Нагревание электрическим током

С помощью электрического тока нагрев можно производить в очень широком диапазоне температур, точно поддерживая и легко регулируя температуру нагрева в соответствии с заданным технологическим режимом. Кроме того, электрические нагревательные устройства отличаются про­стотой, компактностью и удобны для обслуживания.

Однако применение электрического тока для нагрева пока относитель­но дорого. Это связано с многоступенчатостью преобразования химиче­ской энергии топлива в электроэнергию. Строительство мощных элек­тростанций открывает большие возможности для удешевления этого спо­соба нагрева.

В зависимости от способа превращения электрической энергии в теп­ло различают нагревание электрическими сопротивлениями (омический нагрев), индукционное нагревание, высокочастотное нагревание, а также нагревание электрической дугой.

Нагревание электрическим сопротивлением. Это наиболее распространенный способ нагре­вания электрическим током. Нагрев осущест­вляется в электрических печах сопротивле­ния (рис. VIII-9) при прохождении тока че­рез нагревательные элементы 2 к 3, выполнен­ные в виде проволочных спиралей или лент. Нагревательные элементы изготавливаются главным образом из хромо-железо-алюминие­вых сплавов, обладающих большим омичес­ким сопротивлением и высокой жаростойко­стью (нихромы или фехрали). Тепло, выде­ляющееся при прохождении электрического тока через нагревательные элементы, переда­ется стенкам обогреваемого аппарата 1. Печь футеруют изнутри огнеупорной кладкой 4 и по­крывают снаружи слоем тепловой изоляции, например слоем шлаковой ваты. Для периоди­ческого осмотра электронагревателей электро­печь снабжается опускным устройством 5. При питании печи трехфаз­ным током температуру нагрева обычно регулируют переключением про­водников со звезды на треугольник и соответствующим изменением по­требляемой мощности или отключением отдельных секций нагреватель­ных элементов.

Нагревание сопротивлением производят также с помощью проволочных проводников, которые намотаны на керамические сердечники, заключен­ные в трубы и набираемые в секции. Такие стандартные нагревательные элементы применяются, в частности, в котлах для ВОТ. Нагрев электри­ческими сопротивлениями позволяет достигать температур 1000—1100 °С. Расчет электронагревателей заключается в определении потребной мощности, на основе которой находят необходимую силу тока и сопро­тивление Я нагревателя. По величине R подбирают материал, сечения и длину проводников.

Кроме того, по уравнениям теплопередачи должна быть вычислена поверхность элементов, при которой заданное количество тепла будет передаваться нагреваемой среде (в основном излучением) без чрезмерного повышения температуры и перегорания нагревателя. Расчет электрона­гревателей приводится в специальной литературе*.

Индукционное нагревание. Этот способ нагревания электрическим то­ком основан на использовании теплового эффекта, вызываемого вихре­выми токами Фуко, возникающими в толще стенок стального аппарата под воздействием переменного электрического поля. Аппарат с индук­ционным электронагревом подобен трансформатору, первичной обмоткой которого служат индукционные катушки, а магнитопроводом и вторич­ной катушкой — стенки аппарата.

На рис. VIII-10 показан реакционный аппарат с мешалкой, снабженный внешним индукционным обогревом. Переменное магнитное поле создает­ся с помощью индукционных катушек 2, которые крепятся на аппарате /. Аппарат снабжен змеевиком 3 и мешалкой 4. Регулирование температуры нагрева производят переключением соединения катушек со звезды на треугольник.

Индукционное нагревание обеспечивает рав­номерный обогрев при температурах, обычно не превышающих 400 °С, и позволяет точно под­держивать заданную температуру нагрева. Элек­тронагреватели отличаются малой тепловой инер­цией к возможностью точной регулировки темпе­ратуры. Их работа может быть полностью авто­матизирована.

Недостатком индукционного нагревания яв­ляется его дороговизна. Поэтому для повышения экономичности нагревание иногда проводят ком­бинированным способом. Сначала продукт в ап­парате нагревают насыщенным водяным паром, проходящим через змеевик 3 (см. рис. VIII-10) до температуры приблизительно 180°С, после чего повышают температуру до заданного уровня с помощью индукционного нагрева.

Высокочастотное нагревание. Такой способ применяют для нагревания материалов, не про­водящих электрического тока (диэлектриков), и поэтому часто называют диэлектричес­ким. Принцип высокочастотного нагревания заключается в том, что молекулы материала, по­мещенного в переменное электрическое поле, на­чинают колебаться с частотой поля и при этом поляризуются. Коле­бательная энергия частиц затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в тепло непосредственно в мас­се нагреваемого материала. За счет использования тепла диэлектричес­ких потерь достигается весьма равномерное нагревание материала.

Использование для нагревания токов высокой частоты (от 10 до 100 Мгц) обуслов­лено стремлением устранить применение опасных высоких напряжений, так как величество выделяющегося в массе диэлектрика тепла пропорционально квадрату на­пряжения и частоте тока Токи высокой частоты получают в ламповых генераторах, преобразующих обычный переменный ток частотой 50 гц в ток высокой частоты По­следний подводят к пластинам конденсатора, между которыми помещается нагревае­мый материал.

Высокочастотный обогрев в химической технологии применяют для нагревания пластических масс перед их прессованием, для сушки неко­торых материалов и других целей. Температура нагрева легко и точно регулируется и процесс нагревания может быть полностью автоматизи­рован. Однако этот способ обогрева требует довольно сложной аппара­туры, и к. п. д. нагревательных установок низок. Поэтому высокочастот­ному нагреванию рационально подвергать ценные материалы, обогрев которых не допустим другими, более дешевыми, способами.

Нагревание электрической дугой. Нагревание производят в дуговых печах, где электрическая энергия превращается в тепло за счет пламени дуги, которую создают между электродами Над нагреваемым материалом либо помещают оба электрода, либо устанавливают над материалом один электрод, а сам материал выполняет роль вто­рого электрода Электрическая дуга позволяет сосредоточить большую электрическую мощность в малом объеме, внутри которого раскаленные газы и пары переходят в со­стояние плазмы. В результате удается получить температуры, достигающие 1500— 3000 °С

Дуговые печи применяют для получения карбида кальция и фосфора; крекинга углеводородов; в металлургии их широко используют для плавки металлов. В ка­честве нагревательных устройств такие печи не применяют вследствие неравномер­ности обогрева и трудности регулирования температуры нагрева.