Proszę zapoznad się z materiałem, zrobid notatkę do zeszytu i odpowiedzied na pytania znajdujące się na koocu
Odpowiedzi należy przysład do oceny w dowolnej formie (np. plik tekstowy, zdjęcie, skan ..)do dnia 09.03.2021
Urządzenia elektryczne cz.1
Klasyfikacja, budowa i charakterystyka urządzeo grzejnych
Klasyfikacja elektrotermicznych urządzeo grzejnych
Urządzenia elektrotermiczne to urządzenia służące do przemiany energii elektrycznej w ciepło do celów użytkowych.
Ze względu na wartośd temperatury roboczej (temperatury, w której ma się odbywad proces grzewczy) urządzenia grzewcze klasyfikowane są następująco:
- urządzenia niskotemperaturowe, w których wartośd temperatury roboczej grzejnika nie przekracza 3000C ,
- urządzenia średniotemperaturowe, w których wartośd temperatury roboczej grzejnika zawiera się w granicach 3000C do 13000C,
- urządzenia wysokotemperaturowe, w których wartośd temperatury roboczej grzejnika przekracza 13000C .
Ze względu na częstotliwośd pracy urządzenia elektrotermiczne dzielą się na:
- urządzenia prądu stałego (f = 0),
- urządzenia małej częstotliwości (f = 50 Hz),
- urządzenia średniej częstotliwości (50 Hz < f ≤ 105 Hz), - urządzenia wysokiej częstotliwości (105 Hz < f ≤ 109 Hz), - urządzenia mikrofalowe (f > 109 Hz).
Ze względu na sposób nagrzewania urządzenia elektrotermiczne dzielą się na:
- nagrzewnice pośrednie (ciepło przepływa z ciała o wyższej temperaturze),
- nagrzewnice bezpośrednie (ciepło wytwarzane jest wewnątrz ciała nagrzewanego).
Ze względu na metodę nagrzewania rozróżnia się urządzenia grzewcze:
- rezystancyjne (energia cieplna wytwarzana jest przez prąd płynący w przewodniku), - promiennikowe (energia cieplna wytwarzana jest wskutek pochłaniania i przemiany promieniowania temperaturowego (podczerwonego) wytworzonego w źródle zwanym promiennikiem),
- elektrodowe (energia cieplna wytwarzana jest przez prąd płynący w cieczy pomiędzy zanurzonymi w niej elektrodami),
- łukowe (energia cieplna wytwarzana jest przez prąd płynący w zjonizowanych gazach w postaci łuku elektrycznego wytworzonego pomiędzy elektrodami),
- indukcyjne (energia cieplna wytwarzana jest przez prądy wirowe indukowane w materiale przewodzącym wywołane indukcją elektromagnetyczną),
- pojemnościowe (energia cieplna wytwarzana jest w wyniku zjawisk związanych z efektami polaryzacji dielektryka znajdującego się w zmiennym polu elektrycznym o dużej częstotliwości wytworzonym pomiędzy elektrodami stanowiącymi wraz z dielektrykiem kondensator),
- mikrofalowe (energia cieplna wytwarzana jest w wyniku zjawisk związanych z efektami polaryzacji dielektryka, do którego energia doprowadzona jest w postaci fali
elektromagnetycznej o bardzo dużej częstotliwości),
- plazmowe (energia cieplna wytwarzana jest w wyniku wykorzystania strumienia plazmy niskotemperaturowej - obojętnej elektrycznie mieszaniny zjonizowanego gazu o określonej koncentracji ładunków dodatnich i ujemnych),
- elektronowe (energia cieplna wytwarzana jest wskutek pochłaniania wiązki elektronowej o dużej energii kinetycznej),
- fotonowe, laserowe (energia cieplna wytwarzana jest wskutek pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego wytworzonego w laserach),
- ultradźwiękowe (energia cieplna wytwarzana jest wskutek pochłaniania fal ultradźwiękowych).
Ze względu na przestrzeo grzejną urządzenia elektrotermiczne dzielą się na:
- komorowe – przestrzeo grzejna ograniczona jest ściankami utrudniającymi odpływ ciepła do otoczenia,
- bezkomorowe – nie posiadają komory grzejnej.
Do urządzeo grzejnych bezkomorowych zalicza się:
- elektryczne narzędzia grzejne – spełniają zadanie narzędzia i na ogół wymagają poruszania nimi przy użytkowaniu (żelazko, lutownica, opalarka, suszarka do włosów, grzebienie elektryczne, zapalniczki),
- elektryczne przyrządy grzejne – wytwarzają ciepło i nie wymagają poruszania nimi przy użytkowaniu; najczęściej są to grzejniki przenośne lub dające się łatwo zdemontowad
(ogrzewacze wnętrzowe, grzałki elektryczne, naczynia elektryczne, warniki, kuchenki, poduszki elektryczne),
- elektryczne nagrzewnice – to urządzenia nieprzenośne służące do obróbki cieplnej, w których ciepło wytworzone jest w grzejniku (płyty grzejne do podgrzewania materiałów, nagrzewnice oporowe do podgrzewania stali, nagrzewnice indukcyjne do hartowania stali).
Do urządzeo grzejnych komorowych zalicza się:
- piece elektryczne - to urządzenia przeznaczone do procesów technologicznych związanych:
- ze zmianą stanu skupienia wsadu (piece do topienia materiałów), - ze zmianą struktury wsadu (piece hartownicze),
- z reakcjami chemicznymi (piece do spalania, piekarniki wykorzystywane w przemyśle spożywczym),
- suszarki elektryczne - urządzenia przeznaczone do procesów suszenia (suszarki lakiernicze, suszarki do drewna),
- cieplarki elektryczne - urządzenia przeznaczone do procesów o przebiegu termostatycznym, w których temperatura jest czynnikiem wpływającym na procesy biologiczne odbywające się w komorze grzejnej (wylęganie, kiełkowanie, sterylizacja).
Urządzenia elektrotermiczne rezystancyjne
Urządzenia elektrotermiczne rezystancyjne (oporowe) to urządzenia, w których ciepło wytwarzane jest przez prąd elektryczny przepływający przez przewodnik. Moc cieplną powstałą wskutek przemiany energii elektrycznej w ciepło wytworzone w elemencie grzejnym o rezystancji R, można określid przy pomocy zależności:
Element grzejny rezystancyjny, w którym zachodzi przemiana energii elektrycznej w ciepło, wykonywany jest ze specjalnych materiałów rezystancyjnych (oporowych).
Materiały rezystancyjne stosowane na elementy grzejne powinny charakteryzowad się:
- dużą rezystywnością (można uzyskad określoną rezystancję elementu przy mniejszej jego długości),
- wysoką temperaturą mięknięcia (umożliwia to uzyskiwanie wysokich temperatur pracy przy zachowaniu dobrych właściwości mechanicznych),
- wysoką odpornością na wpływy chemiczne (szczególnie na utlenianie), które powodują zmiany wymiarów (przekroju), parametrów elektrycznych (rezystancji) i mechanicznych elementów, - małym współczynnikiem temperaturowym rezystancji, co zapewnia małe zmiany rezystancji elementu podczas nagrzewania, a w konsekwencji małe zmiany prądu i mocy grzejnej, - małym współczynnikiem temperaturowym rozszerzalności zapewniającym małe zmiany wymiarów elementu przy znacznych zmianach temperatury, co w znacznym stopniu zmniejsza naprężenia wewnętrzne podczas pracy,
- dostateczną wytrzymałością mechaniczną zapewniającą brak odkształceo przy najwyższych temperaturach pracy,
- dużą odpornością na gwałtowne zmiany temperatury (nieuniknione przy włączaniu i wyłączaniu grzejnika) powodujące zmniejszenie trwałości materiału.
Stosowane są dwa rodzaje materiałów rezystancyjnych:
- materiały metalowe, - materiały niemetalowe.
Materiały metalowe
Materiały metalowe produkowane są w postaci drutów (przewodów o przekroju okrągłym) oraz taśm (przewodów o przekroju prostokątnym). Najczęstsze zastosowanie w grzejnictwie rezystancyjnym mają:
- nikielina (stop miedzi, niklu i manganu) - stosowana w przyrządach grzejnych o temperaturze roboczej grzejnika nie przekraczającej 5000C (np. niskotemperaturowe ogrzewacze przewiewowe, poduszki i koce elektryczne),
- ferronichrom (zwany potocznie chromonikieliną – stop żelaza, niklu i chromu) - stosowany w urządzeniach o temperaturze roboczej grzejnika nie przekraczającej 10500C,
- nichrom (zwany potocznie chromonikieliną bezżelazową - stop niklu z chromem) - stosowany w urządzeniach o temperaturze roboczej grzejnika nie przekraczającej 11500C, - ferrochromal (znany pod nazwą firmową kanthal - to stop żelaza, chromu i aluminium), jest materiałem o najwyższej dopuszczalnej temperaturze roboczej grzejnika (nie przekraczającej 13500C) spośród materiałów metalowych rezystancyjnych stosowanych w grzejnictwie przemysłowym.
- ferronichrom i nichrom to materiały, które są odporne na zmiany temperatur, czynniki zewnętrzne i dają się łatwo obrabiad i spawad.
W grzejnictwie laboratoryjnym mają zastosowanie:
- platyna - stosowana w urządzeniach o temperaturze roboczej grzejnika nie przekraczającej 14000C,
- molibden - ze względu na łatwośd utleniania musi pracowad w atmosferze ochronnej, temperatura robocza molibdenu wynosi 17000C,
- wolfram - równie łatwo jak molibden utlenia się i dlatego musi również pracowad w atmosferze ochronnej. Temperatura robocza wolframu wynosi 22000C. Wolfram jest bardzo kruchy. Elementom grzejnym wykonanym z wolframu nadaje się najczęściej kształt rurek.
Materiały niemetalowe
Materiały niemetalowe stosowane w przemysłowym grzejnictwie rezystancyjnym, w porównaniu z materiałami metalowymi, są mniej wrażliwe na utleniające działanie powietrza w wysokiej
temperaturze. Do najbardziej rozpowszechnionych w grzejnictwie rezystancyjnym materiałów niemetalowych należą: sylit, autracyt, grafit i kryptol.
- Sylit (węglik krzemu SiC znany pod nazwą globar) stosowany jest w urządzeniach o temperaturze roboczej grzejnika nie przekraczającej 14000C. Sylitowe elementy grzejne wytwarzane są w kształcie prętów i rur. Rezystywnośd sylitu jest wielokrotnie większa od
rezystywności materiałów metalowych. Jest on materiałem kruchym. Ulega pod wpływem tlenu z powietrza procesom starzenia, powodującym stopniowy wzrost rezystywności.
Spadek mocy grzejnej, spowodowany wzrostem rezystywności w wyniku procesu starzenia, jest często rekompensowany przez podwyższanie napięcia zasilającego elementy grzejne.
Napięcie zasilające przewody grzejne zmienia się poprzez zmianę połączeo odczepów transformatora zasilającego.
- Antracyt (bezpostaciowa odmiana węgla występująca w węglu kamiennym) wykorzystuje się do wyrobu rezystancyjnych elementów grzejnych, którym nadaje się kształt prętów, rur, płyt i tygli. Przy nagrzewaniu w powietrzu antracyt łatwo ulega utlenianiu (od temperatury 5000C wzwyż), dlatego też elementy grzejne wykonane z tego materiału powinny pracowad przy wyższych
temperaturach w osłonie atmosfery ochronnej. Maksymalna temperatura robocza antracytowych elementów grzejnych pracujących w atmosferze ochronnej wynosi 20000C.
- Grafit (krystaliczna odmiana węgla) stosowany jest do wyrobu rezystancyjnych elementów grzejnych, których maksymalna temperatura robocza wynosi 25000C, a w szczególnych
warunkach może wynosid nawet 30000C. Rezystancyjnym elementom grzejnym wykonanym z grafitu nadaje się kształt prętów, rur, płyt i tygli.
- Kryptol jest sypkim materiałem rezystancyjnym uzyskanym przez rozkruszenie złomu otrzymanego z wyeksploatowanych elektrod grafitowych lub antracytowych. Maksymalna temperatura robocza rezystancyjnych elementów grzejnych wykonanych z kryptolu wynosi 17000C. Podczas pracy kryptol stopniowo wypala się, jednak jego niski koszt rekompensuje tę wadę.
Przemysłowe rezystancyjne urządzenia komorowe
Wśród przemysłowych rezystancyjnych urządzeo komorowych największą i najbardziej rozwiniętą grupę stanowią piece elektryczne.
Piec wannowy
Na rysunku 1 przedstawiono w sposób szkicowy budowę pieca wannowego stosowanego do topienia aluminium, w którym zastosowano rezystancyjne elementy grzejne w postaci skrętki wykonanej z kanthalu. Skrętki grzejne e umieszczone są w żłobkach sklepienia.
Piec ten posiada komorę o kształcie płaskiej wanny. Wsad umieszcza się na pochylni
przedsionka p, skąd w miarę topienia spływa do wanny w. Po ukooczeniu topienia pochyla się piec na rolkach r i zlewa się metal przez lej spustowy l. Piece tego typu budowane są o mocach kilkuset kilowatów i o pojemności wsadu do 7 ton.
Rys. 1. Piec wannowy - szkic budowy pieca
Piec muflowy
Na rysunku 2 przedstawiono w sposób szkicowy budowę pieca muflowego. Piece muflowe są to piece, w których ciepło jest doprowadzone do komory od zewnętrznej strony ścian
ogniotrwałych otaczających komorę i stanowiących tzw. muflę.
Rys. 2. Piec muflowy – szkic budowy pieca
Na muflę wykonaną z materiału ogniotrwałego (z szamotu, karborundu lub alundu) nawinięty jest przewód grzejny w postaci drutu lub taśmy. Aby zapobiec zwieraniu się sąsiednich zwojów wskutek wydłużania się przewodu, układa się przewód grzejny w rowkach ukształtowanych
śrubowo na zewnętrznej powierzchni mufli. Zamiast w rowkach, można też umieszczad zwoje przewodu grzejnego w cienkiej warstwie zaprawy szamotowej nałożonej w tym celu na powierzchnię mufli. Element grzejny jest otoczony warstwą proszku szamotowego oraz (w dolnej części) warstwą cegieł szamotowych. Obudowa pieca jest wykonana z blachy stalowej.
Ściany mufli oddzielają element grzejny od komory, zabezpieczając go w ten sposób od uszkodzeo mechanicznych i wpływów chemicznych wsadu. Na ściankach mufli występuje znaczny spadek temperatury sięgający 150 do 200°C.
Piece muflowe są najczęściej używane są jako piece warsztatowe bądź jako piece laboratoryjne o temperaturach roboczych do 11000C.
Piec sylitowy
Na rysunku 3 przedstawiono w sposób szkicowy budowę pieca z elementami grzejnymi wykonanymi w postaci prętów sylitowych. Pręty umieszczone są poziomo w dwóch rzędach pod sklepieniem. Każdy pręt sylitowy na obu swoich koocach jest uchwycony w głowicy chłodzonej wodą i zaopatrzonej w sprężyny dociskowe i doprowadzenia napięcia. Do ładowania wsadu służy otwór ładowniczy. Ściany komory są utworzone z cegły ogniotrwałej, warstwy materiału o mniejszej trwałości (np. szamot) i warstwy termoizolacyjnej.
Rys. 3. Piec sylitowy – szkic budowy pieca
Piece tego rodzaju są stosowane głównie jako piece kuźnicze do podgrzewania półwyrobów stalowych.
W celu obniżenia temperatury pręta sylitowego w miejscach doprowadzenia napięcia dąży się do zmniejszenia rezystancji na koocach pręta poprzez:
- zwiększenie przekroju poprzecznego stosując pręty o pogrubionych koocach,
- zmniejszenie rezystywności materiału w koocach pręta za pomocą specjalnej obróbki chemicznej i metalizacji kooców pręta.
Konstrukcja połączenia musi zapewnid swobodne wydłużanie się pręta sylitowego podczas nagrzewania. Bez tej możliwości pręt mógłby popękad.
Suszarka z rezystancyjnymi elementami grzejnymi
Na rysunku 4 przedstawiono w sposób szkicowy budowę suszarki z rezystancyjnymi elementami grzejnymi, służącą do suszenia przewiewowego.
Powietrze suche dopływające przez otwory u dołu suszarki nagrzewa się od elementów
grzejnych, po czym przedostaje się przez liczne otwory w ściankach bocznych i półkach stojaka
i opływa wsad umieszczony na tych półkach. Pod wpływem nagrzanego powietrza następuje odparowanie wody lub innych cieczy zawartych we wsadzie bądź pokrywających jego
powierzchnię. Wilgotne powietrze odpływa przez górny otwór.
Do regulacji ilości powietrza przepływającego przez komorę suszarki służy przesłona regulacyjna.
W przypadku, gdy zachodzi potrzeba wymuszonego przepływu powietrza, włącza się wentylatory.
W procesach suszenia temperatura robocza zwykle nie przekracza 3000C.
Do ograniczenia strat cieplnych wystarcza warstwa materiału termoizolacyjnego, umieszczonego między blachami stanowiącymi obudowę wewnętrzną i zewnętrzną.
Pytania
1. Jakie zjawiska fizyczne wykorzystywane są do nagrzewania w elektrotermicznych urządzeniach grzewczych?
2. Według jakich kryteriów klasyfikowane są urządzenia grzewcze?
3. Jak klasyfikujemy urządzenia grzewcze ze względu na zasadę nagrzewania?
