4. Техника и Технологии нагрева

Наибольшее распространение в быту получили следующие технологии нагрева.

Открытое горение, т.е. химическая реакция окисления топлива (угля, жидкостей, газа) кислородом воздуха, проходящая с выделением значительного количества тепла. Так КПД горения угля 1020%, жидкостей 2040%, газа 5060%. Широко применяют горение для выработки тепла (для отопления зданий), электроэнергии и в сфере сервиса на предприятиях питания для приготовления пищи. Основными недостатками данной технологии являются: выделение при горении вредных веществ, относительно низкий КПД, сложность регулирования температуры процесса нагрева, пожаровзрывоопасность.

Электронагрев – явление нагрева металлического (или иного) проводника высокого электросопротивления, возникающее при протекании через него электрического тока. КПД электронагрева составляет 95 – 99 %, что для большинства технологий и технических устройств является абсолютным рекордом.

Сверх-высочастотный (СВЧ) или микроволновый нагрев происходит при поглощении электромагнитного излучения сверхвысокой частоты нагреваемым объектом.

4.1. Электронагрев и электронагревательные элементы

Технология электронагрева получила наибольшее распространение благодаря высокой эффективности, надёжности и простоты регулирования. Принцип нагрева состоит в том, что вся энергия электрического тока, протекающего по металлическому проводнику с высоким сопротивлением, идет на нагрев этого проводника, т.е. вся электроэнергия уходит в тепло, что является полезной работой. Напомним некоторые основные понятия и формулы расчета эффективности электронагрева. Так работа электрического тока А фактически приравненная к выделяемой теплоте определяется по формуле [1]:

, (4.1)

где: U – электрическое напряжение, В; I  электрический ток, А; t – время, с.

Мощность источника энергии Р –это работа за единицу времени , т.е. имеем [1]:

. (4.2)

Электрическое сопротивление проводника R определяется по закону Ома, т.е.:

. (4.3)

Электросопротивление металлического проводника находится по формуле [1]:

, , (4.4)

где: ρ  удельное электрическое сопротивление проводника; l – длина проводника; S  площадь сечения проводника.

Так как вся работа электрического тока идет на нагревание проводника, то можно записать А= Q η t ,,где Q – количество теплоты, определяемое в случае полезного нагрева какого-то объекта (воды, продукта, воздуха) по формуле [1]:

, (4.5)

где: m – масса нагреваемого объекта; с – теплоемкость объекта; Т_к , Т_Н – температуры нагрева конечная и начальная, соответственно.

Любой электронагревательный прибор может состоять из корпуса, электронагревательного элемента, т.е. проводника (или нескольких), электро-теплоизоляционных материалов, терморегуляторов, датчиков температуры, средств защиты, средств индикации и блоков управления. К электронагревательным элементам предъявляются следующие требования:

1. высокое удельное электросопротивление материалов;

2. малый коэффициент температурного расширения материалов;

3. материал должен выдерживать высокую температуру и не окисляться.

Для изготовления электронагревательных элементов наибольшее распространение получили такие материалы как:

1. нихром с рабочей температурой 1000 – 1100 ⁰С;

2. фехраль – рабочая температура которого около 850 ⁰С (используется чаще всего вследствие дешевизны);

3. константан – с рабочей температурой 450 ⁰С  500 ⁰С.

В зависимости от назначения (среды, которую нужно нагревать) электронагреватели бывают открытые и закрытые.

Открытые – обычно спирали из высокоомного металлического проводника.

Достоинства: - дешевизна; - простота; - технологичность.

Недостатки: - необходимость использовать защитные материалы и элементы; - активное потребление кислорода при нагреве.

Электронагревательные элементы бывают герметичные и негерметичные. Наибольшее распространение получили трубчатые герметичные элементы (ТЭН).

ТЭН представляет собой металлическую трубку, внутри которой находится электронагревательный элемент (проволока скрученная в спираль, которая обычно выполнена из нихрома или фехраля). Металлическая трубка изготавливается из алюминия или меди. Схема типового ТЭНА на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема, поясняющая конструкцию ТЭНа: