В основе практических методов получения тепла за счет электроэнергии лежат следующие основные принципы, в разных вариантах используются в промышленных электрических печах:
1) теплогенерация в рабочем теле при применении к нему разности потенциалов;
2) теплогенерация при помещении рабочего тела в переменное электромагнитное поле;
3) теплогенерация в поверхностном слое рабочего тела при ударе о него ускоренного в вакууме потока электронов.
Рабочее тело может быть твердым, жидким или газообразным.
Первый принцип лежит в основе работы печей сопротивления (твердое рабочее тело), печей электрошлакового переплава (жидкое рабочее тело), дуговых печей и дуговых плазматрона (газообразное рабочее тело). Второй принцип используют как основу работы индукционных печей. Третий принцип реализуется в электроннопроменевих печах.
Теплогенерация в рабочем теле при применении к нему разности потенциалов. Обязательным условием этого вида генерации тепла является наличие в рабочем теле свободных зарядов (ионов и электронов), т.е. электропроводность рабочего тела. Применение разности потенциалов вызывает направленное движение свободных зарядов, т.е. возникает электрический ток и при его протекании по проводнику, имеющий сопротивление, выделяется тепло. Получения тепла в твердом проводнике находит широкое применение в печах сопротивления прямого (контактного) и непрямого действия. В печах прямого действия рабочим телом служит изделие нагревается, который включается в электрическую цепь, тепло выделяется непосредственно в этом изделии. В печах косвенного нагрева в качестве рабочего тела используют нагревательные элементы, яки производят из специальных материалов. Передача тепла от этих элементов к поверхности материала, нагреваемого осуществляется излучением и конвекцией.
В печах электрошлакового переплава тепло выделяется при протекании электрического тока через слой жидкого шлака и передается от него теплопроводностью к поверхности электрода оплавляется. Эти установки могут быть, таким образом, отнесены к печей сопротивления непрямого действия.
Получения тепла в газообразном теле при использовании разности потенциалов осложнено тем, что в обычных условиях газ не является проводником. Однако при определенных обстоятельствах в газе могут появиться отрицательно и положительно заряженные ионы и свободные электроны. Такой газ становится электропроводным, а именно это явление называется ионизацией. Ионизацию можно вызвать разными причинами, в том числе и нагревом газа до высокой температуры, когда тепловое движение частиц в нем становится настолько интенсивным, что столкновения атомов и молекул приводит к возникновению заряженных частиц. Движение этих частиц под действием приложенного разности потенциалов обеспечивает протекание электрического тока через газ, т.е. возникает газовый разряд. Широко распространенной формой газового разряда является электрическая дуга.
Электрической дугой называют конечную устойчивую форму газового разряда между двумя электродами (катодом и анодом) через разделяющий их газовый промежуток. Источником свободных электронов является катод, при нагревании которого скорость теплового движения электронов в твердом материале может стать настолько большой, что их кинетическая энергия превысит потенциальный барьер на границе твердое тело-газ. Тогда электроны покидают катод, т.е. происходит термоэлектронная эмиссия. Электроны, эмитированные катодом, разгоняются в межэлектродном пространстве и вызывают ионизацию молекул газа или пара. Средняя часть между электродами, которая называется столбом дуги, представляет собой ярко светящуюся смесь электронов, ионов и нейтральных атомов и молекул, т.е. плазму. В такой плазме температура всех элементарных частиц почти одинакова. Установлено, что температура столба дуги при атмосферном давлении колеблется от 3200 до 10000 К, а интенсивность излучения достигает 8000-10000 кВт / м ..
В вакуумных дуговых печах горения дуги происходит в разреженных парах металла переплавляется. Эти пары за счет ионизации также становятся проводником электрического тока, что делает возможным дуговой разряд в вакууме.
Теплогенерация в проводнике, помещенном в переменное электромагнитное поле. При помещении проводника в переменное электромагнитное поле в нем возникают вихревые токи. Их протекания по проводнику вызывает выделение тепла. Этот вид теплогенерации получил название индукционного нагрева. Количество тепла, выделяемое в проводнике, пропорционально квадрату плотности тока согласно закону Джоуля-Ленца.
В процессе индукционного нагрева вихревые токи под действием магнитного поля оттесняются к поверхности проводника и плотность тока на его поверхности оказывается выше, чем в середине. Это явление называется поверхностным эффектом. Глубина проникновения магнитного потока в металл, а следовательно, практическая толщина слоя нагревается, примерно определяется формулой Штейнметца. аким образом, глубина проникновения А возрастает с увеличением удельного электрического сопротивления р (Ом-м), уменьшается с увеличением частоты f (Гц) и относительной магнитной проницаемости материала Ц. Следовательно, при повышении частоты (до 1000 Гц и более) можно получить тонкий нагретый слой для поверхностной термической обработки, широко применяется в промышленности, при использовании тока промышленной частоты (50 Гц) можно обеспечить сквозной прогрев изделий.
Существуют два пути увеличения количества тепла, которое выделяется в проводнике при индукционном нагреве. Первый путь - это уменьшение сопротивления магнитному потоку на участках пути, где он не проходит по материалу, который нагревается, что достигается применением металлических магнитопроводов (сердечников). Второй путь - увеличение частоты с целью уменьшения магнитного потока рассеяния. Это достигается при питании индуктора от источника тока высокой частоты.
Эти два пути и определили создание индукционных печей со стальным сердечником, работающих на токе промышленной частоты, и печей без сердечника, питающиеся преимущественно от источников тока повышенной и высокой частоты. Установлено, однако, что при увеличении емкости печей без сердечника возможна их достаточно экономичная работа на токе промышленной частоты.
Теплогенерация при ударе ускоренного потока электронов о поверхность рабочего тела. Теплогенерация с помощью потока электронов, яки выделяются с поверхности катода, основана на том, что этот поток во всех случаях движется к аноду. Если между помещенными в вакуум катодом и анодом приложить большую разницу потенциалов (порядка нескольких десятков киловольт), то электроны могут приобрести значительную скорость. При их столкновении с поверхностью твердого или жидкого тела кинетическая энергия электронов высокой степени превращается в тепло. Мощность этого процесса зависит от плотности потока электронов и разности потенциалов между катодом и анодом. Кинетическая энергия электрона пропорциональна его заряда и величине напряжения, ускоряет. Нормальная работа электротермических установок, основанных на этом принципе, возможна только при поддержке в рабочей камере глубокого вакуума (порядка 10-2-10-4 Па). Это необходимо для того, чтобы исключить столкновения потока электронов с молекулами газа.