Instalatii cu rezistoare cu incalzire indirecta

Instalatii cu rezistoare cu incalzire indirecta

In instalatiile cu incalzire indirecta, materialul care urmeaza a fi incalzit in cuptor nu este parcurs de curent electric, caldura necesara incalzirii fiind preluata de la elemente incalzitoare speciale, plasate in apropiere, prin radiatie, radiatie si convectie libera sau convectie fortata.

In functie de modul de lucru, instalatiile cu incalzire indirecta sunt:

cu actiune discontinua,

cu actiune continua.

In cuptoarele cu actiune discontinua, materialul de incalzit nu isi modifica pozitia pe durata in care se gaseste in cuptor. Ciclul de functionare cuprinde incarcarea, incalzirea pana la temperatura dorita si mentinerea acesteia o durata impusa, descarcarea.

La cuptoarele cu functionare continua, materialul care urmeaza a fi incalzit se deplaseaza in mod continuu sau secvential in interiorul cuptorului.

In functie de temperatura medie de functionare, cuptoarele cu incalzire indirecta sunt:

de temperatura joasa (sub 600 C),

de temperatura medie (600 C),

de temperatura inalta (peste 1200 C).

In cuptoarele de temperatura medie si inalta, transferul termic se face practic numai prin radiatie iar in cuptoarele de temperatura joasa, schimbul de caldura se face practic numai prin convectie.

1. Incalzirea materialelor din interiorul cuptorului

In analiza proceselor de incalzire a produselor din interiorul cuptorului se are in vedere ca elementul incalzitor ajunge la temperatura de lucru intr-un interval de timp redus in raport cu durata in care materialul de incalzit ajunge la temperatura impusa de procesul tehnologic.

Ecuatia de bilant energetic pentru cuptor poate fi scrisa sub forma:

(3.38)

in care:

dQ₂ este cantitatea de caldura elementara transmisa spre interiorul cuptorului de catre elementul incalzitor (vezi relatia 3.2):

(3.39)

dQ_u  cantitatea de caldura elementara care conduce la incalzirea materialului util din cuptor (caldura utila):

(3.40)

dQ_a  cantitatea de caldura care conduce la incalzirea pieselor anexe (etajere, scarite, suporti etc):

(3.41)

dQ_pd  pierderi termice elementare prin peretii cuptorului, prin partile deschise ale acestuia, pierderi prin neetanseitati, prin bornele elementelor incalzitoare etc;

dQ_z  cantitatea de caldura elementara care se acumuleaza in peretii cuptorului (in zidaria acestuia):

(3.42)

In relatia (3.39), s-a notat cu P₂ puterea termica (fluxul termic) transmisa de elementele incalzitoare, a este transmisivitatea termica (vezi relatia 3.5), A_l este aria suprafetei laterale totale a elementelor incalzitoare, q  temperatura elementelor incalzitoare, q  temperatura din interiorul cuptorului iar dt este intervalul elementar de timp.

In relatiile (3.40), (3.41) au fost folosite notatiile:

c_u, c_a, c_z  caldurile masice (dependente de temperatura) ale materialelor supuse incalzirii, elementelor anexe si respectiv zidariei cuptorului,

m_u, m_a, m_z  masa pieselor supuse incalzirii, a elementelor anexe si respectiv masa zidariei,

dq  intervalul elementar de temperatura.

Deoarece parametrii care intervin in relatia diferentiala (3.38), calduri masice si coeficientul global de transmisie termica sunt dependenti de temperatura, dupa legi dificil de exprimat analitic iar in interiorul cuptorului au loc complexe fenomene de transfer termic intre diferitele componente, nu este posibila obtinerea unei solutii teoretice pentru variatia in timp a temperaturii q a materialului util.

In cazurile reale, functia q q(t) depinde de forma constructiva a cuptorului, de regimul de lucru (cu actiune continua sau discontinua) si de dimensiunile materialului incalzit.

Din punct de vedere termic, materialele incalzite in cuptoarele electrice pot fi „masive” sau „subtiri”. In cazul materialelor „masive”, temperatura din centrul materialului difera de temperatura pe suprafata sa exterioara. Pentru stabilirea “masivitatii termice” a unui material se foloseste criteriul Biot:

(3.43)

In relatia (3.43), a este transmisivitatea termica complexa (prin radiatie si convectie) de la cuptor la material, l este conductivitatea termica a materialului (dependenta de material si temperatura), iar a este dimensiunea transversala a materialului (grosimea g la materiale sub forma de placi sau raza r la materiale de forma cilindrica).

Se considera ca materialele pentru care Bi > 0,5 din punct de vedere termic, sunt „masive” iar cele pentru care Bi < 0,5 din punct de vedere termic sunt „subtiri”.

1.1. Cuptoare cu actiune discontinua

Procesul de incalzire din cuptorul cu rezistoare cu incalzire indirecta si actiune discontinua cuprinde patru etape principale (fig.3.23).

In prima etapa, cu o durata relativ redusa, elementele incalzitoare ajung la temperatura maxima q_RM. In fig.3.23 s-a luat in considerare cazul uzual in care, la inceputul procesului, atat elementele incalzitoare cat si interiorul cuptorului, inclusiv materialul care trebuie incalzit, se afla la temperatura mediului ambiant. Aceasta etapa se caracterizeaza prin puterea practic constanta P absorbita de la sursa de alimentare.

Din puterea P, o parte P_u determina incalzirea pieselor din cuptor si o parte P_p reprezinta pierderile care conduc la incalzirea pieselor auxiliare, a peretilor cuptorului si cuprind si cantitatea de caldura care se transmite in mediul ambiant prin suprafata laterala a cuptorului si unele deschideri sau neetanseitati.

In momentul t₁, elementele incalzitoare ating temperatura maxima q_RM iar sistemul de reglare automata mentine in continuare practic constanta aceasta temperatura. Puterea absorbita de elementele incalzitoare din reteaua electrica de alimentare scade.

In momentul t₂, cand temperatura pieselor din cuptor atinge temperatura prescrisa q_d, incepe procesul de mentinere a temperaturii piesei (pana in momentul t₃). In cazul pieselor de dimensiuni mari, temperatura q_s pe suprafata piesei difera de temperatura q_c din centrul piesei. In cazul materialelor subtiri, cele doua temperaturi practic coincid.

In intervalul t₂ t₃, sis­temul de reglare automata controleaza conectarea elemen­telor incal­zitoare astfel incat cantitatea de caldura produsa sa acopere numai pierderile P_p prin supra­fata laterala a cuptorului.

Pentru t > t₃ incepe pro­cesul de racire. Aceasta poate fi:

naturala (P = 0),

fortata (P = 0 si ventilatie in cuptor),

controlata (P_r < P, unde P_r este puterea disipata in elementele incalzitoare pe durata procesului de racire controlata).

In fig.3.23 este prezentat cazul racirii naturale.

Dimensionarea cuptoarelor cu actiune discontinua pentru piese „subtiri”, pleaca de la valorile impuse ale temperaturii pieselor din cuptor si durata procesului de incalzire. In cazul pieselor de dimensiuni mari, se impune temperatura pe suprafata exterioara a piesei si diferenta maxima de temperatura intre suprafata exterioara si centrul piesei, pe toata durata procesului de incalzire.

In primul caz, urmeaza a fi determinata puterea instalata a cuptorului si durata procesului de racire pana la o temperatura data iar in al doilea caz, este necesara si determinarea duratei procesului de incalzire.

a)     Incalzirea pieselor termic subtiri

In prima etapa de incalzire, pana la momentul t₁ (fig.3.24), in cuptor se disipa puterea P egala cu putera instalata P_i din cuptor. In aceasta etapa se accepta ipoteza ca piesele din cuptor si peretii acestuia sunt incalziti in conditiile unui flux termic constant, respectiv puterea utila P_u si puterea de pierderi P_p sunt practic constante.

Intr-o prima aproximatie se poate scrie:

(3.44)

In relatia (3.44) s-a notat cu q_i, temperatura initiala a pieselor in momentul inceperii procesului de incalzire (teoretic piesele introduse in cuptor ar putea avea o temperatura diferita de cea a mediului ambiant) iar cu t_p durata  procesului de incalzire (t_u = t₂).

Fiind stabilita puterea utila P_u, se poate estima durata t₁ pana la intrarea in functiune a regulatorului de temperatura:

(3.45)

Temperatura q a pieselor din cuptor, in momentul t₁ rezulta din ecuatia de bilant energetic in acest moment:

(3.46)

Daca se considera ca in momentul t₁ transferul termic se face in special prin radiatie (avand in vedere diferenta mare intre temperaturile q_RM si q ), plecand de la expresia (4.5) a coeficientului a_r de transfer termic, se obtine:

(3.47)

Din relatia (3.47) rezulta temperatura q a pieselor din cuptor la momentul t₁:

(3.48)

In relatia (3.47), A_pl este aria suprafetei laterale a pieselor incalzite iar T_RM = q_RM

In cea de a doua etapa a procesului (pe intervalul t₁ t₂) are loc incalzirea pieselor din cuptor, in conditiile in care elementele incalzitoare sunt practic la o temperatura constanta q_RM si egala cu cea maxima. In aceasta etapa, temperatura materialului creste de la q la q_d. Daca transferul termic de la elementele incalzitoare ar fi numai prin convectie, durata Dt = t₂  t₁ rezulta din ecuatia de incalzire (a se vedea relatia 3.22):

(3.49)

Daca transferul termic ar fi numai prin radiatie, determinarea intervalului Dt^r poate fi facuta plecand de la ecuatia de incalzire scrisa sub forma:         

(3.50)

Avand in vedere expresia transmisivitatii termice a_r, relatia (3.50) devine:

Proiect: Echipamente si instalatii de stingere a incendiului - prescriptii generale Eseu: Specificatie tehnica - fitinguri canalizare sudate din pvc

,

sau

(3.51)

Integrarea relatiei (3.51), in intervalul de timp t₁ t₂, atunci cand temperatura piesei variaza de la temperatura q la q_d conduce la expresia:

(3.52)

Valorile functiei sunt date in tabelul 3.2.

Tabelul 3.2

Valorile functiei

In tabelul 3.2, marimea T ia succesiv valoarea T_d si T₁.

In interiorul cuptorului, in cele mai multe dintre cazuri, are loc un transfer termic atat prin convectie cat si prin radiatie. In acest caz, durata Dt se calculeaza din relatia aproximativa:

(3.53)

in care duratele Dt^c si Dt^r sunt calculate din relatiile (3.49) si respectiv (3.52).

Deoarece durata t₂ a procesului de incalzire este impusa, trebuie sa se verifice faptul ca suma valorilor calculate t₁ (relatia 3.45) si Dt₁₂ (relatia 3.53) este egala cu t₂ . In mod obisnuit aceasta conditie nu este indeplinita, astfel ca se reia calculul incepand cu relatia (3.44) cu o valoare ajustata a puterii P_u . Dupa cateva iteratii rezulta valorile reale ale puterii P_u ca si ale duratelor t₁ si Dt

Puterea de pierderi P_p se calculeaza din relatia:

(3.54)

Factorul k_p din relatia (3.54) are o valoare de circa 1,2 si ia in consideratie o serie de pierderi termice care nu pot fi determinate prin calcul. Puterea de pierderi calculata P_{p calcul} rezulta:

(3.55)

In relatia (3.55) s-au folosit notatiile:

P_z este puterea de pierderi care conduce la incalzirea zidariei cuptorului,

P_a  puterea de pierderi care conduce la incalzirea elementelor anexe din cuptor (suporti, etajere, carucioare etc),

P_pd  puterea de pierderi prin peretii cuptorului, prin partile deschise ale acestuia, prin neetanseitati, prin bornele elementelor incalzitoare.

Puterea de pierderi P_{p calcul} se determina pentru fiecare configuratie de cuptor, in functie de temperatura din cuptor si de constructia sa geometrica specifica. Puterea necesara P_n a cuptorului rezulta:

(3.56)

In cazurile reale, puterea instalata P_i in elementele incalzitoare din cuptor se calculeaza cu un coeficient de siguranta k_s:

(3.57)

Factorul de siguranta k_s (k_s = 1,3 1,5) ia in consideratie posibilitatea slabirii izolatiei termice a cuptorului pe parcursul duratei de viata a acestuia.

Dupa determinarea valorii P_i este necesar a verifica posibilitatea practica a instalarii in cuptor a elementelor incalzitoare care sa asigure aceasta putere. Se are in vedere, in primul rand, spatiul disponibil dar si necesitatea de a nu depasi solicitarea termica a materialului refractar. Astfel, in figura 3.25 sunt indicate incarcarile termice recomandate pentru peretii cuptorului, in functie de modul de asezare a elementelor incalzitoare (paralel cu suprafata interioara a cuptorului curba a  si perpendicular pe suprafata interioara a cuptorului  curba b).

Dupa terminarea procesului termic din cuptor, pieselor sunt scoase in exterior si, in functie de procesul tehnologic impus, sunt supuse unei prelucrari sau urmeaza un proces de racire naturala sau fortata. Pe durata pauzei, necesara pentru o noua incarcare a cuptorului, elementele incalzitoare sunt decuplate de la sursa de alimentare si deci este valabila ecuatia de bilant energetic:

, 3.58)

unde dQ_A este cantitatea de caldura acumulata (in zidaria cuptorului si in elementele auxiliare din cuptor) iar dQ_B este cantitatea de caldura transmisa in exteriorul cuptorului:

(3.59)

In relatiile (4.59), c este caldura masica echivalenta a cuptorului, m este masa incalzita, A_kl este aria suprafetei laterale prin care se transmite caldura spre exterior, q este temperatura cup­torului (marime variabia in timp) iar q este temperatura mediului ambiant.

Din ecuatia de bilant (3.58) si din relatiile (4.59) rezulta:

. (3.60)

Transmisivitatea termica complexa depinde in mare masura de modul in care are loc procesul de racire ca si de temperatura q la un moment dat. Transferul termic se face prin convectie la suprafata exterioara a cuptorului dar si prin radiatie prin partile deschise ale acestuia. Se observa faptul ca cresterea vitezei de racire se poate obtine practic numai prin cresterea valorii transmisivitatii termice a, prin asigurarea unei ventilatii fortate in cuptor.

Relatia (3.60) poate fi utilizata si pentru analiza procesului de racire a pieselor scoase din cuptor.

b) incalzirea pieselor termic masive

Ca si in cazul incalzirii pieselor termic subtiri, procesul de incalzire a pieselor termic masive cuprinde 4 etape (fig. 3.23):

 incalzirea cu flux termic constant (t < t₁),

 incalzirea cu temperatura practic constanta in cuptor (t₁ < t < t₂),

 mentinerea la temperatura practic constanta a pieselor (t₂ < t < t₃),

 racirea pieselor (t > t₃).

Caracteristic pieselor termic masive este faptul ca temperatura pe suprafata piesei difera de temperatura din centrul acesteia. Din motive tehnologice, in mod uzual se limiteaza gradientul de temperatura in interiorul piesei. In acest fel, la dimensionarea cuptoarelor cu rezistoare cu actiune indirecta, in care sunt incalzite piese masive, se impune diferenta maxima admisa intre temperaturile din centrul si de la suprafata piesei.

In etapa de incalzire (t < t₂), fluxul termic unitar p_u care se transmite prin conductie de la suprafata piesei catre interior, atunci cand diferenta de temperatura Dq_u este egala cu cea admisibila Dq_a este:

(3.61)

in care l_u este conductivitatea termica a materialului din care este realizata piesa, iar g este grosimea piesei.

Transferul termic in interiorul piesei este determinat de ecuatia conductiei termice Fourier:

(3.62)

In relatia (3.62) au fost utilizate notatiile:

q  temperatura punctuala in piesa;

l_u  conductivitatea termica a materialului piesei;

c_u  caldura masica;

Dq  Laplaceanul temperaturii;

g_u  densitatea materialului piesei;

p_v  puterea specifica (puterea dezvoltata in unitatea de volum a piesei).

Pentru cazul concret al incalzirii indirecte p_v = 0, astfel ca relatia (3.62) poate fi scrisa sub forma:

in cazul pieselor termic masive, de forma dreptunghiulara:

(3.63)

 in cazul pieselor cilindrice:

(3.64)

Rezolvarea ecuatiilor (3.63) si respectiv (4.64), in regim nestationar corespunzator celor doua etape de incalzire, in prima cu conditia de flux termic constant iar in a doua cu conditia de temperatura constanta a suprafetei materialului util, permite stabilirea intervalelor de timp t₁ si t₂  t si astfel, determinarea duratei t₂ a procesului de incalzire.

In mod uzual, solutiile ecuatiilor (3.63) si (3.64), cu conditiile de flux termic constant sau temperatura constanta pe suprafata, sunt date in marimi relative, sub forma grafica [3.3].

Conditia suplimentara impusa privind diferenta maxima de temperatura intre suprafata exterioara a piesei si centrul acesteia, permite stabilirea duratei procesului de incalzire utilizand curbe precalculate [3.3].

Pe durata mentinerii temperaturii (intervalul t₂ t₃), temperatura la suprafata pieselor ramane practic constanta si egala cu q_d iar diferenta de temperatura Dq_u se reduce pana la valoarea Dq_a admisa de procesul tehnologic la care urmeaza a fi supus materialul in continuare.

1.2. Cuptoare cu actiune continua

Caracteristic cuptoarelor cu actiune continua este faptul ca piesele care urmeaza a fi incalzite se deplaseaza in interiorul cuptorului, la intrare avand o temperatura q_i iar la iesire, in cazul pieselor termic subtiri, temperatura dorita q_d; in cazul pieselor termic masive se impune temperatura dorita q_d si diferenta admisibila Dq_a intre suprafata si centrul piesei (fig. 3.26).

Analiza curbelor de incalzire in cuptoarele cu actiune discontinua (fig. 3.23 si fig. 3.24) arata ca pe durata procesului de incalzire, gradientul curbei de incalzire a pieselor nu este constant. Pentru a asigura o viteza constanta a procesului de incalzire in cuptoarele cu actiune continua, este necesar fie a controla viteza de deplasare a pieselor, fie a controla fluxul termic pe durata deplasarii pieselor in cuptor.

Pentru piesele termic masive, in mod uzual, cuptorul este impartit in mai multe zone, fiecare zona avand caracteristici energetice diferite.

Pentru piese termic subtiri, cuptorul are o singura zona iar incalzirea se poate face fie cu temperatura constanta in cuptor (fig. 3.26 a)), fie cu flux termic constant (fig. 3.26 b)). In primul caz, puterea absorbita de la sursa de alimentare este controlata in functie de temperatura din cuptor iar in al doilea caz, puterea absorbita de la sursa de alimentare este constanta.

Dimensionarea cuptoarelor cu o singura zona se face ca si in cazul cuptoarelor cu actiune intermitenta.

Cuptoarele cu mai multe zone sunt realizate deobicei cu fluxuri termice diferite pe fiecare zona (fig.3.27).

In fig.3.27 este indicata variatia temperaturii piesei, la suprafata, q_s si in centrul acesteia, q_c, pentru un cuptor cu doua zone de incalzire (I si II) si o zona III de mentinere a temperaturii. De asemenea, este indicat modul de variatie a temperaturii q_R a elemen­telor incalzitoare in lungul zonei.

Fiecare zona este carac­terizata de valoarea fluxului termic (puterea absorbita de la sursa de alimentare), viteza de incalzire, diferenta de tempe­ratura Dq_u dintre suprafata exterioara si centrul piesei. In fiecare zona, temperatura piesei va creste de la valoarea q_n la q_n, unde n este numarul zonei.

In zona de mentinere, poate ramane constanta temperatura pe suprafata exterioara a piesei (incalzire izoterma a piesei). In acest caz, variatia temperaturii pe suprafata piesei q_s si in centrul acesteia q_c este indicata in fig.3.27 cu linie intrerupta. Pentru cazul in care procesul de egalizare a temperaturilor se face in lipsa unui aport exterior de caldura (incalzire adiabatica), curbele q_s si q_c sunt indicate cu linie plina.

La sfarsitul procesului de mentinere, diferenta de temperatura Dq_u trebuie sa corespunda valorii Dq_a impusa de procesul tehnologic la care este supus materialul in continuare.

In procesul de racire, t > t_III (deobicei in afara cuptorului sau intr-o zona speciala cu racire controlata), temperatura pe suprafata exterioara a piesei scade mai repede decat temperatura din centrul acesteia.

Cuptoarele industriale au, in mod uzual, 3 6 zone iar lungimea fiecarei zone este de 1 3 m.

Dimensionarea cuptorului se face secvential, incepand cu prima zona. Fluxul termic P_u (considerat constant in fiecare zona) poate fi limitat de urmatorii factori:

a) temperatura maxim admisibila q_RM a elementului incalzitor;

In acest caz, fluxul termic P (puterea electrica) al elementelor incalzitoare poate fi calculat in functie de puterea specifica p_s a acestora. Aceasta este determinata de temperatura q_RM si de temperatura q_sI a piesei la sfarsitul primei zone de incalzire:

(3.65)

in care A_Rl este aria suprafetei laterale a elementelor incalzitoare.

Fluxul termic util P_u (puterea utila) rezulta:

(3.66)

In relatia (3.66), P_p sunt pierderile termice iar k este un factor  avand o valoare de 1,2 1,4 in cazul reglajului discontinuu al temperaturii si valoarea 1,0 in cazul reglajului continuu.

b) diferenta maxim admisibila de temperatura Dq_a intre suprafata exterioara a piesei si centrul acesteia;

In acest caz; fluxul termic util rezulta:

(3.67)

in care g este grosimea piesei.

c) viteza maxima de incalzire a materialului.

In acest caz, ecuatia de bilant energetic pentru piesa, pe durata procesului de incalzire, considerand ca tot fluxul termic incident conduce la incalzirea materialului, se scrie sub forma:

,

sau

(3.68)

Daca viteza maxima de incalzire (dq dt)_max este data, din relatia (4.68) rezulta puterea utila a elementelor incalzitoare in zona respectiva.

In zona de mentinere a temperaturii, elementele incalzitoare trebuie sa acopere numai pierderile termice care se determina pentru fiecare zona in functie de configuratia concreta a cuptorului (a se vedea sectiunea 1.1).

2. Cuptoare electrice industriale cu rezistoare cu incalzire indirecta

Cuptoarele electrice cu rezistoare, cu incalzire indirecta au o larga utilizare in industria moderna, o mare varietate de tipuri constructive si o gama foarte diversa a aplicatiilor.

Aceste tipuri de cuptoare sunt utilizate pentru efectuarea de tratamente termice, pentru producerea la cald a unor materiale plastice, tratamentul termic al pieselor din sticla, uscarea produselor ceramice, a lemnului, hartiei etc. In categoria acestor cuptoare intra si cuptoarele de laborator, aparatele electrocasnice ca si numeroasele instalatii de uscare din industria chimica si alimentara.

2.1. Cuptoare electrice cu rezistoare pentru tratamente termice

Tratamentele termice realizate in astfel de cuptoare sunt: recoacerea, normalizarea, maleabilizarea, calirea, revenirea, imbatranirea etc.

In functie de procesul tehnologic din cuptor ca si de forma pieselor prelucrate la cald, cuptoarele de acest tip sunt cu actiune discontinua sau cu actiune continua.

Principalele tipuri constructive de cuptoare cu rezistoare cu incalzire discontinua, sunt indicate in figura 3.28.

Cuptoarele tip camera (fig. 3.28 a)) au forma unei incinte realizata din materialul refractar 1 si izolatia termica 2. Elementele incalzitoare 3 sunt plasate pe pereti, tavan si podeaua cuptorului. Piesele 5 care urmeaza a fi incalzite sunt plasate pe un suport 4. Cuptorul prezinta usa 6, actionata cu ajutorul dispozitivului de ridicare 9, prin care sunt introduse piesele supuse incalzirii.

In cuptoarele pana la 700 C, transferul termic se face prin radiatie si prin convectie datorita, in mod uzual, circulatiei in circuit inchis a aerului sau a unei compozitii controlate a atmosferei din cuptor.

In cuptoarele cu temperatura de peste 700 C, transferul termic se face practic numai prin radiatie.

Cuptoarele tip camera sunt utilizate in special pentru incalzirea unor piese cu gabarit mare, turnate, sudate, forjate sau matritate. Principalele lor avantaje constau in simplitatea constructiei, posibilitatea utilizarii pentru procese foarte diverse ca si posibilitatea realizarii in cuptor a unor variate regimuri termice.

Cuptoarele verticale (fig. 3.28 b)) au de obicei o forma cilindrica si sunt utilizate pentru efectuarea de tratamente termice: calire, cementare, detensionare, racire controlata. Un important avantaj al acestor cuptoare consta in faptul ca incarcarea si descarcarea se face relativ simplu utilizand mijloacele de ridicare si transport din hala de lucru.

Cuptoarele cu elevator (fig. 3.28 c)) sunt utilizate pentru incalzirea pieselor din otel sau fonta, in atmosfera controlata ca si pentru efectuarea procesului de cementare la piese de dimensiuni mari. Piesele care urmeaza a fi incalzite sunt plasate pe vatra 10 a cuptorului care are si rol de usa. In pozitia de incarcare‑descarcare, vatra 10 a cuptorului este la nivelul solului, iar in pozitia de lucru este ridicata cu ajutorul dispozitivului 7 pentru a asigura inchiderea cuptorului.

Cuptorul tip clopot (fig. 3.28 d)) are o forma asemanatoare celui cu elevator. La acest tip de cuptor, vatra este in pozitie fixa iar cuptorul este ridicat in pozitia de incarcare‑descarcare si este coborat in pozitia de lucru. Cuptoarele tip clopot au o larga utilizare in industrie, oferind posibilitatea functionarii la parametri adaptabili procesului. Ca si in cazul cuptoarelor cu elevator impun insa o inaltime relativ mare a halei de productie si necesita dispozitive cu capacitate mare de ridicare.

Dintre cuptoarele cu rezistoare cu incalzire indirecta si actiune continua, in figura 3.29 sunt prezentate cuptoarele cu banda transportoare, cu carusel si cu monorai.

Cuptorul cu rezistoare, cu banda transportoare (fig. 3.29 a)), este realizat sub forma unei incinte 2 din material rezistent la temperatura (material refractar) si un material izolant termic 1.

Pe lungimea cuptorului pot fi dispuse mai multe zone cu caracteristici energetice diferite. Elementele incalzitoare ale fiecarei zone sunt plasate pe partea interioara a peretilor. Pe suprafata benzii transportoare metalice 4 se plaseaza produsele 5 care urmeaza a fi incalzite. Viteza de deplasare a benzii transportoare ca si modul de dispunere a elementelor incalzitoare, in lungul cuptorului sunt dependente de procesul tehnologic la care sunt supuse produsele din cuptor. Cuptorul cu rezistoare cu carusel (fig. 3.29 b)) are o forma cilindrica, realizata din materialul refractar 2 si materialul izolant termic 1.

In interiorul incintei, pe o traiectorie circulara, se deplaseaza produsele 5 supuse incalzirii. Acestea sunt plasate pe suprafata unui carusel 8 actionat cu ajutorul unui motor electric 6. Elementele incalzitoare 3 sunt plasate pe peretii interiori ai incintei. Reglarea temperaturii produsului din cuptor se face prin reglarea vitezei de rotatie a motorului electric, prin alegerea adecvata a elementelor incalzitoare ca si printr-o dimensionare corespunzatoare a incintei cuptorului.

Cuptorul cu rezistoare cu monorai (fig. 3.29 c)) are o constructie liniara, este realizat din materialul refractar 2 acoperit cu material izolant termic 1. In interiorul cuptorului se deplaseaza un monorai 7 pe care se plaseaza piesele 5 supuse incalzirii. Elementele incalzitoare 3 se afla pe peretii laterali ai cuptorului. Lungimea cuptorului depinde in primul rand de durata impusa a procesului de incalzire. Pe parcursul sau, monoraiul poate parcurge mai multe zone caracterizate de parametri energetici diferiti.

2.2. Cuptoare industriale pentru topire sau mentinerea in stare calda a metalelor topite

Cuptoarele de topire cu rezistoare, cu incalzire indirecta de tip creuzet (fig. 3.30 a)) sunt folosite in mod obisnuit pentru topirea aluminiului si a aliajelor sale in scopul obtinerii materialului necesar pentru turnare.

In interiorul creuzetului 4 (realizat din fonta, grafit sau carbura de siliciu) este introdus metalul usor fuzibil 5, care urmeaza a fi topit.

Elementele incalzitoare 3 asigura incalzirea creuzetului 4 iar acesta, la randul lui, transmite caldura la materialul aflat in interior.

Incinta cuptorului este realizata din materialul refractar 2 captusit cu materialul izolant termic 1. Controlul temperaturii materialului din cuptor se face cu ajutorul traductorului termometric 6 iar cuptorul este inchis cu ajutorul capacului 7. Consumul mediu de energie electrica pentru incalzirea si topirea aluminiului in acest tip de cuptor este de 700 750 kWh t iar randamentul cuptorului este de 0,5 Capacitatea acestor cuptoare nu depaseste 500 kg, iar puterea necesara este de cel mult    100 kW.

Cuptoarele de tip creuzet functionand pana la 1200 C sunt folosite pentru topirea, rafinarea sau mentinerea in stare calda a cuprului si a aliajelor sale. Consumul specific de energie electrica pentru incalzirea si topirea cuprului in aceste cuptoare este de 420  470 kWh t.

Cuptoarele cu rezistoare cu incalzire indirecta, de tip cuva (fig. 3.30 b)) sunt destinate in principal mentinerii in stare topita a materialelor usor fuzibile 5.

Elementele incalzitoare 3 asigura incalzirea prin radiatie a metalului topit. Acest tip de cuptor este larg utilizat in instalatiile de turnare sub presiune a pieselor din aluminiu unde temperatura metalului topit trebuie mentinuta la 750 C.

3. Aparate electrocasnice

Aparatele electrocasnice reprezinta in mod obisnuit cazuri particulare de instalatii de incalzire cu rezistoare, cu actiune indirecta.

Utilizarea aparatelor electrocasnice pentru incalzit este determinata de avantajele importante fata de alte sisteme de incalzire: reducerea efortului fizic, eliminarea emisiilor de CO si CO₂, reducerea pericolului de accidente, reducerea pericolului de incendiu, cresterea gradului de confort, ridicarea nivelului sanitar de preparare a hranei.

In functie de modul de transfer a caldurii, aparatele electrocasnice sunt:

cu conductie (de exemplu, plitele electrice),

cu convectie (de exemplu, aparatele convective  aeroterme),

cu radiatie (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 gatit), pentru incalzirea locuintelor (calorifere electrice, radiatoare electrice), pentru incalzirea apei (boilere, plonjoare), pentru uscat (diferite tipuri de uscatoare de par), pentru calcat (fier electric de calcat).

Plitele electrice (fig. 3.31) cuprind in principal elementul rezistiv 1 (deobicei fir rezistiv spiralat) plasat in partea inferioara a placii metalice 2 fata de care este izolat electric. Placa metalica 2 este izolata termic (izolatia termica 3) fata de suportul metalic 4.

Temperatura maxima, la functionarea in gol (fara cratita), pe suprafata plitei, poate atinge 750 C asigurand la functionarea in sarcina (la o temperatura de cel mult 110 C) o putere specifica maxima de 7 8 kW cm² (puterea unitara a unei plite putand ajunge la 2000 W). Temperatura de lucru, pe suprafata plitei se atinge in cateva minute.

Realizarea unui transfer termic eficient prin conductie de la suprafata plitei la vasul in care se prepara hrana, impune utilizarea de vase cu fundul plat (de obicei placat cu cupru) si de diametru egal cu cel al plitei.

Pentru a se asigura adaptabilitatea la procesul de preparare a hranei, plitele electrice sunt prevazute de cele mai multe ori cu regulatoare de temperatura, asigurand un reglaj al puterii absorbite in intervalul 10 100% din puterea sa nominala. In instalatiile actuale este larg raspandit reglajul cu elemente bimetalice. Incep sa fie din ce in ce mai utilizate instalatiile de reglaj cu tiristoare.

La utilizarea unui element incalzitor compus din mai multe segmente, reglajul se poate face prin conectarea in scheme serie, paralel a diferitelor elemente, astfel incat sa rezulte o variatie in trepte constante a puterii absorbite de la sursa de alimentare.

Cuptoarele electrice pentru gatit asigura in interior o temperatura reglabila, cu o valoare maxima de circa 300 C. Transferul termic se face prin radiatie si prin convectie, temperatura pe suprafata elementelor incalzitoare (deobicei in constructie acoperita) plasate in interior ajungand la 700 C.

Puterea incalzitoarelor instalate este de 2 2,5 kW iar puterea medie absorbita este reglabila in intervalul 15 100%, in functie de necesitatile procesului de preparare a hranei.

Instalatiile moderne de gatit sunt prevazute cu programatoare care asigura controlul automat al graficului de temperatura impus. Instalatiile electrice de incalzit in locuinte sunt utilizate in prezent in primul rand ca surse suplimentare de caldura fata de sistemele clasice de incalzire.

Datorita avantajelor importante legate de posibilitatea programarii pe durate mari de timp a temperaturii in fiecare incapere, odata cu imbunatatirea izolatiei termice a cladirilor, incalzirea electrica devine avantajoasa in raport cu incalzirea centralizata si incepe sa fie luata in consideratie la realizarea noilor tipuri de locuinte.

Caloriferele electrice (fig. 3.32) asigura la suprafata exterioara a corpului etans 1 o temperatura maxima de 90 C, astfel ca transferul termic spre exterior se face in mare parte prin convectie.

Elementul incalzitor 2 (tubular acoperit  fig.3.32 a)) este alimentat din reteaua electrica prin intermediul termoregulatorului 3 (fig. 3.32 a)), de obicei bimetalic, si al unui limitator de temperatura 4. Caldura degajata de incalzitorul 2 este transmisa corpului caloriferului prin intermediul unui agent lichid (uzual ulei mineral). Functionarea caloriferului este semnalizata de lampa 6 conectata in serie cu rezistorul 7.

Prezenta agentului termic intermediar asigura realizarea unei suprafete incalzitoare cu arie relativ mare si cu temperatura practic constanta, in conditiile unui pericol redus de incendiu si cu inertie termica relativ ridicata.

In mod obisnuit, caloriferele electrice au puteri unitare pana la 2,5 kW, sunt alimentate de la reteaua de 230 V si pot fi dotate cu programatoare care asigura, pe intervale mari de timp, regimul termic dorit.

Aparatele convective (fig. 3.33) sunt destinate incalzirii prin convectie naturala in special a unor incaperi cu o izolatie termica buna. Functioneaza fara zgomot si asigura o incalzire uniforma in incapere.

Principalele componente ale aparatului sunt: corpul 1, elementul incalzitor 2 si sistemul de reglare a temperaturii. Corpul aparatului reprezinta un ecran termic pentru radiatia termica a incalzitorului, asigurand in acest fel intensificarea proceselor de transfer termic prin conductie. Pot fi plasate pe podea (fig. 3.33 a)) sau pe perete (fig. 3.33 b)).

Pentru a asigura o circulatie corespunzatoare a aerului, in interiorul aparatului se realizeaza un traseu cu rezistenta aerodinamica minima.

Instalatiile moderne de incalzire electrica sunt prevazute cu traductoare plasate in incapere si care realizeaza reglarea puterii absorbite astfel incat sa se asigure temperatura impusa. Puterea nominala a acestor instalatii de incalzit nu depaseste 2,5 kW.

Aerotermele sunt aparate electrice de incalzit cu convectie fortata asigurata de un ventilator (cu putere nominala de circa 40 W) care sufla aer asupra elementelor incalzitoare. Convectia fortata determina cresterea vitezei de incalzire in incapere dar poate aparea inconfort determinat de neuniformitatea temperaturii in incapere si un nivel ridicat de zgomot.

Pe acelasi principiu, al convectiei fortate sunt realizate diferitele tipuri de uscatoare (de par) utilizate in gospodarie.

Echipamentele pentru incalzirea apei pot fi:

cu rezervor (boiler),

cu trecere,

cu acumulare.

Echipamentele pentru incalzirea apei, cu rezervor asigura in mod uzual o cantitate de 5 60 litri apa, la o temperatura maxima de 85 C, intr-un interval de timp de 15 30 minute. Echipamentele de acest au o putere nominala de 1 4 kW si permit mentinerea, pe o durata de 1 2 ore, a temperaturii apei din rezervor.

Echipamentele de incalzire cu trecere asigura incalzirea apei care parcurge circuitul interior al aparatului, pana la circa 50 C in cateva secunde. Sunt folosite pentru asigurarea apei calde pentru dus sau pentru spalatul vaselor. Aparatele de acest tip au puteri nominale de 4 5 kW.

Echipamentele cu acumulare sunt caracterizate de o izolatie termica deosebita, astfel ca apa calda din rezervor (aflata la cel mult 85 C) poate fi utilizata pe durata a 24 48 ore (viteza de reducere a temperaturii apei din rezervor este de 0,6 C ora). Capacitatea rezervorului poate atinge 200 litri iar elementul incalzitor cu putere nominala de cel mult 2 kW asigura incalzirea apei din rezervor in 6 7 ore.

Folosirea aparatelor cu acumulare este avantajoasa din punctul de vedere al aplatizarii curbei de sarcina din sistemul energetic.Utilizarea contoarelor cu dublu tarif (tarif de zi si tarif de noapte) incurajeaza prepararea apei calde in orele de gol de sarcina ale sistemului, in conditii avantajoase din punct de vedere financiar. De asemenea, este posibil controlul acestor echipamente de catre furnizorul de energie prin telecomanda, astfel incat conectarea acestora sa fie facuta numai in conditii avantajoase pentru curba de sarcina

Fierul de calcat cuprinde un rezistor cu puterea nominala de 500 1000 W, conectat la reteaua electrica prin intermediul unui dispozitiv de reglare a temperaturii (de obicei cu bimetal). Pe talpa aparatului temperatura se poate regla intre 80 C (matase artificiala) si 250 C (tesaturi din in).