Escalfament de resistència
L’efecte Joule del corrent s’utilitza per convertir l’energia elèctrica en energia tèrmica per escalfar objectes. [1] Normalment es divideix en escalfament de resistència directa i escalfament de resistència indirecta. La tensió d’alimentació de la primera s’aplica directament a l’objecte a escalfar. Quan el corrent flueix, l’objecte mateix s’escalfa. La planxa s’escalfa.
Tindrà febre. L'objecte que pot escalfar directament la resistència ha de ser un conductor, però ha de tenir una resistivitat més alta. Atès que l’objecte escalfat genera la calor, pertany a la calefacció interna i l’eficiència tèrmica és molt elevada. L'escalfament per resistència indirecta requereix materials d'aliatge especials o materials no metàl·lics per fabricar elements calefactors. Els elements calefactors generen calor, que es transmet a l’objecte a escalfar mitjançant radiació, convecció i conducció. Atès que l’objecte escalfat i l’element calefactor es divideixen en dues parts, el tipus d’objecte escalfat no sol ser limitat i el funcionament és senzill.
Els materials que s’utilitzen per als elements calefactors de resistència indirecta requereixen generalment una alta resistivitat, un coeficient de resistència a baixa temperatura, una petita deformació a altes temperatures i no fàcil de fragilitzar. S’utilitzen habitualment materials metàl·lics com l’aliatge de ferro-alumini, l’aliatge de níquel-crom i materials no metàl·lics com el carbur de silici i el disilicida de molibdè. La temperatura màxima de treball dels elements calefactors metàl·lics pot arribar a 1000 ～ 1500 ℃ segons el tipus de material; la temperatura de treball més alta dels components de calefacció no metàl·lics pot arribar a 1500 ～ 1700 ℃. Aquest últim és fàcil d’instal·lar i es pot substituir pel forn de calefacció, però necessita un dispositiu de regulació de voltatge quan funciona i la seva vida útil és inferior a la dels elements calefactors d’aliatge. Generalment s’utilitza en forns d’alta temperatura, llocs on la temperatura supera la temperatura màxima de treball permesa dels elements de calefacció metàl·lics i en algunes ocasions especials.
Calefacció per inducció
El propi conductor s’escalfa per l’efecte tèrmic format pel corrent d’inducció (corrent de Foucault) generat pel conductor en el camp electromagnètic altern. Segons els diferents requisits del procés de calefacció, la freqüència de la font d'alimentació de CA que s'utilitza en la calefacció per inducció inclou la freqüència de potència (50-60 Hz), la freqüència intermèdia (60-10000 Hz) i l'alta freqüència (superior a 10000 Hz). La font d’alimentació per freqüència d’energia sol ser la font d’alimentació de CA que s’utilitza a la indústria. La freqüència de potència de la majoria de països del món és de 50 Hz. La tensió aplicada al dispositiu d’inducció per la font d’alimentació de freqüència industrial per a la calefacció per inducció ha de ser ajustable. Segons la potència de l’equip de calefacció i la capacitat de la xarxa d’alimentació, es pot utilitzar una font d’alimentació d’alta tensió (6-10 kV) per subministrar energia mitjançant un transformador; els equips de calefacció també es poden connectar directament a una xarxa elèctrica de baixa tensió de 380 volts.
Les fonts d’alimentació de freqüència mitjana utilitzen conjunts de generadors de freqüència intermèdia durant molt de temps. Consisteix en un generador de freqüència intermèdia i un motor asíncron d’acció. La potència de sortida d’aquesta unitat se situa generalment entre 50 i 1000 quilowatts. Amb el desenvolupament de la tecnologia de l'electrònica de potència, ara s'utilitzen fonts d'alimentació de freqüència intermèdia amb inversor de tiristor. Aquesta font d'alimentació de freqüència intermèdia utilitza un tiristor per convertir primer el corrent altern de freqüència de potència en un corrent continu i, a continuació, convertir el corrent continu en un corrent altern de la freqüència requerida. A causa de la petita mida, el pes lleuger, el funcionament silenciós i fiable d’aquest tipus d’equips de freqüència variable, ha anat substituint els grups electrògens de freqüència intermèdia.
Les fonts d’alimentació d’alta freqüència solen utilitzar un transformador per augmentar la tensió trifàsica de 380 volts fins a una alta tensió d’uns 20.000 volts i, a continuació, utilitzar un tiristor o un rectificador de silici d’alta tensió per rectificar la freqüència de potència de CA a CC i un oscil·lador electrònic El corrent continu es transforma en un corrent altern d’alta freqüència i alta tensió. La potència de sortida dels equips d’alimentació d’alta freqüència oscil·la entre desenes de quilowatts i centenars de quilowatts.
L’objecte escalfat per inducció ha de ser conductor. Quan un corrent altern d’alta freqüència passa per un conductor, el conductor produeix un efecte pell, és a dir, la densitat de corrent a la superfície del conductor és gran i la densitat de corrent al centre del conductor és petita.
La calefacció per inducció pot escalfar uniformement l’objecte en conjunt i escalfar la superfície; pot fer olor de metall; a alta freqüència, pot canviar la forma de la bobina de calefacció (també coneguda com a inductor) i també pot realitzar escalfaments locals arbitraris.
Calefacció per arc
Utilitzeu l’alta temperatura generada per l’arc per escalfar l’objecte. L’arc és el fenomen de la descàrrega de gasos entre dos elèctrodes. El voltatge de l’arc no és elevat però el corrent és gran. El seu fort corrent és mantingut per un gran nombre d’ions evaporats a l’elèctrode, de manera que l’arc es veu fàcilment afectat pel camp magnètic circumdant. Quan es forma un arc entre els elèctrodes, la temperatura de la columna d'arc pot arribar als 3000-6000K, la qual cosa és adequat per a la fosa a alta temperatura de metalls.
Hi ha dos tipus de calefacció per arc, la directa i la indirecta. El corrent d'arc de l'escalfament directe de l'arc passa directament a través de l'objecte a escalfar i l'objecte a escalfar ha de ser un elèctrode o mitjà de l'arc. El corrent d'arc de l'escalfament indirecte de l'arc no passa per l'objecte a escalfar, i s'escalfa principalment per la calor irradiada per l'arc. Les característiques del escalfament de l’arc són: alta temperatura de l’arc, energia concentrada i la potència superficial de la piscina fosa del forn d’arc elèctric de fabricació d’acer pot arribar als 560-1200 quilowatts per metre quadrat. No obstant això, el soroll de l’arc és gran i les seves característiques de volt-amperi són característiques de resistència negatives (característiques de descens). Per tal de mantenir l’estabilitat de l’arc durant l’escalfament de l’arc, el valor instantani de la tensió del circuit és superior al valor de la tensió de l’arc quan el corrent de l’arc creua instantàniament el zero i, per limitar el corrent de curtcircuit, s’ha de connectat en sèrie al circuit de potència.
Calefacció per feixos d'electrons
La superfície de l’objecte és bombardejada per electrons que es mouen a gran velocitat sota l’acció d’un camp elèctric per escalfar-lo. El component principal per escalfar el feix d’electrons és el generador de feixos d’electrons, també conegut com a pistola d’electrons. La pistola d'electrons es compon principalment d'un càtode, un elèctrode d'enfocament, un ànode, una lent electromagnètica i una bobina de deflexió. L'ànode està connectat a terra i el càtode està connectat a la posició alta negativa. El feix focal sol estar al mateix potencial que el càtode i es forma un camp elèctric accelerant entre el càtode i l’ànode. Els electrons emesos pel càtode s’acceleren a una velocitat elevada sota l’acció d’un camp elèctric accelerat, enfocats per una lent electromagnètica, i després controlats per una bobina de deflexió, de manera que el feix d’electrons es dirigeix cap a l’objecte a escalfar en un certa direcció.
Els avantatges de l'escalfament de feixos d'electrons són: ① Controlar el valor actual Ie del feix d'electrons, que pot canviar fàcilment i ràpidament la potència de calefacció; ②La lent electromagnètica es pot utilitzar per canviar lliurement la part escalfada o ajustar lliurement l'àrea de la part de bombardeig del feix d'electrons; ③Podeu augmentar la densitat de potència perquè el material en el punt bombardejat s’evapori a l’instant.
Calefacció per infrarojos
Utilitzeu la radiació infraroja per irradiar un objecte. Després que l’objecte absorbeixi l’infraroig, converteix l’energia radiant en calor i s’escalfa.
L’infraroig és una ona electromagnètica. A l’espectre solar, fora de l’extrem vermell de la llum visible, és una energia radiant invisible. A l’espectre electromagnètic, l’interval de longitud d’ona de l’infraroig oscil·la entre 0,75 i 1000 micres, i l’interval de freqüències entre 3 × 10 i 4 × 10 Hz. En aplicacions industrials, l'espectre infraroig sovint es divideix en diverses bandes: 0,75 ~ 3,0 micres és la regió de l'infraroig proper; 3,0 ~ 6,0 micres és la regió de l'infraroig mitjà; 6,0 ~ 15,0 micres és la regió infraroja llunyana; 15,0 ~ 1000 micres és la zona infraroja extrema. Diferents objectes tenen capacitat diferent per absorbir la llum infraroja. Fins i tot el mateix objecte té una capacitat diferent d’absorbir la llum infraroja de diferents longituds d’ona. Per tant, en l’aplicació de l’escalfament per infrarojos, s’ha de seleccionar una font de radiació infraroja adequada segons el tipus d’objecte a escalfar, de manera que l’energia de radiació es concentri dins del rang de longituds d’ona d’absorció de l’objecte a escalfar, per tal d’obtenir un bon efecte escalfador.
L’escalfament elèctric per infrarojos és en realitat una forma especial de resistència, que utilitza materials com ara tungstè, ferro-níquel o aliatge de níquel-crom com a radiador per produir una font de radiació. Després d’estar energitzat, genera radiació de calor a causa de la calor generada per la seva resistència. Les fonts de radiació elèctrica per infraroig que s’utilitzen habitualment són el tipus de làmpada (tipus reflectant), el tipus de tub (tipus tub de quars) i el tipus de placa (tipus pla). El tipus de làmpada és una bombeta d’infrarojos que utilitza un fil de tungstè com a radiador, que es tanca en una carcassa de vidre plena de gas inert, igual que una bombeta d’il·luminació general. El radiador genera calor després d’estar energitzat (la temperatura és inferior a la de les bombetes d’il·luminació general), que emet una gran quantitat de rajos infrarojos amb una longitud d’ona d’uns 1,2 micres. Si la paret interior de la carcassa de vidre està recoberta d’una capa reflectant, els rajos infrarojos es poden concentrar en una direcció, de manera que la font de radiació infraroja de tipus làmpada també s’anomena radiador infraroig reflectant. El tub de la font de radiació infraroja de tipus tub està fet de vidre de quars amb un fil de tungstè al centre, per la qual cosa també s’anomena radiador infrarou tipus tub de quars. La longitud d'ona de la llum infraroja emesa pel tipus de làmpada i el tipus de tub està en el rang de 0,7 a 3 micres i la temperatura de treball és relativament baixa. Generalment s’utilitza per escalfar, coure, assecar a la indústria lleugera i tèxtil i per a la fisioteràpia d’infrarojos en el tractament mèdic. La superfície de radiació de la font de radiació infraroja de tipus placa és una superfície plana composta per una placa resistiva plana. La part frontal de la placa resistiva està recoberta d’un material amb un gran coeficient de reflexió i la part posterior està recoberta d’un material amb un coeficient de reflexió baix, de manera que la major part de l’energia calorífica s’irradia des de la part frontal. La temperatura de treball del tipus de placa pot arribar a superar els 1000 ℃ i es pot utilitzar per al recuit de soldadures de materials d’acer i de canonades i contenidors de gran diàmetre.
Com que l’infraroig té una forta capacitat de penetració, és fàcil de absorbir pels objectes i, un cop absorbit pels objectes, es converteix immediatament en energia calorífica; la pèrdua d’energia abans i després de l’escalfament per infrarojos és petita, la temperatura és fàcil de controlar i la qualitat de la calefacció és elevada. Per tant, l’aplicació de calefacció per infrarojos es desenvolupa ràpidament.
Calefacció mitjana
Utilitzeu un camp elèctric d’alta freqüència per escalfar el material aïllant. L’objecte principal de la calefacció és el dielèctric. Quan el dielèctric es col·loca en un camp elèctric altern, es polaritzarà repetidament (sota l’acció del camp elèctric, apareix una quantitat igual de càrrega de polaritat oposada a la superfície o a l’interior del dielèctric), convertint així l’energia elèctrica en el camp elèctric en calor.
La freqüència del camp elèctric utilitzat per a la calefacció mitjana és molt elevada. A les bandes d’ona mitjana, curta i ultra curta, la freqüència és de centenars de quilohertz a 300 MHz, que s’anomena escalfament dielèctric d’alta freqüència. Si és superior a 300 MHz i arriba a la banda de microones, s’anomena escalfament dielèctric de microones. Normalment, l’escalfament dielèctric d’alta freqüència es realitza al camp elèctric entre les dues plaques; mentre que l’escalfament dielèctric de microones es realitza sota el camp de radiació de la guia d’ones, la cavitat ressonant o l’antena de microones.
Quan el dielèctric s’escalfa en un camp elèctric d’alta freqüència, l’energia elèctrica extreta en el seu volum unitari és P=0,566fEεrtgδ × 10 (W / cm)
Si s’expressa en calor, és:
H=1,33fEεrtgδ × 10 (cal / seg · cm)
On f és la freqüència del camp elèctric d'alta freqüència, εr és la permitivitat relativa del dielèctric, δ és l'angle de pèrdua dielèctrica i E és la intensitat del camp elèctric. Es pot veure per la fórmula que l'energia elèctrica extreta pel dielèctric del camp elèctric d'alta freqüència és proporcional al quadrat de la intensitat del camp elèctric E, la freqüència f del camp elèctric i l'angle de pèrdua δ del dielèctric . E i f estan determinats pel camp elèctric aplicat, i εr depèn de la naturalesa del dielèctric en si. Per tant, l'objecte de la calefacció mitjana és principalment el material amb grans pèrdues mitjanes.
Escalfament mitjà perquè es genera calor a l'interior del dielèctric (objecte a escalfar), en comparació amb altres escalfaments externs, la velocitat de calefacció és ràpida, l'eficiència tèrmica és alta i la calefacció és uniforme.
El mitjà de calefacció pot escalfar gel tèrmic a la indústria, gra sec, paper, fusta i altres materials fibrosos; també pot preescalfar el plàstic abans de modelar-lo i unir la vulcanització del cautxú i la fusta, el plàstic, etc. Si escolliu una freqüència i un dispositiu de camp elèctric adequats, només podeu escalfar la cola adhesiva quan escalfeu la fusta contraplacada sense afectar la fusta contraplacada mateixa. Per a materials homogenis, la calefacció es pot dur a terme en conjunt.