Электротехнология. Курс лекций

 

А.А. Лысаков 

 

 

 

 

 

 

 
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ 

КУРС ЛЕКЦИЙ 

 

 

 

 

 

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

©Лысаков А.А. 
2

УДК 621.317 
 
  
 
Рецензенты:  
Заведующий кафедрой физики ФГБОУ ВПО «Ставропольский  государственный 
аграрный университет», доктор сельскохозяйственных наук,  профессор Г.П. Стародубцева; 
доктор технических наук, профессор кафедры физики ФГБОУ ВПО «АзовоЧерноморская государственная агроинженерная академия» Н.В. Ксенз; 
доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение и эксплуатация 
оборудования» ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 
В.Я. Хорольский. 
 
 
 
Лысаков А.А. 
Электротехнология. Курс лекций.: учебное пособие / А.А. 
Лысаков – Ставрополь, 2013. – 124 с. 
 
 
В 
учебном 
пособии 
представлены 
основные 
типы 
электронагревательных установок, режимы работы, порядок расчета и 
выбора. Также представлены теоретические сведения о принципах 
действия установок ультразвуковой, магнитной, электронно-ионной и 
электроимпульсной технологий. 
Рекомендовано для студентов вузов очной и заочной форм 
обучения, обучающихся по направлениям подготовки: 110302.65 – 
Электрификация и автоматизация сельского хозяйства, 110800 – 
Агроинженерия, 140400 – Электроэнергетика и электротехника, 140211 – 
Электроснабжение. 
 
УДК 621.317 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© А.А.Лысаков, 2013 
 
 

©Лысаков А.А. 
3

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 

Сельскохозяйственное производство, связанное с потреблением 

механической, тепловой, лучистой, химической, электрической и 
других видов энергии, отличается большой рассредоточенностью и 
низкой по сравнению с промышленными центрами плотностью 
энергетических 
нагрузок. 
Поэтому 
для 
его 
надежного 

энергоснабжения необходимы высокие материальные затраты. 

Все основные стационарные процессы в сельском хозяйстве 

выполняют с помощью электрической энергии. Она сравнительно 
легко передается на большие расстояния и представляет собой 
наиболее доступный, надежный и универсальный энергетический 
источник, позволяющий получать энергию других видов. 

Электротехнология – область науки и техники, изучающая 

приемы, 
способы 
и 
средства 
выполнения 
производственных 

процессов, использующих электрическую энергию непосредственно 
или с предварительным преобразованием в другие виды. 

Технологические процессы, связанные с преобразованием 

электрической энергии в тепловую и ее использованием, объединяют 
термином "электротермия", а процессы, в которых электрическая 
энергия применяется непосредственно или с предварительным 
преобразованием в механическую или химическую, – понятием 
"электрофизические 
и 
электрохимические 
методы 
обработки 

материалов". 

Большая 
часть 
общего 
энергетического 
баланса 

сельскохозяйственного производства приходится на долю тепловой 
энергии. 
Все 
потребители 
теплоты 
можно 
разделить 
на 

производственные и коммунально-бытовые. Первые используют 
тепловую энергию для создания необходимого микроклимата в 
животноводческих и птицеводческих помещениях, выращивания 
растений 
в 
защищенном 
грунте, 
тепловой 
обработки 

сельскохозяйственной продукции, кормов, в процессах ремонта 
машин; вторые – для отопления и горячего водоснабжения жилых и 
общественных зданий, приготовления пищи и на другие бытовые 
нужды. 

©Лысаков А.А. 
4

Электрофизические и электрохимические методы основаны на 

применении в производственных процессах различных электрических 
и магнитных явлений, что позволяет использовать не только тепловое 
действие электрического тока (как в электротермии), но и другие 
технологические 
свойства 
электричества: 
механическое 

(механические операции и работы выполняются без применения 
промежуточных преобразователей – электродвигателей), химическое 
(получение 
химических 
реагентов, 
ускорение 
химических 

превращений при обработке продуктов и кормов, электролитические 
процессы в ремонтном производстве), биологическое (управление 
поведением 
животных, 
подавление 
или 
стимулирование 

жизнедеятельности микрофлоры и фауны). 

Многие 
современные 
технологические 
процессы 
стали 

возможны 
благодаря 
методам 
электротехнологии. 
В 

сельскохозяйственном 
производстве 
широко 
используют 

электрические изгороди для животных, ионизаторы воздуха в 
животноводческих и других помещениях, электрические сепараторы 
семян и зерна, электрофильтры воздуха, установки магнитной 
очистки семян и кормов, электрообеззараживания навоза, почвы. При 
ремонте машин применяют различные способы электрообработки 
металлов, восстановления, упрочнения, очистки деталей. 

Электротехнология – наиболее интенсивно развивающееся 

направление использования электроэнергии в сельскохозяйственном 
производстве, благодаря чему открываются большие возможности в 
создании высокоэффективных энергосберегающих технологий. 
Данное учебное пособие, подготовленное для студентов 
аграрных ВУЗов, может быть полезно всем специалистам, занятым не 
только в сфере агропромышленного комплекса России, но и в 
промышленности. 
 
 
 
 
 
 
 

©Лысаков А.А. 
5

РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРОНАГРЕВ 
 
 
1 Основные понятия и определения 
 
Электротехнология – область науки и техники, изучающая 
приемы, 
способы 
и 
средства 
выполнения 
производственных 
процессов, использующих электрическую энергию непосредственно 
или 
с 
предварительным 
преобразованием 
в 
тепловую, 
электромагнитную, кинетическую, механическую и другие виды 
энергии. 
Технологические процессы, связанные с преобразованием 
электрической энергии в тепловую и ее использованием, объединяют 
термином "электротермия" (электронагрев), а процессы, в которых 
электрическая 
энергия 
применяется 
непосредственно 
или 
с 
предварительным преобразованием в механическую или химическую, 
– понятием "электрофизические и электрохимические методы 
обработки материалов". 
Электрический 
нагрев 
(электронагрев) 
– 
процесс 
преобразования электрической энергии в тепловую для дальнейшего 
использования. 
Электротермический 
процесс 
– 
технологический 
процесс 
тепловых воздействий на загрузку при помощи электронагрева. Под 
загрузкой 
понимают 
объект 
тепловой 
обработки 
в 
электротермическом оборудовании. 
Электропечь – часть электротермического оборудования, в 
которой электротермический процесс осуществляется в закрытом 
рабочем пространстве (рабочей камере). В сельскохозяйственном 
производстве в эту категорию, помимо собственно электропечей 
(нагревательных, 
сушильных, 
отопительных 
и 
др.), 
входят 
электрические водонагреватели, электрокотлы, электрокалориферные 
установки и другое оборудование. 
Электротермическое устройство – оборудование без рабочей 
камеры, предназначенное для преобразования электрической энергии 
в тепловую. 

©Лысаков А.А. 
6

Электротермическая 
установка 
– 
совокупность 
электротермического и другого технологического оборудования 
вместе с сооружениями и коммуникациями, обеспечивающими 
проведение электротермического процесса. 
Схемы преобразования электрической энергии в тепловую 
Схема прямого преобразования, когда энергия различных форм 
электричества (электрического тока, электрических полей, магнитных 
полей, потока электронов) поглощается телами (средами) и 
превращается в них в теплоту. Количество выделяющейся теплоты 
эквивалентно (с учетом потерь) работе внешних ЭДС, затраченной на 
производство поглощенной энергии. 
Схема косвенного преобразования, когда электрическая энергия 
в тепловую не превращается, а используется лишь для переноса 
теплоты от одной среды (источника теплоты) к другой (потребителю 
теплоты), причем температура источника теплоты может быть ниже 
температуры приемника. Количество "полученной" (перенесенной) 
теплоты может в несколько раз превышать затраченную на это 
электрическую энергию. 
Способы электронагрева 
Нагрев сопротивлением – электронагрев за счет электрического 
сопротивления электронагревателя или загрузки. 
Дуговой нагрев – электронагрев загрузки электрической дугой. 
Индукционный нагрев – электронагрев электропроводящей 
загрузки 
электромагнитной 
индукцией. 
(Электропроводящей 
загрузкой являются металлы – материалы, имеющие высокую 
электронную проводимость.). 
Диэлектрический нагрев – электронагрев неэлектропроводящей 
загрузки токами смещения при поляризации, а также проводников 2 
рода, имеющих ионную проводимость. 
Электронно–лучевой 
нагрев 
– 
электронагрев 
загрузки 
сфокусированным электронным лучом в вакууме. 
Лазерный 
нагрев 
– 
электронагрев 
в 
результате 
последовательного преобразования электрической энергии в энергию 
лазерного излучения и затем в тепловую в облучаемой загрузке. 
Ионный нагрев – электронагрев потоком ионов, образованным 
электрическим разрядом в вакууме. 

©Лысаков А.А. 
7

Плазменный 
нагрев 
– 
электронагрев 
стабилизированным 
высокотемпературным ионизированным газом, образующим плазму. 
Различают плазменно–дуговой нагрев, при котором тела нагреваются 
факелом плазмы, образуемым при продувании газа через дуговой 
раздел, и плазменно–индукционный нагрев, когда для получения 
плазмы используют высокочастотное магнитное поле. 
Инфракрасный 
нагрев 
– 
электронагрев 
инфракрасным 
излучением 
при 
условии, 
что 
излучательные 
спектральные 
характеристики 
излучателя 
соответствуют 
поглощательным 
характеристикам нагреваемой загрузки. 
Термоэлектрический нагрев – нагрев сред теплотой Пельтье, 
переносимый электрическим током термоэлектрической батареи от 
источника, имеющего температуру более низкую, чем температура 
потребителя. 

 1)                          2)                           3)                                  4) 
 

5)                             6)                                           7)                   8) 
Рисунок 1.1 – Способы преобразования электрической энергии в 
теплоту: 1 – сопротивлением электроконтактный; 2 – сопротивлением 
электродный; 
3 
– 
индукционный 
косвенного 
нагрева; 
4 
– 
сопротивлением элементный; 5 – электродуговой косвенного нагрева; 
6 – термоэлектрический нагрев; 7 – диэлектрический нагрев; 8 – 
электродуговой прямого нагрева 
Каждый из способов электронагрева, может быть прямым и 
косвенным. При прямом электронагреве теплота выделяется в 
загрузке, включенной в электрическую цепь, при косвенном – 

©Лысаков А.А. 
8

теплота выделяется в электронагревателе и передается загрузке 
теплообменом. 
Электронагревательные установки сопротивления: 
а) прямого электронагрева: электродные водонагреватели, 
паровые котлы, пастеризаторы, кормозапарники, стерилизаторы 
почвы, аппараты электроконтактной сварки, установки прямого 
электронагрева металлических деталей, электродные соляные ванны; 
б) косвенного электронагрева: элементные водонагреватели, 
калориферы, 
электрообогреваемые 
полы, 
инфракрасные 
обогреватели, 
электрические 
печи, 
тигли, 
ванны, 
бытовые 
электроприборы и др. 
Установки электродугового нагрева: 
а) 
прямого 
электродугового 
нагрева: 
электросварочные 
аппараты и преобразователи; 
б) 
косвенного 
электродугового 
нагрева: 
источники 
инфракрасного нагрева, дуговые плазмотроны. 
Установки индукционного нагрева: 
а) промышленной частоты: индукционные водонагреватели и 
пастеризаторы, обогреватели почвы, и др.; 
б) высокой частоты: закалочные и плавильные установки 
ремонтных предприятий. 
Установки 
диэлектрического 
нагрева: 
высокочастотные 
пастеризаторы и стерилизаторы молока, сливок, фруктовых и 
ягодных соков, сушилки зерна, фруктов, овощей, высокочастотные 
плазмотроны для нагрева металлов. 
Установки электронного нагрева: электронные печи для плавки 
металлов, электронно–лучевые установки для сварки и размерной 
обработки материалов и др. 
Установки лазерного нагрева: аппараты для микросварки, 
станки для прошивки тонких отверстий в тугоплавких материалах, 
обработка алмазов и др. 
 
 
 
 
 

©Лысаков А.А. 
9

2 Основы кинетики нагрева 
 
Уравнение теплового баланса нагреваемого тела имеет вид: 

3
2
1
Q
Q
Q
+
=
, 
 
 
 
(2.1) 
где 
Q1– 
тепло, 
полученное 
в 
результате 
преобразования 
электрической энергии в тепловую, Дж (полное тепло); 
       Q2– тепло, затраченное на нагрев материала, Дж (полезное 
тепло); 
       Q3– потери тепла в окружающую среду, Дж (потери). 
Преобразуя закон сохранения энергии, получим уравнение 
теплового баланса в универсальной форме 

τ
τ
d
t
t
F
k
dt
c
m
Pd
)
(
0
−
⋅
⋅
+
⋅
⋅
=
, 
 
(2.2) 
где Р – мощность, Вт; 
dτ – время нагрева, с; 
m– масса нагреваемого материала, кг; 
c– 
удельная 
теплоемкость 
нагреваемого 
материала, 
кДж/(кг·0С); 
dt– изменение температуры во время нагрева, 0С; 
k– коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, Вт/м20С; 
F– площадь теплоотдающей поверхности, м2 
t– конечная или текущая температура нагрева материала, 0С; 
t0– 
начальная 
температура 
нагрева 
или 
температура 
окружающей среды, 0С. 
Решение уравнения теплового баланса позволит установить 
зависимость температуры нагрева от времени. Приведем уравнение к 
следующему виду: 

0
)
(
0
=
−
⋅
⋅
+
⋅
⋅
+
⋅
−
τ
τ
d
t
t
F
k
dt
c
m
d
P
  
 
 
(2.3) 
Разделим обе части уравнения на 
τ
kFd , получим 

0
/)
)
(
(
0
=
⋅
⋅
−
⋅
⋅
+
⋅
⋅
+
⋅
−
τ
τ
τ
d
F
k
d
t
t
F
k
dt
c
m
d
P
,   
 
(2.4) 
тогда 

0
)
(
0 =
−
+
⋅
−
⋅
⋅

⋅
⋅
t
t
F
k

P

d
F
k

dt
c
m

τ
 
 
 
 
(2.5) 

Обозначим постоянную времени нагрева: 

F
k

c
m
T
⋅
⋅
=
.  
 
 
 
(2.6) 

©Лысаков А.А. 
10

Обозначим конечную (установившуюся) температуру: 

kt
t
kF
P
=
+
.  
 
 
 
(2.7) 

Тогда уравнение можно записать в виде: 

0
)
(
0 =
−
+
t
t
d
dt
T
k
τ
.  
 
 
(2.8) 

Преобразовав последнее уравнение, получим математическую 
зависимость температуры нагрева от времени: 

)
1(
0
T
k
T
e
t
e
t
t
τ
τ
−
−
−
+
=
. 
 
 
 
(2.9) 
Постоянная времени нагрева и способы её определения 
Постоянная 
времени 
нагрева 
– 
это 
отношение 
тепловоспринимающей способности вещества (числитель в формуле) 
к теплоотдающей (знаменатель в формуле). 

F
k

c
m
T
⋅
⋅
=
. 
 
 
 
 
(2.10) 

Постоянная времени нагрева определяется: 
1. По кривой нагрева, снятой экспериментальным путем 
(метод касательных, метод отрезков, метод трех сигм). 
2. По аналитической зависимости. 
Постоянная времени нагрева характеризует интенсивность 
нагрева, она не зависит от подведенной мощности, а зависит от 
тепловоспринимающей и теплоотдающей способности. 
Время нагрева до определенной температуры определяется по 
формуле: 

t
t
t
t
n
T

k

k
−
−
⋅
=
0
l
τ
.  
 
 
 
(2.11) 

Определение полезной мощности электронагревательной 
установки 
Полезная 
мощность 
электронагревательной 
установки 
определяется из уравнения теплового баланса: 

τ
τ
d
t
t
F
k
dt
c
m
Pd
)
(
0
−
⋅
⋅
+
⋅
⋅
=
 
При отсутствии тепловых потерь в окружающую среду формула 
имеет вид: 
)
(
0t
t
c
m
dt
c
m
Pd
k −
⋅
⋅
=
⋅
⋅
=
τ
. 
 
 
(2.12) 
Полезная мощность определяется по формуле: