В установках косвенного электронагрева сопротивлением нагреваемое изделие или материал не является элементом электрической цепи. Поэтому его электрические свойства не могут влиять на условия работы установки.
Все возможные разновидности установок косвенного нагрева сопротивлением объединены общим названием — электропечи. Их подразделяют по мощности и некоторым конструктивным признакам.
Основными элементами электропечей являются электрические нагревательные элементы и теплоизоляционное устройство, предотвращающее потери тепла в окружающее пространство. В качестве материала для электрических нагревательных элементов используются жароупорные неметаллические материалы с высоким удельным сопротивлением (уголь, графит, карборунд и расплавленные соли) и металлические материалы (нихром, константан, фехраль и т. п.).
Применение материалов с высоким удельным сопротивлением позволяет конструировать нагревательные элементы с большой площадью поперечного сечения и поверхности, а выбор материалов, обладающих небольшим коэффициентом расширения, обеспечивает неизменяемость геометрических размеров элемента при нагреве.
Нагревательные элементы электропечей
Нагревательные элементы из материалов типа графита изготавливаются в виде стержней с трубчатым или сплошным сечением. Металлические нагревательные элементы изготовляются в виде проволоки или ленты.
Электронагревательные элементы бывают открытого, полузакрыло и закрытого типов. В одном случае раскаленный нагревательный элемент прямо излучает тепло в рабочее пространство печи, в другом — нагревательный элемент частично или полностью защищен экраном, еще всего изготовленным из электроизолирующих тугоплавких материалов (фарфора, различных видов керамики).
Наиболее часто в качестве материала электронагревательных элементов используется нихром.
Наиболее распространенные виды электронагревательных элементов: Конструкции нагревательных элементов электрических печей
Одним из самых популярных видов нагревателей являются трубчатые электрические нагреватели (ТЭНы): Устройство, выбор, эксплуатация, подключение ТЭНов, Пример расчета ТЭНа
Для расчета электрических нагревательных элементов, т. е. для определения длины элемента и его сечения, необходимо задать температурный режим работы, мощность и напряжение.
Температурные условия работы электрического нагревательного элемента, изготовленного из конкретного материала, определяются мощностью, которая может быть получена с единицы его поверхности без разрушения нагревателя. Эта мощность называется поверхностной удельной мощностью она зависит от свойств материала нагревателя, его температуры и вида конструктивного изготовления.
Полный теплотехнический расчет для определения величины очень сложен и на практике значение поверхностной удельной мощности обычно берут из специальных справочников. Возможные значения находятся в интервале от десятых долей до десятков вт/см2. При температуре 800—1000оC для металлических нагревателей открытого типа значения поверхностной удельной мощности можно принимать 1—3Вт/см2.
Расчет нагревательных элементов: Приближенные методы расчета нагревателей
Виды электропечей
В зависимости от конструкции электропечи, определяющей форму рабочего пространства, печи подразделяют на шахтные, муфельные, камерные и т. д. Подробно различные виды электропечей и особенности их электрооборудования рассмотрены здесь: Электрические печи нагрева сопротивлением
В зависимости от мощности электропечи выпускаются в однофазном или трехфазном исполнении. Печи малой и средней мощности (до 20—30 кВт) обычно делают однофазными, а печи большей мощности рассчитывают на подключение непосредственно к сети трехфазного переменного тока 220/380 В.
В некоторых случаях питание электропечей осуществляется через трансформатор. Особенно часто трансформаторы применяются для питания электропечей с нагревательными элементами из угля, графита или карборунда, которые требуют пониженного напряжения.
Для того чтобы электропечь работала в заданном тепловом режиме, обходимо иметь возможность регулировать подводимую к печи электрическую мощность. При наличии трансформатора такое регулирование осуществляют путем переключения секционированной обмотки.
В тех случаях, когда трансформатора нет, прибегают к последовательному включению в цепь реостатов или реакторов (индуктивных катушек). Однако этот способ применим только для электропечей малой мощности, так как использование реостатов приводит к большим непроизводительным затратам энергии, а наличие реакторов ухудшает коэффициент мощности установки.
В электропечах большой мощности регулирование иногда осуществляется с помощью переключения отдельных звеньев нагревательных элементов с последовательного на параллельное соединение, а в трехфазных печах — с треугольника на звезду.
Эти методы обеспечивают ступенчатое регулирование мощности, но требуют довольно сложных устройств. Поэтому чаще всего необходимый температурный режим поддерживают путем периодического отключения нагревателей сети. Смотрите - Позиционные регуляторы и двухпозицонное регулирование
Попеременное включение и отключение нагревателей выполняется вручную или чаще всего специальным автоматическим устройством - контроллером, которые бывают специализированные (измерители-ругуляторы) и свободно программируемые (ПЛК).
В последнее время наиболее все чаще применяют плавное регулирование температуры в электропечах, путем изменения напряжения на нагревателях с помощью тиристорных регуляторов напряжения. Подробно работа тиристорных регуляторов рассмотрена здесь Тиристорные регуляторы напряжения и здесь: Автоматическое регулирование температурного режима в электрических печах
Установки косвенного электронагрева
К установкам косвенного электронагрева необходимо также отнести применяемые в настоящее время устройства инфракрасного обогрева.
С физической точки зрения отличие таких устройств состоит в том, что основная часть тепловой энергии нагревателя передается огреваемому объекту путем излучения, лежащего в инфракрасной области спектра, а не конвекцией. Такой метод обогрева дает возможность получить направленное распространение тепловой энергии с минимальным рассеиванием.
Направление инфракрасного излучения в нужную область пространства осуществляется с помощью отражательных устройств, подобных применяемым в оптике. Температура нагревательных элементов при таком способе нагрева относительно невысока и не превышает 200—300°С.
Инфракрасный обогрев применяется в тех случаях, когда не требуется получение высоких температур нагреваемого объекта. При таких условиях этот метод оказывается весьма эффективным и экономичным (смотрите - Инфракрасное излучение и его применение).
Инфракрасный обогрев используется в пищевой промышленности для выпечки хлеба сушки овощей и фруктов, проварки и прожарки различных пищевых продуктов, в кондитерском производстве и т. д.
В качестве источников инфракрасного излучения необязательно применение только электронагревательных устройств, для этих целей, например, могут быть использованы специальные газовые горелки, применение которых снижает стоимость энергетических затрат в 6—8 раз.
Технологии инфракрасного обогрева также используются не только в различных технологических процессах, но и в системах отопления общественных или производственных помещений: Промышленные инфракрасные обогреватели
Автоматическое регулирование для начинающих:
Как устроен и работает терморегулятор электрического утюга
Как устроен и работает автоматический регулятор на примере камеры инкубатора