Получение теплоты на базе электроэнергии возможно по двум принципиально разным схемам:
1) по схеме прямого преобразования, когда электрическая энергия (энергия различных форм движения заряженных частиц в электрическом поле) преобразуется в тепловую (энергию тепловых колебаний атомов и молекул веществ),
2) по схеме косвенного преобразования, когда электрическая энергия непосредственно в тепловую не преобразуется, а используется для переноса теплоты от одной среды (источника теплоты) к другой (потребителю теплоты), причем температура источника может быть нижет температуры потребителя.
В зависимости от класса нагреваемых материалов (проводники, полупроводники, диэлектрики) и способов возбуждения в них электрического тока или поля различают следующие способы электрического нагрева: сопротивлением (резистивный), электродуговой, индукционный, диэлектрический, электронный, световой (лазерный).
Каждый из способов электрического нагрева может быть прямым или косвенным.
При прямом нагреве электроэнергия преобразуется в тепловую в самой нагреваемой среде (теле), в которой возбуждается электрический ток (те или иные формы движения заряженных частиц).
При косвенном нагреве преобразование электрической энергии в тепловую происходит в специальных преобразователях - электрических нагревателях, а затем уже от них путем теплопроводности, конвекции, излучения или комбинацией этих способов передается нагреваемой среде.
Собственно электрический нагрев материала - это прямой нагрев по схеме прямого преобразования.
Схема косвенного преобразования электрической энергии в тепловую реализуется в электротепловых насосах и трансформаторах теплоты. Пока она распространена мало, но имеет очень большие перспективы развития.
Для электрического нагрева различных сред и материалов используют электротермическое оборудование, включающее различные электрические обогреватели и электронагревательные установки.
Электрический нагреватель (электронагреватель) - это тепловыделяющий источник, преобразующий электрическую энергию в тепловую. В соответствии со способами электронагрева различают электронагреватели сопротивления, индукционные (индукторы), диэлектрические (конденсаторы) и др.
Электронагревательная установка - это агрегат или оборудование, включающая электрические нагреватели, рабочую камеру и другие элементы, связанные в едином конструктивном комплексе и предназначенные для совершения единого технологического процесса.
Электронагревательные установки классифицируют по способу электрического нагрева (сопротивления, электродуговые, индукционные, диэлектрические и т.д.), назначению (электрические печи, котлы, водонагреватели и др.), принципу нагрева (прямого и косвенного), принципу работы (периодического и непрерывного действия), частоте тока, способу теплопередачи от нагревателей к нагреваемой среде, рабочей температуры (низко, средне, высокотемпературные), питающему напряжению (низковольтные, высоковольтные).
Подробнее об основных методах и способах преобразования электрической энергии в тепловую читайте здесь: Способы электрического нагрева
К основным параметрам электронагревательных установок относятся тепловая мощность, питающее напряжение, частота тока, КПД, коэффициент мощности (cosφ), основные геометрические размеры.
Получение горячей воды и пара — одно из наиболее распространенных применений электрической энергии в производстве и сельском хозяйстве, особенно в животноводстве. Не загрязняя воздуха и помещения продуктами и отходами сгорания, электронагрев в наибольшей степени отвечает зоотехническим и санитарно-гигиеническим требованиям. Во многих случаях это и наиболее экономичный способ получения горячей воды и пара, не требующий затрат на транспортировку топлива, строительство и эксплуатацию котельных.
Промышленность выпускает разнообразное оборудование для нагрева воды и получения пара, которое в условиях эксплуатации постоянно готово к действию, требует минимальных затрат на обслуживание.
Электрические водонагреватели и электрокотлы классифицируют по способу нагрева, принципу нагрева (прямой, косвенный), принципу действия (периодического, непрерывного), рабочей температуре, давлению, напряжению питания.
Водонагреватели работают обычно под атмосферным давлением и предназначены для получения горячей воды с температурой до 95 °С. Водогрейные котлы работают под избыточным давлением (до 0,6 МПа) и позволяют получать воду с температурой выше 100 °С. Электрические паровые котлы производят насыщенный пар давлением до 0,6 МПа.
Элементные водонагреватели работают по принципу косвенного электронагрева воды при помощи ТЭНов. Они обладают достаточной электробезопасностью в обслуживании и широко применяются для нагрева воды непосредственно в местах ее потребления.
Электродные водонагреватели работают по принципу прямого нагрева: вода нагревается протекающим по ней электрическим током, подводимым при помощи электродов. Электродные системы (электродные нагреватели) по сравнению с ТЭНами более просты, дешевы и долговечны.
Водогрейные и паровые электрокотлы выпускаются электродными. Электродный нагрев обеспечивает котлам простоту конструкции и регулирования мощности, высокую надежность и срок службы, высокие энергетические показатели. Котлы выпускаются на низкое (0,4 кВ) и высокое (6 - 10 кВ) напряжения и мощности от 25 до 10 000 кВт в единице.