Elektrische Heizmethoden

Grundlegende Methoden und Methoden zur Umwandlung elektrischer Energie in Wärme werden wie folgt klassifiziert. Man unterscheidet zwischen direkter und indirekter Elektroheizung.

Bei der direkten elektrischen Erwärmung erfolgt die Umwandlung elektrischer Energie in Wärmeenergie durch den direkten Durchgang von elektrischem Strom durch den erhitzten Körper oder das erhitzte Medium (Metall, Wasser, Milch, Erde usw.). Bei der indirekten elektrischen Heizung fließt ein elektrischer Strom durch ein spezielles Heizgerät (Heizelement), von dem aus die Wärme durch Leitung, Konvektion oder Strahlung an einen erhitzten Körper oder ein erhitztes Medium übertragen wird.

Es gibt verschiedene Arten der Umwandlung elektrischer Energie in Wärme, die die Methoden der elektrischen Heizung definieren.

Widerstandsheizung

Der Stromfluss durch elektrisch leitende Festkörper oder flüssige Medien geht mit der Entwicklung von Wärme einher. Nach dem Joule-Lenz-Gesetz ist die Wärmemenge Q = I2Rt, wobei Q die Wärmemenge J ist; I – Silatok, A; R ist der Widerstand eines Körpers oder Mediums, Ohm; t – Fließzeit, s.

Die Widerstandserwärmung kann durch Kontakt- und Elektrodenmethoden erfolgen.

Kontaktmethode Es wird zum Erhitzen von Metallen sowohl nach dem Prinzip der direkten elektrischen Erwärmung, beispielsweise in elektrischen Kontaktschweißgeräten, als auch nach dem Prinzip der indirekten elektrischen Erwärmung – in Heizelementen – verwendet.

Elektrodenmethode Es wird zum Erhitzen nichtmetallischer leitfähiger Materialien und Medien verwendet: Wasser, Milch, saftiges Futter, Erde usw. Das erhitzte Material oder Medium wird zwischen Elektroden gebracht, an die eine Wechselspannung angelegt wird.

Der elektrische Strom, der zwischen den Elektroden durch das Material fließt, erwärmt es. Gewöhnliches (nicht destilliertes) Wasser leitet elektrischen Strom, da es immer eine bestimmte Menge an Salzen, Basen oder Säuren enthält, die in Ionen zerfallen, die elektrische Ladungen tragen, also einen elektrischen Strom erzeugen. Der Charakter der elektrischen Leitfähigkeit von Milch und anderen Flüssigkeiten, Erde, saftigem Futter usw. ist ähnlich.

Die direkte Elektrodenerwärmung erfolgt nur mit Wechselstrom, da Gleichstrom eine Elektrolyse des erhitzten Materials und dessen Verschlechterung verursacht.

Aufgrund ihrer Einfachheit, Zuverlässigkeit, Flexibilität und geringen Kosten für Heizgeräte hat die elektrische Widerstandsheizung in der Produktion breite Anwendung gefunden.

Lichtbogenheizung

In einem Lichtbogen, der zwischen zwei Elektroden in einem gasförmigen Medium entsteht, wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt.

Zum Zünden des Lichtbogens werden die an die Stromquelle angeschlossenen Elektroden kurz berührt und dann langsam getrennt. Der Widerstand des Kontakts wird im Moment der Trennung der Elektroden durch den durch ihn fließenden Strom stark erhitzt.Freie Elektronen, die sich ständig im Metall bewegen, beschleunigen ihre Bewegung mit steigender Temperatur am Kontaktpunkt der Elektroden.

Mit zunehmender Temperatur nimmt die Geschwindigkeit der freien Elektronen so stark zu, dass sie sich vom Metall der Elektroden lösen und in die Luft fliegen. Während sie sich bewegen, kollidieren sie mit Luftmolekülen und zerlegen diese in positiv und negativ geladene Ionen. Der Luftraum zwischen den Elektroden wird ionisiert und elektrisch leitend.

Unter dem Einfluss der Quellenspannung strömen positive Ionen zum Minuspol (Kathode) und negative Ionen zum Pluspol (Anode) und bilden so eine lange Entladung – einen Lichtbogen, der mit der Freisetzung von Wärme einhergeht. Die Temperatur des Lichtbogens ist in seinen verschiedenen Teilen nicht gleich und liegt an Metallelektroden: an der Kathode – etwa 2400 °C, an der Anode – etwa 2600 °C, in der Mitte des Lichtbogens – etwa 6000 – 7000 °C .

Unterscheiden Sie zwischen direkter und indirekter Lichtbogenheizung. Die praktische Anwendung findet vor allem in der direkten Lichtbogenerwärmung in Lichtbogenschweißanlagen statt. In indirekten Heizanlagen wird der Lichtbogen als leistungsstarke Infrarotstrahlungsquelle genutzt.

Induktionsheizung

Wird ein Metallstück in ein magnetisches Wechselfeld gebracht, so wird darin ein Wechselstrom induziert. D. s, unter deren Einfluss im Metall Wirbelströme entstehen. Der Durchgang dieser Ströme in das Metall führt zu dessen Erwärmung. Diese Methode zum Erhitzen des Metalls wird Induktion genannt. Das Design einiger Induktionsheizgeräte basiert auf der Nutzung des Oberflächeneffektphänomens und des Proximity-Effekts.

Zur Induktionserwärmung werden industrielle (50 Hz) und hochfrequente (8-10 kHz, 70-500 kHz) Ströme verwendet. Die Induktionserwärmung von Metallkörpern (Teilen, Details) ist im Maschinenbau und bei der Reparatur von Geräten sowie zum Härten von Metallteilen am weitesten verbreitet. Die Induktionsmethode kann auch zum Erhitzen von Wasser, Erde, Beton und zum Pasteurisieren von Milch verwendet werden.

Dielektrische Heizung

Das physikalische Wesen der dielektrischen Erwärmung ist wie folgt. In festen und flüssigen Medien mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit (Dielektrika) wird elektrische Energie in ein sich schnell änderndes elektrisches Feld umgewandelt.

Jedes Dielektrikum enthält elektrische Ladungen, die durch intermolekulare Kräfte miteinander verbunden sind. Diese Gebühren werden als gebundene Gebühren bezeichnet, im Gegensatz zu kostenlosen Gebühren bei der Leitung von Materialien. Unter Einwirkung eines elektrischen Feldes werden die zugehörigen Ladungen in Richtung des Feldes ausgerichtet bzw. verschoben. Die Verschiebung der zugehörigen Ladungen unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes nennt man Polarisation.

In einem elektrischen Wechselfeld kommt es zu einer kontinuierlichen Bewegung von Ladungen und damit den damit verbundenen intermolekularen Kräften der Moleküle. Die von der Quelle aufgewendete Energie zur Polarisierung der Moleküle nichtleitender Materialien wird in Form von Wärme freigesetzt. Einige nichtleitende Materialien verfügen über eine geringe Menge freier Ladungen, die unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes einen kleinen Leitungsstrom erzeugen, der zur Freisetzung zusätzlicher Wärme im Material beiträgt.

Beim Erhitzen mit einem Dielektrikum wird das zu erhitzende Material zwischen Metallelektroden – Kondensatorplatten – platziert, an die von einem speziellen Hochfrequenzgenerator eine Hochfrequenzspannung (0,5 – 20 MHz und höher) angelegt wird. Der dielektrische Heizkörper besteht aus einem Hochfrequenz-Lampengenerator, einem Leistungstransformator und einer Trocknungsvorrichtung mit Elektroden.

Die dielektrische Hochfrequenzheizung ist eine vielversprechende Heizmethode und wird hauptsächlich zum Trocknen und Wärmebehandeln von Holz, Papier, Lebens- und Futtermitteln (Trocknen von Getreide, Gemüse und Früchten), Pasteurisieren und Sterilisieren von Milch usw. verwendet.

Elektronenstrahlheizung (elektronisch)

Wenn ein in einem elektrischen Feld beschleunigter Elektronenstrom (Elektronenstrahl) auf einen erhitzten Körper trifft, wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Ein charakteristisches Merkmal der elektronischen Heizung ist eine hohe Energiekonzentrationsdichte von 5×108 kW/cm2, die mehrere tausend Mal höher ist als bei der Lichtbogenheizung. Elektronische Heizungen werden in der Industrie zum Schweißen sehr kleiner Teile und zum Schmelzen hochreiner Metalle eingesetzt.

Zusätzlich zu den betrachteten Methoden der Elektroheizung wird in der Produktion und im Alltag die Infrarotheizung (Bestrahlung) eingesetzt.