3. 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:

. (3.1)

În funcţie de modul de transfer a căldurii către materialul care urmează a fi încălzit, instalaţiile de încălzire cu rezistenţă electrică (IIRE) pot fi cuprinse în una dintre categoriile indicate în fig. 3.1.

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. 3.2) şi în principal prin radiaţie la diferenţe de temperatură mai mari. În fig.3.2, este diferenţa de temperatură dintre elementul încălzitor şi materialul de încălzit [3.1].

Materialele utilizate în construcţia cuptoarelor electrice trebuie să aibă anumite proprietăţi pentru a corespunde condiţiilor de funcţionare a temperaturi ridicate. Ele se împart în două categorii: materiale refractare şi materiale termoizolante.

tIRQ dd 2

Materiale refractare se utilizează la căptuşirea interioară de camere sau băi cuptorului. Aceste materiale trebuie să aibă temperatura de înmuiere între 15800 C şi 17700 C. Să aibă rezistenţă mecanică suficientă la temperaturi înalte să suporte variaţii de temperatură fără a se fisura, să intre în combinaţii chimice cu material sau atmosfera din cuptor şi să aibă conductibilitate termică şi electrică redusă. Materialul care satisface aceste condiţii se obţine pe bază dioxid de siliciu sau silica SiO2, alumină sau argilă refractară Al2O3, oxid de magneziu sau magnezita.

Materiale refractare se găsesc sub formă de cărămizi, blocuri, tuburi, praf din această categorie fac parte şi materialele cu rezistenţă mecanică mare din care se confecţionează piesele aflate în zonele cu temperaturi ridicate ca creuzete, placi de vatră, elemente de fixare a încălzitoarelor şi altele.

Principalele materiale refractare cu rezistenţă mecanică mare sunt obţinute prin alierea oţelului sau a fontei cu crom sau crom nichel.

Materialele termoizolante se utilizează la zidăria cuptoarelor. Proprietăţile impuse acestor materiale fiind temperatura de utilizare (de muiere suficient de mare), conductivitate termică redusă (0,03 ... 0,4 W/m.K) şi densitate mică pentru a nu supraîncărca din punct de vedere mecanic construcţia cuptorului.

Cele mai răspândite materiale termoizolante sunt: silco-alumina, azbocimentul, vată de zgură şi sticlă şi vatră minerală.

Tendinţele în construcţiile izolaţiei termice a cuptorului urmăreşte mărirea rezistenţei Prin micşorarea umidităţii termice obţinute prin alegerea corectă a materialului termoizolant, mărirea grosimii izolaţiei.

3.1 Încălzirea elementelor rezistive la trecerea curentului electricDin punct de vedere al transmiterii căldurii între rezistor şi materialul de încălzit, instalaţiile de încălzire cu

rezistoare se împart în două categorii, Fig. 3.1:• I. cu încălzire directă, şi • II. cu încălzire indirectă.

În cuptoarele cu încălzire directă, curentul electric trece direct prin încărcătură, sursele de căldură fiind în interiorul acestuia. În acest mod se obţin viteze mari de încălzire independent de transmiterea căldurii prin conducţie în încărcătură, productivităţi şi randamente ridicate.

Procedeul se aplică la încălzirea încărcăturilor solide şi fluide conducătoare din punct de vedere electric.Cuptoarele cu încălzire indirectă reprezintă majoritatea cuptoarelor cu rezistoare. Căldura dezvoltată de

elementele încălzitoare se transmite prin convecţie şi radiaţie termică încărcăturii, în interiorul acestuia propagându-se prin conducţie.

3.1.1 Dimensionarea elementelor rezistiveCantitatea de căldură dQ (3.1) 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

în care

În relaţiile (3.3), m este masa elementului rezistiv, c căldura masică (specifică) a materialului rezistiv, d variaţia de temperatură, temperatura materialului rezistiv, 0 temperatura mediului ambiant, Al aria laterală a elementului rezistiv, dt variaţia de timp, iar este transmisivitatea termică complexă.

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

Puterea cuptorului în W poate fi calculată astfel, , unde U este tensiunea de alimentare, R rezistenţa

elementului încălzitor, ρ rezistivitatea materialului din elementul încălzitor, lungimea rezistorului, S secţiunea acestuia.

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.3.2) 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:

21 ddd QQQ

.d)(d

;dd

02

1

tAQ

cmQ

l

tAcmtP l d)(dd 0

S

lU

R

UP

22

0

40

412

1)(

TTccrc

Ecuaţia de bilanţ (3.4) poate fi rezolvată pe porţiuni, considerând în intervalul analizat că coeficientul , puterea P şi căldura masică c sunt mărimi constante.

Fig. 3.1. Instalaţii de încălzire cu rezistenţă electrică

Pentru cazul ideal al unui corp negru, valorile puterii specifice psi sunt indicate în fig.3.3 [3.2].

Fig. 3.2. 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).

ps[kW/m2]

400

300

200

100

0 200 400 600 800 [°C]

5 4

3

2

1

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

(3.11)3

2

2

)1(

.

spUmm

Pa

Tabelul 3.1. Valori ale coeficientului

Nr.crt. Tipul constructiv al elementului încălzitor şi configuraţia incintei

1 Rezistoare din sârmă spiralată, plasate în nişe practicate în zidărie 0,16 0,24

2 Rezistoare din sârmă spiralată pe tuburi sau plasate pe poliţe 0,30 0,36

3 Rezistoare din sârmă în zig-zag sau în formă de bare 0,6 0,72

4 Rezistoare din bandă rezistivă în zig-zag 0,38 0,44

5 Rezistoare din bandă profilată sau turnată 0,56 0,70

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

Diametrul mediu D al spirei încălzitorului (fig.3.4, 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.3.4, b)) a elementului rezistiv, din motive mecanice, are valoarea A < 100a şi se recomandă ca pasul p al spirei să îndeplinească condiţia p < 2b.

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:

Materialele rezistoare trebuie să aibe proprietăţi speciale, astfel:•Ø stabilitate chimică la temperatura de lucru recomandată, condiţionată de temperatura admisibilă a rezistoarelor;•Ø stabilitate mecanică de temperatura de lucru, depinzând şi de timpul constructiv al rezistoarelor;•Ø rezistivitate electrică mare având consecinţă mărirea duratei de viaţă a rezistoarelor;•Ø coeficient de temperatură al rezistivităţii redus, determinând o variaţie redusă a puterii între stările reci şi calde ale rezistoarelor;•Ø plasticitateşi sudabilitate.

Principalele materiale care îndeplinesc aceste condiţii sunt aliajele pe bază de crom-nichel, crom-nichel fier, crom-aluminiu-fier (kanthal), carborund (silită) şi disiliciură de molibden.

sd

sr pma

Pl

pd

Pl

)1(2;

v

gDv

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.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).

3.1.3. Ecuaţiile de încălzire şi de răcireDacă în ecuaţia (3.4), 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 (3.4) poate fi scrisă şi sub forma:

, (3.14)

unde s-au utilizat notaţiile:

(3.15)Din ecuaţia diferenţială (3.14) rezultă că în regim final, stabilizat, atunci când temperatura ajunge la

valoarea maximă max şi deci d = 0, se obţine:

Prin împărţire cu Adt, ecuaţia diferenţială (3.14) devine:

Dacă se are în vedere relaţia (3.17), expresia (3.18) rezult�:

Raportul CA dimensional este timp şi se defineşte ca fiind constanta de timp Ti a procesului de încălzire. În acest fel, expresia (3.19) devine:

P t C A t d d ( ) d 0

lAAmcC ;

tAtP d)(d 0max

0max A

P

P

A

C

A t

d

d

0

A

Ct

max

d

d

max

dd

iT

t

Prin integrarea de la 0 la t a relaţiei (3.20), pentru o variaţie a temperaturii de la temperatura iniţială i la o temperatură oarecare , se obţine:

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 (3.14) se scrie sub forma (3.21):

În relaţia (3.23) 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 (3.23) devine:

Prin integrarea relaţiei (3.24), cu condiţiile că la t = 0 temperatura este d iar la momentul t temperatura este , se obţine:

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

iiiT

t

max

maxmax ln)(ln

0d

d0

tA

C

d d

0

t

Tr

rT

td

)(ln 0

)e1(e /0

/ rr TtTtd

f

1

3.2. Instalaţii cu rezistenţă electrică cu încălzire directă

3.2.1. Instalaţii pentru încălzirea directă a semifabricatelorÎncălzirea 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.

Încălzirea directă, se recomandă la piesele cu secţiune relativ mică şi lungime relativ mare (bare, ţevi, sârme, benzi), care au o rezistenţă R şi prin care se poate trece un curent electric de conducţie I, astfel încât energia electrică transformată în căldură, în timpul t, , să poată ridica temperatura piesei la valoarea dorită.

Încărcătura acestor tipuri de cuptoare poate fi solidă, lichidă sau metalică în electroliţi topiţi. Cuptoarele cu încărcătură solidă se clasifică astfel:§ cuptoare pentru încălzirea semifabricatelor metalice sub formă de bare, ţevi ,sârme benzi sau table şi se utilizează în special curentul alternativ.§ cuptoare pentru grafitare şi pentru producerea carborundului ce pot fi alimentate în curent continuu şi curent alternativ.Cuptoarele cu încarcatură lichidă sunt destinate încălzirii apei, topirii sticlei cu ajutorul curentului alternativ şi extragerii sau rafinarii aluminiului, utilizând curentul continuu (c.c). Cuptoarele cu băi de săruri utilizează curent alternativ (c.a.) în scopul încărcăturilor metalice în electrozi topiţi.

Trecerea curentului electric prin lichide sau electroliţi produce şi fenomene chimice alături de încălzire.

3.2.1.1. Instalaţii de încălzire electrică cu acţiune discontinuăÎncălzirea 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.3.8 [3.2].

Semifabricatul 1 este conectat în circuit prin inter­mediul electrozilor 2, alimentaţi de la transfor­ma­to­rul de curent intens 3. Circuitul dintre transformatorul 3 şi electrozi, dimensionat pentru curen­tul intens din circuit, este numit în mod uzual “reţea scurtă”, 4.

Fig. 3.8. Instalaţie de încălzire directăReglarea tensiunii la bornele electrozilor şi deci reglarea intensităţii curentului electric prin semifabricat

se face în primarul transformatorului de alimentare (circuit de curent relativ redus). Transformatorul are posibilitatea de asemenea, de a se modifica tensiunea de alimentare prin intermediul unor prize de reglare aflate înînfaşurare primară.

Menţinerea constantă a curentului electric poate fi realizată şi printr-o alimentare cu variator de tensiunealternativă, figura 3.9, cu tiristore în antiparalel.

Fig. 3.9- Cuptor cu alimentare prin variator de tensiune

Schema electrică echivalentăParametrii schemei electrice echivalente a instalaţiei se compun din parametrii transformatorului de

alimentare, rezistenta Rrs şi reactanţa Xrs reţelei scurte, rezistenţa de contact Rc a contactelor, rezistenţa R şi reactanţa X a semifabricatului.

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

(3.28)

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

(3.30)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.

Valoarea timpului de încălzire rezultă din expresia randamentului termic termic în care puterea utilă Pu este dată de ecuaţia (1.4) iar puterea dezvoltată în rezistenţa R a semifabricatului este,

unde pt sunt pierderile termice, masa m se calculează ca produsul densităţii ρ’ al semifabricatului cu volumulsemifabricatului, i entalpia masică. Timpul de încălzire tî se obţine astfel:

-în care j reprezintă densitatea de curent (având valori în limitele 4….10 A/mm2 în funcţie de densitateaelectrică admisibilă a contactelor ρ). Pentru ρ se va lua o valoare medie iar t = 0,85…0,95.

22'

2

2

22

)()( rssrss XXRR

U

Z

UI

ucrstr0 PPPPPP

2RIpP tu 2

1

RIt

im

pP

P

îtu

utermic

tî j

it

2

Calculul cuptorului conţine următoarele etape:1. Stabilirea parametrilor R şi X ai semifabricatului cu ajutorul relaţiilor efectului pelicular în conductoare

masive parcurse de curent alternativ;2. Calculul timpului de încălzire, alegând o valoare pentru densitatea de curent J; dacă se dă productivitatea

necesară E, timpul de încălzirea are valorile:

pentru cuptoarele cu acţionare intermitentă şi cu acţionare continuă, v în m/s, viteza de deplasare;3. Calculul rezistenţei de contact Rc şi a parametrilor reţelei scurte Rsc şi Xsc;4. Calculul indicatorilor energetice ai instalaţiei şi variaţia cu temperatura:

- randamentul electric

- factorul de putere în care impedanţa Z =

- randamentul cuptorului , în care t calculat cu relaţia (3.33),- tensiunea secundară a transformatorului U2 = ZI,

- puterea aparentă a trasformatorului în care P.

5. Consumul specific de energie electrică ,

6. Calculul bateriei de condensatoare pentru compensarea factorului de putere şi al instalaţiei de simetrizare.7. Calculul sistemului de răcire cu apă al contactelor şi reţelei scurte.

v

lt

E

slt i

îî

;

rsce RRR

R

Z

RRR rsc cos

22 )()( rsrsc XXRRR

te

,cos

PS 2)( IRRR rsc

i

e

uT

I

E1 E2

RB

Fig. 3.20 Instalaţie pentru tratamente termice cu încălzire directă.

În categoria instalaţiilor de încălzire directă intră şi cuptoarele electrice pentru tratamente termice (fig. 3.20) [3.2]. 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 ajutorulîntreruptorului I după ce soluţia a ajuns la temperatura de lucru. 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% NaClşi 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. 3.21) [3.2] în care căldura rezultă la trecerea curentului electric prin apa de încălzit.

Electrodul consumabil 1 (fig. 3.22) 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 incluziuninemetalice, 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.

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.

3.3. Instalaţii cu rezistoare cu încălzire indirectăCuptoarele cu rezistoare cu încălzire indirectă, prezintă numeroase utilizări şi o mare varietate de tipuri

constructive. Din punct de vedere al utilizarii ele se clasifica in:

• cuptoare pentru tratamente termice şi încălzirea materialelor• cuptoare pentru topirea metalelor şi aliajelor• cuptoare de laborator, • aparate electrocasnice si aparate pentru incalzirea incaperilor.

Cuptoarele destinate tratamentelor termice ale materialelor metalice si nemetalice, reprezintă marea majoritate a cuptoarelor cu rezistoare şi se clasifica în funcţie de principiul de construcţie, astfel:

• cuptoare cu vid (transmiterea căldurii prin radiaţie totală)• cuptoare cu radiaţii infraroşii (în care transmisia căldurii se realizează prin radiaţie parţială)• cuptoare de înaltă temperatură (în care transmisia caldurii se realizează prin radiaţie şi convetie ;

temperatura atmosferei 600 oC)• cuptoare de joasă temperatură (temperatura de lucru a cuptorului θC < 650°C) în care transmiterea

caldurii se realizeaza predominant prin convecţie.• Aceste tipuri de cuptoare se deosebesc din punct de vedere al straturilor refractare şi termoizolante, al

elementelor încălzitoare, al calculului şi construcţiei.• Din punct de vedere al modului de deplasare al încărcăturii în timpul procesului de încalzire, cuptoarele

cu încălzire indirectă sunt cu:• acţionare intermitentă, în care încărcatura nu se deplasează în timpul încălzirii;• cu acţionare continuă.

Din punct de vedere al atmosferei din interior cuptoarele cu încălzire indirectă pot fi cu vid, aer sau atmosfere controlate.Cuptoarele pentru tratamente termice se utilizează pentru călirea şi revenirea, recoacerea, cementarea şinitrocarburarea, precum şi îmbătrânirea metalelor. Încălzirea metalelor are drept scop:

• forjarea, matriţarea, laminarea, presarea sau alte operaţii de prelucrare la cald;• sinterizarea materialelor metaloceramice:• cositorirea, zincarea şi emailarea.

Tratamentele termice ale metalelor se împart în urmatoarele categorii:-tratamente termice primare (recoacerea, normalizarea, maleabilizarea);-tratamente termice secundare (călire, revenire, îmbunătăţire, îmbătrânire);-tratamente termochimice (nitrurare, nitroferoxare, carburare, carbunitrurare);-lipire, cositorire, zincare, emailare;-sintetizarea pulberilor.

În 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.

3.3.1. Încălzirea materialelor din interiorul cuptoruluiÎn 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:în care:

dQ2 este cantitatea de căldură elementară transmisă spre interiorul cuptorului de către elementul încălzitor (vezi relaţia 3.2):

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

dQa cantitatea de căldură care conduce la încălzirea pieselor anexe (etajere, scăriţe, suporţi etc):

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

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

În relaţia (3.39), s-a notat cu P2 puterea termică (fluxul termic) transmisă de elementele încălzitoare, este transmisivitatea termică (vezi relaţia 3.5), 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 (3.40), (3.41) 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.

zpdau QQQQQ ddddd 2

tAtPQ d)(dd 0122

d dQ c mu u u

d dQ c ma a a

d dQ c mz z z

Încălzirea termică a pieselor subţiriÎn prima etapă de încălzire, până la momentul t1 (fig.3.25), 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:

(3.44)

În relaţia (3.44) 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), θd

temperatura de încălzire prescrisă iar cu tu durata procesului de încălzire (θd = θi ).Fiind stabilită puterea utilă Pu, se poate estima durata t1 până la intrarea în funcţiune a regulatorului de

temperatură:

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

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 (3.5) a coeficientului r de transfer termic, se obţine:

Din relaţia (3.47) rezultă temperatura 1 a pieselor din cuptor la momentul t1:

În relaţia (3.47), Apl este aria suprafeţei laterale a pieselor încălzite iar TRM = RM + 273.

u

iduuu t

cmP

)(

u

iuu

P

cmt

)( 11

P t A tu pl RM d ( ) d 1

41

412 TTAcP RMplu

273273 4

12

411

pl

uRM Ac

PTT

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 3.21):

(3.49)

Dacă transferul termic ar fi numai prin radiaţie, determinarea intervalului tr12 poate fi făcută plecând de

la ecuaţia de încălzire scrisă sub forma: (3.50)

Având în vedere expresia transmisivităţii termice r, relaţia (3.50) devine:

(3.51)

Integrarea relaţiei (3.51), în intervalul de timp t1 t2, atunci când temperatura piesei variază de la temperatura 1 la d conduce la expresia:

(3.52)

Valorile funcţiei sunt date în tabelul 3.2. Timpul total de încălzire ti se obţine prin însumarea lui t1 şi t2.

dRM

RM

plc

uuc

A

cmt

112 ln

41

412 TTAcP RMplu

dd

tc m T

A c TT

T

T

u u RM

pl RMRM

u

RM

124 4

1

dd

tc m T

A c TT

T

T

u u RM

pl RMRM

u

RM

124 4

1

RMRM

d

RMpl

RMuur

T

T

T

T

TcA

Tmct 1

412

12

Tabelul 3.2. Valorile 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 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:

(3.53)

în care duratele tc12 şi tr

12 sunt calculate din relaţiile (3.49) şi respectiv (3.52).Deoarece durata t2 a procesului de încălzire este impusă, trebuie să se verifice faptul că suma valorilor

calculate t1 (relaţia 3.45) şi t12 (relaţia 3.53) este egală cu t2 . În mod obişnuit această condiţie nu este îndeplinită, astfel că se reia calculul începând cu relaţia (3.44) 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:

(3.54)Factorul kp din relaţia (3.54) 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:

(3.55)

În relaţia (3.55) s-au folosit notaţiile:Pz este puterea de pierderi care conduce la încăPa 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:

În cazurile reale, puterea instalată Pi în elementele încălzitoare din cuptor se calculează cu un coeficient de siguranţă ks:

tt t

t t

r c

r c1212 12

12 12

calculppp PkP

pdazp PPPP calcul

pun PPP

nsi PkP

Incălzirea pieselor termic masiveCa şi în cazul încălzirii pieselor termic subţiri, procesul de încălzire a pieselor termic masive cuprinde 4

etape (fig. 3.24): 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:

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:

În relaţia (3.62) 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).

gp au

u

2

uu

v

uu

u

c

p

ct

3.3.2. Cuptoare electrice industriale cu rezistoare cu încălzire indirectăCuptoarele 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.

3.3.2.1. Cuptoare electrice cu rezistoare pentru tratamente termiceTratamentele 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 3.29 [3.2].

Cuptoarele tip cameră (fig. 3.29 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.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. 3.29 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. 3.29 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. 3.29 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 ridicar

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.

Dezavantajul cuptoarelor pentru topirea metalelor sunt:Ø Randamente termice scăzute;Ø Consum specific de energie ridicat;Ø Durata de viaţă a rezistoarelor redusă.

Cuptoarele de laborator sunt utilizate în cazurile care necesită uniformitate a câmpului de temperatură şi reglaj precis al acesteia, ca de exemplu la producerea semiconductoarelor.

Avantajele tehnice şi economice ale încălzirii electrice cu rezistoare, chiar şi faţă de încalzirea cu gaz metan, sunt evidente în următoarele domenii de utilizare:

-la temperaturi joase şi medii, când se impun condiţii pretenţioase de reglare a temperaturii;-la temperatură înalte, când este necesar gaz de protecţie, de reacţie sau vid;-în zonele de menţinere ale cuptorelor cu acţionare continuă;-la încălzirea pieselor în mişcare;-în industria de prelucrare a materialelor plastice;-la cuptoarelor industriale şi de laborator, care sunt utilizate în diferite scopuri şi domenii de

temperatură.Utilizarea încălzirii combinate, combustibil gazos – rezistoare în cuptoarele pentru tratamente termice,

conduce la o reducere a consumului de energie electrica şi economii de combustibil gazos. Cuptorul combinat este un cuptor cu acţionare continuă în care prima zonă este încalzită cu gaz, iar cea de a doua cu rezistoare.

3.3.3. Aparate electrocasniceAparatele 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. 3.32) 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 elemente, astfel încât să rezulte o variaţie în trepte constante a puterii absorbite de la sursa de alimentare.

Caloriferele electrice (fig. 3.33) 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.3.33 a)) este alimentat din reţeaua electrică prin intermediul termoregulatorului 3 (fig. 3.33 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. 3.34) 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. 3.34 a)) sau pe perete (fig. 3.34 b)).

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 încalzit 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 neuniformitateatemperaturii în încăpere şi un nivel ridicat de zgomot.

15

2

~ 230 V

3

2 7

4

2

a) b)

Fig. 3.33. Caloriferelectric.

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.

3.4. Reglarea temperaturii în cuptoarele electrice cu rezistoareControlul 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.

3.4.1. Reglarea intermitentă a temperaturiiCel 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. 3.35.

a) b)Fig. 3.34. Aparateconvective de încălzit

1

2 12

3.4.2. Reglarea continuă a temperaturiiLa 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).

3.5. Echipamentul electric al cuptoarelor cu rezistoareCuptoarele electrice cu rezistoare sunt alimentate la o tensiune de 220…500 V, justificată pentru protecţia

personalului împotriva electrocutării, a dificultăţii de izolare a spirelor rezistoarelor între ele sau faţă de incinta cuptorului şi de mărimea duratei de funcţionare. Această tensiune se obţine printr-un transformator sau autotransformator, monofazat sau trifazat sau cu variatoare de tensiune alternativă cu tiristoare din reţelele de joasă tensiune ( în cazul în care puterea cuptorului nu depăşeşte 50 kW) ori prin intermediul transformatoarelor cu prize de reglaj a tensiunii sau autotransformatoarelor din reţelele de medie tensiune sub 20 kV (la puteri ale cuptorului de peste 50kW).

Reglajul temperaturii în conformitate cu cerinţele procesului tehnologic se realizează modificând puterea cuptorului prin schimbarea conexiunilor rezistoarelor şi prin variaţia tensiunii de alimentare, sau prin variaţia unghiului de conducţie al tiristoarelor în cazul utilizării variatoarelor de tensiune alternativă. Echipamentul electric mai conţine (Fig. 3.39.):

În cuptoarele trifazate rezistoarele se pot comuta din triunghi în stea, iar rezistoarele unei faze pot fi comutate din paralel în serie (în acest fel puterea se micşorează de patru ori).Rezistoarele unei zone a cuptorului sunt împărţite în trepte legate în triunghi sau stea la conexiunea trifazată. Pe fază treptele pot fi legate în serie sau în paralel. Combinaţia tuturor acestor posibilităţi permite o variaţie a puterii cuptorului între una şi nouă trepte, comutabile prin contactoare ca in Figura 3.40.

Fig. 3.40. Conexiunile rezistoarelor şi variaţia puterii cuptorului în procente din puterea nominală, la tensiune constantă de alimentare

Tiristoarele folosite pentru alimentarea cuptoarelor sunt legate în antiparalel pe fiecare fază. Când faza tensiunii de comandă corespunde cu faza tensiunii de alimentare, atunci acestea sunt deschise şi puterea cuptorului are valoare maximă. Dacă se realizează un defazaj între tensiunea de comandă şi tensiunea reţelei (cu ajutorul unei scheme de defazare incluse în blocul de comandă al tiristoarelor BCT), atunci o parte din perioadă tiristoarele nu vor conduce, micşorându-se în acest mod puterea cuptorului.

Tensiunea de alimentare poate fi variată prin:• schimbarea raportului de transformare al transformatorului cu ajutorul unui comutator de prize, sub sarcină;• comutarea conexiunii primare a transformatorului din triunghi în stea (puterea cuptorului scade de trei ori);• utilizarea autotransformatoarelor cu contacte alunecătoare;• utilizarea reactanţelor saturabile sau a amplificatoarelor magnetice conectate în serie cu cuptorul;• utilizarea tiristoarelor în scheme de variatoare de tensiune alternativă.

Sistemele de reglaj automat a temperaturii cuptoarelor cu rezistoare întrebuinţează:•Ø regulatoare bipoziţionale sau cu semnal binar (reglaj în limitele 5…10C), de tipul milivoltmetrului regulator, al logometrului regulator sau al compensatorului automat care acţionează asupra contactorului principal din schema de alimentare a cuptorului; oscilaţiile temperaturii rezistoarelor conectate şi deconectate sunt reproduse la scară mult mai redusă de oscilaţiile corespunzătoare ale temperaturii încărcăturii. Mărirea preciziei de reglaj a temperaturii implică frecvenţe mari de conectare-deconectare, limitate în cazul utilizării contactoarelor mecanice;•Ø regulatoare continue (de tip P, PI sau PID), care acţionează asupra comenzii reactanţelor saturabile sau atiristoarelor variatoarelor, permiţând un reglaj foarte precis al temperaturii, precum şi urmărirea unui anumit regim termic.• Variatoarele de tensiune alternativă utilizate pentru comanda şi reglarea puterii cuptoarelor cu rezistoare, pot fi: cu întreruperea periodică a alimentării şi cu comanda unghiului de conducţie a tiristoarelor.

La variatoarele cu întreruperea periodică a alimentării (Fig. 3.41) conectarea şi deconectarea cuptorului se face de către tiristoarele V1 şi V2, la trecerea naturală a tensiunii prin zero (fig. 3. 41, a). În decursul perioadei T=nTr

(Tr e perioada tensiunii ur a reţelei de alimentare), cuptorul e alimentat cu un număr variabil (n – k)π de semiunde.

Fig. 3.41 Schema bloc a variatorului cu întreruperea periodică a alimentării, pentru: a - cuptor monofazat; b - cuptor trifazat; A1 - potenţiometru pentru stabilirea mărimii de referinţă; A2 - regulator bipoziţional sau cu semnal binar; A3

- regulator continuu; A4 - blocul de comandă al tiristoarelor V1 şi V2; B - termocuplu; T - transformatorul cuptorului.

Obţinerea unor condiţii mai bune de reglare automată este posibilă prin conducerea procesului termic cu ajutorul microprocesoarelor. Funcţiile de reglare sunt realizate în microprocesor; mărimile temperaturii dependente de timp şi spaţiu sunt calculate şi stabilite până la sfârşitul procesului. Din punct de vedere al reglajului automat cuptorul cu rezistoare şi încărcătură, împreună cu traductorul de temperatură reprezintă o combinaţie de capacităţi şi rezistenţe termice.

Factorul de comandă k permite reglajul în trepte al puterii, între valoarea zero (pentru k = n) şi cea nominală (Pn = Ur In) unde Ur este tensiunea reţelei de alimentare (valoarea eficace), iar In este curentul nominal al cuptorului.

Variaţiile puterii, tensiunii şi a curentului cuptorului, date de relaţiile:

sunt reprezentate în figura 3.42, b.

Fig.3.42. Comanda variatorului cu întreruperea periodică a alimentării: a - variaţia în timp a tensiunii U a cuptorului; b - variaţia valorilor relative ale tensiunii cuptorului U (valoare eficace) raportate la tensiune Ur a reţelei şi a puterii P a cuptorului raportate la puterea lui nominală Pn în funcţie de factorul k de comandă, cu n=10

Pentru n = 10 puterea cuptorului poate fi modificată în trepte de 1/10 din puterea nominală.

n

k

P

P

n

1n

k

P

P

U

U

nr

1n

k

U

P

U

PI

r

n 1

Avantajele acestui tip de variator – influenţă redusă asupra reţelei de alimentare (cu excepţia armonicelor de 1...2Hz care produc fenomene de pâlpâire ale lămpilor cu incandescenţă şi ale emisiunilor TV) şi inexistenţa consumului de putere reactivă – au condus la utilizarea lui până la puteri de 200kW (varianta monofazată) şi 600kW (varianta trifazată).

La variatoarelor cu comandă a unghiului de conducţie a tiristoarelor (fig. 5.), variaţia tensiunii este indicată în figura 6, a. Prin modificarea unghiului α de aprindere, se obţin variaţiile puterii, tensiunii şi a puterii cuptorului, conform relaţiilor:

; ;

şi reprezentate în figura 3.43, b.Influenţa importantă asupra reţelei de alimentare a armonicelor superioare de ordinul 3 (fig. 6, b), 5, 7 etc.

produse de acest tip de variator, precum şi consumul de putere reactivă (fundamentala tensiunii u e defazată faţă deur) limitează utilizarea lui la puteri de 2kW (varianta monofazată) şi 10kW (varianta trifazată).

Fig. 3.43. Schema bloc a variatorului cu comanda unghiului de conducţie, pentru: a - cuptor monofazat; b - cuptor trifazat. A1 - potenţiometru pentru stabilirea mărimii de referinţă; A2 - regulator bipoziţional sau cu semnal binar; A3

- regulator continuu; A4 - blocul de comandă al tiristoarelor V1 şi V2; B - termocuplu; T1- transformator de curent; T2

- transformatorul cuptorului.

2sin

2

11

nP

P

2sin2

11

rU

U

2sin

2

11

r

n

U

PI

Fig. 3.44. Comanda unghiului de conducţie a variatorului: a – variaţia în timp a tensiunii u a cuptorului; b – variaţia mărimilor relative – tensiunea U (valoare eficace) şi puterea P a cuptorului, armonica de ordinul 3 a tensiunii (U3), în funcţie de unghiul de comandă.