Назад: 1.2. Теплопередача в электротермических установках

1.3. Физическая сущность электрического сопротивления

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 свойства 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 10²⁹м^-3. Согласно электронной теории в идеальной кристаллической решетке не происходит ни рассеяния, ни отражения, ни торможения движущихся электронов, т.е. нет никаких препятствий прохождению электрического тока и электропроводность металлов должна быть бесконечно большой. В действительности этого не происходит. Электропроводность металлов является конечной величиной и зависит от многих факторов, в частности от наличия дефектов в его структуре. Дефектами структуры могут быть геометрические искажения структуры кристаллической решетки материала, а также всевозможные примеси в нем.

С увеличением температуры металла его атомы в узлах кристаллических решеток колеблются с возрастающими амплитудами. Это увеличивает вероятность столкновения с ними свободных электронов. Соответственно с ростом температуры увеличивается и сопротивление прохождению электрического тока.

Проводники второго рода – электролиты, растворы или расплавы кислот, солей, щелочей, оксидов. Плазма имеет 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. Процессы переноса вещества в этом случае явно не проявляются, так как наступающая в новом полупериоде полярность электродов аннулирует действие в предыдущем.

В плазме наблюдаются оба вида проводимости, причем доля электронного и ионного токов зависит от давления, температуры и состава плазмы.

В нагревательных процессах используются оба вида проводников, причем тепловая эффективность их прямо пропорциональна электронной составляющей протекающего тока.

Электролизная ванна слабо разогревается протекающим по ней постоянным током большой силы, а электродный котел на переменном токе быстро нагревает до кипения слабоминерализованную воду. Исходя из этого, тепловую эффективность определяют из предположения, что в ЭТУ протекает электронный ток, тепловое действие которого при постоянном и переменном токе описывается известными зависимостями.

Соотношения между плотностью тока, напряженностью электрического поля и электропроводностью вещества определяются законом Ома. В общей форме этот закон имеет вид

j = (n_е×е_о×μ_е + n_i×Је_о×μ_i)×Е, (1.5)

где j – плотность тока, ; n_е, n_i – количество носителей заряда электронов и ионов соответственно, ; μ_е, μ_i – плотность электронов и ионов соответственно, числено равная скорости дрейфа заряженных частиц в направлении электрического поля при его напряженности Е = 1 ; е_о – заряд электрона.

Поскольку в металлах ток проводится исключительно электронами, уравнение (1.5) запишется в виде

j = n_е∙е_о∙μ_е∙Е. (1.6)

Из формулы (1.6) следует

G = n_е∙е_о∙μ_е, (1.7)

где G – электропроводность вещества, зависящая от концентрации носителей зарядов n_е, а также от вида вещества и его состояния μ_е.

С учетом (1.6) и (1.7) можно записать

j = G∙E. (1.8)

Величину, обратную проводимости, называют удельным электрическим сопротивлением. Оно зависит от тех же факторов, что и проводимость и для всех металлов увеличивается с ростом температуры. Удельное сопротивление проводника при заданной температуре Т

ρ_t = ρ_o∙[l + α∙(T–20)], (1.9)

где ρ_o – удельное сопротивление проводника при температуре 293 К;

α – температурный коэффициент электрического сопротивления, .

При приближении температуры к абсолютному нулю часть сопротивления, обусловленная тепловыми колебаниями атомов решетки, стремится к нулю, так что остается лишь сопротивление, обусловленное дефектами решетки (примесями и т.п.). У проводников второго рода с повышением температуры электропроводность возрастает.

Зависимость тока от напряжения называют вольтамперной характеристикой вещества.

Если характеристики выражают зависимость постоянного напряжения от соответствующих: значений постоянного тока, их называют статическими. Характеристики при достаточно быстрых изменениях тока называют динамическими. Они отличаются от статических характеристик вследствие инерции проводника. В этом случае рассматривают статическое и динамическое сопротивления и статическую и динамическую проводимость проводника (рис.1.1).

Рис. 1.1. Вольтамперная характеристика проводника

Удельное статическое сопротивление пропорционально тангенсу угла α наклона луча, проведенного на начало координат в данную точку характеристики (а), т.е. ρ_ст = tgα. Удельное динамическое сопротивление пропорционально тангенсу угла β наклона касательной в данной точке (а) характеристики ρ_дин = tgβ. Переходя от удельного сопротивления к проводимости, запишем σ_ст = ctgα; σ_дин = ctgβ. Bеличена называют удельной дифференциальтной проводимостью.

В переменном электрическом поле проводимость проводника является комплексной величиной:

γ = σ – ί×b, (1.10)

где σ, b – соответственно активная и реактивная составляющие проводимости.

При низких частотах переменного тока проводимость практически равна проводимости при постоянном токе.

Скорость электрона v_e, прошедшего в электрическом поле Е разность потенциала U:

v_e = 5,93×10⁵×U^0,5. (1.11)

При прохождении участка с разностью потенциалов U электрон приобретает кинетическую энергию W_e = e_o×U, эВ (электрон-вольт).

Вследствие столкновения и взаимодействия электронов с атомами их средняя скорость в направлении приложенного электрического поля может быть очень мала, поскольку при соударении с элементами структуры металла электроны обмениваются полученной ими в электрическом поле энергией, что выражается в нагреве проводника.

Количество выделяющейся в проводнике теплоты, при прохождении по нему электрического тока в цепи, за время его прохождения определяется законом Джоуля - Ленца:

Q = I²×R×t,

где I – ток, А; R – сопротивление, Ом; t – время, с.

Если выразить R через удельное сопротивление проводника, учесть его геометрические размеры (ℓ – длину в метрах и S – площадь поперечного сечения в м² ), то выделяющаяся в проводнике мощность определяется

. (1.12)

Нагревательные элементы. Выбор материала и конструкции нагревательного элемента определяется особенностями технологического процесса и конструкций установки. Материалы, идущие на изготовление нагревателей, должны обладать рядом специфических свойств; высоким удельным сопротивлением; малым температурным коэффициентом удельного сопротивления; постоянным электрическим сопротивлением нагревательного элемента в процессе длительного срока службы (отсутствием старения.)

По температурным пределам работы нагревательные элементы подразделяются на три группы: низкотемпературные – нагрев до 500-700 К и преимущественно конвективный способ теплообмена; среднетемпературные - нагрев до 900-1300 К с теплообменом конвекцией, теплопроводностью и излучением; высокотемпературные – нагрев до 2500-3000 К с преимущественно радиационным способом теплопередачи.

Для изготовления нагревателей с рабочей температурой до 1500 К наиболее распространенными материалами являются нихром (сплав никеля и хрома), фехрали (хромоалюминиевые сплавы), а также хромоникелевые жаропрочные стали. Нихромы содержат 75-78 % никеля и около 25 % хрома.

Увеличение содержания никеля в сплаве повышает его рабочую температуру. Хромоникелевые жаропрочные стали содержат 22-27 % хрома и 17 - 20 % никеля. Из них изготавливают нагревательные элементы с рабочей температурой до 1100 K. Применение сплавов с содержанием хрома 20-27 % и с микродобавками некоторых элементов (бора, титана и др.) способствует получению рабочих температур в диапазоне 1470-1620 К.

Нагреватели, выполненные из указанных материалов, могут быть открытыми и защищенными. В первом случае конструкция нагревателя должна быть жесткой, поэтому их изготавливают из проволоки и ленты больших сечений. Открытые нагревательные элементы применяются в печах и бытовых нагревательных приборах, они могут быть проволочными зигзагообразными, проволочными спиральными и ленточными. Диаметр и шаг спирали, а также размеры зигзагов зависят от толщины проволоки и ленты, способа их крепления в нагревательной установке и позволяют регулировать в некоторых пределах температуру нагрева (рис.1.2. а-ж).

Рис.1.2. Расположение нагревателей в электрических печах в котором располагается электронагревательная спираль 3

В качестве наполнителя ТЭНа применяется плавленый переклаз. По сравнению с открытыми электронагревателями ТЭНы более электробезопасны, могут работать в воде, жидких углеводородах, жидком металле, расплавах солей, оксидов и других средах.

В зависимости от конструкции нагревательного устройства и выполняемых функций нагревательные элементы изготовленные из пруткового материала или ленты могут закрепляться на боковых стенках устройства рис.1.2, а, укладываться в пазы устройства рис. 1.2, б, или специальные полки рис.1.2, в, нагревательные элементы изготовленные из труб укладываются в специальные пазы в потолке нагревательного устройства рис.1.2, е или полки на боковых стенках рис.1.2, г, д, или труба в трубе рис.1.2, ж.

Для нагрева жидкостей или газов при различных технологических процессах служат электронагреватели, выполненные в виде цилиндра из пористого металлокерамического материала (пористость 40-80 мкм), что обеспечивает проникновение жидкости или газа сквозь его стенки и одновременно их нагрев. Удельная тепловая нагрузка на нагревателе составляет 1, рабочая температур 400-600 К, напряжение на элементе 1-12. В.

Для низкотемпературного нагрева широко применяются трубчатые электронагреватели – ТЭНы (рис.1.3), представляющие собой металлическую трубу 1, заполненную теплопроводным электроизоляционным материалом 2,

Рис.1.3. Схема трубчатого электронагревателя ТЭНа

ТЭНы стойки к вибрациям и механическим нагрузкам. Мощность ТЭНов составляет от 100 Вт до 15 кВт, рабочее напряжение 36-380 В, рабочая температура 400-1000 К. Срок службы ТЭНов составляет 1-4 тыс.ч. Для высокотемпературных печей с максимальной рабочей температурой до 1700K применяются нагревательные элементы из карборунда (карбид кремния, получаемый спеканием кремнезема и угля при температуре 1900-2000 К). Эти нагреватели известны также под названием силитовых или глобаровых. Их изготовляют в виде стержней диаметром 6-30 мм различной длины.

Нагреватели из дисилицида молибдена MoSi₂ могут работать при температуре 2000 К в окислительной атмосфере. Их изготавливают методом порошковой металлургии. В керамических электронагревателях используются свойства некоторых керамических материалов приобретать высокую электропроводность с повышением температуры. Таким материалом является, например, оксид циркония, содержащий 4 % оксида кальция или 6 % оксида иттрия. С помощью керамических нагревателей достигают температуры до 2000 К.

Для высокотемпературных установок (с максимальной рабочей температурой 2300 К и выше) нагреватели изготавливают из тугоплавких металлов, угля или графита. При изготовлении нагревательных элементов из тугоплавких материалов применяют молибден, тантал, вольфрам в виде проволоки, ленты, стержней и листов, различных сечении. Нагреватели из молибдена, тантала и вольфрама могут работать только в атмосфере инертных газов: аргона, гелия, водорода, азота, а также в вакууме.

Графитовые электронагреватели применяются в установках с рабочей температурой 1800-2700 К. Однако их применение ограничено в связи с тем, что они интенсивно окисляются на воздухе, начиная с температуры 800 К. Эти нагреватели изготавливаются в виде стержней круглого или квадратного сечения, а также в виде труб длиной до 1500 мм. Внутренняя часть трубчатых нагревателей используется в качестве пространства нагревательной печи.

Электрические нагревательные устройства применяют для сушки изделий после окраски, пропитки, подогрева газа для различных технологических целей, разогрева емкости с жидкостью, пластическими и вязкими материалами, а также для нагрева твердых тел и др. Для этих целей используют большое разнообразие электронагревательных установок. К ним относятся электрокалориферы, фены, различные устройства радиационного обогрева, электрокотлы и др.

Далее: 1.4. Электротермические нагревательные устройства