電加熱

將電能轉變成熱能以加熱物體。是電能利用的一種形式。與一般燃料加熱相比，電加熱可獲得較高溫度（如電弧加熱，溫度可達3000℃以上），易於實現溫度的自動控制和遠距離控制，可按需要使被加熱物體保持一定的溫度分佈。電加熱能在被加熱物體內部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，並可根據加熱的工藝要求，實現整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱），容易實現真空加熱和控制氣氛加熱。在電加熱過程中，產生的廢氣、殘餘物和煙塵少，可保持被加熱物體的潔凈，不污染環境。因此，電加熱廣泛用於生產、科研和試驗等領域中。特別是在單晶和晶體管的製造、機械零件和表面淬火、鐵合金的熔煉和人造石墨的製造等方面，都採用電加熱方式。

高頻的高頻大電流流向被繞製成環狀或其它形狀的加熱線圈（通常是用紫銅管製作）。由此在線圈內產生極性瞬間變化的強磁束，將金屬等被加熱物體放置在線圈內，磁束就會貫通整個被加熱物體，在被加熱物體的內部與加熱電流相反的方向，便會產生相對應的很大渦電流。由於被加熱物體內存在著電阻，所以會產生很多的焦耳熱，使物體自身的溫度迅速上升。達到對所有金屬材料加熱的目的。

根據電能轉換方式的不同，電加熱通常分為電阻加熱、感應加熱、電弧加熱、電子束加熱、紅外線加熱和介質加熱等。

利用電流的焦耳效應將電能轉變成熱能以加熱物體。通常分為直接電阻加熱和間接電阻加熱。前者的電源電壓直接加到被加熱物體上，當有電流流過時，被加熱物體本身便發熱。可直接電阻加熱的物體必須是導體，但要有較高的電阻率。由於熱量產生於被加熱物體本身，屬於內部加熱，熱效率很高。間接電阻加熱需由專門的合金材料或非金屬材料製成發熱元件，由發熱元件產生熱能，通過輻射、對流和傳導等方式傳到被加熱物體上。由於被加熱物體和發熱元件分成兩部分，因此被加熱物體的種類一般不受限制，操作簡便。

間接電阻加熱的發熱元件所用材料，一般要求電阻率大、電阻溫度係數小，在高溫下變形小且不易脆化。常用的有鐵鋁合金、鎳鉻合金等金屬材料和碳化硅、二硅化鉬等非金屬材料。金屬發熱元件的最高工作溫度，根據材料種類可達1000～1500℃；非金屬發熱元件的最高工作溫度可達1500～1700℃。後者安裝方便，可熱爐更換，但它工作時需要調壓裝置，壽命比合金髮熱元件短，一般用於高溫爐、溫度超過金屬材料發熱元件允許最高工作溫度的地方和某些特殊場合。

利用導體處於交變電磁場中產生感應電流（渦流）所形成的熱效應使導體本身發熱。根據不同的加熱工藝要求，感應加熱採用的交流電源的頻率有工頻（50～60赫）、中頻（60～10000赫）和高頻（高於10000赫）。工頻電源就是通常工業上用的交流電源，世界上絕大多數國家的工頻為50赫。感應加熱用的工頻電源加到感應裝置上的電壓必須是可調的。根據加熱設備功率大小和供電網容量大小，可以用高壓電源（6～10千伏）通過變壓器供電；也可直接將加熱設備接在380伏的低壓電網上。

中頻電源曾在較長時間內採用中頻發電機組。它由中頻發電機和驅動非同步電動機組成。這種機組的輸出功率一般在50～1000千瓦範圍內。隨著電力電子技術的發展，使用的是晶閘管變頻器中頻電源。這種中頻電源利用晶閘管先把工頻交流電變換成直流電，再把直流電轉變成所需頻率的交流電。由於這種變頻設備體積小，重量輕，無雜訊，運行可靠等，已逐漸取代了中頻發電機組。

高頻電源通常先用變壓器把三相380伏的電壓升高到約2萬伏左右的高電壓，然後用閘流管或高壓硅整流元件把工頻交流電整流為直流電，再用電子振蕩管把直流電轉變為高頻率、高電壓的交流電。高頻電源設備的輸出功率有從幾十千瓦到幾百千瓦。

感應加熱的物體必須是導體。當高頻交流電流通過導體時，導體產生趨膚效應，即導體表面電流密度大，導體中心電流密度小。

感應加熱可對物體進行整體均勻加熱和表層加熱；可熔煉金屬；在高頻段，改變加熱線圈（又稱感應器）的形狀，還可進行任意局部加熱。

利用電弧產生的高溫加熱物體。電弧是兩電極間的氣體放電現象。電弧的電壓不高但電流很大，其強大的電流靠電極上蒸發的大量離子所維持，因而電弧易受周圍磁場的影響。當電極間形成電弧時，電弧柱的溫度可達3000～6000K，適於金屬的高溫熔煉。

電弧加熱有直接和間接電弧加熱兩種。直接電弧加熱的電弧電流直接通過被加熱物體，被加熱物體必須是電弧的一個電極或是媒質。間接電弧加熱的電弧電流不通過被加熱物體，主要靠電弧輻射的熱量加熱。電弧加熱的特點是：電弧溫度高，能量集中，鍊鋼電弧爐溶池的表面功率可達560～1200千瓦/平方米。但電弧的雜訊大，其伏安特性為負阻特性（下降特性）。為了在電弧加熱時保持電弧的穩定、在電弧電流瞬時過零時電路電壓的瞬時值大於起弧電壓值，同時為了限制短路電流，在電源迴路中，必須串接一定數值的電阻器。

利用在電場作用下高速運動的電子轟擊物體表面，使之被加熱。進行電子束加熱的主要部件是電子束髮生器，又稱電子槍。電子槍主要由陰極、聚束極、陽極、電磁透鏡和偏轉線圈等部分組成。陽極接地，陰極接負高位，聚焦束通常和陰極同電位，陰極和陽極之間形成加速電場。由陰極發射的電子，在加速電場作用下加速到很高速度，通過電磁透鏡聚焦，再經偏轉線圈控制，使電子束按一定的方向射向被加熱物體。

電子束加熱的優點是：

①控制電子束的電流值，可以方便而迅速地改變加熱功率；

②利用電磁透鏡可以自由地變更被加熱部分或可以自由地調整電子束轟擊部分的面積；

③可增加功率密度，以使被轟擊點的物質在瞬間蒸發掉。

利用紅外線輻射物體，物體吸收紅外線后，將輻射能轉變為熱能而被加熱。紅外線是一種電磁波。在太陽光譜中，處在可見光的紅端以外，是一種看不見的輻射能。在電磁波譜中，紅外線的波長範圍在0.75～1000微米之間，頻率範圍在3×10～4×10赫之間。在工業應用中，常將紅外光譜劃分為幾個波段：0.75～3.0微米為近紅外線區；3.0～6.0微米為中紅外線區；6.0～15.0微米為遠紅外線區；15.0～1000微米為極遠紅外線區。不同物體對紅外線吸收的能力不同，即使同一物體，對不同波長的紅外線吸收的能力也不一樣。因此應用紅外線加熱，須根據被加熱物體的種類，選擇合適的紅外線輻射源，使其輻射能量集中在被加熱物體的吸收波長範圍內，以得到良好的加熱效果。

電紅外線加熱實際上是電阻加熱的一種特殊形式，即以鎢、鐵鎳或鎳鉻合金等材料作為輻射體，製成輻射源。通電后，由於其電阻發熱而產生熱輻射。常用的電紅外線加熱輻射源有燈型（反射式）、管型（石英管式）和板型（平面式）三種。燈型是一種紅外線燈泡，以鎢絲為輻射體，鎢絲密封在充有惰性氣體的玻璃殼內，如同普通照明燈泡。輻射體通電后發熱（溫度比一般照明燈泡低）,從而發射出大量波長為1.2微米左右的紅外線。若在玻璃殼內壁鍍反射層，可將紅外線集中向一個方向輻射，所以燈型紅外線輻射源也稱為反射式紅外線輻射器。管型紅外線輻射源的管子是用石英玻璃做成，中間是一根鎢絲，故亦稱石英管式紅外線輻射器。燈型和管型發射的紅外線的波長在0.7～3微米範圍內，工作溫度較低，一般用於輕、紡工業的加熱、烘烤、乾燥和醫療中的紅外線理療等。板型紅外線輻射源的輻射表面是一個平面，由扁平的電阻板組成，電阻板的正面塗有反射係數大的材料，反面則塗有反射係數小的材料，所以熱能大部分由正面輻射出去。板型的工作溫度可達到1000℃以上，可用於鋼鐵材料和大直徑管道及容器的焊縫的退火。

由於紅外線具有較強的穿透能力，易於被物體吸收，並一旦為物體吸收，立即轉變為熱能；紅外線加熱前後能量損失小，溫度容易控制，加熱質量高，因此，紅外線加熱應用發展很快。

利用高頻電場對絕緣材料進行加熱。主要加熱對象是電介質。電介質置於交變電場中，會被反覆極化（電介質在電場作用下，其表面或內部出現等量而極性相反的電荷的現象），從而將電場中的電能轉變成熱能。

介質加熱使用的電場頻率很高。在中、短波和超短波波段內，頻率為幾百千赫到300兆赫，稱為高頻介質加熱，若高於300兆赫，達到微波波段，則稱為微波介質加熱。通常高頻介質加熱是在兩極板間的電場中進行的；而微波介質加熱則是在波導、諧振腔或者在微波天線的輻射場照射下進行的。

電介質在高頻電場中加熱時，其單位體積內吸取的電功率為P=0.566fEεrtgδ×10（瓦/厘米）

如果用熱量表示，則為：

H=1.33fEεrtgδ×10（卡/秒·厘米）

式中f為高頻電場的頻率,εr為電介質的相對介電常數，δ為電介質損耗角,E為電場強度。由公式可知，電介質從高頻電場中吸取的電功率與電場強度E的平方、電場的頻率f以及電介質的損耗角δ成正比。E和f由外加電場決定，而εr則取決於電介質本身的性質。所以介質加熱的對象主要是介質損耗較大的物質。

介質加熱由於熱量產生在電介質（被加熱物體）內部，因此與其他外部加熱相比，加熱速度快，熱效率高，而且加熱均勻。

介質加熱在工業上可以加熱熱凝膠，烘乾穀物、紙張、木材，以及其他纖維質材料；還可以對模製前塑料進行預熱，以及橡膠硫化和木材、塑料等的粘合。選擇適當的電場頻率和裝置，可以在加熱膠合板時只加熱粘合膠，而不影響膠合板本身。對於均質材料，可以進行整體加熱。

一、熱處理：各種金屬的局部或整體淬火、退火、回火、透熱；

二、熱成型：整件鍛打、局部鍛打、熱鐓、熱軋；

三、焊接：各種金屬製品釺焊、各種刀具刀片、鋸片鋸齒的焊接、鋼管、銅管焊接、同種異種金屬焊接；

四、金屬熔煉：金、銀、銅、鐵、鋁等金屬的（真空）熔煉、鑄造成型及蒸發鍍膜；

五、高頻加熱機其它應用：半導體單晶生長、熱配合、瓶口熱封、牙膏皮熱封、粉末塗裝、金屬植入塑料。