Тема № 3. Электротермические установки

Электротермическое оборудование используется в процессах, в которых происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Электронагрев (электротермия) объединяет разнообразные технологические процессы тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя.

Понятие «Электротермические установки» характеризует электротермическое оборудование в комплексе с элементами сооружений, приспособлениями и коммуникациями (электрическими, газовыми, водяными, транспортными и др.), обеспечивающими его нормальное функционирование.

Электротермическое оборудование (ЭТО) – это оборудование, предназначенное для технологического процесса тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя.

Классификация ЭТО:

– электрические печи (электропечи);

– электротермические устройства;

– электротермические агрегаты.

Отличительной особенностью электрической печи (электропечи) является преобразование электрической энергии в тепловую и наличие нагревательной камеры, в которую помещается нагреваемое тело. Понятие «электропечь» может охватывать как собственно печь, так и в некоторых случаях печь со специальным оборудованием, входящим в комплект поставки (трансформаторами, щитами управления и пр.). Под «нагревательной камерой» понимается конструкция, образующая замкнутое пространство и обеспечивающая в нём заданный тепловой режим.

Электротермические устройства - оборудование без нагревательной камеры. Совокупность конструктивно связанных электропечей, устройств и другого технологического оборудования (трансформирующего, охлаждающего, моечного и др.) называется электротермическими агрегатами.

Классификация электротермического оборудования по методу нагрева

– сопротивления;

– дуговое;

– сварочное;

– диэлектрическое;

– электронно-лучевое;

– лазерное;

– ионное;

– плазменное;

– индукционное.

По температуре печи подразделяются на низкотемпературные (0 -650 С), среднетемпературные (650 – 1250 С) и высокотемпературные (1250 и выше).

Классификацию печей по технологическому назначению провести нельзя, так как для одного и того же процесса можно использовать несколько различных типов электротермического оборудования. Более удобна и правильна Классификация электрических печей по принципиальному признаку – по способу превращения электрической энергии в тепловую. В ЭТО сопротивления происходит выделение теплоты в твердых или жидких телах, включенных непосредственно в электрическую цепь, при протекании по ним электрического тока. На рисунке 3.1 приведены схемы нагрева сопротивлением.

Нагрев сопротивлением основан на законе Джоуля - Ленца, по которому при протекании тока в проводнике выделяется тепло, пропорциональное его электрическому сопротивлению, квадрату тока и времени прохождения тока. Ток может протекать по самому нагреваемому телу - прямой нагрев или по специальному нагревателю, от которого выделяемое тепло передается к нагреваемому телу теплообменом, такой нагрев называется косвенным. При косвенном нагреве различают три вида теплообмена: излучением, конвекцией и теплопроводностью. При высоких температурах определяющее значение имеет нагрев излучением. В нагреве излучением выделяется инфракрасный нагрев, основанный на подборе спектрального состава излучения с учетом свойств материалов избирательно поглощать или пропускать его. В таблице 3.1 представлена классификация электрических установок по способу превращения электрической энергии в тепловую.

Таблица 3.1 – Классификация электротермических установок по способу превращения электрической энергии в тепловую

Рисунок 3.1 – Схемы нагрева сопротивлением

а – прямой; б – косвенный; в – конвекцией с калорифером;

г – электродный в жидкой среде; д – в жидкой среде с внешним обогревом; е – в псевдокипящем слое, ж – электрошлаковый: 1 – контактная система; 2 – нагреваемое тело; 3 – нагреватель; 4 – футеровка; 5 – рабочее пространство; 6 – вентилятор; 7 – калорифер; 8 – электрод; 9 – жидкая среда; 10 – мелкие частицы; 11 – решетка; 12 – расходуемый электрод; 13 – слиток; 14 – шлаковая ванна; 15 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 16 – жидкая металлическая ванна; 17 – поддон

Вид теплопередачи: сплошные стрелки – излучением; пунктирные – конвекцией; штрих-пунктирные – теплопроводностью

На рисунке 3. 2 падающий на полупрозрачное тело поток излучения в общем случае разделяется на три составляющие: отраженный, пропущенный и поглощенный потоки. Первые две рассеиваются в пространстве, третья превращается в тепловую энергию. Соотношение между этими составляющими зависит от спектра излучения нагревателя и свойств нагреваемого тела. Подбор спектра нагревателя, соответствующего характеристикам нагреваемого материала, позволяет получать желаемые технологические результаты. В дуговом ЭТО происходит выделение теплоты в электрической дуге. Материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена с дугой и электродами.

Рисунок 3. 2 – Нагрев полупрозрачных тел излучением

1 – падающее излучение; 2 – отраженное излучение; 3 – поглощенное

излучение; 4 – пропущенное излучение; 5 – нагреваемое тело

На рисунке 3.3 представлены схемы дугового нагрева.

Рисунок 3.3 – Схемы дугового нагрева:

а – прямой; б – косвенный; в – смешанный; г – дуговой плазмотрон;

д – вакуумно-дуговой; е – оптический дуговой:1 – электрод; 2 – электрическая дуга; 3 – расплавленный металл; 4 – футеровка; 5 – корпус печи; 6 – газовая полость; 7 – слой шихты; 8 – охлаждаемый кристаллизатор; 9 – слиток металла; 10 – вакуумная система; 11 – оптическая система; 12 – нагреваемое тело; 13 – дуговая камера; 14 – технологическая камера; 15 – струя плазмы; 16 – корпус плазмотрона (анод); 17 – электроизоляционный узел; 18 – подвод газа. Сплошными стрелками показана теплопередача излучением, пунктиром – поток газа

В индукционном ЭТО происходит передача электроэнергии нагреваемому телу, помещенному в переменное электрическое поле, и превращение её в тепловую энергию при протекании индуцированных токов в нагреваемом теле. На рисунке 3.4 представлены схемы индукционного нагрева.

Рисунок 3.4 – Схемы индукционного нагрева:

а – с магнитопроводом; б – без магнитопровода; в – косвенный нагрев с промежуточным нагревателем; г – индукционно-плазменный:1 – нагреваемое тело; 2 – магнитопровод; 3 – футеровка; 4 – индуктор; 5 – промежуточный нагреватель; 6 – кварцевая труба; 7 – подвод газа. Род теплопередачи: сплошные стрелки – излучением; пунктирные – конвекцией. Штрих –пунктирными стрелками обозначен поток ионизированного газа

В диэлектрическом ЭТО(рисунок 3.5) происходит выделение теплоты в диэлектриках и полупроводниках, помещенных в переменное электрическое поле, за счёт перемещения электрических зарядов при электрической поляризации.

Рисунок 5 – Схемы диэлектрического нагрева: а - в электрическом поле; б – в электромагнитном поле (сверхвысокочастотном):1 – электроды; 2 – нагреваемое тело; 3 – волновод; 4 – резонатор

В электронно-лучевом ЭТО происходит выделение теплоты при бомбардировке нагреваемого тела в вакууме потоком электронов, эмитируемых катодом. Схема электронно – лучевого нагрева с аксиальной электронной пушкой приведена на рисунок 3.6, схема электронно-лучевой печи – на рисунке 3.7.

Рисунок 3.6 – Схема электронно-лучевого нагрева с аксиальной

электронной пушкой:1– выводы к источнику питания подогревом; 2– выводы к основному источнику питания; 3 – электронная пушка, 4 – катод подогрева, 5 – катод; 6 – анод,7 – система проведения пучка,8 -герметичный корпус печи,9 –нагреваемое тело,10 – вакуумная система; 11 – пучок электронов

Рисунок 3. 7 – Схема электронно-лучевой печи: 1 – слиток, 2 – плавильная

камера, 3 – кристаллизатор, 4 – присоединение к вакуумным, 5 – электронная пушка, 6 – переплавляемый электрод

В ионном ЭТО происходит выделение теплоты в нагреваемом теле потоком ионов, образованным электрическим разрядом в вакууме. Схемы ионного нагрева представлены на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Схемы ионного нагрева: а – диффузионный нагрев; б – ионное осаждение: 1 – герметичный корпус; 2 – обрабатываемое тело; 3 – подача газов; 4 – вакуумная система; 5 – испарительная камера; 6 – испаряемый материал; 7 – электрическая дуга Стрелками с кружками показан поток ионов

Рисунок 3.9 – Схема лазерного нагрева:

1 – электроды; 2 – резонатор (полупрозрачное зеркало); 3 – система

фокусирования и транспортирования луча; 4 – лазерное излучение; 5 – нагреваемое тело; 6 – герметичный корпус; 7 – вакуумная система; 8 –

подвод газов; 9 – резонатор (непрозрачное зеркало)

В плазменном ЭТО происходит выделение теплоты, основанное на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле. Схема плазменной печи с керамической футеровкой показана на рисунке 3.10 и схема плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым тиглем показана на рисунке 3.11.

Рисунок 3.10 – Схема плазменной печи с керамической футеровкой: 1 - корпус печи; 2 - плазменная дуга; 3 – свод; 4 – плазматрон; 5 – источник; 6 – подовый

водоохлаждаемый электрод

Рисунок 3.11 – Схема плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым тиглем: 1 – поддон; 2 – слиток; 3 – жидкий металл; 4 – плазменная дуга; 5 – корпус печи;

6 – переплавляемый электрод;7– элекрододержатель;8 – плазматрон; 9 – источник питания; 10 – кристаллизатор

В сварочном ЭТО происходит выделение теплоты в нагреваемых телах в целях осуществления неразъемного соединения с обеспечением непосредственной сплошности в месте сварки. Сварочные ЭТО делятся по виду сварки:

– контактная;

– индукционная;

– электрошлаковая;

– дуговая;

– лазерная;

– плазменная.

Схемы ручной дуговой сварки показаны на рисунке 3.12, точечной сварки – на рисунке 3.13, стыковой сварки – на рисунке 3.14, шовной двусторонней (а) и односторонней (б) сварки – на рисунке 3.15.

Рисунок 3.12 – Схема ручной дуговой сварки:

1 – основной металл; 2 – сварочная линия; 3 – кратер; 4 – сварочная дуга; 5 – приправленный металл F_пр ; 6 – наплавленный металл F_н ;7 – шлаковая корка;8 – жидкий шлак; 9 – покрытие электрода; 10 – стержень электрода;11 – элекрододержатель; 12 – сварочная цепь; 13 – источник питания

Рисунок 3.13 – Схема точечной сварки:

1 – литое ядро; 2 – свариваемые детали; 3 – верхний электрод; 4 –

трансформатор; 5 – нижний электрод

Рисунок 3.14 – Схема стыковой сварки:

1 – детали; 2 – зажимные губки; 3 – сварочный трансформатор

Рисунок 3.15 – Схема шовной двусторонней (а) и

односторонней (б) сварки: 1 – свариваемые детали; 2 – сварочные ролики; 3 - сварочный трансформатор; 4 - медная прокладка

Электротермические установки применяются в промышленности для термообработки металлов под пластическую деформацию, закалку, плавления, нагрева диэлектриков; в сельском хозяйстве для обогрева помещений различного технологического назначения; в быту (бытовые нагревательные приборы).

Применение электрической энергии для нагрева имеет ряд достоинств

– существенное снижение загрязнения окружающей среды;

– получение строго заданных значений температур, в том числе и превосходящих уровни, достигаемые при сжигании любых видов топлива;

– создание сосредоточенных интенсивных тепловых потоков;

– достижение заданных полей температур в нагреваемом пространстве;

- строгий контроль и точное регулирование длительности выделения энергии;

– гибкость в управлении потоками энергии;

– возможность нагрева материалов изделий в газовых средах любого химического состава и вакууме;

– выделение тепловой энергии непосредственно в нагреваемом веществе.

Использование электронагрева вместо пламенного в некоторых технологических процессах позволяет получить большую экономию топлива и сократить количество обслуживающего персонала. Внедрение электротермии также обеспечивает экономию материальных и трудовых

ресурсов, что в конечном результате приводит к повышению экономической эффективности.

Контрольные вопросы по лекции

1. Как подразделяются электротермические установки по способу превращения электрической энергии в тепловую?

2. На чем основаны дилатометрические методы измерения температуры? Какова область их применения?

3. Как используются термосопротивления для измерения температуры?

4. Каков принцип действия термопары? Назовите материалы широко применяемых термопар.

5. Вычертите схемы измерения температуры с использованием термопар.

6. Каково назначение мостов компенсации температуры свободных концов термопар? Вычертите схему моста компенсации и объясните его принцип действия.

7. Каково назначение пирометров излучения? В каких случаях используются оптические пирометры, а в каких радиационные?

8. Каков принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью и фотоэлектрического пирометра?

9. Каковы физические основы принципа действия индукционных печей? В чем их отличия от печей сопротивления?

10. В чем отличие индукционного сквозного нагрева от высокочастотного диэлектрического?

11. От чего зависит глубина нагрева деталей в индукционных установках?

12. Каков принцип действия дуговых электрических печей?

13. Область применения вакуумных печей электрошлакового переплава.

14. Какова температура электрической дуги в руднотермической печи и плазменной дуговой установке?

15. Как устроен плазмотрон?

16. Какими параметрами характеризуются источники питания электротермических установок и каковы их величины?