Класифікація електротермічних установок за способом перетворення електричної енергії в теплову.

Рід нагрівання	Спосіб перетворення енергії	Область застосування	Електротермічне устаткування
Нагрівання опором	Електроенергія перетворюється в теплову при протіканні струму через тверді або рідкі тіла (ефект Джоуля)	Нагрівання металів під термообробку і пластичну деформацію; плавка металів; сушіння матеріалів; нагрів у вакуумі і контрольованій атмосфері	Електропечі опору; конвективні й радіаційні, періодичного і безперервної дії, нагрівальні й плавильні; установки контактного нагрівання; інфрачервоне нагрівання
Нагрівання електрич ною дугою	Електроенергія перетворюється в теплову в дуговому розряді в газоподібному середовищі або в парах металу	Плавка чорних і кольорових металів; вакуумна дугова плавка; плазмові плавка і напилювання; плазмовий нагрів газів і одержання ацетилену; одержання якісних виливків	Електричні дугові печі прямої і непрямої дії; вакуумні дугові печі; плазмові дугові установки
Нагрівання дугою і опором	Електроенергія перетворюється в теплову в дуговому розряді і при протіканні струму в твердих і рідких тілах	Одержання феросплавів, карбіду кальцію, чавуна, фосфору, абразивів, міднонікелевого штейну і ряду кольорових металів	Руднотермічні печі; феросплавні, для одержання карбіду кальцію, фосфору, абразивів
Нагрівання переважно в перемінному магнітному полі	Електроенергія перетворюється в енергію змінного магнітного поля, а потім у теплову в поміщених у цьому полі тілах	Плавка чорних і кольорових металів; нагрів металів під термообробку і пластичну деформацію; поверхневе загартування; зонна плавка; безелектродний розряд	Індукційні плавильні печі: канальні й тигельні, періодичної і безперервної дії; індукційні нагрівальні установки; установки поверхневого загартування

 

 

Продовж. табл. 1

Нагрівання переважно в змінному електрич ному полі	Електроенергія перетворюється в енергію перемінного електричного поля, а потім у теплову у вміщених в це поле тілах	Нагрівання діелектриків і пластмас під полімеризацію; сушіння матеріалів; стерилізація продуктів; готування їжі	Установки діелектричного нагрівання
Нагрівання електронним пучком	Енергія електронного пучка перетворюється в теплову в тілах, що бомбардуються електронами пучка	Плавка у вакуумі високореакційних кольорових і чорних металів; нагрів металів у вакуумі; напилювання; зонна плавка	Електронні плавильні й нагрівальні установки переривчастої і безперервної дії; установки для зонної плавки

 

 

Від конструкції нагрівача залежить тепловий ККД печі, тому що при однаковій електричній потужності нагрівача швидкість нагрівання робочого простору печі залежить від площі випромінювання. Ідеальним є варіант, коли нагрівач є суцільним циліндром, у середині якого знаходиться абсолютно чорне тіло, що нагрівається.

Потужність випромінювання з одиниці випромінюючої поверхні ідеального нагрівача називають питомою поверхневою потужністю:

 

.

 

Питома поверхнева потужність визначає максимальну кількість теплоти, випромінюваної з одиниці площі поверхні нагрівача залежно від різниці температур нагрівача і тіла і представленої у формі ряду кривих (рис. 2).

Для нагрівачів інших конструкцій, що відрізняються від ідеального, питома поверхнева потужність зменшується на величину коефіцієнта ефективності випромінювання , тобто . Коефіцієнт ефективності випромінювання нагрівача залежно від конструкції вибирають з табл. 2.

 

 

 

Рис.2 - Графіки питомої поверхневої потужності випромінювання ідеального абсолютно чорного нагрівача

 

Розрахунок нагрівача полягає у визначенні його довжини, площі поперечного перерізу, форми і схеми розташування в робочому просторі печі. Вихідні дані для розрахунку: призначення печі, матеріал, що нагрівається, його теплоємність С (див. у Додатку) і маса у кг, початкова і кінцева температури нагрівання і , необхідний час нагрівання в секундах, напруга мережі живлення. Попередньо приймають ККД печі . Тоді розрахунок проводиться в такій послідовності. Визначають необхідну кількість теплоти для нагрівання й електричну потужність печі:

 

 

.

Таблиця 2.

Конструкція нагрівача	Форма нагрівача	Поперечний періз матеріалу	Коефіцієнт ефективності випромінювання нагрівача
Ідеальний у формі циліндра
Спіраль			0,3
Стрічковий зиґзаґ			0,4
Дротовий зиґзаґ двотрубчастий заповнений піском			0,6
Лінійний індуктор			0,9

 

 

За таблицею вибирають форму нагрівача, його профіль і матеріал згідно з Додатком для його виготовлення. Робочу температуру нагрівача приймають не менше як на 100°С вище кінцевої температури в печі, але не більше максимально припустимої для даного матеріалу. За таблицею визначають питому поверхневу потужність випромінювання нагрівача . Необхідна площа поверхні випромінювання нагрівача і його довжина для круглого профілю , для прямокутного .

Електричний опір нагрівача і напругу його живлення визначаютьза

 

 

Як правило, напруга живлення печі нижче від мережної, тому застосовують понижуючий трансформатор або тиристорний регулятор напруги, які мають перевагу через ціну і габарити. Силовий кабель вибирають за таблицею Додатка.

Дугові електропечі відносять до першої категорії електричного постачання. Температура електричної дуги досягає 5000 °С. Вольтамперна характеристика дуги, тобто залежність напруги на дузі від її струму, нелінійна. Для запалювання дуги необхідно спочатку виконати штучне коротке замикання (КЗ), а потім, піднімаючи електроди створити дугу. Як джерело живлення дуги використовують спеціальні пічні трансформатори, до яких ставляться наступні вимоги:

1) обмежувати кидки струму КЗ при запалюванні дуги і коливанні напруги в мережі;

2) забезпечувати умови стабільного горіння дуги.

Розглянемо роботу пічного трансформатора і варіант визначення основних параметрів

При включенні первинної обмотки під напругу з’являється струм , що утворює потік (рис. 3):

 

.

 

Для зручності аналізу потік розкладемо на дві складові: головний потік , що замикається по магнітопроводу, і потік розсіювання , що замикається по повітрю. Вони утворять ЕРС: головну і , що спрямовані зустрічно напрузі .

Рівняння рівноваги первинної обмотки і її струму

 

.

 

Рис. 3. - Магнітні потоки трансформатора

 

У первинній обмотці електроенергія перетворюється в енергію магнітного поля, головний потік якого індукує у вторинній обмотці ЕРС взаємоіндукції:

 

 

Ці ЕРС, що індуковані загальним потоком, мають однаковий напрямок (рис. 4).

Рис. 4. - Напрямки ЕРС і струмів у трансформаторі

 

При замиканні ланцюга вторинної обмотки з’являється струм , що збігається з напрямком , але спрямований зустрічно струму , тобто на кут 180°.

Струм утворює, подібно струму , дві складові магнітного потоку: потік розсіювання, що замикається по повітрю , і потік в осерді трансформатора, спрямований зустрічно головному потокові (зустрічно спрямовані струми).

Потік і відповідно ЕРС починають зменшуватися, при цьому починає збільшуватися струм до величини (рівноваги), достатньої для збільшення потоку до первинного значення, змінюється і _. Таким чином, головний потік , завдяки зворотному зв’язку (через ЕРС ) залишається практично постійним, а потоки розсіювання збільшуються. При цьому головний потік і вторинна ЕРС трохи зменшуються. У вторинній обмотці на величину зменшується потік , і вона «споживає» з мережі менше струм, що приводить до зменшення (рис. 5).

 

 

Рис.5. - Схема первинного і вторинного кіл

 

.

 

Для розрахунку складової повної потужності трансформатора і розрахунку струмів КЗ в обмотках необхідно подати його у вигляді сукупності активних і індуктивних опорів, з’єднаних у відповідну схему заміщення. Для електричного з’єднання первинної і вторинної обмоток у ланцюг необхідно параметри вторинної обмотки привести до первинної за такими формулами (рис. 6):

 

Рис.6. - Схема заміщення трансформатора

 

 

Параметри схеми заміщення розраховують з паспортних даних трансформатора, якої одержують у результаті експериментальних випробувань: номінальна потужність, напруга первинної і вторинної обмоток, напруга короткого замикання у відсотках від номінального значення напруги, при якій струм в обмотках дорівнює номінальному при короткозамкнутій вторинній обмотці, потужність короткого замикання трьох фаз, потужність холостого ходу, струм холостого ходу у відсотках від номінального. Опір намагнічування визначають за

 

 

активні й індуктивні опори розсіювання - за

 

Реактивна потужність трансформатора складається з реактивної потужності холостого ходу, що не залежить від навантаження, і реактивної потужності розсіювання, що залежить від навантаження:

 

 

Основною відмінністю пічних трансформаторів від силових мережних є підвищений індуктивний опір і реактивна потужність розсіювання за рахунок розміщення обмоток на різних стрижнях сердечника. Це забезпечує, з одного боку, сприятливі умови для стійкого горіння дуги, тому що в момент переходу струму дуги через нуль до неї відразу прикладена напруга настільки більша, наскільки більше фазовий зсув між напругою і струмом, що забезпечує надійне перезапалювання дуги, а з другого - обмежує кидки струму в момент короткого замикання при запалюванні дуги і коливання напруги в мережі. Такі коливання в мережі можуть створити аномальні режими для приймачів, підключених до силового трансформатора, від якого живиться і пічний трансформатор. Тому необхідно розрахувати провали напруги в мережі і при їхньому перевищенні норми встановити струмообмежуючий реактор. Для цього складаємо розрахункову схему і схему заміщення мережного і пічного трансформаторів. Визначаємо індуктивні опори короткого замикання . При цьому пічного трансформатора необхідно привести до первинної напруги мережного трансформатора за []. Розраховуємо первинний і вторинний струми КЗ мережного трансформатора за

 

 

Визначаємо індуктивний опір розсіювання вторинної обмотки мережного за (). Знаходимо величину зниження вторинної напруги мережного трансформатора при номінальному струму за

 

 

і при струмі КЗ за

 

Якщо > , то встановлюють реактор, індуктивний опір якого визначають за:

 

,

 

де – опір пічного трансформатора.