Încalzirea cu rezistoare

Încalzirea cu rezistoare

Este cea mai raspandita si diversificata dintre toate metodele de incalzire pe baza energiei electrice.

Cuptoarele cu rezistoare se clasifica dupa urmatoarele criterii:

a)     Dupa regimul de functionare se deosebesc:

Cuptoare cu functionare intermitenta.

Cuptoare cu functionare continua.

b)     Dupa modul de realizare a incalzirii cuptorului sunt:

Cuptoare cu incalzire directa (curentul electric trece direct prin incarcatura).

Cuptoare cu incalzire indirecta (caldura se dezvolta in elemente incalzitoare si este transmisa incarcaturii prin conventie-radiatie).

c)     Dupa temperatura de lucru se remarca:

Cuptoare de joasa temperatura (pana la 600⁰C).

Cuptoare de medie temperatura (intre 600-1200⁰C).

Cuptoare de inalta temperatura (peste 1200⁰C).

1. Cuptoare cu rezistoare cu incalzire directa

La aceste cuptoare, curentul electric parcurge direct incarcatura si, prin efect Joule, dezvolta caldura in toata masa incarcaturii. Se obtin viteze mari de incalzire, productivitate mare si un randament foarte ridicat.

Din categoria cuptoarelor cu rezistoare cu incalzire directa fac parte:

a)     Cuptoare pentru incalzirea directa a semifabricatelor metalice, care se folosesc pentru incalzirea barelor si tevilor lungi, metalice si pot fi actionate intermitent sau continuu. Schema electrica de principiu este reprezentata in figura 5.4.

Fig.5.4. Cuptoare cu rezistoare pentru incalzirea directa a semifabricatelor metalice: a) cu actionare intermitenta; b) cu actionare continua.

Semifabricatul metalic este prins intre bride sau role, fiind parcurs de curentul, fortat de tensiunea din secundarul transformatorului , de valoare: . Transformatorul monofazat, , are puterea de . Bateria de condensatoare, , serveste la compensarea necesarului de putere reactiva variabila, factorul de putere al cuptorului modificandu-se intre . Instalatia de simetrizare formata din condensatorul si bobina are rolul de a transforma sarcina monofazata a cuptorului in sarcina trifazata echilibrata. Simetrizarea este necesara daca puterea cuptorului depaseste valoarea in punctul de racord al cuptorului.

b) Cuptorul pentru grafitare - foloseste ca materiale : perii de carbune tehnic, electrozi, semifabricate din bronz, care se introduc intr-un amestec de cocs si grafit aflat in incinta cuptorului, ca in figura 5.5.

Fig.5.5. Cuptor pentru grafitare.

Cuptorul este realizat dintr-o cuva de samota in peretii careia sunt implantati electrozii pentru incalzirea directa a incarcaturii.

Tehnologia de grafitare consta in incalzirea lenta, prin efect Joule, a incarcaturii pana la temperatura de 2500⁰C si apoi racirea lenta, intregul proces durand () zile.

Cuptorul se alimenteaza de la un transformator monofazat de putere si tensiunea secundara, . Alimentarea cu energie electrica poate fi realizata si in curent continuu.

c.) Cuptorul pentru extragerea si rafinarea aluminiului este reprezentat schematic in figura 5.6 :

Fig.5.6. Cuptor pentru extragerea si rafinarea aluminiului:1-cuva din OL; 2-bloc catodic din carbune sau grafit; 3- electrozi negativi (catozi) din OL; 4 - bara catodica din OL; 5 - bara anodica din Al; 6 - electrozi pozitivi (anozi) precopti (cocs aglomerat cu gudron); 7 - electrolit; 8 - aluminiu topit.

Aluminiu se extrage din bauxita in doua faze: intai bauxita se transforma in alumina prin tratarea cu soda caustica, apoi se face electroliza termica a aluminei intr-un electrolit numit criolit , la o temperatura de cca 950⁰C. Alumina se descompune, iar aluminiul topit se depune pe fundul baii (catod) formand o baie de aluminiu fluid de grosime de cca 20 cm, care se evacueaza periodic. Mai multe cuve se leaga in serie fiind alimentate cu tensiune continua pe cuva si curent de .

2. Cuptoare cu rezistoare cu incalzire indirecta

Sunt foarte raspandite in diverse domenii ale activitatii umane de la aparate electrocasnice pana la incalzire electrica a locuintelor si de la cuptoare de laborator, pana la cuptoare pentru tratamente termice si cuptoare pentru topirea metalelor si aliajelor.

Dupa modul de actionare a incarcaturii si aceste cuptoare se impart in cuptoare cu actionare intermitenta si cuptoare cu actionare continua, iar dupa atmosfera din cuptor pot fi: cu aer, cu vid si cu atmosfera controlata.

Aceste cuptoare au productivitate ridicata si permit realizarea unor regimuri termice complete de incalzire - mentinere - racire a incarcaturii.

2.1. Constructia cuptoarelor

Pentru realizarea vetrei, peretilor si boltii cuptoarelor se folosesc materiale refractare si termoizolante si

in functie de temperatura de lucru, zidaria cuptoarelor poate fi formata din:

- un singur strat termoizolant pus intre doua carcase metalice - pentru temperaturi de pana la 400⁰C;

- un strat refractar si un strat termoizolant - pentru temperaturi de pana la 1000⁰C;

- trei sau mai multe straturi refractare si termoizolante pentru temperaturi de peste 1000⁰C.

2.2. Materiale si constructia elementelor incalzitoare

Cerintele impuse materialelor utilizate la confectionarea elementelor incalzitoare sunt:

rezistivitate electrica mare;

coeficient redus de variatie a rezistivitatii cu temperatura;

punct de topire ridicat;

sa nu-si modifice proprietatile mecanice cu temperatura;

sa fie maleabile si sa se poata suda;

stabilitate chimica fata de atmosfera din cuptor si fata de materialul zidariei cuptorului.

Tipurile de materiale folosite la constructia rezistoarelor sunt:

metale si aliaje metalice: molibden, tantal, wolfram, crom-nichel, crom-aluminiu, crom-nichel-fier, fier-crom-aluminiu etc., cu temperaturi de functionare de q = (1400 - 2000) ^oC pentru metale si de q = (850 - 1200) ⁰C pentru aliajele metalice;

materiale ceramice si metalo-ceramice : carbura de siliciu (CSi), disiliciura de molibden (MoSi₂), cu temperatura de functionare de q = (1400 - 1700) ⁰C;

carbune si grafit cu temperatura de functionare de q = (1800 - 2000) ⁰C.

2.3. Dimensionarea rezistoarelor din incinta cuptorului

La cuptoarele alimentate cu energie electrica in sistem trifazat, puterea pe faza a rezistorului este:

(5.23)

Puterea pe faza poate fi exprimata, insa, si ca produs intre puterea specifica radianta a rezistorului pe unitatea de suprafata, , si aria laterala a rezistorului, adica:

(5.24)

Egaland cele doua moduri de exprimare a puterii pe faza rezulta diametrul rezistorului de tip bara, sub forma:

(5.25)

Lungimea conductorului rezistorului necesara pentru realizarea unei faze este:

(5.26)

Daca elementele incalzitoare se realizeaza din bare cu sectiune dreptunghiulare sau din banda cu raportul intre latime si grosime de , folosind rationamentul de mai sus, rezulta grosimea benzii:

(5.27)

Lungimea barei dreptunghiulare sau a benzii pentru o faza este:

(5.28)

În cazul rezistoarelor construite sub forma spirala, diametrul spiralei, D, se alege tinand seama de rezistenta mecanica a materialului sarmei, astfel:

- pentru aliaje de crom - nichel D = (6 - 10) d;

- pentru aliaje de crom - aluminiu D = (4 - 7) d,

iar pasul spiralei trebuie sa fie mai mare decat de doua ori diametrului sarmei, adica ( p_sp = 2d), pentru a nu se micsora coeficientul de eficienta al incalzitorului.