Эффект Джоуля электрического тока используется для преобразования электрической энергии в тепловую для обогрева объектов. Обычно его делят на нагрев с прямым сопротивлением и нагрев с косвенным сопротивлением. Напряжение питания первого подается непосредственно на нагреваемый объект, и при протекании тока нагревается сам нагретый объект (например, утюг с электрическим нагревом). Объект, который можно нагреть непосредственно резистивно, должен быть проводником, но с большим удельным сопротивлением. Поскольку тепло вырабатывается самим нагретым объектом, оно относится к внутреннему нагреву, а тепловой КПД высок. Косвенный резистивный нагрев должен быть изготовлен из специальных сплавов или неметаллических материалов для изготовления нагревательных элементов, которые генерируют тепловую энергию и передают ее нагреваемому объекту посредством излучения, конвекции и теплопроводности. Поскольку нагреваемый объект и нагревательный элемент разделены на две части, тип нагреваемого объекта обычно не ограничен и прост в эксплуатации.
Материалы, используемые в нагревательном элементе косвенного нагрева сопротивления, обычно требуют большого удельного сопротивления, небольшого температурного коэффициента сопротивления, небольшой деформации при высокой температуре и не легко охрупчиваются. Обычно используются железо-алюминиевый сплав, никель-хромовый сплав и другие металлические материалы, а также карбид кремния, дисилицид молибдена и другие неметаллические материалы. Максимальная рабочая температура металлических нагревательных элементов может достигать 1000~1500 градусов в зависимости от типа материала; Максимальная рабочая температура неметаллических нагревательных элементов может достигать 1500~1700 градусов. Последний прост в установке и может быть заменен горячей печью, но при работе ему требуется устройство регулирования давления, и его срок службы короче, чем у нагревательных элементов из сплава, и обычно используется в высокотемпературных печах, местах, где температура превышает максимальную рабочую температуру, допускаемую нагревательными элементами из металлического материала и некоторыми особыми случаями. Тепловое воздействие самого проводника происходит за счет наведенного тока (вихревого тока), создаваемого проводником в переменном электромагнитном поле. В соответствии с различными требованиями к процессу нагрева частота источника питания переменного тока, используемого в индукционном нагреве, представляет собой частоту сети (50~60 кГц), среднюю частоту (60~10000 Гц) и высокую частоту (выше 10000 Гц). Источник питания промышленной частоты обычно используется в промышленности переменного тока, в большинстве стран мира частота питания составляет 50 Гц. Напряжение, подаваемое на индукционное устройство источником питания промышленной частоты для индукционного нагрева, должно быть регулируемым. В зависимости от мощности нагревательного оборудования и мощности сети электроснабжения, источник питания (6~10 кВ) может использоваться для подачи питания через трансформатор; Нагревательный прибор также можно подключить непосредственно к низковольтной сети 380 вольт.
Среднечастотный источник питания долгое время использовал генераторные установки средней частоты. Он состоит из генератора средней частоты и приводного асинхронного двигателя. Выходная мощность этого устройства обычно находится в диапазоне от 50 до 1000 киловатт. С развитием технологии силовой электроники стали использоваться тиристорные инверторные источники питания средней частоты. В этом среднечастотном источнике питания используются тиристоры для преобразования переменного тока промышленной частоты в постоянный ток, а затем преобразования постоянного тока в переменный ток необходимой частоты. Из-за небольшого размера, легкого веса, отсутствия шума, надежной работы и т. д. это оборудование для преобразования частоты постепенно заменило генераторную установку средней частоты.
В высокочастотном источнике питания обычно используется трансформатор для повышения трехфазного напряжения 380 вольт до высокого напряжения около 20, 000 вольт, а затем используется тиристор или высоковольтный кремниевый выпрямительный элемент для выпрямления частоты сети. переменного тока в постоянный ток, а затем использует электронный генератор для преобразования постоянного тока в высокочастотный переменный ток высокого напряжения. Выходная мощность оборудования высокочастотного электроснабжения колеблется от десятков киловатт до сотен киловатт.
Объекты, которые нагреваются индуктивно, должны быть проводниками. При прохождении через проводник высокочастотного переменного тока в проводнике возникает скин-эффект, то есть поверхностная плотность тока проводника велика, а плотность тока центра проводника мала.
Индукционный нагрев может равномерно нагревать объект и поверхность в целом; Может плавить металлы; В диапазонах высоких частот изменение формы нагревательной катушки (также известной как индуктор) также может использоваться для произвольного локального нагрева. Нагрев объектов с использованием высоких температур, генерируемых электрической дугой. Дугой называется газовый разряд между двумя электродами. Напряжение дуги невелико, но ток велик, и ее сильный ток поддерживается большим количеством ионов, испаряющихся на электроде, поэтому на дугу легко воздействует окружающее магнитное поле. При образовании дуги между электродами температура столба дуги может достигать 3000~6000К, что подходит для высокотемпературного плавления металлов.
Существует два типа дугового нагрева: прямой и непрямой дуговой нагрев. Дуговой ток, нагретый прямой дугой, проходит непосредственно через нагретый предмет, который должен быть электродом или средой дуги. Дуговой ток, нагретый непрямой дугой, не проходит через нагреваемый объект, а нагревается в основном за счет тепла, излучаемого дугой. Характеристики дугового нагрева: высокая температура дуги, концентрация энергии, а поверхностная мощность бассейна дуговой сталеплавильной печи может достигать 560~1200 кВт/кв.м. Однако шум дуги велик, а ее вольт-амперная характеристика является характеристикой отрицательного сопротивления (падающей характеристикой). Для поддержания стабильности дуги при нагреве дуги мгновенное значение напряжения в цепи больше, чем значение пускового напряжения, когда ток дуги пересекает ноль, а для ограничения тока короткого замыкания используется резистор определенное значение должно быть включено последовательно в цепь питания. Электроны, движущиеся с большой скоростью под действием электрического поля, используются для бомбардировки поверхности объекта и нагревания ее. Основным компонентом электронно-лучевого нагрева является генератор электронного луча, также известный как электронная пушка. Электронная пушка в основном состоит из катода, лучевого полиэлектрода, анода, электромагнитной линзы и катушки отклонения. Анод заземлен, катод подключен к отрицательному высокому положению, фокусирующий пучок обычно имеет тот же потенциал, что и катод, и между катодом и анодом образуется ускоренное электрическое поле. Электроны, испускаемые катодом, разгоняются до очень высокой скорости под действием ускоряющего электрического поля, фокусируются электромагнитной линзой, а затем контролируются отклоняющей катушкой, так что электронный луч устремляется к нагретому объекту в определенном направлении. .
Преимущества электронно-лучевого нагрева: (1) контролировать текущее значение Ie электронного луча, что позволяет легко и быстро изменять мощность нагрева; (2) Электромагнитную линзу можно использовать для свободной замены нагреваемой части или можно свободно регулировать площадь части, подвергаемой бомбардировке электронным лучом; (3) Плотность мощности можно увеличить так, чтобы вещество в точке бомбардировки моментально испарилось. Используя объекты инфракрасного излучения, объект поглощает инфракрасные лучи, преобразует лучистую энергию в тепловую энергию и нагревает ее.
Инфракрасное излучение — это электромагнитная волна. В солнечном спектре, за красным концом видимого света, находится невидимая форма лучистой энергии. В электромагнитном спектре диапазон длин волн инфракрасного излучения составляет {{0}},75~1{{10}}00 микрон, а частота диапазон составляет от 3×1{{2{0}}~4×10 кГц. В промышленных применениях инфракрасный спектр часто делится на несколько диапазонов: 0,75–3,0 мкм для ближнего инфракрасного диапазона; 3,0~6,0 мкм для среднего инфракрасного диапазона; 6,0~15,0 мкм для дальнего инфракрасного диапазона; 15,0~1000 микрон для крайне дальнего инфракрасного диапазона. Различные объекты имеют разную способность поглощать инфракрасные лучи, даже если один и тот же объект имеет разную способность поглощать инфракрасные лучи с разными длинами волн. Поэтому при применении инфракрасного обогрева в зависимости от типа нагреваемого объекта выберите соответствующий источник инфракрасного излучения, чтобы энергия излучения концентрировалась в диапазоне длин волн поглощения нагретого объекта для получения хорошего эффекта нагрева.
Электрический инфракрасный нагрев на самом деле является особой формой резистивного нагрева, то есть в качестве радиаторов для изготовления источников излучения используются такие материалы, как вольфрам, железо-никелевый или никель-хромовый сплав. При подаче питания тепловое излучение генерируется за счет тепла, выделяемого его сопротивлением. Обычно используемые источники электрического инфракрасного нагревательного излучения представляют собой лампы (отражающие), трубчатые (кварцевые) и пластинчатые (плоские). Тип лампы представляет собой инфракрасную лампу с вольфрамовой нитью в качестве излучателя, а вольфрамовая нить запечатана в стеклянной оболочке, заполненной инертным газом, как и обычные лампы освещения. Когда излучатель находится под напряжением, он нагревается (температура ниже, чем у обычной лампочки), испуская при этом большое количество инфракрасных лучей с длиной волны около 1,2 мкм. Если внутренняя стенка стеклянной оболочки покрыта отражающим слоем, инфракрасные лучи могут концентрироваться в одном направлении, поэтому источники инфракрасного излучения лампового типа также называют отражающими инфракрасными излучателями. Трубка трубчатого источника инфракрасного излучения изготовлена из кварцевого стекла, а посередине находится вольфрамовая проволока, поэтому его еще называют кварцевым трубчатым инфракрасным излучателем. Длина волны инфракрасного излучения, излучаемого лампой и трубкой, находится в диапазоне 0.7~3 микрона, а рабочая температура низкая, что обычно используется для нагрева, выпекания, сушки и инфракрасной физиотерапии на свету. и текстильной промышленности. Поверхность излучения пластинчатого источника инфракрасного излучения представляет собой плоскость, состоящую из плоской пластины сопротивления, лицевая сторона пластины сопротивления покрыта материалом с большим коэффициентом отражения, а обратная сторона покрыта материалом с малый коэффициент отражения, поэтому большая часть тепловой энергии излучается фронтом. Рабочая температура пластинчатого типа может достигать более 1000 градусов, что позволяет использовать его для отжига сварных швов стальных материалов, труб и резервуаров большого диаметра.
Поскольку инфракрасное излучение обладает сильной проникающей способностью, оно легко поглощается объектами, а после поглощения объектами немедленно преобразуется в тепловую энергию; Потери энергии до и после инфракрасного нагрева невелики, температуру легко контролировать, а качество нагрева высокое, поэтому применение инфракрасного нагрева быстро развивается. Электрические поля высокой частоты используются для нагрева изоляционных материалов. Основным объектом нагрева является диэлектрик. Когда диэлектрик помещается в переменное электрическое поле, он будет многократно поляризоваться (явление, заключающееся в том, что диэлектрик имеет одинаковое количество зарядов противоположной полярности на своей поверхности или внутри под действием электрического поля), тем самым преобразуя электрическую энергию в электрического поля в тепловую энергию.
Частота электрического поля, используемого для нагрева среды, высока. В среднем, коротковолновом и ультракоротковолновом диапазонах частота составляет от нескольких сотен килогерц до 300 МГц, что называется высокочастотным нагревом среды, а если оно выше 300 МГц и достигает СВЧ-диапазона, то называется микроволновым. средний нагрев. Обычно высокочастотный нагрев среды осуществляется в электрическом поле между двумя пластинами; СВЧ-нагрев среды осуществляется в поле излучения волноводов, резонаторов или СВЧ-антенн.
Когда диэлектрик нагревается в высокочастотном электрическом поле, электрическая мощность, потребляемая в единице объема, составляет P=0,566fEεrtgδ×10 (Вт/см).
Если выразить в тепле, то это:
H=1,33fEεrtgδ×10 (кал/с·см)
где f — частота высокочастотного электрического поля, εr — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, δ — угол диэлектрических потерь, E — напряженность электрического поля. Из формулы видно, что электрическая мощность, отбираемая диэлектриком от высокочастотного электрического поля, пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е, частоте f электрического поля и углу потерь δ диэлектрика . E и f определяются приложенным электрическим полем, а εr зависит от свойств самого диэлектрика. Поэтому объектом нагрева среды в основном являются вещества с большими диэлектрическими потерями.
Поскольку тепло генерируется внутри диэлектрика (нагреваемого объекта), скорость нагрева высокая, тепловой КПД высокий, а нагрев равномерный по сравнению с другим внешним нагревом.
Нагрев среды можно использовать в промышленности для нагрева термогелей для сушки зерна, бумаги, дерева и других волокнистых материалов; Возможен также предварительный нагрев пластмасс перед формованием, а также вулканизация резины и склеивание древесины, пластмасс и т. д. Выбрав соответствующую частоту электрического поля и устройство, можно нагревать клей только при нагреве фанеры, не затрагивая саму фанеру. Для однородных материалов возможен интегральный нагрев.
