Cuptorul electric cu rezistoare pentru incǎlzire indirectǎ EOB 67000X

Cuptorul electric cu rezistoare pentru incǎlzire indirectǎ EOB 67000X

1. Partea teoreticǎ

1.1. Probleme generale

Cuptoarele cu rezistoare sunt dispozitive de utilizare care transforma, prin efect Joule-Lenz, energia electrica in energie termica. Daca aceasta conversie se realizeaza prin intermediul rezistoarelor sau incalzitoarelor (elemente specializate de circuit) atunci avem un cuptor electric cu rezistoare cu incalzire indirecta.

Cuptoarele electrice cu rezistoare se clasificǎ astfel:

Dupǎ regimul de functionare:

- cuptoare cu functonare periodicǎ (intermitentǎ), la care ciclul de functionare cuprinde incǎrcarea, incǎlzirea si descǎrcarea;

cuptoare cu functionare continuǎ, la care piesele ce se incǎlzesc se deplaseazǎ continuu sau periodic de la capǎtul de incǎrcare la cel de descǎrcare.

Dupǎ temperatura de functionare:

- de joasǎ temperaturǎ - panǎ la 350°C, utilizate pentru tratamente termice ale materialelor nemetalice, procese chimice, topirea unor metale si aliaje usor fuzibile. In aceste cuptoare schimbul de cǎldurǎ are loc predominant prin convectie, iar elementele incǎlzitoare sunt realizate din aliaje Cr - Ni, in aceastǎ categorie intrǎ si cuptoarele de uz casnic.

- de medie temperaturǎ - panǎ la 1000°C, utilizate in special pentru tratamente temice ale materialelor metalice (otel). In aceste cuptoare schimbul de cǎldurǎ se efectueazǎ predominant prin radiatie, iar elementele incǎlzitoare sunt realizate din aliaje Cr - Ni, Cr - Al (Kanthal), carburǎ de siliciu, disiliciurǎ de molibden etc;

- de inaltǎ temperaturǎ - panǎ la 1600°C, cu destinatii speciale; elementele incǎlzitoare sunt executate din metal greu fuzibile (Mo, Ta, W) sau din materiale nemetalice (grafit).

Aceste trei tipuri de cuptoare se deosebesc din punct de vedere al straturilor refractare si termoizolante, al elementelor incǎlzitoare, al calculului si constructiei.

Dupǎ atmosfera din spatiul de functinare al cuptorului:

- cu atmosferǎ oxidantǎ (aer);  - cu atmosferǎ controlatǎ; - cu vid.

Constructia cuptoarelor electrice cu rezistoare de uz casnic

Fig. 1. Cuptorul electric - privire din spate/ fatǎ

Fig. 2. Cuptorul electric - privire de ansamblu

Din punct de vedere constructiv, un cuptor electric cu rezistoare cu incǎlzire indirectǎ (tip camerǎ) are urmǎtoarele elemente principale:

v    Carcasa cuptorului are rolul de a asigura atat rezistenta mecanicǎ a constructiei, cat si

etanseitatea cuptorului si este realizatǎ din tablǎ de otel rigidizatǎ cu profile din acelasi material In cazul cuptoarelor de joasǎ temperaturǎ existǎ douǎ carcase, una interioarǎ si una exterioarǎ, imbinate prin legǎturi elastice care dau posibilitatea dilatǎrii inegale a celor douǎ componente.

Toti peretii interiori ai cuptorului, cu exceptia pǎrtii inferioare a cuptorului, sunt acoperiti cu un smalt special (acoperire cataliticǎ).

v    C ptuseala cuptorului trebuie construitǎ si executatǎ cat mai bine, deoarece ea

influenteaz : m rimea pierderilor termice, deci consumul de energie electricǎ; timpul de incǎlzire si durata de functionare a instalatiei; greutatea, dimensiunile de gabarit si pretul de cost al instalatiei; calitatea procesului tehnologic aplicat pieselor.

v    Usa cuptorului , la joasǎ temperaturǎ se confectioneazǎ dintr-un singur strat termoizolant

dispus intre douǎ plǎci metalice turnate, iar pentru temperaturi medii si inalte se prevede un strat refractar de 1..2 straturi termoizolante. Indiferent de tipul constructiv, dimensiunile usii trebuie sǎ fie cu 50.100 mm mai mari decat ale deschiderii, pentru a diminua pierderile termice.

Usa cuptorului este dotatǎ cu un panou de sticlǎ din patru folii de geam puse una dupǎ cealaltǎ. Foliile interioare pot fi date jos pentru curtare.

Pe partea interioara a usii cuptorului este expusǎ numerotarea nivelelor de utilizare

a cuptorului. In afarǎ de aceasta gǎsiti o scurtǎ descriere a functiilor cuptorului, nivelele de utilizare recomandate si temperaturile pentru gǎtirea celor mai uzuale feluri de mancare.

v    Rezistoarele sau incǎlzitoarele - cuptorul studiat are patru rezistoare in tub metalic,

douǎ rezistoare amplasate pe boltǎ, una sub vatrǎ si una circularǎ pe peretele din spate in spatele ventilatorului.

Elementul incalzitor in tub metalic face parte din familia elementelor incalzitoare acoperite tubulare, avand rezistorul, din sarma in spiralǎ, inglobat intr-un tub metalic umplut cu un material electroizolant si conductor termic. Elementele constructive de bazǎ sunt: 1. Tubul metalic de protectie: se confectioneazǎ din diverse materiale, in functie de temperaturǎ. La alegerea calitǎtii materialului pentru realizarea tubului, este necesar sǎ se stabileascǎ scopul, domeniul de utilizare, forma si temperatura maximǎ de lucru. Dimensiunile uzuale sunt: lungimea: 120.3500 mm, diametrul exterior al tubului: 6.12 mm, grosimea peretelui metalic al tubului de circa 1mm.

2. Materialul electroizolant de umpluturǎ, trebuie sǎ aibǎ rezistivitatea cat mai mare la

temperaturi de panǎ la 1100^oC, conductivitatea termicǎ cat mai micǎ, sǎ nu corodeze spirala incalzitoare si nici materialul tubului, atat la temperatura mediului ambiant cat si la temperatura de functionare. In plus, materialul trebuie sǎ fie cat mai putin higroscopic, sǎ nu fie dǎunator pentru om in procesul de fabricatie si sǎ permitǎ aplicarea unei tehnologii cat mai productive, in conditii de calitate . Materialul utilizat cu succes la ora actual, material ce se regǎseste si la cuptorul studiat, este oxidul de magneziu (MgO, magnezia), fiind un produs sintetic de inaltǎ puritate. Acesta se obtine din magnezit (MgCO3), prin procese de calcinare la 1400^oC, topire cu arc electric, la 2700^oC, mǎcinare si apoi iar o calcinare la 1150^oC.

Rezistorul din sarmǎ spiralizatǎ, din: Cr-Ni, FeCrAl, Kanthal de diferite tipuri;

pentru a se asigura distanta de izolare, diametrul de spiralizare este de 2,5.2,8 ori mai mic decat diametrul tubului.

4. Elementele de fasonare, cu rol electric, sau de etansare: bornele de contact,

izolatorul ceramic de ghidare (realizat de regula din steatit), izolatorul de capǎt, cu rol de centrare a stiftului de contact, de etansare si protectie a materialului izolant impotriva umezelii.

Fig. Element incǎlzitor pentu masina de gǎtit electric Fig.4. Element incǎlzitor grill

v    Elemente de automatizare: traductor de temperaturǎ, sondǎ pentru carne, senzor de

temperaturǎ, sistem de reglare temperaturǎ, sistem de reglare timp,

Fig.5. Senzor de temperaturǎ Fig.6. Dependenta rezistentei senzorului de temperaturǎ cu temperatura

Fig.7. Sistemul de blocare a usii

Fig.8. Sistemul de comandǎ electronica a cuptorului

v   Accesorii cuptor:

Grǎtar - pentru veselǎ, forme pentru prǎjituri, fripturi si grǎtare.

Tavǎ pentru coacere - pentru prǎjituri si fursecuri.

Tigaie pentru grǎsime - pentru coacere si prǎjire, respectiv ca tavǎ de colectare a grǎsimii.

Tepusǎ pentru carne - pentru determinarea exactǎ a gradului de preparare a bucǎtilor de carne.

1. Elemente incǎlzitoare electrice cu tuburi metalice

Notatii si definitii

L_a - lungimea activǎ este acea zonǎ a tubului in care se amplaseazǎ spirala de incǎlzire;

L_i = L_b - lungimea inactivǎ este zona de la capetele tubului ocupatǎ de fisele de contact;

L_t - lungime totalǎ a tubului: L_t - L_a + L_i = L _a+ L_b - - - D_e - diametrul exterior al tubului;

- D_i - diametrul interior al tubului;

- F - suprafata activǎ corespunde lungimii active L_a

Mǎrimile de mai sus sunt afectate de indicii " i" ce se referǎ la cotele tubului inainte de operatia de comprimare si "d" ce se referǎ la aceleasi cote dar dupǎ comprimarea tubului prin laminare, trefilare sau forjare.

a = - coeficientul de alungire al tubului dat de raportul dintre lungimea totalǎ dupǎ comprimarea (L_td) si inainte de comprimare (L_ta);

- C_t - coeficientul de variatie a rezistivitǎtii cu temperatura

ρ_t = C_t ρ_o sau R_{t ­} = C_t ρ_o ; C_t = 1 + α_ρ (θ_t - θ_i)

ρ_o - rezistivitatea la temperatura de referintǎ

Fig. 9. Element incǎlzitor in tub metalic: 1 - tub; 2 - material izolant; 3 - sarmǎ de rezistentǎ; 4 - fisǎ; 5 - izolator de ghidare; 6 - dop de inchidere; 7 - izolator de capǎt; 8 - material de inchidere; D_ei - diametrul exterior inainte de comprimare; D_ed - diametrul exterior dupǎ comprimare; L_ai - lungimea activǎ inainte de comprimare; L_b - lungimea fisei; L_ti - lungimea totalǎ inainte de comprimare; L_td - lungimea totalǎ dupǎ comprimare; L_t - lungimea totalǎ a tubului; L_a - lungimea activǎ dupǎ comprimare.

Oxidul de magneziu - material electroizolant cu o bunǎ conductie termicǎ in stare comprimatǎ.

λ = 2.2,5 W/ m grd

γ = 3050 - 3150 kg/m³ = 3,05 - 3,15 g/cm³ - dupǎ comprimare

γ = 2450 kg/m³ = 2,45 g/cm³ - in stare necomprimatǎ

Tubul de protectie se realizeazǎ din cupru, alamǎ, aluminiu, otel (aliat, inox, refractar)

Observatie: Dupǎ comprimarea materialului electroizolant, prin laminare de exemplu, are loc alungirea tubului cu mentinerea constantǎ a grosimii lui si mǎrirea sectiunii sarmei de rezistor, deci micsorarea rezistentei sale. (vezi Tab.4.1.*)

D_ei si D_ed => D_id = D_ed - 2g_t , g_t - grosimea peretelui tevii

D_ed - gradul de reducere al diametrului

k_y= - coeficientul de crestere a greutǎtii specifice a materialului electroizolant

diametrul interior dupǎ comprimare:

- grosimea peretelui dupǎ comprimare: g_td =

coeficientul de comprimare al spiralei din sarma de rezistor

α_r = , α_o = 1,04 coeficient de corectie ce are in vedere comprimarea in douǎ sau mai multe trepte

R_t - rezistenta spiralei la temperatura de lucru, [Ω]

R₂₀ - rezistenta spiralei la temperatura mediului ambiant

= - rezistenta la rece a spiralei inainte de comprimare, [Ω]

p_st­ - puterea specificǎ a tubului incǎlzitor, [W/m²] (vezi Tab.4. si 4.4*)

p_sr - puterea specificǎ a sarmei de rezistor, [W/m²]; p_sr = (10 - 30)* 10⁴ W/m² = (10 -30 ) W/cm²

P - puterea ce trebuie dezvoltatǎ de tub, [W]

F = - suprafata lateralǎ activǎ a tubului, [m²]

L_ad = ; L_td = L_ad + 2L_b ; L_ai = ; L_ti =

S_sp - suprafata lateralǎ a sarmei de rezistor : S_sp =

Observatie: Puterea specificǎ a tubului metalic la incǎlzirea aerului din cuptor panǎ la 350°C se alege in functie de materialul metalic al tubului si anume:

p_st = 3,5 - tub din otel inoxidabil: 17 - 19% Cr; 9 - 11,5% Ni.

P_st = 4,5 - tub din otel inoxidabil: 25% Cr; 25% Ni.

l = - lungimea sarmei de rezistor, [m]

r - rezistenta pe metru liniar, [Ω/m] (date de firma constructoare in functie de temperatura adoptatǎ pentru sarma de rezistor)

d - diametrul sarmei de rezistor, [m]. Se precizeazǎ de producǎtor functie de raportul S_sp/[cm²/Ω].

q_st = 1 - 3mm - grosimea stratului electroizolant intre spirale dintre sarma de rezistor si peretele exterior al tubului.

D_ext.sp = D_id - 2 q_nt - diametrul exterior al spiralei rezistorului.

D_ext.sp = f(D_dorn)_{d = ct.}

D_mediusp = D_ext.sp ; d- diametrul mediu al spiralei

v = = - numǎrul de spire al spiralei.

Observatie: Cantitatea totalǎ de sarmǎ se mǎreste cu circa 2*20 spire necesare la infasurarea pe fisele de contact.

l_necesar = l +2*20*π* D_med.sp - lungimea necesarǎ a sarmei de rezistentǎ.

s = - pasul spiralei [m/spirǎ]

s/d - coeficientul de pas. Se recomandǎ s/d = 2,5 - 3,5

t_sp = t_t + ∆t - temperatura sarmei de rezistor sub formǎ spiralatǎ (temperatura spiralei)

t_t - temperatura exterioarǎ a tubului;

∆t = t_sp - t_t - cǎderea de temperaturǎ pe materialul electroizolant.

Se stie de la transmiterea cǎldurii in regim stationar prin pereti cilindrici cǎ:

∆t = ln ,

k - coeficientul care tine seama de diferenta geometricǎ intre spirala de incǎlzire si tub.

t_it = - temperatura medie a materialului electroizolant.

* - Se face trimitere la "T. Lazǎr, N. Petre - Elemente incǎlzitoare electrice in tuburi metalice"

1.4. Calculul rezistorului pentru grǎtar

1. Date initiale

- puterea elementului incǎlzitor 2100 W

tensiune de alimentare 230 V

conditii de lucru - aer linistit cu temperaturǎ maximǎ: 300°C

- temperatura maximǎ pe suprafata tubului (se adoptǎ): t_t = 450°C

2. Materialul si dimensiunile geometrice ale tubului

- teavǎ din otel inoxidabil Nikrothal, marca MRT, ce au compozitie: 9% Ni, 18% Cr, T_i - stabilizator, t_{t max} = 700°C.

D_ei = 8 mm, g_ti = 0,6 mm, D_ii = 6,8 mm (vezi tab. 4.1*)

D_ed = 7 mm

alungiri 15% pentru D_ed / D_ei = 7 / 8 ÷ 0,875

a = 1,15 - coeficient de alungire

diametrul interior al tubului dupǎ alungire

D_id = = = 5,79 mm = 5,79 * 10^-3 m

grosimea peretelui tubului dupǎ comprimare

g_td = = = 0,605 mm = 0,605 * 10^-3 m

puterea specificǎ pe suprafata tubului

p_st = 4,8*10⁴ W / m² = 4,8 W / cm² (vezi tab.4.3; 4.4)

suprafata activǎ a tubului

F= = = 437,5 cm² = 437,5 * 10^-4 m²

lungimea activǎ a tubului dupǎ comprimare

L_ad = = = 198,9 cm = 1,989 m

lungimea inactivǎ de la capǎtul tubului

L_b = 10,5 cm (se adoptǎ din Tab. 1.2*)

lungimea totalǎ dupǎ comprimare

L_td = L_ad + 2L_b = 198,9 + 2 * 10,5 =219,9 cm = 2,199 m

lungimea totalǎ inainte de comprimare

L_ti = = = 191,2 cm = 1,912 m

lungimea activǎ inainte de comprimare

L_ai = = = 172,96 cm = 1,7296 cm

Calculul spiralei de incǎlzire

material: Mikrothal 20 (15 - 20 % Cr; 60 - 62 % Ni; 18 - 25 % Fe)

temperaturǎ maximǎ de utilizare t_{n max} = 1050°C

temperaturǎ de lucru adoptatǎ t_n = 600°C

coeficientul de corectie al rezistentei C_t = 1,23 la 600°C

rezistenta spiralei la temperatura de lucru (t_r = 600°C)

R_t = = = 25,19 Ω

rezistenta in stare rece a spiralei de rezistor comprimate

R₂₀ = R_t / C_t = 25,19 / 1,23 = 20,48

coeficientul de comprimare al spiralei de rezistor

α_r = = (

rezistenta in stare rece a spiralei de rezistor necomprimatǎ

= α_r R₂₀ = 1,208 * 20,48 = 24,74 Ω

puterea specificǎ a sarmei de rezistor

p_sr = ( 10 - 30 ) 10⁴ W/ m² se adoptǎ p_sr = 15 * 10⁴ W / m² = 15 W / cm²

suprafata lateralǎ a sarmei de rezistor

S_sp = = = 140 cm² = 140 * 10⁴ m²

raportul suprafatǎ lateralǎ - rezistentǎ la rece necomprimatǎ (cm² / Ω)

= = 5,66 cm² / Ω

diametrul sarmei de rezistor si rezistenta sa liniarǎ ( vezi tab. 6 *)

d = 0,6 mm ; r = 3,36 Ω / m la 20°C

lungimea sarmei de rezistor

l = = = 7,363 m

se alege oxidul de magneziu ca material electroizolant caracterizat prin grosime strat q^st = 1 mm = 10^-3 m ; conductivitate termicǎ λ = 2 W / mgrd

diametrul exterior si mediu al spiralei

D_{ext sp} = D_id - 2q­_st = 5,79 - 2 * 1 = 3,79 mm = 3,79 * 10^-3 m

D_{mediu sp} = D_{ext sp} - d = 3,79 - 0,6 = 3,19 mm = 3,19 * 10^-3 m

diametrul dornului de spiralizare

D_dorn = 2,5 mm (vezi tab. 4.12*)

lungimea necesarǎ a sarmei de rezistor ( se prevǎd cate 20 spire pe fiecare fisǎ de conexiuni de la capete )

l_necesar = l + 2 * 20 * π D_{mediu sp} = 7,363 + 2 * 20 * π * 3,19 * 10^-3 = 7,764 m

numǎrul de spire al spiralei

v = = = 735 sp

pasul spiralei

s = = = 2,71 mm = 2,71 * 10^-3 m ;

coeficientul de pas

= = 4,52 - acceptabil

4. Calculul temperaturilor de lucru

- coeficientul de corectie al diferentelor geometrice dintre spirala de incǎlzire si tubul de protectie

K = 1,2 pentru s / d = 4,52

cǎderea de temperaturǎ pe materialul electroizolant

∆t = ln = ln = 133,5 °C

temperatura de lucru realǎ a rezistorului

t_{r real} = t_t + ∆t = 450 + 133,5 = 583,5°C fatǎ de 600°C

Eroarea de temperaturǎ este de

E_t = 100 = 100 = - 2,75 % ≤ ±5 %

temperatura medie a materialului electroizolant

t_mat = = 517°C - admisibil

2. Partea experimentalǎ si modul de lucru

In laborator exista un cuptor electric cu rezistoare cu incalzire indirecta, a carui elemente incalzitoare ( patru rezistoare) sunt dispuse pe partea superioarǎ a cuptorului (douǎ rezistoare), pe partea inferioarǎ (un rezistor) si pe peretele din spate al cuptorului (un rezistor circular).

Descriere cuptor:

Tip cuptor: Electric,

Volum util (L): 51,

Putere grill (kW): 2.9,

Putere maxima absorbita (kW): 5,

Alimentare (V-Hz): 230/50,

Cablu de alimentare: 1,5m,

Dimensiuni (mm): 594 x 594 x 567

Programe: 10 programe de preparare Jos; sus+jos; gratar; sus+gratar

Ventilator+sus+gratar (infrarosu)

Decongelare

Ventilator+inel aer cald

Ventilator+inel aer cald+jos (functie pizza)

Ventilator+inel aer cald+sus+jos

Functie de blocare a comenzii,

Altele

Sistem de control electronic, linie luminoasǎ, programator electronic: automat, semnal acustic si sonor, cronometru, indicator caldurǎ remanentǎ, memorie, termostat cuptor, probǎ pentru carne, display electronic cu cristale lichide, dispozitiv mecanic de blocare a usii, consum de energie la convectia naturalǎ (kWh): 0.79, consum de energie la convectia fortatǎ (kWh): 0.86, tratament anti amprentǎ , inox/curǎtare cataliticǎ, blocare de sigurantǎ pentru copii, afisare timp, oprire de sigurantǎ, propunere temperaturǎ, filtru grǎsime , usǎ cu panou de sticlǎ cu 4 straturi, preparare pe 3 niveluri, 5 pozitii pentru tǎvi, blocare functii, accesorii: 1 grǎtar cromat, 2 tǎvi emailate prajituri Clean Enamel, 1 tavǎ colectoare Clean Enamel, culoare: inox.

In cadrul orelor de laborator, se vor rezolva urmatoarele probleme:

Se identifica elementele constructive ale cuptorului;

Se explica functionarea instalatiei electrice;

Se cunosc materialul si dimensiunile geometrice ale tubului - teavǎ din otel inoxidabil Nikrothal, marca MRT, ce au compozitie: 9% Ni, 18% Cr, T_i - stabilizator, t_{t max} = 700°C. D_ei = 8 mm, g_ti = 0,6 mm, D_ii = 6,8 mm D_ed = 7 mm (vezi tab. 4.1*).

- Sǎ se calculeze diametrul interior al tubului dupǎ alungire grosimea peretelui tubului dupǎ comprimare, puterea specificǎ pe suprafata tubului, suprafata activǎ a tubului, lungimea activǎ a tubului dupǎ comprimare, lungimea inactivǎ de la capǎtul tubului, lungimea totalǎ dupǎ comprimare, lungimea totalǎ inainte de comprimare si lungimea activǎ inainte de comprimare.

- Sǎ se facǎ calculul temperaturilor de lucru calculand cǎderea de temperaturǎ pe materialul electroizolant, temperatura de lucru realǎ a rezistorului, eroarea de temperaturǎ si temperatura medie a materialului electroizolant.

- Pe baza calculelor obtinute sǎ se scrie concluziile.

Schema electricǎ a cuptorului cu rezistoare EOB 67000X