Suport de curs Electrotermie

  • Published on
    06-Jan-2017

  • View
    222

  • Download
    7

Embed Size (px)

Transcript

  • 1

    ELECTROTERMIE

    1. CHESTIUNI GENERALE DE ELECTROTERMIE

    Electrotermia este un domeniu al tiinei care definete conversia energiei electrice n energie termic i reprezint unul din domeniile majore (principale) de utilizare ale energiei electrice, alturi de acionrile electrice i iluminatul electric. Este un domeniu fascinant prin varietatea aplicaiilor sale, de la prepararea alimentelor i a buturilor pn la produse industriale din metale, sticl, ceramic, mase plastice, hrtie etc. Procesele electrotermice folosesc cureni sau unde electromagnetice ale cror domeniu de frecvene se ntinde de la c.c. la undele UV, puterile folosite variind de la civa wai la civa megawai.

    Instalaia electrotermic este un ansamblu funcional constituit din convertorul electrotermic, sursa de alimentare i aparatajul de punere n funciune, reglare i control.

    Comparativ cu nclzirea cu flacr, instalaiile de nclzire electric au unele avantaje importante:

    - posibilitatea concentrrii energiei termice n spaiu restrns, ceea ce permite obinerea de temperaturi foarte ridicate;

    - reglare uoar a regimului de nclzire i obinerea unui grad nalt de uniformitate i precizie a temperaturilor;

    - inexistena produselor arderii, ceea ce permite protejarea spaiului de lucru prin vid sau atmosfer de gaze inerte;

    - automatizarea fiabil i relativ simpl a proceselor electrotermice;

    - volum redus al echipamentului i mbuntirea condiiilor de lucru.

    1.1 Clasificarea instalaiilor electrotermice

    Din punct de vedere al conversiei energiei electrice n energie termic i al procedeului de transmitere al cldurii spre corpul supus nclzirii, denumit arj sau ncrctur, instalaiile electrotermice sunt de mai multe tipuri i anume:

    cuptoare electrice cu rezistoare la care degajarea cldurii are loc prin efectul JouleLenz al curenilor ce parcurg conductoare solide sau lichide caracterizate prin rezistiviti ridicate. Aceste elemente specializate de circuit se numesc rezistoare.

    Dac piesa de nclzit (fig. 1.1 a) joac i rol de rezistor, atunci avem un cuptor electric cu rezistoare cu nclzire direct.

    n cazul n care (fig. 1.1 b) energia degajat de rezistor se transmite prin convecie i radiaie ncrcturii, cuptorul este de tipul cu rezistoare cu nclzire indirect. De aici fac parte i cuptoarele cu bi de sruri, cuptoarele de nclzire cu strat pseudofluidizant, cuptoarele de topire sub strat de zgur, instalaiile de nclzire i uscare cu radiaii infraroii etc.

    cuptoare i instalaii electrice de inducie la care nclzirea materialului se datoreaz efectului termic al curenilor indui n metalele plasate ntrun cmp magnetic alternativ. Din punct de vedere constructiv deosebim cuptoare de inducie cu canal (fig. 1.1 c) i creuzet (fig. 1.1 d), precum i instalaii de inducie pentru tratament termic i nclzire n volum (fig. 1.1 e). De precizat c bobina care genereaz fluxul magnetic variabil se numete inductor.

    cuptoare i instalaii de nclzire dielectric (fig. 1.1 i) bazate pe efectul curenilor de deplasare i histerezisului electric, fenomene ce apar n materialele dielectrice sau semiconductoare supuse aciunii unui cmp electric de nalt frecven.

    cuptoare electrice cu arc la care conversia energetic are loc n arcul electric, fluxul termic transminduse prin radiaie arjei. n funcie de elementele ntre care apare arcul electric distingem:

    cuptoare cu arc cu aciune direct (fig. 1.1 f) la care arcul se stabilete ntre electrozi i arj. Arcul

  • 2

    1

    2

    3

    4

    a) b) c)

    5

    4

    6 4 5 7

    8

    8

    5

    4 10

    4

    8

    9

    11

    5

    4

    12

    4

    11

    12

    5 11

    13

    12

    4

    5

    h) g) i)

    f) e) d)

    4

    14

    Figura 1.1

    Tipuri de cuptoare electrice

    1 transformator alimentare; 2 reea scurt; 3 pies contact; 4 material de nclzit

    (arj); 5 zidrie cuptor; 6 rezistor; 7 circuit magnetic; 8 inductor; 9 lichid rcire;

    10 zon clit; 11 electrod; 12 arc electric; 13 minereu; 14 armtur condensator

    este n contact cu suprafaa ncrcturii, acesta nclzinduse de la radiaia direct a arcului. Cota parte a energiei ce se degaj prin efectul termic al curenilor ce se nchid prin arj este nesemnificativ, datorit rezistenei ohmice reduse a acesteia.

    cuptoare cu arc cu aciune indirect (fig. 1.1 g) la care arcul apare ntre doi electrozi orizontali, cldura transminduse ncrcturii prin radiaia direct a arcului i a zidriei libere a cuptorului.

    cuptoare cu arc i rezisten (fig. 1.1 h) la care arcul apare ntre electrozi i arj, fiind acoperit de minereu n stare pulverulent. nclzirea materialului are loc att prin radiaia direct a arcului, ct i prin efectul termic al curenilor ce se nchid prin topitura de rezistivitate ridicat.

    cuptoare i instalaii cu fascicul de electroni bazate pe transformarea n cldur a energiei cinetice a electronilor rapizi ce bombardeaz suprafaa materialului supus nclzirii.

    cuptoare i instalaii de nclzire cu plasm la care energia arcului electric ionizeaz complet un gaz a crui temperatur ajunge la valori extrem de ridicate.

    1.2 Indicatori energetici ai instalaiilor electrotermice

    Eficiena energetic a proceselor electrotermice se estimeaz prin randament total, factor de putere, consum specific de energie electric i productivitate. Definirea acestor mrimi, numite generic indicatori energetici, se face pe baza schemelor bloc (fig. 1.2 a) i echivalent monofazat (fig. 1.2 b).

    Randamentul total t reprezint cota parte din puterea cerut Pc de la reea ce se transform n putere Pu util procesului considerat.

    (1.1) 1rsgersgc

    ut

    P

    P

    n care:

  • 3

    g

    g

    c

    gg

    PP

    P

    P

    P

    1

    randamentul sursei (generatorului) de alimentare a cuptorului;

    Pg puterea nominal a generatorului , [W];

    gggg /PP 1 pierderi de putere n sursa de alimentare, [W];

    rsgrs

    PP

    P

    P

    P

    1

    11 randamentul reelei scurte (ansamblul cilor de curent dintre sursa de alimentare i cuptorul electric);

    P1 puterea la bornele cuptorului, [W];

    21rsrs IRP pierderi de putere pe reeaua scurt, [W];

    e2

    2

    1

    2e

    PP

    P

    P

    P

    randamentul electric al cuptorului,

    21i2 IRP puterea transferat ncrcturii, [W];

    21ee IRP pierderi de putere n elementele nclzitoare, [W];

    Randamentul electric are valori mai ridicate pentru cuptoarele cu rezistoare (80 .. 95%) i valori ceva mai sczute pentru cuptoarele i instalaiile de nclzire prin inducie (60 .. 80%).

    PP

    P

    P

    P

    u

    u

    2

    u

    randamentul termic al cuptorului

    t

    im

    t

    mccmP

    lifu

    puterea util necesar nclzirii i topirii arjei, [W];

    m masa ncrcturii, [kg];

    c cldura specific a materialului, [J/kggrd];

    cl cldura latent de topire, [J/kg];

    f, i temperaturile final i iniial a ncrcturii, [grd];

    i energie specific (entalpie masic) a materialului, [J/kg];

    t durata procesului, [sec];

    P pierderile termice ale cuptorului pe durata procesului, [W].

    Randamentul termic are valori cuprinse ntre 70 .. 95%, stabilite de mrimea pierderilor termice. Acestea depind de dimensiunile izolaiei, calitatea materialelor refractare i termoizolante, temperatura corpului de nclzit sau de timpul impus procesului.

    Figura 1.2 Schema bloc (a) i echivalent (b) a unei instalaii electrotermice

    SA surs de alimentare; RS reea

    scurt; CE cuptor electric;

    Rrs, Xrs rezistena i reactana reelei

    scurte; Re, Xe rezistena i reactana

    elementelor de conversie energetic;

    Ri, Xi rezistenele i reactanele

    raportate ale ncrcturii; Ur, Ug, U1

    tensiunea reelei, sursei de alimentare,

    respectiv la bornele cuptorului;

    I1 curentul absorbit de cuptor.

    Ur

    SA RS CE

    Pc Pg P1 Pg Prs Pe

    Ug U1

    Rrs Xrs I1

    Re Xe Ri Xi

    Pu+P P2

    a)

    b)

  • 4

    PPP

    P

    P

    P

    eu

    u

    1

    ue1

    randamentul cuptorului.

    Din cele de mai sus rezult structura de principiu a puterii cerute:

    (1.2) PPPPPPPP uersguc

    Factorul de putere tcos al instalaiei electrotermice, respectiv factorul de putere cos1 al cuptorului se definesc prin:

    (1.3) 21

    21

    11

    2c

    2c

    ct

    QP

    Pcos;

    QP

    Pcos

    n care:

    C1rsgc QQQQQ puterea reactiv solicitat de instalaie din reea, [VAr];

    Qg puterea reactiv aferent sursei de alimentare, [VAr];

    Qrs Xrs 21I puterea reactiv a reelei scurte, [VAr];

    21ie1 IXXQ puterea reactiv solicitat de cuptor, [VAr];

    QC puterea reactiv furnizat de instalaia de compensare a factorului de putere, n ipoteza existenei acesteia, [VAr].

    Puterile reactive corespunztoare altor instalaii auxiliare se includ n Qc.

    Consumul specific de energie electric la nivelul ntregii instalaii et sau numai la bornele cuptorului e1 se estimeaz cu:

    (1.4) t

    1

    tt

    uct

    ie;

    i

    m

    tP

    m

    tPe

    [J/kg;kWh/t]

    Productivitatea instalaiei g, numeric egal cu cea a cuptorului, reprezint cantitatea de produse (msurat n uniti corespunztoare) ce se pot nclzi simultan n unitatea de timp.

    (1.5) t

    mg [tone/or]

    1.3 Materiale utilizate n construcia instalaiilor electrotermice

    La construcia i exploatarea instalaiilor electrotermice se utilizeaz att materiale ntlnite n construcia de maini, ct i materiale specifice ale cror proprieti corespund condiiilor de funcionare la temperaturi nalte. Din aceast categorie fac parte materialele: refractare i termoizolante, cele cu rezisten mecanic mare la temperaturi ridicate, precum i cele pentru rezistoare.

    a Materialele refractare, caracterizate prin capacitatea de a suporta temperaturi ridicate, trebuie s prezinte urmtoarele proprieti:

    refractaritatea prin care se nelege rezistena la temperaturi nalte, fr oxidri, topiri sau deformri;

    rezisten mecanic la temperaturi nalte prin care se precizeaz temperatura maxim de utilizare la

    care peste o presiune de 2105 [N/m

    2] apare deformarea;

    stabilitatea termic (rezistena la oc termic) prin care se nelege capacitatea materialului refractar de a rezista la variaii brute i repetate de temperatur fr a se fisura, crpa sau sparge;

    stabilitatea chimic la aciunea chimic a topiturii, zgurei sau gazelor supranclzite;

    conductivitatea termic i cldura specific reduse;

    constanta volumului la temperaturi nalte;

  • 5

    compactitatea i permeabilitatea la gaze, corespunztoare procesului tehnologic realizat n cuptor.

    Materialele refractare se prezint sub form de crmizi, piese fasonate sau praf i sunt realizate din bioxid de siliciu (SiO2), oxid de magneziu (MgO) sau alumin (Al2O3)

    Silica (dinasul) este un material refractar acid obinut din minereuri de cuar prjite i mcinate. Crmizile i piesele fasonate din silica se utilizeaz la confecionarea bolilor i pereilor cuptoarelor cu arc cu aciune direct pentru elaborarea oelurilor dup procedeul acid.

    Magnezitul se obine prin calcinarea carbonatului de magneziu (MgCO3) i sub forma de crmizi se folosete la cptuirea vetrelor cuptoarelor cu arc cu aciune direct destinate obinerii oelului prin procedeul acid. Sub form de praf se utilizeaz la stamparea creuzetelor cuptoarelor de inducie cu creuzet. Prin amestecarea magnezitului cu cromit nativ (Cr2O3) rezult cromomagnezitul i magnezitocromitul utilizat la bolile cuptoarelor cu arc.

    amota este o argil refractar ars, neutr din punct de vedere chimic, cu un coninut de peste 38% oxid de aluminiu i siliciu. Este unul din cele mai uzuale materiale refractare i se realizeaz sub form de crmizi, plci sau piese fasonate destinate, n special cuptoarelor electrice cu rezistoare. Crmizile pot fi cu: adaosuri combustibile, amote uoare sau amote spongioase.

    Carborundul (carbur de siliciu artificial avnd ca liant argila) se utilizeaz la confecionarea unor piese (mufe, ghidaje) pentru cuptoarele electrice cu rezistoare ce lucreaz la 14001500C.

    n cazul cuptoarelor ce lucreaz cu atmosfere protectoare, la temperaturi nalte sau au destinaii speciale, materialele refractare se aleg din literatura de specialitate, suficient de vast n acest domeniu.

    b Materialele termoizolante sunt destinate reducerii pierderilor termice prin zidria cuptorului. n principiu aceste materiale nu suport temperaturi prea mari, au rezistent mecanic i greutate specific mici, conductivitate termic redus. Ele nu vin n contact direct cu mediul din cuptor i nu sunt solicitate mecanic, termic sau chimic. Se prezint sub form de crmizi, praf pentru umplutur, plci, vat, cartoane etc.

    Diatomita, cel mai ieftin material termoizolant, este o roc organic sedimentar (bioxid de siliciu aproape pur) extras din carier. Praful de diatomit servete ca material de umplutur, iar crmizile i piesele fasonate se pot obine prin metoda adaosurilor combustibile.

    Vata termoizolant (de sticl, zgur, mineral) se utilizeaz sub form de saltele pn la temperatura de cel mult 500C.

    Azbestul i produsele din azbest (zonolit, azbozurit, vulcanita, newelit, sovelit) se prezint sub form de plci, cartoane, nururi ce se utilizeaz n gama 350 1000C funcie de varianta constructiv.

    Fibrele ceramice, de compoziie silico-aluminoas, mbin proprietile materialelor refractare i termoizolante fiind ideale pentru construcia cuptoarelor cu rezistoare, n special. Se caracterizeaz prin densiti (180 200 kg/m

    3) i conductiviti termice (0,1 ...0,3 W/mgrd) reduse i temperaturi de utilizare de

    pn la 1400C.

    c Materiale refractare cu rezisten mecanic mare sunt destinate confecionrii pieselor i elementelor de construcie aflate n zona temperaturilor ridicate i supuse frecvent la sarcini mecanice ridicate. Ele trebuie s satisfac urmtoarele cerine: oxidare redus la temperaturi ridicate, rezisten mecanic la aciunea combinat a solicitrilor mecanice i termice, prelucrabilitate mecanic, pre de cost sczut, procurare uoar.

    Oelurile aliate cu crom sunt stabilite la temperaturi ridicate, dar au o rezisten mecanic redus, se deformeaz la cald i se prelucreaz greu. Oelurile aliate cu crom-nichel corespund practic tuturor cerinelor i sunt materialul de baz pentru construcia inelor de ghidaj, benzilor transportoare, lanurilor de conveiere etc. Oelul de construcii poate deveni refractar (max. 800C) n urma procesului de alitare (saturarea superficial cu aluminiu)

    n cazul cuptoarelor de nalt temperatur (peste 1400 1500C) se recomand folosirea metalelor cu punct de topire ridicat (wolfram, molibden, niobiu etc.) i atmosfer protectoare, sau materiale ceramice suprarefractare (oxid de aluminiu, dioxizi de zirconiu, thoriu, beriliu etc.)

    d Aliajele pentru rezistoare lucreaz n zona temperaturilor maxime din cuptoarele electrice cu rezistoare cu nclzire indirect i trebuie s satisfac la: lipsa transformrilor de faz la nclzirea i rcirea n timpul funcionrii, temperatur de fuziune i refractaritate ridicate, rezisten electric mare i coeficient redus de variaie a rezistivitii cu temperatura, rezistena mecanic la temperaturi nalte i coeficient de dilatare liniar sczut, plasticitate i maleabilitate acceptabile.

    Dup compoziia chimic deosebim:

  • 6

    aliaje cromnichel (Nikrothal) binare i ternare. Aliajele binare conin nichel (75 80%), crom (20%) i titan (5 20%) iar cele ternare crom (22 27%), nichel (17 20%) i fier (61 53%). n timpul funcionrii pe suprafaa metalului se formeaz un strat protector de oxid de crom, care nu se exfoliaz. Temperatura maxim de lucru (800 1200C) depinde de compoziia aliajului.

    aliajele cromaluminiu (Kanthal) au ca principale adausuri de aliere cromul i aluminiul (restul fier), temperatura maxim de lucru (120...