Тема 4. Основы теории электронагревательных устройств

 

Способы преобразования электрической энергии в тепловую

При электрическом нагреве в материале создаётся электрическое поле. Способы его образования могут быть различными:

- электрическое поле в проводнике создаётся при непосредственном его подключении к источнику Э.Д.С. Под действием поля свободные заряды (ионы, электроны) начинают перемещаться, приобретая кинетическую энергию. Сталкиваясь с нейтральными атомами и молекулами, они отдают запас кинетической энергии, который расходуется на увеличение теплового движения частиц, и температура вещества повышается.

- электрическое поле в проводнике, расположенном в индукторе, наводится переменным магнитным полем. Наведённое электрическое поле вызывает движение свободных зарядов, энергия которых, как и в первом случае, превращается в теплоту.

- электрическое поле в диэлектрике, находящемся в конденсаторе, вызывает движение связанных зарядов, которые под влиянием электрического поля смещаются один относительно другого только в некоторых пределах. Смещение происходит с «трением», что приводит к выделению теплоты.

С точки зрения термодинамики, теплота – это мера внутренней энергии системы, связанная с молекулярным (тепловым) движением, независящая от механического движения тел или их взаимного расположения. Изменение внутренней энергии происходит под действием внешних факторов и может осуществляться либо затратой работы, либо путём теплообмена. Преобразование электрической энергии в тепловую сопровождается затратой работы (энергии) электромагнитного поля.

Рис. 4.1
Способы преобразования электрической энергии в теплоту:
а - сопротивлением электроконтактный; б - сопротивлением электродный;

в - сопротивлением элементный; г и д- индукционный прямого и косвенного нагрева: е и ж - электродуговой косвенного и прямого нагрева;

з-диэлектрический: и - термоэлектрический

 

Классификация электротермических установок

Электротермические установки (ЭТУ) классифицируют по следующим признакам:

- по способу превращения электрической энергии в тепловую и другим признакам;

- по роду тока;

- по частоте тока;

- по способам теплопередачи;

- по технологическому назначению;

-по напряжению питания;

- по рабочей температуре.

Классификация ЭТУ по способу преобразования электрической энергии в тепловую:

- нагрев сопротивлением прямой и косвенный;

- нагрев электрической дугой;

- нагрев в переменном магнитном поле – индукционный способ;

- нагрев в переменном электрическом поле – диэлектрический способ;

- нагрев электронным пучком;

- нагрев квантами (инфракрасный, лазерный способы нагрева);

- плазменный нагрев;

- термоэлектрический нагрев.

Классификация ЭТУ по роду тока:

- постоянного тока;

- переменного тока.

Классификация ЭТУ по частоте тока:

- промышленной частоты (50 Гц);

- повышенной частоты;

- высокой частоты;

- сверхвысокой частоты.

По виду нагрева ЭТУ можно разделить на 2 группы:

- прямого нагрева;

- косвенного нагрева.

По режиму работы ЭТУ делят на 2 группы:

- непрерывного действия;

- периодического действия.

По рабочей температуре различают ЭТУ:

- низкотемпературные (до 500…600⁰С);

- среднетемпературные (до 1250⁰С);

- высокотемпературные (свыше 1250⁰С).

По классу напряжения ЭТУ бывают:

- до 1кВ;

- свыше 1кВ;

-безопасного напряжения.

По технологическому назначению ЭТУ разделяют на:

- универсальные;

- специальные.

 

Основы динамики электронагрева

Процессы нагрева ЭТУ, их отдельных элементов, а также нагреваемых материалов являются динамическими. Рассмотрим процесс изменения температуры ЭТУ или нагреваемого материала во времени.

Допустим, что:

- ЭТУ или нагреваемый материал представляют собой однородные тела и обладают бесконечно большой теплопроводностью, поэтому температура во всех их точках одинакова;

- тепловой поток в окружающую среду пропорционален разности температур ЭТУ t_эту или материалов t_ми окружающей среды t_окр

 

= t_эту – t _окр=( t_м - t_окр );                                                   (4.1)

- теплоёмкость С, теплоотдача kF и мощность Р ЭТУ или материала от температуры не зависит;

- температура окружающей среды в процессе разогрева не изменяется.

Дифференциальное уравнение теплового баланса за время dτ имеет вид:

 

                              (4.2)

 

где:  - превышение температуры, P·dτ – подводимая тепловая энергия или теплота, выделяющаяся в нагревателе установки;

m·c·dƟ - часть теплоты, выделяющаяся в материале и идущая на повышение его температуры, или запасаемая в элементах электротермической установки; k·F·Ɵ dτ – часть теплоты, рассеиваемая в окружающую среду.

Разделив переменные, получим:

                                                       (4.3)

 

Время нагрева τ – один из параметров, определяющий режим нагрева материала или электротермической установки.

Проинтегрировав выражение и определив постоянную интегрирования из нулевых начальных условий получим, что время нагрева равно:

 

                                                (4.4)

 

Величина постоянной интегрирования Т называется постоянной времени нагрева и может быть определена как:

 

.                                                             (4.5)

 

Тогда выражение примет вид:

 

                                       (4.6)

 

Превышение температуры нагрева при условии, что разогрев идёт из холодного состояния, определяется по формуле:

 

                (4.7)

 

При τ=∞ превышение температуры принимает установившиеся значение:

 

                                                   (4.8)

Практически, установившийся режим наступает при τ = (3…4)T.

Если разогрев идёт не из холодного состояния, то формула, с учётом этого обстоятельства, примет вид:

 

                                (4.9)

 

Нетрудно показать, что при τ = T превышение температуры равно

. На основании выражения постоянную времени нагрева Т можно определить как промежуток времени, за который превышение температуры достигает значения .

При отключении ЭТУ материал и сама установка охлаждаются, и тогда уравнение можно переписать в виде:

 

                            (4.10)

 

Если охлаждение начинается с установившегося значения превышения температуры, то уравнение примет вид:

 

                                         (4.11)

 

В этом выражении величину Т следует называть постоянной времени охлаждения. При τ=T превышения температуры достигает значения

Временные характеристики процессов нагрева и охлаждения:

Рис. 4.2 Кривые нагрева и охлаждения однородного тела

 

Экспоненциальный характер изменения превышения температуры при нагреве и охлаждении свидетельствует о том, что их скорости изменяются во времени.

Все процессы нагрева и охлаждения нестационарны, так как связаны с изменением теплосодержания материала и его температуры. Тепловое равновесие настаёт, если поступающая тепловая энергия равна её расходу.

 

Уравнение теплового баланса

Тепловой баланс включает в себя следующие составляющие.

Поступление тепловой энергии в электротермическую установку от:

- электрических нагревателей,

- различного технологического и электротехнического оборудования (электродвигатели, лампы накаливания и т.п.),

- возможных химических реакций при электротехнологическом процессе,

- нагреваемого сырья.

Полезный расход тепловой энергии:

- нагрев или фазовое преобразование материала (например, испарение, плавление);

- нагрев вспомогательных устройств (например, крепеж, кожух, упаковка, тара).

Потери тепловой энергии.

Уравнение теплового баланса, с учетом вышеизложенного, запишется в виде:

 

Q_эн + Q_с+ Q_эо = Q_пол+ Q_всп+ Q_пот ,                             (4.12)

 

где Q_эн, Q_с, Q_эо – тепловая энергия электронагревателей; сырья и работающего технологического оборудования и электрооборудования, Дж;

Q_пол– тепловая энергия расходуемая полезно, Дж;

Q_всп– тепловая энергия, затрачиваемая на нагрев вспомогательных устройств, Дж;

Q_пот– энергия тепловых потерь, Дж.

Мощность электротермической установки может быть определена по следующему выражению:

 

                                            (4.13)

 

где: k_з– коэффициент запаса; Р_потр– потребляемая мощность, Вт;

– электрический к.п.д. установки; – тепловой к.п.д. установки.

Коэффициент запаса (k_з =1,1..1,3) учитывает уменьшение фактической мощности электротермической установки вследствие снижения питающего напряжения, старения материалов нагревателей, а также возможное отклонение условий эксплуатации от расчётных значений.

Потребная мощность электротермической установки

 

Р_потр = Р_пол + Р_всп+ Р_пот,                                           (4.14)

 

где Р_пол – полезная тепловая мощность, Вт; Р_всп – мощность, идущая на нагрев вспомогательных устройств, Вт; Р_пот– мощность тепловых потерь, Вт.

Для электротермической установки периодического действия полезная теплота:

 

                                          (4.15)

 

где V – объём материала, м³; ρ – плотность материала, кг/м³; с – удельная теплоёмкость материала, Дж/кг∙^оС; t₂ – конечная заданная температура, ^оС;

t₁ –начальная температура материала, ^оС.

Полезная мощность:

 

                                    (4.16)

 

где τ - время нагрева, с.

Для электротермической установки непрерывного действия полезная теплота:

 

                                 (4.17)

 

где L – объёмная подача нагреваемого материала в ЭТУ, м³/с.

При нагреве материала и его плавлении полезная теплота определяется по формуле:

 

                        (4.18)

 

где а_т – удельная теплота плавления материала, Дж/кг.

При нагреве материала и его испарении полезная теплота определится по формуле:

 

               (4.19)

 

где r_т – удельная теплота испарения материала, Дж/кг.

Мощность, затрачиваемую на нагрев вспомогательных устройств, находят по формулам расчёта полезной мощности, причём температуру вспомогательного оборудования принимают равной температуре нагреваемого материала.

 

Способы передачи тепла

Передача тепловой энергииосуществляются посредством теплопроводности, конвекции и излучения, причём в установках передача тепла может осуществляться одновременно двумя или всеми трёмя перечисленными способами.

Теплопроводность – процесс передачи теплоты в неравномерно нагретом теле или непосредственно соприкасающихся телах, при котором теплоту переносят микрочастицы веществ, перемещающиеся из областей высокой температуры в области низких температур. В наиболее чистом виде теплопроводность проявляется внутри твёрдых монолитных тел или в очень тонких неподвижных слоях жидкости или газа. Теплота передаётся лишь при наличии разности температур между частями тела, системами тел и т.д., т.е. в температурном поле.

Конвекция – процесс переноса теплоты текущей жидкостью или газом из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела одной температуры и потоком жидкости или газа с другой температурой называют конвективной теплоотдачей. Различают теплоотдачу при вынужденном движении жидкости или газа (вынужденная конвекция) и при свободном движении (естественная конвекция).

Тепловой поток (Вт) при конвективном теплообмене рассчитывают по формуле Ньютона:

 

                                (4.20)

 

где Δt – разность температур на стенке t_с и потока жидкости (или газа) t_ж,°С;

α –коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·°С; F - площадь поверхности теплообмена, м².

Излучение – процесс переноса теплоты от одного тела к другому посредством электромагнитных волн через разделяющую тела (прозрачную для волн) среду.

Плотность теплового потока (Вт/м²), передаваемого от излучателя, имеющего температуру Т₁, к нагреваемому телу с температурой Т₂, определяют по формуле закона Стефана-Больцмана:

 

                                 (4.21)

 

где Δt =(t₁ - t₂) – разность температур излучателя t₁ = (Т₁ -273) и нагреваемого тела t₂= (Т₂ -273), °С; R_c – термическое сопротивление излучению, м²·°С/Вт.

Термическое сопротивление излучению:

 

                                           (4.22)

 

 

 

---

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 611; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!