Ефект Джоуля електричного струму використовується для перетворення електричної енергії в тепло для нагрівання об’єктів. Зазвичай його поділяють на прямий нагрів опором і непрямий нагрів опором. Напруга джерела живлення першого безпосередньо прикладається до нагрітого предмета, і при протіканні струму сам нагрітий предмет (наприклад, праска з електричним нагріванням) нагрівається. Об'єкт, який можна нагріти безпосередньо резистивно, повинен бути провідником, але з високим питомим опором. Оскільки тепло виділяється самим об’єктом, що нагрівається, воно відноситься до внутрішнього опалення, а теплова ефективність є високою. Для виготовлення нагрівальних елементів, які генерують теплову енергію та передають її об’єкту, що нагрівається, через випромінювання, конвекцію та провідність, необхідне непряме опорне нагрівання зі спеціальних сплавів або неметалевих матеріалів. Оскільки об’єкт, що нагрівається, і нагрівальний елемент розділені на дві частини, тип об’єкта, що нагрівається, зазвичай не обмежений, і ним легко керувати.
Матеріали, що використовуються в нагрівальних елементах непрямого опору, як правило, вимагають великого питомого опору, малого температурного коефіцієнта опору, невеликої деформації при високій температурі та нелегкої крихкості. Зазвичай використовуються залізо-алюмінієвий сплав, нікель-хромовий сплав та інші металеві матеріали, а також карбід кремнію, дисиліцид молібдену та інші неметалічні матеріали. Максимальна робоча температура металевих нагрівальних елементів може досягати 1000 ~ 1500 градусів відповідно до типу матеріалу; Максимальна робоча температура неметалевих нагрівальних елементів може досягати 1500 ~ 1700 градусів. Останній простий в установці та може бути замінений гарячою піччю, але під час роботи йому потрібен пристрій регулювання тиску, а його термін служби менший, ніж у нагрівальних елементів із сплаву, і зазвичай використовується у високотемпературних печах, місцях, де температура перевищує максимальну робочу температуру, дозволену металевими нагрівальними елементами та в деяких особливих випадках. Тепловий ефект самого провідника нагрівається індукційним струмом (вихровим струмом), що створюється провідником у змінному електромагнітному полі. Відповідно до різних вимог процесу нагрівання, частота джерела змінного струму, що використовується в індукційному нагріванні, є частотою мережі (50~60 кГц), середньою частотою (60~10000 Гц) і високою частотою (вище 10000 Гц). Джерело живлення частоти живлення зазвичай використовується в промисловому джерелі живлення змінного струму, у більшості країн світу частота живлення становить 50 Гц. Напруга, що подається на індукційний пристрій джерелом живлення промислової частоти для індукційного нагрівання, має бути регульованою. Відповідно до потужності опалювального обладнання та потужності електромережі для живлення через трансформатор можна використовувати блок живлення (6~10 кВ); Нагрівальний прилад також можна підключити безпосередньо до низьковольтної мережі 380 вольт.
Середньочастотне джерело живлення використовувало генераторні установки середньої частоти протягом тривалого часу. Складається з генератора середньої частоти і приводного асинхронного двигуна. Вихідна потужність цього пристрою зазвичай знаходиться в діапазоні 50~1000 кіловат. З розвитком техніки силової електроніки знайшли застосування тиристорні інверторні джерела живлення середньої частоти. У цьому джерелі живлення середньої частоти використовуються тиристори для перетворення змінного струму промислової частоти в постійний, а потім перетворення постійного струму в змінний струм необхідної частоти. Завдяки невеликому розміру, легкій вазі, відсутності шуму, надійній роботі тощо цього обладнання для перетворення частоти, воно поступово замінило генератор середньої частоти.
Високочастотне джерело живлення зазвичай використовує трансформатор для підвищення трифазної напруги 380 вольт до високої напруги приблизно 20,000 вольт, а потім використовує тиристор або високовольтний кремнієвий випрямний елемент для випрямлення частоти мережі. змінний струм у постійний, а потім використовує електронний генератор для перетворення постійного струму у високочастотний змінний струм високої напруги. Вихідна потужність апаратури високочастотного електроживлення коливається від десятків кіловат до сотень кіловат.
Об'єкти, які індукційно нагріваються, повинні бути провідниками. Коли через провідник проходить змінний струм високої частоти, провідник створює скін-ефект, тобто поверхнева щільність струму провідника велика, а щільність струму в центрі провідника мала.
Індукційний нагрів може рівномірно нагріти об'єкт і поверхню в цілому; Може плавити метали; У діапазонах високих частот зміна форми нагрівальної спіралі (також відомої як індуктор) також може бути використана для довільного локального нагріву. Нагрівання предметів за допомогою високих температур, створюваних електричною дугою. Дуга — це газовий розряд між двома електродами. Напруга дуги невелика, але сила струму велика, і її сильний струм підтримується великою кількістю іонів, що випаровуються на електроді, тому на дугу легко впливає навколишнє магнітне поле. Коли між електродами утворюється дуга, температура стовпа дуги може досягати 3000 ~ 6000 К, що підходить для високотемпературного плавлення металів.
Існує два види дугового нагріву: прямий і непрямий дуговий нагрів. Струм дуги, що нагрівається прямою дугою, проходить безпосередньо через нагрітий об'єкт, який повинен бути електродом або середовищем дуги. Струм дуги, нагрітий непрямою дугою, не проходить через нагрітий об’єкт, а в основному нагрівається теплом, що випромінюється дугою. Характеристики дугового нагріву: висока температура дуги, концентрація енергії, а поверхнева потужність сталеплавильної дугової печі може досягати 560~1200 кВт/квадратний метр. Однак шум дуги великий, а її вольт-амперна характеристика є характеристикою негативного опору (характеристика падіння). Щоб підтримувати стабільність дуги під час нагрівання дуги, миттєве значення напруги ланцюга є більшим за значення початкової напруги, коли струм дуги перетинає нуль, а для обмеження струму короткого замикання резистор в ланцюзі живлення необхідно послідовно підключати певну величину. Електрони, що рухаються з великою швидкістю під дією електричного поля, використовуються для бомбардування поверхні об’єкта та її нагрівання. Основним компонентом для нагріву електронного променя є генератор електронного променя, також відомий як електронна гармата. Електронна гармата в основному складається з катода, променевого поліелектрода, анода, електромагнітної лінзи та котушки відхилення. Анод заземлений, катод підключений до негативного високого положення, фокусуючий промінь зазвичай має той самий потенціал, що й катод, і між катодом і анодом утворюється прискорене електричне поле. Електрони, що випускаються катодом, прискорюються до дуже високої швидкості під дією прискорювального електричного поля, фокусується електромагнітною лінзою, а потім контролюється відхилювальною котушкою, так що електронний промінь спрямовується до нагрітого об’єкта в певному напрямку. .
Перевагами електронно-променевого нагріву є: (1) контроль поточного значення Ie електронного променя, який може легко і швидко змінювати потужність нагріву; (2) Електромагнітна лінза може використовуватися для вільної зміни нагрітої частини або вільно регулювати площу частини бомбардування електронним променем; (3) Щільність потужності можна збільшити так, що речовина в точці бомбардування миттєво випарується. Використовуючи інфрачервоне випромінювання об'єктів, об'єкт поглинає інфрачервоні промені, перетворює променисту енергію в теплову енергію і нагріває її.
Інфрачервоне випромінювання - це електромагнітна хвиля. У сонячному спектрі, за червоною межею видимого світла, є невидима форма променистої енергії. В електромагнітному спектрі діапазон довжин хвиль інфрачервоного випромінювання становить від {{0}}.75~1{{10}}00 мкм, а частота діапазон між 3×1{{20}}~4×10 кГц. У промислових застосуваннях інфрачервоний спектр часто поділяють на кілька смуг: 0,75~3,0 мкм для ближньої інфрачервоної області; 3,0~6,0 мікрон для середньої інфрачервоної області; 6,0~15,0 мікрон для далекої інфрачервоної області; 15,0~1000 мікрон для надзвичайно далекої інфрачервоної області. Різні об’єкти мають різну здатність поглинати інфрачервоні промені, навіть якщо той самий об’єкт має різну здатність поглинати інфрачервоні промені різних довжин хвиль. Таким чином, застосування інфрачервоного нагрівання, відповідно до типу нагрітого об’єкта, вибирає відповідне джерело інфрачервоного випромінювання, щоб енергія випромінювання була зосереджена в діапазоні довжин хвиль поглинання нагрітого об’єкта для отримання хорошого нагрівального ефекту.
Електричне інфрачервоне опалення насправді є особливою формою резистивного нагріву, тобто такі матеріали, як вольфрам, залізо-нікелевий або хромонікельовий сплав використовуються як радіатори для виготовлення джерел випромінювання. При включенні під напругу теплове випромінювання генерується за рахунок тепла, що виділяється його опором. Зазвичай використовуються джерела електричного інфрачервоного нагрівального випромінювання: ламповий (рефлексивний), трубчастий (кварцовий) і пластинчастий (плоский). Тип лампи – це інфрачервона лампа з вольфрамовою ниткою в якості випромінювача, яка запечатана в скляній оболонці, наповненій інертним газом, як і звичайні лампочки. Коли радіатор подається під напругу, він нагрівається (температура нижча, ніж у звичайної лампочки освітлення), випромінюючи при цьому велику кількість інфрачервоних променів з довжиною хвилі приблизно 1,2 мікрона. Якщо внутрішня стінка скляної оболонки покрита відбивним шаром, інфрачервоні промені можуть бути зосереджені в одному напрямку, тому джерела інфрачервоного випромінювання лампового типу також називають відбивними інфрачервоними випромінювачами. Трубка трубчастого джерела інфрачервоного випромінювання виготовлена з кварцового скла, а посередині знаходиться вольфрамова дріт, тому її ще називають кварцовим трубчастим інфрачервоним випромінювачем. Довжина хвилі інфрачервоного випромінювання, що випромінюється лампами та трубками, становить 0.7~3 мікрон, а робоча температура низька, що зазвичай використовується для нагрівання, випічки, сушіння та інфрачервоної фізіотерапії при світлі. і текстильної промисловості. Поверхня випромінювання пластинчастого джерела інфрачервоного випромінювання являє собою площину, що складається з плоскої пластини опору, лицьова сторона пластини опору покрита матеріалом з великим коефіцієнтом відбиття, а зворотна сторона покрита матеріалом з малий коефіцієнт відбиття, тому більша частина теплової енергії випромінюється фронтом. Робоча температура пластинчастого типу може досягати понад 1000 градусів, що може використовуватися для відпалу зварних швів сталевих матеріалів і труб і контейнерів великого діаметру.
Оскільки інфрачервоне випромінювання має сильну проникаючу здатність, воно легко поглинається об’єктами, а після поглинання об’єктами воно негайно перетворюється на теплову енергію; Втрати енергії до і після інфрачервоного нагрівання невеликі, температуру легко контролювати, а якість нагрівання висока, тому застосування інфрачервоного нагріву швидко розвивається. Електричні поля високої частоти використовують для нагріву ізоляційних матеріалів. Основним об'єктом нагріву є діелектрик. Коли діелектрик поміщається в змінне електричне поле, він буде багаторазово поляризуватися (це явище, коли діелектрик має рівну кількість заряду протилежної полярності на своїй поверхні або всередині під дією електричного поля), таким чином перетворюючи електричну енергію в електричне поле в теплову енергію.
Частота електричного поля, що використовується для середнього нагрівання, висока. У середньому, короткохвильовому та ультракороткохвильовому діапазонах частота становить від кількох сотень кілогерц до 300 МГц, що називається високочастотним середнім нагріванням, а якщо воно вище 300 МГц і досягає мікрохвильового діапазону, це називається мікрохвильовим. середній нагрів. Зазвичай високочастотний нагрів середовища здійснюється в електричному полі між двома пластинами; Нагрів мікрохвильового середовища здійснюється під полем випромінювання хвилеводів, резонаторів або НВЧ-антен.
Коли діелектрик нагрівається у високочастотному електричному полі, електрична потужність, споживана в одиниці об’єму, становить P=0.566fEεrtgδ×10 (Вт/см)
Якщо виражати тепло, це:
H=1.33fEεrtgδ×10 (кал/с·см)
де f – частота високочастотного електричного поля, εr – відносна діелектрична проникність діелектрика, δ – кут діелектричних втрат, E – напруженість електричного поля. З формули видно, що електрична потужність, яку діелектрик споживає з високочастотного електричного поля, пропорційна квадрату напруженості електричного поля E, частоті f електричного поля та куту втрат δ діелектрика . E і f визначаються прикладеним електричним полем, а εr залежить від властивостей самого діелектрика. Тому об'єктом середнього нагріву є переважно речовини з великими діелектричними втратами.
Оскільки тепло генерується всередині діелектрика (об’єкта, що нагрівається), швидкість нагрівання висока, теплова ефективність висока, а нагрівання рівномірне порівняно з іншим зовнішнім нагріванням.
Нагрівання середовища може використовуватися промислово для нагрівання термогелів для сушіння зерна, паперу, деревини та інших волокнистих матеріалів; Також можливий попередній нагрів пластику перед формуванням, а також вулканізація каучуку та склеювання деревини, пластику тощо. Вибір відповідної частоти електричного поля та пристрою дозволяє нагріти клей лише при нагріванні фанери, не впливаючи на саму фанеру. Для однорідних матеріалів можливий інтегральний нагрів.
