Der Joule-Effekt von elektrischem Strom wird genutzt, um elektrische Energie in Wärme umzuwandeln und so Gegenstände zu erwärmen. Es wird üblicherweise in direkte Widerstandsheizung und indirekte Widerstandsheizung unterteilt. Die Versorgungsspannung des ersteren wird direkt an das erhitzte Objekt angelegt, und wenn Strom fließt, erwärmt sich das erhitzte Objekt selbst (z. B. ein elektrisch beheiztes Bügeleisen). Ein Objekt, das direkt widerstandsbeheizt werden kann, muss ein Leiter sein, jedoch mit hohem spezifischem Widerstand. Da die Wärme vom erhitzten Objekt selbst erzeugt wird, gehört sie zur Innenheizung und der thermische Wirkungsgrad ist hoch. Die indirekte Widerstandsheizung muss aus speziellen Legierungsmaterialien oder nichtmetallischen Materialien hergestellt werden, um Heizelemente herzustellen, die Wärmeenergie erzeugen und durch Strahlung, Konvektion und Leitung auf das erhitzte Objekt übertragen. Da das beheizte Objekt und das Heizelement in zwei Teile geteilt sind, ist die Art des beheizten Objekts im Allgemeinen nicht eingeschränkt und einfach zu bedienen.
Die im Heizelement der indirekten Widerstandsheizung verwendeten Materialien erfordern im Allgemeinen einen hohen spezifischen Widerstand, einen kleinen Widerstandstemperaturkoeffizienten, eine geringe Verformung bei hohen Temperaturen und sind nicht leicht zu verspröden. Üblicherweise werden Eisen-Aluminium-Legierungen, Nickel-Chrom-Legierungen und andere Metallmaterialien sowie Siliziumkarbid, Molybdändisilizid und andere nichtmetallische Materialien verwendet. Die maximale Betriebstemperatur von Metallheizelementen kann je nach Materialart 1000–1500 Grad erreichen; Die maximale Arbeitstemperatur nichtmetallischer Heizelemente kann 1500 bis 1700 Grad erreichen. Letzteres ist einfach zu installieren und kann durch einen heißen Ofen ersetzt werden, benötigt jedoch beim Betrieb eine Druckregelvorrichtung und hat eine kürzere Lebensdauer als Heizelemente aus Legierungen. Es wird im Allgemeinen in Hochtemperaturöfen verwendet, an Orten, an denen die Die Temperatur überschreitet die maximale Betriebstemperatur, die für Heizelemente aus Metallmaterial zulässig ist, und in einigen besonderen Fällen. Durch die thermische Wirkung wird der Leiter selbst durch den induzierten Strom (Wirbelstrom) erwärmt, der vom Leiter in einem elektromagnetischen Wechselfeld erzeugt wird. Je nach den unterschiedlichen Anforderungen des Heizprozesses ist die Frequenz der Wechselstromversorgung, die bei der Induktionserwärmung verwendet wird, die Netzfrequenz (50–60 kHz), die Mittelfrequenz (60–10.000 Hz) und die Hochfrequenz (höher als 10.000 Hz). Die Netzfrequenz-Stromversorgung wird in der Industrie üblicherweise als Wechselstrom-Stromversorgung verwendet. In den meisten Ländern der Welt beträgt die Netzfrequenz 50 Hz. Die vom Netzfrequenznetzteil zur Induktionserwärmung an das Induktionsgerät angelegte Spannung muss einstellbar sein. Abhängig von der Leistung der Heizgeräte und der Kapazität des Stromversorgungsnetzes kann die Stromversorgung (6 bis 10 kV) zur Stromversorgung über den Transformator verwendet werden. Das Heizgerät kann auch direkt an das 380-Volt-Niederspannungsnetz angeschlossen werden.
In der Mittelfrequenz-Stromversorgung werden seit langem Mittelfrequenz-Generatorsätze eingesetzt. Es besteht aus einem Mittelfrequenzgenerator und einem Antriebs-Asynchronmotor. Die Ausgangsleistung dieses Geräts liegt im Allgemeinen im Bereich von 50 bis 1000 Kilowatt. Mit der Entwicklung der Leistungselektroniktechnologie wurden Mittelfrequenz-Stromversorgungen mit Thyristor-Wechselrichtern verwendet. Dieses Mittelfrequenz-Netzteil verwendet Thyristoren, um Wechselstrom mit Netzfrequenz in Gleichstrom umzuwandeln und anschließend Gleichstrom in Wechselstrom mit der erforderlichen Frequenz umzuwandeln. Aufgrund der geringen Größe, des geringen Gewichts, der Geräuschlosigkeit, des zuverlässigen Betriebs usw. dieser Frequenzumwandlungsausrüstung hat sie nach und nach den Mittelfrequenzgeneratorsatz ersetzt.
Bei der Hochfrequenzstromversorgung wird normalerweise ein Transformator verwendet, um die dreiphasige Spannung von 380 Volt auf eine Hochspannung von etwa 20,000 Volt zu erhöhen, und dann wird ein Thyristor oder ein Hochspannungs-Siliziumgleichrichterelement verwendet, um die Netzfrequenz gleichzurichten Wechselstrom in Gleichstrom um und wandelt dann mithilfe eines elektronischen Oszillators Gleichstrom in hochfrequenten Hochspannungswechselstrom um. Die Ausgangsleistung von Hochfrequenz-Stromversorgungsgeräten reicht von mehreren zehn Kilowatt bis zu Hunderten von Kilowatt.
Induktiv erhitzte Gegenstände müssen leitend sein. Wenn hochfrequenter Wechselstrom durch den Leiter fließt, erzeugt der Leiter einen Skin-Effekt, d. h. die Oberflächenstromdichte des Leiters ist groß und die Stromdichte in der Mitte des Leiters ist klein.
Durch Induktionserwärmung kann das Objekt gleichmäßig und die gesamte Oberfläche erwärmt werden. Kann Metalle schmelzen; In Hochfrequenzbändern kann die Formänderung der Heizspule (auch Induktor genannt) auch für eine beliebige lokale Erwärmung genutzt werden. Erhitzen von Gegenständen mithilfe der hohen Temperaturen, die ein Lichtbogen erzeugt. Ein Lichtbogen ist eine Gasentladung zwischen zwei Elektroden. Die Spannung des Lichtbogens ist nicht hoch, aber der Strom ist groß, und sein starker Strom wird durch eine große Anzahl an auf der Elektrode verdampften Ionen aufrechterhalten, sodass der Lichtbogen leicht durch das umgebende Magnetfeld beeinflusst wird. Wenn zwischen den Elektroden ein Lichtbogen entsteht, kann die Temperatur der Lichtbogensäule 3000 bis 6000 K erreichen, was zum Hochtemperaturschmelzen von Metallen geeignet ist.
Es gibt zwei Arten der Lichtbogenheizung: direkte und indirekte Lichtbogenheizung. Der durch den direkten Lichtbogen erhitzte Lichtbogenstrom fließt direkt durch das erhitzte Objekt, das eine Elektrode oder ein Medium des Lichtbogens sein muss. Der durch indirekten Lichtbogen erhitzte Lichtbogenstrom durchdringt nicht das erhitzte Objekt, sondern wird hauptsächlich durch die vom Lichtbogen abgestrahlte Wärme erwärmt. Die Eigenschaften der Lichtbogenheizung sind: hohe Lichtbogentemperatur, Energiekonzentration und die Oberflächenleistung des Lichtbogenofenbeckens für die Stahlherstellung kann 560 bis 1200 kW/Quadratmeter erreichen. Allerdings ist das Rauschen des Lichtbogens groß und seine Volt-Ampere-Kennlinie ist eine negative Widerstandskennlinie (abfallende Kennlinie). Um die Stabilität des Lichtbogens beim Erhitzen des Lichtbogens aufrechtzuerhalten, ist der Momentanwert der Kreisspannung größer als der Startspannungswert, wenn der Lichtbogenstrom den Nulldurchgang durchläuft, und um den Kurzschlussstrom zu begrenzen, wird ein Widerstand von Ein bestimmter Wert muss im Stromversorgungskreis in Reihe geschaltet werden. Elektronen, die sich unter der Wirkung eines elektrischen Feldes mit hoher Geschwindigkeit bewegen, werden verwendet, um die Oberfläche eines Objekts zu bombardieren und es zu erhitzen. Die Hauptkomponente der Elektronenstrahlheizung ist der Elektronenstrahlgenerator, auch Elektronenkanone genannt. Die Elektronenkanone besteht hauptsächlich aus Kathode, Strahlpolyelektrode, Anode, elektromagnetischer Linse und Ablenkspule. Die Anode ist geerdet, die Kathode ist mit der negativen Hochposition verbunden, der Fokussierungsstrahl hat normalerweise das gleiche Potenzial wie die Kathode und zwischen Kathode und Anode wird ein beschleunigtes elektrisches Feld gebildet. Die von der Kathode emittierten Elektronen werden unter der Wirkung des beschleunigenden elektrischen Feldes auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt, durch die elektromagnetische Linse fokussiert und dann durch die Ablenkspule gesteuert, sodass der Elektronenstrahl in eine bestimmte Richtung auf das erhitzte Objekt schießt .
Die Vorteile der Elektronenstrahlheizung sind: (1) Steuerung des Stromwerts Ie des Elektronenstrahls, wodurch die Heizleistung einfach und schnell geändert werden kann; (2) Die elektromagnetische Linse kann verwendet werden, um den erhitzten Teil frei zu ändern, oder die Fläche des Elektronenstrahl-Bombardierungsteils kann frei eingestellt werden; (3) Die Leistungsdichte kann so erhöht werden, dass die Substanz am Beschusspunkt augenblicklich verdampft. Mithilfe von Infrarotstrahlungsobjekten absorbiert das Objekt Infrarotstrahlen, wandelt die Strahlungsenergie in Wärmeenergie um und erwärmt sie.
Infrarot ist eine elektromagnetische Welle. Im Sonnenspektrum gibt es jenseits des roten Endes des sichtbaren Lichts eine unsichtbare Form strahlender Energie. Im elektromagnetischen Spektrum liegt der Wellenlängenbereich von Infrarot zwischen {{0}},75~1{{10}}00 Mikrometern und der Frequenz Der Bereich liegt zwischen 3×1{{20}}~4×10 kHz. Bei industriellen Anwendungen wird das Infrarotspektrum häufig in mehrere Bänder unterteilt: 0,75 bis 3,0 Mikrometer für den nahen Infrarotbereich; 3,0–6,0 Mikrometer für den mittleren Infrarotbereich; 6,0–15,0 Mikrometer für den Ferninfrarotbereich; 15,0~1000 Mikrometer für den extrem fernen Infrarotbereich. Unterschiedliche Objekte haben eine unterschiedliche Fähigkeit, Infrarotstrahlen zu absorbieren, selbst wenn dasselbe Objekt eine unterschiedliche Fähigkeit hat, Infrarotstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge zu absorbieren. Wählen Sie daher bei der Anwendung der Infrarotheizung je nach Art des erhitzten Objekts die geeignete Infrarotstrahlungsquelle aus, damit die Strahlungsenergie im Absorptionswellenlängenbereich des erhitzten Objekts konzentriert wird, um einen guten Heizeffekt zu erzielen.
Bei der elektrischen Infrarotheizung handelt es sich eigentlich um eine Sonderform der Widerstandsheizung, d. h. als Strahler werden zur Herstellung von Strahlungsquellen Materialien wie Wolfram, Eisen-Nickel oder eine Nickel-Chrom-Legierung verwendet. Im eingeschalteten Zustand wird aufgrund der durch seinen Widerstand erzeugten Wärme Wärmestrahlung erzeugt. Häufig verwendete elektrische Infrarot-Heizstrahlungsquellen sind der Lampentyp (reflektierend), der Röhrentyp (Quarzröhrentyp) und der Plattentyp (flacher Typ). Bei dem Lampentyp handelt es sich um eine Infrarotlampe mit einem Wolframfaden als Strahler. Der Wolframfaden ist wie bei herkömmlichen Glühbirnen in einer mit Edelgas gefüllten Glashülle eingeschlossen. Wenn der Strahler mit Strom versorgt wird, erwärmt er sich (die Temperatur ist niedriger als die einer normalen Glühbirne) und sendet dabei eine große Menge Infrarotstrahlen mit einer Wellenlänge von etwa 1,2 Mikrometern aus. Wenn die Innenwand der Glashülle mit einer reflektierenden Schicht beschichtet ist, können Infrarotstrahlen in eine Richtung konzentriert werden, daher werden Infrarotstrahlungsquellen vom Lampentyp auch als reflektierende Infrarotstrahler bezeichnet. Die Röhre der röhrenförmigen Infrarotstrahlungsquelle besteht aus Quarzglas und in der Mitte befindet sich ein Wolframdraht. Daher wird sie auch als röhrenförmiger Quarz-Infrarotstrahler bezeichnet. Die vom Lampentyp und Röhrentyp emittierte Infrarotwellenlänge liegt im Bereich von 0,7 bis 3 Mikrometer und die Arbeitstemperatur ist niedrig, was im Allgemeinen zum Erhitzen, Backen, Trocknen und zur Infrarot-Physiotherapie im Licht verwendet wird und Textilindustrie. Die Strahlungsoberfläche der plattenförmigen Infrarotstrahlungsquelle ist eine Ebene, die aus einer flachen Widerstandsplatte besteht, wobei die Vorderseite der Widerstandsplatte mit einem Material mit einem großen Reflexionskoeffizienten beschichtet ist und die Rückseite mit einem Material mit beschichtet ist einen kleinen Reflexionskoeffizienten, sodass der größte Teil der Wärmeenergie von der Vorderseite abgestrahlt wird. Die Arbeitstemperatur des Plattentyps kann mehr als 1000 Grad erreichen und kann zum Glühen von Schweißnähten aus Stahlmaterialien sowie Rohren und Behältern mit großem Durchmesser verwendet werden.
Da Infrarot eine starke Durchdringungsfähigkeit hat, kann es leicht von Objekten absorbiert werden und sobald es von Objekten absorbiert wird, wird es sofort in Wärmeenergie umgewandelt; Der Energieverlust vor und nach der Infrarotheizung ist gering, die Temperatur ist leicht zu kontrollieren und die Heizqualität ist hoch, daher entwickelt sich die Anwendung der Infrarotheizung schnell. Zur Erwärmung von Isoliermaterialien werden hochfrequente elektrische Felder eingesetzt. Das Hauptheizobjekt ist das Dielektrikum. Wenn das Dielektrikum in ein elektrisches Wechselfeld gebracht wird, wird es wiederholt polarisiert (das Phänomen, dass das Dielektrikum unter der Wirkung des elektrischen Feldes auf seiner Oberfläche oder im Inneren eine gleiche Ladungsmenge entgegengesetzter Polarität aufweist) und dadurch elektrische Energie in umwandelt das elektrische Feld in Wärmeenergie um.
Die für die mittlere Erwärmung verwendete elektrische Feldfrequenz ist hoch. Im Mittel-, Kurzwellen- und Ultrakurzwellenbereich beträgt die Frequenz mehrere hundert Kilohertz bis 300 MHz, was als Hochfrequenz-Mittelerwärmung bezeichnet wird, und wenn sie höher als 300 MHz ist und das Mikrowellenband erreicht, spricht man von Mikrowelle mittlere Erwärmung. Normalerweise erfolgt die Erwärmung des Hochfrequenzmediums im elektrischen Feld zwischen den beiden Platten; Die Erwärmung des Mikrowellenmediums erfolgt im Strahlungsfeld von Wellenleitern, Resonatoren oder Mikrowellenantennen.
Wenn das Dielektrikum in einem hochfrequenten elektrischen Feld erhitzt wird, beträgt die im Einheitsvolumen aufgenommene elektrische Leistung P=0.566fEεrtgδ×10 (W/cm)
In Wärme ausgedrückt ist es:
H=1.33fEεrtgδ×10 (cal/s·cm)
Dabei ist f die Frequenz des hochfrequenten elektrischen Feldes, εr die relative Permittivität des Dielektrikums, δ der dielektrische Verlustwinkel und E die elektrische Feldstärke. Aus der Formel ist ersichtlich, dass die vom Dielektrikum aus dem hochfrequenten elektrischen Feld aufgenommene elektrische Leistung proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke E, der Frequenz f des elektrischen Feldes und dem Verlustwinkel δ des Dielektrikums ist . E und f werden durch das angelegte elektrische Feld bestimmt, während εr von den Eigenschaften des Dielektrikums selbst abhängt. Daher ist das Objekt der Medienerwärmung hauptsächlich der Stoff mit großem dielektrischen Verlust.
Da die Wärme im Inneren des Dielektrikums (des zu erwärmenden Objekts) erzeugt wird, ist die Erwärmungsgeschwindigkeit schnell, der thermische Wirkungsgrad hoch und die Erwärmung im Vergleich zu anderen externen Erwärmungen gleichmäßig.
Medienerwärmung kann industriell zum Erhitzen von Thermogelen zum Trocknen von Getreide, Papier, Holz und anderen Fasermaterialien eingesetzt werden. Es ist auch möglich, Kunststoffe vor dem Formen vorzuwärmen sowie Gummi zu vulkanisieren und Holz, Kunststoffe usw. zu verkleben. Durch die Wahl der geeigneten elektrischen Feldfrequenz und des geeigneten Geräts kann beim Erhitzen des Sperrholzes nur der Klebstoff erhitzt werden, ohne das Sperrholz selbst zu beeinträchtigen. Bei homogenen Materialien ist eine integrale Erwärmung möglich.
