Методы генерации тепла за счет электрической энергии

В основе практических методов получения тепла за счет электроэнергии лежат следующие основные принци­пы, которые в различных вариантах используются в про­мышленных электрических печах:

1) теплогенерация в рабочем теле при приложении к нему разности потенциалов;

2) теплогенерация при помещении рабочего тела в пе­ременное электромагнитное поле;

3) теплогенерация в поверхностном слое рабочего тела при ударе о него ускоренного в вакууме потока электронов.

Рабочее тело может быть твердым, жидким или газо­образным. Первый принцип лежит в основе работы печей сопротивления (твердое рабочее тело), печей электро­шлакового переплава (жидкое рабочее тело), дуговых пе­чей и дуговых плазматронов (газообразное рабочее тело). Второй принцип используется в качестве основы работы индукционных печей. Третий принцип реализуется в элек­троннолучевых печах.

Теплогенерация в рабочем теле при приложении к нему разности потенциалов

Обязательным условием этого вида генерации тепла является наличие в рабочем теле свободных зарядов (ионов и электронов), т.е. электропроводность рабочего тела. Приложение разности потенциалов вызывает направлен­ное движение свободных зарядов, т.е. возникает электри­ческий ток и при его протекании по проводнику, имеющему сопротивление, выделяется тепло. Согласно закону Джо­уля — Ленца, количество выделяющегося в проводнике тепла

Q = UIt = I²Rt, (107)

где U — приложенная разность потенциалов, В;

I — сила тока, А;

R — сопротивление рабочего тела, Ом;

t — время, с.

Получение тепла в твердом проводнике находит широ­кое применение в печах сопротивления прямого (контакт­ного) и косвенного действия. В печах прямого действия рабочим телом служит нагреваемое изделие, включаемое в электрическую цепь, тепло выделяется непосредственно в этом изделии. В печах косвенного нагрева в качестве ра­бочего тела используются нагревательные элементы, вы­полненные из специальных материалов. Передача тепла от этих элементов к поверхности нагреваемого материала осуществляется излучением и конвекцией.

В печах электрошлакового переплава тепло выделяет­ся при протекании электрического тока через слой жидко­го шлака и передается от него теплопроводностью к поверхности оплавляемого электрода. Эти установки могут быть, таким образом, отнесены к печам сопротивления косвенно­го действия.

Получение тепла в газообразном теле при приложении к нему разности потенциалов осложнено тем, что в обыч­ных условиях газ не является проводником. Однако при оп­ределенных обстоятельствах в газе могут появиться отрицательно и положительно заряженные ионы и свободные электроны. Такой газ становится электропроводным, а са­мо это явление называется ионизацией. Ионизация может вызываться различными причинами, в том числе и нагре­вом газа до высокой температуры, когда тепловое движе­ние частиц в нем становится настолько интенсивным, что столкновение атомов и молекул приводит к возникновению заряженных частиц. Движение этих частиц под действием .приложенной разности потенциалов обеспечивает протека­ние электрического тока через газ, т.е. возникает газовый разряд. Широко распространенной формой тазового разря­да является электрическая дуга.

Электрической дугой называют конечную устойчивую форму газового разряда между двумя электродами (като­дом и анодом) через разделяющий их газовый промежуток. Источником свободных электронов является катод, при нагреве которого скорость теплового движения электронов в твердом материале может стать столь большой, что их кинетическая энергия превысит потенциальный барьер на границе твердое тело — газ. Тогда электроны покидают катод, т.е. происходит термоэлектронная эмиссия. Элект­роны, эмитированные катодом, разгоняются в межэлект­родном промежутке и вызывают ионизацию молекул газа или пара. Средняя между электродами часть, называемая столбом дуги, представляет собой ярко светящуюся смесь электронов, ионов и нейтральных атомов и молекул, т.е. плазму. В такой плазме температура всех элементарных частиц почти одинакова. Установлено, что температура столба дуги при атмосферном давлении колеблется от 3200 до 10000 К, а интенсивность излучения достигает 8000 – 10000 кВт/м². Длина столба дуги возрастает с уве­личением напряжения питающего ее тока и зависит также от материала электродов.

Промышленные сталеплавильные печи работают обыч­но на переменном токе. Поэтому полярность электродов меняется в соответствии с частотой тока; один и тот же электрод является попеременно катодом и анодом. Так как значение напряжения, изменяясь, проходит через нуль, то дуга должна гаснуть в этот момент. Для поддержания не­прерывного горения дуги в цепь вводят индуктивное сопро­тивление.

В вакуумных дуговых печах горение дуги происходит в разреженных парах переплавляемого металла. Эти па­ры, ионизируясь, также становятся проводником электри­ческого тока, что делает возможным дуговой разряд в ва­кууме.

Плазму, возникшую при дуговом разряде в газах, мож­но заставить двигаться в определенном направлении, т.е. создать поток плазмы. В этом потоке имеются положитель­но и отрицательно заряженные частицы. Их соотношение таково, что общий заряд газового объема равен нулю. Плазма подчиняется газовым законам и в то же время обладает большой электропроводностью. Плазма имеет также магнитные свойства вследствие насыщенности заря­женными частицами.

Для создания потока плазмы с целью использования в металлургических печах применяются специальные устрой­ства, получившие название плазматронов. В них использу­ется обычно дуга постоянного тока, горящая между нерасходуемыми (водоохлаждаемыми) электродами. Поток газа в плазматроне подается в дуговой промежуток, ионизи­руется и образующаяся плазма подвергается принуди­тельному сжатию охлаждаемыми стенками или магнитным полем. Сжатие столба дуги увеличивает плотность тока и повышает концентрацию энергии. Это вызывает резкий рост температуры потока плазмы по сравнению с плазмой обычной дуги, свободно горящей между электродами, а скорость истечения газа в зоне наибольшего сжатия может достигать скорости звука. В результате очень существенно возрастает интенсивность теплоотдачи от потока плазмы к нагреваемой поверхности.

Для получения потока плазмы в промышленности ис­пользуют аргон, гелий, водород и азот. Водород и азот самые дешевые газы и обладают достаточно высокой удель­ной теплоемкостью, но для металлургических процессов с технологической точки зрения они часто менее пригодны, чем аргон и гелий. Обычно используют аргон, иногда до­бавляя к нему 10 – 15% водорода.

Тепло генерация в проводнике, помещенном в переменное электромагнитное поле

При помещении проводника в переменное электромаг­нитное поле в нем наводятся (индуктируются) вихревые токи. Их протекание по проводнику вызывает выделение тепла. Этот вид теплогенерации получил название индукционного нагрева. Выделяющееся в проводнике количест­во тепла пропорционально квадрату плотности тока в со­ответствии с законом Джоуля — Ленца.

В процессе индукционного нагрева вихревые токи под действием магнитного поля оттесняются к поверхности проводника и плотность тока на его поверхности оказывается выше, чем в середине. Это явление называется поверхност­ным эффектом. Глубина проникновения магнитного потока в металл, а следовательно, практическая толщина нагре­ваемого слоя приближенно определяется формулой Штейнметца:

, м. (108)

Таким образом, глубина проникновения D возрастает с увеличением удельного электрического сопротивления ρ (Ом×м), уменьшается с увеличением частоты f (Гц) и относительной магнитной проницаемости материала m. Следовательно, при повышении частоты (до 1000 Гц и более) можно получить тонкий нагретый слой для поверхностной термической обработки, широко применяющейся в промыш­ленности; используя ток промышленной частоты (50 Гц), можно обеспечить сквозной прогрев изделий.

Существуют два пути увеличения количества тепла, вы­деляемого в проводнике при индукционном нагреве. Первый путь – это уменьшение сопротивления магнитному потоку на тех участках пути, где он не проходит по нагреваемому материалу, что достигается применением металлических магнитопроводов (сердечников). Второй путь — увеличение частоты с целью уменьшения магнитного потока рассеяния. Это достигается при питании индуктора от источника тока высокой частоты.

Эти два пути и предопределили создание индукционных печей со стальным сердечником, работающих на токе про­мышленной частоты, и печей без сердечника, питаемых преимущественно от источников тока повышенной и высокой частоты. Установлено, однако, что при увеличении емкости печей без сердечника возможна их достаточно экономич­ная работа на токе промышленной частоты.

При индукционном нагреве стали течение процесса ос­ложняется тем, что ее электротехнические параметры пре­терпевают значительные изменения в процессе нагрева. В результате возрастания удельного сопротивления и умень­шения магнитной проницаемости по ходу нагрева изменяется глубина проникновения тока. При достижении точки Кюри магнитная проницаемость уменьшается в 50 – 100 раз и становится равной единице. На этой стадии нагрева про­исходит резкое увеличение глубины проникновения и общее уменьшение поглощаемой мощности в нагреваемом теле.

Таким образом, когда температура по всему сечению на греваемого тела достигает температуры магнитных превра­щений (или превышает ее), неравномерность нагрева быст­ро сглаживается и происходит сквозной прогрев тела.

Теплогенерация при ударе ускоренного потока электронов о поверхность рабочего тела

Теплогенерация с помощью потока электронов, выделя­емых с поверхности катода, основана на том, что этот поток во всех случаях движется к аноду. Если между помещенны­ми в вакуум катодом и анодом приложить большую раз­ность потенциалов (порядка нескольких десятков кило­вольт), то электроны могут приобрести значительную ско­рость. При их столкновении с поверхностью твердого или жидкого тела кинетическая энергия электронов в значи­тельной мере превращается в тепло. Выделенная мощность зависит от плотности потока электронов и разности потен-щгалов между катодом и анодом. Кинетическая энергия электрона К пропорциональна его заряду q = 1,6 × 10^-19 Кл и величине ускоряющего напряжения U, В : K = qU Дж. Нормальная работа электротермических установок, осно­ванных на этом принципе, возможна только при поддер­жании в рабочей камере глубокого вакуума (порядка 10^-2 — 10^-4 Па). Это необходимо для того, чтобы исключить соударение потока электронов с молекулами газа.