Главная страница
Навигация по странице:

  • ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ» Б.А.Сокунов, Л.С.Гробова ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

  • Допущено учебно-методическим объединением по профессионально-педагогическому образованию

  • е катеринбург 2004

  • ТВЕРДОЕ проводники, полупроводники и диэлектрики, металлы и неметаллы, кристаллические и аморфные вещества ЖИДКОЕ

  • СТАЦИОНАРНЫЙ (УСТАНОВИВШИЙСЯ)

  • НЕСТАЦИОНАРНЫЙ (НЕУСТАНОВИВШИЙСЯ)

  • ЛУЧИСТЫЙ (ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ)

  • ЕСТЕСТВЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ (ИЛИ СВОБОДНАЯ)

  • ВЫНУЖДЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ

  • 2.2. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЭЛЕКТРО

  • 2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ (ЭЛЕКТРОПЕЧИ) ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ АГРЕГАТЫ

  • ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ (ЭТО)

  • ДУГОВОЕ ИОННОЕ

  • ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПЛАЗМЕННОЕ

  • СВАРОЧНЫЕ ЭТО КОНТАКТНАЯ ДУГОВАЯ

  • ИНДУКЦИОННАЯ ЛАЗЕРНАЯ

  • Электротермические установки


    Скачать 4.22 Mb.
    НазваниеЭлектротермические установки
    АнкорЭлектротермические установки.doc
    Дата22.11.2017
    Размер4.22 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаЭлектротермические установки.doc
    ТипДокументы
    #10367
    страница1 из 9
      1   2   3   4   5   6   7   8   9



    Б.А.Сокунов, Л.С.Гробова

    ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ



    (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ)
    Федеральное агентство по образованию

    ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»


    Б.А.Сокунов, Л.С.Гробова



    ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ



    (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ)

    УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


    Научный редактор проф., д-р техн. наук Ф.Н.Сарапулов

    Допущено учебно-методическим объединением

    по профессионально-педагогическому образованию

    в качестве учебного пособия для студентов

    специальности «Электротехнологические установки

    и системы» высших учебных заведений

    екатеринбург
    2004

    УДК 669.187.2

    ББК 31.391

    С 59

    Рецензенты: каф. «Общая электротехника» Российского

    профессионально-педагогического университета

    (зав. каф. - д-р техн. наук, проф. Г.К.Смолин);
    д-р техн. наук, проф. О.Ю.Сидоров, (Нижнетагильский

    технологический институт Уральского государственного

    технического университета – УПИ)

    Авторы: Б.А.Сокунов, Л.С.Гробова

    С 59 ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ: Учебное пособие / Б.А.Сокунов, Л.С.Гробова. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2004. 122 с.
    ISBN 5 – 321 – 00306 – 8

    В учебном пособии представлена классификация электротехнологического оборудования, проведена классификация электротермических устройств, рассмотрены электрические печи сопротивления: периодического действия, непрерывного действия и плавильные. Рассмотрены материалы, применяемые в электропечестроении. Дан расчет количества тепловой энергии, необходимого для проведения электротермических процессов, приведены примеры расчета установленной мощности электротермических печей.

    Материал данного пособия может быть использован как краткий конспект лекций по первой части дисциплины «Электротехнологические процессы и установки» для студентов заочной формы обучения по специальности 180500 – Электротехнологические установки и системы.
    Библиогр.: 42 назв. Рис. 90. Табл. 11.

    ISBN 5 – 321 – 00306 – 8  ГОУ ВПО Уральский государственный

    технический университет - УПИ, 2004
     Сокунов Б.А., Гробова Л.С., 2004

    ВВЕДЕНИЕ




    Электроэнергия – это посредник при преобразовании одних видов энергии в другие [1].
    В настоящее время в различных областях промышленности, сельском хозяйстве, медицине, технике, быту значительно расширилась область применения электротехнологических процессов.

    Это обусловлено не только ростом потребности в них, но и в немалой степени сокращением природных запасов и повышением стоимости углеводородного топлива, необходимостью принятия кардинальных мер по охране окружающей среды, созданию безотходных технологий.

    Совершенствование электротехнологий повлекло за собой создание материалов, обладающих новыми свойствами: более высокой прочностью, термостойкостью, устойчивостью к агрессивному действию химических реакций и имеющих высокие электроизоляционные свойства и низкую электропроводность; получение высококачественных проводниковых и полупроводниковых материалов и изделий из неиспользовавшегося ранее сырья или отходов производств, работающих по старой технологии.

    Электротехнологические процессы, особенно их новые разновидности, в короткий срок переходят от лабораторных исследований в науку, технику, производство и быт. Это относится к тем процессам, которые не могут быть выполнены без электроэнергии, либо к тем, в которых использование электроэнергии дает несоизмеримые преимущества, что связано с развитием физики и электротехники.

    Большинство электротехнологических процессов (в первую очередь электротермических) являются весьма энергоемкими. В связи с этим электротехнологические процессы превратились в одни из существенных потребителей электроэнергии.

    Электротехнологические процессы реализуются при помощи электротехнологических установок, устройств и агрегатов.

    Вся литература и информация об электротехнологических установкахподбирается и учитывается по международной системе - универсальной десятичной классификации (УДК 621.3.031) [5].


    1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

    УСТАНОВОК




    Установки, в которых происходит превращение электрической энергии в другие виды с одновременным осуществлением технологических процессов, в результате которых происходит изменение вещества, называют электротехнологическими.

    Следует отметить, что в электротехнологических процессах используются свойства самих обрабатываемых веществ и материалов: электропроводность, магнитная проницаемость, диэлектрическая проницаемость, теплопроводность, теплоемкость, скрытая теплота плавления или парообразование, теплосодержание, энтальпия [2 - 4].

    Применение электротехнологий позволяет с веществом, находящимся в каждом из агрегатных состояний (показано на нижеприведенной блок-схеме, рис. 1.1), посредством постоянных и переменных (различной частоты) токов, постоянных и переменных электрических и магнитных полей (с широким диапазоном напряженностей) совершать бесчисленное множество операций, а именно: изменение температуры, формы, структуры, состава, изменение свойств в разных направлениях и т.д.

    АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА








    ТВЕРДОЕ
    проводники, полупроводники и диэлектрики, металлы и неметаллы, кристаллические и аморфные вещества


    ЖИДКОЕ
    проводники (расплавы металлов, солей, щелочей, оксидов), диэлектрики (минеральные и органические), особая разновидность - жидкие кристаллы






    ГАЗООБРАЗНОЕ
    сложные активные вещества, которые в совокупности с обычными могут составлять системы, где происходит образование других соединений - целевых продуктов, в дальнейшем выделяемых методом конденсации



    ПЛАЗМЕННОЕ
    электропроводная среда, позволяющая проводить обменные реакции и транспортные процессы на ионном уровне, быть источником лучистой энергии и средством нагрева вещества




    Рис. 1.1. Агрегатные состояния вещества
    Электротехнологические установки условно можно подразделить на установки общепромышленного и специального назначения.

    Основные группы электротехнологических установок общепромышленного назначения представлены на блок-схеме (рис. 1.2) [4].

    ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

    УСТАНОВКИ

    ОБЩЕПРОМЫШЛЕННОГО

    НАЗНАЧЕНИЯ



    ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ



    - установки, основанные на тепловом действии тока

    ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ



    - установки, основанные на электрохимическом действии тока


    ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ





    ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ



    - установки, в которых импульсный ток вызывает возникновение электромеханических усилий в обрабатываемом материале

    ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ



    - установки, в которых происходит преобразование энергии электрического поля в энергию движущихся частиц

    Рис. 1.2. Основные группы электротехнологических

    установок общепромышленного назначения
    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).

    Один из вариантов электротермических установок – индукционная тигельная печь. На рис. 1.3 представлена схема печи.

    Индукционная тигельная печь широко применяется для плавки как цветных, так и черных металлов. Емкость печи может варьироваться от десятков граммов до десятков тонн.
    ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ применяются в промышленности при электролизе расплавов и растворов, для нанесения защитных и декоративных покрытий, элекро-химико-механической обработки изделий в электролитах.

    В качестве примера на рис 1.4 представлена схема электролизной установки.

    Явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, а также процессы окисления и восстановления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов, называется электролизом.

    В промышленности электролиз применяется в основном для анодного растворения металла и его катодного осаждения из растворов и расплавов.






    Рис. 1.3. Схема индукционной

    тигельной печи:

    1 – каркас; 2 – подовая плита;

    3– водоохлаждаемый индуктор;

    4–изоляционный слой; 5 – тигель;

    б – асбоцементная плита;

    7 – сливной носок; 8 – воротник;

    9 – гибкий токоподвод;

    10 – опорные брусья

    Рис. 1.4. Схема электролизной

    установки и распределение

    потенциала между электродами:
    1 – электролит; 2 – электроды;

    3 – источник питания;

    4 – проводящие шины


    ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ применяются в промышленности для ультразвукового воздействия на обрабатываемый материал, магнито-импульсной обработки металлов.

    Одним из примеров электромеханической установки является установка ультразвуковой очистки. Принципиальная схема представлена на рис. 1.5.

    Одним из типичных применений ультразвука в машиностроении является очистка поверхности изделий, загрязненных жировыми или мазутными пленками, покрытых осадками из продуктов сгорания топлива, ржавчиной, окалиной, оксидными пленками. Такого рода очистка выпол­няется обычно с помощью моющих средств, раство­рителей в барабанах, а также с помощью щеток. При использовании ультразвуковых колебаний очистка в ряде случаев может дать хорошие результаты при ис­пользовании воды; когда же очистка осуществляется с помощью растворителей, она ускоряется в десятки раз, причем качество ее (степень очистки поверхности) нам­ного улучшается. Особенно эффективной оказывается ультразвуковая очистка деталей сложной конфигурации с полостями и, в частности, труб, так как механическая очистка таких деталей (например, щетками) затрудни­тельна.

    На рис. 1.5 подвергаемую очистке деталь помещают в ванну, в которой возникают ультразвуковые колебания. Генератор колебаний может находиться под дном ван­ны, как показано на рисунке (в этом случае колебания передаются жидкости через дно), или в жидкости. Очистка может осуществляться как на частотах 400 - 800 кГц при применении пьезоэлектрического преобра­зователя, так и на более низких частотах (20 - 30 кГн) при использовании магнитострикционных преобразователей.







    Рис. 1.5. Принципиальная схема ультразвуковой

    очистки:
    1 – генератор ультразвуковых

    колебаний; 2 – ванна,

    3 – жидкость (растворитель);

    4 – подвеска; 5 – очищаемая деталь


    Рис. 1.6. Установка

    для электроэрозионной обработки:

    а – принципиальная схема;

    б – полная схема

    1 – собственно станок; 2 – рабочая ванна;

    3 – стол для установки электрода-изделия;

    4 – электрод-изделие; 5 – регулятор подачи;

    6 – источник питания (генератор импульсов);

    7 – система снабжения диэлектрической жидкостью; 8 – электрод-инструмент


    ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ применяются для разделения сыпучих материалов и эмульсий, очистки сточных вод, электроокраски, электроэрозионной обработки металлов.

    Как пример на рис. 1.6 показана установка для электроэрозионной обработки металлов.

    Для обработки металлов с высокими механическими свойства­ми применяется метод размерной обработки при непосредственном использовании теплового эффекта электрической энергии – электроэрозионная обработка. Она основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая выделяется в канале электроискрового заряда между поверхностью обрабатываемой де­тали и электродом-инструментом, погруженным в жидкую непро­водящую среду. Следующие друг за другом импульсные разряды определенной длительности и формы производят выплавление и испарение микропорций металла. Электроэрозионный способ поз­воляет обрабатывать токопроводящие материалы любой механи­ческой прочности, вязкости, хрупкости, получать детали сложных форм и осуществлять операции, не выполняемые другими метода­ми. При его использовании значительно снижается трудоемкость по сравнению с обработкой резанием, возможно осуществление механизации и автоматизации с целью глубокого регулирования параметров процесса.

    Приведенное разделение в большой степени условное, поскольку многие технологические процессы могут обеспечиваться (или сопровождаться) несколькими способами преобразования энергии, расширяя возможности электротехнологических процессов, например элекроэрозионная, магнитоимпульсная обработки металлов, электровзрывная обработка материалов и т.д.
    Электротехнологические установки специального назначения – установки, представляющие совокупность различного рода воздействий, в частности перенос энергии за счет электромагнитного поля.

    В качестве примера электротехнологических установок специального назначения можно привести устройства для электродинамической сепарации в бегущем магнитном поле, предназначенные для извлечения ломов и отходов неферромагнитных металлов из твердых отходов, а также для сортировки ломов цветных металлов; устройства для электромагнитного транспорта и электромагнитного перемешивания жидких металлов.

    Один из видов электротехнологических установок специального назначения – «одноручьевой» электромагнитный перемешиватель, его схема показана на рис. 1.7. Электромагнитное перемешивание – бесконтактное силовое воздействие на кристаллизующийся металл – является альтернативой механическим способам воздействия на кристаллизующийся металл и позволяет получить мелкозернистую литую структуру; исключить ликвацию, загазованность, неметаллические включения в литом металле; обеспечить повышенные эксплуатационные свойства полуфабрикатов и готовых изделий; исключить ряд промежуточных технологических переделов, что способствует энергосбережению.

    На рис. 1.8 показана структура латуни, отлитой без электромагнитного перемешивания и с применением электромагнитного перемешивания. Сравнивая показанные темплеты, очевидно, что применение электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации способствует измельчению литой структуры, что в конечном итоге сказывается положительно на качестве полуфабрикатов и готовых изделий.




    а









    б






    Рис. 1.7. Схема «одноручьевого»

    электромагнитного перемешивателя,

    совмещенного с кристаллизатором:
    1 – магнитопровод; 2 – катушка обмотки; 3 – кристаллизатор в сборе; 4 – отливаемый слиток; 5 – жидкая фаза слитка

    Рис. 1.8. Структура латуни, отлитой без электромагнитного перемешивания (а); отлитой с применением электромагнитного перемешивания (б)

    2. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ




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

    Электронагрев (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 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.
    Вся литература и информация об электронагреве подбирается и учитывается по международной системе – универсальная десятичная классификация (УДК) [17]. Каждому понятию присваивается индекс УДК, например


    • электропечи сопротивления – УДК 621.365.3;

    • индукционные печи – УДК 621.365.5;

    • вакуумные индукционные печи – УДК 621.365.55 – 982.


    2.1. ВИДЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ



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

    Теплопередачей (теплообменом)1 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 [6, 8].

    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). 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.


    ТЕПЛООБМЕН






    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 нагревается, 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, следовательно, изменяется температурное поле в теле и аккумулированное в нем или в отдельных его частях тепло, его теплосодержание




    Рис. 2.1. Классификация теплообмена

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

    При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн. Этот вид теплопередачи может иметь место лишь в прозрачной для этих лучей среде.

    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.

    Если температуры тел, между которыми осуществляется лучистый теплообмен, различны, то в результате теплообмена между ними тепло будет передаваться от более нагретого тела к менее нагретому, одно из них будет нагреваться, а другое – снижать свою температуру.

    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.


    ТЕПЛООБМЕН






    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




    КОНВЕКТИВНЫЙ
    - теплопередача в жидкостях 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






    ЕСТЕСТВЕННАЯ

    КОНВЕКЦИЯ

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


    ВЫНУЖДЕННАЯ

    КОНВЕКЦИЯ
    обусловлена наложением на нагретый объем вещества внешних сил (принудительное перемещение вещества)


    Рис. 2.2. Классификация теплообмена по способу передачи тепла
    Аналитическое решение задач, связанных с конвективным теплообменом, представляет значительные трудности, поскольку этот процесс описывается сложной системой дифференциальных уравнений. Поэтому задачи конвективного теплообмена решают с использованием экспериментально полученных констант и величин. Тепловой поток конвективного теплообмена определяют на основании закона Ньютона – Рихмана. По этому закону тепловой поток прямо пропорционален поверхности омывания, режиму движения теплоносителя (коэффициент теплоотдачи) и разности температур стенки и газа или жидкости.
    2.2. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЭЛЕКТРО-
    И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА



    С увеличением температуры происходит изменение электрофизических, теплофизических и магнитных свойств материалов и веществ (рис. 2.3 – 2.9) [6, 10, 11].

    При изменении температуры наблюдается рост удельного сопротивления металлов. Скачкообразное изменение удельного сопротивления соответствует переходу металла из одного агрегатного состояния в другое (из твердого – в жидкое состояние) (рис. 2.3, 2.4).








    Рис. 2.4. Зависимость относительной магнитной проницаемости и удельного сопротивления от температуры для среднеуглеродистой стали


    Рис. 2.3. Зависимость удельного

    электрического сопротивления

    некоторых металлов от температуры



    Изменение относительной магнитной проницаемости, показанное на рис. 2.4, характерно только для ферромагнитных металлов. При температуре, соответствующей точке Кюри (ориентировочно ), металл теряет свои магнитные свойства, и относительная магнитная проницаемость становится равной единице.

    Изменение энтальпии (теплосодержания) для металлов, показанное на рис. 2.5, имеет такой же характерный переход при изменении агрегатного состояния, что и изменение удельного сопротивления.




    Изменение коэффициента теплопроводности для некоторых газов и жидкостей (рис. 2.6, 2.7) связано с явлением переноса некоторого количества тепла в различных слоях жидкости или газа.

    Собственно коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, переносимого через единицу поверхности за единицу времени при градиенте температуры равном единице. Для различных жидкостей и газов изменение коэффициента теплопроводности (в зависимости от изменения температуры) проявляется по-разному, что связано с явлением переноса внутренней энергии, зависящим от распределения молекул жидкостей и газов по скоростям.

    Рис. 2.5. Энтальпия различных

    металлов

    Изменение теплопроводности металлов (рис. 2.8) происходит по закону Видемана – Франца, в соответствии с которым для всех металлов отношение коэффициента теплопроводности к удельной электропроводности прямо пропорционально абсолютной температуре.





    Рис. 2.6. Зависимости коэффициентов теплопроводности некоторых газов от температуры:

    1 – водяной пар; 2 – кислород;

    3 – воздух; 4 – азот; 5 – аргон

    Рис. 2.7. Зависимости коэффициентов

    теплопроводности некоторых капельных

    жидкостей от температуры:
    1 – вазелиновое масло; 2 – бензол; 3 – ацетон;

    4 – касторовое масло; 5 – этиловый спирт;

    6 – метиловый спирт; 7 – глицерин; 8 – вода












    Рис. 2.8. Зависимости

    Коэффициентов теплопроводности некоторых металлов от температуры

    Рис. 2.9. Зависимости коэффициентов теплопроводности некоторых теплоизоляционных и огнеупорных материалов от температуры:
    1 – воздух; 2 – минеральная шерсть, плотность 160 кг/м3; 3 – шлаковая вата, плотность 200 кг/м3; 4 – ньювель, плотность 340 кг/м3; 5 – совелит, плотность 140 кг/м3;

    6 – диатомитовый кирпич, плотность 550 кг/м3; 7 – красный кирпич, плотность 1670 кг/м3; 8 – шлакобетонный кирпич, плотность 1370 кг/м3; 9 – шамотный кирпич, плотность 1840 кг/м3


    Закон Видемана – Франца является следствием того, что теплопроводность металлов, как и их электропроводность, осуществляется свободными электронами [7].

    Изменение теплопроводности огнеупорных и теплоизоляционных материалов, представленных на рис. 2.9, показывает, что для большинства этих изделий с ростом температуры наблюдается увеличение коэффициента теплопроводности. Однако следует отметить, что наряду с приведенными материалами существуют и такие, у которых с ростом температуры коэффициент теплопроводности уменьшается (муллитовые, карборундовые изделия, хромомагнезитовый кирпич).

    2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО
    ОБОРУДОВАНИЯ



    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 энергоносителя2. Классификация ЭТО показана на рис. 2.10.

    ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ

    ОБОРУДОВАНИЕ





    ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ (ЭЛЕКТРОПЕЧИ)

    ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

    ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ

    АГРЕГАТЫ


    Рис. 2.10. Классификация электротермического оборудования

    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 нем 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 представлена на рис. 2.11 [12 – 15].

    ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ

    ОБОРУДОВАНИЕ (ЭТО)




    СОПРОТИВЛЕНИЯ


    ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЕ



    ДУГОВОЕ


    ИОННОЕ







    СВАРОЧНОЕ


    ЛАЗЕРНОЕ




    ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ


    ПЛАЗМЕННОЕ




    ИНДУКЦИОННОЕ


    Рис. 2.11. Классификация электротермического оборудования

    по методу нагрева
    В ЭТО сопротивления [12, 18, 19, 20, 23, 25] происходит выделение теплоты в твердых или жидких телах, включенных непосредственно в электрическую цепь, при протекании по ним электрического тока. На рис. 2.12 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.




    Рис. 2.12. 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





    Как показано на рис. 2.13 [4, 12, 28], 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.



    Рис. 2.13. Нагрев полупрозрачных тел излучением:

    1 – падающее излучение; 2 – отраженное излучение; 3 – поглощенное излучение; 4 – пропущенное излучение; 5 – нагреваемое тело


    Подбор спектра нагревателя, соответствующего характеристикам нагреваемого материала, позволяет получать желаемые технологические результаты.

    В дуговом ЭТО [3, 12, 25 – 27] 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.

    На рис. 2.14 представлены схемы дугового нагрева.




    Рис. 2.14. 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 [10 – 12, 29 - 31] происходит передача электроэнергии нагреваемому телу, помещенному в переменное электрическое поле, и превращение ее в тепловую энергию при протекании индуцированных токов в нагреваемом теле. На рис. 2.15. представлены схемы индукционного нагрева.

    В диэлектрическом ЭТО [3, 4, 12] происходит выделение теплоты в диэлектриках и полупроводниках, помещенных в переменное электрическое поле, за счет перемещения электрических зарядов при электрической поляризации.




    а б в г


    Рис. 2.15. 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.


    На рис. 2.16 представлены схемы диэлектрического нагрева.






    Рис. 2.16. Схемы диэлектрического нагрева:
    а – в электрическом поле;

    б – в электромагнитном поле (сверхвысокочастотном):
    1 – электроды; 2 – нагреваемое тело; 3 – волновод; 4 – резонатор


    а б

    В электронно-лучевом ЭТО [3, 4, 12, 25] происходит выделение теплоты при бомбардировке нагреваемого тела в вакууме потоком электронов, эмитируемых катодом.

    Схема электронно-лучевого нагрева с аксиальной электронной пушкой приведена на рис. 2.17, схема электронно-лучевой печи – на рис. 2.18.

    В ионном ЭТО [4, 12, 25] происходит выделение теплоты в нагреваемом теле потоком ионов, образованным электрическим разрядом в вакууме.

    Схемы ионного нагрева представлены на рис. 2.19.










    Рис. 2.17. 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

    Рис. 2.18. Схема электронно-лучевой печи:
    1 – слиток, 2 – плавильная камера. 3 – кристаллизатор; 4 – присоединение к вакуумным насосам; 5 – электронная пушка;

    6 – переплавляемый электрод





    а б



    Рис. 2.19. 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.

    В лазерном ЭТО [3 – 5, 25] происходит выделение теплоты в нагреваемом теле при воздействии на него лазерных лучей, т.е. высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах – оптических квантовых генераторах. Схема лазерного нагрева показана на рис. 2.20.





    Рис. 2.20. 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 [3 – 5, 25] 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 рис. 2.21 и схема плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым тиглем показана на рис. 2.22.







    Рис. 2.21. Схема плазменной

    печи с керамической футеровкой:
    1 – корпус печи; 2 – плазменная дуга;

    3 – свод; 4 – плазматрон; 5 – источник питания; 6 – подовый водоохлаждаемый электрод

    Рис. 2.22. 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 [5, 12, 14] происходит выделение теплоты в нагреваемых телах в целях осуществления неразъемного соединения с обеспечением непосредственной сплошности в месте сварки.

    Сварочные ЭТО делятся по виду сварки, рис. 2.23.

    СВАРОЧНЫЕ ЭТО





    КОНТАКТНАЯ

    ДУГОВАЯ


    ИНДУКЦИОННАЯ

    ЛАЗЕРНАЯ



    ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ

    ПЛАЗМЕННАЯ


    Рис. 2.23. Классификация сварочных ЭТО


    Схемы ручной дуговой сварки показаны на рис. 2.24, точечной сварки – на рис. 2.25, стыковой сварки – на рис. 2.26, шовной двусторонней (а) и односторонней (б) сварки – на рис. 2.27.



    Рис. 2.24. Схема ручной дуговой сварки:
    1 – основной металл; 2 – сварочная линия; 3 – кратер; 4 – сварочная дуга; 5 – приправленный металл ; 6 – наплавленный металл ; 7 – шлаковая корка; 8 – жидкий шлак; 9 – покрытие электрода; 10 – стержень электрода;

    11 – элекрододержатель; 12 – сварочная цепь; 13 – источник питания





    Рис. 2.25. Схема точечной сварки:
    1 – литое ядро; 2 – свариваемые детали;

    3 – верхний электрод; 4 – трансформатор; 5 – нижний электрод



    Рис. 2.26. Схема стыковой сварки:
    1 – детали; 2 – зажимные губки;

    3 – сварочный трансформатор


    а б









    Рис. 2.27. Схема шовной двусторонней (а) и односторонней (б) сварки:
    1 – свариваемые детали; 2 – сварочные ролики;

    3 – сварочный трансформатор; 4 – медная прокладка





    Применение электротермического оборудования для различных видов промышленности приведено в табл. 1, 2, 3.

    Таблица 1
    Важнейшие электротермические процессы

    цветной металлургии и применяемое для них ЭТО




    Процессы



    Металлы и сплавы



    Оборудование




    Восстановление металла из руд с получением про­дукта в твердой фазе


    Медный, медно-никелевый

    и никелевый штейн, силикоалюминий, никель, фер­роникель, ферротитан, свинцовые шлаки


    РТП

    То же с получением про­дукта в газовой фазе

    Магний, цинк, медь, никель и их сплавы


    ДП косвенного нагрева, ИКП,

    ПС


    Плавка из чушек или металлоотходов для полу­чения сплавов, заготовок, рафинирования или выплавки фасонного литья

    Медь, никель и их сплавы


    ИКП, ИТП, ДП косвен­ного нагрева

    То же

    Алюминий, цинк, магний, олово, свинец и их сплавы, благородные и редкие ме­таллы

    ИТП, ИКП, ПС косвенно­го нагрева (в том числе вакуумные)


    Получение металла спека­нием штабиков, спрессованных из порошков

    Тугоплавкие (вольфрам,

    молибден и др.)



    ПС косвенного и прямо­го нагрева, ИП косвен­ного нагрева

    Получение монокристал­лических заготовок выра­щиванием из расплава

    Полупроводниковые

    (кремний и др.), оптичес­кие (арсенид галлия и др.)

    ПС косвенного нагрева и ИП



    Переплав для рафиниро­вания

    Медь



    ВДП, ИВП



    Переплав спрессованных и спеченных заготовок

    Тугоплавкие, высокореакционые (титан)

    ВДП, ЭЛЛ



    Зонная очистка от при­месей

    Полупроводниковые



    ИП повышенной чистоты


    Нагрев перед пластиче­ской деформацией (ков­ка, прокатка) для полу­чения профилей, листа труб и др.


    Медь, алюминий и их

    сплавы


    ИП, ПС косвенного на­грева


    То же


    Тугоплавкие, высокореакционные (титан, цирконий и др.), редкие

    ИД, ПС косвенного на­грева, вакуумные


    Термическая и химико-термическая обработка


    Цветные, легкие, тугоплавкие, высокореакционные, полупроводниковые, редкие

    ПС косвенного нагрева с воздушной атмосфе­рой, контролируемой атмосферой или вакуумные

      1   2   3   4   5   6   7   8   9
    написать администратору сайта