Efekt Joule'a prądu elektrycznego służy do przekształcania energii elektrycznej w ciepło w celu ogrzania obiektów. Zwykle dzieli się na bezpośrednie ogrzewanie rezystancyjne i pośrednie ogrzewanie rezystancyjne. Napięcie zasilania tego pierwszego jest przykładane bezpośrednio do ogrzewanego przedmiotu, a gdy płynie prąd, sam ogrzewany przedmiot (taki jak żelazko podgrzewane elektrycznie) nagrzewa się. Obiekt, który można nagrzać bezpośrednio rezystancyjnie, musi być przewodnikiem, ale o dużej rezystywności. Ponieważ ciepło jest wytwarzane z samego ogrzewanego obiektu, należy do ogrzewania wewnętrznego, a sprawność cieplna jest wysoka. Pośrednie ogrzewanie oporowe musi być wykonane ze specjalnych materiałów stopowych lub materiałów niemetalicznych, aby wykonać elementy grzejne, które wytwarzają energię cieplną i przekazują ją ogrzewanemu obiektowi poprzez promieniowanie, konwekcję i przewodzenie. Ponieważ ogrzewany przedmiot i element grzejny są podzielone na dwie części, rodzaj ogrzewanego przedmiotu nie jest zasadniczo ograniczony i łatwy w obsłudze.
Materiały stosowane w elemencie grzejnym pośredniego ogrzewania rezystancyjnego na ogół wymagają dużej rezystywności, małego współczynnika temperaturowego rezystancji, małego odkształcenia w wysokiej temperaturze i niełatwego do kruchości. Powszechnie stosowane są stop żelazowo-aluminiowy, stop niklowo-chromowy i inne materiały metalowe oraz węglik krzemu, dwukrzemek molibdenu i inne materiały niemetaliczne. Maksymalna temperatura robocza metalowych elementów grzejnych może osiągnąć 1000 ~ 1500 stopni w zależności od rodzaju materiału; Maksymalna temperatura robocza niemetalowych elementów grzejnych może osiągnąć 1500 ~ 1700 stopni. Ten ostatni jest łatwy w instalacji i można go zastąpić gorącym piecem, ale wymaga do pracy urządzenia regulującego ciśnienie, a jego żywotność jest krótsza niż w przypadku stopowych elementów grzejnych i jest powszechnie stosowana w piecach wysokotemperaturowych, miejscach, w których temperatura przekracza maksymalną dopuszczalną temperaturę roboczą elementów grzejnych wykonanych z metalu oraz niektóre specjalne okazje. Efekt termiczny samego przewodnika jest ogrzewany przez prąd indukowany (prąd wirowy) generowany przez przewodnik w zmiennym polu elektromagnetycznym. Zgodnie z różnymi wymaganiami procesu ogrzewania, częstotliwość zasilania prądem zmiennym stosowana w nagrzewaniu indukcyjnym to częstotliwość zasilania (50 ~ 60 kHz), średnia częstotliwość (60 ~ 10000 Hz) i wysoka częstotliwość (powyżej 10000 Hz). Zasilacz o częstotliwości sieciowej jest zwykle używany w przemyśle zasilacze prądu przemiennego, większość krajów na świecie częstotliwość zasilania wynosi 50 Hz. Napięcie przyłożone do urządzenia indukcyjnego przez zasilacz o częstotliwości sieciowej do nagrzewania indukcyjnego musi być regulowane. W zależności od mocy urządzeń grzewczych i pojemności sieci zasilającej, zasilanie (6 ~ 10 kV) może być wykorzystane do zasilania przez transformator; Urządzenie grzewcze można również podłączyć bezpośrednio do sieci niskiego napięcia 380 V.
Zasilanie średniej częstotliwości przez długi czas wykorzystywało agregaty prądotwórcze średniej częstotliwości. Składa się z generatora średniej częstotliwości i asynchronicznego silnika napędowego. Moc wyjściowa tego urządzenia mieści się zazwyczaj w zakresie 50 ~ 1000 kilowatów. Wraz z rozwojem technologii energoelektroniki zaczęto stosować tyrystorowe zasilacze inwerterowe średniej częstotliwości. Ten zasilacz średniej częstotliwości wykorzystuje tyrystory do konwersji prądu przemiennego o częstotliwości sieciowej na prąd stały, a następnie przekształca prąd stały na prąd przemienny o wymaganej częstotliwości. Ze względu na mały rozmiar, niewielką wagę, brak hałasu, niezawodne działanie itp. tego sprzętu do konwersji częstotliwości stopniowo zastępuje on agregat prądotwórczy średniej częstotliwości.
Zasilacz o wysokiej częstotliwości zwykle wykorzystuje transformator do podniesienia trójfazowego napięcia 380 V do wysokiego napięcia około 20 000 V, a następnie wykorzystuje tyrystor lub wysokonapięciowy krzemowy element prostowniczy do prostowania częstotliwości zasilania prąd przemienny na prąd stały, a następnie wykorzystuje elektroniczny oscylator do konwersji prądu stałego na prąd przemienny o wysokiej częstotliwości i wysokim napięciu. Moc wyjściowa urządzeń zasilających o wysokiej częstotliwości waha się od kilkudziesięciu kilowatów do setek kilowatów.
Przedmioty nagrzewane indukcyjnie muszą być przewodnikami. Kiedy prąd przemienny o wysokiej częstotliwości przepływa przez przewodnik, przewodnik wytwarza efekt naskórkowania, to znaczy gęstość prądu powierzchniowego przewodnika jest duża, a gęstość prądu w środku przewodnika jest mała.
Ogrzewanie indukcyjne może równomiernie ogrzać obiekt i powierzchnię jako całość; Może topić metale; W pasmach wysokich częstotliwości zmiana kształtu cewki grzejnej (znanej również jako cewka indukcyjna) może być również wykorzystana do dowolnego lokalnego ogrzewania. Ogrzewanie przedmiotów za pomocą wysokich temperatur wytwarzanych przez łuk elektryczny. Łuk to wyładowanie gazowe między dwiema elektrodami. Napięcie łuku nie jest wysokie, ale prąd jest duży, a jego silny prąd jest utrzymywany przez dużą liczbę jonów odparowanych na elektrodzie, więc na łuk łatwo wpływa otaczające pole magnetyczne. Gdy między elektrodami powstaje łuk, temperatura kolumny łukowej może osiągnąć 3000 ~ 6000 K, co jest odpowiednie do topienia metali w wysokiej temperaturze.
Istnieją dwa rodzaje ogrzewania łukowego: bezpośrednie i pośrednie ogrzewanie łukowe. Prąd łuku ogrzewany przez łuk bezpośredni przechodzi bezpośrednio przez ogrzewany przedmiot, którym musi być elektroda lub ośrodek łuku. Prąd łuku nagrzany łukiem pośrednim nie przechodzi przez nagrzewany przedmiot, ale jest ogrzewany głównie przez ciepło wypromieniowane przez łuk. Charakterystyka ogrzewania łukowego to: wysoka temperatura łuku, koncentracja energii, a moc powierzchniowa basenu pieca łukowego do produkcji stali może osiągnąć 560 ~ 1200 kW / metr kwadratowy. Jednak hałas łuku jest duży, a jego charakterystyka woltowo-amperowa jest charakterystyką ujemnej rezystancji (charakterystyka opadająca). Aby zachować stabilność łuku podczas nagrzewania, chwilowa wartość napięcia w obwodzie jest większa niż wartość napięcia początkowego, gdy prąd łuku przechodzi przez zero, a w celu ograniczenia prądu zwarciowego stosuje się rezystor o pewna wartość musi być połączona szeregowo w obwodzie zasilania. Elektrony poruszające się z dużą prędkością pod działaniem pola elektrycznego są wykorzystywane do bombardowania powierzchni obiektu i jego ogrzewania. Głównym elementem ogrzewania wiązką elektronów jest generator wiązki elektronów, znany również jako działo elektronowe. Działo elektronowe składa się głównie z katody, polielektrody wiązki, anody, soczewki elektromagnetycznej i cewki odchylającej. Anoda jest uziemiona, katoda jest podłączona do ujemnego wysokiego położenia, wiązka skupiająca ma zwykle ten sam potencjał co katoda, a między katodą a anodą powstaje przyspieszone pole elektryczne. Elektrony emitowane przez katodę są przyspieszane do bardzo dużej prędkości pod działaniem przyspieszającego pola elektrycznego, skupianego przez soczewkę elektromagnetyczną, a następnie kontrolowane przez cewkę odchylającą, dzięki czemu wiązka elektronów strzela w kierunku ogrzewanego obiektu w określonym kierunku .
Zalety ogrzewania wiązką elektronów to: (1) kontrola aktualnej wartości Ie wiązki elektronów, która może łatwo i szybko zmienić moc ogrzewania; (2) Soczewka elektromagnetyczna może być używana do swobodnej zmiany ogrzewanej części lub obszar części bombardującej wiązką elektronów można dowolnie regulować; (3) Gęstość mocy można zwiększyć tak, aby substancja w punkcie bombardowania odparowała w jednej chwili. Za pomocą obiektów promieniowania podczerwonego obiekt pochłania promienie podczerwone, przekształca energię promieniowania w energię cieplną i ogrzewa ją.
Podczerwień to fala elektromagnetyczna. W widmie słonecznym, poza czerwonym końcem światła widzialnego, znajduje się niewidzialna forma energii promieniowania. W widmie elektromagnetycznym zakres długości fal podczerwieni wynosi od {{0}},75 do 1{{1{13}}}}00 mikronów, a częstotliwość zakres wynosi od 3×1{{2{22}}}}~4×10 kHz. W zastosowaniach przemysłowych widmo podczerwieni jest często dzielone na kilka pasm: 0,75~3,0 mikronów dla obszaru bliskiej podczerwieni; 3,0 ~ 6,0 mikronów dla obszaru średniej podczerwieni; 6,0 ~ 15,0 mikronów dla obszaru dalekiej podczerwieni; 15,0 ~ 1000 mikronów dla obszaru bardzo dalekiej podczerwieni. Różne obiekty mają różną zdolność pochłaniania promieni podczerwonych, nawet jeśli ten sam obiekt ma różną zdolność pochłaniania promieni podczerwonych o różnych długościach fal. Dlatego zastosowanie ogrzewania podczerwienią, w zależności od rodzaju ogrzewanego obiektu, wybierz odpowiednie źródło promieniowania podczerwonego, tak aby energia promieniowania była skoncentrowana w zakresie długości fali absorpcji ogrzewanego obiektu, aby uzyskać dobry efekt ogrzewania.
Elektryczne ogrzewanie na podczerwień jest w rzeczywistości specjalną formą ogrzewania oporowego, to znaczy materiały takie jak wolfram, żelazo-nikiel lub stop niklowo-chromowy są używane jako grzejniki do wytwarzania źródeł promieniowania. Po włączeniu zasilania promieniowanie cieplne jest generowane z powodu ciepła wytwarzanego przez jego rezystancję. Powszechnie stosowanymi elektrycznymi źródłami promieniowania grzewczego na podczerwień są lampy (odblaskowe), rurowe (rurowe kwarcowe) i płytkowe (płaskie). Typ lampy to żarówka na podczerwień z włóknem wolframowym jako promiennikiem, a włókno wolframowe jest zamknięte w szklanej obudowie wypełnionej gazem obojętnym, podobnie jak zwykłe żarówki oświetleniowe. Kiedy promiennik jest zasilany, nagrzewa się (temperatura jest niższa niż normalnej żarówki), emitując w ten sposób dużą ilość promieni podczerwonych o długości fali około 1,2 mikrona. Jeśli wewnętrzna ściana szklanej skorupy jest pokryta warstwą odblaskową, promienie podczerwone mogą być skoncentrowane w jednym kierunku, dlatego źródła promieniowania podczerwonego typu lampowego są również nazywane odblaskowymi emiterami podczerwieni. Rura rurowego źródła promieniowania podczerwonego jest wykonana ze szkła kwarcowego, a drut wolframowy znajduje się w środku, dlatego jest również nazywany kwarcowym rurowym emiterem podczerwieni. Długość fali podczerwieni emitowanej przez typ lampy i typ rury mieści się w zakresie 0,7 ~ 3 mikronów, a temperatura pracy jest niska, co jest zwykle stosowane do ogrzewania, pieczenia, suszenia i fizjoterapii podczerwienią w świetle i przemysłu włókienniczego. Powierzchnia promieniowania płytkowego źródła promieniowania podczerwonego jest płaszczyzną złożoną z płaskiej płytki oporowej, której przednia strona jest pokryta materiałem o dużym współczynniku odbicia, a strona odwrotna jest pokryta materiałem o mały współczynnik odbicia, więc większość energii cieplnej jest wypromieniowywana z przodu. Temperatura robocza typu płyty może osiągnąć ponad 1000 stopni, co można wykorzystać do wyżarzania spoin materiałów stalowych oraz rur i pojemników o dużej średnicy.
Ponieważ podczerwień ma silną zdolność penetracji, łatwo jest ją wchłonąć przez przedmioty, a po wchłonięciu przez przedmioty jest natychmiast przekształcana w energię cieplną; Straty energii przed i po ogrzewaniu na podczerwień są niewielkie, temperatura jest łatwa do kontrolowania, a jakość ogrzewania jest wysoka, dlatego zastosowanie ogrzewania na podczerwień szybko się rozwija. Pola elektryczne o wysokiej częstotliwości są wykorzystywane do ogrzewania materiałów izolacyjnych. Głównym obiektem grzewczym jest dielektryk. Kiedy dielektryk zostanie umieszczony w zmiennym polu elektrycznym, będzie wielokrotnie spolaryzowany (zjawisko polegające na tym, że dielektryk ma taką samą ilość ładunku przeciwnej biegunowości na swojej powierzchni lub wewnątrz pod działaniem pola elektrycznego), przekształcając w ten sposób energię elektryczną w pole elektryczne na energię cieplną.
Częstotliwość pola elektrycznego stosowana do ogrzewania medium jest wysoka. W pasmach fal średnich, krótkich i ultrakrótkich częstotliwość wynosi od kilkuset kiloherców do 300 MHz, co nazywa się średnim ogrzewaniem o wysokiej częstotliwości, a jeśli jest wyższa niż 300 MHz i osiąga pasmo mikrofalowe, nazywa się to mikrofalą średnie ogrzewanie. Zwykle ogrzewanie medium o wysokiej częstotliwości odbywa się w polu elektrycznym między dwiema płytami; Mikrofalowe ogrzewanie medium odbywa się w polu promieniowania falowodów, rezonatorów lub anten mikrofalowych.
Kiedy dielektryk jest podgrzewany w polu elektrycznym o wysokiej częstotliwości, moc elektryczna pobierana w jednostce objętości wynosi P=0,566fEεrtgδ×10 (W/cm)
Jeśli wyrażone w cieple, to:
H=1,33fEεrtgδ×10 (cal/s·cm)
gdzie f to częstotliwość pola elektrycznego o wysokiej częstotliwości, εr to względna przenikalność dielektryka, δ to kąt strat dielektrycznych, a E to natężenie pola elektrycznego. Ze wzoru widać, że moc elektryczna pobierana przez dielektryk z pola elektrycznego o wysokiej częstotliwości jest proporcjonalna do kwadratu natężenia pola elektrycznego E, częstotliwości f pola elektrycznego i kąta strat δ dielektryka . E i f są określone przez przyłożone pole elektryczne, podczas gdy εr zależy od właściwości samego dielektryka. Dlatego przedmiotem podgrzewania medium są głównie substancje o dużych stratach dielektrycznych.
Ponieważ ciepło jest wytwarzane wewnątrz dielektryka (ogrzewany obiekt), prędkość nagrzewania jest duża, wydajność cieplna jest wysoka, a ogrzewanie jest równomierne w porównaniu z innymi zewnętrznymi rodzajami ogrzewania.
Ogrzewanie mediów może być stosowane przemysłowo do podgrzewania termożeli do suszenia ziarna, papieru, drewna i innych materiałów włóknistych; Możliwe jest również wstępne podgrzanie tworzyw sztucznych przed formowaniem, a także wulkanizacja gumy oraz sklejanie drewna, tworzyw sztucznych itp. Dobór odpowiedniej częstotliwości pola elektrycznego i urządzenia może jedynie podgrzać klej podczas nagrzewania sklejki, bez wpływu na samą sklejkę. W przypadku materiałów jednorodnych możliwe jest zintegrowane ogrzewanie.
