CAP4

4

INSTALAŢII DE ÎNCĂLZIRE CU REZISTENŢĂ ELECTRICĂ

Instalaţiile de încălzire cu rezistenţă electrică cuprind o gamă largă de echipamente bazate pe încălzirea determinată de trecerea curentului electric printr-un element rezistiv. Cantitatea de căldură dQ ce apare într-un interval de timp dt în elementul rezistiv de rezistenţă electrică R, parcurs de curentul electric de intensitate I este dată de legea Joule:

. (4.1) În funcţie de modul de transfer a căldurii către materialul care urmează a fi încălzit, instalaţiile cu încălzire cu rezistenţă electrică pot fi cuprinse în una dintre categoriile indicate în fig. 4.1.

În instalaţiile cu încălzire cu acţiune directă, căldura se dezvoltă prin trecerea curentului electric chiar prin materialul care urmează a fi încălzit. În instalaţiile cu încălzire cu acţiune indirectă, căldura se dezvoltă într-un element încălzitor special, de la care se transmite spre materialul care urmează a fi încălzit. Transferul de căldură de la elementul încălzitor se face în principal prin convecţie, dacă diferenţa de temperatură între elementul încălzitor şi material este sub 400 450C (fig. 4.2) şi în principal prin radiaţie la diferenţe de temperatură mai mari. În fig.4.2, este diferenţa de temperatură dintre elementul încălzitor şi materialul de încălzit [4.1].

4.1 Încălzirea elementelor rezistive la trecerea curentului electric

4.1.1 Dimensionarea elementelor rezistive

Cantitatea de căldură dQ (relaţia 4.1) disipată într-un element rezistiv parcurs de curent electric determină încălzirea elementului rezistiv (cantitatea de căldură dQ1) şi disiparea în mediul ambiant a unei cantităţi de căldură dQ2

, (4.2) în care

(4.3)

În relaţiile (4.3), m este masa elementului rezistiv, c căldura masică (specifică) a materialului rezistiv, d variaţia de temperatură, temperatura materialului rezistiv,

Instalaţii de încălzire cu rezistenţă electrică

0 temperatura mediului ambiant, Al aria laterală a elementului rezistiv, dt variaţia de timp, iar este transmisivitatea termică complexă (vezi relaţia 3.139).

Dacă puterea absorbită de elementul rezistiv este P, ecuaţia (4.2) de bilanţ energetic devine:

. (4.4) Transmisia căldurii de la materialul rezistiv spre mediul ambiant se poate face atât prin convecţie termică cât şi prin radiaţie. Cele două moduri de transmisie (fig.4.2) nu pot fi separate, ponderea unuia sau a altuia dintre cele două moduri fiind determinată de diferenţa de temperatură ( 0). Astfel, transmisivitatea termică complexă, pentru cazul general, poate fi scrisă sub forma:

. (4.5)

142

Instalaţii de încălzirecu rezistenţă electricăInstalaţii de încălzirecu rezistenţă electrică

Instalaţii cu încălzire directă

Instalaţii cu încălzire directă

Instalaţii cu încălzire indirectă

Instalaţii cu încălzire indirectă

Instalaţii de încălzire

directă a semifabricatelo

r

Instalaţii de încălzire

directă a semifabricatelo

r

Instalaţii de încălzire a lichidelor: încălzirea

sticlei lichide; încălzirea

apei.

Instalaţii de încălzire a lichidelor: încălzirea

sticlei lichide; încălzirea

apei.

Instalaţii cu radiaţii Instalaţii

cu radiaţii

Instalaţii cu încălzire

prin convecţie

Instalaţii cu încălzire

prin convecţie

Instalaţii de sudare:

prin puncte; cap la cap; prin cusătură; prin relief.

Instalaţii de sudare:

prin puncte; cap la cap; prin cusătură; prin relief.

Instalaţii de producere a materialelor la temperaturi

înalte: grafitare; carborund.

Instalaţii de producere a materialelor la temperaturi

înalte: grafitare; carborund.

de tip deschis(cu radiaţii infraroşii).

de tip deschis(cu radiaţii infraroşii).

de tip închis(cuptoare).

de tip închis(cuptoare).

Fig. 4.1 Instalaţii de încălzire cu rezistenţă electrică.

Încălzirea elementelor rezistive la trecerea curentului electric

În relaţia (4.5), c12 este coeficientul redus de radiaţie (vezi relaţia 3.91), c coeficientul de convecţie termică, r coeficientul de transmisie prin radiaţie, şi 0 sunt indicate în [C] iar T şi T0 sunt aceleaşi temperaturi exprimate în [K].

În ecuaţia (4.4) de bilanţ energetic, căldura masică c, transmisivitatea termică complexă şi chiar puterea absorbită P sunt funcţii de temperatura a materialului rezistiv. Rezolvarea analitică a relaţiei (4.4) nu este posibilă iar dimensionarea elementelor rezistive se face, în general, plecând de la date cu caracter experimental.

Ecuaţia de bilanţ (4.4) poate fi rezolvată pe porţiuni, considerând în intervalul analizat că coeficientul , puterea P şi căldura masică c sunt mărimi constante.

În dimensionarea elementelor încălzitoare, un factor important este puterea specifică ps, definită ca raportul dintre puterea P disipată în elementul rezistiv şi aria suprafeţei laterale Al a elementului rezistiv sau aria prin care se transmite spre exterior căldura dezvoltată:

. (4.6)

Deoarece elementele încălzitoare lucrează în mod obişnuit la temperaturi peste 700C, puterea specifică ps este determinată în special de transferul de căldură prin radiaţie. Pentru cazul ideal al unui corp negru, valorile puterii specifice psi sunt indicate în fig. 4.3 [4.2].

În fig. 4.3 este indicată haşurat, zona valorilor recomandate la utilizarea elementelor încălzitoare din Kantal Super 1700, 1800 şi 1900. Se observă faptul că pentru o temperatură a corpului negru c = 1700C iar temperatura din cuptor 0 = 1400C, teoretic s-ar putea obţine psi = 310 kWm2, practic însă se recomandă ps = 180 220 kWm2.

Valorile admisibile ale puterii specifice, pentru cazul real al materialelor rezistive utilizate şi pentru configuraţiile uzuale de dispunere şi realizare a elementelor încălzitoare se determină din relaţia:

. (4.7)

Factorul subunitar ia în consideraţie faptul că în construcţiile reale, schimbul de căldură în interiorul unei incinte (cuptor) este un fenomen complex, o parte din

143

ps

[kW/m2] 400

300

200

100

0 200 400 600 800 [°C]

Fig. 4.2 Puterea specifică ps transmisă prin radiaţie şi prin convecţie:

1, 2, 3 transmisie prin convecţie (viteza aerului 5, 10 şi respectiv 25 m/s);

4, 5 transmisie prin radiaţie (factor de absorbţie 0,4 şi respectiv 0,8).

5 4

3

21


căldura disipată de elementul încălzitor este consumată pentru încălzirea pereţilor cuptorului şi pentru acoperirea pierderilor prin pereţii laterali ai acestuia. De asemenea, apar o serie de fenomene de ecranare între diferitele spire sau secţii ale încălzitorului. La plasarea elementelor încălzitoare în scafe realizate în pereţii cuptorului, apare o ecranare suplimentară în procesele de transfer termic.

În stabilirea temperaturii materialelor din cuptor, este necesar a lua în consideraţie şi fluxurile termice de la pereţi şi elementele auxiliare din cuptor către interiorul incintei.

Factorul care ia în consideraţie complexitatea fenomenelor de transfer termic din interiorul incintei încălzite, poate fi determinat pe baza calculului câmpurilor termice sau, în cazurile practice, poate fi determinat experimental. Valori orientative ale acestui coeficient sunt indicate în tabelul 4.1.

Fiind stabilită puterea specifică a elementului încălzitor (ales în primul rând în funcţie de temperatura necesară în cuptor) şi fiind stabilită valoarea rezistivităţii a materialului rezistiv la temperatura de lucru, se poate scrie:

P R I p As l 2 , (4.8)

în care s-a notat cu P, puterea disipată în elementul rezistiv, Al aria suprafeţei laterale a elementului încălzitor, I intensitatea curentului electric în circuitul încălzitorului, iar R rezistenţa electrică a acestuia la temperatura de lucru.

Dacă se cunosc tensiunea U de alimentare şi puterea P necesară procesului de încălzire, relaţia (4.8) poate fi scrisă sub forma:

. (4.9)

144

psi

[kW/m2]

300

260

220

180

140

100

60

20

800 1000 1200 1400 1600 1800 0 [°C]

Fig. 4.3 Valorile puterii specifice ale corpului negru încălzit la temperatura c în funcţie de temperatura mediului ambiant 0.

c= 1900°C

1800°C

1700°C

1600°C1500°C

1400°C1300°C

1200°C

1000°C1100°C


În relaţia (4.9) s-a considerat că firul rezistiv are o secţiune transversală circulară cu diametrul d şi are lungimea l. Din relaţia (4.9) rezultă:

dP

U ps

4 2

2 23

. .

. .

. (4.10)

Tabelul 4.1Valori ale factorului

Nr.crt. Tipul constructiv al elementului încălzitor şi configuraţia incintei 1 Rezistoare din sârmă spiralată, plasate în nişe practicate în zidărie 0,16 0,242 Rezistoare din sârmă spiralată pe tuburi sau plasate pe poliţe 0,30 0,363 Rezistoare din sârmă în zig-zag sau în formă de bare 0,6 0,724 Rezistoare din bandă rezistivă în zig-zag 0,38 0,445 Rezistoare din bandă profilată sau turnată 0,56 0,70

Dacă firul rezistiv are secţiunea transversală de formă dreptunghiulară, cu raportul dintre cele două laturi egal cu m (m = ba) se obţine:

. (4.11)

Lungimile lr şi respectiv ld ale firului cu secţiune circulară şi respectiv dreptunghiulară rezultă:

. (4.12)

Diametrul mediu D al spirei încălzitorului (fig.4.4 a)) se alege din condiţia de stabilitate mecanică. În mod obişnuit D = (4 10)d. Pasul p al spiralei are valori p > 2d.

Pentru firul rezistiv de secţiune dreptunghiulară (m = ba = 5 15), înălţimea A (fig.4.4, b)) a elementului rezistiv, din motive mecanice, are valoarea A < 100a şi se recomandă ca pasul p al spirei să îndeplinească condiţia p < 2b.

Elementele rezistive din carborund sau disiliciură de molibden se aleg pe baza sortimentelor disponibile şi a indicaţiilor fabricii constructoare privind regimul de lucru al acestora.

Durata de viaţă Dv a firului rezistiv utilizat pentru realizarea elementelor încălzitoare, la temperatura de lucru, depinde de viteza v de oxidare a materialului. Dacă se acceptă o grosime maximă g a stratului oxidant (în mod uzual nu mai mult de 10% din dimensiunile iniţiale), rezultă:

. (4.13)

Din cauza proceselor de oxidare, la dimensionarea elementelor rezistive pentru cuptoarele cu temperaturi peste 700C, datorită duratei lor reduse de viaţă, nu se utilizează fir rezistiv cu diametrul sub 3 mm şi benzi cu grosimea sub 1,5 mm.

145


4.1.2. Realizarea elementelor încălzitoare

Elementele încălzitoare ale cuptoarelor electrice, pentru temperaturi de lucru sub 1200C sunt realizate din metale pure, aliaje metalice sau materiale nemetalice caracterizate de rezistivitate ridicată. Pentru temperaturi până la 1350C sunt utilizate elemente rezistive din carborund iar pentru temperaturi de lucru peste 1350 C sunt utilizate elemente încălzitoare din molibden, wolfram, carbon, grafit sau disiliciură de molibden. Elementele Kantal Super realizate din disiliciură de molibden (MoSi2) cu adaosuri metalice şi ceramice pot fi folosite până la circa 1900C [4.3].

Din punct de vedere constructiv, elementele încălzitoare pot fi descoperite (cu radiaţie liberă) şi acoperite (înglobate).

În construcţia cuptoarelor industriale sunt utilizate de cele mai multe ori elemente descoperite realizate din sârmă spiralată liberă sau pe tub ceramic, sârmă sau bandă în zig-zag, bare rotunde sau în formă de U sau W.

Rezistoarele din sârmă spiralată se fixează în mod uzual în scafe practicate în pereţii sau bolta cuptorului. La cuptoarele cu putere relativ mică (3 5) kW, elementele încălzitoare sunt realizate din sârmă rezistivă de secţiune circulară iar la puteri mari, firul rezistiv are o secţiune dreptunghiulară.

Rezistoarele în zig-zag sunt fixate cu ajutorul unor suporţi metalici sau ceramici pe pereţii interiori ai cuptorului sau se realizează sub forma unor rame detaşabile.

Rezistoarele sub formă de bară, U sau W au, în mod obişnuit, capetele cu un diametru mai mare decât al zonei active astfel încât să se asigure posibilitatea prinderii mecanice cât şi reducerea pierderilor termice prin capete.

Principalele avantaje ale elementelor încălzitoare acoperite sunt: durată mare de viaţă, protecţie contra atingerilor, protecţie bună la acţiunea mediului din cuptor.

Elementele încălzitoare acoperite pot fi realizate sub următoarele forme: rezistoare înglobate în module din fibre ceramice, fire spiralate introduse în tuburi umplute cu nisip cuarţ, corpuri încălzitoare, benzi, folii, mantale încălzitoare.

Costul relativ ridicat al acestor elemente încălzitoare face să fie puţin utilizate la cuptoarele industriale.

146D

d p

a) b)

Fig. 4.4 Moduri de realizare a elementelor încălzitoare la cuptoarele electrice.

A

a

p

ab


Elementele încălzitoare tubulare (acoperite) sunt utilizate în unele aplicaţii industriale şi în instalaţii electrocasnice (încălzitoare pentru maşini de spălat, încălzitoare pentru boilere, element încălzitor la fierul de călcat, termoplonjor).

4.1.3. Ecuaţiile de încălzire şi de răcire

Dacă în ecuaţia (4.4), puterea P, căldura masică c şi coeficientul global de transmisie termică sunt constante în funcţie de temperatură, este posibilă integrarea acesteia (în cazurile practice aceste ipoteze sunt adevărate numai pe porţiuni).

Relaţia (4.4) poate fi scrisă şi sub forma:P t C A t d d ( ) d 0 , (4.14)

unde s-au utilizat notaţiile:. (4.15)

În mod uzual, C se defineşte ca fiind capacitatea termică a materialului, iar A ca fiind capacitatea de transmisie a fluxului termic.

Din ecuaţia diferenţială (4.14) rezultă că în regim final, stabilizat, atunci când temperatura ajunge la valoarea maximă max şi deci d = 0, se obţine:

, (4.16) sau

(4.17)

Prin împărţire cu Adt, ecuaţia diferenţială (4.16) devine:P

A

C

A t

d

d

0 (4.18)

Dacă se are în vedere relaţia (4.17), expresia (4.18) rezultă:

(4.19)

Raportul CA dimensional este timp şi se defineşte ca fiind constanta de timp Ti a procesului de încălzire. În acest fel, expresia (4.19) devine:

(4.20)

Prin integrarea de la 0 la t a relaţiei (4.20), pentru o variaţie a temperaturii de la temperatura iniţială i la o temperatură oarecare , se obţine:

(4.21)

Din relaţia (4.21) rezultă ecuaţia de încălzire:

(4.22)

147


Analiza ecuaţiei de încălzire (4.22) pune în evidenţă faptul că pentru acelaşi material, plecând de la aceeaşi temperatură iniţială i, parametrii care determină procesul de încălzire sunt constanta de timp Ti şi temperatura max (fig.4.5 a)). Având în vedere faptul că, pentru acelaşi material practic nu este posibilă modificarea constantei de timp Ti,, rezultă că modificarea duratei procesului de încălzire până la temperatura dorită d poate fi realizată doar prin modificarea puterii disipate în material. Astfel, dacă se urmăreşte creşterea productivităţii muncii prin reducerea duratei procesului de încălzire până la temperatura d (fig.4.6), de la valoarea t1

(corespunzătoare temperaturii max1 determinată de puterea disipată P1) la valoarea t2, este necesară creşterea puterii disipate până la valoarea P2 care va determina o temperatură max2 . În acest sens, instalaţiile industriale de încălzire cu rezistenţă electrică sunt caracterizate de valori mari ale curentului electric. Datorită duratei mai reduse a procesului de încălzire rezultă şi o reducere a pierderilor de căldură spre exterior.

Dacă în momentul în care corpul parcurs de curent electric atinge temperatura dorită d, se întrerupe alimentarea cu energie electrică, atunci începe procesul de

răcire. În acest caz, ecuaţia de bilanţ energetic (4.14) se scrie sub forma:

(4.23)

În relaţia (4.23) s-a avut în vedere că pe durata procesului de răcire puterea disipată în material este nulă (P = 0).

Dacă se notează cu Tr constanta de timp a procesului de răcire, relaţia (4.23) devine:

d d

0

t

Tr

(4.24)

148

θ

θmax

θi

θ0

i

i

tti

Tt

/

/max

e

e1

θ

Tî t Tr t a) b)

Fig. 4.5 Curbele de încălzire a) ale unui material parcurs de curent electric şi curbele de răcire b).

rTtf

/e

rTt /0 e1 θ

θ

θf

θ0

θ θmax1

θmax2

θd

θi

θ0

0 t1< t2 t

Fig. 4.6 Reducerea duratei procesului de încălzire prin creşterea puterii disipate în

material.


Prin integrarea relaţiei (4.24), cu condiţiile că la t = 0 temperatura este d iar la momentul t temperatura este , se obţine:

, (4.25)

sau

(4.26)

Ecuaţia de răcire (4.26) pune în evidenţă faptul că procesul de răcire de la temperatura d, atunci când temperatura mediului ambiant este 0, este determinat numai de constanta de timp Tr (fig.4.5,b). În cazurile practice, reducerea constantei de timp Tr (Tr = CA unde C şi A sunt definiţi în relaţiile 4.15) şi deci creşterea vitezei de răcire este posibilă numai prin creşterea valorii coeficientului global de transmisie termică. Acest lucru este realizabil prin răcirea forţată a materialului.

În analiza proceselor de încălzire şi topire a materialelor în cuptoarele electrice, unul dintre parametrii cei mai importanţi este adâncimea de pătrundere

, (4.27)

unde f este frecvenţa tensiunii aplicate, permeabilitatea magnetică a materialului, iar conductivitatea acestuia.

Mărimile care determină valoarea adâncimii de pătrundere sunt însă dependente de temperatură şi deci stabilirea variaţiei cu temperatura a adâncimii de pătrundere necesită cunoaşterea variaţiei cu temperatura a conductivităţii şi a permeabilităţii magnetice pentru materialul supus încălzirii.

În fig.4.7 este indicat modul de variaţie cu temperatura, pentru cupru şi oţel, a adâncimii de pătrundere, a rezistivităţii a materialului şi a permeabilităţii magnetice. Se poate observa şi punctul Curie în curba pentru oţel.

4.2. Instalaţii cu rezistenţă electrică cu încălzire directă

149

108 r

[m]

8

6

4

2

102

[m]

0,8

0,6

0,4

0,2

108 r

[m]

80

60

40

20

102

[m]

0,8

0,6

0,4

0,2

0 200 400 600 800 1000 [°C] 0 200 400 600 800 1000 [°C] a)

b)

Fig. 4.7 Variaţia cu temperatura a mărimilor electrice caracteristice pentru cupru a) şi oţel b).

r

r


4.2.1. Instalaţii pentru încălzirea directă a semifabricatelor

Încălzirea semifabricatelor pentru prelucrarea lor ulterioară la cald sau pentru realizarea unor tratamente termice utilizând în acest scop curentul electric, în funcţie de procesul tehnologic şi de tipul materialului care urmează a fi încălzit, se face în instalaţii cu acţiune discontinuă sau în instalaţii cu acţiune continuă.

4.2.1.1. Instalaţii de încălzire electrică cu acţiune discontinuă

Încălzirea semifabricatelor pentru prelucrarea lor prin forjare sau matriţare, în industria modernă, se realizează prin trecerea unui curent electric prin semifabricat şi aducerea lui la temperatura de prelucare.

Schema de alimentare cu energie electrică a unei instalaţii cu încălzire directă este indicată în fig.4.8.

Semifabricatul 1 este conectat în circuit prin intermediul electrozilor 2.1 şi 2.2, alimentaţi de la transformatorul de curent intens 3. Circuitul dintre transformatorul 3 şi electrozii 2.1 şi 2.2, dimensionat pentru curentul intens din circuit, este numit în mod uzual „reţea scurtă” 4.

Instalaţiile de încălzire directă au în general puteri unitare relativ mari, astfel că pentru a evita introducerea în reţeaua electrică de alimentare a unor nesimetrii importante, peste cele admisibile, conectarea la reţeaua uzinală se face prin intermediul unei scheme de simetrizare 5. Pentru compensarea locală a factorului de putere, este conectată bateria de condensatoare 6.

Reglarea tensiunii la bornele electrozilor şi deci reglarea intensităţii curentului electric prin semifabricat se face în primarul transformatorului de alimentare (circuit de curent relativ redus).

În fig. 4.9 [4.4] sunt indicate curbele de încăzire ale unui semifabricat din oţel (OLC), de secţiune pătrată, cu latura de 4,2 cm, pentru diferite valori ale curentului electric care parcurge semifabricatul (determinând durate diferite ale procesului de încălzire).

Pentru temperaturi sub punctul Curie, cea mai mare parte a căldurii se disipă în stratul superficial al semifabricatului deoarece adâncimea de pătrundere în material este relativ mică (permeabilitatea magnetică este mare) şi deci temperatura suprafeţei exterioare este superioară temperaturii în axul semifabricatului.

Pentru temperaturi peste punctul Curie, adâncimea de pătrundere creşte (permeabilitatea magnetică relativă devine practic unitară), apare o degajare intensă de căldură şi în profunzimea materialului iar datorită pierderilor termice prin suprafaţa exterioară, temperatura acesteia este mai redusă decât în axul semifabricatului.

Întensitatea curentului electric I2 care parcurge semifabricatul poate fi calculată din relaţia:

150

3230/400 V; 50 HzA B C

U2

I2

6

3

5

4

2.1 1 2.2

Fig. 4.8 Instalaţie de încălzire directă.


(4.28)

în care R’s este rezistenţa electrică a semifabricatului incluzând rezistenţa de contact între electrozii 2.1 şi 2.2 şi semifabricat, Rrs este rezistenţa electrică a reţelei scurte iar Xs şi Xrs sunt reactanţele corespunzătoare.

Impedanţa reţelei scurte depinde în mare măsură de configuraţia geometrică a acesteia, iar determinarea sa se face analitic sau, de cele mai multe ori, experimental, pentru fiecare construcţie concretă.

Impedanţa semifabricatului din material feromagnetic sau nemagnetic, se determină în funcţie de valoarea corespunzătoare măsurată la tensiune continuă (fig. 4.10) [4.4].

În fig. 4.10, raza r a semifabricatului cilindric este raportată la adâncimea de pătrundere în material.

Curbele din fig. 4.10 pot fi folosite şi pentru semifabricate cu o altă formă a secţiunii transversale dacă variabila r se înlocuieşte cu variabila 2Ap unde A este aria secţiunii transversale, iar p este perimetrul acesteia.

Permeabilitatea magnetică = 0r depinde de intensitatea curentului electric în circuit, de temperatura semifabricatului precum şi de caracteristicile de material ale acestuia.

Variaţia cu temperatura a permeabilităţii magnetice relative r a materialelor feromagnetice poate fi determinată pe baza unei relaţii de forma:

(4.29)

151

[°C] 1000

800

600

400

200

0 20 40 60 80 100 120 140 t [s]

Fig. 4.9 Încălzirea directă a unui semifabricat până la 1100°C:

22 s (curbele a); 84 s (curbele b); 144 s (curbele c).Curbele indică temperatura în axul (linie plină) şi pe

suprafaţă exterioară a semifabricatului (linie punctată).

ab c


În relaţia (4.29), m este susceptivitatea magnetică a materialului (valori indicate în fig. 4.11 pentru diferite materiale şi pentru diferite intensităţi ale câmpului magnetic) iar () este o funcţie adimensională dependentă de temperatură (fig. 4.12).

Puterea activă P absorbită de instalaţia de încălzire din reţeaua electrică de alimentare rezultă:

, (4.30) în care

P0 este puterea activă absorbită de transformatorul de curent intens, la funcţionarea în gol,

Ptr pierderile active în înfăşurarea transformatorului la funcţionarea în sarcină,

Prs pierderile active în reţeaua scurtă,Pc pierderile active în contactele cu semifabricatul de încălzit,Pu puterea activă disipată în semifabricat.

Randamentul electric e al instalaţiei se determină din relaţia:

. (4.31)

Randamentul total t al instalaţiei rezultă: . (4.32)

Randamentul termic termic este raportul dintre cantitatea de căldură Qu utilizată pentru încălzirea

152

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0 1 2 3 4 5 6 r/ 1 2 3 4 5 7 10 20 30 50 H [A/m]

Fig. 4.10 Rezistenţa electrică şi reactanţa Fig. 4.11 Variaţia susceptibilităţii magnetice unui semifabricat cilindric din material m în funcţie de intensitatea câmpului magne- magnetic (indice f) şi nemagnetic (indice n) tic H, la 20°C:raportate la rezistenţa electrică corespunză- 1 fier tehnic; 2 oţel cu 0,3% C; 3 oţel cu toare la tensiune continuă. 0,4% C; 4 oţel cu 0,6% C; 5 oţel entectoid cu 0,8% C; 6 oţel entectoid cu 0,1% C.

Rf /Rf0Rn /Rn0

Xn /Rn0

Xf /Rf0

m

500

300

200

100 70 50

30

20

10

12

3

4

5

6

() 0,8 0,6

0,4

0,2 0 100 300 500 700 [°C]

Fig. 4.12 Variaţia factorului () cu temperatura.


semifabricatului şi cantitatea de căldură Q degajată în semifabricat (corespunzătoare puterii disipate Pu):

Q Q Qu , (4.33)în care Q sunt pierderile de căldură prin suprafaţa laterală a semifabricatului.

Pentru cazul concret al încălzirii electrice a unei bare, în fig. 4.13 este indicat bilanţul energetic ale procesului. Se observă faptul că randamentul electric este practic 90,5% iar randamentul termic este circa 87,5%. Randamentul energetic al procesului este de aproximativ 26,5%, având în vedere şi randamentul de obţinere a energiei electrice în centralele electrice (circa 34%).

Factorul de putere 1 din primarul transformatorului de curent intens (pe barele de alimentare) este practic egal cu factorul de putere 2 din secundarul acestuia,

. (4.34)

În instalaţiile uzuale, tensiunea din secundarul transformatorului are valori de 5 150 V, puterea transformatorului de curent intens poate fi de 0,1 10 MVA, curentul electric I2 poate atinge 40 kA, iar factorul de putere 2 poate avea valori de 0,3 0,9.

Pentru cazul cel mai întâlnit al încălzirii semifabricatelor din oţel, consumul specific de energie electrică este de 200 350 kWht.

153

Energieutilă

25 Pierderi prin ra- diaţie la deschiderea cuptorului

85 Pierderi prin pereţii cuptorului

200 Pierderi prin gaze arse

15 Pierderi la distribuţia combustibilului

40 Pierderi prin metal ars

15Procesede oxidare a metalului Energie primară Energie primară a) b)

Fig. 4.13 Bilanţul energetic la încălzirea unei bare:a) încălzirea în cuptor cu combustibil gazos; b) încălzirea directă.

100

125

210

410 395

410

450

Energieutilă

12 Pierderi în transformatorul de adaptare şi contacte

13 Pierderi prin radiaţie

250 Pierderi la producerea energiei electrice

10 Pierderi prin metal ars

100

5 Procese de oxidare

112

125

120

370

380


Productivitatea D a procesului de încălzire rezultă ca raportul dintre masa m a produsului şi durata totală a procesului

. (4.35)

Durata totală t cuprinde durata tî a procesului de încălzire a semifabricatului până la temperatura prescrisă şi durata tp a pauzei dintre două procese succesive de încălzire.

Durata pauzei cuprinde intervalele de introducere a semifabricatului în proces şi de scoatere a acestuia din instalaţie.

Durata tp este o mărime specifică fiecărei instalaţii şi este determinată, în general, pe cale experimentală.

Durata de încălzire tî poate fi determinată analitic ca sumă a unor intervale de timp tîk, pe fiecare interval k fiind posibilă aproximarea printr-o valoare constantă a coeficientului de transmisie termică (a se vedea relaţia 4.4) şi a căldurii masice c

. (4.36)

Durata tî a procesului de încălzire rezultă:

. (4.37)

În relatia (4.37) s-a considerat că procesul de încălzire a fost analizat pe n intervale.

În instalaţiile reale, durata tî a procesului de încălzire este de 20 180 s, iar durata tp, în instalaţiile de productivitate ridicată, poate fi redusă până la câteva secunde.

Eficienţa procesului de încălzire directă a semifabricatelor depinde într-o măsură importantă de realizarea contactului electric cu materialul semifabricatului. Contactele pot fi de tipul lateral, frontal sau mixt (fig. 4.14). În mod uzual sunt utilizate contacte frontale şi două sau mai multe contacte laterale tip deget (fig. 4.14 a) şi fig. 4.14 c)).

Pentru semifabricate de lungime redusă (limitată de flambarea la temperatura de lucru) pot fi luate în consideraţie şi soluţii numai cu contacte frontale (fig. 4.14 b)). Pentru încălzirea numai a unei porţiuni dintr-un semifabricat pot fi folosite contacte tip bac (fig. 4.14 d)).

Contactele trebuie să fie realizate din materiale cu conductivitate electrică ridicată, conductivitate termică redusă şi rezistenţă mecanică ridicată. Contactele se realizează din cupru sau bronz şi se asigură răcirea lor cu apă. Numărul contactelor se alege în funcţie de configuraţia specifică şi de valoarea curentului electric din circuit. În mod uzual, un contact permite trecerea unui curent electric de cel mult 10 kA.

Ca exemplu, în fig. 4.15 este indicată schema de realizare a supapelor auto prin matriţare. Semifabricatul cilindric 1 este plasat între suportul 2 şi elementul 3.1 care are rol şi de contact frontal. Tensiunea din secundarul transformatorului 4 se aplică între contactul frontal 3.1 şi contactul 3.2 sub formă de bac. După încălzirea porţiunii dintre cele două contacte, electrodul 3.1 este acţionat cu forţa F iar materialul ocupă spaţiul impus de matriţa 5. Se obţine astfel forma dorită a produsului.

154


Procedeul permite obţinerea de produse în serie mare, cu mare productivitate, întreg procesul fiind controlat de un sistem automat. Parametrul principal controlat este temperatura materialului în zona care urmează a fi deformată. În acest sens, sunt controlate intensitatea curentului electric din circuit ca şi durata sa de trecere.

4.2.1.2. Instalaţii de încălzire cu acţiune continuă

Instalaţiile de încălzire directă cu acţiune continuă sunt utilizate la încălzirea semifabricatelor sub formă de sârmă, bandă, tablă. Acestea se deplasează cu viteză constantă iar prin intermediul unor contacte alunecătoare, porţiunea din semifabricat cuprinsă între cele două sisteme de contacte este încălzită datorită trecerii curentului electric.

Ca exemplu, în fig.4.16 este indicată schema de principiu a unei instalaţii pentru acoperirea cu strat din plumb, la cald a sârmelor din fier.Sârma 1 care urmează a fi acoperită cu

plumb este parcursă de curent electric, între cuvele 2.1 şi 2.2 care conţin plumb topit. Cele două cuve sunt izolate faţă de pământ cu ajutorul izolatoarelor suport 3. Alimentarea cu energie electrică se poate face la tensiune

155

a)

b)

c)

d)Fig. 4.14 Realizarea contactelor în instalaţiile de încălzire directă.

u

3.1

Fig. 4.15 Realizarea supapelor autoprin încălzire directă.

iF

is

is

3.2

5

1

4

2

3.1


alternativă sau la tensiune continuă. În ultimul caz, sursa 5 asigură atât simetrizarea sarcinii cât şi posibilitatea controlului eficient al procesului de încălzire prin reglarea valorii medii a curentului electric prin sârma încălzită (prin comanda tiristoarelor din schemă). Controlul procesului de încălzire este posibil şi prin reglarea vitezei de antrenare a sârmei sau prin modificarea lungimii sale între cuvele 2.1 şi 2.2 (prin modificarea poziţiei în plan vertical a rolei 4).

Viteza de antrenare a sârmei nu depăşeşte 8 ms iar temperatura acesteia poate atinge 1000C. În funcţie de diametrul sârmei, instalaţiile de acest tip pot avea puteri unitare până la 1 MVA.

4.2.2. Cuptoare industriale cu încălzire directă

Cuptoarele electrice cu încălzire directă sunt utilizate pentru grafitare, pentru producerea carborundului, pentru menţinerea în stare topită a sticlei, pentru realizarea de tratamente termice în băi de tratare ca şi pentru încălzirea apei.

Cuptoarele pentru grafitare (fig. 4.17) sunt realizate ca o incintă C din şamotă, la capetele căreia sunt introduşi electrozii E din cărbune. În interiorul incintei sunt introduse piesele M care urmează a fi grafitate (perii şi electrozi din cărbune tehnic) şi o masă B care cuprinde blocuri din grafit şi cocs. Grafitarea are loc prin încălzirea lentă până la 2400 2700C, la trecerea curentului electric între electrozii E. Urmează apoi o răcire lentă a cuptorului. Un ciclu

156

1

4

2.1

3

2.2

3

A B C

5Fig. 4.16 Schema de principiu pentru tratamentul electric al sârmei.

u M B C

E E

T

Fig. 4.17 Cuptor electric pentru grafitare.


de producţie durează 7 13 zile. Alimentarea cuptorului se face de la un transformator T cu prize, pentru a fi posibilă reglarea temperaturii în cuptor.

Puterea unitară a instalaţiei poate atinge 10 MVA, tensiunea secundară a transformatorului este de 5 150 V iar factorul natural de putere, la barele de alimentare, este de circa 0,5. Consumul specific de energie electricã este de 4000 6000 kWht.

Cuptorul pentru producerea carborundului are o formă asemănătoare celui pentru grafitare. În interiorul incintei realizată din şamotă se introduce cocs şi nisip silicios. Prin încălzirea amestecului până la 2700C, datorită trecerii curentului electric prin incintă, are loc reacţia de combinare a carbonului cu siliciul.

Puterea unitară a instalaţiei poate ajunge la 3 MVA iar tensiunea în secundarul transformatorului de alimentare este de 200 350 V. Consumul specific de energie este de 6500 7500 kWht.

Încălzirea sticlei în cuptoarele electrice (fig. 4.18) se bazează pe faptul că la temperaturi peste 200C sticla devine conductoare ( = 200 6000 m).

Electrozii 4 introduşi în camera de topire 1 ca şi în camera de tragere 2 asigură temperatura necesară dispozitivului de tragere 5 pentru obţinerea sticlei 6 sub formă de foi.

Transformatorul 7, cu prize reglabile, permite controlul temperaturii în interiorul cuptorului. Prin gura de încărcare 3 se asigură introducerea materialelor necesare realizării compoziţiei necesare.

Puterea unitară a instalaţiei este de 50 1500 kVA iar consumul specific de energie este de 2300 2600 kWht.

În categoria instalaţiilor de încălzire directă intră şi cuptoarele electrice pentru tratamente termice (fig. 4.19). Încălzirea băii de tratare, în care sunt introduse piesele care urmează a fi supuse tratamentului termic, se face prin trecerea curentului electric prin soluţia, convenabil aleasă, aflată în stare lichidă în interiorul băii B. Iniţial, soluţia este adusă în stare topită prin încălzire cu ajutorul rezistorului R. Acesta este deconectat cu ajutorul întreruptorului I după ce soluţia a ajuns la temperatura de lucru.

157


În continuare, temperatura băii este menţinută prin trecerea curentului electric între cei doi electrozi E1 şi E2 prin soluţia în stare lichidă.

Între electrozii E1 şi E2, conectaţi la ieşirea transformatorului T este o tensiune de 8 15 V, reglabilă în funcţie de temperatura necesară în baie.

Soluţia din interiorul băii se alege în funcţie de temperatura care trebuie obţinută şi în funcţie de tratamentul termic realizat. Astfel, azotatul de sodiu (NaNO3) are temperatura de lucru de 308 330C, clorura de sodiu (NaCl) o temperatură de lucru de 776 820C iar amestecul de clorură de sodiu şi clorură de kaliu (44% NaCl şi 56% KCl) are temperatura de lucru de 640 665C.

Temperatura din interiorul băii poate fi menţinută cu o abatere de maxim 3% faţă de valorile prestabilite.

Încălzirea apei poate fi realizată în boilere de construcţie specială (fig. 4.20) în care căldura rezultă la trecerea curentului electric prin apa de încălzit.

În interiorul recipientului metalic 1 este plasat electrodul fix 6, compus din trei porţiuni izolate electric 6.1, 6.2 şi 6.3 la care se conectează cele trei faze ale reţelei electrice de alimentare şi electrodul mobil 4 aflat la potenţialul pământului şi acţionat de dispozitivul 5. Electrozii ficşi 6.1, 6.2 şi 6.3 sunt plasaţi pe izolatoarele de trecere 7.1, 7.2 şi respectiv 7.3. Apa rece pătrunde prin orificiul 2 şi, după încălzire între electrozii 6 şi 4, iese prin orificiul 3 la temperatura impusă.

158

1

3

AA

2

6

5

4

4

4

Secţiunea A A

Fig. 4.18 Cuptor pentru producerea sticlei în foi.


Temperatura apei se reglează prin modificarea poziţiei electrodului mobil 4. Cu cât electrodul mobil 4 este mai jos cu atât apa parcurge un traseu mai lung de încălzire şi deci temperatura medie este mai mare. Reglarea temperaturii apei poate fi realizată şi prin modificarea valorii curentului electric în circuit la modificarea tensiunii aplicate, prin modificarea vitezei de circulaţie a apei dar şi prin modificarea rezistivităţii apei prin adăugare de săruri într-o cantitate controlată (de exemplu, prin introducerea de sulfit de sodiu Na2SO3).

În mod asemănător pot fi realizate cazane pentru abur tehnologic, la presiuni până la 4 MPa, cu puteri absorbite până la 20 MW şi tensiuni de alimentare de 10 30 kV.

4.2.3. Cuptoare electrice de topire sub zgură

Metodele actuale de obţinere a oţelurilor superioare cuprind două stadii. În prima etapă, în cuptoare industriale (cuptoare cu arc electric, cuptoare Martin, cuptoare cu inducţie electro-magnetică) se elaborează oţelul plecând de la fier vechi şi fontă. În procesul de preparare, metalul lichid în contact cu zidăria refractară reacţionează chimic sau include particule din această zidărie. În acest fel, în metalul lichid pot apărea incluziuni nemetalice. De asemenea, incluziunile nemetalice pot apărea datorită reacţiilor chimice dintre metalul topit şi gazele absorbite de acesta din atmosfera cuptorului.

La turnarea din cuptor a metalului lichid, are loc un proces de oxidare şi absorbţie de azot. De asemenea, în procesul de răcire a lingourilor pot apărea fisuri, pori, bule cu gaz.

Metalul obţinut în această etapă are, de cele mai multe ori, caracteristici fizice şi mecanice neperformante. Din acest motiv, obţinerea unui material de calitate superioară necesită rafinarea metalului primar.

159

uT

I

E1 E2

RB

Fig. 4.19 Instalaţie pentru tratamente termice cu încălzire directă.

5

31

4

6

2 7.3 7.2 7.1

7.3

6.3

1

7.1

4

6.1

7.26.2

Fig. 4.20 Boiler pentru încălzirea apei.


Rafinarea se poate face în instalaţii de topire în vid (cuptoare cu plasmă, cuptoare cu fascicul de electroni, cuptoare cu inducţie electromagnetică în vid) în care se obţine, în primul rând, degazarea şi omogenizarea sau în cuptoare electrice cu topire sub zgură [4.5]. Cuptoarele electrice cu topire sub zgură (fig. 4.21) sunt utilizate atât pentru obţinerea de oţeluri de calitate superioară dar şi a unor materiale metalice rare, plecând de la aglomerate sub formă de electrozi.

Electrodul consumabil 1 (fig. 4.21) realizat din materialul care urmează a fi rafinat este introdus în zgura conductoare 2 aflată în stare lichidă. Creuzetul metalic 3 ca şi suportul din cupru 4 sunt răcite cu apă.

Curentul electric din circuit (2 50 kA), trecând prin zgura conductoare, conduce la menţinerea acesteia la temperatură ridicată (1600 2000 C). Căldura din baia de zgură se transmite şi electrodului 1 astfel că vârful acestuia începe să se topească.

Picăturile metalice care cad din vârful electrodului traversează baia

lichidă de zgură şi se depun în cristalizatorul 3 sub formă de lingou 5, la suprafaţa căruia rămâne o lentilă cu metal lichid.

În procesul de solidificare, pe partea laterală a lingoului, se depune un strat din zgură (1 3 mm) care asigură o izolaţie naturală, electrică şi termică, a lingoului faţă de creuzet.

Metalul obţinut în aceste cuptoare se caracterizează printr-un conţinut redus de gaze şi incluziuni nemetalice, densitate ridicată şi calităţi mecanice şi fizice superioare. Calităţile deosebite ale materialului obţinut sunt datorate şi trecerii picăturilor metalice prin zgura activă chimic şi apoi solidificării rapide în cristalizatorul răcit cu apă.

Pentru realizarea zgurii topite, iniţial pe suportul 4 se plasează o placă din oţel care are rolul de a proteja suportul din cupru la acţiunea arcului electric. Pe placa din oţel se plasează pilitură din fier şi componentele în stare solidă care vor forma zgura electroconductoare.

La aplicarea tensiunii, între electrodul 1 şi placa din oţel apare un arc electric care asigură formarea băii lichide. După formarea băii lichide, arcul electric se stinge iar temperatura băii se menţine datorită căldurii degajate la trecerea curentului electric prin baie. Etapa iniţială de formare a băii lichide poate fi evitată prin aducerea din exterior de zgură în stare lichidă.

160

apă

apă

1

2

6

apă

apă

3

5

4

u

Fig. 4.21 Cuptor electric cu topire sub zgură.


Lingoul format în interiorul cristalizatorului poate avea lungimi relativ mari deoarece electrodul 1 şi cristalizatorul 3 pot fi translatate în sus cu o viteză dependentă de viteza de depunere a metalului.

Zgura electroconductoare poate conţine fluorură de calciu, var, oxid de magneziu, bioxid de siliciu etc. Modificarea compoziţiei zgurii topite asigură modificarea temperaturii de topire, a conductivităţii electrice ca şi a vâscozităţii materialului din baie.

Alegerea corespunzătoare a compoziţiei zgurii asigură modificările dorite în compoziţia lingoului elaborat. Astfel, este posibilă reducerea cantităţii de sulf ca şi înlăturarea incluziunilor nemetalice (prin flotaţie sau reacţii chimice cu baia de zgură).

Principalele caracteristici ale acestei metode de elaborare a metalelor sunt: cost redus al instalaţiei având în vedere lipsa echipamentelor necesare realizării

vidului, posibilitatea de a acţiona asupra caracteristicilor metalului elaborat prin

utilizarea de zgură cu diferite proprietăţi chimice, calitatea suprafeţei exterioare a lingoului scos din cristalizator permite

renunţarea la eboşare (finisare), pot fi obţinute lingouri de dimensiuni relativ mari.Raportul dintre diametrul electrodului şi al creuzetului este în mod uzual de 0,4

0,6. Diametrul creuzetului este de 200 1000 mm. Pot fi obţinute lingouri până la 200 tone.

Alegerea corespunzătoare a formei cristalizatorului permite şi obţinerea de piese de diferite forme (vase de înaltă presiune, corpuri de robineţi etc).

Schema electrică de alimentare este în mod obişnuit monofazată, cu un singur electrod (fig. 4.22).

Puterea unitară a acestor instalaţii de topire este de 1 10 MVA, ceea ce impune analiza problemelor de simetrizare a sarcinii (în fig. 4.22 este indicată instalaţia de simetrizare S). La barele de alimentare, este conectat filtrul de armonice F.

Utilizarea tensiunii continue pentru alimentarea instalaţiei de topire are principalul dezavantaj că, datorită câmpurilor magnetice foarte intense din zonă, poate fi afectat procesul de depunere a masei lichide. De asemenea, câmpurile magnetice conduc la magnetizarea pieselor metalice din zonă, cu efecte negative asupra controlului proceselor din cuptor. În acelaşi timp, câmpurile magnetice intense din zona de lucru au efecte negative asupra personalului de exploatare.

În mod uzual, alimentarea electrodului E se face de la transformatorul monofazat T, prin intermediul reţelei scurte RS. Reţeaua scurtă RS, parcursă de curent intens, are un rol deosebit de important în stabilirea performanţelor energetice ale instalaţiei.

Pentru a reduce influenţa reactanţei circuitului care limitează valoarea curentului din circuit, instalaţiile moderne utilizează ca sursă de alimentare convertizoare de joasă frecvenţă (3 10 Hz).

161

A B C

Fig. 4.22 Schema electrică de alimentare a unui cuptor cu topire

sub zgură.

S

F

RS E


Consumul specific de energie electrică la aceste cuptoare este de 1200 1600 kWht [4.6], iar factorul de putere natural este de 0,6 0,8.

4.3. Instalaţii cu rezistoare cu încălzire indirectăÎn instalaţiile cu încălzire indirectă, materialul care urmează a fi încălzit în cuptor

nu este parcurs de curent electric, căldura necesară încălzirii fiind preluată de la elemente încălzitoare speciale, plasate în apropiere, prin radiaţie, radiaţie şi convecţie liberă sau convecţie forţată.

În funcţie de modul de lucru, instalaţiile cu încălzire indirectă sunt: cu acţiune discontinuă, cu acţiune continuă.

În cuptoarele cu acţiune discontinuă, materialul de încălzit nu îşi modifică poziţia pe durata în care se găseşte în cuptor. Ciclul de funcţionare cuprinde încărcarea, încălzirea până la temperatura dorită şi menţinerea acesteia o durată impusă, descărcarea.

La cuptoarele cu funcţionare continuă, materialul care urmează a fi încălzit se deplasează în mod continuu sau secvenţial în interiorul cuptorului.

În funcţie de temperatura medie de funcţionare, cuptoarele cu încălzire indirectă sunt:

de temperatură joasă (sub 600C), de temperatură medie (600 1200C), de temperatură înaltă (peste 1200C).În cuptoarele de temperatură medie şi înaltă, transferul termic se face practic

numai prin radiaţie iar în cuptoarele de temperatură joasă, schimbul de căldură se face practic numai prin convecţie.

4.3.1. Încălzirea materialelor din interiorul cuptorului

În analiza proceselor de încălzire a produselor din interiorul cuptorului se are în vedere că elementul încălzitor ajunge la temperatura de lucru într-un interval de timp redus în raport cu durata în care materialul de încălzit ajunge la temperatura impusă de procesul tehnologic.

Ecuaţia de bilanţ energetic pentru cuptor poate fi scrisă sub forma:, (4.38)

în care: dQ2 este cantitatea de căldură elementară transmisă spre interiorul cuptorului de

către elementul încălzitor (vezi relaţia 4.2):

; (4.39) dQu cantitatea de căldură elementară care conduce la încălzirea materialului util din cuptor (căldura utilă):

162


d dQ c mu u u ; (4.40)dQa cantitatea de căldură care conduce la încălzirea pieselor anexe (etajere,

scăriţe, suporţi etc):d dQ c ma a a ; (4.41)

dQpd pierderi termice elementare prin pereţii cuptorului, prin părţile deschise ale acestuia, pierderi prin neetanşeităţi, prin bornele elementelor încălzitoare etc;

dQz cantitatea de căldură elementară care se acumulează în pereţii cuptorului (în zidăria acestuia):

d dQ c mz z z (4.42) În relaţia (4.39), s-a notat cu P2 puterea termică (fluxul termic) transmisă de elementele încălzitoare, este transmisivitatea termică (vezi relaţia 4.5), Al este aria suprafeţei laterale totale a elementelor încălzitoare, temperatura elementelor încălzitoare, 0 temperatura din interiorul cuptorului iar dt este intervalul elementar de timp.

În relaţiile (4.40) (4.41) au fost folosite notaţiile:cu, ca, cz căldurile masice (dependente de temperatură) ale materialelor

supuse încălzirii, elementelor anexe şi respectiv zidăriei cuptorului,mu, ma, mz masa pieselor supuse încălzirii, a elementelor anexe şi respectiv

masa zidăriei,d intervalul elementar de temperatură.

Deoarece parametrii care intervin în relaţia diferenţială (4.38), călduri masice şi coeficientul global de transmisie termică sunt dependenţi de temperatură, după legi dificil de exprimat analitic iar în interiorul cuptorului au loc complexe fenomene de transfer termic între diferitele componente, nu este posibilă obţinerea unei soluţii teoretice pentru variaţia în timp a temperaturii a materialului util.

În cazurile reale, funcţia = (t) depinde de forma constructivă a cuptorului, de regimul de lucru (cu acţiune continuă sau discontinuă) şi de dimensiunile materialului încălzit.

Din punct de vedere termic, materialele încălzite în cuptoarele electrice pot fi „masive” sau „subţiri”. În cazul materialelor „masive”, temperatura din centrul materialului diferă de temperatura pe suprafaţa sa exterioară. Pentru stabilirea “masivităţii termice” a unui material se foloseşte criteriul Biot:

. (4.43)

În relaţia (4.43), este transmisivitatea termică complexă (prin radiaţie şi convecţie) de la cuptor la material, este conductivitatea termică a materialului (dependentă de material şi temperatură), iar a este dimensiunea transversală a materialului (grosimea g la materiale sub formă de plăci sau raza r la materiale de formă cilindrică).

Se consideră că materialele pentru care Bi > 0,5 din punct de vedere termic, sunt „masive” iar cele pentru care Bi < 0,5 din punct de vedere termic sunt „subţiri”.

163


4.3.1.1. Cuptoare cu acţiune discontinuă

Procesul de încălzire din cuptorul cu rezistoare cu încălzire indirectă şi acţiune discontinuă cuprinde patru etape principale (fig.4.23).

În prima etapă, cu o durată relativ redusă, elementele încălzitoare ajung la temperatura maximă RM. În fig. 4.23 s-a luat în considerare cazul uzual în care, la începutul procesului, atât elementele încălzitoare cât şi interiorul cuptorului, inclusiv materialul care trebuie încălzit, se află la temperatura mediului ambiant. Această etapă se caracterizează prin puterea practic constantă P absorbită de la sursa de alimentare.

Din puterea P, o parte Pu determină încălzirea pieselor din cuptor şi o parte Pp

reprezintă pierderile care conduc la încălzirea pieselor auxiliare, a pereţilor cuptorului şi cuprind şi cantitatea de căldură care se transmite în mediul ambiant prin suprafaţa laterală a cuptorului şi unele deschideri sau neetanşeităţi.

În momentul t1, elementele încălzitoare ating temperatura maximă RM , iar sistemul de reglare automată menţine în continuare practic constantă această temperatură. Puterea absorbită de elementele încălzitoare din reţeaua electrică de alimentare scade.

În momentul t2 , când temperatura pieselor din cuptor atinge temperatura prescrisă d , începe procesul de menţinere a temperaturii piesei (până în momentul t3). În cazul pieselor de dimensiuni mari, temperatura s pe suprafaţa piesei diferă de temperatura c din centrul piesei. În cazul materialelor subţiri, cele două temperaturi practic coincid.

În intervalul t2 t3, sistemul de reglare automată controlează conectarea elementelor încălzitoare astfel încât cantitatea de căldură produsă să acopere numai pierderile Pp prin suprafaţa laterală a cuptorului.

Pentru t > t3 începe procesul de răcire. Aceasta poate fi:

naturală (P = 0), forţată (P = 0 şi ventilaţie în cuptor), controlată (Pr < P, unde Pr este puterea disipată în elementele încălzitoare pe

durata procesului de răcire controlată).În fig.4.23 este prezentat cazul răcirii naturale.

164

θ θRM

θd

θs1

θc1

θiP = ct. θR = ct θu = ct.

θc

θs

Δθ2 Δθu

0 t1 t2 t3 t

P = 0

P

Pu

Pp

0 t1 t2 t3 t

Fig. 4.23 Ciclul de încălzire într-un cuptor cu acţiune discontinuă.

Reglaj discontinuuReglaj continuu

Pp

θR


Dimensionarea cuptoarelor cu acţiune discontinuă pentru piese „subţiri”, pleacă de la valorile impuse ale temperaturii pieselor din cuptor şi durata procesului de încălzire. În cazul pieselor de dimensiuni mari, se impune temperatura pe suprafaţa exterioară a piesei şi diferenţa maximă de temperatură între suprafaţa exterioară şi centrul piesei, pe toată durata procesului de încălzire.

În primul caz, urmează a fi determinată puterea instalată a cuptorului şi durata procesului de răcire până la o temperatură dată iar în al doilea caz, este necesară şi determinarea duratei procesului de încălzire.

a) Încălzirea pieselor termic subţiriÎn prima etapă de încălzire, până la momentul t1 (fig. 4.24), în cuptor se disipă

puterea P egală cu putera instalată Pi din cuptor. În această etapă se acceptă ipoteza că piesele din cuptor şi pereţii acestuia sunt încălziţi în condiţiile unui flux termic constant, respectiv puterea utilă Pu şi puterea de pierderi Pp sunt practic constante.

Într-o primă aproximaţie se poate scrie:

. (4.44)

În relaţia (4.44) s-a notat cu i , temperatura iniţială a pieselor în momentul începerii procesului de încălzire (teoretic piesele introduse în cuptor ar putea avea o temperatură diferită de cea a mediului ambiant) iar cu tp durata procesului de încălzire (tu

= t2).Fiind stabilită puterea utilă Pu , se poate estima durata t1 până la intrarea în

funcţiune a regulatorului de temperatură:

(4.45)

Temperatura 1 a pieselor din cuptor, în momentul t1 rezultă din ecuaţia de bilanţ energetic în acest moment:

P t A tu pl RM d ( ) d 1 (4.46)

Dacă se consideră că în momentul t1 transferul termic se face în special prin radiaţie (având în vedere diferenţa mare între temperaturile RM şi 1), plecând de la expresia (4.5) a coeficientului r de transfer termic, se obţine:

(4.47)

Din relaţia (4.47) rezultă temperatura 1 a pieselor din cuptor la momentul t1:

165

θ θRM

θd

θ1

θi

θu

0 t1 t2 t3 t

Fig. 4.24 Încălzirea pieselor termic subţiri.

θR


(4.48)

În relaţia (4.47), Apl este aria suprafeţei laterale a pieselor încălzite iar TRM = RM + 273.

În cea de a doua etapă a procesului (pe intervalul t1 t2) are loc încălzirea pieselor din cuptor, în condiţiile în care elementele încălzitoare sunt practic la o temperatură constantă RM şi egală cu cea maximă. În această etapă, temperatura materialului creşte de la 1 la d. Dacă transferul termic de la elementele încălzitoare ar fi numai prin convecţie, durata t12 = t2 t1 rezultă din ecuaţia de încălzire (a se vedea relaţia 4.22):

(4.49)

Dacă transferul termic ar fi numai prin radiaţie, determinarea intervalului tr12

poate fi făcută plecând de la ecuaţia de încălzire scrisă sub forma:

dd

tc m

Au u

r pl RM

(4.50)

Având în vedere expresia (4.5) a transmisivităţii termice r, relaţia (4.50) devine:

d .dtc m

A c T T

u u

pl RM u

124 4

,

sau

dd

tc m T

A c TT

T

T

u u RM

pl RMRM

u

RM

124 4

1

(4.51)

Integrarea relaţiei (4.51), în intervalul de timp t1 t2, atunci când temperatura piesei variază de la temperatura 1 la d conduce la expresia:

tc m T

A c T

T

T

T

Tr u u RM

pl RM

d

RM RM12

124

1

(4.52)

Valorile funcţiei sunt indicate în tabelul 4.2.

Tabelul 4.2Valorile funcţiei

TTRM 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 0,2 0,3005 0,4022 0,5066 0,6166 0,7389 0,8864 1,1024 1,2959

În tabelul 4.2, mărimea T ia succesiv valoarea Td şi T1.În interiorul cuptorului, în cele mai multe dintre cazuri, are loc un transfer termic

atât prin convecţie cât şi prin radiaţie. În acest caz, durata t12 se calculează din relaţia aproximativă:

166


tt t

t t

r c

r c1212 12

12 12

, (4.53)

în care duratele tc12 şi tr

12 sunt calculate din relaţiile (4.49) şi respectiv (4.52).Deoarece durata t2 a procesului de încălzire este impusă, trebuie să se verifice

faptul că suma valorilor calculate t1 (relaţia 4.45) şi t12 (relaţia 4.53) este egală cu t2 . În mod obişnuit această condiţie nu este îndeplinită, astfel că se reia calculul începând cu relaţia (4.44) cu o valoare ajustată a puterii Pu . După câteva iteraţii rezultă valorile reale ale puterii Pu ca şi ale duratelor t1 şi t12 .

Puterea de pierderi Pp se calculează din relaţia: . (4.54)

Factorul kp din relaţia (4.54) are o valoare de circa 1,2 şi ia în consideraţie o serie de pierderi termice care nu pot fi determinate prin calcul. Puterea de pierderi calculată Pp calcul rezultă:

. (4.55) În relaţia (4.55) s-au folosit notaţiile

Pz este puterea de pierderi care conduce la încălzirea zidăriei cuptorului,Pa puterea de pierderi care conduce la încălzirea elementelor anexe din

cuptor (suporţi, etajere, cărucioare etc),Ppd puterea de pierderi prin pereţii cuptorului, prin părţile deschise ale

acestuia, prin neetanşeităţi, prin bornele elementelor încălzitoare.Puterea de pierderi Pp calcul se determină pentru fiecare configuraţie de cuptor, în

funcţie de temperatura din cuptor şi de construcţia sa geometrică specifică. Puterea necesară Pn a cuptorului rezultă:

P P Pn u p . (4.56) În cazurile reale, puterea instalată Pi în elementele încălzitoare din cuptor se calculează cu un coeficient de siguranţă ks:

P k Pi s n . (4.57) Factorul de siguranţă ks (ks = 1,3 1,5) ia în consideraţie posibilitatea slăbirii izolaţiei termice a cuptorului pe parcursul duratei de viaţă a acestuia.

După determinarea valorii Pi este necesar a verifica posibilitatea practică a instalării în cuptor a elementelor încălzitoare care să asigure această putere. Se are în vedere, în primul rând, spaţiul disponibil dar şi necesitatea de a nu depăşi solicitarea termică a materialului refractar. Astfel, în figura 4.25 sunt indicate încărcările termice recomandate pentru pereţii cuptorului, în funcţie de modul de aşezare a elementelor încălzitoare (paralel cu suprafaţa interioară a cuptorului curba a şi perpendicular pe suprafaţa interioară a cuptorului curba b).

După terminarea procesului termic din cuptor, pieselor sunt scoase în exterior şi, în funcţie de procesul tehnologic impus, sunt supuse unei prelucrări sau urmează un proces de răcire naturală sau forţată. Pe durata pauzei, necesară pentru o nouă încărcare a cuptorului, elementele încălzitoare sunt decuplate de la sursa de alimentare şi deci este valabilă ecuaţia de bilanţ energetic:

167


0 d dQ QA B , (4.58) unde dQA este cantitatea de căldură acumulată (în zidăria cuptorului şi în elementele auxiliare din cuptor) iar dQB

este cantitatea de căldură transmisă în exteriorul cuptorului:

(4.59)

În relaţiile (4.59), c este căldura masică echivalentă a cuptorului, m este masa încălzită, Akl este aria suprafeţei laterale prin care se transmite căldura spre exterior,

este temperatura cuptorului (mărime variabiă în timp) iar 0 este temperatura mediului ambiant.

Din ecuaţia de bilanţ (4.58) şi din relaţiile (4.59) rezultă:

. (4.60)

Transmisivitatea termică complexă depinde în mare măsură de modul în care are loc procesul de răcire ca şi de temperatura la un moment dat. Transferul termic se face prin convecţie la suprafaţa exterioară a cuptorului dar şi prin radiaţie prin părţile deschise ale acestuia. Se observă faptul că creşterea vitezei de răcire se poate obţine practic numai prin creşterea valorii transmisivităţii termice , prin asigurarea unei ventilaţii forţate în cuptor.

Relaţia (4.60) poate fi utilizată şi pentru analiza procesului de răcire a pieselor scoase din cuptor.

b) încălzirea pieselor termic masiveCa şi în cazul încălzirii pieselor termic subţiri, procesul de încălzire a pieselor

termic masive cuprinde 4 etape (fig. 4.23): încălzirea cu flux termic constant (t < t1), încălzirea cu temperatură practic constantă în cuptor (t1 < t < t2), menţinerea la temperatură practic constantă a pieselor (t2 < t < t3), răcirea pieselor (t > t3).

Caracteristic pieselor termic masive este faptul că temperatura pe suprafaţa piesei diferă de temperatura din centrul acesteia. Din motive tehnologice, în mod uzual se limitează gradientul de temperatură în interiorul piesei. În acest fel, la dimensionarea

cuptoarelor cu rezistoare cu acţiune indirectă, în care sunt încălzite piese masive, se impune diferenţa maximă admisă între temperaturile din centrul şi de la suprafaţa piesei.

În etapa de încălzire (t < t2), fluxul termic unitar pu care se transmite prin conducţie de la suprafaţa piesei către interior, atunci când diferenţa de temperatură u

este egală cu cea admisibilă a este:

168

ps

[kW/m2] 90

70

50

30

10

1200 1400 1600 1800 [°C]

Fig. 4.25 Valori admisibile ale solicitărilor termice a pereţilor cuptorului.

b

a

b

a


, (4.61)

în care u este conductivitatea termică a materialului din care este realizată piesa, iar g este grosimea piesei.

Transferul termic în interiorul piesei este determinat de ecuaţia conducţiei termice Fourier:

. (4.62)

În relaţia (4.62) au fost utilizate notaţiile: temperatura punctuală în piesă;u conductivitatea termică a materialului piesei;cu căldura masică; Laplaceanul temperaturii;u densitatea materialului piesei;pv puterea specifică (puterea dezvoltată în unitatea de volum a piesei).

Pentru cazul concret al încălzirii indirecte pv = 0, astfel că relaţia (4.62) poate fi scrisă sub forma:

în cazul pieselor termic masive, de formă dreptunghiulară:

(4.63)

în cazul pieselor cilindrice:

(4.64)

Rezolvarea ecuaţiilor (4.63) şi respectiv (4.64), în regim nestaţionar corespunzător celor două etape de încălzire, în prima cu condiţia de flux termic constant iar în a doua cu condiţia de temperatură constantă a suprafeţei materialului util, permite stabilirea intervalelor de timp t1 şi t2 t1 şi astfel, determinarea duratei t2 a procesului de încălzire.

În mod uzual, soluţiile ecuatiilor (4.63) şi (4.64), cu condiţiile de flux termic constant sau temperatură constantă pe suprafaţă, sunt date în mărimi relative, sub formă grafică [4.3].

Condiţia suplimentară impusă privind diferenţa maximă de temperatură între suprafaţa exterioară a piesei şi centrul acesteia, permite stabilirea duratei procesului de încălzire utilizând curbe precalculate [4.3].

Pe durata menţinerii temperaturii (intervalul t2 t3), temperatura la suprafaţa pieselor rămâne practic constantă şi egală cu d iar diferenţa de temperatură u se reduce până la valoarea a admisă de procesul tehnologic la care urmează a fi supus materialul în continuare.

4.3.1.2. Cuptoare cu acţiune continuă

Caracteristic cuptoarelor cu acţiune continuă este faptul că piesele care urmează a fi încălzite se deplasează în interiorul cuptorului, la intrare având o temperatură i iar

169


la ieşire, în cazul pieselor termic subţiri, temperatura dorită d; în cazul pieselor termic masive se impune temperatura dorită d şi diferenţa admisibilă a între suprafaţa şi centrul piesei (fig. 4.26).

Analiza curbelor de încălzire în cuptoarele cu acţiune discontinuă (fig. 4.23 şi fig. 4.24) arată că pe durata procesului de încălzire, gradientul curbei de încălzire a pieselor nu este constant. Pentru a asigura o viteză constantă a procesului de încălzire în cuptoarele cu acţiune continuă, este necesar fie a controla viteza de deplasare a pieselor, fie a controla fluxul termic pe durata deplasării pieselor în cuptor.

Pentru piesele termic masive, în mod uzual, cuptorul este împărţit în mai multe zone, fiecare zonă având caracteristici energetice diferite.

Pentru piese termic subţiri, cuptorul are o singură zonă iar încălzirea se poate face fie cu temperatură constantă în cuptor (fig. 4.26 a)), fie cu flux termic constant (fig. 4.26 b)). În primul caz, puterea absorbită de la sursa de alimentare este controlată în funcţie de temperatura din cuptor iar în al doilea caz, puterea absorbită de la sursa de alimentare este constantă.

Dimensionarea cuptoarelor cu o singură zonă se face ca şi în cazul cuptoarelor cu acţiune intermitentă.

Cuptoarele cu mai multe zone sunt realizate deobicei cu fluxuri termice diferite pe fiecare zonă (fig. 4.27).

În fig. 4.27 este indicată variaţia temperaturii piesei, la suprafaţa, s şi în centrul acesteia, c, pentru un cuptor cu două zone de încălzire (I şi II) şi o zonă III de menţinere a temperaturii.

170

θ

θd

θi

θs

θc

θR

θa

t

θ

θd

θi

θsθc

θR

θa

t

P

P

Pu

Pp

t t a) b)

Fig. 4.26 Încălzirea pieselor din cuptor cu temperatură constantă a) şi cu flux termic constant b).

PP

Pu

Pp

R

zona I

s

sI

c

cI

u

zona IIsII

cIIa

zona III

tI tII tIII tP

Pu

Pp

tI tII tIII t

Fig. 4.27 Încălzirea în cuptoare cu mai multe zone.


De asemenea, este indicat modul de variaţie a temperaturii R a elementelor încălzitoare în lungul zonei.

Fiecare zonă este caracterizată de valoarea fluxului termic (puterea absorbită de la sursa de alimentare), viteza de încălzire, diferenţa de temperatură u dintre suprafaţa exterioară şi centrul piesei. În fiecare zonă, temperatura piesei va creşte de la valoarea n1 la n, unde n este numărul zonei.

În zona de menţinere, poate rămâne constantă temperatura pe suprafaţa exterioară a piesei (încălzire izotermă a piesei). În acest caz, variaţia temperaturii pe suprafaţa piesei s şi în centrul acesteia c este indicată în figura 4.27 cu linie întreruptă. Pentru cazul în care procesul de egalizare a temperaturilor se face în lipsa unui aport exterior de căldură (încălzire adiabatică), curbele s şi c sunt indicate cu linie plină.

La sfârşitul procesului de menţinere, diferenţa de temperatură u trebuie să corespundă valorii a impusă de procesul tehnologic la care este supus materialul în continuare.

În procesul de răcire, t > tIII (deobicei în afara cuptorului sau într-o zonă specială cu răcire controlată), temperatura pe suprafaţa exterioară a piesei scade mai repede decât temperatura din centrul acesteia.

Cuptoarele industriale au, în mod uzual, 3 6 zone iar lungimea fiecărei zone este de 1 3 m. Dimensionarea cuptorului se face secvenţial, începând cu prima zonă. Fluxul termic Pu (considerat constant în fiecare zonă) poate fi limitat de următorii factori:

a) temperatura maxim admisibilă RM a elementului încălzitor;În acest caz, fluxul termic P (puterea electrică) al elementelor încălzitoare poate

fi calculat în funcţie de puterea specifică ps a acestora. Aceasta este determinată de temperatura RM şi de temperatura sI a piesei la sfârşitul primei zone de încălzire:

P p As Rl , (4.65) în care ARl este aria suprafeţei laterale a elementelor încălzitoare.

Fluxul termic util Pu (puterea utilă) rezultă:

PP

kPu p . (4.66)

În relaţia (4.66), Pp sunt pierderile termice, iar k este un factor având o valoare de 1,2 1,4 în cazul reglajului discontinuu al temperaturii şi valoarea 1,0 în cazul reglajului continuu.

b) diferenţa maxim admisibilă de temperatură a între suprafaţa exterioară a piesei şi centrul acesteia;

În acest caz; fluxul termic util rezultă:

, (4.67)

în care g este grosimea piesei.c) viteza maximă de încălzire a materialului.

171


În acest caz, ecuaţia de bilanţ energetic pentru piesă, pe durata procesului de încălzire, considerând că tot fluxul termic incident conduce la încălzirea materialului, se scrie sub forma:

P t c mu u u d d , sau

P c mtu u u

d

d

(4.68)

Dacă viteza maximă de încălzire (ddt)max este dată, din relaţia (4.68) rezultă puterea utilă a elementelor încălzitoare în zona respectivă.

În zona de menţinere a temperaturii, elementele încălzitoare trebuie să acopere numai pierderile termice care se determină pentru fiecare zonă în funcţie de configuraţia concretă a cuptorului (a se vedea secţiunea 4.3.1.1).

4.3.2. Cuptoare electrice industriale cu rezistoare cu încălzire indirectă

Cuptoarele electrice cu rezistoare, cu încălzire indirectă au o largă utilizare în industria modernă, o mare varietate de tipuri constructive şi o gamă foarte diversă a aplicaţiilor.

Aceste tipuri de cuptoare sunt utilizate pentru efectuarea de tratamente termice, pentru producerea la cald a unor materiale plastice, tratamentul termic al pieselor din sticlă, uscarea produselor ceramice, a lemnului, hârtiei etc. În categoria acestor cuptoare intră şi cuptoarele de laborator, aparatele electrocasnice ca şi numeroasele instalaţii de uscare din industria chimică şi alimentară.

4.3.2.1. Cuptoare electrice cu rezistoare pentru tratamente termice

Tratamentele termice realizate în astfel de cuptoare sunt: recoacerea, normalizarea, maleabilizarea, călirea, revenirea, îmbătrânirea etc.

În funcţie de procesul tehnologic din cuptor ca şi de forma pieselor prelucrate la cald, cuptoarele de acest tip sunt cu acţiune discontinuă sau cu acţiune continuă.

Principalele tipuri constructive de cuptoare cu rezistoare cu încălzire discontinuă, sunt indicate în figura 4.28.

Cuptoarele tip cameră (fig. 4.28 a)) au forma unei incinte realizată din materialul refractar 1 şi izolaţia termică 2. Elementele încălzitoare 3 sunt plasate pe pereţi, tavan şi podeaua cuptorului. Piesele 5 care urmează a fi încălzite sunt plasate pe un suport 4. Cuptorul prezintă uşa 6, acţionată cu ajutorul dispozitivului de ridicare 9, prin care sunt introduse piesele supuse încălzirii.

În cuptoarele până la 700C, transferul termic se face prin radiaţie şi prin convecţie datorită, în mod uzual, circulaţiei în circuit închis a aerului sau a unei compoziţii controlate a atmosferei din cuptor.

În cuptoarele cu temperatură de peste 700C, transferul termic se face practic numai prin radiaţie.

172


Cuptoarele tip cameră sunt utilizate în special pentru încălzirea unor piese cu gabarit mare, turnate, sudate, forjate sau matriţate. Principalele lor avantaje constau în simplitatea construcţiei, posibilitatea utilizării pentru procese foarte diverse ca şi posibilitatea realizării în cuptor a unor variate regimuri termice.

Cuptoarele verticale (fig. 4.28 b)) au de obicei o formă cilindrică şi sunt utilizate pentru efectuarea de tratamente termice: călire, cementare, detensionare, răcire controlată. Un important avantaj al acestor cuptoare constă în faptul că încărcarea şi descărcarea se face relativ simplu utilizând mijloacele de ridicare şi transport din hala de lucru.

Cuptoarele cu elevator (fig. 4.28 c)) sunt utilizate pentru încălzirea pieselor din oţel sau fontă, în atmosferă controlată ca şi pentru efectuarea procesului de cementare la piese de dimensiuni mari. Piesele care urmează a fi încălzite sunt plasate pe vatra 10 a cuptorului care are şi rol de uşă. În poziţia de încărcare-descărcare, vatra 10 a cuptorului este la nivelul solului, iar în poziţia de lucru este ridicată cu ajutorul dispozitivului 7 pentru a asigura închiderea cuptorului.

Cuptorul tip clopot (fig. 4.28 d)) are o formă asemănătoare celui cu elevator. La acest tip de cuptor, vatra este în poziţie fixă iar cuptorul este ridicat în poziţia de încărcare-descărcare şi este coborât în poziţia de lucru. Cuptoarele tip clopot au o largă utilizare în industrie, oferind posibilitatea funcţionării la parametri adaptabili procesului. Ca şi în cazul cuptoarelor cu elevator impun însă o înălţime relativ mare a halei de producţie şi necesită dispozitive cu capacitate mare de ridicare.

Dintre cuptoarele cu rezistoare cu încălzire indirectă şi acţiune continuă, în figura 4.29 sunt prezentate cuptoarele cu bandă transportoare, cu carusel şi cu monorai.

Cuptorul cu rezistoare, cu bandă transportoare (fig. 4.29 a)), este realizat sub forma unei incinte 2 din material rezistent la temperatură (material refractar) şi un

173


material izolant termic 1. Pe lungimea cuptorului pot fi dispuse mai multe zone cu caracteristici energetice diferite. Elementele încălzitoare ale fiecărei zone sunt plasate pe partea interioară a pereţilor.

Pe suprafaţa benzii transportoare metalice 4 se plasează produsele 5 care urmează a fi încălzite. Viteza de deplasare a benzii transportoare ca şi modul de dispunere a

174

u

i

132 5

7 10

iu

9 1 2 3

6

4

5

a)

9

6

i

u

1 2

3 5

b)

5

8

c) d)

Fig. 4.28 Cuptoare electrice cu rezistoare, cu încălzire indirectă şi acţiune discontinuă.

9

i

u

1 2

3

10

5


elementelor încălzitoare, în lungul cuptorului sunt dependente de procesul tehnologic la care sunt supuse produsele din cuptor.

Cuptorul cu rezistoare cu carusel (fig. 4.29 b)) are o formă cilindrică, realizată din materialul refractar 2 şi materialul izolant termic 1. În interiorul incintei, pe o traiectorie circulară, se deplasează produsele 5 supuse încălzirii. Acestea sunt plasate pe suprafaţa unui carusel 8 acţionat cu ajutorul unui motor electric 6.

Elementele încălzitoare 3 sunt plasate pe pereţii interiori ai incintei. Reglarea temperaturii produsului din cuptor se face prin reglarea vitezei de rotaţie a motorului electric, prin alegerea adecvată a elementelor încălzitoare ca şi printr-o dimensionare corespunzătoare a incintei cuptorului.

Cuptorul cu rezistoare cu monorai (fig. 4.29 c)) are o construcţie liniară, este realizat din materialul refractar 2 acoperit cu material izolant termic 1. În interiorul cuptorului se deplasează un monorai 7 pe care se plasează piesele 5 supuse încălzirii. Elementele încălzitoare 3 se află pe pereţii laterali ai cuptorului. Lungimea cuptorului

175

u

i

1 2 3

4

5

a)

iu

1 2 3

5

8 6

b)

i

u

12

3

5

7

c)

Fig. 4.29 Cuptoare cu rezistoare, cu încălzire indirectă şi acţiune continuă..


depinde în primul rând de durata impusă a procesului de încălzire. Pe parcursul său, monoraiul poate parcurge mai multe zone caracterizate de parametri energetici diferiţi.

4.3.2.2. Cuptoare industriale pentru topire sau menţinerea în stare caldă a metalelor topite

Cuptoarele de topire cu rezistoare, cu încălzire indirectă de tip creuzet (fig. 4.30 a)) sunt folosite în mod obişnuit pentru topirea aluminiului şi a aliajelor sale în scopul obţinerii materialului necesar pentru turnare.

În interiorul creuzetului 4 (realizat din fontă, grafit sau carbură de siliciu) este introdus metalul uşor fuzibil 5, care urmează a fi topit.

Elementele încălzitoare 3 asigură încălzirea creuzetului 4 iar acesta, la rândul lui, transmite căldura la materialul aflat în interior.

Incinta cuptorului este realizată din materialul refractar 2 căptuşit cu materialul izolant termic 1. Controlul temperaturii materialului din cuptor se face cu ajutorul traductorului termometric 6 iar cuptorul este închis cu ajutorul capacului 7.

Consumul mediu de energie electrică pentru încălzirea şi topirea aluminiului în acest tip de cuptor este de 700 750 kWht iar randamentul cuptorului este de 0,5 0,55.

Capacitatea acestor cuptoare nu depăşeşte 500 kg, iar puterea necesară este de cel mult 100 kW.

Cuptoarele de tip creuzet funcţionând până la 1200C sunt folosite pentru topirea, rafinarea sau menţinerea în stare caldă a cuprului şi a aliajelor sale. Consumul specific de energie electrică pentru încălzirea şi topirea cuprului în aceste cuptoare este de 420 470 kWht.

Cuptoarele cu rezistoare cu încălzire indirectă, de tip cuvă (fig. 4.30 b)) sunt destinate în principal menţinerii în stare topită a materialelor uşor fuzibile 5.

176

u

i

6 7

123

5

4

a) b)

Fig. 4.30 Cuptoare electrice cu rezistoare pentru topire şi menţinere în stare caldă a materialelor topite.

ui

3 5

12


Elementele încălzitoare 3 asigură încălzirea prin radiaţie a metalului topit. Acest tip de cuptor este larg utilizat în instalaţiile de turnare sub presiune a pieselor din aluminiu unde temperatura metalului topit trebuie menţinută la 750 800C.

4.3.3. Aparate electrocasnice

Aparatele electrocasnice reprezintă în mod obişnuit cazuri particulare de instalaţii de încălzire cu rezistoare, cu acţiune indirectă.

Utilizarea aparatelor electrocasnice pentru încălzit este determinată de avantajele importante faţă de alte sisteme de încălzire: reducerea efortului fizic, eliminarea emisiilor de CO şi CO2, reducerea pericolului de accidente, reducerea pericolului de incendiu, creşterea gradului de confort, ridicarea nivelului sanitar de preparare a hranei.

În functie de modul de transfer a căldurii, aparatele electrocasnice sunt: cu conducţie (de exemplu, plitele electrice), cu convecţie (de exemplu, aparatele convective aeroterme), cu radiaţie (de exemplu, cuptoare electrice pentru copt)Din punctul de vedere al domeniului de utilizare, aparatele electrocasnice sunt

folosite pentru: prepararea hranei (plite electrice, cuptoare pentru gătit), pentru încălzirea locuinţelor (calorifere electrice, radiatoare electrice), pentru încălzirea apei (boilere, plonjoare), pentru uscat (diferite tipuri de uscătoare de păr), pentru călcat (fier electric de călcat).

Plitele electrice (fig. 4.31) cuprind în principal elementul rezistiv 1 (deobicei fir rezistiv spiralat) plasat în partea inferioară a plăcii metalice 2 faţă de care este izolat electric. Placa metalică 2 este izolată termic (izolaţia termică 3) faţă de suportul metalic 4.

Temperatura maximă, la funcţionarea în gol (fără cratiţă), pe suprafaţa plitei, poate atinge 750C asigurând la funcţionarea în sarcină (la o temperatură de cel mult 110C) o putere specifică maximă de 7 8 kWcm2 (puterea unitară a unei plite putând ajunge la 2000 W). Temperatura de lucru, pe suprafaţa plitei se atinge în câteva minute.

Realizarea unui transfer termic eficient prin conducţie de la suprafaţa plitei la vasul în care se prepară hrana, impune utilizarea de vase cu fundul plat (de obicei placat cu cupru) şi de diametru egal cu cel al plitei.

Pentru a se asigura adaptabilitatea la procesul de preparare a hranei, plitele electrice sunt prevăzute de cele mai multe ori cu regulatoare de temperatură, asigurând un reglaj al puterii absorbite în intervalul 10 100% din puterea sa nominală. În instalaţiile actuale este larg răspândit reglajul cu elemente bimetalice. Încep să fie din ce în ce mai utilizate instalaţiile de reglaj cu tiristoare.

La utilizarea unui element încălzitor compus din mai multe segmente, reglajul se poate face prin conectarea în scheme serie, paralel a diferitelor

177

1 2

3 4Fig. 4.31 Plită electrică.


elemente, astfel încât să rezulte o variaţie în trepte constante a puterii absorbite de la sursa de alimentare.

Cuptoarele electrice pentru gătit asigură în interior o temperatură reglabilă, cu o valoare maximă de circa 300C. Transferul termic se face prin radiaţie şi prin convecţie, temperatura pe suprafaţa elementelor încălzitoare (deobicei în construcţie acoperită) plasate în interior ajungând la 700 800C.

Puterea încălzitoarelor instalate este de 2 2,5 kW iar puterea medie absorbită este reglabilă în intervalul 15 100%, în funcţie de necesităţile procesului de preparare a hranei.

Instalaţiile moderne de gătit sunt prevăzute cu programatoare care asigură controlul automat al graficului de temperatură impus.

Instalaţiile electrice de încălzit în locuinţe sunt utilizate în prezent în primul rând ca surse suplimentare de căldură faţă de sistemele clasice de încălzire.

Datorită avantajelor importante legate de posibilitatea programării pe durate mari de timp a temperaturii în fiecare încăpere, odată cu îmbunătăţirea izolaţiei termice a clădirilor, încălzirea electrică devine avantajoasă în raport cu încălzirea centralizată şi începe să fie luată în consideraţie la realizarea noilor tipuri de locuinţe.

Caloriferele electrice (fig. 4.32) asigură la suprafaţa exterioară a corpului etanş 1 o temperatură maximă de 90 100 C, astfel că transferul termic spre exterior se face în mare parte prin convecţie.

Elementul încălzitor 2 (tubular acoperit fig. 4.32 a)) este alimentat din reţeaua electrică prin intermediul termoregulatorului 3 (fig. 4.32 a)), de obicei bimetalic, şi al unui limitator de temperatură 4. Căldura degajată de încălzitorul 2 este transmisă corpului caloriferului prin intermediul unui agent lichid (uzual ulei mineral). Funcţionarea caloriferului este semnalizată de lampa 6 conectată în serie cu rezistorul 7.

Prezenţa agentului termic intermediar asigură realizarea unei suprafeţe încălzitoare cu arie relativ mare şi cu temperatură practic constantă, în condiţiile unui pericol redus de incendiu şi cu inerţie termică relativ ridicată.

În mod obişnuit, caloriferele electrice au puteri unitare până la 2,5 kW, sunt alimentate de la reţeaua de 230 V şi pot fi dotate cu programatoare care asigură, pe intervale mari de timp, regimul termic dorit.

Aparatele convective (fig. 4.33) sunt destinate încălzirii prin convecţie naturală în special a unor încăperi cu o izolaţie termică bună. Funcţionează fără zgomot şi asigură o încălzire uniformă în încăpere.

Principalele componente ale aparatului sunt: corpul 1, elementul încălzitor 2 şi sistemul de reglare a temperaturii. Corpul aparatului reprezintă un ecran termic pentru radiaţia termică a încălzitorului, asigurând în acest fel intensificarea proceselor de transfer termic prin conducţie. Pot fi plasate pe podea (fig. 4.33 a)) sau pe perete (fig. 4.33 b)).

Pentru a asigura o circulaţie corespunzătoare a aerului, în interiorul aparatului se realizează un traseu cu rezistenţă aerodinamică minimă.

178


Instalaţiile moderne de încălzire electrică sunt prevăzute cu traductoare plasate în încăpere şi care realizează reglarea puterii absorbite astfel încât să se asigure temperatura impusă. Puterea nominală a acestor instalaţii de încălzit nu depăşeşte 2,5 kW.

Aerotermele sunt aparate electrice de încălzit cu convecţie forţată asigurată de un ventilator (cu putere nominală de circa 40 W) care suflă aer asupra elementelor încălzitoare. Convecţia forţată determină creşterea vitezei de încălzire în încăpere dar poate apărea inconfort determinat de neuniformitatea temperaturii în încăpere şi un nivel ridicat de zgomot.

Pe acelaşi principiu, al convecţiei forţate sunt realizate diferitele tipuri de uscătoare (de păr) utilizate în gospodărie.

Echipamentele pentru încălzirea apei pot fi: cu rezervor (boiler), cu trecere, cu acumulare.Echipamentele pentru încălzirea apei, cu rezervor asigură în mod uzual o

cantitate de 5 60 litri apă, la o temperatură maximă de 85C, într-un interval de timp de 15 30 minute. Echipamentele de acest au o putere nominală de 1 4 kW şi permit menţinerea, pe o durată de 1 2 ore, a temperaturii apei din rezervor.

Echipamentele de încălzire cu trecere asigură încălzirea apei care parcurge circuitul interior al aparatului, până la circa 50C în câteva secunde. Sunt folosite pentru asigurarea apei calde pentru duş sau pentru spălatul vaselor. Aparatele de acest tip au puteri nominale de 4 5 kW.

Echipamentele cu acumulare sunt caracterizate de o izolaţie termică deosebită, astfel că apa caldă din rezervor (aflată la cel mult 85 C) poate fi utilizată pe durata a 24 48 ore (viteza de reducere a temperaturii apei din rezervor este de 0,6 0,7Coră). Capacitatea rezervorului poate atinge 200 litri iar elementul încălzitor cu putere nominală de cel mult 2 kW asigură încălzirea apei din rezervor în 6 7 ore.

Folosirea aparatelor cu acumulare este avantajoasă din punctul de vedere al aplatizării curbei de sarcină din sistemul energetic.Utilizarea contoarelor cu dublu tarif (tarif de zi şi tarif de noapte) încurajează prepararea apei calde în orele de gol de sarcină ale sistemului, în condiţii avantajoase din punct de vedere financiar. De asemenea, este posibil controlul acestor echipamente de către furnizorul de energie prin telecomandă, astfel încât conectarea acestora să fie făcută numai în condiţii avantajoase pentru curba de sarcină.

179

15

2

~ 230 V

3

2 7

4

2

a) b)

Fig. 4.32 Calorifer electric.

a) b)

Fig. 4.33 Aparate convective de încălzit.

1

2 12


Fierul de călcat cuprinde un rezistor cu puterea nominală de 500 1000 W, conectat la reţeaua electrică prin intermediul unui dispozitiv de reglare a temperaturii (de obicei cu bimetal). Pe talpa aparatului temperatura se poate regla între 80C (mătase artificială) şi 250C (ţesături din in).

4.4. Reglarea temperaturii în cuptoarele electrice cu rezistoare

Controlul temperaturii în cuptoarele electrice cu rezistoare are o influenţă deosebită asupra calităţii produselor finale şi asupra consumurilor specifice de energie.

În funcţie de condiţiile specifice procesului tehnologic, în primul rând de variaţiile admise de temperatură în cuptor şi în materialul supus încălzirii, sunt folosite sisteme de reglaj cu acţiune intermitentă sau cu acţiune continuă.

4.4.1. Reglarea intermitentă a temperaturii

Cel mai simplu şi cel mai utilizat sistem de reglare discretă a temperaturii este sistemul bipoziţional, în care alimentarea cu energie electrică a elementelor încălzitoare este conectată şi deconectată succesiv.

Funcţionarea unui sistem bipoziţional de reglare a temperaturii este prezentată în fig. 4.34.

În interiorul cuptorului CR (fig. 4.34 a)) este introdus traductorul termometric T care transmite informaţiile privind temperatura din cuptor către blocul de adaptare BA. În comparatorul C, o tensiune proporţională cu valoarea dorită d a temperaturii, stabilită pe baza programului impus de procesul tehnologic şi controlată de blocul valorilor dorite BVD, este comparată cu o tensiune proporţională cu valoarea reală r a temperaturii în cuptor. Dacă r < d, regulatorul bipoziţional RBP transmite comanda de anclanşare la blocul de reglaj (întreruptorul trifazat de conectare la sursa de alimentare) iar cuptorul absoarbe puterea P. Dacă r > d se transmite comanda de deconectare a întreruptorului. Reglajul se face cu o zonă de insensibilitate care este dată de caracteristica regulatorului (fig. 4.34 b)).

Pe durata procesului de încălzire (fig. 4.34 c)), puterea absorbită de cuptor este P, curentul pe faza A are valoarea iA iar tensiunea u'A la bornele cuptorului este egală cu tensiunea uA la barele de alimentare. La depăşirea valorii dorite d a temperaturii şi a insensibilitătii , are loc deconectarea, curentul electric în circuit este nul iar tensiunea pe barele de alimentare creşte, având în vedere faptul că pe circuitul de alimentare căderea de tensiune (determinată de curentul de sarcină) devine nulă. Consumatorii conectaţi pe aceleaşi bare cu cuptorul pot fi afectaţi de variaţiile tensiunii de alimentare determinate de funcţionarea regulatorului.

Zona de insensibilitate a regulatoarelor bipoziţionale actuale poate fi mai mică de 0,1 0,2C. În general, variaţiile de temperatură din cuptor sunt mult mai mari datorită inerţiei termice relativ mari a traductoarelor de temperatură.

180


Reglajul bipoziţional al temperaturii în cuptoarele electrice este specific încălzirii pieselor termic masive, la care, datorită inerţiei termice, variaţiile de temperatură din cuptor conduc la variaţii mult mai mici ale temperaturii materialului încălzit. La încălzirea pieselor termic subţiri, reglajul bipoziţional este utilizat numai dacă variaţiile de temperatură din cuptor, care corespund şi variaţiei temperaturii materialului, sunt acceptabile din punctul de vedere al procesului tehnologic.

Regulatoarele tripoziţionale permit reducerea limitelor de variaţie ale temperaturii din cuptor prin utilizarea unei trepte intermediare de putere. În instalaţiile reale, cele trei trepte de putere corespund puterii nule (deconectarea de la reţea), puterii absorbite de elementele rezistive conectate în stea şi respectiv puterii absorbite de elementele încălzitoare conectate în triunghi.

În instalaţiile de încălzire cu rezistoare, de putere relativ redusă (până la câţiva kW), mai ales în aparatele electrocasnice, este larg utilizat reglajul temperaturii cu elemente bimetalice. Acestea asigură conectarea şi deconectare datorită deformării elementului bimetalic prin încălzirea sa la trecerea curentului electric. La temperatura

impusă (reglabilă), deformarea elementului bimetalic determină deschiderea unui contact, care direct sau indirect (prin intermediul unui contactor), conduce la

181

ABC

BR

T BA

uθr

RBP

uθd

C

iA

CR

F

3 230/400 V

uA BVD

u’A

a)

0 t1 t

θ

θd

θ0

u, i, P P

0

P

uA = u’A iA Încălzire

Răcire

uA

t

c)

PP

0 d

b)Fig. 4.34 Reglajul bipoziţional al temperaturii din cuptorul electric.


deconectarea de la sursă. La răcirea elementului bimetalic, contactul se reface şi elementul încălzitor este reconectat la sursa de alimentare.

4.4.2. Reglarea continuă a temperaturii

La încălzirea unor piese termic subţiri (benzi, folii) sau dacă se impune o variaţie redusă a temperaturii pieselor încălzite, sunt utilizate sisteme de reglare continuă a temperaturii.

Reglarea poate fi realizată în acest caz utilizând: transformator de alimentare cu prize, comutabile sub sarcină, autotransformator, amplificator magnetic, variator de tensiune alternativă (VTA).Soluţiile moderne folosesc de cele mai multe ori reglajul de temperatură cu

ajutorul variatoarelor de tensiune alternativă (fig. 4.35).Traductorul termometric T (fig. 4.35 a)) măsoară temperatura din interiorul

cuptorului CR şi prin intermediul blocului de adaptare BA transmite această informaţie la comparatorul C sub forma unei tensiuni Ur proporţională cu temperatura reală r. Valoarea Ur se compară cu tensiunea Ud care corespunde temperaturii dorite d

rezultată din necesităţile procesului tehnologic. Diferenţa celor două tensiuni se transmite regulatorului R (de tip P, PI sau PID). La ieşirea acestuia se obţine semnalul pentru comanda blocului BC care asigură modificarea unghiului de intrare în conducţie a tiristoarelor din schema variatorului de tensiune alternativă.

Reglajul asimetric (fig. 4.35 b)) deşi prezintă o schemă de comandă simplă, este limitat până la puteri de 10 kW (în construcţia trifazată a cuptorului) având în vedere spectrul important al armonicilor de curent electric şi deci costul ridicat al instalaţiilor de limitare a perturbaţiilor transmise în reţeaua electrică de alimentare. Analiza curbelor de variaţie a nivelului armonicilor principale în funcţie de unghiul de intrare în conducţie a tiristoarelor pune în evidenţă faptul că acest sistem de reglare este însoţit de perturbaţii reduse ale reţelei electrice numai în zona unghiurilor mici de reglaj (până la circa /12). De asemenea, se observă că armonica fundamentală i1 a curentului electric iA este defazată cu un unghi 2 faţă de tensiunea aplicată, practic sinusoidală uA.

Valoarea efectivă I a curentului electric (valoare care determină puterea disipată în elementele de încălzire şi deci temperatura acestora) rezultă din relaţia:

(4.69)

Din relaţia (4.69) rezultă:

, (4.70)

sau

182


(4.71)

Variaţia valorii efective a curentului electric I în circuit, raportată la valoarea maximă Imax , în funcţie de unghiul de intrare în conducţie , determinată din relaţia (4.71), este indicată în figura 4.36.

Pentru puteri instalate în cuptor peste 10 kW, se foloseşte reglajul simetric (fig. 4.35 c)) caracterizat prin faptul că armonica fundamentală a curentului electric i1 este

183

uA

iA uA iA

iA1

0 α π 2π 3π ω1t

Ik/I1

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 α (grade)

k = 1

k = 3

k = 5k = 7

b)

uA

iA uA iA

iA1

0 α πα 2π 3π ω1t

Ik/I1

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

k = 1

k = 3k = 5

k = 7

10 20 30 40 50 60 70 80 α (grade)c)

Fig. 4.35 Reglajul continuu al temperaturii cuptorului electric cu rezistoare.

ABC

DR

T BA

uθr

Rθ

uθd

C

a)

BC

iA

F

CR

3 230/400 V; 50 Hz

uA

Rh

u’A

θr

(0, )

(0, /2)


în fază cu tensiunea aplicată (în fig. 4.35 c)) mărimile electrice se referă la faza A). În domeniul de reglaj al unghiului de intrare în conducţie până la 30, armonicile de curent au un nivel relativ redus.

Pentru limitarea în continuare a conţinutului de armonici al curentului electric absorbit, se foloseşte reglajul cu durată variabilă a pulsurilor PWM (Pulse Width Modulation) în care valoarea efectivă a curentului electric este reglată prin modificarea duratei t în care tiristoarele din schemă sunt în conducţie (fig. 4.37).

Componenta fundamentală i1 a curentului electric iA este în fază cu tensiunea aplicată uA iar armonicile superioare au o pondere redusă, practic independent de valoarea efectivă a curentului electric în circuit. Deşi mai scumpă decât schemele cu reglaj nesimetric şi simetric, schema de reglaj PWM are o pondere importantă în sistemele de reglare a temperaturii în cuptoarele electrice moderne.

4.5. Încălzirea cu radiaţii infraroşii

4.5.1 Introducere Încălzirea cu radiaţii infraroşii (RI) este o variantă a încălzirii indirecte cu

rezistoare la care căldura este transmisă prin radiaţii electromagnetice aparţinând unor benzi de lungimi de undă precis determinate. Corpul iradiat absoarbe o parte a radiaţiilor şi îşi ridică temperatura pe baza energiei acestora. Trebuie menţionat că efectul radiaţiilor infraroşii este pur termic (fizic) şi că, spre deosebire de alte radiaţii (ultraviolete, radiaţii vizibile cu lungime de undă mică etc.), ele nu pot iniţia direct reacţii chimice. Creşterea temperaturii determinată de RI poate stimula sau accelera procese cum ar fi oxidarea, polimerizarea etc.

Deşi spectrul RI este cuprins între 0,76 şi 100 m, în aplicaţiile industriale nu se utilizează radiaţii având > 10 m deoarece odată cu creşterea lungimii de undă, radiaţiile sunt puternic absorbite de aer. Pe de altă parte, majoritatea materialelor sticloase (inclusiv cuarţul) şi apa sunt aproape opace pentru > 5 m, iar RI cu > 10 m corespund radiaţiei de fond a mediului înconjurător. Domeniul 0,76 10 m este împărţit în trei benzi [4.7]:

RI scurte (A), cu = 0,76 2 m (1,4 m); RI medii (B), cu = 2 4 m (1,4 3 m); RI lungi (C), cu = 4..10 m (3 10 m).Încălzirea cu radiaţii infraroşii îşi găseşte utilizarea în procese care necesită

cantităţi precise de energie radiantă, de obicei cu lungimi de undă determinate şi care pot fi direcţionate spre obiectul de încălzit, evitându-se astfel încălzirea aerului sau a altor părţi din echipament (tabelul 4.3). Avantajele acestui procedeu sunt:

184

0,8

0,6

0,4

0,2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 [°]

Fig. 4.36 Variaţia valorii efective a curentului electric în circuit, în funcţie de unghiul de intrare

în conducţie.


randament ridicat, determinat pe de o parte de randamentul surselor de RI iar pe de altă parte de modalitatea transmiterii energiei între sursă şi corp;

inerţie termică redusă şi viteză mare de creştere a temperaturii; posibilitatea obţinerii unor densităţi de putere ridicate şi deci a reducerii duratei

procesului de încălzire şi a pierderilor termice; încălzire omogenă datorită penetrării RI

(deşi aceasta este limitată la câteva zecimi de mm);

productivitate ridicată; condiţii de curăţenie şi siguranţă a

exploatării; instalaţii de încălzire relativ simple şi

ieftine, permiţând modificări constructive uşor de realizat;

reglarea temperaturii se poate face continuu şi precis, cu timpi morţi reduşi.

De asemenea, sursele electrice de RI prezintă avantaje suplimentare faţă de sursele neelectrice de RI:

o varietate mai mare a surselor, atât din punctul de vedere al puterilor cât şi al domeniilor de lungimi de undă;

randament general mai ridicat; intrare şi ieşire din funcţiune practic instantanee; întreţinere redusă şi absenţa poluării;

Tabelul 4.3

Domeniile de utilizare a încălzirii şi uscării cu radiaţii infraroşii [4.8]

Domeniul de utilizare Puterea specifică necesară [kWm2] sau consumul specific de energie electrică [kWhkg]

Uscarea suprafeţelor vopsite 5 15 kWm2

Uscarea hârtiei şi cartonului 3 20 kWm2

Uscarea materialelor textile 1,4 1,8 kWhkg, apă eliminatăUscarea materialelor ceramice şi minerale 0,2 0,3 kWhkgUscarea miezurilor de turnătorie 0,1 0,25 kWhkgUscarea produselor agricole (furaje, cereale, seminţe)

0,15 0,20 kWhkg

Uscarea legumelor şi fructelor 0,7 2 kWhkgUscarea făinii şi a pastelor făinoase 0,28 0,38 kWhkgUscarea pielăriei şi încălţămintei 0,7 1 kWhkgÎncălzirea cauciucului şi a materialelor impregnate

0,5 0,6 kWhkg

Coacerea pâinii, biscuitilor 5 20 kWm2

Prăjirea cărnii 40 kWm2

4.5.2. Surse electrice de radiaţii infraroşii

Sursele de RI fabricate în prezent corespund celor 3 domenii precizate mai sus şi sunt în exclusivitate radiatoare termice ce utilizează efectul Joule al curentului electric

185

ui

t

uA

iA

i1

t

Fig. 4.37 Reglarea cu durată variabilă a pulsurilor de curent electric (PWM).


care parcurge un element rezistiv. Temperatura de lucru poate fi calculată cu legea lui Wien; se recomandă însă ca sursele RI scurte şi medii să lucreze la o temperatură puţin mai ridicată decât cea obţinută din relaţia (3.87) pentru valoarea superioară a benzii de lungimi de undă, în timp ce pentru sursele de RI lungi, temperatura va fi puţin mai mică decât valoarea corespunzătoare valorii inferioare a benzii.

4.5.2.1. Surse de radiaţii infraroşii scurte

Sursele din această categorie derivă direct din lămpile electrice cu incandescenţă la care s-a realizat creşterea ponderii RI prin scăderea temperaturii filamentului.

a) Lămpile cu incandescenţă pentru RI (fig. 4.38) au filamentul din wolfram încălzit la o temperatură de 2100 2450 K, ceea ce corespunde unei max = 1,2 1,4 m. Balonul poate fi clasic (din sticlă clară sau colorată) sau de formă parabolică, prevăzut în interior cu un reflec-tor aluminizat (calota este mătuită în scopul realizării unei distribuţii uniforme a energiei radiate). Lămpile cu incandescenţă pentru RI au puteri unitare mici, în general între 35 şi 1000 W la tensiuni de 230 sau 120 V (tabelul 4.4).

b) Lămpile tubulare cu cuarţ transparent constau dintr-un tub din cuarţ umplut cu gaz inert (la care poate fi adăugat un halogen) în care se află un filament longitudinal simplu sau dublu spiralat din wolfram

încălzit la temperaturi de 1700 3000 K. Lămpile au lungimi de 0,2 2 m şi puteri specifice de 13 320 Wcm liniar (tabelul 4.5), fiind prevăzute cu reflectoare interne sau montate în reflectoare externe pentru concentrarea energiei radiate (fig. 4.39). În fig.4.39 sunt indicate două tipuri de lămpi tubulare cu cuarţ transparent a) şi b) şi este indicată zona de transmitere a RI.

În general se lucrează cu max = 1 1,3 m (fig. 4.40 şi fig. 4.41) şi iluminări termice de 50 300 kWm2. În cazuri speciale (depunerea epitaxială în microelectronică sau testarea materialelor), se ajunge la 1800 kWm2, dar cu reducerea duratei de viaţă a sursei.

Sursele de RI scurte sunt adaptate încălzirii materialelor mai groase (câţiva mm), asigurându-se o încălzire omogenă pe întreaga grosime fără supraîncălziri superficiale excesive. De asemenea, au fost realizate o serie de variante constructive adaptate unor aplicaţii speciale cum ar fi: lămpi cu filtru de joasă presiune, cu filament segment, cu înveliş dublu, lămpi circulare etc. [4.9].

Tabelul 4.4Lămpi cu incandescenţă pentru RI

186

2

D

1

45

3

Fig. 4.38 Construcţia unei lămpi cu incandescenţă pentru

RI:1 calotă mătuită; 2 reflector; 3 filament; 4 suport din sticlă;

5 soclu.

L


Tipulsursei

Produ-cător

Putere

W

Tensiune,

V

Durată medie de

viaţă, h

Dimensiuni Soclu

Poziţia de

mon-tare

Balon

Lmm

Dmm

IRELV- SICCA

OSRAM

250110130

5000 185 127 E27 mat

IRE- SICCA 220250

INFRA SEC

TUNGSRSRAM

150

230240

5000 180

125

E27

UNIV ERSA LA

clar 250 150

B22d 250

INFRA TIN

150 E27

mat 250 150

B22d 250 INFRARUBIN

150 2500 132 95 E27

Rubin

Sticlăpresată

150

5000

180

136

125

122

250 150

B22d

E27

250INFRAPAR 150

LI ROM- LUX

250 220230 163 125 E27 mat

Tabelul 4.5Lămpi tubulare cu cuarţ transparent pentru RI

Tipulsursei Halo term

Produ-cător Putere

W

Ten-siune

V

Durata medie

deviaţă

h

DimensiuniSoclu Fig.

Poz. demon-tare

L1

mmD

mmL2

mm

H200

OS RAM

200

240 5000

185,7

10

115

R7s

4.39 a) Oriz.15°

H350 350

H500 500

250,7 167H700

k 700

H700 l 700

327,4 260H1000 1000

SHR1K 1000 240

7000

348

22,5 307,5 Cablat 4.39 b) Oriz.SH

15KD 1500220240

SHR2K 2000 240

4.5.2.2. Surse de radiaţii infraroşii medii

187


Sursele din această categorie utilizează filamente metalice încălzite la temperaturi cuprinse între 1000 şi 1600 K. Ele sunt plasate în tuburi şi panouri din silică, cuarţ opac sau metal, putând fi în contact direct cu aerul (nu se oxidează datorită temperaturii de încălzire relativ scăzute) sau introduse în pulberi izolante pentru a evita atingerile directe. Filamentele se confecţionează din kanthal (67% Fe, 25% Cr, 5% Al, 3% Co) sau aliaje Ni-Cr, numai aproximativ 1% din energia emisă aparţinând spectrului vizibil. Acesta este motivul pentru care sursele de RI medii se numesc surse incandescente. Există practic patru categorii de surse de RI medii:

radiatoare cu filament deschis; lămpi tubulare din sticlă sau cuarţ opac; panouri radiante; radiatoare tubulare metalice.a) Radiatoarele cu filament deschis constau dintr-un filament din kanthal, spiralat

pe un suport ceramic în formă de disc sau baghetă; temperatura de lucru este 900 1100 K;

b) Lămpile tubulare din silică sau cuarţ opac au filamentul din kanthal încălzit la temperaturi de 1300 1620 K şi introdus într-un tub care absoarbe radiaţia emisă, având rolul de radiator secundar, cu emisie RI în limitele 2 3 m. Deoarece tubul nutrebuie etanşat, construcţia sursei este mult simplificată, cu efecte benefice asupra costului; puterile liniare sunt de circa 30 Wcm (tabelul 4.6);

c) Panourile radiante (fig.4.42), utilizează filamente încălzite la 1000 1300 K şi au puteri de 800 1600 W (1,2 2,5 Wcm2 sau chiar mai mari).

Tabelul 4.6Tuburi din silică pentru RI medii

Lungime , mm 800 1000 1200 1500 1800 2500Putere , W 2650 3300 4000 5000 6000 7600Tensiune , V 230 230 400

d) Radiatoarele tubulare metalice (fig. 4.43), au filamentul introdus într-o ţeavă din metal refractar (CrNi sau oţel refractar, = 8 12 mm) umplută cu un praf (oxid de magneziu) bun izolator electric dar bun conducător de căldură. Filamentul lucrează

188

AD

L

DL1

L2

15°

a) b) c)

Fig. 4.39 Lămpi tubulare cu cuarţ transparent.


la 700 900 K (uneori 1100 K) şi încălzeşte prin conducţie tubul care emite la o temperatură de 700 K (maxim 800 K). Datorită acestei temperaturi (care în unele procese scade la 600 K), o mare parte din energie (30 70%), în funcţie de temperatură) este radiată în zona RI lungi (de fapt radiatoarele metalice sunt încadrate în această categorie).

Deşi sursele RI medii se caracterizează prin puteri specifice mai mici decât ale surselor de RI scurte, acestea sunt de 4 5 ori mai mari decât cele caracteristice încălzirii prin convecţie. De asemenea, ele sînt perfect adaptate proceselor industriale de uscare deoarece apa are o valoare ridicată a coeficientului de absorbţie pentru = 3 m.

4.5.2.3. Surse de radiaţii infraroşii lungi

În această categorie intră radiatoarele ceramice şi panourile radiante din sticlă electroconductivă, care se numesc şi „radiatoare întunecate” deoarece nu radiază în domeniul vizibil.

a) Radiatoarele ceramice au elementul rezistiv din aliaj Ni-Cr înglobat într-un înveliş ceramic cu rol de radiator secundar. Acesta este acoperit cu un email şi lucrează la temperaturi de 600 1000 K, avînd max = 3 5 m şi puteri de 15 40 kWm2. Forma radiatorului este dreptunghiulară, pătrată sau chiar circulară cu P = = 100 1000 W şi aria A = 50 150 cm2.

b) Panourile radiante din sticlă electroconductivă au ca element încălzitor un strat metalic depus pe o parte a unei plăci din sticlă (fig. 4.44). Temperatura de lucru variază între 250 şi 700 K, în funcţie de tipul sticlei şi se lucrează cu puteri specifice de 1 3 Wcm2, max = 4,5 m.

189

p

0,2 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,4 2,6 3 [m]

Fig. 4.40 Repartiţia puterii spectrale p [(W/m2)/m] a lămpilor tubulare cu cuarţ transparent.

0,97 m

3000 K2800 K

2400 K

1,21 m

1,03 m

p

[%] 80

60

40

20

0,25 0,5 1,0 1,5 2,0 [m]

Fig. 4.41 Repartiţia puterii relative spectrale p a surselor de tip HALOTERM.


La încălzirea cu RI lungi, aproximativ jumătate din energie este transmisă prin convecţie; sursele oferă totuşi puteri specifice de 2 4 ori mai mari decât la încălzirea clasică prin convecţie.

O analiză comparativă a principalelor caracteristici ale surselor de RI este dată în tabelul 4.7.

4.5.2.4. Reflectoare pentru surse de RI

În scopul concentrării radiaţiilor emise în zone din spaţiu precis determinate, fapt care îmbunătăţeşte randamentul încălzirii şi adaptabilitatea surselor, sursele de RI sunt prevăzute cu radiatoare interne sau se introduc în radiatoare externe.

Tabelul 4.7.

Principalele caracteristici ale surselor de RI [4.10]

Domeniul de radiaţie RI scurte RI medii RI lungi

Tipul surseiLampa

cu incan-descenţă

Tuburicu

cuarţ

Tuburicu

cuarţ

Panouriradiantedin silică

Panouriradiantemetalice

Panouriradiante

din pyrex

Ele-mente cera-mice

Temperatura de lucru,C 2000 2200 1050 650 750 350

300700

Lungimea de undă corespunzătoare emi-tanţei monocromaticemaxime, m

1,4 1,2 2,2 3,5 2,8 4,6 35

Densitatea de putereinstalată maximă,kWm2

10 300 70 25 40 15 40

Inerţia termică 1 s 1 s 30 s 2 min 2 min 5 min 5 minDurata medie de viaţă, ore

3000 5000

5000.. 10000 ani ani ani ani

Energia transferată prin radiaţie directă ca procent din energia emisă, %

75 80 60 50 55 45 50

Temperatura maximăa produsului încălzit,C

300 600 500 450 400 250 500

Radiaţia reflectată deproduse

mare, izolaţienecesită termică

mică mică

Pătrunderea radiaţiei adecvată medie mică

190

6

5

4

2

3

1

Fig. 4.42 Panou radiant din silică:1 strat din silică; 2 filament; 3 strat

reflector; 4 suport ; 5 izolaţie termică;6 înveliş metalic.


Prima soluţie se aplică la lămpile cu incandescenţă şi la anumite variante de surse tubulare sau panouri radiante şi constă din depunerea unui strat metalic (aluminiu sau aur) pe pereţii emitorului.

Radiatoarele externe se utilizează pentru radiatoarele tubulare şi sunt confecţionate din aluminiu, oţel inoxidabil sau material ceramic pe care se depune un strat din material cu bune proprietăţi reflectante (fig. 4.45). Cele mai utilizate sunt aluminiul depus electrochimic şi aurul, deoarece factorul de reflexie pentru argint şi cupru scade aproape la zero la temperaturi mai ridicate.

Din punct de vedere al formei constructive, se deosebesc următoarele tipuri de reflectoare (fig. 4.46):

plate, utilizate pentru iradierea uniformă a unor suprafeţe mari;

parabolice, care asigură iradierea uniformă a unor suprafeţe mai mici, precis determinate;

eliptice, care concentrează radiaţiile în zone foarte mici.

4.5.3. Construcţia instalaţiilor de încălzire cu radiaţii infraroşii

Instalaţiile de încălzire cu RI sunt de o mare diversitate, atât din punct de vedere al puterilor instalate (de la câteva zeci de watt la peste 1 MW) cât şi al formelor constructive şi al aplicaţiilor.

4.5.3.1. Panouri radiante

În majoritatea aplicaţiilor industriale, sursele de RI se amplasează sub forma unor panouri radiante care prin suprapunerea câmpurilor termice ale radiatoarelor individuale asigură iluminări termice uniforme şi de valoare ridicată (fig. 4.47). Eliminarea efectelor de margine este posibilă prin utilizarea ecranelor reflectoare, aşezarea oblică a radiatoarelor marginale ale panoului, prevederea zonelor marginale cu surse de putere mai mare etc.

191

3 2 1

Fig. 4.43 Radiatoare tubulare metalice:1 tub metalic; 2 masă izolantă; 3

filament.

3

21

4

5

Fig. 4.44 Panou radiant din sticlă:1 element de încălzire din sticlă;

2 strat metalic; 3 reflector metalic;4 contact electric; 5 strat de protecţie.


Într-un panou radiant, sursele circulare sunt amplasate în vârfurile unor pătrate sau triunghiuri echilaterale, radiatoarele tubulare sunt aşezate în şiruri paralele, în timp ce radiatoarele de tip panou din sticlă sau ceramică se montează alăturat pentru a se obţine panouri de dimensiunile dorite.

Utilizarea panourilor radiante permite orientarea precisă a energiei emise, deplasarea facilă a instalaţiilor de încălzire în diferite locuri (pentru cuptoare deschise) şi modificarea rapidă a formei (pentru diferite aplicaţii) la cuptoarele închise.

4.5.3.2. Instalaţii de încălzire de tip deschis

Constau din una sau mai multe surse de RI, amplasate individual sau în panouri radiante, orientate spre corpul care trebuie încălzit (fig. 4.48); se caracterizează prin simplitate constructivă, greutate redusă şi absenţa problemelor legate de răcirea

192

[%] 80

60

40

20

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 [m]

Fig. 4.45 Valoarea factorului de reflexie pentru unele metale (la temperatura camerei).

Ag Au Cu Al Ni Fe

Ir

x x x a) b) c)

Fig. 4.46 Forma constructivă şi repartiţia intensităţii radiante a reflectoarelor pentru surse de RI:

a) plate; b) parabolice; c) eliptice;1 reflector; 2 sursa de RI; 3 corpul reflectorului.

12

3

Ir

1 1

3 3

2 2

Ir


surselor. Principalul dezavantaj este scăderea randamentului global, determinată de pierderile prin reflexie pe suprafaţa produsului (energia care nu este radiată direct pe suprafaţa corpului de încălzit este de asemenea pierdută).

4.5.3.3. Instalaţii de încălzire de tip închis

Instalaţiile de încălzire de tip închis se mai numesc cuptoare cu RI datorită asemănării constructive cu cuptoarele clasice cu rezistoare. Forma lor este însă puternic dependentă de forma încărcăturii (fig. 4.49), iar pereţii nu trebuie construiţi să reziste la temperatura piesei deoarece aerul din interiorul cuptorului are temperaturi mult mai mici. Prin urmare, aceste instalaţii sunt mai uşoare şi mai ieftine decât cuptoarele clasice.

Pe de altă parte, pereţii absorb radiaţia reflectată de produs şi devin radiatoare secundare (în majoritatea cazurilor emit RI lungi); prin urmare, iradierea piesei este asigurată atât de sursă (conform spectrului acesteia) cât şi de pereţi. Pentru un cuptor dat, distribuţia puterilor între cele două surse se poate modifica de la un produs la altul. De asemenea, acest sistem permite utilizarea surselor de RI scurte (cu densitate de putere ridicată şi inerţie redusă) pentru încălzirea produselor cu absorbţie redusă în zona = 0,8 2 m.

Cuptoarele cu RI sunt în general cu acţionare continuă, materialele de încălzit fiind transportate cu benzi sau alte mecanisme; în industria textilă sau a hârtiei, banda rulantă este formată din chiar materialul ce trebuie încălzit.

Deoarece temperatura pereţilor depăşeşte doar rareori 700 K, aceştia se confecţionează din două straturi metalice (cel exterior din oţel sau aluminiu, iar cel interior din aluminiu) între care rămâne aer sau se introduce un material termoizolant cu grosime de 4 5 cm.

Factorul de reflexie ridicat al pe-retelui interior serveşte atât la creşterea

193

Fig. 4.47 Panouri radiante cu surse circulare a), tubulare b) şi panou c).

a) b)c)

1

23

1

a)

1

1

2

c)

1

2

1 1

2 b) d)

Fig. 4.48 Instalaţii de încălzire de tip deschis:a), b) pentru piese plane; c), d) pentru piese

cilindrice;1 panou radiant; 2 piesă; 3 sistem de antrenare.


randamentului instalaţiei cât şi la reducerea temperaturii peretelui exterior. Radiatoarele sunt astfel montate încât soclurile surselor şi conductelor de legătură să se găsească între cei doi pereţi. Uneori prin menţinerea unei suprapresiuni, aceste părţi sunt răcite concomitent cu operaţia de ventilare a cuptorului (fig. 4.50).

O problemă tipică pentru cuptoarele cu RI o constituie ventilarea acestora, deoarece în urma proceselor de încălzire se degajă cantităţi mari de vapori, gaze inflamabile etc. Energia pierdută prin ventilare este totuşi de circa 3 ori mai mică decât la cuptoarele clasice datorită temperaturii reduse a aerului din cuptor. La instalaţiile moderne, o parte din această energie este recuperată prin schimbătoare de căldură sau prin utilizarea ei la preîncălzirea produselor înainte de intrarea în cuptor.

4.5.4. Reglarea procesului de încălzire

Reglarea procesului de încălzire poate fi realizată prin modificarea puterii cuptorului, modificarea timpului de expunere şi prin modificarea distanţei dintre sursă şi produs.

Modificarea puterii reprezintă metoda cea mai utilizată şi permite obţinerea unor rezultate remarcabile în cazul încălzirii cu RI scurte, domeniu în care sursele au o inerţie termică redusă. Procesul de control poate fi realizat manual sau automat prin mai multe procedee (fig. 4.51):

modificarea numărului de surse, care poate afecta uniformitatea iluminării termice dar menţine constantă temperatura filamentelor şi deci max (fig. 4.51 a));

modificarea în trepte a tensiunii pe sursă (modificarea tensiunii de alimentare, modificarea conexiunilor serie - paralel între faze sau între fază şi nul sau combinaţii ale celor două) fig. 4. 51 b) şi fig. 4. 51 c);

modificarea continuă a tensiunii pe surse prin utilizarea transformatoarelor cu variaţie continuă sau a variatoarelor statice de tensiune alternativă (fig. 4.51 d) şi e)).

194

124

4

12

32

1

4

a) b) c)

Fig. 4.49 Instalaţii de încălzire de tip închis:a); b) pentru piese cilindrice; c) pentru piese plane;

1 sursele de RI; 2 corpul incintei; 3 ventilator; 4 piesa.


Un dezavantaj major al ultimelor două metode îl constituie modificarea temperaturii filamentului şi deci modificarea distribuţiei spectrale a energiei radiatecare poate avea consecinţe importante asupra absorbţiei RI. Aspectul menţionat, corelat cu costul echipamentelor de variaţie continuă, face ca aceste soluţii să fie adoptate numai în cazul imposibilităţii aplicării soluţiei de modificare în trepte a puterii. 4.5.5. Proiectarea instalaţiilor de încălzire cu radiaţii infraroşii

Proiectarea unei instalaţii de încălzire cu RI este o operaţie dificilă deoarece alegerea corectă a soluţiei depinde de foarte mulţi factori: cantitatea materialului, durata şi temperatura de încălzire, căldura de vaporizare a lichidelor din material etc.; de asemenea, randamentul global al instalaţiei este influenţat de valoarea factorului de absorbţie, de pierderile secundare prin radiaţie, conducţie şi convecţie precum şi de pierderile prin ventilaţie (acolo unde este cazul).

Activitatea de proiectare constă dintr-un calcul termic general prin care se determină cantităţile de căldură necesare, executarea pe această bază a unei instalaţii

195

1 12

a)2

1

b)

Fig. 4.50 Realizarea cuptoarelor cu pereţi dubli:

a) cu lămpi; b) cu radiatoare tubulare;1 sursa de RI; 2 corpul surselor.

F

Na)

F

N170 W

F

N250 W

F

N750 W

F

N1000 W

F

N1500 W

b)

F

N

T

c) d) e)

Fig. 4.51 Reglarea puterii surselor de RI:a) cu comutatoare; b) prin conectarea adecvată a trei surse de putere egală (500 W);

c) cu transformator cu prize; d) cu autotransformator; e) cu variator de tensiune alternativă VTA.

F

N

AT

F

N

VTA


de probă pentru verificarea şi corectarea datelor obţinute şi calculul final al instalaţiei industriale. În general se parcurg următoarele etape [4.3]:

a) Alegerea domeniului de RI se bazează pe proprietăţile chimice şi fizice care determină spectrul de absorbţie în infraroşu al produsului, fiind de dorit ca radiaţia emisă să aibă un maxim de emisie pe lungimi de undă în zona valorii maxime a factorului spectral de absorbţie (fig. 4.52). În practică trebuie luate însă în considerare şi alte aspecte:

modificarea culorii produsului, prezenţa produselor cu culori diferite sau existenţa unor învelişuri cu caracteristici de absorbţie diferite, favorizează utilizarea RI lungi unde absorbţia este mai puţin selectivă decât în cazul RI scurte;

produsele cu formă neregulată se încălzesc mai uniform prin RI lungi unde aportul încălzirii prin convecţie este uneori substanţial;

densităţi ridicate de putere se obţin mai uşor cu surse de RI scurte;

sursele de RI scurte, cu inerţie termică redusă, reduc riscul unor supraîncălziri în

cazul defectării sistemelor de transport.b) Stabilirea cantităţii totale de căldură Q necesare în cazul general când

materialul de încălzit conţine şi lichide care trebuie eliminate se face pe baza relaţiei

, (4.72)

în care

. (4.73)

În relaţia (4.73), Qs este căldura necesară încălzirii solidului;Căldura Ql necesară încălzirii lichidului este:

, (4.74)

iar căldura Qe necară evaporării lichidului rezultă:

(4.75)

În relaţiile (4.72 4.75) s-au utilizat următoarele notaţii: ms, ml sunt masa solidului, respectiv lichidului; cs, cl căldura masică a solidului, respectiv a lichidului; f, e, i temperatura finală, de evaporare, respectiv iniţială; s, l factor de absorbţie în infraroşu ai solidului, respectiv lichidului;

196

a

0,8

0,6

0,4

0,2

0 1,6 3,2 4,8 6,4 8,0 [m]

Fig. 4.52 Acordarea caracteristicilor sursei RI (curba 2) cu spectrul de absorbţie al

produsului (curba 1).

1

2


cv căldura latentă de vaporizare a lichidului; randamentul cuptorului, pentru care în general se ia valoarea de 0,5.c) Timpul de încălzire tî este dat iniţial sau se calculează cu relaţia:

ît = Q

E A, (4.76)

în care E este iluminarea termică necesară (tabelul 4.3), iar A este aria suprafeţei iradiate.

d) Numărul radiatoarelor rezultă din relaţia:

n = Q

P tr î, (4.77)

în care Pr este puterea unui radiator tipizat. Numărul radiatoarelor şi dimensiunile piesei sau ale cuptorului, permit determinarea numărului de panouri radiante necesare.

e) Pe baza calculelor efectuate se construieşte un panou radiant la care, prin măsurări experimentale asupra câmpurilor de temperatură obţinute, se determină modul de amplasare a surselor, distanţele d dintre acestea (fig. 4.53) şi distanţa h dintre radiatoare şi materialul încălzit. Experienţa acumulată recomandă d = (0,5 1)h necesară pentru realizarea uniformităţii câmpului termic (min = (0,6 0,8)max).

f) Pe baza datelor experimentale se face proiectarea finală a cuptorului, fază în care se pot efectua calcule mai exacte asupra pierderilor termice prin convecţie, conducţie şi ventilare.

4.5.6. Aplicaţii industriale ale încălzirii cu radiaţii infraroşii

Primele aplicaţii industriale ale RI au apărut în anul 1935 pentru uscarea lacurilor şi vopselelor în industria automobilelor. În prezent, RI joacă un rol important într-o mare diversitate de procese industriale în care se cere încălzirea la suprafaţă sau în volum a diferitelor materiale. Acest procedeu este deosebit de eficient în procesarea materialelor de grosime mică, care pot fi iradiate simultan pe o mare suprafaţă. Principalele domenii de aplicare sunt:

197

d

d d

dd

a) b)

Fig. 4.53 Panou radiant cu radiatoare circulare aşezate în linie a) şi în şah b).


uscarea, arderea sau polimerizarea straturilor de protecţie sau ornamentale depuse pe diferite suporturi: grunduri, vopsele sau emailuri pe metal, lemn, sticlă sau hârtie; depuneri pe piele brută sau prelucrată; acoperiri cu PVC sau cauciuc; straturi de teflon pe ustensile casnice; tehnologia componentelor integrate (creşteri epitaxiale) etc.;

deshidratări şi uscări parţiale pentru: hârtie, textile, forme de turnare, obiecte metalice după spălare şi clătire, cerneluri şi acuarele, frunze de tutun, produse farmaceutice etc.;

încălziri diverse: încălzirea materialelor plastice şi a sticlei înainte de turnare, încălzirea metalelor pentru diferite tratamente termice, arderea smalţului, pasteurizarea şi sterilizarea produselor alimentare, sterilizarea ambalajelor, topirea cositorului etc. [4.11].

Ca exemplu, în figura 4.54 este indicată distribuţia spaţială a câmpului termic pe suprafaţa unui material supus încălzirii cu RI, pentru cazul a două surse RI plasare la distanţa d şi la înălţimea h deasupra materialului (temperaturile sunt măsurate în planul care trece prin sursele RI).

a) Procese de încălzireÎncălzirea cu RI este frecvent utilizată în

etapele iniţiale ale proceselor de acoperire a diferitelor suprafeţe cu scopul de a reduce durata procesului, a îmbunătăţi calitatea sau pentru realizarea ambelor aspecte; astfel de operaţii sunt frecvent întâlnite în industria construcţiilor de maşini.

Un alt scop al încălzirii cu RI îl poate constitui producerea unor reacţii chimice în impurităţi: astfel, pentru înlăturarea fibrelor vegetale din lână, aceasta este tratată într-o baie de acid şi apoi supusă unei încălziri rapide cu RI. Se obţine în acest fel o car-

bonizare rapidă a impurităţilor vegetale care pot fi îndepărtate prin spălare, fără ca lâna să fie afectată.

O aplicaţie modernă o reprezintă utilizarea RI în procesele de creştere epitaxială caracteristice tehnologiilor microelectronice actuale. Aici substratul din Si este încălzit la 1500 K într-o incintă vidată, asigurându-se astfel descompunerea tetraclorurii de siliciu (SiCl4) în elementele componente: siliciul se depune pe substrat, respectând structura cristalină a acestuia, iar clorul gazos este eliminat.

b) Procese de uscareUscarea reprezintă cea mai răspândită aplicaţie a RI în industrie, fiind utilizată

pentru eliminarea excesului de umiditate sau pentru evaporarea solvenţilor organici în procesele de acoperire.

198

d

[°C]

[°C]h max

min

200

100

200

1002(y)1(y)

yx

Fig. 4.54 Repartiţia spaţială a câmpului termic la încălzirea cu RI.


Deshidratarea este întâlnită în industria alimentară pentru tratarea cărnii, legumelor, cafelei, ceaiului sau tutunului, dar şi în industria textilă, ceramică, a pielăriei sau a hîrtiei. În industria hîrtiei, de exemplu, radiaţiile infraroşii se utilizează tot mai mult pentru uscarea finală ce urmează uscării cu aburi.

Evaporarea solvenţilor organici prin încălzire cu RI este, de asemenea, mult utilizată în diferite sectoare industriale pentru uscarea vopselelor, lacurilor, emailurilor, adezivilor sau cernelii. În multe situaţii, procesele de uscare sunt urmate de procese de coacere sau alte tratamente termice.

c) Coaceri şi durificăriAceste procese se caracterizează prin faptul că ridicarea temperaturii este

asociată cu modificări chimice în material, cel mai des fiind vorba de polimerizări. Ca urmare, depunerile devin dure şi deci mai rezistente la solicitările mecanice sau chimice; în acelaşi timp, aspectul lor se îmbunătăţeşte.

O aplicaţie tipică o reprezintă vopsirea automobilelor. Grosimea stratului depus (20 50 m) permite încălzirea stratului metalic de bază, care apoi încălzeşte dinspre interior stratul de vopsea. Acest proces măreşte viteza de evaporare a solventului şi datorită conductivităţii termice a stratului metalic, asigură o bună egalizare a temperaturilor. Puterea instalată variază între 20 şi 100 kWm de cuptor (tunel) şi trebuie avut grijă de faptul că valoarea factorului de absorbţie depinde de culoare ( = 0,86 pentru culoarea neagră, dar numai 0,48 pentru culoarea albă).

d) Înmuieri şi topiriSunt aplicaţii tipice pentru industria maselor plastice, unde foliile de material

sunt frecvent înmuiate prin încălzire la circa 400 K înainte de tăiere şi fasonare. Anumite materiale plastice (poliesterul de exemplu) sunt transparente pentru radiaţiile vizibile dar devin opace pentru radiaţiile infraroşii. Astfel, prin alegerea corespun-zătoare a lungimii de undă, adâncimea de pătrundere poate fi exact controlată şi deci şi procesul de încălzire.

Încălziri cu RI în acelaşi scop pot fi întâlnite însă şi la materiale metalice (500 K la plăci din Al, oţel sau titan înainte de tăiere sau 1300 K la plăci din oţel, înainte de roluire).

RI se mai utilizează în tehnologia circuitelor imprimate la lipirea componentelor, uscarea fluxului, topirea cositorului sau a pastilelor de lipit.

e) ContracţiiEste o aplicaţie larg răspândită în sectorul ambalărilor. Foliile din polietilenă sunt

întinse în timpul procesului de producţie după cele două axe principale în scopul îmbunătăţirii rezistenţei mecanice, a elasticităţii şi a impermeabilităţii. Aceasta produce o orientare a moleculelor în cele două directii, orientare care se menţine la temperatură joasă. Prin încălzire în apropierea punctului de topire, moleculele se reorientează aleator, proces însoţit de o contracţie a foliei.

199


BIBLIOGRAFIE

[4.1] Şora, I. ş.a. Utilizări ale energiei electrice. Editura Facla, Timişoara 1984.[4.2] Comşa, D. Instalaţii electrotermice industriale. Editura Tehnică, Bucureşti, 1986.[4.3]*** Elektrotehniceskii spravocinik. Vol.II Part.2. Energoizdat, Moscova, 1988.[4.4] Altgauzen, A., P. ş.a. Elektrotemiceskoe oborudovanie. Spravocinik. Energia, Moscova, 1980.[4.5] Duckworth, W., E. şi Hoyle G. Electroslag Refining. Britisch Iron & Steel, London, 1969.[4.6] Paton, B., E. şi Medovar, P., I. Elektroşlakovâe peci. Nankova Dumka, Kiev, 1976.[4.7] Orfeuil, M. Electric Process Heating. Technologies. Equipment. Applications. Battelle Press,

Columbus USA, 1987.[4.8] Comşa, D. şi Pantelimon, Lucia. Electrotemie. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979.[4.9]***Philips Lighing. Correspondence Course. Lighting Applications Vol.13: IR Radiators and

Applications. Philips Lighting B.V.,1988.[4.10] Comşa, D. ş.a. Electrotermie. Lucrări practice. Lito IPCN Cluj Napoca, 1977.[4.11] Prisăcaru, V. şi Ponomarev, B. Radiaţii infraroşii şi aplicaţii industriale. Editura Tehnică,

Bucureşti, 1972.

200

CAP4

Documents

Transcript of CAP4