(Лекции)
ВВЕДЕНИЕ
Установки, в которых происходит превращение электрической энергии в другие виды с одновременным осуществлением технологических процессов, называют электротехнологическими. Эти установки имеют довольно сложное оборудование, включающее в себя рабочий орган - плазмотрон, плазменный реактор, электронную пушку, электродные системы дуговых и ионных агрегатов, специфические источники питания, автоматически поддерживающие заданный режим работы или управляемые с помощью микропроцессорной техники. В состав вспомогательного оборудования входят системы обеспечения водой, газом, создания и поддержания вакуума и др. Правильные монтаж, наладка и эксплуатация оборудования без знания выполняемого им технологического процесса затруднительны.
Производственная деятельность человека и его быт стремительно насыща- ются электротехнологическими установками. Развитие электротехнологических процессов обеспечивается развивающейся энергетикой страны, строительством новых атомных и тепловых электростанций, сооружением мощных линий электропередач.
Совершенствование электротехнологии повлекло за собой создание мате- риалов, обладающих новыми свойствами: более высокими прочностью, термо- стойкостью, устойчивостью к агрессивному действию химических реакций, и имеющих высокие электроизоляционные свойства и низкую теплопроводность. промышленности и науки достигнуты благодаря применению электротехнологи- ческих процессов.
Если бы эти системы монтировались из компонентов, выпускаемых по технологии, которая была 30-40 лет тому назад, то масса таких устройств достигла десятков тонн, объем - десятков кубометров, потребляемая мощность - сотен киловатт.
.
Входящие в микросхему элементы (транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы и др.) не имеют внешних выводов, а вся микросхема имеет общую герметизацию, защиту от механических повреждений, влияний окружающей среды и входит в состав комплексов. Поэтому стали привычными миниатюрные наручные часы, многофункциональные, снабженные микрокалькулятором, микротелевизором; малогабаритные цветные телевизоры и ЭВМ, обладающие огромным быстродействием и памятью.
Благодаря внедрению контактной сварки достигнут высокий уровень механизации сборочных работ в автомобильной промышленности и авиастроении, обеспечивающий высокую скорость изготовления транспортных средств. В получении высококачественных металлов исключительно важна роль электрошлакового переплава.
На основе явлений поляризации диэлектриков, электромагнитной индукции разработаны такие прогрессивные электротехнологические процессы, как высокочастотная сушка сыпучих и пористых неэлектропроводных материалов, индукционный нагрев и плавка ме- таллов, превратившиеся в настоящее время в базовые технологические процессы.
Как известно, вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях - твердом, жидком, газообразном и плазменном.
Твердое состояние - проводники, полупроводники и диэлектрики, металлы и неметаллы, кристаллические и аморфные вещества.
Жидкое состояние - проводники (расплавы металлов, солей, щелочей, оксидов), диэлектрики (минеральные и органические), особая разновидность - жидкие кристаллы.
Газообразное состояние - сложные активные вещества.
Плазменное состояние - электропроводная среда, позволяющая проводить обменные реакции и транспортные процессы на ионном уровне, быть источником лучистой энергии и средством нагрева веществ.
Посредством электрических и магнитных полей с веществом, находящимся в каждом из агрегатных состояний, можно совершать бесчисленное мно- жество операций - изменение температуры, формы, структуры, состава, свойств в разных направлениях и т. д.
Их группируют по результирующему действию электрического тока и магнитного поля, проявляющемуся в различных условиях.
1. Установки, основанные на тепловом действии тока. К ним относят бытовые нагревательные приборы, печи сопротивления прямого и косвенного действия, установки для нагрева жидкостей и газов - электрические котлы разных типов и калориферы. Установки электрошлакового переплава металлов и электрошлаковой сварки используют явление выделения тепловой энергии преимущественно в шлаке, заполняющем пространство между электродами. В установках контактной сварки электрическая энергия преобразуется в тепловую в переходном сопротивлении в точке контакта двух деталей.
В установках индукционного нагрева используется преобразование энергии переменного тока промышленной или повышенной частоты в энергию переменного магнитного поля, которая преобразуется вновь в электрическую, а затем в тепловую в нагреваемом теле. Этот способ применим для нагрева проводящих тел.
Для нагрева диэлектриков применяются установки, использующие высокочастотное электрическое поле, где преобразование электрической энергии в тепловую идет через процессы поляризации веществ.
Установки, принцип действия которых основан на нагреве электрической дугой, включают в себя электродуговые и рудно-термические печи для выплавки металлов, огнеупоров, получения фосфора и других материалов, а также вакуумно-дуговые печи для переплава и рафинирования металла. Сюда же относятся установки плазменной и плазмодуговой обработки металлов и неметаллических материалов, которыми производят переплав металлов, нанесение защитных покрытий, наплавку и другие операции.
В установках электроэрозионной обработки тепловая энергия выделяется в канале разряда в жидкости при импульсном протекании тока большой силы.
2. Установки, основанные на электрохимическом действии тока. К ним относят электролизные ванны, заполняемые растворами или расплавами, установки для нанесения защитных и декоративных покрытий, а также установки для изготовления изделий методом гальванопластики, установки электрохимикомеханической обработки изделий в электролитах.
3. Электромеханические установки, где прохождение импульсного тока вызывает возникновение механических усилий в обрабатываемом материале. Особый класс составляют установки ультразвукового воздействия, осуществ- ляющие технологический процесс путем создания в веществе механических колебаний высокой частоты, получаемых от ультразвуковых генераторов.
4. Электрокинетические установки, принцип действия которых основан на преобразовании энергии электрического поля в энергию движущихся частиц. К ним относят установки электронно-ионной технологии - электрофильтры, установки по разделению сыпучих материалов и эмульсий, очистке сточных вод, электроокраске.
Понятие «электротермия» объединяет большой класс технологических процессов в различных отраслях промышленности, основой которых служит нагрев материалов и изделий с помощью электрической энергии. Применение электронагрева вместо пламенного в некоторых технологических процессах позволяет получить большую экономию топлива и сократить обслуживающий персонал.
В электротермии можно выделить следующие способы преобразования электрической энергии в тепловую.
Нагрев сопротивлением происходит за счет выделения теплоты в проводящем материале при протекании по нему электрического тока. Этот вид нагрева основан на законе Джоуля-Ленца и применяется в установках прямого и косвенного действия.
.
Индукционный нагрев, основанный на преобразовании энергии электромагнитного поля в тепловую посредством наведения в нагреваемом теле вихревых токов и тепловыделения в нем по закону Джоуля-Ленца.
Диэлектрический нагрев помещенных в высокочастотное электрическое поле непроводящих материалов и полупроводников, происходящий за счет сквозных токов проводимости и смещения при поляризации.
Дуговой нагрев, при котором материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги.
Электронно- и ионно-лучевой нагрев, в результате которого тепловая энергия выделяется при столкновении быстродвижущихся электронов или ионов, ускоренных электрическим полем, с поверхностью нагреваемого объекта. Плазменный нагрев, основанный на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле.
Лазерный нагрев, происходящий за счет нагрева поверхности объектов при поглощении ими высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах - оптических квантовых генераторах.
Основные параметры электротермических установок (мощность, коэффи- циент полезного действия, удельный расход электроэнергии) определяют в ре- зультате расчета теплоты. Теплообмен определяется законами теплопередачи. Процесс теплообмена являет- ся сложным, поэтому в инженерных расчетах его подразделяют на более простые составляющие - теплопроводность, конвекцию и излучение (лучистый теплообмен).
Теплопроводность - это передача теплоты внутри твердого тела или неподвижной жидкости (газа) от областей с более высокой температурой к областям с более низкой температурой.
Она больше у плотных тел (например, металлов) и меньше у пористых (например, пенопласта).
Тепловой поток (Вт) через однослойную плоскую стенку при установившемся режиме определяется по формуле Фурье:
Q = (t1-t2)/(lFλ), (1.1)
где t1 и t2 - температуры поверхностей стенки, К; l - ее толщина, м; F - площадь проводящей стенки, м2; λ - коэффициент теплопроводности, зависящий от природы вещества и температуры, Вт/(м·К).
Для большинства применяемых в печестроении материалов
λ=λ0(1+βtср).
Здесь λ0 - коэффициент теплопроводности при 273 К; β - температурный коэффициент; tср = 0,5 (t1 + t2) - средняя температура стенки, К.