1.2.1 能源的利用

按能量的表现形式，热能是自然界广泛存在的一种能量，其他形式的能量（机械能、电能、化学能）都很容易转换成热能。能源利用的本质，就是将各种能源所蕴藏的能量转化为需要的能量形式。各种能量之间的转换必然遵守能量守恒和转换定律。

按能量转化方法的不同，能源利用方法可分为化学能转换为热能、热能转换为机械能、机械能转换为电能、电能转换为热能。各种能量转换方法的原理及工业应用如表1-2所示。

1.2.1.1 化学能转换为热能

燃料燃烧是化学能转换为热能的最主要方式。燃料的燃烧反应是一个氧化反应，燃料中的可燃元素碳、氢、硫和空气中的氧剧烈反应时发出显著的光和热。

通过燃料燃烧将化学能转换为热能的装置称为燃烧设备。锅炉就是典型的燃烧设备，它是通过燃烧将燃料的化学能转换为高温烟气的热能，并用之加热水使之变成蒸汽，再利用蒸汽推动汽轮机做功，带动发电机发电。由锅炉获得的热水或蒸汽也可供采暖或其他用户使用。

（1）燃料的燃烧特点

燃料燃烧过程是一个复杂的化学物理过程，燃料燃烧必须具备的条件是：必须有可燃物（燃料）；必须有使可燃物着火的能量（或称热源），即使可燃物的温度达到着火温度以上；必须供给足够的氧气或空气。缺少任何一个条件，燃烧就无法进行。此外，为了维持燃烧过程，还必须保证：把温度维持在燃料的着火温度以上；把适当的空气量以正确的方式供给燃料，使燃料能充分地与空气接触；及时妥善地排走燃烧产物；提供燃烧所必需的足够空间（燃烧室）和时间。

无论哪种燃料，根据燃烧状况的好坏可以把燃烧分为完全燃烧和不完全燃烧。完全燃烧是指燃料中的可燃部分全部燃尽。由于燃烧空气量及供应方法都很合适，完全燃烧时几乎不冒黑烟，燃烧产物中不含任何可燃物质，燃烧产生的热量也最多。空气供给量不足或供给方式不合适，或者燃烧温度降低，燃烧时就会冒大量黑烟，这就是所谓的不完全燃烧。此时燃烧产物中会含有一些可燃物质，如游离碳、炭黑、CO、CH₄、H₂等，不完全燃烧时产生的热量也较少。为衡量燃烧的完善程度，引入了燃烧效率。燃烧效率是燃料燃烧时实际所产生的热量与燃料标准发热量之比。燃烧效率越高，燃烧就越完全。良好的燃烧过程，其燃烧效率可达97%以上。

由于燃料不同，如煤、油和气体燃料，它们的燃烧特点也不同。根据不同燃料的燃烧特点，采取各种措施提高燃料的燃烧效率，这是节能的重要途径。此外，燃料燃烧时会产生严重的环境污染问题，因此发展和推广高效、低污染的燃烧技术既是节能的需要，也是保护环境实现可持续发展的重要措施。

（2）煤的燃烧技术

煤的燃烧基本上有两种：第一种是煤粉悬浮在空间燃烧，称为室燃或粉状燃烧；第二种是煤块在炉排上燃烧，称为层燃或层状燃烧。其他燃烧方式，如旋风燃烧只是空间燃烧的一种特殊形式，流化床燃烧介于第一种和第二种燃烧方式之间，它既有空间燃烧又有固定炉排燃烧。煤从进入炉膛到燃烧完，一般要经过3个过程，即着火前的准备阶段（水分蒸发、挥发分析出、温度升高到着火点）、挥发分和焦炭着火与燃烧阶段、残炭燃尽形成灰渣阶段。

目前煤的燃烧方式主要是煤粉燃烧和流化燃烧，我国大型锅炉和工业锅炉大多采用煤粉燃烧。煤粉燃烧技术发展至今已经历半个多世纪，为了适应煤种多变、锅炉调峰及稳燃和强化燃烧的需要，煤粉燃烧技术得到了迅速的发展。随着环保要求的日益严格，低污染煤粉燃烧技术也越来越受到重视。近几年为了将稳燃和低污染燃烧结合起来，高浓度煤粉燃烧技术得到了迅速发展。这些先进的煤粉燃烧技术不但能提高燃烧效率、节约煤炭、减少污染，还为锅炉的调峰和安全运行创造了条件。

煤粉燃烧稳定技术是通过各种新型燃烧器来实现煤粉的稳定着火和燃烧强化。采用新型燃烧器不但能使锅炉适应不同的煤种，特别是能燃用劣质煤和低挥发分煤，而且能提高燃烧效率，实现低负荷稳燃，防止结渣，并节约点火用油。

煤的流化燃烧是继层煤燃烧和粉煤燃烧后发展起来的一种新的煤燃烧方式。这种燃烧方式的煤种适应性广，易于实现炉内脱硫和低NO_x排放，燃烧效率高，负荷调节性好，能有效利用灰渣。

（3）油的燃烧技术

油是最常用的液体燃料，油的燃烧方法有内燃和外燃两种方式。内燃是在发动机气缸内部极为有限的空间进行高压燃烧，是一种瞬间的燃烧过程。外燃是不在机器内燃烧而在燃烧室内燃烧，并直接利用燃烧发出的热量，如锅炉、窑炉内进行的燃烧。

油燃烧的全过程包含着油加热蒸发（传热过程）、油蒸气和助燃空气的混合（物质扩散过程）和着火燃烧（化学反应）3个过程，其中油加热蒸发是制约燃烧速率的关键。为了加速油的蒸发，主要的方法是扩大油的蒸发面积，通常油总是被雾化成细小油滴参与燃烧。油雾化质量的好坏直接影响燃烧效率。

雾化细度是衡量雾化质量的一个主要指标，通常雾化气流中油滴的大小各不相同，油滴直径越小，单位质量的表面积就越大。例如，1cm3球形油滴的表面积仅为4.83cm2，如将它分成107个直径相同的小油滴，其表面积将增加250倍，达到1200cm2。

从雾化的角度来说，不仅雾化油滴的平均直径要小，而且要求油滴大小尽量均匀。影响雾化质量的主要因素是喷射速度和燃油温度。研究表明，雾化油滴的尺寸取决于油气间相对速度的平方，相对速度越大，雾化油滴越细；燃油温度越高，表面张力和黏度下降，雾化油滴的直径变小。

为了实现油的高效低污染燃烧，需要提高燃油的雾化质量和实现良好的配风。

（4）气体燃料的燃烧技术

气体燃料便于储存、运输，燃烧方便，随着天然气的开发和煤的气化，其应用越来越广泛。燃烧效率主要取决于气体燃料燃烧器。对气体燃烧器的基本要求是：不完全燃烧损失小，燃烧效率高；燃烧速率高，燃烧强烈，燃烧热负荷高；着火容易，火焰稳定性好，既不回火又不脱火；燃烧产物有害物质少，对大气污染小；操作方便，调节灵活，寿命长，能充分利用炉膛空间。

常用的气体燃烧器是扩散性燃烧器，对这类燃烧器，可燃气体与助燃空气不预先混合，燃烧所需空气由周围环境或相应管道供应、扩散而来。图1-1就是简单的扩散式燃烧器。

另一种常用的气体燃烧器是预混式燃烧器，其特点是燃烧前可燃气体与氧化剂已经混合均匀，燃烧时这种燃烧器通常无火焰，因此也称无焰燃烧器。还有一种部分预混式燃烧器，这种燃烧器的特点是在燃烧器头部设预混段，可燃气体与空气进行部分预混，其余空气靠扩散供应。目前家庭用煤气灶大多属于此类。

1.2.1.2 热能转换为机械能

将热能转换为机械能是目前获取机械能的最主要方式，将热能转换成机械能的装置称为热机。因为热机能为各种机械提供动力，因此，通常又称其为动力机械。根据热力学第二定律，热能不可能全部转换为机械能，所有的热机都是工作在一个高温热源和一个低温冷源之间。高温热源的温度越高，低温冷源的温度越低，热机将热能转换为机械能的数量就越多，也就是说热机的效率越高。

应用最广泛的热机有内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。内燃机主要为各种运输车辆、工程机械提供动力，也用于可移动的发电机组；蒸汽轮机主要用于发电厂中，用它带动发电机发电，也作为大型船舶的动力，或驱动大型水泵和大型压缩机、风机；燃气轮机除用于发电外，还是飞机的主要动力来源，也是船舶的动力来源。

（1）蒸汽轮机

蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热能转换成机械功的热机。汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳，现代火电厂和核电站都用它驱动发电机，汽轮发电机所发的电量占总发电量的80%以上。汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机，也是舰船的动力来源。

汽轮机的工作原理如图1-2所示，其中（a）为冲动式汽轮机，其工作原理是：锅炉产生的具有一定压力和温度的蒸汽通过汽轮机的喷嘴后，压力降低，速度增加；这股高速气流冲到装在叶轮上的动叶片上，方向有了改变，动量发生变化，从而对动叶片产生作用力，推动转子转动，便将热能转换成由主轴输出的机械功。在冲动式汽轮机中，蒸汽的压降主要是在喷嘴叶片中发生。另外一种汽轮机，蒸汽同时在定叶片（喷嘴）和动叶片产生压降，此时除了从定叶片出口的高速气流冲击动叶片转动外，气流还在动叶片中加速，从而产生反作用力，推动叶片转动，这种汽轮机称为反动式汽轮机，如图1-2（b）所示。

为充分利用高温高压蒸汽膨胀的能量，大型汽轮机通常有多级叶片，并将汽轮机分为高压缸、中压缸和低压缸。根据汽轮机的排气压力，可分为凝汽式汽轮机和背压式汽轮机，凝汽式汽轮机带有凝汽器，它的排气压力低于大气压；背压式汽轮机无凝汽器，其排气压力高于或等于大气压力。显然，进入汽轮机的高温蒸汽参数一定时，凝汽式汽轮机由于其排气压力低，排气温度也低，所以热效率高于背压式汽轮机。但背压式汽轮机排出的低压蒸汽还可作其他用途。

汽轮机还可根据是否从中抽气，分为抽气式汽轮机和非抽气式汽轮机。抽气式汽轮机抽出的蒸汽既可供其他热用户使用，也可用来加热给水，以提高整个电厂的循环效率。在大型火电厂中，汽轮机通常分成高压缸和低压缸，锅炉来的新蒸汽在高压缸中做功后，其排气先被送到再热器，使蒸汽温度提高后再进入汽轮机的低压缸做功。这种汽轮机称为再热式汽轮机。采用再热方式可提高循环的热效率。

（2）燃气轮机

燃气轮机和蒸汽轮机的最大不同是，它不是以蒸汽作工质，而是以气体作工质。燃料燃烧所产生的高温气体直接推动燃气轮机的叶轮对外做功，因此以燃气轮机作为热机的火电厂不需要锅炉。图1-3是最简单的燃气轮机发电装置示意图，它包括3个主要部件：压气机、燃烧室和燃气轮机。

空气进入压气机，被压缩升压后进入燃烧室，喷入燃油即进行燃烧，燃烧所形成的高温燃气与燃烧室中的剩余空气混合后进入燃气轮机的喷管，膨胀加速而冲击叶轮对外做功。做功后的废气排入大气。燃气轮机所做的功一部分用于带动压气机，一部分对外输出（称为净功），用于带动发电机或其他负载。和汽轮机相比，燃气轮机具有以下优点：

① 质量轻、体积小、投资省：燃气轮机的质量及所占的容积只有汽轮机的几分之一或几十分之一，因此耗材少，投资费用低，建设周期短。

② 启动快、操作方便：从冷态启动到满载只需几十秒或几十分钟，而汽轮机则需几小时甚至十几小时；同时由于燃气轮机结构简单、辅助设备少，运行时操作方便，能够实现遥控，自动化程度可以超过汽轮机。

③ 水、电、润滑油消耗少，只需少量的冷却水或不用水，因此可在缺水地区运行；辅助设备用电少，润滑油的消耗少，通常只占燃料费的1%左右，而汽轮机要占6%左右。

鉴于燃气轮机的上述优点，以燃气轮机作热机的火电厂主要用于尖峰负荷，对电网起调峰作用。但燃气轮机在航空和舰船领域却是最主要的动力机械。由于燃气轮机小而轻，启动快，功率大，目前飞机上的涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机都是以燃气轮机作为主机或启动辅机。高速水面舰艇、水翼艇、气垫船也广泛采用燃气轮机作动力。

从热力学理论可知，提高热源温度和降低冷源温度是提高热功转换效率的关键，由于燃气轮机平均吸热温度远高于蒸汽轮机，因此，其热功转换效率也比蒸汽轮机高许多。但燃气轮机的功率却远远小于蒸汽轮机，而且可靠性也不够高，难以成为火力发电的主力机组。但是20世纪80年代以来，燃气轮机技术迅速发展，如寻求耐高温材料、改进冷却技术、进一步提高燃气初温、提高压比、充分利用燃气轮机余热、研制新的回热器等。现在燃气轮机的初温已超过1400℃，单机功率已高达250MW，循环效率达37%～42%，可靠性也大大提高。这些发展已使燃气轮机逐渐成为发电的主力机组。

（3）内燃机

内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最广泛的热机。大多数内燃机是往复式的，有汽缸和活塞。内燃机有很多分类方法，但最常用的是根据点火顺序分类或根据汽缸排列方式分类。按点火或着火顺序，可将内燃机分为四冲程发动机和二冲程发动机。

四冲程发动机的工作过程如图1-4所示。它完成一个循环要求有4个完全的活塞冲程：

① 进气冲程：活塞下行，进气门打开，空气被吸入而充满汽缸。

② 压缩冲程：所有气门关闭，活塞上行压缩空气，在接近压缩冲程终点时，开始喷射燃油。

③ 膨胀冲程（即下行冲程）：所有气门关闭，燃烧的混合气膨胀，推动活塞下行，此冲程是四个冲程中唯一做功的冲程。

④ 排气冲程：排气门打开，活塞上行将燃烧后的废气排出汽缸，开始下一个循环。

二冲程发动机是将四冲程发动机完成一个工作循环所需要的四个冲程纳入二个冲程。图1-5为二冲程发动机示意图。当活塞在膨胀冲程中沿汽缸下行时，首先开启排气口，高压废气开始排入大气。当活塞向下运动时，同时压缩曲轴箱内的空气-燃油混合气；当活塞继续下行时，活塞开启进气口，使被压缩的空气-燃油混合气从曲轴箱进入汽缸。在压缩冲程（活塞上行）时，活塞先关闭进气口，然后关闭排气口，压缩气缸中的混合气。在活塞将要到达上止点之前，火花塞将混合气点燃。于是活塞被燃烧膨胀的燃气推向下行，开始另一膨胀做功冲程。当活塞在上止点附近时，化油器进气口开启，新鲜空气-燃油混合气进入曲轴箱。在这种发动机中，润滑油与汽油混合在一起对曲轴和轴承进行润滑。这种发动机的曲轴每转一周，每个汽缸点火一次。

四冲程发动机和二冲程发动机相比，经济性好，润滑条件好，易于冷却；但二冲程发动机运动部件少，质量小，发动机运行较平稳。

内燃机只能将燃料热能的25%～45%转换成机械能，其他部分大多被排气或被冷却介质带走，因此如何利用内燃机排气中的能量就成了提高内燃机动力性和经济性的主要问题。早在20世纪初，瑞士工程师就提出了涡轮增压的设想，即利用废气涡轮增压器给进入汽缸的气体增压，使进入汽缸的空气密度增加，从而大大提高缸内的平均指标压力，使内燃机的功率显著增加。废气涡轮增压能回收25%～40%的排气能量，所以采用增压技术不但能提高发动机的功率，而且还能降低油耗和改善内燃机的排放性能。目前70%以上的车用柴油机都采用了涡轮增压技术，车用汽油机基本普遍采用。目前增压技术的发展主要表现在两个方面：增压比和增压器效率不断提高；增压系统向多种形式发展，使得变工况和低负荷下发动机都具有良好的运行特性。

随着科学技术的发展，绝热柴油机、全电子控制内燃机、燃用天然气、醇类替代燃料和氢的新型发动机都相继问世。由于环境问题日益突出，研制新一代高效、低排放的发动机已成为科学界和工程技术界共同努力的目标。

1.2.1.3 机械能转换为电能

广泛应用的电能主要由机械能转换得到：在火力发电中，蒸汽轮机、燃气轮机带动发电机发电；在水力发电中，水能先转换成水轮机的机械能，水轮机再带动发电机发电；在风力发电中，风能先转换为风力机的机械能，再带动发电机发电。

（1）火力发电厂的生产过程

火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能生产电能的工厂。虽然火电厂的种类很多，但从能量转换的观点分析，其生产过程却基本相同，即：首先通过锅炉将燃料的化学能转换为蒸汽的热势能，然后通过汽轮机将蒸汽的热势能转换为汽轮机的机械能，最后通过发电机将汽轮机的机械能转换为电能。在锅炉中，燃料的化学能转变为蒸汽的热能；在汽轮机中，蒸汽的热能转变为转子旋转的机械能；在发电机中机械能转换为电能。其基本生产过程为：

燃煤被输煤皮带从煤场运至煤斗中。为提高燃煤效率，煤斗中的原煤要先送至磨煤机内磨成煤粉。磨碎的煤粉由热空气携带送入锅炉炉膛内燃烧。燃煤燃尽的灰渣落入炉膛下面的渣斗内，与从除尘器分离出的细灰一起用水冲至灰浆泵房内，再由灰浆泵送至灰场。煤粉燃烧后形成的热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，然后进入除尘器，将烟气中的煤灰分离出来。洁净的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。助燃用的空气由送风机送入装设在尾部烟道上的空气预热器内，利用热烟气加热空气。这样一方面使进入锅炉的空气温度提高，易于煤粉着火和燃烧，另一方面降低排烟温度，提高热能利用率。从空气预热器排出的热空气分为两股：一股去磨煤机干燥和输送煤粉，另一股直接送入炉膛助燃。

在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器。在省煤器内，水受到热烟气的加热，然后进入锅炉顶部的汽包内。在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁水管的上下两端均通过联箱与汽包连通，汽包内的水经由水冷壁不断循环，吸收煤燃烧过程中放出的热量。部分水在冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸气，这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器中。饱和蒸汽在过热器中继续吸热，成为过热蒸汽。过热蒸汽有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。具有热势能的过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。汽轮机的转子与发电机的转子通过联轴器联在一起。当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。在发电机转子的另一端带着一台直流发电机，叫励磁机。励磁机发出的直流电送至发电机的转子线圈中，使转子成为电磁铁，周围产生磁场。当发电机转子旋转时，磁场也是旋转的，发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生电流。这样，发电机便把汽轮机的机械能转变为电能。电能经变压器将电压升压后，由输电线送至电用户。

释放出热势能的蒸汽从汽轮机下部的排汽口排出，称为乏汽。乏汽在凝汽器内被由循环水泵送入凝汽器的冷却水冷却，重新凝结成水，此水称为凝结水。凝结水由凝结水泵送入低压加热器并最终回到除氧器内，完成一个循环。在循环过程中难免有汽水的泄漏，即汽水损失，因此要适量地向循环系统内补给一些水，以保证循环过程的正常进行。高、低压加热器是为提高循环热效率所采用的装置，除氧器是为了除去水中含有的氧气以减少其对设备及管道的腐蚀。

炉、机、电是火电厂中的主要设备，亦称三大主机。与三大主机相辅工作的设备称为辅助设备或辅机。主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统。火电厂的主要系统有燃烧系统、汽水系统、电气系统等，辅助生产系统有燃煤输送系统、水化学处理系统、灰浆排放系统等。主、辅系统相互协调，共同完成电能的生产任务。现代火力发电厂已采用了先进的计算机分散控制系统，可以对整个生产过程进行控制和自动调节，整个电厂基本完全实现自动化控制。图1-6所示是现代火力发电厂生产系统。

（2）水力发电

水力发电是利用河川、湖泊等位于高处具有位能的水流至低处，利用流水落差来转动水轮机将其中所含的位能和动能转换成水轮机的机械能，再以水轮机为原动机，带动发电机把机械能转换为电能的发电方式，如图1-7所示。

水力发电可以代替大量的煤炭、石油、天然气等化石能源，可以避免燃烧矿物燃料而产生的对人类生存环境的污染，并可以实现对水资源的综合利用—兴水利、除水害，兼而取得防洪、航运、农灌、供水、养殖、旅游等经济和社会效益。建设水电站还可以同时带动当地的交通运输、原材料工业乃至文化、教育、卫生事业的发展，成为振兴地区经济的前导。电能输送方便，可减少交通运输负荷。水电站还有启动快、停机快的特点，对变化的电力负荷适应性很强，可以为电力系统提供最便利有效的调峰、调频和备用手段，保证电网运行的安全性。

（3）风力发电

风力发电是将风的动能通过风力机转换成机械能，再带动发电机发电，转换成电能。

风力发电通常有3种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄，或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。

1.2.1.4 电能转换为热能

电能和热能是能量的不同形式，它们之间也是可以相互转换的，前述的火力发电厂是将热能转换为汽轮机的机械能，进而由机械能转化为电能，而电加热装置是将电能转换为热能。电能转换为热能的方式，主要有电阻加热、电弧加热、感应加热和介质加热四种类型。

（1）电阻加热

电阻加热又分为直接电热法和间接电热法两种。

1）直接电热法

直接电热法是使电流通过被加热物体本身，利用被加热物体本身的电阻发热而达到加热目的的方法。如在家用电器中，利用水本身的电阻加热水的热水器等。

采用直接电热法时，待热物体两端直接接到电路中，用一个具有抽头的变压器或一个变阻器来调节工作电压或工作电流。在热水器内、外电路中提供的电压保持不变，而水的电阻则以改变电极位置和电极面积大小的办法来调节。凡是利用直接电热法加热的物体，其本身必须具有一定的电阻值，其电阻值太小或太大都不适宜采用直接电热法。

2）间接电热法

在间接电热法中，电流通过的回路并不是所要加热的物体，而是另一种专门材料制成的电热元件。选取的电热元件取决于加热温度与周围的情况，可使用镍铬丝、盐浴、石墨、钨丝等。在间接电热法中，电流使电热元件产生热量，再利用不同的传热方式（辐射、对流及传导）将热量传送到被加热物体。这种间接电热法电阻加热是目前使用较为广泛的一种加热形式，主要用来加热和干燥物体、铅锌铝等低熔点金属的熔化、轻合金的热处理及钢材的淬火等。小至电吹风、大至电阻炉，都是采用这种间接电热法。电砂锅就是一种间接电热法电阻加热装置，它的锅体是用陶瓷做成的，其材质和外形与普通的砂锅相似，锅底装有发热板，发热板结构采用金属管状电热元件的铸铝板。发热板与底座之间装有可调的热双金属控温器或电子控温器。

（2）电弧加热

电弧加热是利用电极与电极之间或电极与工件之间放电促使空气电离形成的电弧产生高温加热物体的方式。家用电器产品中的电子点火器和工农业生产中常用的电弧焊及电弧炉等都属于此类。

电弧炉是用一根或三根石墨制的电极与熔化材料间形成电弧，用这种电弧热来加热材料的炉子，它可达到非常高的温度（3500℃左右）。三根电极的电弧炉，其三根电极通以三相的工频交流电，每一根电极分别与熔化材料间形成电弧。这种电弧炉的电压比较低，一般在150～500V之间，用晶闸管的变流技术来改变电压，以调整熔化的电能。由于电弧炉产生很高的能量密度，所以一般均是大容量的炉子。它的电流很大，有数万安。电极具有电极升降装置，为了形成稳定的电弧，要经常控制电极的位置，以使电弧形成一定的长度。

（3）感应加热

在被加热物体的周围安装感应线圈，当交流电通过线圈时，就有电磁场产生，该交变磁场在感应线圈内侧的被加热物体中产生感应涡流。涡流在被加热物体中产生涡流损耗和磁滞损耗（通常将两者合称为铁损），使被加热物体发热。用这种感应涡流来加热的方法称为感应加热。感应加热不像其他的加热方法要用高温热源，由于它是在被加热物体中直接产生热，因此其加热温度在理论上是无限制的，而且它的热效率也较高。

由于线圈的电抗与漏磁通量起主要作用，感应线圈负载的功率因数非常低。为了改善功率因数，可将大容量的电容器与负载并联。

感应加热按电源的频率，可分为低频感应加热和高频感应加热两类。

1）低频感应加热

低频感应加热电源频率为50Hz，由于是一般的工频电源，所以设备简单，价格低廉。典型的工频感应熔化炉炉中心有铁芯，由于在铁芯中产生交变磁通，就在环状的熔化金属的三次回路中感应生成大电流。

这种炉的热效率很高，常被用来熔化锌、黄铜等低熔点的金属以及铸铁液的保温。

2）高频感应加热

高频感应加热电源频率为50Hz以上，电源设备中必须要有高频发生装置。高频发生装置在低频范围内使用晶闸管，在中频范围内用高频发电机，在高频范围内则使用真空振荡器。

高频感应熔化炉在感应线圈中通过高频电流，熔化室中的熔化金属产生涡流，这种炉子被用作各种金属的熔化，特别是能在短时间内熔化，适用于特殊钢的熔化。

电磁炉方便使用，热效率高，清洁环保，得到了越来越多的应用。它的工作原理是在加热线圈盘中通入250kHz以上的高频电流，产生交变磁场。交变磁场作用于导磁、导电的金属锅底产生涡流。由于锅底电阻的作用，使涡流的热量迅速转换为热能，作为加热物体所需的热量发出。

（4）介质加热

介质加热是将被加热物体置于高频交变电场中，利用被加热物体的介质损耗加热。在工业上用来加热和干燥电介类或半导体类材料，在家用电器产品中用来制造微波炉等产品。

波长在厘米段，电磁波通过被加热物体时，其能量会被吸收，这种波称为微波。微波具有遇到金属反射，对绝缘材料如瓷器、石块、玻璃及塑料可透过，遇水和含水材料则被吸收并转化为热的特点。电磁波是电磁控管产生的，在微波炉里使用产生等幅振荡的磁控管，电磁波的频率在1000MHz左右，它以14.7cm的波长通过天线棒和波道在工作空间发射。工作空间用不锈钢制成，对电磁波可反射。金属风扇旋转使工作间电磁波分布开，使加热物体的各个侧面都能碰到电磁波并吸收能量而加热。

微波设备不但可用于家庭电器，还可用于化学、生物、医疗等领域。