Основы применения электротермических установок

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

Национальный  минерально-сырьевой университет «Горный»

 

 

Кафедра электротехники, электромеханики и электроэнергетики.

 

 

Реферат

 

 

 

 

По дисциплине:                 История развития элетротехники и электротехнологии.

                                   (наименование учебной дисциплины  согласно учебному плану)

 

 

                                                Тема        Электротермия

 

 

 

Выполнил: студент  гр. ЭРг-10     ___________               /Шапошников И.С./

                                                                                                     ^{(подпись)                                         (Ф.И.О.)}  

 

 

ПРОВЕРИЛ:

 

Руководитель:        доцент                ____________              /Нефедова Н.В./

                                                 ^{(должность)                                 (подпись)                                                (Ф.И.О.)}

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

 

 

Оглавление

1.Введение…………………………………………………………………………………………………2

2.Основы применения электротермических  установок…………………………………………...4

3.Влияние изменения температуры на электро- и теплофизические свойства материала...…6

4. Электротермические установки………………………………………………………………….....9

5. Актуальность и перспективы развития………………………………………………………......10

6.Вывод…………………………………………………………………………………………………...13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Электротермия (от электро... и греч. thérme — жар, тепло), прикладная наука о процессах преобразования электрической энергии в тепловую; отрасль электротехники, осуществляющая проектирование, изготовление и эксплуатацию электротермических установок; отрасль энергетики, занимающаяся потреблением электрической энергии для нагрева, плавки или отопления в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, медицине, военном деле и быту; совокупность электротехнологических процессов с использованием теплового действия электрической энергии в различных отраслях техники (в металлургии — электрометаллургия, в химии — плазмохимия, в машиностроении — высокочастотный нагрев, электротермообработка и т. д.). В Э. различают дуговой нагрев, индукционный нагрев, диэлектрический нагрев, электронный нагрев, нагрев по Джоуля—Ленца закону, нагрев в электролите, нагрев излучением оптического квантового генератора (лазера).

Понятие "электротермические установки" (или "электротермическое оборудование") включает , электрические нагревательные приборы коммунального и бытового назначения. Применение электрической энергии для теплогенерации обеспечивает: возможность концентрации большой энергии в малых объемах, следствием чего могут быть высокие температуры, недостижимые при других способах теплогенерации; большие скорости и нагрева и компактность электротермических установок; возможность регулирования величины и распределения температуры в рабочем пространстве печи, что позволяет осуществлять равномерный нагрев в больших объёмах изделий (при прямом электронагреве) или избирательный нагрев (под поверхностную закалку, для зонной плавки) и создаёт благоприятные условия для автоматизации теплового и технологического процессов; возможность создания в рабочем пространстве электротермических установок вакуума, что позволяет использовать давление как фактор регулирования технологического процесса (вакуумные или компрессионные электрические печи), применять контролируемые (инертные или защитные) атмосферы для защиты нагреваемых материалов и изделий от вредных воздействий воздуха (и частности, уменьшение угара); отсутствие дымовых газов (продуктов сгорания топлива), что позволяет увеличить коэффициент использования тепла, т. е. кпд электротермических установок, и обусловливает чистоту их рабочего пространства; транспортабельность и простоту подачи электрической энергии (по линиям электропередачи).

Развитие Э. сдерживают недостатки этого способа теплогенерации: более высокая стоимость эксплуатации электротермических установок но сравнению  с другими типами печей; большая  стоимость электротермического  оборудования в изготовлении, комплектации и эксплуатации, а следовательно, в ряде случаев большие капитальные  затраты, и более высокие требования к технической культуре производства, нередко также большой расход дорогих и дефицитных материалов на изготовление электротермического  оборудования; меньшие надёжность, долговечность и ремонтопригодность электротермических установок; зависимость  работы электротермической установки  от режима работы энергосистемы.

Электротермические установки  применяют: если технологический процесс  нельзя осуществить без Э. (в этом случае целесообразность определяется значением получаемой продукции  для народного хозяйства); если можно  получить продукцию более высокого качества (экономический эффект зависит  от того, насколько выгоды от улучшения  свойств продукции компенсируют увеличение сё стоимости); если улучшаются условия труда, повышается безопасность обслуживающего персонала; если достигается  снижение себестоимости (благодаря  более высокой производительности труда) или уменьшение капитальных  затрат, включая затраты в смежных  отраслях производства.

На долю Э. приходится до 15% потребляемой промышленностью электрической  энергии. На базе Э. созданы и развиваются  производства специальных сталей, ферросплавов, цветных и лёгких металлов и сплавов, твёрдых сплавов, редких металлов, карбида  кальция, фосфора и других продуктов; осуществляются обработка металлов давлением и термическая обработка; происходит электрификация быта.

 

 

 

 

 

ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ И УСТАНОВОК

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) 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. 1.1).

Существуют три вида теплообмена, три различных способа передачи тепла (рис. 1.2).

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.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.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.

 

 

 

 

 

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.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.

Влияние изменения  температуры на электро- и

теплофизические свойства материала

С увеличением температуры  происходит изменение электрофизических, теплофизических и магнитных свойств материалов и веществ (рис. 1.3 – 1.4) [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 - вжидкое состояние) (рис. 1.3).

Изменение относительной  магнитной проницаемости, показанное на

 

рис. 1.4, характерно только для  ферромагнитных металлов.

При температуре, соответствующей точке Кюри (ориентировочно 730 −750°С),

металл теряет свои магнитные свойства, и относительная магнитная проницаемость

становится равной единице.Изменение энтальпии (теплосодержания) для металлов,

показанное на рис. 1.5, имеет такой же характерный переход при изменении

агрегатного состояния, что  и изменение удельного сопротивления.Изменение коэффициента теплопроводности для некоторых газов и жидкостей (рис. 1.6, 1.7) связано с явлением переноса некоторого количества тепла в различных слояхжидкости или газа.

Собственно коэффициент  теплопроводности численно равен количеству тепла, переносимого через единицу поверхности за единицуивремени 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. Изменение теплопроводности металлов (рис. 1.8) происходит по закону Видемана - Франца, в соответствии с которым для всех металлов отношение коэффициента теплопроводности к удельной электропроводности прямо пропорционально абсолютной температуре.

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. 1.9, 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).

 

 

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

• ƒ электропечи сопротивления - УДК 621.365.3;
• ƒ индукционные печи - УДК 621.365.5;
• ƒ вакуумные индукционные печи - УДК 621.365.55 - 982.

Актуальность  и перспективы развития электротермического  способа производства алюминиево –  кремниевых сплавов.

В настоящее время производство алюминиево-кремниевых сплавов осуществляется традиционным способом – сплавлением  электролитического алюминия и технического кремния по, так называемой, синтетической  схеме производства.