Конвекция - теплопередача в жидкостях и газах, при которой перемещаются отдельные частицы и отдельные элементы объема вещества, переносящие присущий им запас тепловой энергии. Перенос теплоты вместе с переносом массы вещества называют конвективным теплообменом.
Тепловой поток конвективного теплообмена определяют на основании закона Ньютона-Рихмана:
Q = αк(tс-tr)F, (1.3)
где αк - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2·К); tс - температура стенки;
(tr - температура окружающей среды; F - поверхность конвективного теплообмена, м2.
По закону Ньютона-Рихмана, тепловой поток Q прямо пропорционален поверхности омывания, режиму движения теплоносителя и разности температур стенки и газа или жидкости.
Коэффициент теплоотдачи αк представляет собой количество теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью и омывающей жидкостью в 1 К.
Формула (1.3) может быть применена при естественной и вынужденной конвекциях. Так, для плоских вертикальных стенок в условиях естественной конвекции коэффициент теплоотдачи для диапазона температур Δt = tс-tr= 288 -
358 К определяется выражением
αк = 3,45(tс-tr)0,13,
а для Δt = 358 - 423 К
αк = 2,05(tс-tr)0,25.
При вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи в первую очередь зависит от скорости движения омывающей среды.
Излучение - передача теплоты в невидимой (инфракрасной) и видимой частях спектра. При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн. Для передачи тепловой энергии наиболее существенными являются тепловое излучение с длиной волны 0,4-400 мк. При излучении нагретого тела в неограниченное пространство (при односторонней теплопередаче) лучистый тепловой поток (Вт/м2)
Q = сsε(T/100)4, (1.4)
здесь сs - постоянный коэффициент излучения абсолютно черного тела; ε - степень черноты тела, численно равная его поглощающей способности (для абсолютно черного тела ε = 1); Т - абсолютная температура, К.
Рассмотренные виды теплопереноса во многих случаях осуществляются совместно. Например, в потоках жидкостей и газов наблюдается теплопроводноконвективный перенос теплоты. В потоках высокотемпературных газов имеет место радиационно-конвективный перенос энергии и т. д.
При изготовлении электротермических установок (ЭТУ) применяется ряд специфических материалов, предназначенных для работы при высоких температурах. В их числе огнеупорные и теплоизоляционные материалы для теплоизоляции нагреваемых тел от окружающей среды и жаропрочные материалы, идущие на изготовление нагревателей и элементов конструкций печей.
Роль огнеупоров в экономии электроэнергии очень высока. Потери теплоты через стенки агрегата составляют 15-25 % и могут быть значительно снижены применением огнеупорной и высокоогнеупорной теплоизоляции.
Огнеупорные материалы. Огнеупорными называют материалы, используемые для сооружения различных печей и аппаратов, работающих в условиях высокотемпературного (выше 1200 К) нагрева.
По специфическим условиям работы они должны удовлетворять следующим требованиям.
1. Огнеупорность. Это способность без деформации и оплавления противостоять воздействию высоких температур. В зависимости от степени огнеупорности их подразделяют на три класса: огнеупорные (огнеупорностью 1580-1770 К); высокоогнеупорные (1770-2000 К включительно); высшей огнеупорности (выше 2000 К).
Материалы с огнеупорностью ниже 1580 К называют теплоизоляционными. 2. Механическая прочность. Максимальной рабочей температурой огнеупорного материала принята температура, при которой начинается деформация материала от сжимающей нагрузки 20 кПа.
3. Термическая устойчивость. Это способность материала без разрушения выдерживать резкие колебания темп
4. Химическая нейтральность. Не разрушаться путем химической эрозии. 5. Малая электропроводность. Огнеупорный материал в электрических печах часто одновременно является и электроизоляционным материалом.
6. Малая теплопроводность. Она способствует снижению тепловых потерь через стенки электрической печи без чрезмерного увеличения их толщины. Наиболее полно изложенным требованиям удовлетворяют огнеупорные материалы, изготовляемые на основе кремнезема SiO2 (2000 К), глинозема А12O3 (2300 К), оксида магния МgО (2600 К).
Массовыми огнеупорами для электроплавильных печей являются динас (2000 К), магнезит (2570 К), хромомагнезит, доломит и шамот (2000 К). Для печей сопротивления основным огнеупорным материалом является шамот, представляющий собой глубоко обожженную огнеупорную глину. Теплоизоляционные материалы. Они должны обладать малой теплопроводностью при достаточной огнеупорности. Поэтому теплоизоляционные материалы - это, как правило, рыхлые легкие массы, сильно пористые изделия или крупнозернистые порошки.
Наибольшее распространение в качестве теплоизоляционных материалов получили диатомит, шлаковые и минеральные ваты, пеностекло, зонолит, а также комбинированные материалы на основе асбеста.
Диатомит - осадочная горная порода; по химическому составу — почти чистый кремнезем (SiO2), используется для стен электропечей в виде насыпной изоляции.
Шлаковые и минеральные ваты получают из топочных и доменных шлаков.
Стекловата. Максимальная температура ее применения 700-800 К.
Пеностекло. Максимальная рабочая температура 900-1000 К.
Зонолит - легкая чешуйчатая масса, выдерживает температуру до 1400 К.
Асбест - волокнистый материал, с максимальной рабочей температурой 900 К.
Жаропрочные материалы. Жаропрочность - свойство материала сохранять высокую механическую прочность при высоких температурах. Жароупорность - устойчивость к химическим реакциям при высоких температурах.
Основные жаропрочные материалы - сплавы железа со специальными легирующими добавками. Легирующими материалами служат хром, алюминий, никель. Добавки хрома и алюминия придают сплавам способность противостоять высокотемпературной коррозии. Никель улучшает обрабатываемость материала, повышает его механическую прочность при работе в условиях высокой температуры.
Жаропрочные материалы подразделяют на жаростойкие и жароупорные. Основной легирующей добавкой в первой группе сплавов служит хром. Эти сплавы хорошо противостоят окислению при высоких температурах. Увеличение процентного содержания хрома в стали повышает его жаростойкость.
Для высокотемпературных электропечей в качестве жароупорных материлов применяют молибден, ниобий, вольфрам (работающие в защитных газах-аргоне, азоте, водороде), высокоогнеупорную керамику, карбиды и бориды некоторых материалов.
Электрический ток - это направленное движение положительных или отрицательных электрических зарядов под действием электрического поля. Он может обеспечиваться движением только электронов, как это имеет место в вакууме при эмиссии электронов накаленным катодом, металлах и материалах, проявляющих свойство сверхпроводимости. Вещества, обладающие электронной проводимостью, называют проводниками первого рода. Проводящие среды, в которых прохождение тока обеспечивается движением частиц вещества - ионов, называют проводниками второго рода. К ним относятся электролиты-растворы и расплавы. Плазма имеет смешанную проводимость.
В соответствии с электронной теорией у металлов, которые являются кристаллическими веществами, ядра атомов находятся в узлах кристаллических решеток, а пространство между ними заполнено электронами (электронный газ). Число свободных электронов в металле очень велико. Так, для меди оно составляет приблизительно 1029/м3.
Проводники второго рода - электролиты-растворы или расплавы кислот солей, щелочей, оксидов и плазма-имеют два вида электропроводности - электронную и ионную. При постоянном токе у растворов и расплавов наблюдается преимущественно ионная проводимость в соответствии с законом Фарадея. Доля электронного тока в этом случае невелика. При переменном токе появляется существенная доля электронного тока, увеличивающаяся с повышением частоты тока.
Количество выделяющейся в проводнике теплоты при прохождении по нему электрического тока зависит от сопротивления проводника, электрического тока в цепи, времени его прохождения и определяется законом Ленца-Джоуля:
Q = I2Rη,
где I - ток, А; R. - сопротивление, Ом; η - время, с.
Если выразить R через удельное сопротивление проводника, учесть его геометрические размеры l - длину, м, и S - площадь сечения, м2, то выделяющаяся в проводнике мощность
Р = U2S/(ρl), (2.8)
где S - площадь сечения, м2; l - длина проводника, м.
Выбор материала и конструкции нагревательного элемента определяется особенностями технологического процесса и конструкции установки.
Идущие на изготовление нагревателей материалы должны обладать рядом специфических свойств: высоким удельным электрическим сопротивлением; малым температурным коэффициентом удельного сопротивления; постоянным электрическим сопротивлением нагревательного элемента в процессе длительного срока его службы - отсутствием старения.
По температурным пределам работы нагревательные элементы подразделяют на три группы:
низкотемпературные - нагрев до 500-700 К и преимущественно конвективный способ теплообмена;