ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ

       электронный учебно-методический комплекс

Лекция 1

Введение

1.1 Физические основы электротехнологии

1.2 Общие сведения об электротехнологиях

1.3 Преимущество электротехнологий перед другими методами обработки материалов

1.4 Общая классификация электрофизических и электрохимических методов обработки материалов

1.5. Области возможного применения электрофизических и электрохимических методов обработки материалов

1.6 Основные характеристики электротехнологических процессов

Основы теории электронагревательных устройств

1.7 Электрический нагрев проводников, диэлектриков и полупроводников

1.8 Основы динамики электронагрева

1.9 Уравнение теплового баланса

1.10 Использование электрических схем-аналогов для исследования динамики нагрева

1.11 Способы электронагрева и классификация электронагревательных устройств

Основы теплового расчета электротермических установок

1.12 Задачи расчета

1.13 Определение мощности и основных конструктивных размеров

1.14 Определение теплового КПД и удельного расхода электроэнергии

1.15 Температурные режимы и энергетические показатели основных тепловых процессов сельскохозяйственного производства

Контрольные вопросы

Лабораторная работа 1

Введение

1.1 Физические основы электротехнологии

Главное направление дальнейшего развития сельского хозяйства страны - всемерная интенсификация на основе концентрации и специализации отраслей, создания крупных агропромышленных комплексов, внедрения индустриальных методов производства, более полного использования достижений науки, техники, передового опыта.

Решение этой задачи во многом зависит от дальнейшего развития и углубления электрификации сельского хозяйства. Электричество в настоящее время - основная энергетическая база животноводства, птицеводства, ремонтного производства, стационарных процессов растениеводства. Уровень электровооруженности труда определяет рост производительности труда в этих отраслях. Электрификация быта сельского населения играет огромную роль в повышении материального и культурного уровня тружеников села, в ликвидации различия между городом и деревней.

Развитие сельской электрификации характеризуется не только количественными, но и качественными изменениями.

В начальный период, когда электроснабжение села осуществлялось от немногочисленных маломощных сельских электростанций, электроэнергию использовали в основном для электрического освещения. "Лампочка Ильича" осветила путь к коренным социально-экономическим преобразованиям в деревне, коллективизации и машинизации сельскохозяйственного труда.

В дальнейшем по мере укрепления электроэнергетической базы все более возрастала роль электроэнергии в замене ручного труда машинным. Электрический привод сельскохозяйственных машин и агрегатов явился основой, на которой стала возможна комплексная механизация стационарных процессов всех отраслей сельскохозяйственного производства. На базе электрической энергии развивается автоматизация большинства процессов сельского хозяйства.

Научно-технический прогресс вызвал к жизни новые области и виды применения электроэнергии в сельском хозяйстве. Большая потребность сельскохозяйственного производства, особенно животноводства, в тепловой энергии, превышающая потребность в других вместе взятых видах энергии, открывает широкие возможности использования в тепловых процессах электрического нагрева. Электронагревательные установки по сравнению с топливными требуют значительно меньше затрат на обслуживание, незаменимы там, где требуется высокая культура производства и точность поддержания температуры, быстродействие. В настоящее время в хозяйствах около одной трети, а иногда 50-60% электроэнергии, потребляемой на производственные нужды, расходуется в тепловых процессах. В дальнейшем доля электроэнергии, трансформируемой в тепло, будет неуклонно возрастать.

Все большее развитие получает электротехнология- использование электричества непосредственно в технологических процессах с целью механического, термического, химического или собственно электрического воздействия на предмет труда без предварительного преобразования электроэнергии в промежуточных устройствах: электродвигателях, нагревателях, излучателях и др. Электротехнология делает лишь первые шаги в сельском хозяйстве, но это многообещающая и весьма перспективная область сельскохозяйственной электротехники.

"Электрический нагрев и электротехнология" - новый курс, недавно введенный на факультетах электрификации сельского хозяйства. Систематизированная литература и учебные пособия по этому курсу отсутствуют. Настоящее пособие, написанное в соответствии с утвержденной программой курса, призвано в известной мере восполнить этот пробел и помочь студентам факультетов электрификации сельского хозяйства в овладении основами знаний в области сельскохозяйственного электронагрева и электротехнологии. Книга будет полезна также инженерам, работающим в области проектирования и эксплуатации сельскохозяйственных электроустановок.

Под электротехнологиями понимаются способы обработки материалов, в которых электрическая энергия используется непосредственно как инструмент для обработки. Эта энергия может выступать в виде дугового или тлеющего разряда, в виде искры, в виде плазмы, в виде электрического поля, в виде высокого напряжения, в виде пучков заряженных частиц (электронов и ионов), в виде концентрированных пучков света, в виде токов высокой частоты. В соответствии с этим, к методам электротехнологий относятся электроискровая, электроэрозийная и электроимпульсная обработка; различные виды электросварки, основанные на действии дуговых разрядов и контактном нагреве; плазменная, электронно-лучевая и ионная обработка; лазерная обработка, электровзрывная и магнитно-импульсная обработка, обработка токами высокой частоты, электрохимическая и ультразвуковая обработка.

Некоторые из этих видов обработки применяются самостоятельно, другие - совместно с механической обработкой. Исключением из перечисленных электротехнологий, не подчиняющихся общему правилу, являются ультразвуковая, электровзрывная и магнитно-импульсная обработки, в которых не электрическая энергия выступает в качестве рабочего инструмента, а механическая энергия ультразвуковых колебаний и энергия ударных волн.

Электротехнологии часто называют новыми технологиями. Они обладают рядом существенных преимуществ перед традиционными (механическими) методами обработки материалов.

Такая возможность открывается в связи с тем, что съем материала происходит не путем механических усилий, а посредством действия электроэнергии в различных ее видах, поэтому механические характеристики материала не играют роли.

Например, при электроэрозийной обработке из-за высокой температуры разряда любой материал (металл, диэлектрик, полупроводник) плавится и испаряется. При электрохимической обработке, вне зависимости от типа соединения, агрегатного состояния, происходит растворение, осаждение или другой процесс независимо от механических свойств. Возможность выполнения сварки керамики и металла стала осуществимой в связи с использованием для этих целей электронного луча.

Это преимущество электротехнологий приобрело значимость в последние десятилетия в связи с разработкой новых материалов, обладающих особыми свойствами.

В процессе обработки с применением электрохимических и электрофизических методов инструмент как таковой вообще отсутствует (электронно-лучевая, лазерная обработка) или между инструментом и обрабатываемой деталью специально создается зазор, в который поступает электролит (электроискровая, электроэрозийная обработка), и только в некоторых случаях (ультразвуковая размерная обработка) применяется механическое усилие для обработки.

В новых технологиях удельная подводимая мощность очень высокая за счет малой площади взаимодействия и импульсного характера обработки. Это приводит к выделению большой тепловой мощности и достижению высоких температур в местах обработки, что позволяет осуществлять операции, невозможные при обычных методах.

Это преимущество особенно большое значение имеет при обработке редких и дорогостоящих материалов, таких как рубин, кварц, алмаз, полупроводниковые кристаллы. Экономия получается при их резке, шлифовании, распиловке, фрезеровании за счет оптимального раскроя, меньших по толщине швов.

В технике часто требуются детали, обработанные с высокой точностью. При использовании электротехнологий, точность обработки в пределах единиц микрометров является вполне достижимой. В то же время при механической обработке такая точность достигается с трудом.

В некоторых технологических операциях обычные способы механической обработки достигают своих предельных возможностей. В то же время, применение электротехнологий позволяет получить высокие показатели. Например, при обработке твердых и хрупких материалов трудоемкость и длительность значительно меньше, чем при механической обработке. Электротехнологии позволяют значительно увеличить плотность энергии, вводимой в зону обработки. При этом не требуется пропорционального увеличения затрат на оборудование, оснастку и инструмент.

Позволяет сократить обслуживающий персонал, повысить производительность.

Проведение операций без применения значительных физических усилий приводит к меньшей степени усталости оператора. Квалификация оператора может быть ниже по сравнению с обычной механической обработкой. Квалификация наладчика оборудования и программиста должна быть значительно выше.

Однако электротехнологии, наряду с большим комплексом положительных технических, технологических и экономических показателей, имеют ряд недостатков и ограничений. Это, прежде всего высокая энергоемкость процессов, которая проявляется при изготовлении деталей простой конфигурации и формы. Необходимость применения специального оборудования.

Методы электротехнологии тем выгоднее применять, чем сложнее форма обрабатываемой детали, чем тверже материал и труднее дается обработке резанием, чем выше специальные требования предъявляются к детали или изделию. Этими положениями определяется общая принципиальная направленность методов электротехнологий, преимущественно используемых при создании образцов новой техники, при внедрении новых материалов и новейших достижений науки и техники в практику.

Электротехнологии можно классифицировать по нескольким признакам, таким как виды воздействия на обрабатываемую деталь, разновидности выполняемых операций, области промышленности, в которых используются технологии. По виду воздействия на материал, технологии основаны на химическом, тепловом, механическом действии электрического тока. В табл. 1-3 приведена такая классификация.

Таблица 1 Классификация электротехнологии по виду воздействия электрического тока

Таблица 3

 

1.5. Области возможного применения электрофизических и электрохимических методов обработки материалов

Каждая из приведенных выше электротехнологий находит широкое применение во многих областях техники. Одни и те же операции можно выполнять различными технологическими приемами, выбор которых определяется требованиями к качеству обработки. Приведем возможные операции, выполняемые с помощью этих технологий.

1) Электрохимическая размерная обработка применяется в следующих операциях:

- точного профилирования сложных по форме изделий из труднообрабатываемых материалов (лопатки турбин);

- изготовления фасонных полостей в труднообрабатываемых материалах (пресс-форм и матриц штампов);

- резки твердых материалов;

- изготовления сеток;

- изготовления профиля зубьев;

- сверления отверстий.

2) Электрохимическое травление применяется для:

- очистки металлических поверхностей от окалины;

- очистки поверхности от ржавчины и других загрязнений;

- удаления измененных слоев с поверхности металлов и сплавов;

- повышения качества режущего инструмента;

- клеймения и маркировки.

3) Электрополирование применяется для:

-декоративной отделки поверхностей черных и цветных металлов;

- повышения коррозийной стойкости поверхности;

- улучшения электрических и магнитных свойств;

- снижения коэффициента трения;

- повышения стойкости режущего инструмента;

- округление острых кромок,

4) Электрообразивная и электроалмазная обработка, чистовая иодно-механическая обработка используются как:

- чистовое отделочное и притирочное шлифование и доводка поверхности металлических и металлокерамических изделий;

- окончательная заточка и доводка твердосплавного инструмента;

- полирование изделий из черных и цветных металлов и сплавов.

5) Черновая анодно-механическая обработка применяется при:

- резке металлических заготовок и изделий любого профиля из материалов любой твердости и вязкости;

- вырезке фасонных деталей из листового материала;

- обдирке и черновом шлифовании;

- предварительной заточке режущего инструмента.

6) Нагрев в электролите позволяет осуществлять:

- операции термической и термохимической обработки (закалка, отжиг, цементация);

- плавку;

- пайку;

- упрочнение поверхности.

7) Электроэрозийная обработка (электроимпульсная, электроискровая) применяется в следующих операциях:

- получения полостей и отверстий в металлах и сплавах любой твердости;

- получения отверстий криволинейной и спиральной формы;

- резке металлов;

- нанесения упрочняющих покрытий;

- заточки твердоплавкого инструмента;

- шлифования твердых сплавов;

- нарезания резьб на твердоплавких изделиях;

- изготовления металлических порошков;

- маркировки, гравирования, росписи по металлу.

8) Ультразвуковая обработка применяется для:

- очистки поверхностей;

- размерной обработки твердых сплавов и неметаллических материалов (прошивка отверстий и плоскостей, профилирование вырезка);

- интенсификации практически любых технологических операций (гальванических, химических, металлических, физик химических, механического резания и шлифования, облегчение пайки и лужения активных металлов), обработки давлением, металлизации неметаллических поверхностей;

- сварки пластмасс и неметаллических материалов.

9) Электронно-лучевая обработка используется для:

- плавки металлов и сплавов;

- сварки металлических и неметаллических деталей;

- резки материалов;

- испарения;

- прошивки любых материалов, в т. ч. тугоплавких и сверхтвердых.

10) Ионная обработка используется при:

- легировании полупроводниковых материалов;

- создании энергетических барьеров;

- легировании поверхностных слоев инструмента;

- нанесении упрочняющих слоев;

- создании металлокерамических переходов.

11) Светолучевая обработка применяется при:

- сварке материалов;

- резке материалов;

- прошивке отверстий;

- проведении металлургических процессов с металлическими и неметаллическими материалами любой твердости и тугоплавкости.

12) Плазменная обработка применяется в следующих операциях:

- плавки;

- сварки;

- резки;

- прошивки отверстий и изготовления фасонных изделий и:

материалов любой твердости;

- нанесения покрытий;

- металлизации поверхности неметаллических материалов.

13) Электрогидравлическая обработка используется для:

- дробления и измельчения твердых и хрупких материалов;

- наклепа металлических поверхностей;

- обработки давлением.

14) Электровзрывная обработка применяется в операциях:

- штамповки;

- очистки;

- дробления материалов;

- получения специальных порошков;

- получения неразъемных соединений.

К основным характеристикам электротехнологических процессов относятся: род тока, его частота, величина напряжения, плотность тока, сила тока, длительность импульса, способ подвода напряжения (прямой или косвенный).

Ток может быть постоянный или переменный, в некоторых операциях применяется тот и другой. Частота тока колеблется от промышленной, равной 50 Гц до сотен Герц, килогерц и мегагерц. Напряжение изменяется от единиц Вольт до сотен киловольт. Сила тока изменяется от десятых долей до 104 Ампера. Длительность импульса изменяется от 10-5 с до непрерывного значения. Напряжение в большинстве технологических операций подводится напрямую, но в некоторых (электронно-лучевые, светолучевые процессы, ионная имплантация) оно подводится косвенно.

Известно, что все вещественные объекты материального мира с точки зрения их электрофизических свойств принято разграничивать на три больших самостоятельных класса - проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники - тела, в которых могут быть созданы электрические токи проводимости. В проводниках существуют свободные электрические заряды, двигающиеся под действием электрического поля. Упорядоченное движение электрических зарядов представляет собой электрический ток проводимости.

Заряды при своем движении сталкиваются с другими частицами вещества и отдают последним энергию, полученную от электрического поля. Для поддержания движения зарядов в проводниках должно существовать электрическое поле, которое при движении зарядов совершает работу. Вследствие этого все проводники обладают сопротивлением электрическому току. Энергия, отдаваемая движущимися зарядами частицам тела, превращается в теплоту. При этом проводник нагревается протекающим по нему электрическим током.

Диэлектрики - материалы, не проводящие электрический ток, т. е. являющиеся изоляторами. Отсутствие электрической проводимости у них обусловлено тем, что электрические заряды разных знаков связаны между собой и вследствие этого не могут двигаться независимо даже при воздействии внешнего электрического поля. В этом случае в диэлектрике происходит лишь некоторое изменение положения или смещение зарядов связанных между собой, называемое поляризацией диэлектрика

Электрическое поле поляризованных зарядов направлен навстречу полю, вызвавшему поляризацию, и ослабляет его. Поэтому если в диэлектрик поместить заряд, то его электрическое поле уменьшается. Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем больше ослабляются в нем поле электрического заряда диэлектрическая проницаемость данного вещества. Относительная диэлектрическая проницаемость

,

(1.1)

где Е, Е - напряженность электрического поля в свободном пространстве и в диэлектрике, В/м.

Поляризация твердых и жидких диэлектриков может значительно ослаблять поле электрических зарядов, т. е. Диэлектрическая проницаемость диэлектриков может быть много больше 1.

Полупроводники - вещества, занимающие среднее положение между проводниками с электронной проводимостью и диэлектриками, как по значению удельного сопротивления, так и по характеру действия их ионов на электроны, движение которых под действием внешнего электрического поля создает электрический ток.

В полупроводниках электроны связаны с ионами вещества достаточно сильно, но все же слабее, чем в диэлектриках. Поэтому тепловое движение нарушает связь части электронов с ионами и эти электроны становятся свободными, т. е. под влиянием электрического поля они способны создавать электрический ток. Чем интенсивнее тепловое движение (чем выше температура полупроводника), тем большее число электронов теряет свою связь с ионами и участвует в образовании электрического тока. При этом сопротивление полупроводника уменьшается.

В полупроводниках наряду с электронной имеется и дырочная проводимость. Преобладание проводимости того или другого типа зависит от наличия в проводниках различных примесей.

Рассмотрим особенности преобразования электрической энергии в проводниках, диэлектриках и полупроводниках.

Определим энергию, выделяющуюся в проводнике с удельной электропроводимостью γ, по которому протекает ток I (рис. 1.1,а). Для этого выделим в проводнике бесконечно малый цилиндрический объем dV=dldS с основаниями dS, которые являются потенциальными и находятся на расстоянии dl одно от другого.

Если ток через основание элемента объема dI=jdS, а разность потенциалов между торцами рассматриваемого объема dU=Edl, то энергия, поглощаемая за единицу времени,

,

(1.2)

Энергия, выделяемая в единице объема за единицу времени,

,

(1.3)

где р - удельное электрическое сопротивление проводника.

Энергию, выделенную в единице объема за единицу времени, называют удельной мощностью.

Равенство (1.3) является законом Ленца-Джоуля в наиболее общей дифференциальной форме и может быть применено для любых проводников независимо от их формы.

Пользуясь выражением (1.3), можно определить мощность, поглощаемую в проводящей среде объемом V,

,

(1.4)

Если в рассматриваемом объеме ρ = const и j = const, то

,

(1.5)

Рис. 1.1. Проводники (а) и диэлектрики (б) в электрическом поле, векторные диаграммы для диэлектриков с электронной (в) и дипольной (г) поляризацией

Полученное уравнение называется законом Ленца-Джоуля в интегральной форме и определяет количество теплоты, выделяющейся в проводнике при протекании электрического тока.

В диэлектриках электрическая энергия в тепловую преобразуется иначе. Рассмотрим электромагнитные процессы в плоском конденсаторе, подключенном к зажимам генератора переменного тока. Пусть разность потенциалов (напряжение между обкладками конденсатора) изменяется во времени τ по гармоническому закону с угловой частотой ω и пространство между обкладками заполнено веществом с диэлектрической проницаемостью ε (рис. 1.1, б).

Под влиянием переменного электрического поля в диэлектрике будет происходить поляризация то в одном направлении, то в другом. Это непрерывное смещение заряженных частиц представляет собой электрический ток, называемый током смещения, который не совпадает по фазе с напряжением на обкладках конденсатора. При поляризации некоторых видов (например, электронной) заряженные частицы диэлектрика под действием электрического поля смещаются без всякого запаздывания. Причем наибольшее смещение наблюдается тогда, когда напряжение проходит через нулевое значение, поскольку в этот момент поляризация происходит более интенсивно. Таким образом, ток смещения в диэлектрике опережает напряжение на четверть периода, или на 90° (рис. 1.1, в), и поляризация не сопровождается затратой энергии, т. е.

При дипольной поляризации других видов частицы диэлектрика смещаются с запаздыванием по отношению к напряжению, приложенному к конденсатору, а ток смещения опережает вектор напряжения на угол φ=90° (рис. 1.1,г). В полном токе появляется составляющая Iа, совпадающая по фазе с напряжением. Это явление обусловлено тем, что внутренние силы, действующие между частицами, препятствуют их ориентации в направлении электрического поля. На их преодоление требуется затрачивать электрическую энергию, которая выделяется в виде теплоты в диэлектрике, т. е.

Угол δ, называемый углом потерь диэлектриков, дополняет угол φ до 90° и характеризует поглощенную электрическую энергию, обращаемую в теплоту. Тогда выражение (2.7) можно записать в виде

Ток смещения Iсм и полный ток I связаны соотношением

ток смещения

где ω - угловая частота, с ; С-емкость конденсатора, Ф.

Емкость, Ф, рабочего конденсатора

Здесь S - площадь пластин, м²; ε - диэлектрическая проницаемость материала, Ф/м; d- расстояние между пластинами, м.

Диэлектрическая проницаемость, Ф/м, материала, размещенного между пластинами конденсатора,

где ε_o - электрическая постоянная, Ф/м (ε_o=8,85·10^-12); ε_r-относительная диэлектрическая проницаемость материала.

С учетом того, что ω=2πf, а также формул (1.9) и (1.10) выражение (1.8) можно записать как

,

или

,

(1.13)

где Е=U/d- напряженность электрического поля в диэлектрике, В/м; V=Sd объем диэлектрика, м³.

Если мощность отнести к единице объема материала, то равенство (2.13) можно переписать так:

,

(1.14)

Выражение (1.14) связывает количество выделяющейся теплоты за единицу времени в единице объема диэлектрика, параметры электрического поля (f и Е) и материала (εr и tg δ). Чтобы повысить удельную мощность, применяют высокие частоты и большие напряженности электрического поля, предельные значения которых ограничиваются пробоем (разрушением) диэлектрика.

В полупроводнике, помещенном в электрическом поле, наряду с током смещения возникает ток проводимости, который совпадает по фазе с напряжением и, следовательно, вызывает дополнительные затраты энергии электрического поля, преобразующиеся в теплоту. Векторная диаграмма для полупроводника подобна диаграмме для диэлектрика, но угол δ имеет большее значение, а, следовательно, активная составляющая тоже больше.

Рассмотрим процесс нагрева материала объемом V с удельной теплоемкостью с и плотностью ρ. Пусть внутри материала действует источник теплоты постоянной мощности Р, а вся его наружная поверхность Р контактирует с окружающей средой, отдавая ей теплоту. Превышение температуры t_м материала над температурой окружающей среды t_окр обозначим:

Примем следующие допущения: температура t_м материала в любой момент времени одинакова во всех точках объема; удельная теплоемкость с материала и, следовательно, его полная теплоемкость cт=Vρc, а также коэффициент kт теплоотдачи не зависят от превышения температуры.

За время dτ часть энергии Ст d ύ, подводимой к материалу, расходуется на повышение его температуры, а часть kт F ύ будет отдаваться в окружающую среду, т.е.

Следовательно, уравнение процесса электронагрева

представляет собой дифференциальное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами.

Время τ нагрева - один из параметров, определяющий режим нагрева материала. Приняв, что начальное превышение температуры ύо материала над температурой окружающей среды равно нулю, т.е. температуры материала и окружающей среды одинаковые, уравнение (1.17) запишем в виде

Проинтегрировав выражение (2.18) и определив постоянную интегрирования из принятых условий задачи, окончательно получим:

,

(1.19)

Таким образом, время нагрева определяется общей теплоемкостью материала, мощностью нагрева и теплоотдающей способностью.

Величина Т, равная отношению полной теплоемкости Cт материала к его теплоотдаче kтF, называется постоянной времени нагрева. С учетом этого

,

(1.20)

Превышение температуры нагрева определяется из формулы

,

(1.21)

На рисунке 1.2, а показано графическое изображение выражения (2.21), из которого видно, что при τ=∞ превышение температуры принимает установившееся значение

,

(1.22)

Нетрудно показать, что при τ =Т

,

(1.23)

На основании этого постоянную времени Т можно определить как время, необходимое для достижения значения 0,63 установившегося превышения температуры. С точностью до 1% считают, что температура достигает установившегося значения через время, равное 5Т.

При отключении электротермической установки материал охлаждается. Так как энергия, подводимая к установке, равна нулю, то левая часть уравнения (1.16) также равна нулю:

,

(1.24)

Если охлаждение при τ=0 начинается с установившегося значения превышения температуры υ_уст, то уравнение (1.24) принимает следующий вид:

,

(1.25)

При τ=Т

,

(1.26)

и охлаждение практически закончится через время, равное 5Т.

Экспоненциальный характер изменения превышения температуры при нагреве и охлаждении свидетельствует о том, что их скорости изменяются во времени.

Чтобы определить скорость υ_наг нагрева, дифференцируют уравнение (1.22) по времени:

,

(1.27)

Скорость υ_охл охлаждения находят, дифференцируя уравнение (1.25):

,

(1.28)

Из анализа выражений (1.27) и (1.28) видно, что скорости нагрева и охлаждения экспоненциально убывают до нуля через время τ=∞, а практически через время, равное 5Т.

На рисунке 1.2, б показаны зависимости скоростей нагрева и охлаждения от времени. Максимальная скорость нагрева наблюдается в начальный момент, когда отсутствует температурный перепад между нагреваемым материалом и окружающей средой. При охлаждении скорость снижения температуры имеет максимальное значение в начальный момент времени.

Динамика превышения температуры и скорости нагрева влияет и на энергетические показатели процесса, в первую очередь на тепловой КПД. В рассматриваемом случае он определяется отношением полезно израсходованной энергии к затраченной, т. е.

,

(1.29)

С учетом уравнения (1.16)

,

(1.30)

Рис. 1.2. Временные характеристики процессов нагрева и охлаждения: а - превышения температуры; б - скорости нагрева и охлаждения

Рис. 1.3. Зависимости термического КПД от превышения температуры (а) и времени нагрева (б)

Для исследования зависимости ηт от времени в уравнение (1.30) нужно подставить значение υ, определяемое по выражению (1.21),

,

(1.31)

Из формулы (1.31) следует, что тепловой КПД в функции времени убывает экспоненциально от единицы в начале нагрева до нуля при достижении установившегося значения превышения температуры, когда вся подводимая мощность передается в окружающую среду.

Зависимости η_т от температуры перегрева и времени нагрева показаны на рисунке 1.3.

Приведенный анализ динамики нагрева основан на упрощающих допущениях, которые не всегда соответствуют действительности, например одинаковые условия отдачи теплоты по всей поверхности нагреваемого материала, отсутствие начального превышения температуры окружающей среды и др.

Рассмотренные процессы нагрева и охлаждения нестационарны, так как связаны с изменением теплосодержания Материала и его температуры. Тепловое равновесие настает, если поступающая тепловая энергия равна ее расходу.

В общем случае в электротермических установках тепловая энергия полезно расходуется на нагрев и на фазовое преобразование (испарение, плавление) материала. При работе электротермического оборудования некоторых видов фазовое преобразование может отсутствовать. Определенная часть тепловой энергии затрачивается на нагрев вспомогательных устройств (тары, приспособлений для загрузки рабочего пространства). Тепловые потери обязательны для всех без исключения электротермических установок.

Тепловая энергия в электротермические установки поступает от электрического нагревателя, в котором электрическая энергия преобразуется в тепловую. Кроме того, теплота может поступать от различного электрооборудования, входящего в комплект объекта, подлежащего нагреву. Источниками теплоты являются электродвигатели и осветительное оборудование, преобразующие в теплоту соответственно не менее 20 % и до 90 % электроэнергии.

Тепловая энергия может поступать и от биологических объектов животного и растительного происхождения.

Тепловой баланс выражается уравнением

,

(1.32)

где Qпр - суммарное поступление тепловой энергии; Qрас - суммарный расход тепловой энергии.

С учетом сказанного уравнения (2.32) можно переписать так:

,

(1.33)

где Qэн, Qб, Qэо тепловая энергия электронагревателей, биологических объектов, от электрооборудования; Qпол - энергия, расходуемая полезно; Qвсп - энергия, затрачиваемая на нагрев вспомогательных устройств; Qпот -энергия тепловых потерь.

Единицами измерения всех составляющих прихода и расхода энергии являются джоуль (Дж, т. е. Вт· с) и производные от него единицы- кДж, МДж, Вт· ч.

Перепишем уравнение (1.16)

,

(1.34)

Приняв во внимание отношение (1.15) и обозначив термическое сопротивление теплоотдачи в окружающую среду

,

(1.35)

уравнение (1.34) можно переписать в следующем виде:

,

(1.36)

Из уравнения следует, что подводимый к нагреваемому материалу поток Ф=Р теплоты частично расходуется на повышение внутренней энергии Vρdυ и частично поступает в окружающую среду (υ-υo)/Rm, т. е.

где Ф - общий тепловой поток, подводимый к нагреваемому материалу;

Ф1 - полезно расходуемый тепловой поток; Ф2 - тепловой поток потерь.

Обратимся к электрической схеме (рис. 1.4), включающей в себя два источника напряжения U и Uo, электрический конденсатор Сэ и резистор Rэ- Применительно к этой схеме можно записать

,

(1.37)

Физический смысл этого уравнения заключается в том, что энергия от источника напряжением U запасается в конденсаторе Сэ и поглощается в резисторе Rэ.

Уравнения (1.36) и (1.37), являясь математическими моделями, одинаковы по форме, хотя и отражают процессы в объектах различной физической природы.

Электрическую схему можно рассматривать как модель-аналог процесса электронагрева.

Рис. 1.4. Электрическая схема - аналог процесса электронагрева.

Тепловые потоки и температурные поля возможно и даже целесообразно исследовать не на реальных электротермических объектах, а на электрических схемах-аналогах. При этом теплоте будет соответствовать количество электричества, тепловому потоку - электрический ток, плотности теплового потока - плотность электрического тока, теплопроводности - электропроводность, разности температур - разность потенциалов, термическому сопротивлению - электрическое сопротивление.

В приведенной на рисунке электрической схеме напряжения U, Uo выражают в некотором масштабе соответственно температуры t, tокр; токи i, i1, i2; тепловые потоки Ф, Ф1, Ф2; резистор Rэ соответствует термическому сопротивлению теплоотдачи Rm=1/kmF, а электрический конденсатор Сэ - теплоемкость всего материала Сm.

При выборе масштабов моделирования руководствуются следующими соображениями. Масштабы времени и теплоемкости принимают такими, чтобы было удобно наблюдать и регистрировать процесс на модели и можно было, подобрать реальную или имеющуюся в наличии электрическую емкость. Затем находят масштаб сопротивлений теплоотдачи по формуле.

,

(1.38)

где масштаб сопротивления теплоотдачи, °С/(Вт· Ом); m_τ, - масштаб времени: - масштаб теплоемкости, Дж/(°С· Ф).

После этого задаются масштабом температуры, исходя из значений напряжений имеющихся источников постоянного тока. При этом масштаб, Вт/А, теплового потока

,

(1.39)

где - масштаб температуры, °С/В.

При использовании схем - аналогов можно значительно упростить расчеты электротермического оборудования, свести их к расчету электрических цепей. Кроме того, схема - аналог служит электрической моделью системы электронагрева и позволяет провести необходимые экспериментальные исследования с целью нахождения наиболее рационального решения при проектировании электротермического оборудования.

Известно несколько способов преобразования электрической энергии в тепловую - сопротивлением, индукционный, дуговой, диэлектрический, термоэлектрический, электронный и световой (лазерный).

В сельскохозяйственном производстве наиболее распространен электрический нагрев методом сопротивления, физическая сущность которого заключается в том, что при прохождении электрического тока по проводнику в нем выделяется теплота, Дж, в соответствии с законом Ленца - Джоуля

,

(1.40)

где I - действующее значение тока, протекающего по проводнику, А; R - сопротивление проводника, Ом; τ - время, с.

Выделившаяся тепловая энергия расходуется на повышение внутренней энергии (нагрев) проводника. При этом материал, подлежащий нагреву, должен обладать электропроводящими свойствами. Проводники электрического тока имеют электронную (металлы) или ионную (электролиты) проводимость.

Металлы можно нагревать при помощи электрического тока (рис. 1.5,а). Через контактные устройства КУ напряжение подается к нагреваемой детали Д, которая нагревается при протекании тока I. Такой нагрев получил название электроконтактного.

Для нагрева электролита электрическим током к его объему, заключенному между электродами (рис. 1.5, б), подводят напряжение. При протекании тока I в электролите выделяется теплота, вызывающая его нагрев.

Рис. 1.5. Способы преобразования электрической энергии в теплоту: а - сопротивлением электроконтактный; б - сопротивлением электродный: в - сопротивлением элементный; г и д- индукционный прямого и косвенного нагрева: е и ж - электродуговой косвенного и прямого нагрева; з-диэлектрический: и - термоэлектрический

Рассмотренные способы нагрева металлических проводников и электролитов относятся к прямому нагреву методом сопротивления, так как электрическая энергия в тепловую преобразуется непосредственно в этих материалах.

Нагрев методом сопротивления можно реализовать применительно к материалу независимо от его электрофизических свойств (он может быть даже и неэлектропроводящим). Схема, позволяющая выполнить такой нагрев, показана на рисунке 1.5, в. Здесь электрический ток I проходит по специальному устройству (из металла или сплава) - нагревательному элементу НЭ, сопротивление которого R. В НЭ энергия преобразуется в теплоту Q, передаваемую нагревательному материалу М. Такой вид нагрева называется косвенным или элементным. При нагреве методом сопротивления электрическая энергия передается в устройство, где она преобразуется в теплоту, контактным путем - при помощи специальных устройств при электроконтактном нагреве, через электроды - при электродном нагреве, гальваническим присоединением нагревательного элемента - при элементном нагреве.

При индукционном способе металлическую деталь Д, подлежащую нагреву, помещают внутрь катушки И (индуктора), по которой проходит переменный ток. При этом создается периодически изменяющееся магнитное поле (обозначено силовыми линиями) с частотой питающего тока (рис. 2.5, г). Под воздействием переменного поля катушки, изготовленной из медного проводникового материала, в детали сопротивлением R наводятся вихревые токи (токи Фуко), при протекании которых в соответствии с законом Ленца-Джоуля выделяется теплота. В данном случае в отличие от нагрева методом сопротивления электрическая энергия передается в материал бесконтактно-индукционным методом. По виду нагрева его можно отнести к прямому, так как электрический ток в теплоту преобразуется непосредственно в нагреваемой детали.

Индукционный нагрев может быть также и косвенным, а нагреваемый материал при этом может и не обладать электропроводящими свойствами. Для этого достаточно вместо сплошной металлической детали в индукторе разместить полый металлический цилиндр, заполненный материалом М, подлежащим нагреву (рис. 1.5, д). В данном случае индуцированные вихревые токи нагревают стенки цилиндра, от которых теплота передается нагреваемому материалу.

При дуговом нагреве в качестве преобразователя электрической энергии в тепловую используют электрическую дугу, представляющую собой плазму -полностью или частично ионизированный газ, обладающий хорошими электропроводящими свойствами. Схема устройства электродугового нагрева показа на рисунке 1.5, е. Здесь электрическая дуга ЭД горит между двумя электродами Э, к которым подведено напряжение от источника питания. В канале разряда сопротивлением R протекает ток I и в соответствии с законом Ленца - Джоуля выделяется теплота Q, передаваемая нагреваемому материалу. Такой нагрев относится к косвенному, так как электрическая энергия преобразуется в теплоту вне материала.

Электродуговой нагрев может быть и прямым, если в качестве одного из электродов применяют металлическую деталь, которую необходимо нагреть (рис. 1.5, ж).

При диэлектрическом нагреве нагреваемый материал М, не обладающий электропроводящими свойствами, помещают между пластинами рабочего конденсатора, подключенного к источнику питания высокой частоты (рис. 1.5, з). Нагрев происходит за счет поглощения энергии диэлектрическим материалом и является прямым. Количество энергии, поглощенной при этом, выражается уравнением (1.13).

Термоэлектрический нагрев (рис. 1.5, и), основанный на эффекте Пельтье, существенно отличается от рассмотренных ранее методов и является косвенным. Эффект Пельтье, проявляющийся при прохождении электрического тока через контакт разнородных электропроводящих материалов, заключается в том, что при протекании постоянного электрического тока от внешнего источника на горячем спае дополнительно к теплоте Ленца - Джоуля выделяется пропорциональное току некоторое количество теплоты, поглощенное холодным спаем термоэлемента. Эффект Пельтье сильно выражен у полупроводниковых материалов и его применяют для устройства нагревателей и охладителей.

Световой (лазерный) нагрев, использующий энергию мощного концентрированного светового луча, и электронный, основанный на превращении кинетической энергии ускоренных в электрическом поле электронов в тепловую энергию при ударе о нагреваемый объект, не нашли широкого применения в сельском хозяйстве. Способ преобразования электрической энергии в теплоту, вид нагрева, режим работы, температура, род используемого электрического тока, значение напряжения, технологическое назначение - основные признаки, по которым классифицируют отдельные группы электротермического оборудования.

Из рассмотренных способов преобразования электрической энергии в теплоту наиболее распространен нагрев методом сопротивления, отличающийся простотой и надежностью работы устройств.

По виду нагрева электротермическое оборудование можно разделить на две группы - прямого и косвенного нагрева, отличающиеся тем, что в первом случае электрическая энергия в теплоту преобразуется непосредственно в нагреваемом материале, а во втором - вне его (теплота передается теплопроводностью, конвекцией, излучением или комбинацией всех или отдельных видов теплопередачи). Установки, реализующие косвенный электронагрев, можно применять для нагрева различных материалов.

Электротермическое оборудование по режиму работы делят на две группы - непрерывного (выполняет непрерывные технологические процессы, создает температурные условия в производственных помещениях, парниках и др.) и периодического (нагревает до заданной температуры некоторое количество материала, который расходуется по технологическому назначению, а затем нагревает новую порцию и т. д.) действия.

Рабочая температура высокотемпературного электротермического оборудования - свыше 1250 °С, среднетемпературного - до 1250 °С и низкотемпературного - до 500...600 °С. Рабочая температура сельскохозяйственного технологического электротермического оборудования, как правило, не более 200...300 °С.

Электротермическое оборудование может работать на постоянном и переменном токе промышленной, повышенной, высокой и сверхвысокой частот. Наиболее распространено оборудование, работающее на переменном токе промышленной частоты.

Электротермическое оборудование бывает напряжением до 1 кВ и свыше 1 кВ. Большая часть его работает при напряжении 380/220 В, а в некоторых случаях и при более низком напряжении, главным образом в целях обеспечения безопасной эксплуатации.

По технологическому назначению электротермическое оборудование подразделяют на универсальные установки, предназначенные для нескольких технологических процессов, и специальные, используемые в конкретных технологических процессах, например для подогрева питьевой воды животным, пастеризации молока, сушки зерна, обогрева парников и т. п.

Расчету электротермических установок предшествует выбор способа преобразования электрической энергии в теплоту, который определяется главным образом технологическим назначением оборудования.

Для расчета установок периодического действия необходимы следующие исходные данные: количество материала, подлежащего нагреву, его теплофизические характеристики, начальная и конечная температуры нагрева, время нагрева, характеристика питающей сети. Для установок непрерывного действия вместо количества нагреваемого материала и времени нагрева задают производительность установки.

Полный расчет электротермических установок состоит из теплового и электрического. При тепловом расчете определяют потребную и установленную мощности электротермического оборудования, его тепловые параметры, в том числе КПД, удельный расход электроэнергии, а иногда и температурные перепады в нагреваемых изделиях. При электрическом расчете находят конструктивные параметры нагревателей (нагревательных элементов при косвенном нагреве, индуктора при индукционном нагреве, рабочего конденсатора при диэлектрическом нагреве и т. п.). Кроме того, часто определяют место размещения нагревателей в рабочей зоне или системы обогрева технологического объекта для обеспечения заданных условий.

Если же установленная мощность электротермической установки известна, то в результате теплового расчета находят возможную ее производительность и тепловые параметры.

Основная задача теплового расчета - определение всех элементов теплового баланса применительно к конкретным условиям.

Установленная мощность, Вт, подводимая к электротермическому оборудованию,

где Кз - коэффициент запаса; Рпотр - потребная мощность, Вт; ηэ - электрический КПД установки.

Коэффициент запаса учитывает уменьшение фактической мощности электротермической установки вследствие снижения питающего напряжения, старения материалов нагревателей, а также возможное отклонение условий эксплуатации от расчетных значений. Обычно коэффициент принимают от 1,1 до 1,3. Причем меньшее значение коэффициента соответствует большей мощности.

При окончательном определении установленной мощности электронагревательного оборудования следует помнить, что излишнее ее завышение осложняет задачу электроснабжения, в некоторых случаях может вызвать нарушение технологии нагрева материалов и даже увеличить удельный расход электроэнергии.

Потребную мощность, Вт, электротермических установок с учетом отношения (1.3) рассчитывают следующим образом:

где Рпол - полезная тепловая мощность, Вт; Рвсп - мощность, идущая на нагрев вспомогательных устройств, Вт; Рпот - мощность тепловых потерь, Вт.

Для электронагревательных установок периодического действия:

полезная теплота, Дж,

Здесь V- объем материала, м³; ρ - плотность материала, кг/м; с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг∙°С); t2 - конечная заданная температура нагрева, °С; t1 - начальная температура материала, °С;

полезная мощность, Вт,

где τ - время нагрева, с.

Для электронагревательных установок непрерывного действия: полезная теплота, Дж/с, в единицу времени

где L - объемная подача нагреваемого материала в установку, м^3· с;

полезная мощность, Вт,

Подводимая к электротермической установке мощность может быть выражена через тепловой ηт и электрический ηэ КПД:

В электротермических установках, в которых одновременно с нагревом происходит, например, плавление, испарение, при определении полезной мощности необходимо учитывать теплоту, расходуемую на нагрев материала до температуры фазового преобразования, и его теплоту.

Мощность, затрачиваемую на нагрев вспомогательных устройств, находят по формулам расчета полезной мощности, причем температуру вспомогательного оборудования принимают равной температуре нагреваемого материала.

В общем случае тепловые потери электротермического оборудования связаны с тремя способами передачи теплоты: теплопроводностью, излучением и конвекцией.

Основное уравнение стационарной теплопроводности для плоской стенки имеет вид (закон Фурье):

где Ф - тепловой поток, Вт; λ - теплопроводность материала стенки, Вт/(м∙°С); l -толщина стенки, через которую проходит теплота, м; Δt - разность температур на поверхностях стенки, °С; F - площадь поверхности стенки, м².

Если ввести понятие о тепловом сопротивлении стенки

то закон Фурье примет вид, аналогичный закону Ома.

Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, называется плотностью теплового потока, удельным тепловым потоком или тепловой нагрузкой поверхности. Удельный тепловой поток, Вт/м²,

,

(1.50)

При проектировании электротермического оборудования тепловые потери, Вт, за счет теплопроводности можно определить с достаточной для технических расчетов точностью по формуле

Pm=ФудFрасч,

где Fрасч - расчетная поверхность стенки, м².

Теплопроводность материала стенки характеризуется коэффициентом теплопроводности (количеством теплоты, проходящим в единицу времени через 1 м² изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице).

Вода и особенно воздух обладают малой теплопроводностью. Так, для воды при температуре 20°С она равна 0,597 Вт/(м· °С), а для воздуха при той же температуре- 2,59∙10^-2 Вт/(м∙°С). Коэффициенты теплопроводности для различных материалов приведены в специальных справочниках.

Передача теплоты конвекцией зависит от физических свойств среды (жидкости и газов) - плотности, вязкости, теплопроводности, теплоемкости, характера ее движения, а также формы и состояния контактирующей поверхности.

Тепловой конвективный поток, Вт, определяющий количество теплоты, передаваемой конвекцией, обычно выражают законом Ньютона:

где αк - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²∙°С); Δt - разность температур между твердым телом и газом или жидкостью, °С; F - площадь поверхности твердого тела, м².

Плотность теплового потока, Вт/м², отдаваемого с единицы поверхности тела окружающему газу или жидкости,

Коэффициент αк, определяющий то количество теплоты, которое передается в единицу времени с поверхности твердого тела площадью 1 м² при разности температур между этой поверхностью и окружающей средой, равной 1 °С, зависит от многих факторов, характеризующих среду и контактирующую с ней поверхность. При расчете конвективной теплоотдачи основная трудность состоит в правильном нахождении для расчета, которого предложено большое число формул, базирующихся на экспериментальных результатах.

При свободной конвекции (естественном движении воздушной среды около нагретого твердого тела) вследствие различия плотностей нагретых и холодных частиц коэффициент:

для вертикальных стенок и труб

,

(1.53)

для горизонтальных, обращенных теплоотдающей поверхностью вверх,

,

(1.54)

для горизонтальных, обращенных теплоотдающей поверхностью вниз,

,

(1.55)

В приведенных формулах учитывается зависимость коэффициента теплообмена от разности температур Δt между стенкой и воздухом. Для принудительной конвекции коэффициент α_к зависит главным образом от скорости движения среды.

При принудительном движении воздуха вдоль стенки со скоростью больше, чем 5 м/с,

,

(1.56)

Тепловой поток, излучаемый поверхностью абсолютно черного тела (т. е. такого, которое поглощает всю падающую на него энергию), пропорционален четвертой степени его абсолютной температуры. Плотность интегрального (по всем длинам волн) потока излучения определяется законом Стефана- Больцмана:

,

(1.57)

где Ф_и.уд - удельный поток излучения, Вт/м²; С_о - постоянная излучения абсолютно черного тела (со=5,67 Вт/ м^2∙К⁴); Т - абсолютная температура тела, К.

Реальные тела не являются абсолютно черными. Они поглощают лишь часть падающей на них энергии. В системе, состоящей из двух реальных тел, теплообмен между которыми осуществляется излучением, плотность потока энергии, передаваемой от второго тела к первому,

,

(1.58)

где С_пр - приведенная степень черноты для системы из двух тел; Т₁ и Т₂ - температуры первого и второго тел, К.

В общем случае теплообмен осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией, излучением и является сложным процессом, зависящим от многих факторов и не всегда поддающимся точному математическому расчету.

Проектирование технологических электротермических установок обычно начинают с нахождения размера их рабочего пространства (зона или часть электротермической установки, в которой размещается нагреваемый материал). При создании электротермических установок теплогенерирующие элементы (т. е. нагреватели) целесообразно располагать ближе к рабочему пространству.

Для электротермических установок периодического действия рабочее пространство определяется числом одновременно нагреваемых изделий, их размерами или объемом (массой) материала, нагреваемого за один рабочий цикл.

Производительность, кг/ч, установки периодического действия

где V -объем нагреваемого материала, м³; ρ-плотность материала, кг/м ;

τ - полное время работы установки, включая время загрузки и разгрузки, ч.

Для установки непрерывного действия размеры рабочего пространства также определяются ее производительностью. Принимая во внимание, что нагреваемый материал поступает непрерывно, производительность, кг/ч, установки

Здесь υ-скорость поступления материала в рабочее пространство, м/ч;

F-площадь сечения рабочего пространства, м².

Длина рабочего пространства

где τ - время нахождения материала в рабочем пространстве установки, ч.

Общий КПД электротермических установок

где η_э, η_т - электрический и термический коэффициенты полезного действия.

Электрический КПД зависит главным образом от способа электронагрева. Для установок, реализующих нагрев методом сопротивления, он близок к единице. То же самое можно сказать применительно к установкам электродугового нагрева, если не учитывать потери в источниках питания электрической дуги. В установках индукционного нагрева η_э=0,5...0,7, что объясняется электрическими потерями в некоторых, элементах (источнике питания, трансформаторе, индукторе), входящих в состав установки. Еще более низкий КПД (η_э=0,4...0,5) имеют установки высокой частоты (ВЧ) диэлектрического нагрева из-за многократного преобразования энергии. При использовании сверхвысокой частоты (СВЧ) для диэлектрического нагрева η_э =0,7 за счет снижения потерь в источнике питания.

Термический КПД показывает, какая часть тепловой энергии, выделенной в нагревательном устройстве установки, идет на повышение теплосодержания материала, т.е. учитывает потери энергии в окружающую среду и на нагрев элементов вспомогательного оборудования.

Из выражения (1.30) следует, что при увеличении превышения температуры уменьшается термический КПД, который при установившемся значении температуры становится равным нулю.

Из формулы (1.31) видно, что уменьшение времени τ нагрева, т.е. повышение скорости нагрева, приводит к увеличению η_т. Повысить η_т можно также, увеличив постоянную времени нагрева Т, т.е. снизив теплоотдающую способность установки.

Для этого нужно применять более качественную теплоизоляцию или увеличивать ее толщину, а также уменьшать площадь ограждающей поверхности, так как

где V-рабочий объем электротермической установки, м³; ρ-плотность нагреваемого материала, кг/м³; с-удельная теплоемкость материала, кДж/(кг-°С); km -коэффициент теплопередача через ограждающую поверхность, Вт/м²; F-площадь поверхности ограждения, м²; Fуд=F/V- удельная площадь ограждающей поверхности, м² / м³.

Для повышения η_т электротермические установки проектируют таким образом, чтобы F_уд была бы минимальной. Этому требованию в большей мере отвечает шаровая поверхность, однако из-за невысокой ее технологичности установки обычно имеют форму цилиндров или прямоугольных параллелепипедов.

В практических расчетах из соотношения (1.42)

или

η_m =Р_пол/(Р_пол+Р_всп+Р_пот,)

Удельный расход электроэнергии определяют на единицу объема или массы нагреваемого материала, при обогреве поверхности - на единицу площади и т. п.

Для установок периодического действия

ω₁=Рустτ/V, или ω₂=Рустτ/(Vρ),

где ω₁, ω₂, ω₃-удельный расход электроэнергии, соответственно кВт·ч/м³, кВт∙ч/кг, кВт∙ч/м²; Руст - установленная мощность электронагревателей, кВт; τ - время нагрева, ч; V-объем нагреваемого материала; м³; ρ - плотность нагреваемого материала, кг/м³; F-площадь нагреваемой поверхности, м².

Для установок непрерывного действия

Здесь L или F -производительность установки, соответственно

Тепловые процессы широко используют во всех отраслях сельскохозяйственного производства для нагрева различных технологических материалов и сред. При этом их температура в большинстве случаев не превышает 200...300 °С, а иногда измеряется десятками градусов. Такой нагрев получил название низкотемпературного. Принимая во внимание специфические условия сельскохозяйственного производства, для низкотемпературного нагрева во многих случаях целесообразно применять электротермические установки.

В животноводстве и птицеводстве низкотемпературный нагрев используют для подогрева вентиляционного воздуха, воды при поении животных, мытье молочной посуды, трубопроводов, пастеризации молока и в других целях, в растениеводстве защищенного грунта для обогрева почвы и воздуха, стерилизации почвы, а в растениеводстве открытого грунта - для сушки семян, зерна, сена и иной сельскохозяйственной продукции.

Температурные режимы некоторых технологических процессов приведены в таблице 1.1.

Энергетические затраты на нагрев материалов и сельскохозяйственной продукции определяются их физическими характеристиками (удельной теплоемкостью, плотностью), а также режимом и условиями нагрева.

Физические характеристики некоторой сельскохозяйственной продукции и некоторых материалов приведены в таблице 1.2.

Процессы нагрева, связанные с фазовым преобразованием (испарение, плавление) веществ, отличаются повышенными затратами энергии. Так, для испарения 1 л воды необходимо затратить около 2500 кДж энергии. В реальных электротермических установках для сушки материалов и сельскохозяйственной продукции расходуется 1,5...3 кВт· ч электроэнергии на 1 кг испаренной влаги.

Таблица 1.1

Таблица 1.2

Контрольные вопросы

1. На какие классы по электрофизическим свойствам принято разделять вещества?

2. Чем определяется энергия, выделяющаяся в проводнике при протекании по нему электрического тока?

3. Чем отличается электрический нагрев диэлектриков от электрического нагрева проводников?

4. Как влияют параметры электрического поля на нагрев диэлектриков?

5. Перечислите особенности электрического нагрева полупроводников.

6. В чем заключается физический смысл общего уравнения электронагрева?

7. Чем определяется время нагрева?

8. Как изменяется температура в функции времени при нагреве и охлаждении?

9. Как зависит скорость изменения температуры от времени при нагреве и охлаждении?

10. Как изменяется тепловой КПД в процессе нагрева?

11. Как можно повысите тепловой КПД?

12. Перечислите основные составляющие теплового баланса в электротермических процессах.

13. В чем заключается электрофизическое моделирование процессов нагрева?

14. Назовите основные способы преобразования электрической энергии в теплоту. В чем их различие?

15. Перечислите основные признаки классификации электротермического оборудования.

16. В чем заключаются электрический и тепловой расчеты электротермических установок?

17. Как определить установленную мощность электротермического оборудования?

18. Перечислите основные составляющие тепловых потерь электротермических установок.

19. Какие параметры установок и процесса электронагрева влияют на тепловой КПД?

20. Каким образом находят размеры рабочего пространства электротермических установок?

21. Как определяют расход электроэнергии в электротермических установках?

22. Как влияет общий КПД электротермических установок на удельный расход электроэнергии?

23. Перечислите основные электротермические процессы в сельском хозяйстве и их температурные режимы.

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006