Электронагрев и способы его реализации. Элементные и электродные нагреватели

Использование электрической энергии для получения тепловой энергии является перспективным направлением электротехнологии. Применение электронагревательных приборов является предпочтительным, когда по технологии производства требуется точно поддерживать температурный режим, когда есть возможность использовать электроэнергию в ночные часы (ночной тариф дешевле дневного), когда электронагрев позволяет повысить производительность труда, улучшить качество продукции и в ряде других случаев. Наибольшее распространение получили способы электронагрева: элементный, электродный, высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев и нагрев инфракрасными лучами.

Для нагрева воды, других жидкостей и воздуха широко используются трубчатые электронагреватели - ТЭНы (Рис. 7.1). ТЭН состоит из металлической трубки, внутри которой в электроизоляционном наполнителе помещена нихромовая спираль, через которую протекает электрический ток. Концы спирали припаиваются к выводным контактным стержням. Материал трубок выбирается в зависимости от назначения нагревателя. Так, для нагревания воздуха используются стальные трубки, а для нагревания воды - трубки из красной меди, латуни или нержавеющей стали.

Наполнители трубчатых элементов служат для электрической изоляции спирали от металлической трубки являются проводниками тепла. В качестве наполнителей применяют электроизоляционные материалы, обладающие достаточной теплопроводностью для передачи тепла от проволочной спирали к стенкам трубки. К таким материалам относятся кварцевый песок (применяется при рабочей температуре трубки до 450ºС) и периклаз (при температуре свыше 450° С). После засыпки наполнителя трубка опрессовывается. Под большим давлением наполнитель превращается в твердый монолитный материал, надежно фиксирующий и изолирующий спираль внутри трубки. Торцы трубки герметизируются огнеупорным составом и изолирующими пробками. Наибольшая рабочая температура наружной поверхности ТЭНов около 700ºС. Срок службы ТЭНов составляет более 10000 ч.

При работе элементных нагревателей необходим эффективный отвод тепла. Если включить ТЭН в водонагревателе без воды (или воздушный ТЭН без вентилятора), то он быстро выйдет из строя.

Рис. 7.1 – Устройство трубчатого нагревательного элемента

Трубчатые электронагреватели изготовляют на различные мощности от 0,1 до 10 кВт в одном элементе и напряжением 127. 220 и 380 В. К достоинствам ТЭНов можно отнести нх универсальность, надежность, безопасность обслуживания.

Электродные нагреватели (Рис.17.2) применяются для нагрева воды. Их работа основана на использовании электропроводимости самой воды, которая подвергается нагреванию.

Простейшим примером такого нагревателя является двухэлектродный нагреватель (Рис.7.2,а), который может использоваться в однофазной сети. Мощность нагревателя будет определяться площадью пластинчатых электродов, контактирующих с водой, удельной электропроводностью воды и расстоянием d между электродами. Изменяя высоту h заполнения межэлектродного пространства водой, можно изменять мощность процесса нагрева. На рис.7.2,б приведена схема устройства трехэлектродного водонагревателя, подключенного к трехфазной сети.

Электродные нагреватели конструктивно просты, позволяют просто регулировать мощность нагрева и не боятся «сухого» включения. Однако они не позволяют осуществлять нагрев непроводящих сред. Вследствие прямого контакта электродов с нагреваемой средой требуют принятия особых мер электробезопасности: изоляция емкости, применение диэлектрических вставок на трубопроводы, заземление и зануление металлических нетоковедущих элементом и других.

Рис.7.2 – Электродные нагреватели: а) двухэлектродный нагреватель; б) трехэлектродный (трехфазный) нагреватель

Высокочастотный нагрев может быть использован для ряда процессов: сушки, обжарки, бланширования, пастеризации, стерилизации, размораживания и других. На рис.7.3 приведена упрощенная технологическая схема сушки продукта. Высушиваемый продукт распределяется на движущуюся ленту конвейера и проходит между пластинами рабочего конденсатора. Конденсатор питается током высокой частоты с выхода генератора высокой частоты (ГВЧ). Между пластинами конденсатора возникает высокочастотное электрическое поле, воздействующее на частицы продукта. В этих частицах наводятся токи (токи проводимости; токи, связанные с поляризацией веществ; токи смещения), вызывающие нагрев. Интенсивность нагрева тем больше, чем выше влажность частиц. Вода интенсивно испаряется. Для ускорения отвода водяных паров с помощью вентилятора продукт обдувается воздухом.

Рис. 7.3 – Высокочастотная сушка

Важным свойством ВЧ электромагнитного поля является его способность глубоко проникать в массу продукта. Благодаря этому обеспечивается глубинный прогрев и можно получить технологические результаты, недостижимые при других способах нагрева. Частота колебаний с выхода ГВЧ для разных процессов выбирается от единиц до десятков мегагерц.