Điện trở sưởi ấm
Hiệu ứng Joule của dòng điện được sử dụng để biến đổi năng lượng điện thành nhiệt năng để đốt nóng các vật thể. [1] Thường được chia thành gia nhiệt điện trở trực tiếp và gia nhiệt điện trở gián tiếp. Hiệu điện thế của nguồn điện trước khi đặt trực tiếp vào vật cần nung nóng. Khi dòng điện chạy qua, bản thân vật đó bị đốt nóng. Máy ủi được làm nóng.
Nó sẽ bị sốt. Vật có thể bị điện trở trực tiếp đốt nóng phải là vật dẫn điện nhưng phải có điện trở suất lớn hơn. Vì nhiệt lượng do chính vật bị đốt nóng tỏa ra nên thuộc loại nhiệt bên trong, hiệu suất nhiệt rất cao. Gia nhiệt điện trở gián tiếp yêu cầu vật liệu hợp kim đặc biệt hoặc vật liệu phi kim loại để làm bộ phận gia nhiệt. Các phần tử đốt nóng tạo ra nhiệt, nhiệt này được truyền đến đối tượng cần đốt nóng bằng các phương thức bức xạ, đối lưu và dẫn truyền. Vì đối tượng được đốt nóng và bộ phận làm nóng được chia thành hai phần, loại của đối tượng được đốt nóng nói chung không bị giới hạn và hoạt động đơn giản.
Các vật liệu được sử dụng cho các phần tử gia nhiệt của hệ thống sưởi điện trở gián tiếp thường yêu cầu điện trở suất cao, hệ số nhiệt độ thấp của nhiệt độ thấp, biến dạng nhỏ ở nhiệt độ cao và không dễ uốn. Thường được sử dụng là các vật liệu kim loại như hợp kim sắt-nhôm, hợp kim niken-crom và các vật liệu phi kim loại như cacbua silic và chất khử molypden. Nhiệt độ làm việc tối đa của các bộ phận làm nóng kim loại có thể đạt 1000 ～ 1500 ℃ theo loại vật liệu; nhiệt độ làm việc cao nhất của các thành phần gia nhiệt phi kim loại có thể đạt tới 1500 ～ 1700 ℃. Loại thứ hai dễ lắp đặt và có thể thay thế bằng lò sưởi, nhưng nó cần một thiết bị điều chỉnh điện áp khi hoạt động, và tuổi thọ của nó ngắn hơn so với các bộ phận gia nhiệt bằng hợp kim. Nó thường được sử dụng trong các lò nhiệt độ cao, những nơi có nhiệt độ vượt quá nhiệt độ làm việc tối đa cho phép của các bộ phận làm nóng kim loại và một số trường hợp đặc biệt.
Nhiệt cảm ứng
Bản thân vật dẫn bị đốt nóng do hiệu ứng nhiệt tạo thành do dòng điện cảm ứng (dòng điện xoáy) do vật dẫn tạo ra trong điện từ trường xoay chiều. Theo các yêu cầu khác nhau của quá trình sưởi ấm, tần số của nguồn điện xoay chiều được sử dụng trong hệ thống sưởi cảm ứng bao gồm tần số nguồn (50-60 Hz), tần số trung gian (60-10000 Hz) và tần số cao (cao hơn 10000 Hz). Bộ nguồn tần số nguồn thường là bộ nguồn xoay chiều dùng trong công nghiệp. Tần số nguồn của hầu hết các nước trên thế giới là 50 Hz. Điện áp đặt vào thiết bị cảm ứng của nguồn điện tần số công nghiệp để gia nhiệt cảm ứng phải có thể điều chỉnh được. Tùy theo công suất của thiết bị sưởi và công suất của mạng lưới cung cấp điện, có thể sử dụng nguồn điện cao áp (6-10 kV) để cấp điện qua máy biến áp; thiết bị sưởi cũng có thể được kết nối trực tiếp với lưới điện hạ áp 380 volt.
Các bộ nguồn trung tần đã sử dụng các tổ máy phát tần số trung gian từ lâu. Nó bao gồm một máy phát tần số trung gian và một động cơ không đồng bộ truyền động. Công suất đầu ra của thiết bị này thường nằm trong khoảng 50 đến 1000 kilowatt. Với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất, ngày nay đã sử dụng các bộ nguồn trung tần biến tần thyristor. Nguồn cung cấp tần số trung gian này sử dụng một thyristor để đầu tiên chuyển đổi tần số nguồn điện thành dòng điện một chiều, sau đó biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số cần thiết. Do kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, hoạt động không ồn ào và đáng tin cậy nên loại thiết bị biến tần này đã dần thay thế các tổ máy phát tần số trung gian.
Bộ nguồn cao tần thường sử dụng máy biến áp để tăng điện áp ba pha 380 vôn lên cao áp khoảng 20.000 vôn, sau đó sử dụng thyristor hoặc bộ chỉnh lưu silicon cao áp để chỉnh lưu tần số nguồn AC thành DC, sau đó sử dụng dao động điện tử Dòng điện một chiều được biến đổi thành dòng điện xoay chiều cao tần, có hiệu điện thế cao. Công suất đầu ra của thiết bị cung cấp điện tần số cao dao động từ hàng chục kilowatt đến hàng trăm kilowatt.
Vật được nung nóng bằng cảm ứng phải là vật dẫn điện. Khi dòng điện xoay chiều tần số cao đi qua vật dẫn, vật dẫn tạo ra hiệu ứng da, tức là mật độ dòng điện trên bề mặt vật dẫn lớn, mật độ dòng điện ở tâm vật dẫn nhỏ.
Gia nhiệt cảm ứng có thể làm nóng đồng đều toàn bộ vật thể và gia nhiệt bề mặt; nó có thể nấu chảy kim loại; ở tần số cao, nó có thể thay đổi hình dạng của cuộn dây đốt nóng (còn được gọi là cuộn cảm), và nó cũng có thể thực hiện đốt nóng cục bộ tùy ý.
Gia nhiệt hồ quang
Dùng nhiệt độ cao do hồ quang sinh ra để đốt nóng vật. Hồ quang là hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực. Điện áp của hồ quang không cao nhưng dòng điện lớn. Dòng điện mạnh của nó được duy trì bởi một số lượng lớn các ion bốc hơi trên điện cực, do đó hồ quang dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường xung quanh. Khi hình thành hồ quang giữa các điện cực, nhiệt độ của cột hồ quang có thể đạt tới 3000-6000K, rất thích hợp cho quá trình nấu chảy kim loại ở nhiệt độ cao.
Có hai loại gia nhiệt bằng hồ quang là đốt nóng hồ quang trực tiếp và gián tiếp. Dòng điện của quá trình đốt nóng hồ quang trực tiếp đi qua vật cần đốt nóng, vật cần đốt nóng phải là điện cực hoặc môi trường của hồ quang. Dòng điện của quá trình đốt nóng hồ quang gián tiếp không đi qua vật cần đốt nóng, và chủ yếu được đốt nóng bằng nhiệt lượng do hồ quang tỏa ra. Đặc điểm của nung hồ quang là: nhiệt độ hồ quang cao, năng lượng tập trung và công suất bề mặt của vũng nóng chảy của lò điện luyện thép có thể đạt tới 560-1200 kilowatt trên mét vuông. Tuy nhiên, tiếng ồn hồ quang lớn, và đặc tính vôn-ampe của nó là đặc tính điện trở âm (đặc tính nguồn gốc). Để duy trì sự ổn định của hồ quang trong quá trình đốt nóng hồ quang, giá trị tức thời của điện áp đoạn mạch lớn hơn giá trị điện áp hồ quang khi dòng điện hồ quang tức thời vượt qua 0, và để hạn chế dòng điện ngắn mạch, điện trở có giá trị nhất định phải là mắc nối tiếp trong mạch nguồn.
Chùm tia điện tử sưởi ấm
Bề mặt của vật thể bị bắn phá bởi các electron chuyển động với tốc độ lớn dưới tác dụng của điện trường để đốt nóng nó. Thành phần chính để đốt nóng chùm tia điện tử là bộ tạo chùm tia điện tử, còn được gọi là súng bắn điện tử. Súng bắn điện tử có cấu tạo chủ yếu là cực âm, điện cực hội tụ, cực dương, thấu kính điện từ và cuộn dây lệch hướng. Cực dương được nối đất, và cực âm được nối với vị trí cao âm. Chùm sáng hội tụ thường có cùng điện thế với catốt, và một điện trường gia tốc được hình thành giữa catốt và anốt. Các êlectron do catốt phát ra được gia tốc đến tốc độ cao dưới tác dụng của điện trường gia tốc, hội tụ bởi thấu kính điện từ, rồi được điều khiển bởi một cuộn dây lệch, sao cho chùm êlectron hướng về vật cần đốt nóng trong một hướng nhất định.
Ưu điểm của sưởi ấm bằng chùm điện tử là: ①Kiểm soát giá trị dòng điện Ie của chùm điện tử, có thể thay đổi công suất sưởi một cách dễ dàng và nhanh chóng; ②Thấu kính điện từ có thể được sử dụng để thay đổi tự do phần được đốt nóng hoặc tự do điều chỉnh khu vực của phần bắn phá chùm tia điện tử; ③Có thể Tăng mật độ năng lượng để vật liệu tại điểm bị bắn phá sẽ bay hơi ngay lập tức.
Sưởi ấm bằng tia hồng ngoại
Sử dụng bức xạ hồng ngoại để bức xạ một vật thể. Sau khi vật thể hấp thụ tia hồng ngoại, nó chuyển năng lượng bức xạ thành nhiệt năng và bị đốt nóng.
Tia hồng ngoại là sóng điện từ. Trong quang phổ mặt trời, bên ngoài đầu đỏ của ánh sáng nhìn thấy, nó là một năng lượng bức xạ không nhìn thấy được. Trong quang phổ điện từ, dải bước sóng của tia hồng ngoại là từ 0,75 đến 1000 micron và dải tần từ 3 × 10 đến 4 × 10 Hz. Trong các ứng dụng công nghiệp, phổ hồng ngoại thường được chia thành nhiều dải: 0,75 ~ 3,0 micron là vùng hồng ngoại gần; 3.0 ~ 6.0 micron là vùng hồng ngoại giữa; 6,0 ~ 15,0 microns là vùng hồng ngoại xa; 15.0 ~ 1000 micron là Vùng hồng ngoại cực xa. Các vật thể khác nhau có khả năng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại khác nhau. Ngay cả cùng một vật thể cũng có khả năng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại có bước sóng khác nhau. Do đó, trong ứng dụng của sưởi ấm bằng tia hồng ngoại, nguồn bức xạ hồng ngoại phù hợp phải được lựa chọn theo loại vật thể cần sưởi ấm, sao cho năng lượng bức xạ tập trung trong dải bước sóng hấp thụ của vật thể được sưởi ấm, để thu được một hiệu ứng sưởi ấm tốt.
Sưởi điện bằng tia hồng ngoại thực chất là một dạng gia nhiệt điện trở đặc biệt, sử dụng các vật liệu như vonfram, sắt-niken hoặc hợp kim niken-crom làm bộ tản nhiệt để tạo ra nguồn bức xạ. Sau khi được đóng điện, nó sinh ra bức xạ nhiệt do nhiệt lượng tỏa ra do điện trở của nó. Các nguồn bức xạ sưởi hồng ngoại điện thường được sử dụng là loại đèn (loại phản xạ), loại ống (loại ống thạch anh) và loại tấm (loại phẳng). Loại đèn là bóng hồng ngoại, sử dụng dây vonfram làm bộ tản nhiệt, được bọc kín trong vỏ thủy tinh chứa đầy khí trơ, giống như bóng đèn chiếu sáng thông thường. Bộ tản nhiệt tạo ra nhiệt sau khi được cấp điện (nhiệt độ thấp hơn so với các bóng đèn chiếu sáng thông thường), phát ra một lượng lớn tia hồng ngoại có bước sóng khoảng 1,2 micron. Nếu thành trong của vỏ thủy tinh được tráng một lớp phản xạ thì tia hồng ngoại có thể tập trung theo một hướng, do đó nguồn bức xạ hồng ngoại dạng đèn còn được gọi là bộ tản nhiệt hồng ngoại phản xạ. Ống của nguồn bức xạ hồng ngoại dạng ống được làm bằng thủy tinh thạch anh có dây vonfram ở giữa nên còn được gọi là bộ tản nhiệt hồng ngoại dạng ống thạch anh. Bước sóng của ánh sáng hồng ngoại do loại đèn và loại ống phát ra nằm trong khoảng từ 0,7 đến 3 micron, và nhiệt độ làm việc tương đối thấp. Nó thường được sử dụng để sưởi ấm, nướng, sấy khô trong ngành công nghiệp ánh sáng và dệt may và vật lý trị liệu tia hồng ngoại trong điều trị y tế. Bề mặt bức xạ của nguồn bức xạ hồng ngoại kiểu tấm là một bề mặt phẳng được cấu tạo bởi một tấm điện trở phẳng. Mặt trước của tấm điện trở được phủ vật liệu có hệ số phản xạ lớn, mặt sau được phủ vật liệu có hệ số phản xạ thấp nên phần lớn nhiệt năng được tỏa ra từ mặt trước. Nhiệt độ làm việc của loại tấm có thể đạt trên 1000 ℃, và nó có thể được sử dụng để ủ các mối hàn của vật liệu thép và các đường ống và thùng chứa có đường kính lớn.
Vì tia hồng ngoại có khả năng đâm xuyên mạnh nên rất dễ bị vật thể hấp thụ, một khi bị vật thể hấp thụ thì lập tức chuyển hóa thành nhiệt năng; Sự mất mát năng lượng trước và sau khi sưởi ấm bằng tia hồng ngoại nhỏ, nhiệt độ dễ kiểm soát và chất lượng sưởi ấm cao. Vì vậy, ứng dụng sưởi ấm bằng tia hồng ngoại đang phát triển nhanh chóng.
Sưởi ấm vừa phải
Dùng điện trường tần số cao để đốt nóng vật cách điện. Vật đốt nóng chính là chất điện môi. Khi đặt chất điện môi trong điện trường xoay chiều, nó sẽ bị phân cực liên tục (dưới tác dụng của điện trường, trên bề mặt hoặc bên trong chất điện môi xuất hiện một lượng điện tích trái dấu bằng nhau), từ đó biến đổi năng lượng điện trong điện trường thành nhiệt.
Tần số của điện trường được sử dụng để đốt nóng trung bình là rất cao. Trong dải sóng trung, sóng ngắn và sóng cực ngắn, tần số từ hàng trăm kilohertz đến 300 MHz, được gọi là nhiệt điện môi tần số cao. Nếu nó cao hơn 300 MHz và đạt đến dải vi sóng, nó được gọi là gia nhiệt điện môi vi sóng. Thông thường đốt nóng chất điện môi cao tần được thực hiện trong điện trường giữa hai bản; trong khi gia nhiệt điện môi bằng vi sóng được thực hiện dưới trường bức xạ của ống dẫn sóng, khoang cộng hưởng hoặc ăng ten vi sóng.
Khi đốt nóng chất điện môi trong điện trường cao tần thì công suất điện hút ra theo đơn vị thể tích của nó là P=0,566fEεrtgδ × 10 (W / cm)
Nếu được biểu thị bằng nhiệt, nó là:
H=1,33fEεrtgδ × 10 (cal / giây · cm)
Trong đó f là tần số của điện trường tần số cao, εr là độ cho phép tương đối của chất điện môi, δ là góc tổn hao chất điện môi và E là cường độ điện trường. Từ công thức có thể thấy công suất do chất điện môi hút ra từ điện trường tần số cao tỉ lệ với bình phương cường độ điện trường E, tần số f của điện trường và góc suy hao δ của chất điện môi. . E và f được xác định bởi điện trường đặt vào, và εr phụ thuộc vào bản chất của chính chất điện môi. Vì vậy, đối tượng đốt nóng trung bình chủ yếu là vật liệu có tổn thất trung bình lớn.
Đun nóng vừa vì nhiệt sinh ra bên trong chất điện môi (vật cần đốt nóng), so với đun nóng bên ngoài thì tốc độ đốt nóng nhanh, hiệu suất nhiệt cao, tỏa nhiệt đều.
Gia nhiệt môi trường có thể làm nóng gel nhiệt trong công nghiệp, hạt khô, giấy, gỗ và các vật liệu dạng sợi khác; nó cũng có thể làm nóng nhựa trước khi đúc, và kết dính lưu hóa cao su và gỗ, nhựa, v.v ... Việc chọn một tần số và thiết bị điện trường thích hợp có thể chỉ làm nóng keo kết dính khi làm nóng ván ép mà không ảnh hưởng đến bản thân ván ép. Đối với các vật liệu đồng nhất, có thể tiến hành gia nhiệt toàn bộ.