Физико-технические основы электротермии

 

Одной из наиболее распространенных групп электротехнологических установок общепромышленного назначения является группа электротермических установок.

Электротермия объединяет разнообразные технологические процессы тепловой обработки с использованием электроэнергии в качестве основного энергоносителя.

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 в 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.

 

Виды теплопередачи.

 

Электротермические процессы связаны с преобразованием электрической энергии в тепловую и с переносом тепловой энергии внутри тела (твердого, жидкого, газообразного) или из одного объема в другой по законам теплопередачи.

Теплопередачей (теплообменом) называется переход тепла из одной части пространства к другой, от одного тела к другому или внутри тела от одной его части к другой. Непременным условием теплообмена является наличие разности температур отдельных тел или участков тел.

Различают стационарный и нестационарный теплообмен (рис. 2.1).

Существуют три вида теплообмена, три различных способа передачи тепла (рис. 2.2). Теплопроводность обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодействием микрочастиц (молекул, атомов, электронов), частицы с большей энергией (более нагретые и, следовательно, более подвижные) отдают часть своей энергии менее нагретым (менее подвижным).

 

СТАЦИОНАРНЫЙ (УСТАНОВИВШИЙСЯ) температурное поле постоянно, не меняется во времени, температура отдельных точек рассматриваемых тел или пространства неизменна. Так как при таком процессе ни одна точка пространства не остывает и не на- гревается, то общий запас содержащейся в ней тепловой энергии(аккумулированное данным веществом тепло) также остается без изменения

НЕСТАЦИОНАРНЫЙ (НЕУСТАНОВИВШИЙСЯ)   Температура отдельных точек рассматриваемого пространства или тела меняется во времени, следо-вательно, изменяется температур-ное поле в теле и аккумулирован- ное в нем или отдельных его частях тепло, его теплосодержание

ТЕПЛООБМЕН

 

 

Рис. 2.1. Классификация теплообмена

 

Скорость теплопередачи в этом случае зависит от физических свойств вещества, в частности от его плотности. У плотных тел (металл) скорость теплопередачи больше, у пористых (пенопласт) – меньше.

Тепловой поток через плоскую стенку при установившемся режиме (определяется по закону Фурье) пропорционален разнице температур поверхности стенки и обратно пропорционален термическому сопротивлению стенки.

                                                                         (2.1)

 

здесь  – коэффициент теплопроводности, характеризующий способность вещества проводить теплоту;  – градиент температуры в направлении распространения тепловой энергии; dτ – элементарное время; dF – элементарная площадка, перпендикулярная направлению теплового потока.

Передача теплоты конвекцией неотделима от передачи теплоты теплопроводностью. Количественно передача теплоты конвекцией от твёрдого тела, омываемого жидкостью или газом (или в обратном направлении), описывается формулой

                                                             (2.2)

 

здесь  – коэффициент отдачи конвекцией; ,  – температура стенки и газа;  – поверхность теплоотдачи.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ - передача теплоты внутри твердого тела или неподвижной жидкости (газа) от областей с более высокой температурой к областям с более низкой температурой

ЛУЧИСТЫЙ (ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ) передача теплоты в невидимой (инфракрасной) и видимой частях спектра

ЕСТЕСТВЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ (ИЛИ СВОБОДНАЯ) обусловлена лишь разностью плотностей вещества вследствие различных температур

ВЫНУЖДЕНАЯ КОНВЕКЦИЯ обусловлена наложением на нагретый объем вещества вешних сил (принудительное переме-щение вещества)

КОНВЕКТИВНЫЙ -теплопередача в жидкости и газах, при которой перемещаются отдельные частицы и отдельные элементы объема вещества, переносящие присущий им запас тепловой энергии, т.е. перенос теплоты вместе с переносом массы вещества

ТЕПЛООБМЕН

 

Рис. 2.2 Классификация теплообмена по способу передачи тепла

 

При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн.

Каждое непрозрачное нагретое тело, находящееся в прозрачной среде, излучает во все стороны лучистую энергию, распространяющуюся со скоростью света. При встрече с другими полностью или частично непрозрачными телами эта лучистая энергия вновь превращается (полностью или частично) в тепло, нагревая эти тела. Следовательно, лучистый теплообмен сопровождается двойным превращением энергии – тепловой энергии в лучистую и затем вновь лучистой в тепловую.

При излучении нагретого тела в неограниченное пространство (при односторонней теплопередаче) лучистый тепловой поток пропорционален

постоянному коэффициенту излучения абсолютно черного тела, степени черноты тела, численно равной его поглощающей способности, и абсолютной температуре нагретого тела.

 

                                                                                  (2.3)

 

Где T – температура тела, К: T=t+273; с_s=5,7 Вт/(м²·К⁴) – излучательная способность абсолютно чёрного тела.