incalzire ohmica

7/23/2019 Incalzire ohmica

1/20


2/20

CURS 3 Tehnici, echipamente, instalaii i aplicaii pentru nclzirea Ohmic direct

fi dimensiunea volumului i grosimea produsului. Deci n interiorul incintei nu exist un gradient termic, faptcare genereaz multiple consecine :

-pot fi nclzite prduse cu proprieti de conductivitate sczute (l),-produsele cu grosimi mari nu mai constituie un obstacol, deoarece puterea volumic ridicat i cu o

geometrie adaptat, pot fi diminuate pierderile de sarcin,-este uor de realizat nclziri pentru produse eterogene.Pe de alt parte, electrozii servesc doar tranzitrii curentului prin soluie i nu au rolul pereilor calzi,

stabilizndu-se la o temperatur cel mult egal cu a produsului de tratat (facilitnd, astfel tratarea fluidelortermosensibile, fr riscul supranclzirii produselor n zona de contact cu electrozii i reducerea gabaritelorinstalaiei).

Operaii tehnologice validate :a) pentru nclzirea n regim discontinuu, sau n cuv, respectiv prin aducerea produsului plasat static

n cuv, de la temperatura iniial la o temperatur final impus i eventual meninerea un timp aprodusului la aceast temperatur.

b) Pentru tratamentul lichidelor n circulaie printr-o celul, repectiv fluidul ptrunde n aparatul echipatcu electrozi, printr-o parte izolat i ies n mod continuu dup ce a fost supus creterii la temperaturadorit.

c) pentru operaii unitare de concentrare (orientate spre fluide dificil de tratat, prin caracterul lor dembcsire i vscozitii lor ridicate, sau chiar agresive chimic), pe durat crora nivelul fluiduluiscade n timp, se impune un flux continuu la alimentare cu fluid i o agitare permanebt, fiind similar

funcionrii unui evaporator.

1.2 Algoritm de dimensionare i alegere a materialelor rezistiveLa baza dimensionrii unui rezistor st lagea lui Ohm:

2


3/20


La baza nclzirii rezistive st legea lui Joule care se enun astfel:

Atunci cnd un curent electric, de intensitate I parcurge un material sau substan conductoare,n acesta are loc o conversie a energiei electrice absorbite n energie caloric, aa nct:

[ ]JtR

UtRIW

2

2==

unde: R rezistena electric a materialului conductor[];

I Intensitatea curentului electric [A];U diferena de potenial electric ntre bornele de conectare a conductorului [V];t timpul n care curentul parcurge conductorul [s].

Efectul Joule reprezint un fenomen general al crui consecine sunt de multe ori nedorite, deoarecereprezint pierderi de energie care limiteaz randamentele (linii electrice de transport , motoare itransformatori electrici .a.).

n cazul aplicaiilor electrotermice i electrotehnologice acest efect cu generare de cldur reprezintun efect util i care se impune optimizat.

nclzirea prin rezistori electrici se poate valorifica n dou moduri:

Prin nclzire direct Prin nclzire indirectCaz n care corpul de nclzit constituie i rezistorulelectric conductor, respectiv puterea termic este

generat n corpul de nclzit.

Caz n care puterea termic produs n rezistor estetransferat indirect corpurilor de nclzit prin radiaie

i convecie termic.

3


4/20


Principial, nclzirea direct prin rezistori, const n a supune produsul de nclzit la o diferen depotenial, fie prin conectare direct prin intermediul bornelor de racordare, fie indirect prin intermediul unorelectrozi.

Conectare direct prin borne Conectare indirect prin electrozi

Calculul parametrilor instalaiei de nclzire utilizeaz legea lui Ohm, respectiv:

Principalele relaii de calcul

Legea lui Ohm Rezisten i rezistivitateelectric

Conductan i conductivitateelectric

[ ]

[ ]

[ ]=

=

=

I

UR

AR

UI

VRIU[ ]

( ) [ ]mS

LR

oel

el

+=

=

1

[ ]

=

=

m

S

SR

G

el

1

1

1.3 nclzirea Ohmic prin conducie a fluidelor conductivenclzirea unui fluid prin conducie electric direct const n trecerea unui curent electric prin mediulfluidului cu caracteristici de conductivitate electric. Pentru aceasta, fluidul se amlplaseaz ntre doi electrozicare sunt supui unei diferene de potenial, electrozi adaptai rezistenei electrice a mediului. Acestprocedeu de nclzire poate fi materializat prin dou proceduri, reprezentate mai jos:

nclzirea unui fluid aflat n circulaie nclzirea unui fluid staionar n cuv

Pereii sunt parial sau total metalici ce coninelectrozii de seciune S[m2], supui uneidiferene de potenial U, care genereazcirculaia unui curent I n fluidul caracterizatprin conductivitatea electric (S/m), (inversulrezistivitii). Energia termic este disipat prinefect Joule.Puterea este dat de relaia :

S

dundeR,

R

UP

==2

Principiul fundamental este acelai ca i n cazulnclzirii unui fluid n circulaie.n acest caz masafluidului M trebuie adus de la o temperatur Tf la otemperatura Tc ntr-un timp t, care constituie de celemai multe ori parametru impus de utilizator.Puterea medie rezultat n acest caz este :

t

TTMcP fcp

=

unde :

4

Borne deracord

Transformatoradaptor detensiuneP

rodusde

nc

lzit

Cuv

Produsde

nclzit

Electrozi

R

U

I


5/20


d distana dintre electroziProcesul de nclzire se realizeaz volumic, iarenergia electric este transformat direct nenergie termic fr intermedieri. Nu existschimburi termice convective aa cum sentmpl n cele mai multe procese clasice.

Cp - cldura masic a fluidului J/kgK.Se observ c conductivitatea electric a fluiduluicrete cu temperatura.La aceiai tensiune dealimentare puterea absorbit nu va fi constant pedurata nclzirii, fap de care va trebui s se in contla dimensionare. n cele mai multe cazuri se impunede a se utiliza o putere constant sau modulat,

respectiv de a utiliza o tensiune variabil.nclzirea Ohmic reprezint un mod de tratament termic care prezint urmtoarele avantaje

specifice : absena pereilor nclzii, respectiv tratarea fluidului fr posibiliti de degradare; nclzirea ohmic asigur o uniformitate bun a temperaturii, oricare ar fi natura fluidului, fr a finecesar o agitare forat a fluidului tratat; absena schimbului convectiv permite tratarea fluidelor cu vscozitate ridicat, respectiv cele cuo comportare reologic specific (nenewtoniene), respectiv cu conductivitate termic redus.Fa de sistemele clasice care realizeaz nclzirea prin vapori, nclzirea Ohmic nu genereaz

polurii diluii n fluidele tratate. Avantaje certe se pot obine doar pentru aplicatoarele care nu prezintnici o imperfeciune geometric (respectiv prin care se asigur repartiia uniform i simetric a liniilor decurent), precum i prin calcule de dimensionare corespunztoare din punct de vedere electric, termic i

hidraulic.Fenomene

hidrodinamiceFenomene termice Fenomene electrice

si fenomene electrochimiceSe refera la foreleaplicate volumului, lapresiunea i mai alesfrecrile interne;

Se refera n primul rndfenomenul de conducie acldurii, legat de existena unuigradient de temperatur i detransportul acestei clduri(fenomenul de convecie);

Se refera la disiparea volumic a energiei electrice ncldur (efect Joule) si la cu electrozii. Totui, inndcont de caracterul alternativ al cmpului electricconsiderat i de alegerea unei valori reduse a densitiide curent pe care o impunem, aceast fenomen poate fineglijat.

n cazul practic al nclzirii Ohmice prin conductia electric, toate aceste fenomene sunt nsinterdependente. Astfel, n cazul nclzirii Ohmice a unui fluid n circulaie sunt prezente cele trei fenomenefizice principale (hidrodinamic, termic i electric), cuplate mutual. Se impune o nelegere corect a acestor

cuplaje, n special n cazul proiectrii unor prototipuri, activitate care implic analize numerice pentrumodelarea ntregului sistem.

Cuplaj electric termic Cuplaj hidrodinamic-termic Cuplaj electrichidrodinamic-n sensul electric-termic,energia electric disipatvolumic prin efect Jouleacioneaz direct asupracmpului termic i constituieunul dintre cuplajele eseniale.Odiscontinuitate sau o

concentrare a liniilor de curentaccentueaz fenomenul local;-Invers n sensul termic-electricexist un gradient de

-n sensul hidrodinamic-termic,din cauza efectelor vscozitii,particulele fluidului suntncetinite n vecintateapereilor, acolo undestaioneaz mai mult timp ntr-un loc i se nclzesc mai mult.

Pe de alt parte pentru fluidefoarte vscoase trebuie inutcont de energia disipat prinfrecri interne;

- n sensul hidrodinamic-electricse poate neglijeaz acest cuplajce prezint o influen mairedus dect celelalte. n acestcaz apare o for electricdatorit existenei gradientului detemperatur care modific

curgerea;-n sens invers electric-hidrodinamic,datorit sarcinilorlibere n micare se modific

5

Electric

(T)

TermicHidro-

dinamic Disipare vscoas


6/20


temperatur care modificconductivitatea electric ipermitivitatea, fapt careinflueneaz cmpul electric;n afara unor cazuri particulare,cuplajul electric-termic poate fimodelat utiliznd legea lui Joule

cu condiia de a controla variaiaconductivitii fluidului cutemperatura.

-n sens termic- hidrodinamic,nclzirea influeneaz vscozi-tatea i deci regimul de curgere.Cuplajul hidrauluic-termicinflueneaz puternic calitateanclzirii i poate fi analizat nmod corect doar prin tehnici

numerice

densitatea de curent.Cuplajul electric hidrodinamicse poate neglija n cele mai multecazuri.

Un exemplu de aplicare a acestui procedeu const n realizarea unei curgeri forate ntre doielectrozi crora li se aplic o diferen de potenial U0. Sub aciunea cmpului electric creat astfel E, sestabilete un curent de conducie electric (conducie Ohmic) i care are ca efect generarea surselorvolumice de cldur (efect Joule).

nclzirea Ohmic se aplic lichidelor care conin ioni liberi, respectiv lichidelor cu caracteristiciconductive electric. Sarcinile ionice coninute n fluid sunt antrenate n micare sub aciunea unui cmpelectric. Direcia i viteza de deplasare a acestora depinde de sensul cmpului electric i de polaritatea sa(anioni sau cationi). Deplasarea ionilor este nsoit de o degajare de cldur n nsi miezul lichidului, carepoate fi explicat prin legea lui Joule.

Un exemplu de realizare experimental este prezentat n figura de mai jos:

Acest nclzitor se compune dintr-un tronsontubular de seciune dreptunghiular prin caretrece soluia de nclzit. Cei doi electrozilegai la o surs de energie electricconstituie cei doi perei ai acestui tub.

Produsul de nclzit intr pe partea inferioar a aparatului i iese prin partea superioar, fiindantrenat printr-o pomp hidraulic. Diferena de potenial aplicat ntre electrozi, de ctre generatorul

electric, genereaz o deplasare a ionilor i un schimb de electroni ntre electrod i produs, deplasare cepoate produce o electroliz, respectiv o descompunere chimic a fluidului i generarea unor elementedizolvate n acest mediu. Electroliza este nsoit de modificarea proprietilor de depunere sau a degajrilorgazoase (O2, H2, etc.) pe durata degajrii cldurii n miezul electrolitic, produs de deplasarea ionilor(curentul electric).

n cazul unei electrolize aceast degajare de cldur este o pierdere. n cazul nclzirii ionice, a cruiscop este creterea temperaturii fluidului, acest fenomen constituie un avantaj.

Prin aplicarea unui curent alternativ ntre electrozi, caz n care electrozii legai la reea i schimbpolaritatea de 100 de ori pe secund, n vecintatea fiecrui electrod, se produc atomi prin neutralizareaionilor cu o anumit polaritate, atomi ce pot reaciona ntre ei imediat pentru a reconstitui ionii primitivi,fenomen care anuleaz toate efectele chimice ale operaiei.

Conform cineticii i reversibilitii acestor reacii ele pot cauza coroziuni ale electrozilor sau depuneripe acetia, depuneri ce depind de compoziia chimic a produsului de nclzit, a materialului electrozilor i al

frecvenei tensiunii electrice utilizate. Aceste probleme se impun tratate atunci cnd exist o discontinuitate acmpului electric i o densitate mare de curent, respectiv n vecintatea pereilor i n coluri, cazuri iporiuni n care pot aprea supranclziri locale legate de nclzirea produsului i de creterea densitii decurent. Alegerea formei i a suprafeei electrodului este deci esenial pentru o bun funcionare anclzitorului.

Prin urmare, lichidele industriale tratate au uneori comportri termoreologice particulare (lichidelenenewtoniene, etc.), iar caracteristicile lor fizice depind n aceli timp de cmpul hidrodinamic i termic. Decieste necesar de a efectua un studiu termohidraulic pentru a rezolva aceste probleme i a realiza nclzitoarefiabile. nteresul actual pentru aceast tehnic de nclzire a fluidelor se manifest n special n domeniulagroalimentar, n procedee de sterilizare, nclzire sau decongelare. Exist interes de aplicare i n chimie,industria farmaceutic i cosmetic, precum i la fabricarea hrtiei.

1.4 Consideraii practice asupra parametrilor ce definesc nclzirea direct a fluidelorSunt de evideniat mai muli parametrii afereni diferitelor tipuri de cuplaje, care intervin n mod direct

la dimensionarea unei celule de nclzire Ohmic, i care se pot clasifica n patru categorii dup cumurmeaz :

Caracteristici Simbol Parametru Unitate

6


7/20


referitoare la:

Fluid Conductivitate electric S/m

Masa volumic Kg/m3

Cp Cldura masic J/KgK

Vscozitate dinamic Pas

Geometric L Limea electrozilor mH nlimea electrozilor m

Die Distana ntre electrozi m

V Volumul interior al celulei sau al cuvei m3

Termohidraulic(n circulaie)

Dm Debitul masic al fluidui Kg/s

v Viteza fluidului m/s

ts Timpul de staionare s

P Cderea admisibil de presiune pe sarcin bar

Tf Temperatura de intrare (fluid rece) C

T Creterea n temperatur C

Termohidraulic(n cuv)

M Masa fluidului de nclzit KgT Timp de nclzire s

Tf Temperatura iniial (fluid rece) C

Tc Temperatura final (fluid cald) C

Electrici

P Putere disipat W

U Tensiune de alimentare V

I Intensitatea curentului electric A

J Densitate de curent A/m2

Conductivitaetea electric reprezint capacitatea de trecere a curentului printr-un material. Pentrumaterialele solide, aceast conductivitate este explicat prin prezena electronilor liberi i prin posibilitateaacestora de a se deplasa. n cazul lichidelor, transportul sarcinilor este asigurat de ctre ioni.Conductivitatea lichidelor este, deci explicat prin natura i prin concentraia n ioni pe care-i conionelichidul. Conductivitatea, fiind inversul rezistivitii e(m), se exprim n S/m (Siemens/metru sau maifrecvent prin S/cm (1S/cm = 10-4S/m).

Gama conductivitilor aferente produselelor naturale sau prelucrate este foarte mare. Ea acoperproduse de la izolatori semiperfeci (cum este apa demineralizat, 10-4 S/m) pn la lichide foarte buneconductoare de electricitate, precum soluiile acide sau bazice (cteva zeci de S/m). Conductivitateaelectric a lichidelor crete cu temperatura (invers fa de cea a materialelor solide). Aceast variaie esteaproape linear i se poate exprima cu o buna aproximaie prin relaia:

= 20 + ( -20)unde : coeficientul de temperatur [S/mC] temperatura de calcul[C]

20 conductivitatea la 20C

Pentru ap din reeaua de alimentare cu caracteristici termofizice standard, la =20C, = 0,055S/m i = 0,00165 S/mC, la =90C se obine o conductivitate 90 = 0,171 S/m, respectiv cu o creterede trei ori.

Consideram de exemplu cazul unei cuve cu nclzire staionar, echipat cu electrozi de seciune0,1 0,1 m i distanai la 0,1 m. Tensiunea aplicat pentru o putere de 10 kW(la 20C i la 100C), n cazulctorva produse cunoscute, sunt date n tabelul de mai jos:

Produse la 20C[S/m]

Tensiunea aplicat la20C [V]

Tensiunea aplicat la100C [V]

Lapte 0,452 470 275

Concentrat de tomate 2,03 220 130

Mutar 5,05 140 85

Conductivitatea electric este un parametru esenial al nclzirii prin conducie direct deoarecereprezint rezistena electric a sistemului. Aa cum am vzut aceti parametrii prezint variaii importantecare trebuiesc bine cunoscute i luate n considerare n mod corect atunci cnd efectum calcule dedimensionare n proiectare.

7


8/20


1.5 Criterii specifice de dimensionareCelul cu circulaia fluidului Cuv cu fluid staionar

Calculul unui aparat deinclzire Ohmic cucirculaie se banzeaz peurmtoarele date iniial:

-caracteristicele fluidelor : , Cp,, ;-debitul masic Dm ,sau plaja dedebite;-temperatura de intrare Tf icea de ieire Tc.Deci, exist mai multenecunoscute dect numrul deecuaii, fapt pentru care estenecesar precizarea anumitornecunoscute (n acest caz 3),functie de anumite criteriicomplementare.Calculul pornete de la relaia:

P=DmCp(Tc-Tf)

Calcului unui aparat n regim discontinuu utilizeaz aceleai ecuaii, avndca date iniiale urmtoarele elemente:-caracteristicile fluidului;- masa produsului M;-temperaturile iniial i final, Tf i Tc;-timpul dorit pentru nclzire.Se evideniaz dou diferene n mersul de calcul:-nu se efectueaz calculul pierderilor de sarcin;-se pot impune dou moduri de funciona-se alege tensiunea U i se determin I=P/U;-se alege densitatea de curent J i o nlime H, rezultnd L=I/JH-se determin rezistena R=U/I;-se poate calcula deci Dei=RLH.Totui, dimensionarea nu este terminat deoarece conductivitatea variazfuncie de temperatur.n prima aproximare se consider o conductivitatemedie ntre intrare i ieirea din aparat. Un calcul riguros impune omodulare a celulei n sensul curgerii, aplicnd un calcul iterativ, reglndtensiunea pentru obinerea puterii dorite. aplicarea unei tensiuni constante care va asigura variaia puterii nfuncie de variaia conductivitii, cu riscul depirii temperaturii finale;reglarea tensiunii pentru a menine o putere fix chiar n condiiile variaieirezistenei sistemului, sistem avantajos unei conduceri programate.

n aceste dou cazuri energia total disipat va fi aceiai.2. Componena unui echipament de nclzire Ohmic

2.1 Concepia unui aparatConcepia aparatelor impune precauii particulare, neexistnd apareate cu funcionalitate universal.

Caracteristicile fizice ale produselor au o mare influen asupra concepiei unui aparat, n principalconductivitatea electric. Principalele aspecte care trebuiesc analizate sunt:

-incinta de lucru: geometria acestuia determin puterea necesar unui produs dat, forma idimensiunile electrozilor, materialele.

-electrozii : compatibile cu fluidul de tratat (n special n cazul produselor alimentare).-alimentarea electric: datorit complexitii se va deterina n funcie de precizie i de tipul detratament impus, putnd fi implicate autotransformatori sau convertizori statici.

Conductivitatea electric reprezint aptitudinea fluidelor de a conduce curentul electric i se exprimn Siemens pe metru ( S/m), fiind inversa rezistivitii. Ea depinde de mai muli factori :

-natura fluidelor : care impune i o alegere corespunztoare a geometriei.-temperatura: cu creterea n temperatur conductivitatea crete, aproximativ dup o lege linear,

putnd fi de 3-10 ori mai mare la o cretere de 100 0C.-concentrarea ingredientelor n soluie: dac nivelul de materie uscat dintr-o soluie crete,

conductivitatea electric global crete, cel puin pentru nceput, observndu-se un palier sau un vrf, dupcare scade spre zero, ceea ce corespunde strii solide.

2.2 Tipuri de aplicatoareGeometriile aparatelor cu nclzire Ohmic ce pot fi ntlnite n instalaiile industriale sunt cert foarte

divesificate. Ele in cont de fenomenele implicate, termice, hidrodinamice, electrice, iar configuraiile iamenajrile vor fi determinate n funcie de anumii parametrii, precum: timpul de staionare a fluidului;

repartiia liniilor de curent; prezena sau nu a particulelor solide; conduitivitatea n afara normei pentru anumite lichide;

8


9/20


sectorul de aplicare.Prezentm ca exemplu cteva celule tip de tratament i modul lor de conectare electric:

De tip monofazatCelule cu electrozi plani dreptunghiulari Celula cu electruzi cilindrici.

De tip trifazatCelule cu electrozi plani dreptunghiulari Celula cu electruzi cilindrici.

2.3 Factorii care influeneaz concepia alimentrii electriceAcetia sunt grupai pe categorii, dup cum urmeaz de utilizare a sistemului de nclzire Ohmic:a) nclzirea se produce direct n miezul materialului (fluidului)Energia termic disipat n fluid se obine din conversia energiei electrice prin efect Joule. Puterea

util este de forma :KUP

2=

unde : d distana ntre electrozi [m];s seciunea [m2]; conductivitatea fluidului [s/m].

b)Condutivitatea fluidelor care variaz puternic cu:

Natura fluidului Cu nivelul de temperaturConductivitetea fluidului de nclzit variazputrnic cu natura fluidului. Gama conductivitii sentinde de la fluidele izolante cvasiperfecte (apademineralizat, =10-4 s/m). Este imposibil de adefini un nclzitor universal. Alimentriletrebuiesc n msura posibilului s fie adaptate lanclzirea unui numr mare de fluide.

Conuctivitatea electric a fluidului de nclzitvariaz cu temperatura. Aceast variaie estecvasiliniar n sectorul agroalimentar.Se obine o relie de tipul : (100C)=(34)(20C).Alimentrile trebuie s fie variabile ntr-o plajmare de puteri sau tensiuni.

c)Reaciile electrochimice care au loc n vecintatea electrozilor.Densitaile mari de cureni la extremitile electrozilor produc reacii electrochimice care pot genera

poluarea fluidului de tratat, precum i degradarea materialului coninut. n analiza soluiei de proiectare estenecesar a se respecta intercondiionarea fluid-densitate de curent-materialul electrodului pentru a minimiza

9


10/20


efectele fenomenele electrochimice i fr a influena asupra calitii produsului finit. n funcie dealimentarea electric pot interveni doi factori ce pot influena aceste fenomene:

Forma undei de tensiune Frecvenei undei de tensiunePentru a evita orice posibilitate de electroliz,semnalul nu trebuie s conin componentecontinue.

Relaia ntre densitatea de curent transmisfluidului i degradarea electrozilor este nstudiu. Totui se poate considera din punctde vedere propriu alimentriielectrice,funcionarea la frecvene mai ridicate pentruminimalizarea eventualelor deteriorri aleelectrozilor i de a asigura un ctig la cost igabaritul.

d)Modul de procesare termic a fluidului.

Fluid staionar n cuv Fluid cu circulaie continu prin cuvSe aplic o diferen de potenial lichidului rece situatn cuv. Atunci cnd fluidul se nclzete n cuvrezistena va scade. Dac se lucreaz la tensiune constant

Curentul absorbit crete pe durata nclzirii cai puterea furnizat. Acest lucru are douinconveniente:- alimentarea cu un simplu transormator impunedimensionarea astfel ca s se asigure rezistena laputerea absorbit la sfritul procesului- nclzirea fiind mai intens la nceputul dect lasfritul ciclului, dinamica nclzirii este de necontrolat. Dac se lucreaz la putere constant

Complexitatea i costul lucrrii crete darexist dou avantaje:- se absoarbe o putere medie, mai mic dectputerea absorbit la ciclului pentru o nclzireechivalent celei la tensiune-

se obine posibilitatea nclzirii dup program atemperaturiiReglarea const n a msura temperatura T a fluiduluii de a o compara cu o temperatur de consemn.Cnd : TTconst -se oprete alimentarea.Alimentarea procesului de nclzire n cuv necesitdeci o variaie important a tensiunii la funcionareanormal deoarece ciclul de nclzire impune un salt dela Tf la Tc, deci la o puterea egal, de la Umax la Umin nmod continuu. Din contr, ineria datorat masei delichid creaz o rapiditate mai mare a variaiilor.

Parametru Putereconstant Tensiuneconstantnceput Final nceput Final

TemperaturC

20 100 20 100

ConductivitateS/m

0,055 0,187 0,055 0,187

Tensiune U 577 302 401 401Intensitate I 76,6 141,3 55,1 187,2Putere kW 42,7 42,7 22,06 75Densitatede curent

A/cm2

15,3 28,3 11,0 37,4

Lichidul traverseaz celula i se nclzete pemsur ce rezistivitatea variaz de-a lungulaparatului.n aceast configuraie, fr a impuneprecauii speciale, curentul nu serepartizeaz omogen pe electrozi, existndtendina de a trece pe unde rezistena estemai mic, respectiv prin partea cald afluidului.Deci nclzirea este mai puternic la captulcelulei dect la nceput. n unele aplicaiiaceasta poate constitui o constrngere.Reinem c n toate cazurile, densitatea decurent la ieirea din celul trebuieconsiderat la dimansionare.Se indic utilizarea de electrozi cilindriciperpendiculari pe direcia curgerii i lungi,deci cu rezistene diferite.Comanda alimentrii trebuie s permit, nmod obligatoriu, variaia puterii cedatfluidului. Un simplu transformator nu mai estesuficient.Reglarea procesului const n a msuratemperatura fluidului T la ieirea din aparat ide a o compara cu temperatura de consemnTconst. Cnd T < Tconst, atunci fluidul nefiinddestul de cald necesit un plus de putere. Cnd T > Tconst. trebuie redus puterea, njurul unui punct de funcionare definit prindebitul i temperatura de intrare a fluidului.

Dac se dorete tratarea unui fluid cucaracteristici diferite, n acelei aparat, sauacelai fluid dar cu o temperatur sau debitfoarte diferite, trebuiesc considerate maimulte puncte de control corespunztoaretemperaturii i debitul fluidului. Deci estenormal utilizarea unui dispozitiv de variaie atensiunii care va funciona doar cnd celulava fi oprit pentru schimbarea produsului saua condiiilor de ncrcare.

2.4 Structuri ale instalaiilor electrice de alimentare Adaptarea puterii prin transformator cu mai multe prize

10


11/20


Din motive de protecie, toate tipurile de alimentrile, prezentate n cele ce urmeaz, vor conine oizolare galvanic ntre reeaua de alimentare i proces, asigurat printr-un transformator.

Cnd se dorete realizarea unui aparat cu grad ridicat de flexibilitate, respectiv capabil de a nclzimai multe tipuri de fluide, se impune introducerea unui dispozitiv de variaie a puterii, cu funcionare subsarcin, respectiv un dispozitiv de variaie a tensiunii.

Cel mai simplu mod de a asigura un astfel de dispozitiv cel al utilizrii unui transformator echipat cumai multe nfurri secundare. Aceste nfurri pot fi cuplate n diferite moduri n funcie de caracterisicile

fluidului.De exemplu, un nclzitor trebuie s furnizeze o putere de 15 kW (presupunnd cossarcin =1 ),sub o tensiune variabil de la 125 la 1000V, fapt ce necesit un transformator montat n amonte care sfurnizeze o tensiune de maxim 1000V i un curent de maxim 15000/125 = 120 A, deci cu o putere de 120kVA. Utiliznd un transformator cu 4 nfurri secundare, care poate suporta 30 A la 250 V, este suficientconectarea cele patru nfurri n urmtorul mod:

nfurri n serie nfurri n serie paralel nfurri n paralelpentru tensiuni de funcionarentre 5001000 V

pentru tensiuni ntre 250500 V pentru tensiuni ntre 125250 V

Puterea aparent a transformatorului va fi deci doar 30 kVA.

Schimbarea conexiunilor ntre nfurrile secundare trebuie executat cu sarcina deconectat.Aceasta se va face manual, pe durata opririi nclzitorului.Pentru nclzitoarele cu constant termic compatibil cu restricie de timp, se impune un sistem de

automatizere al acestei comutaii, respectiv printr-un sistem de deconectare a alimentrii arjei ntr-un timpfoarte scurt, corespunztor duratei de acionare a contactoarelor i restabilirea rapid a alimentrii pe nouapriz.

Alimentrile destinate unei utilizri multiple, pentru mai multe tipuri de fluide, vor trebui s utilizezeun asemenea tip de transformator. Toate structurile recomand utilizarea unui transformator. Acesta vaputea fi sau nu cu mai multe nfurri secundare.

Adaptarea puterii prin autotransformator + transformator variabil sub sarcinPrincipiul de funcionare al autotransformatorului variabil sub sarcin const n deplasarea unui

contact mobil n lungul nfurrii unui autotransformator, avnd ca rezultat variaia continu a raportului detransformare. Acest tip de alimentare prezint avantajul generrii curenilor privai de armonici. El se execut

n variant monofazat sau trifazat.Singura restricie important n utilizare o constituie tipul de reglare care trebuie s fie compatibil cuconstanta termic de timp a nclzitorului. Ordinul de mrime a timpului de trecere de la tensiunea minim latensiunea maxim este n mod obinuit de aproximativ 20 secunde.

n timp ce aceast soluie se adapteaz corepsunztor sistemului cuv cu fluid staionar, ea nu sereomand pentru nclzirea continu. Curbele de temperatur, obinute la ieirea din celul, fiinddependente de debitul fluidului, viteza de variaie a tensiunii de alimentare este foarte redus.

Soluia de alimentare prin autotransformator + transformator este mai aplicabil sistemului cuv. Eaeste utilizat la nclzirii continui doar n cazurile n care se impune o precizie redus. Aceast soluieprezint avantajul de a nu perturba reeaua (prin flicker, armonici, putere ractiv), dar este relativ scump iagabaritic.

Adaptarea puterii prin transformator variabil n sarcinPrincipiul de funcionare a transformatorului variabil n sarcin const n deplasarea unui contact

mobil n lungul nfurrii sale secundare, ceea ce are ca rezultat o variaie continu a raportului detransformare. n acest caz este nevoie de aproximativ 60 secunde pentru a acoperi plaja de reglare a puterii.

11


12/20


De exemplu pentru o variaie egal cu 380 V, viteza de reglare este de ordinul a 6,3 V/s. Precizia dereglare este de ordinul al 5-lea pentru o vitez de reglare obinuit. Aceast precie poate fi crescut pn laaproximativ 1 zecime de V, ns n detrimentul vitezei de reglare

Aceast soluie se adopt numai puterilor mari i la inerii termice mari. Soluia este foarte scumpdar prezint avantajul de a nu perturba reeaua.

Adaptarea puterii prin variator static de putere +transformatorVariatorul static de putere este un convertizor alternativ alternativ, care permite variaia curentului

i a tensiunii aplicate unui receptor. Aceste echipamente electronice de putere servesc reglrii valorii efectivea tensiunii aplicate la bornele sarcinii sau valoarea efectiv a curentului absorbit de sarcin.Un astfel de echipament este constituit din grupe de tiristoare sau diode montate antiparalel care

funcioneaz n regim de comutaie static natural. Dup modul de reglare se disting utilizri de variatoare cucomanda puterii prin tren de und i prin tiere de und.

Variatoare cu tren de und variabil Variatoare cu tiere de und n unghi de fazTiristoarele sunt amorsate la trecerea prin zero atensiunii i se comport ca simple intreruptoare.Gradatorul cu tren de unde este n mai bineadaptabil alimentrii nclzitoarelor la careconstanta de timp termic este relativ mare ( deordinul minutelor). Avantajul principal al acestei

comenzi prin tren de unde este acela c,,fundamentala curentului este n faz cutensiunea de alimentare. n consecin putereareactiv a acestui tip de variator este nul.Aceast comand prezint unele inconveniente.Prin solicitrile lui succesive la putere, producevariaii de tensiune asupra reelei de alimentare.Acesta este fenomenul de Flicker ce secaracterizeaz prin plpiri ale luminii lmpilor cuincandescen. n plus curenii armonici produide acest gradator sunt de rang


13/20


Structura cu trei etaje de conversieEtajul de intrare Etaj intermediar de curent

impusEtajul de ieire

Constituit dintr-un convertizoralternativ /continuu cu prelevarede curent sinusoidal (PFC-

Power Factor Convertor). Eleste realizat dintr-un convertizortrifazat ridictor (boostconvertor).Aceast structur este preferatdin motive economice i prinsimplitatea soluiei, n raport cualtele. n prezent suntdisponibile pe pia, pentruanumite puteri de comand,modulele care integreaz toateelementele unui convertizortrifazat cu IGBT.

Etajul intermediar este unmodulator clasic care trebuie sfurnizeze curentul impus de

regulatorul de putere alstabilizatorului, necesattraversrii punii de ieire,independent de rezistena sa.El determin puterea denclzire i utilizeaz un singurcomutator cu un tranzistor IGBT.Acest tip de montaj prezinturmtoarele avantaje :- pierderi reduse utiliznd o

schem simpl de comutaie curecuperare (numit Snubber );- o funcionare a punii de

ieire cu pierderi foarte redusela comutaie i cu fiabilitatefoarte mare.

Procedeul de nclzire impunedou alimentri n curentalternativ de frecven cuprins

ntre 50100 Hz funcie decaracteristicile sarcinii.Pentru a evita fenomeneleelectrochimice este imperiosnecesar suprimareacomponentei continue n undade ieire a tensiunii.Schema etajului de ieire esteprezentat mai jos. Ea esteconstituit dintr-un modulatorcobortor i dintr-o punte n H.Acesta este constituit dintr-unondulator monofazat care

debiteaz pe transformatortensiune n form sinusoidal.

Circuitul de reglare i comandAceasta asigur:- comanda conversiei continuu / continuu efectuat de modulator;- reglajul conversiei continuu / alternativ realizat de ondulator (care prezintcaracteristici complementare ).Ea permite pe de o parte reglarea curenilor mici de la ieire i pe de alt parte anularea componentelecontinue de pe ieire, datorate nesimetriei celor dou diagonale ale punii de ieire.

Prezena unui transformator cu patru nfurri secundare asigur estomparea propagrii oricreicomponente continui peste unda tensiunii de ieire i care este aplicat fluidului.

Modulatorul permite reglarea amplitudinii curentului, n timp ce puntea n H decupeaz acest curentn unde dreptunghiulare alternative cu frecvena comandat.n ewgimul normal de funcionare modulatorul regleaz amplitudinea curentului de ieire la valori

reduse ale curentului de ieire ( mai mici ca ondulaiile curentului modulat etalon) n aa fel nct s semenin funcionarea liniar cu conducie continu.

Valoarea curentului de ieire este reglat prin suprimarea conduciei diagonalelor punii n H.

13


14/20


Structur cu transformator pe intrareEa este de preferat, utilizrii la nclzirea fluidelor staionare n cuv, deoarece:-pe de o parte realizeaz funcia de variaie a frecvenei, iar pe de alt parte-evit oprirea nclzirii necesar pe durata modificri conexiunilor n secundar. Transformatorulamplasat la intrare este un transformator standard trifazat la 50Hz. Ondulatorul de la ieire estedimensionat pentru o putere specificat iar comanda sa trebuie s asigure absena componenteicontinuie n unda de tensiune aplicat electrozilor.Redresorul de la intrare conine o punte complet cu6 IGBT, respectiv o soluie mai economic pentru aceast gam de putere n raport cu puntea cudiode (modulator-boost).Acest prototip a fost testat i s-a confirmat buna funcionare a alimentriibineneles pe o cuv cu mai multe tipuri de fluide, respectiv pentru domenii extinse de variaie aconductivitii.

14


15/20


b)Structuri de alimentare la medie frecvenSchema de principiu este urmtoarea

-Circuitul L,C- paralel de tip oscilant, reprezentat simplificat, este alimentat la frecvena de rezonanprintr-un ntreruptor de F (frecvena de funcionare a ansamblului este cuprins ntre 1020kHz).

-L1 i L2 sunt dou bobine, cuplate magnetic, care asigur att izolarea galvanic ct i nbuireacomponentei continui.

-L este o inductan de legtur ;-C furnizeaz vrfurile de curent de nalt frecven.Generatorul se comport ca o sarcin rezistiv de valoare redus. Tensiunea de la ieirea punii

redresoare este de tip dublu alternan de 100Hz.Aceast structur nu este capabil de a rspunde unor sarcini polivalente. Raportul de variaie

dinamic a rezistenei n sarcin este de ordinul 3. Asta permite utilizarea generatorului pentru nclzireafluidului n circulaie continu, respectiv cu conductivitate cu variaie n raportul 3. Aceast plaj de variaiepoate fi extins printr-un sistem care s permit modificarea valorii capacitii amplsate n paralel cuprimarul transformatorului, n funcie de putere i de sarcin.

Frecvena de funcionare a generatorului variaz n acest caz puternic n funcie de rezistenasarcinii, respectiv scade pentru rezistene foarte reduse la 10kHz (spectrul frecvenelor audio).

Pe de alt parte, pentru a efectua comutaiile necesare, generatorul trebuie s ntrerup n modautomat alimentarea pe durata ctorva ms (20 50ms).

3. nclzirea Ohmic prin conducie a fluidelor tehnologice

Dei acuzate sub aspect energetic, cuptoarele cu baie de sare sunt extrem de eficiente sub aspecttehnologic. Avantajul acestui procedeu const n asigurarea unui mediu de tratament termic foarte uniform ntemperatura pe care o transfer piesei i n rapiditatea procesului, dar i donservarea suprafeei piesei detratat.

n acest tip de utilaje tehnologice, nclzirea pieselor se obine prin imersarea lor ntr-o baieconstituit dintr-un amestec de sruri aflate i meninite n stare lichid prin efect Joule.

Se impune alegerea srii n funcie de tratament care urmeaz a fi efectuat i n concordan curestriciile de ordin ecologic.

Se impun urmtoarele cerine: temperatura minim de utilizare trebuie controlat i asigurat pentru a nu permite bii s nghee lacontactul cu arja rece; temperatura maxim a bii trebuie controlat pentru a nu permite descompunerea srurilor i generareade emisii de noxe prin vapori de sare;

evitarea exploziilor ce pot aprea ca urmare a alegerii unui amestec inadecvat de sruri, cum ar fi sarereductoare cu sare oxidant; protecie mpotriva ptrunderii apei n baia de sare lichid, care poate provoca explozii de sare cuconsecine asupra integritii personalului de deservire;

Exist mai multe tipuri de bi de sare, care vor fi prezentate mai jos:

15


16/20


Baie de sare cu nclzire indirect

Baia de sare lichid este cazat ntr-un creuzet metalic care trebuie s reziste aciunii corozive a srii.Transferul de cldur se realizeaz indirect, fapt pentru care aceast soluie nu este reinut n prezentdect pentru tratamente la temperaturi reduse, respectiv pentru tratamente termice de revenire pn la650 0C

Baie de sare cu electrozi imersai Baie de sare cu electrozi sumersai

Aceast tehnic este utilizat la cuptoare cucapaciti ridicate.Electrozii care sunt imersai n baie, care dispui

judicios pot evita trecerea curentului electric prinpiese i asigur o uniformitate fosarte bun a biilichide.Acest tip de utilaje necesit transformatori pe parteade alimentare electric pentru a adapta tensiunea nfuncie de rezistivitatea bii care se modific petimpul nclzirii.

Acest tip de utilaj nu difer princopial devarianta cu electrozi imersai. Avantajul acestorelectrozi este c nu reduce din spaiul util albii.

4. Principalele aplicaii industriale ale nclzirii Ohmice directe4.1 Prezentarea sintetic a principalelor aplicaii inustriale

Aplicaiile sunt multiple i de mare varietate i privesc att materiale solide metalice sau nemetalice,ct i de curnd fluidele cu proprieti conductive.

Se poate prezenta sintetic urmtoarele domenii de aplicabilitate:

Domenii clasice Domenii recente n faz de cercetare - dezvoltareElectrometalurgie i electrochimie

- fabricarea electrozilor din grafit, carburade siliciu, fosfor i diverse feroaliaje;- rafinarea prin electroliz a aluminiului;- concentrarea acizilorIndustria constructoare de maini

- n tratamente termice n bi de saretopit, a pieselor feroase sau neferoase;- sudura n puncte sau prin presare.

Industria uoar

- topirea sticlei i al emailului;Industria constructoare de maini

- nclzirea bilor de galvanizare;- nclzirea produselor naintea deformrii plastice

la cald:Construcii montaj

- acclerarea procesului de formare a prizei labetoane;- nclzirea i menimerea la temperatur a

tubulaturii de transport fluide;-

producerea apei calde i a vaporilor:Industria alimentar- pentru decongelere, pasteurizare i sterilizare;

Ecologie

16


17/20


- separarea i concentrarea acizilor din rezidurilefluidice industriale

4.2 Exemple de aplicaii industriale ale nclzirii Ohmice Instalaie de nclzire Ohmic a bilor de zincare

Descrierea instalaiei

Instalaia este echipat cu un recipient din carbur de siliciu, sub forma unui creuzet umplut cu zinctopit i imersat n baia de zincare. Curentul este amorsat de doi electrozi din grafit, unul amplasat n baia dezincare iar al doilea n fundul bii. Instalaia este destinat operaiei de galvanizare a pieselor din oel, darpoate fi utilizat i pentru topirea i meninerea la temperatur a aluminilui topit.

Caracteristicile instalaiei-

Capacitatea bii..1000l- Puterea instalat..175kW- Tensiunea de alimentare..12V- Temperatura de lucru 600C- Randamentul global.85%

Uscarea pastei alimentarePasta produsului este extrudat n straturi subiri de cel mult 2mm grosime i plasate pe un conveior

constituit din role din titan, puse sub tensiune pe durata rotirii i nfurate cu o band din bumbacumidificat pentru amorsarea conduciei electrice.

Puterea instalat este de 70 kW, iar tensiunea aplicat rolelor din titan de pn 500V. Frecvena deieire generat de un convertizor echipat cu IGBT, este de 5 kHz. Sunt controlai permanent ventualii curenide fug.

17


18/20


Concentrarea fluidelorLeiile negre ce provin din ciclul de fabricaie al pastei de hrtie sunt concentrate n prezent pn la

65-68% n linii de evaporare cu multiple efecte clasice i apoi incinerate n instalaii speciale. Atingerea unuinivel de uscare de pn la 80%, confer avantaje directe i indirecte :-creterea capacitii de recuperare, mbuntirea global a funcionrii ( gradul de reducere),-mbuntirea randamentului termic la incinerare,-reducerea emanaiilor de SO2 i de CO pentru un nivel stabil de NOx, reducerea noxelor olfactive.

Prin creterea puternic a vscozitii fluidului i reducerea implicit a conductivitii termice, fac cautilizarea schimbtoarelor clasice s fie restricionat, inconvenient ce poate fi depit prin nclzireaohmic. n schema de mai jos este reprezentat linia tehnologic de concentrare dintr-o fabric de hrtie, cuo putere de 30 kW, constituit dintr-o cuv cilindric de 0.35 m 3, cu mai multe corpuri de nclzit i cu unseparator de vapori. Cei trei electrozi de faz sunt conectai n triunghi prin intermediul unuiautotransformator variabil motorizat conectat la reeaua de alimentare trifazat de 400V i cu prize nsecundar de 100V i 200V, special adaptate geometriei i tipului de produs. Cele mai importanteechipamente auxiliare sunt : pompele, cuva de stocare, rcitorul.

Concetrarea de 80% s-a atins cu o putere de 27 kW, n regim continuu cu produsul iniial la intrare cu oconcentrare de 65%. Temperatura de funcionare a fost n jur de 145C, iar presiunea din instalaiemeninut la 1 bar. n aceste condiii tensiunea aplicat la electrozi a fost de 50V.

18


19/20


Schimbtor - recuperatorperatur a produsului (care nu poate depii 140C), respectiv 50V la 50Hz. Tratamentul termic de

sterilizare se efectueaz la 140C, fr perei calzi care prezint conservarea lichidelor termosensibile. Unschimbtor de capacitate 250l/h este unul de tip n plci cu trei etaje : Unul de recuperare a cldurii ntre produsul care intr i cel care iese i care urmeaz a fi rcit unul de nclzire ohmic, constituit din plci din material adecvat confecionrii electrozilor, printre care

circul produsul de nclzit (materialul electroizolant sigur intervalul dintre plci pentru izolare

electric). Tensiunea de alimentare este adaptat nivelului de tem Unul de rcire final a produsului (aproximativ 4C)Acest echipament ofer urmtoarele avantaje: Posibilitatea de a atinge temperaturi de 150C fr perei calzi Corespunztoare produselor termosensibile Reducerea gradului de mbcsire Funcionare automat descentralizat Putere instalat limitat (randament bun prin recuperare) Atingerea unor capaciti de producie ridicate (> m3/h)

Tratament de imunizare bacteorologicPentru distrugerea bacteriilor rezistente la temperatur, se impune creterea temperaturii cu condiia

de a conserva calitile organoleptice ale produselor tratate. nclzirea ohmic poate satisface acestedeziderate, deoarece :

Produsul atinge temperatura de tratament fr supranclzire, neavnd contact cu perei calzi Puterea volumic injectat poate fi foarte mare (n acest caz 500MW/m 3), ceea ce necesit un tratamentrapid (


20/20


calde de contact pentru schimbul termic: permite tratamentul termic al fluidelortermosensibile sau a fluidelor n amestec cuimpuriti solide; permite tratamentul termic al produseloreterogene; reduce riscul mbcsirii i/sau al gratinrii;

utiliznd exclusiv transferul termic princonvecie, permite tratarea termic a fluidelorvscoase, nenwtoniene, cu conductivitate termicredus i cu ingrediente; nclzirea fiind volumic distribuia uniform atemperaturii n masa fluidului; elimin orice risc de poluare sau de diluie afluidelor tratate; consumul specific de energie este foarte redus,ineria termic este practic nul i puterileinstalate sunt mici;

suprafaa de interfa a electrozilor cu mediulelectrolitic i care impun soluii de neutralizare; n cazul nclzirii fluidelor n circulaie este dificiloptimizarea unei nclziri uniforme n masa unuifluid eterogen. dimensionarea unei instalaii prezint un gradridicat de dificultate prin impunerea unei tratri

simultane a ansamblului de fenomene fiziceimplicate i intercondiionate, termice hidrodinamice electrice, ceea ce impune testriexperimentale pe prototipuri i implicareatehnicilor de modelare i simulare numeric.

20

incalzire ohmica

Documents