Metody ogrzewania elektrycznego

Podstawowe metody i metody zamiany energii elektrycznej na ciepło sklasyfikowano następująco. Rozróżnia się bezpośrednie i pośrednie ogrzewanie elektryczne.

W bezpośrednim ogrzewaniu elektrycznym przemiana energii elektrycznej w energię cieplną następuje w wyniku przepływu prądu elektrycznego bezpośrednio przez ogrzane ciało lub medium (metal, woda, mleko, gleba itp.). W pośrednim ogrzewaniu elektrycznym prąd elektryczny przepływa przez specjalne urządzenie grzewcze (element grzejny), z którego ciepło jest przekazywane do ogrzanego ciała lub ośrodka poprzez przewodzenie, konwekcję lub promieniowanie.

Istnieje kilka rodzajów konwersji energii elektrycznej na ciepło, które definiują metody ogrzewania elektrycznego.

Ogrzewanie oporowe

Przepływowi prądu elektrycznego przez elektrycznie przewodzące ciała stałe lub ciekłe media towarzyszy wydzielanie ciepła. Zgodnie z prawem Joule'a-Lenza ilość ciepła Q = I2Rt, gdzie Q to ilość ciepła, J; I — silatok, A; R to opór ciała lub ośrodka, Ohm; t — czas przepływu, s.

Nagrzewanie rezystancyjne można wykonać metodami kontaktowymi i elektrodowymi.

Metoda kontaktowa Służy do nagrzewania metali zarówno na zasadzie bezpośredniego ogrzewania elektrycznego, na przykład w elektrycznych zgrzewarkach stykowych, jak i na zasadzie pośredniego ogrzewania elektrycznego — w elementach grzejnych.

Metoda elektrodowa Służy do podgrzewania niemetalicznych materiałów i mediów przewodzących: wody, mleka, soczystej paszy, gleby itp. Podgrzany materiał lub medium umieszcza się pomiędzy elektrodami, do których przykładane jest napięcie przemienne.

Prąd elektryczny przepływający przez materiał między elektrodami nagrzewa go. Zwykła (niedestylowana) woda przewodzi prąd elektryczny, ponieważ zawsze zawiera pewną ilość soli, zasad lub kwasów, które dysocjują na jony przenoszące ładunki elektryczne, czyli prąd elektryczny. Charakter przewodnictwa elektrycznego mleka i innych płynów, gleby, pasz soczystych itp. jest podobny.

Bezpośrednie nagrzewanie elektrody odbywa się tylko przy prądzie przemiennym, ponieważ prąd stały powoduje elektrolizę ogrzanego materiału i jego degradację.

Elektryczne ogrzewanie oporowe znalazło szerokie zastosowanie w produkcji ze względu na swoją prostotę, niezawodność, elastyczność i niski koszt urządzeń grzewczych.

Ogrzewanie łukiem elektrycznym

W łuku elektrycznym, który występuje między dwiema elektrodami w ośrodku gazowym, energia elektryczna jest przekształcana w ciepło.

Aby zapalić łuk, elektrody podłączone do źródła zasilania są krótko dotykane, a następnie powoli rozdzielane. Rezystancja styku w momencie rozdzielenia elektrod jest silnie nagrzewana przez przepływający przez niego prąd.Swobodne elektrony, stale poruszające się w metalu, przyspieszają swój ruch wraz ze wzrostem temperatury w punkcie styku elektrod.

Wraz ze wzrostem temperatury prędkość swobodnych elektronów wzrasta tak bardzo, że odrywają się od metalu elektrod i lecą w powietrze. Poruszając się, zderzają się z cząsteczkami powietrza i rozdzielają je na dodatnio i ujemnie naładowane jony. Przestrzeń powietrzna między elektrodami jest zjonizowana i staje się przewodnikiem elektrycznym.

Pod wpływem napięcia źródła jony dodatnie pędzą do bieguna ujemnego (katody), a jony ujemne do bieguna dodatniego (anody), tworząc w ten sposób długie wyładowanie - łuk elektryczny, któremu towarzyszy wydzielanie ciepła. Temperatura łuku nie jest taka sama w różnych jego częściach i jest na metalowych elektrodach: na katodzie — około 2400 ° C, na anodzie — około 2600 ° C, w środku łuku — około 6000 — 7000 ° C .

Rozróżnij bezpośrednie i pośrednie ogrzewanie łukiem elektrycznym. Główne zastosowanie praktyczne znajduje się w ogrzewaniu łukiem bezpośrednim w instalacjach do spawania łukiem elektrycznym. W pośrednich instalacjach grzewczych łuk jest wykorzystywany jako silne źródło promieni podczerwonych.

Ogrzewanie indukcyjne

Jeśli kawałek metalu zostanie umieszczony w zmiennym polu magnetycznym, indukuje się w nim zmienne e. D. s, pod wpływem których w metalu powstaną prądy wirowe. Przepływ tych prądów do metalu spowoduje jego nagrzanie. Ta metoda ogrzewania metalu nazywa się indukcją. Konstrukcja niektórych nagrzewnic indukcyjnych opiera się na wykorzystaniu zjawiska efektu powierzchniowego oraz efektu zbliżeniowego.

Do nagrzewania indukcyjnego wykorzystywane są prądy przemysłowe (50 Hz) i wysokiej częstotliwości (8-10 kHz, 70-500 kHz). Nagrzewanie indukcyjne korpusów metalowych (części, detale) jest najbardziej rozpowszechnione w budowie maszyn i naprawie urządzeń, a także do hartowania części metalowych. Metodę indukcyjną można również wykorzystać do podgrzewania wody, gruntu, betonu oraz pasteryzacji mleka.

Ogrzewanie dielektryczne

Fizyczna istota ogrzewania dielektrycznego jest następująca. W ośrodkach stałych i ciekłych o słabym przewodnictwie elektrycznym (dielektrykach) umieszczonych w szybko zmieniającym się polu elektrycznym energia elektryczna zamieniana jest na ciepło.

Każdy dielektryk zawiera ładunki elektryczne związane ze sobą siłami międzycząsteczkowymi. Ładunki te nazywane są ładunkami związanymi, w przeciwieństwie do ładunków swobodnych w materiałach przewodzących. Pod działaniem pola elektrycznego związane z nim ładunki są zorientowane lub przesunięte w kierunku pola. Przemieszczenie powiązanych ładunków pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego nazywa się polaryzacją.

W zmiennym polu elektrycznym następuje ciągły ruch ładunków, a zatem siły międzycząsteczkowe związanych z nimi cząsteczek. Energia wydatkowana przez źródło w celu polaryzacji cząsteczek materiałów nieprzewodzących jest uwalniana w postaci ciepła. Niektóre materiały nieprzewodzące mają niewielką ilość ładunków swobodnych, które pod wpływem pola elektrycznego wytwarzają niewielki prąd przewodzenia, który przyczynia się do uwolnienia dodatkowego ciepła w materiale.

Podczas ogrzewania za pomocą dielektryka ogrzewany materiał umieszcza się między metalowymi elektrodami - płytkami kondensatora, do których doprowadza się napięcie o wysokiej częstotliwości (0,5 - 20 MHz i więcej) ze specjalnego generatora wysokiej częstotliwości. Korpus grzejnika dielektrycznego składa się z generatora lampy wysokiej częstotliwości, transformatora mocy i urządzenia suszącego z elektrodami.

Ogrzewanie dielektryczne o wysokiej częstotliwości jest obiecującą metodą ogrzewania i jest stosowane głównie do suszenia i obróbki cieplnej drewna, papieru, żywności i pasz (suszenie zboża, warzyw i owoców), pasteryzacji i sterylizacji mleka itp.

Ogrzewanie wiązką elektronów (elektroniczne)

Kiedy strumień elektronów (wiązka elektronów) przyspieszony w polu elektrycznym napotyka nagrzane ciało, energia elektryczna zamienia się w ciepło. Cechą charakterystyczną nagrzewania elektronicznego jest duża gęstość koncentracji energii rzędu 5×108 kW/cm2, która jest kilka tysięcy razy większa niż w nagrzewaniu łukiem elektrycznym.Ogrzewanie elektroniczne stosowane jest w przemyśle do spawania bardzo małych części oraz topienia ultraczystych metali.

Oprócz rozważanych metod ogrzewania elektrycznego, w produkcji i życiu codziennym stosuje się ogrzewanie na podczerwień (napromieniowanie).