Нагревание электрическим током

Электрическая энергия может быть использована для нагревания электрической дугой, сопротивлением и диэлектрического нагревания.

Нагревание электрической дугой применяется в дуговых печах и дает возможность развивать высокие температуры (1500-2000ºС и выше). Различают печи с открытой и закрытой дугой.

В печах с открытой дугой пламя дуги образуется между электродами, расположенными над нагреваемым материалом, и тепло передается путем лучеиспускания.

В печах с закрытой дугой пламя дуги образуется между электродом и самим нагреваемым материалом. Дуговые печи не обеспечивают равномерного обогрева и точного регулирования температур. Используются дуговые печи для плавки металлов, а также при получении карбида кальция и фосфора.

Нагревание сопротивлением производится непосредственным пропусканием электрического тока через нагреваемое тело, или пропусканием тока через специальные нагревательные элементы, от которых тепло передается нагреваемому телу путем лучеиспускания и конвенции.

Такой способ нагревания применяется при температурах до 1000-1100ºС; дает равномерный обогрев и обеспечивает точное регулирование температуры посредство изменения напряжения электрического тока или путем включения и отключения части элементов.

К нагреванию сопротивлением относится нагревание индукционными токами,которое производится следующим образом: аппарат окружают обмоткой, через которую пропускается переменный ток. При этом вокруг обмотки образуется переменное магнитное поле, индуцирующее в стенках аппарата электродвижущую силу. В результате в стенках аппарата возникает электрический ток, который и прогревает их по всей толщине.

Диэлектрическое нагревание, или нагревание токами высокой частоты, основано на том, что при воздействии на диэлектрик (непроводник электрического тока) переменного электрического поля часть энергии затрачивается на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в тепло;при этом диэлектрик нагревается.

Для генерирования токов высокой частоты пользуются ламповым генератором; полученные в генераторе токи высокой частоты подводят к конденсатору, между обкладками которого помещается нагреваемый материал

Достоинствами диэлектрического нагревания являются: непосредственное выделение тепла в нагреваемом теле, что особенно важно для материалов с низкой теплопроводностью, к которым относится большинство диэлектриков; нагрев всей толщины материала до требуемой температуры в течение короткого промежутка времени без перегрева отдельных частей, легкое регулирование процесса нагревания и возможность его полной автоматизации.

Охлаждение

В качестве охлаждающих агентов используют воздух и воду, для достижения низких температур – низкотемпературные агенты.

Воздух применяется для естественного и искусственного охлаждения, например, с помощью вентилятора. При естественном охлаждении нагретый теплоноситель охлаждается за счет потерь тепла через стенки аппарата в окружающую среду. Искусственное охлаждение воздухом используется в поверхностных или смесительных теплообменниках.

Охлаждение воздухом в поверхностных теплообменниках применяется редко из-за низкого коэффициента теплопередачи и значительного расхода энергии при работе вентилятора.

Смесительные теплообменники представляют собой аппараты башенного типа, в которых охлаждаемый воздух движется снизу вверх навстречу стекающей жидкости. При этом охлаждение происходит не только за счет теплоотдачи, но в значительной степени за счет испарения части жидкости. Такие аппараты широко используются для охлаждения воды и называются градирнями.

Вода является наиболее распространенным охлаждающим агентом. Ее достоинства: высокая теплоемкость, большой коэффициент теплоотдачи и доступность.

Достигаемая степень охлаждения зависит от начальной температуры воды, которая в зависимости от местных условий и времени года колеблется от 4 до 25ºС. Мало изменяющуюся в течение года температуру (8 – 15ºС) имеет подземная (артезианская)вода. Часто для охлаждения пользуются оборотной водой,т.е. водой, охлажденной в градирне. В этом случае нагретая в теплообменном аппарате вода поступает на охлаждение в градирню, после чего возвращается на охлаждение теплообменного аппарата. При пользовании оборотной водой свежая вода расходуется только на пополнение ее потерь вследствие частичного испарения в градирне. Оборотная вода имеет высокую температуру, достигающую летом 30ºС.

Охлаждение водой производят иногда путем непосредственного соприкосновения ее с охлаждаемым теплоносителем (например, охлаждают газы разбрызгиванием в них воды), но чаще пользуются поверхностными теплообменниками. Конечную температуру воды, во избежание выделения растворенных в ней солей и образования накипи, принимают обычно не выше 40 – 50ºС.

Если температура охлаждаемой среды выше 100ºC, применяют испарительное охлаждение, при котором часть воды испаряется. В этом случае расход воды резко снижается, а образующийся пар утилизируется.

Низкотемпературные агенты используют для создания температур ниже 5 – 20ºС, обычно не достижимых при охлаждении водой. В качестве таких агентов применяют лед, охлаждающие смеси (смеси льда с различными солями), холодильные рассолы (растворы хлорида кальция, хлорида натрия и др.) и пары жидкостей, кипящих при низких температурах. При охлаждении холодильными рассолами и парами низкокипящих жидкостей пользуются холодильными установками.