промышленности, где используется для плавления металла, при термической обработке деталей, нагреве под штамповку и т. д.
Дуговой нагрев. Превращение электрической энергии в тепловую при дуговом нагреве осуществляется в факеле электрической дуги (рис. 1-17, г). Электрическая дуга представляет собой один из видов самостоятельного газового разряда, возникающего между положительным (анодным) и отрицательным (катодным) электродами. Для полу­чения дугового разряда электроды, находящиеся под разностью потен­циалов, сначала приводятся в соприкосновение. За счет большой вели­чины тока электроды в местах соприкосновения разогреваются до такой температуры, при которой возникает термоэмиссия электронов.
Разогретая в разрядном промежутке до высокой температуры газо­вая фаза отдает свою энергию нагреваемому металлу главным образом лучеиспусканием. Столб дугового разряда представляет собой газовую плазму, т.е. газ в ионизированном состоянии, в котором величины пространственных зарядов, созданных положительно и отрицательно заряженными частицами, одинаковы, с преобладающим хаотическим тепловым движением ионизированных молекул. Плазма состоит из нейтральных газовых частиц с повышенной энергией, положительных ионов и электронов. Заряды положительных ионов и электронов компенсируют друг друга, так что в электрическом отношении плазма столба нейтральна.
Температура дуги пропорциональна потенциалу ионизации газа, в котором горит дуга, и с достаточной точностью может быть вычислена по формуле
(1-10)
где Ui — потенциал ионизации газа, в.
Так как потенциал ионизации различных элементов меняется от 3,87 до 24,5 в, то из этой формулы следует, что температура дуги при атмосферном давлении должна находиться в пределах от 3200 до 20000°К.
Благодаря высокой температуре, развивающейся в зоне горения дуги, этот вид нагрева широко используется в металлургии для выплав­ки качественных сталей, ферросплавов, тугоплавких и жаропрочных ме­таллов и т.д., а также в других отраслях промышленности, где тре­буется высокотемпературный нагрев.
Электроннолучевой нагрев; В последние годы резко воз­росла потребность в металлах и сплавах, ранее почти не применявших­ся или применявшихся в незначительных количествах. К таким метал­лам относятся уран, цирконий, ниобий, тантал, вольфрам и др., которые используются в условиях исключительно высоких статических и дина­мических нагрузок при очень высоких температурах. В свою очередь свойства указанных металлов находятся в прямой зависимости от со­держания в них примесей, особенно кислорода, водорода и азота. Обес­печить получение ультрачистых металлов можно, лишь производя опе­рации выплавки и горячей деформации в условиях глубокого вакуума. Наиболее эффективно указанные операции можно производить с по­мощью электроннолучевого нагрева, принцип которого состоит в сле­дующем.
Если свободный электрон, имеющий отрицательный электрический заряд, поместить в пространство между двумя электродами с разностью потенциалов U_р, то под влиянием электрического поля электрон начнет двигаться к положительному (анодному) электроду. Скорость переме­щения электрона зависит от величины U_р и может быть вычислена по формуле
(1-11)
где с — скорость электрона в электрическом поле, км/сек; U_р — раз­ность потенциалов на участке, пройденном электроном, в.
В случае движения электрона в вакууме, где он не тратит энергии на столкновение с молекулами воздуха, кинетическую энергию, которую приобретает электрон под действием электрического поля, можно вы­разить зависимостью
(1-12)
где m — масса электрона, равная 9,1•10^-28, г;  — заряд электрона, равный 1,6•10^-19 к; с — скорость электрона, см/сек; U_р — разность по­тенциалов, в.
Из формул (1-11) и (1-12) видно, что кинетическая энергия элек­трона находится в прямой зависимости от величины разности потенциа­лов между электродами или так называемого разгоняющего напряже­ния.
При столкновении быстролетящего электрона с поверхностью анод­ного электрона может произойти либо его поглощение материалом анода, либо его отражение от поверхности. При поглощении электрона материалом анода около 70—80% его кинетической энергии преобразу­ется в тепло. Если катодный электрод (термокатод) нагреть до темпе­ратуры, при которой начнется интенсивная термоэлектронная эмиссия, то между катодным и анодным электродами установится поток элек­тронов, так называемый анодный ток, величина которого численно рав­на току эмиссии катода. За счет бомбардировки анода потоком быст­рых электронов температура быстро повышается. Скорость нагрева и предельная температура зависят от величины разгоняющего напряже­ния и анодного тока, т. е. от мощности электронного потока
N_п = I_а U_р, вт, (1-13)
где N_п — мощность электронного потока, вт; I_а — анодный ток, а; U_р — разгоняющее напряжение, в.
Установки, в которых нагреваемый металл служит анодом, широко используются в технике, особенно для зонной очистки. В этих установ­ках источником свободных электронов служит термокатод, изготовленный из вольфрамовой или танталовой проволо­ки в виде кольца. Нагреваемый металл помещается коаксиально относительно термокатода, и между ними приклады­вается разгоняющее напряжение порядка 10—15 кв. Термокатод нагревается до 2000—2500 °С прямым пропусканием то­ка. За счет электронной бомбардировки металл может быть с высокой точностью нагрет до любой необходимой температу­ры, включая температуру кипения или испарения. Схема такой установки пока­зана на рис. 1-18.
Более высокую стойкость катода и меньшую возможность для возникнове­ния разрядов между электродами, нарушающими нормальную работу устройства, имеют электронные терми­ческие установки с направленным потоком (лучом) электронов. Полу­чение направленного пучка электронов производится с помощью элек­троннолучевых пушек, в основе работы которых лежит способность электронов изменять свою траекторию при прохождении через элек­трическое или магнитное поле. Используя законы электронной оптики, подбором формы и интенсивности поля можно свободнолетящие элек­троны собрать в электронный пучок.