L'effetto Joule della corrente elettrica viene utilizzato per convertire l'energia elettrica in calore per riscaldare gli oggetti. Di solito è diviso in riscaldamento a resistenza diretta e riscaldamento a resistenza indiretta. La tensione di alimentazione del primo viene applicata direttamente all'oggetto riscaldato e, quando la corrente scorre, l'oggetto riscaldato stesso (come un ferro riscaldato elettricamente) si riscalda. Un oggetto che può essere riscaldato direttamente resistivamente deve essere un conduttore, ma con alta resistività. Poiché il calore viene generato dall'oggetto riscaldato stesso, appartiene al riscaldamento interno e l'efficienza termica è elevata. Il riscaldamento a resistenza indiretta deve essere realizzato con materiali in lega speciale o materiali non metallici per realizzare elementi riscaldanti, che generano energia termica e la trasmettono all'oggetto riscaldato per irraggiamento, convezione e conduzione. Poiché l'oggetto riscaldato e l'elemento riscaldante sono divisi in due parti, il tipo di oggetto riscaldato non è generalmente limitato e facile da usare.
I materiali utilizzati nell'elemento riscaldante del riscaldamento a resistenza indiretta generalmente richiedono grande resistività, piccolo coefficiente di temperatura di resistenza, piccola deformazione ad alta temperatura e non facile da infragilire. Comunemente usati sono lega di ferro-alluminio, lega di nichel-cromo e altri materiali metallici e carburo di silicio, disiliciuro di molibdeno e altri materiali non metallici. La temperatura massima di esercizio degli elementi riscaldanti in metallo può raggiungere i 1000~1500 gradi a seconda del tipo di materiale; La temperatura massima di esercizio degli elementi riscaldanti non metallici può raggiungere i 1500~1700 gradi. Quest'ultimo è facile da installare e può essere sostituito da un forno caldo, ma necessita di un dispositivo di regolazione della pressione durante il funzionamento, e la sua durata è inferiore a quella degli elementi riscaldanti in lega, ed è generalmente utilizzato nei forni ad alta temperatura, luoghi dove il la temperatura supera la temperatura massima di esercizio consentita da elementi riscaldanti in materiale metallico e alcune occasioni speciali. L'effetto termico del conduttore stesso viene riscaldato dalla corrente indotta (corrente parassita) generata dal conduttore in un campo elettromagnetico alternato. In base ai diversi requisiti del processo di riscaldamento, la frequenza dell'alimentazione CA utilizzata nel riscaldamento a induzione è la frequenza di alimentazione (50~60 kHz), la frequenza media (60~10000 Hz) e l'alta frequenza (superiore a 10000 Hz). L'alimentazione a frequenza di alimentazione viene solitamente utilizzata nell'alimentazione CA industriale, la maggior parte dei paesi della frequenza di alimentazione mondiale è di 50 Hz. La tensione applicata al dispositivo di induzione dall'alimentazione a frequenza industriale per il riscaldamento a induzione deve essere regolabile. In base alla potenza dell'apparecchiatura di riscaldamento e alla capacità della rete di alimentazione, l'alimentatore (6~10 kV) può essere utilizzato per fornire energia attraverso il trasformatore; Il dispositivo di riscaldamento può anche essere collegato direttamente alla rete a bassa tensione da 380 volt.
L'alimentazione a media frequenza utilizza da tempo gruppi elettrogeni a media frequenza. È costituito da un generatore a media frequenza e da un motore asincrono di azionamento. La potenza di uscita di questa unità è generalmente compresa tra 50 e 1000 kilowatt. Con lo sviluppo della tecnologia dell'elettronica di potenza, sono stati utilizzati alimentatori a media frequenza con inverter a tiristori. Questo alimentatore a media frequenza utilizza i tiristori per convertire la corrente alternata a frequenza di alimentazione in corrente continua, quindi convertire la corrente continua in corrente alternata della frequenza richiesta. A causa delle dimensioni ridotte, del peso leggero, dell'assenza di rumore, del funzionamento affidabile, ecc. Di questa apparecchiatura di conversione di frequenza, ha gradualmente sostituito il gruppo elettrogeno a media frequenza.
L'alimentatore ad alta frequenza di solito utilizza un trasformatore per aumentare la tensione trifase da 380 volt a un'alta tensione di circa 20, 000 volt, quindi utilizza un tiristore o un elemento raddrizzatore al silicio ad alta tensione per rettificare la frequenza di alimentazione corrente alternata in corrente continua, quindi utilizza un oscillatore elettronico per convertire la corrente continua in corrente alternata ad alta frequenza e alta tensione. La potenza di uscita delle apparecchiature di alimentazione ad alta frequenza varia da decine di kilowatt a centinaia di kilowatt.
Gli oggetti riscaldati induttivamente devono essere conduttori. Quando la corrente alternata ad alta frequenza passa attraverso il conduttore, il conduttore produce un effetto pelle, ovvero la densità di corrente superficiale del conduttore è grande e la densità di corrente del centro del conduttore è piccola.
Il riscaldamento a induzione può riscaldare uniformemente l'oggetto e la superficie nel suo insieme; Può fondere i metalli; Nelle bande ad alta frequenza, è possibile utilizzare anche la modifica della forma della bobina di riscaldamento (nota anche come induttore) per il riscaldamento locale arbitrario. Riscaldare oggetti sfruttando le alte temperature generate da un arco elettrico. L'arco è una scarica di gas tra due elettrodi. La tensione dell'arco non è elevata ma la corrente è elevata e la sua forte corrente è mantenuta da un gran numero di ioni evaporati sull'elettrodo, quindi l'arco è facilmente influenzato dal campo magnetico circostante. Quando si forma un arco tra gli elettrodi, la temperatura della colonna dell'arco può raggiungere i 3000~6000 K, che è adatta per la fusione ad alta temperatura dei metalli.
Esistono due tipi di riscaldamento ad arco: riscaldamento ad arco diretto e indiretto. La corrente dell'arco riscaldata dall'arco diretto passa direttamente attraverso l'oggetto riscaldato, che deve essere un elettrodo o mezzo dell'arco. La corrente dell'arco riscaldata dall'arco indiretto non passa attraverso l'oggetto riscaldato, ma viene riscaldata principalmente dal calore irradiato dall'arco. Le caratteristiche del riscaldamento ad arco sono: alta temperatura dell'arco, concentrazione di energia e la potenza superficiale del pool di forni ad arco per la produzione di acciaio può raggiungere 560 ~ 1200 kW / metro quadrato. Tuttavia, il rumore dell'arco è elevato e la sua caratteristica volt-ampere è una caratteristica di resistenza negativa (caratteristica discendente). Per mantenere la stabilità dell'arco quando l'arco è riscaldato, il valore istantaneo della tensione del circuito è maggiore del valore della tensione di avviamento quando la corrente dell'arco attraversa lo zero, e per limitare la corrente di corto circuito, un resistore di un certo valore deve essere collegato in serie nel circuito di alimentazione. Gli elettroni che si muovono ad alta velocità sotto l'azione di un campo elettrico vengono utilizzati per bombardare la superficie di un oggetto e riscaldarlo. Il componente principale per il riscaldamento del fascio di elettroni è il generatore di fasci di elettroni, noto anche come cannone elettronico. Il cannone elettronico è composto principalmente da catodo, polielettrodo a fascio, anodo, lente elettromagnetica e bobina di deflessione. L'anodo è collegato a terra, il catodo è collegato alla posizione alta negativa, il raggio di focalizzazione ha solitamente lo stesso potenziale del catodo e si forma un campo elettrico accelerato tra il catodo e l'anodo. Gli elettroni emessi dal catodo vengono accelerati ad una velocità molto elevata sotto l'azione del campo elettrico in accelerazione, focalizzato dalla lente elettromagnetica, e quindi controllato dalla bobina di deflessione, in modo che il fascio di elettroni venga sparato verso l'oggetto riscaldato in una certa direzione .
I vantaggi del riscaldamento a fascio di elettroni sono: (1) controllare il valore di corrente Ie del fascio di elettroni, che può modificare facilmente e rapidamente la potenza di riscaldamento; (2) La lente elettromagnetica può essere utilizzata per cambiare liberamente la parte riscaldata o l'area della parte di bombardamento del fascio di elettroni può essere regolata liberamente; (3) La densità di potenza può essere aumentata in modo che la sostanza nel punto di bombardamento evapori in un istante. Utilizzando oggetti di radiazione infrarossa, l'oggetto assorbe i raggi infrarossi, converte l'energia radiante in energia termica e la riscalda.
L'infrarosso è un'onda elettromagnetica. Nello spettro solare, oltre l'estremità rossa della luce visibile, c'è una forma invisibile di energia radiante. Nello spettro elettromagnetico, l'intervallo di lunghezza d'onda dell'infrarosso è compreso tra {{0}},75~1{{10}}00 micron e la frequenza l'intervallo è compreso tra 3×1{{20}}~4×10 kHz. Nelle applicazioni industriali, lo spettro infrarosso è spesso suddiviso in diverse bande: 0,75~3,0 micron per la regione del vicino infrarosso; 3,0~6,0 micron per la regione del medio infrarosso; 6,0~15,0 micron per la regione del lontano infrarosso; 15,0~1000 micron per la regione dell'infrarosso estremamente lontano. Oggetti diversi hanno capacità diverse di assorbire raggi infrarossi, anche se lo stesso oggetto ha capacità diverse di assorbire raggi infrarossi di diverse lunghezze d'onda. Pertanto, l'applicazione del riscaldamento a infrarossi, in base al tipo di oggetto riscaldato, seleziona la sorgente di radiazione infrarossa appropriata, in modo che l'energia della radiazione sia concentrata nell'intervallo di lunghezze d'onda di assorbimento dell'oggetto riscaldato per ottenere un buon effetto di riscaldamento.
Il riscaldamento elettrico a infrarossi è in realtà una forma speciale di riscaldamento a resistenza, ovvero materiali come tungsteno, ferro-nichel o lega di nichel-cromo vengono utilizzati come radiatori per creare sorgenti di radiazioni. Quando eccitato, la radiazione termica viene generata a causa del calore generato dalla sua resistenza. Le fonti di radiazione di riscaldamento a infrarossi elettriche comunemente utilizzate sono del tipo a lampada (riflettente), del tipo a tubo (tipo a tubo al quarzo) e del tipo a piastra (tipo piatto). Il tipo di lampada è una lampadina a infrarossi, con filamento di tungsteno come radiatore, e il filamento di tungsteno è sigillato in un guscio di vetro riempito di gas inerte, proprio come le normali lampadine. Quando il radiatore viene alimentato, si riscalda (la temperatura è inferiore a quella di una normale lampadina), emettendo così una grande quantità di raggi infrarossi con una lunghezza d'onda di circa 1,2 micron. Se la parete interna del guscio di vetro è rivestita con uno strato riflettente, i raggi infrarossi possono essere concentrati in una direzione, quindi le sorgenti di radiazione infrarossa del tipo a lampada sono anche chiamate emettitori di infrarossi riflettenti. Il tubo della sorgente di radiazione infrarossa tubolare è realizzato in vetro di quarzo e al centro è presente un filo di tungsteno, quindi è anche chiamato emettitore infrarosso tubolare di quarzo. La lunghezza d'onda dell'infrarosso emesso dal tipo di lampada e dal tipo di tubo è nell'intervallo di 0.7~3 micron e la temperatura di lavoro è bassa, generalmente utilizzata per il riscaldamento, la cottura, l'asciugatura e la fisioterapia a infrarossi alla luce e industria tessile. La superficie di radiazione della sorgente di radiazione infrarossa a piastra è un piano, composto da una piastra di resistenza piatta, il lato anteriore della piastra di resistenza è rivestito con un materiale con un elevato coefficiente di riflessione e il retro è rivestito con un materiale con un piccolo coefficiente di riflessione, quindi la maggior parte dell'energia termica viene irradiata dalla parte anteriore. La temperatura di esercizio del tipo a piastra può raggiungere più di 1000 gradi, che può essere utilizzata per la ricottura di saldature di materiali in acciaio e tubi e contenitori di grande diametro.
Poiché l'infrarosso ha una forte capacità di penetrazione, è facile essere assorbito dagli oggetti e, una volta assorbito dagli oggetti, viene immediatamente convertito in energia termica; La perdita di energia prima e dopo il riscaldamento a infrarossi è ridotta, la temperatura è facile da controllare e la qualità del riscaldamento è elevata, pertanto l'applicazione del riscaldamento a infrarossi si sta sviluppando rapidamente. I campi elettrici ad alta frequenza vengono utilizzati per riscaldare i materiali isolanti. L'oggetto riscaldante principale è il dielettrico. Quando il dielettrico è posto in un campo elettrico alternato, sarà ripetutamente polarizzato (il fenomeno per cui il dielettrico ha una quantità uguale di carica di polarità opposta sulla sua superficie o all'interno sotto l'azione del campo elettrico), convertendo così l'energia elettrica in il campo elettrico in energia termica.
La frequenza del campo elettrico utilizzata per il riscaldamento medio è alta. Nelle bande a onde medie, corte e ultracorte, la frequenza va da diverse centinaia di kilohertz a 300 MHz, che si chiama riscaldamento medio ad alta frequenza, e se è superiore a 300 MHz e raggiunge la banda delle microonde, si parla di microonde riscaldamento medio. Di solito il riscaldamento medio ad alta frequenza viene effettuato nel campo elettrico tra le due piastre; Il riscaldamento del mezzo a microonde viene effettuato sotto il campo di radiazione di guide d'onda, risonatori o antenne a microonde.
Quando il dielettrico viene riscaldato in un campo elettrico ad alta frequenza, la potenza elettrica assorbita nell'unità di volume è P=0.566fEεrtgδ×10 (W/cm)
Se espresso in calore, è:
H=1.33fEεrtgδ×10 (cal/s·cm)
dove f è la frequenza del campo elettrico ad alta frequenza, εr è la permittività relativa del dielettrico, δ è l'angolo di perdita dielettrica ed E è l'intensità del campo elettrico. Si può vedere dalla formula che la potenza elettrica assorbita dal dielettrico dal campo elettrico ad alta frequenza è proporzionale al quadrato dell'intensità del campo elettrico E, alla frequenza f del campo elettrico e all'angolo di perdita δ del dielettrico . E ed f sono determinati dal campo elettrico applicato, mentre εr dipende dalle proprietà del dielettrico stesso. Pertanto, l'oggetto del riscaldamento medio è principalmente la sostanza con una grande perdita dielettrica.
Poiché il calore viene generato all'interno del dielettrico (l'oggetto da riscaldare), la velocità di riscaldamento è elevata, l'efficienza termica è elevata e il riscaldamento è uniforme rispetto ad altri riscaldamenti esterni.
Il riscaldamento del mezzo può essere utilizzato industrialmente per riscaldare termogel per asciugare grano, carta, legno e altri materiali fibrosi; È anche possibile preriscaldare la plastica prima dello stampaggio, nonché la vulcanizzazione della gomma e l'incollaggio di legno, plastica, ecc. La scelta della frequenza e del dispositivo del campo elettrico appropriati può riscaldare l'adesivo solo durante il riscaldamento del compensato, senza influire sul compensato stesso. Per materiali omogenei è possibile il riscaldamento integrale.
