2. CUPTOARE CU REZISTOARE

Dintre cuptoarele electrice, cele cu rezistoare cunosc cea mai mare răspândire. Ele se folosesc atât pentru încălzirea diferitelor produse, cât şi pentru topirea metalelor şi aliajelor uşor fuzibile.

Încălzirea materialelor în cuptoarele cu rezistoare se bazează pe efectul Joule al curentului electric. Încălzirea este directă, dacă rezistorul este însuşi materialul ce urmează a fi încălzit, sau indirectă, în cazul în care energia termică degajată de rezistoare se transmite prin conducţie, convecţie şi radiaţie materialului destinat încălzirii.

O caracteristică importantă a cuptoarelor electrice cu rezistoare o constituie posibilitatea reglării foarte precise a temperaturii de lucru, condiţie esenţială pentru obţinerea unor piese de calitate.

Avantajele principale ale cuptoarelor cu rezistoare apar în următoarele situaţii:

la încălzirea cu temperatură joasă, când se impun condiţii pretenţioase de reglare a temperaturii;

la temperatură înaltă, când sunt necesare atmosfere controlate; la încălzirea pieselor în mişcare; la prelucrarea materialelor plastice; la cuptoarele de laborator, care necesită temperaturi înalte şi reglaj

precis al temperaturii.

2.1. Tipuri de cuptoare electrice cu rezistoare

Cuptoarele electrice cu rezistoare se clasifică după: (1). modul de lucru:

cuptoare cu funcţionare periodică; cuptoare cu funcţionare continuă.

(2). temperatura de lucru: cuptoare de joasă temperatură (până la 650 °C); cuptoare de medie temperatură (650°C … 1350°C); cuptoare de înaltă temperatură (până la 1600 °C).

(3). atmosfera de lucru a cuptorului:o cuptoare cu atmosferă oxidantă (aer);o cuptoare cu atmosferă controlată şi cu vid.

În continuare vor fi analizate în special cuptoarele electrice cu încălzire indirectă, având în vedere domeniul lor larg de utilizare.

Cuptoarele cu încălzire indirectă prezintă o mare varietate de tipuri constructive. Din punct de vedere al utilizării, ele se clasifică în:

cuptoare pentru tratamente termice şi încălziri; cuptoare pentru topirea metalelor şi aliajelor; cuptoare de laborator.

2.1.1. Cuptoare electrice pentru tratamente termice Cuptoarele pentru tratamente termice reprezintă marea majoritate a cuptoarelor

cu rezistoare şi se utilizează pentru călirea şi revenirea, recoacerea, cementarea şi nitrocarburarea metalelor.

Încălzirea metalelor are drept scop: - forjarea, matriţarea, presarea sau alte operaţii de prelucrare la cald; - sinterizarea materialelor metaloceramice; - cositorirea;- zincarea şi emailarea.Încălzirea materialelor nemetalice are următoarele domenii de utilizare: încălzirea materialelor plastice în scopul producerii, sudării sau lipirii

acestora (150...400°C); arderea ceramicii (600 ... 1500°C); tratamentul termic al sticlei (400 ... 550°C), sudarea şi lipirea sticlei; uscarea lemnului, hârtiei, materialelor textile; prepararea alimentelor.Prin etanşarea corespunzătoare a cuptoarelor, încălzirea pieselor poate avea loc

şi în atmosferă de protecţie (amestec de hidrogen şi azot, gaz de generator etc.) sau în vid.

În funcţie de procesul tehnologic din cuptor ca şi de forma pieselor prelucrate la cald, cuptoarele de acest tip sunt cu acţiune discontinuă sau cu acţiune continuă.

Principalele tipuri constructive de cuptoare cu rezistoare cu încălzire discontinuă, sunt indicate în fig. 2.1.

Cuptoarele tip cameră (fig. 2.1.a) au forma unei incinte realizată din materialul refractar 1 şi izolaţia termică 2. Elementele încălzitoare 3 sunt plasate pe pereţi, tavan şi podeaua cuptorului. Piesele 5 care urmează a fi încălzite sunt plasate pe un suport 4. Cuptorul prezintă uşa 6, acţionată cu ajutorul dispozitivului de ridicare 8, prin care sunt introduse piesele supuse încălzirii.

În cuptoarele până la 700C, transferul termic se face prin radiaţie şi prin convecţie datorită, în mod uzual, circulaţiei în circuit închis a aerului sau a unei compoziţii controlate a atmosferei din cuptor.

În cuptoarele cu temperatură de peste 700C, transferul termic se face practic numai prin radiaţie.

Cuptoarele tip cameră sunt utilizate în special pentru încălzirea unor piese cu gabarit mare, turnate, sudate, forjate sau matriţate. Principalele lor avantaje constau în simplitatea construcţiei, posibilitatea utilizării pentru procese foarte diverse ca şi posibilitatea realizării în cuptor a unor variate regimuri termice.

Cuptoarele verticale (fig. 2.1.b) au de obicei o formă cilindrică şi sunt utilizate pentru efectuarea de tratamente termice: călire, cementare, detensionare, răcire

controlată. Un important avantaj al acestor cuptoare constă în faptul că încărcarea şi descărcarea se face relativ simplu utilizând mijloacele de ridicare şi transport din hala de lucru.

Cuptoarele cu elevator (fig. 2.1.c) sunt utilizate pentru încălzirea pieselor din oţel sau fontă, în atmosferă controlată ca şi pentru efectuarea procesului de cementare la piese de dimensiuni mari. Piesele care urmează a fi încălzite sunt plasate pe vatra 9

u

i

132 5

7 9

u

iu

8 2 1 3

6

4

5

a

8

6

i2 1

3 5

b

5

c d

Fig. 2.1 Cuptoare cu încălzire indirectă şi acţiune discontinuă, pentru tratamente termice: a – tip cameră; b – vertical; c – cu elevator; d – tip clopot.

1 – material refractar; 2 – izolaţie termică; 3 – elemente încălzitoare; 4 – suport; 5 - produsele supuse încălzirii; 6 – uşa cuptorului; 7 – dispozitiv pentru închiderea

cuptorului; 8 – dispozitiv de ridicare a uşii; 9 – vatra cuptorului.

8

i

u

2 1

3

9

5

a cuptorului care are şi rol de uşă. În poziţia de încărcare-descărcare, vatra 9 a cuptorului este la nivelul solului, iar în poziţia de lucru este ridicată cu ajutorul dispozitivului 7 pentru a asigura închiderea cuptorului.

Cuptorul tip clopot (fig. 2.1.d) are o formă asemănătoare celui cu elevator. La acest tip de cuptor, vatra este în poziţie fixă iar cuptorul este ridicat în poziţia de încărcare-descărcare şi este coborât în poziţia de lucru. Cuptoarele tip clopot au o largă utilizare în industrie, oferind posibilitatea funcţionării la parametri adaptabili procesului. Ca şi în cazul cuptoarelor cu elevator impun însă o înălţime relativ mare a halei de producţie şi necesită dispozitive cu capacitate mare de ridicare.

Cuptoarele cu acţiune continuă au o productivitate ridicată şi permit realizarea unui regim tehnologic (termic) complet, cuprinzând perioadele de încălzire, menţinere şi scădere a temperaturii. În general sunt împărţite pe zone de temperatură, fiecare zonă având alimentare şi sistem de reglare independente.

Dintre cuptoarele cu rezistoare cu încălzire indirectă şi acţiune continuă, în fig. 2.2 sunt prezentate cuptoarele cu bandă transportoare, cu carusel şi cu monorai.

Cuptorul cu rezistoare, cu bandă transportoare (fig. 2.2.a), este realizat sub forma unei incinte 2 din material refractar şi un material izolant termic 1.

Pe lungimea cuptorului pot fi dispuse mai multe zone cu caracteristici energetice diferite. Elementele încălzitoare 3 ale fiecărei zone sunt plasate pe partea

u

i

1 2 3

4

5

a

i

u

1 2 3

5

8 6

b

i

u

12

3

5

7

c

Fig. 2.2 Cuptoare cu rezistoare, cu încălzire indirectă şi acţiune continuă:a – cu bandă transportoare; b – cu carusel; c – cu monorai.

1 – izolaţie termică; 2 – material refractar; 3 – elemente încălzitoare; 4 – bandă transportoare; 5 - produsele supuse încălzirii; 6 – motor electric; 7 – monorai; 8 – carusel.

interioară a pereţilor. Pe suprafaţa benzii transportoare metalice 4 se plasează produsele 5 care urmează a fi încălzite. Viteza de deplasare a benzii transportoare ca şi modul de dispunere a elementelor încălzitoare, în lungul cuptorului sunt dependente de procesul tehnologic la care sunt supuse produsele din cuptor. Cuptorul cu rezistoare cu carusel (fig. 2.2.b) are o formă cilindrică, realizată din materialul refractar 2 şi materialul izolant termic 1.

În interiorul incintei, pe o traiectorie circulară, se deplasează produsele 5 supuse încălzirii. Acestea sunt plasate pe suprafaţa unui carusel 8 acţionat cu ajutorul unui motor electric 6. Elementele încălzitoare 3 sunt plasate pe pereţii interiori ai incintei. Reglarea temperaturii produsului din cuptor se face prin reglarea vitezei de rotaţie a motorului electric, prin alegerea adecvată a elementelor încălzitoare ca şi printr-o dimensionare corespunzătoare a incintei cuptorului.

Cuptorul cu rezistoare cu monorai (fig. 2.2.c) are o construcţie liniară, este realizat din materialul refractar 2 acoperit cu material izolant termic 1. În interiorul cuptorului se deplasează un monorai 7 pe care se plasează piesele 5 supuse încălzirii. Elementele încălzitoare 3 se află pe pereţii laterali ai cuptorului. Lungimea cuptorului depinde în primul rând de durata impusă a procesului de încălzire. Pe parcursul său, monoraiul poate parcurge mai multe zone caracterizate de parametri energetici diferiţi.

2.1.2. Cuptoare electrice pentru topirea metalelorCuptoarele de topire cu încălzire indirectă de tip creuzet (fig. 2.3.a) sunt

folosite în mod obişnuit pentru topirea aluminiului şi a aliajelor sale în scopul obţinerii materialului necesar pentru turnare.

În interiorul creuzetului 4 (realizat din fontă, grafit sau carbură de siliciu) este introdus metalul uşor fuzibil 5, care urmează a fi topit.

Elementele încălzitoare 3 asigură încălzirea creuzetului 4 iar acesta, la rândul lui, transmite căldura la materialul aflat în interior.

Incinta cuptorului este realizată din materialul refractar 2 căptuşit cu materialul izolant termic 1. Controlul temperaturii materialului din cuptor se face cu ajutorul traductorului 6, iar cuptorul este închis cu ajutorul capacului 7. Consumul mediu de

u

i

6 7

123

5

4

a b

Fig. 2.3 Cuptoare cu rezistoare pentru topire şi menţinere în stare caldă a materialelor topite: a - tip creuzet; b - tip cuvă.

1 – izolaţie termică; 2 – material refractar; 3 – elemente încălzitoare; 4 - creuzet; 5 - metalul care urmează a fi topit; 6 - traductor de temperatură; 7 - capac

ui

3 5

12

energie electrică pentru încălzirea şi topirea aluminiului în acest tip de cuptor este de 700 750 kWht iar randamentul cuptorului este de 0,5 0,55. Capacitatea acestor cuptoare nu depăşeşte 500 kg, iar puterea necesară este de cel mult 100 kW.

Cuptoarele de tip creuzet funcţionând până la 1200C sunt folosite pentru topirea, rafinarea sau menţinerea în stare caldă a cuprului şi a aliajelor sale. Consumul specific de energie electrică pentru încălzirea şi topirea cuprului în aceste cuptoare este de 420 470 kWht.

Cuptoarele cu încălzire indirectă de tip cuvă (fig. 2.3.b) sunt destinate în principal menţinerii în stare topită a materialelor uşor fuzibile 5. Elementele încălzitoare 3 asigură încălzirea prin radiaţie a metalului topit. Acest tip de cuptor este larg utilizat în instalaţiile de turnare sub presiune a pieselor din aluminiu unde temperatura metalului topit trebuie menţinută la 750 800C.

2.1.3. Cuptoarele electrice de laborator Aceste cuptoare sunt de mică capacitate şi putere redusă, permiţând obţinerea

unei game largi de temperaturi. Din punct de vedere constructiv se deosebesc cuptoarele electrice cu cameră – asemănătoare celor industriale, tubulare sau cu creuzet.

2.2 Elementele constructive ale cuptoarelor cu rezistoare

o Carcasa cuptoruluiCuptoarele electrice cu rezistoare au o carcasă compactă. Cuptoarele cu

atmosferă controlată necesită o carcasă complet ermetică, celelalte necesită carcasă numai în măsura în care ea previne mărirea pierderilor termice prin aspirarea aerului rece în cuptor.

În cuptoarele cu gaz de protecţie rosturile sudate ale carcasei se încearcă obligatoriu la etanşeitate; rosturile deschise se verifică cu ajutorul unei soluţii de cretă, şi cu petrol, cele închise cu ajutorul spumei de săpun, prin suflarea aerului în carcasă sau prin pomparea apei la o presiune de 5 ori mai mare decât presiunea de lucru. Locurile de îmbinare ale carcasei cuptoarelor cu gaz de protecţie se strâng cu flanşe şi garnituri de azbest.

o Zidăria cuptoruluiConstrucţia corectă a zidăriei şi executarea ei atentă la montare influenţează:

mărimea pierderilor termice; consumul de energie electrică; timpul de încălzire al cuptorului; calitatea prelucrării termice a pieselor; durata de funcţionare; greutatea, dimensiunile de gabarit şi costul cuptorului.

Alegerea variantei zidăriei cuptorului se face astfel încât:

, (2.1)

unde: Qac - este căldura acumulată (de căptuşeală) la încălzirea cuptorului până în regimul staţionar;

pst - sunt pierderile termice prin zidărie, în mediul ambiant, în regim staţionar; tr - este timpul de funcţionare neîntreruptă a cuptorului.

În cuptoarele cu temperatura de lucru până la 350C, căptuşeala este de regulă dintr-un singur strat de material termoizolant care se aşează între pereţii dubli ai carcasei metalice a cuptorului sau între panouri metalice speciale.

La celelalte cuptoare, căptuşeala constă din straturi refractare şi termoizolante. Grosimea stratului refractar este bine sa fie cât mai mică posibil, iar materialele utilizate să aibă densitate şi conductivitate termică minimă.

La alegerea materialului căptuşelii pentru cuptoarele cu atmosferă carburată trebuie să se ţină seama de faptul că această atmosferă poate provoca o degradare rapidă şi importantă a zidăriei, ca urmare a formării în masa refractară a negrului de fum, care se depune pe zonele catalizatoare.

Cea mai intensă degradare se produce la 450...700°C. O bună stabilitate prezintă materialele refractare care conţin cantităţi minime de fier şi oxizi de fier, sau care le conţin într-o formă care să aibă acţiune minimă.

În cuptoarele cu atmosfere controlate care conţin hidrogen, trebuie să se ţină seama de mărirea conductivităţii zidăriei ca urmare a infiltrării hidrogenului în porii materialului refractar.

La cuptoarele cu regim de funcţionare continuu căptuşeala trebuie astfel aleasă încât temperatura exterioară a carcasei să nu depăşească 60°C, iar la cuptoarele cu funcţionare intermitentă, se admite o temperatură a carcasei de până la 110°C, dacă din punct de vedere economic acest lucru este justificat. În aceste cazuri se iau măsuri de protecţie care să asigure exploatarea acestor cuptoare fără pericol de accidente.

Stratul termoizolant se zideşte de regulă fără mortar. Stratul refractar se zideşte cu mortar de şamotă, sau şamotă cu conţinut ridicat de alumină (peste 60 %), în cazul cuptoarelor cu temperatura de lucru de până la 1700°C.

Cărămizile trebuiesc zidite prin ţesere. Pentru a asigura o dilatare normală a zidăriei în timpul încălzirii cuptorului, în stratul refractar trebuie să existe rosturi de dilatare la fiecare l...1,5 m lungime. Dimensiunile rosturilor se determină prin calcul, ele depinzând de temperatura cuptorului şi de coeficienţii de dilatare liniară ai materialelor zidăriei, care au următoarele valori pentru un interval de temperatură de 100°C: 0,2...0,4 mm pentru 1 m liniar de zidărie de şamotă uşoară.

Rosturile nu trebuie să micşoreze rezistenţa zidăriei. În cuptoarele de topire, după încălzire, rosturile vetrei se umplu cu nisip de cuarţ sau cu praf refractar de şamotă, de magnezită sau de alumină. Rosturile cuptoarelor de încălzire se realizează din garnituri fuzibile (carton, placaj), introduse între cărămizile corespunzătoare ale căptuşelii. Unele elemente ale căptuşelii este bine să se realizeze din beton refractar, care posedă o rezistenţă sporită comparativ cu zidăria din cărămidă. Utilizarea betonului bun conducător de electricitate nu este permisă în locurile care se află sub tensiune electrică.

o Vatra cuptorului Vatra cuptoarelor de topire se realizează prin bătătorire, din praf de magnezită,

beton refractar sau din cărămizi refractare sub forma unei bolţi inverse (arcuite sau sferice).

Vatra cuptoarelor de încălzire se zideşte din cărămizi drepte. Construcţia ei depinde de modul de susţinere sau de deplasare a pieselor de încălzit şi de realizare a încălzitoarelor.

Stratul termoizolant al vetrei se face din rânduri compacte sau din celule din cărămizi termoizolante, cu material de umplutură între cărămizi. La sarcini mari pe vatră, drept suport se utilizează cărămizi refracta blocuri speciale.

o Pereţii cuptorului Zidăria refractară a pereţilor cuptoarelor de topire şi de încălzire în general

este aceeaşi şi constă din cărămizi drepte, la cuptoarele dreptunghiulare sau cilindrice de mare capacitate şi din cărămizi sub formă de pană la cuptoarele cilindrice mici.

Pentru evitarea bombării sau răsturnării pereţilor laterali cu înălţime mai mare de 3 m, este necesar să se prevadă legături între zidăria refractară a pereţilor şi straturile termoizolante.

Zidăria termoizolantă poate fi realizată atât din cărămizi, cât şi din praf. La cuptoarele la care zidăria este supusă vibraţiilor mecanice produse de mecanismele cuptorului, nu se recomandă utilizarea prafului.

o Bolta cuptorului Pentru acoperirea deschiderilor dreptunghiulare se utilizează bolţi plane sau

arcuite, iar pentru acoperirea orificiilor circulare se utilizează bolţi sferice.Bolţile arcuite sau sferice se zidesc din cărămizi sub formă de pană sau

combinaţii ale acestora cu cărămizi drepte, în funcţie de dimensiunile bolţii. Se recomandă utilizarea bolţilor arcuite line cu unghiul la centru de 60°C; totuşi, mărirea unghiului la centru până la 90°C permite mărirea deschiderii (la aceeaşi grosime şi la efortul maxim în boltă) de două ori mult, în funcţie de greutatea şi rezistenţa materialului refractar utilizat.

o Golurile pentru uşi şi pentru ferestre de revizie Zidăria golurilor ferestrelor se realizează la fel ca şi zidăria principală a

cuptorului, cuptoarele de joasă temperatură (cu carcasă dublă) golurile sunt prevăzute cu rame metalice. La cuptoarele de medie şi înaltă temperatură, golurile se realizează cu ajutorul cărămizilor sau blocurilor refractare.

Golurile uşilor trebuiesc să fie foarte bine închise, iar ferestrele de revizie se închid cu dopuri sau cărămizi fără mortar. Alegerea variantei de închidere a ferestrei se face în funcţie de frecvenţa cu care se deschide. Dacă de exemplu numărul deschiderilor pe an este mai mic decât 5, se recomandă varianta cu cărămizi. Dacă numărul deschiderilor pe lună este mai mare de 5, se recomandă dopuri retractare.

o Uşile Uşile cuptoarelor de joasă temperatură se fac sub forma unei carcase metalice duble, umplute cu material termoizolant. La celelalte cuptoare, căptuşeala uşilor este de regulă din două straturi.

o Elementele încălzitoareDin punct de vedere constructiv elementele încălzitoare cele mai răspândite

sunt următoarele: sârmă spiralată pe un tub ceramic; bandă în zig-zag; bară sau ţeavă fixată direct în căptuşeala cuptorului; tubulare, din sârmă spiralată introdusă într-un tub de protecţie din oţel refractar, spaţiul dintre sârmă şi tub fiind umplut cu un

material izolant din punct de vedere electric şi conductor din punct de vedere termic (de exemplu oxid de magneziu).

Încălzitoarele din sârmă şi benzi sunt cele mai răspândite şi se confecţionează din aliaje cu mare rezistivitate, sub formă de spirale sau în zig-zag. Avantajul încălzitoarelor din sârmă în spirală şi a celor din bandă în zig-zag este acela că ele pot fi conectate direct la reţeaua de 380 V, fără transformatoare coborâtoare.

Încălzitoarele închise în tuburi se utilizează pentru cuptoare şi creuzete cu temperaturi până la 1000°C. Încălzitoarele cu elemente spirale se fac de regulă din sârmă cu diametrul în jur de 2,5 mm, iar cele cu elemente drepte, cu diametre în jur de 5, 4 mm. Durata de funcţionare a ultimelor este mai ridicată, dar necesită transformatoare coborâtoare de alimentare.

Încălzitoarele turnate sunt în formă de zig-zag, cu 5...7 ramuri. Astfel de încălzitoare se utilizează în cuptoarele la care sunt necesare secţiuni mari, care ar fi dificil de obţinut prin laminare.

2.4. Calculul cuptoarelor electrice cu încălzire indirectă

Proiectarea cuptoarelor electrice cu rezistoare cuprinde următoarele etape: calculul termic şi construcţia zidăriei cuptorului; calculul electric al rezistoarelor cuptorului.

La calculul cuptoarelor electrice cu rezistoare se precizează următoarele date: materialul ce urmează a fi încălzit, forma încărcăturii, regimul tehnologic necesar (temperatura de încălzire, timpul de încălzire etc.), condiţii tehnologice speciale (de exemplu atmosferă de protecţie) şi productivitatea cuptorului.

Calculul electric al cuptoarelor electrice cu rezistoare se face în scopul dimensionării rezistoarelor astfel încât consumul specific de energie să fie minim.

Scopul calculului termic este de a determina consumul de căldură şi puterea cuptorului, necesare pentru realizarea regimului tehnologic impus.

Determinarea dimensiunilor şi alegerea materialelor de construcţie ale cuptorului se face urmărindu-se ca pierderile de căldură să fie cât mai reduse.

Pentru realizarea calculului termic, trebuie să se evalueze fluxul termic transmis prin pereţii cuptorului în perioada de încălzire, de menţinere la temperatură constantă şi respectiv de răcire a materialului procesat.

2.5. Reglarea temperaturii în cuptoarele electrice cu rezistoare

Controlul temperaturii în cuptoarele electrice cu rezistoare are o influenţă deosebită asupra calităţii produselor finale şi asupra consumurilor specifice de energie.

În funcţie de condiţiile specifice procesul tehnologic (în primul rând de variaţiile admise pentru temperatura din cuptor şi în materialul supus încălzirii) sunt folosite sisteme de reglaj cu acţiune intermitentă sau cu acţiune continuă.

2.5.1. Reglarea intermitentă a temperaturiiCel mai simplu şi mai utilizat sistem de reglare discretă a temperaturii este

„sistemul bipoziţional”, în care alimentarea cu energie electrică a elementelor încălzitoare este conectată şi deconectată succesiv.

Funcţionarea unui sistem bipoziţional de reglare a temperaturii este prezentată în fig. 2.13.

Informaţiile privind temperatura din cuptorul CR sunt transmise prin traductorul T (din interiorul cuptorului cu rezistoare CR) unui bloc de adaptare BA. În comparatorul C, o tensiune proporţională cu valoarea dorită a temperaturii (stabilită pe baza programului impus de procesul tehnologic şi controlată de blocul valorilor dorite BVD) este comparată cu o tensiune proporţională cu valoarea reală atemperaturii din cuptor, .

Dacă < , regulatorul poziţional RBP transmite comanda de „anclanşare”la blocul de reglaj BR (întreruptorul trifazat de conectare la sursa de alimentare), iar cuptorul absoarbe puterea P.

Dacă > , se transmite comanda de „deconectare” a întrerupătorului. Reglajul se face cu o zonă de insensibilitate (fig. 2.13.b), dată de

caracteristica regulatorului (pentru regulatoarele actuale 0,1…0,2 ºC ).

Pe durata procesului de încălzire, tensiunea la bornele cuptorului,

(tensiunea la bornele de alimentare).Dacă > , are loc deconectarea şi tensiunea creşte, datorită faptului că

pe circuitul de alimentare căderea de tensiune dată de curentul de sarcină devine nulă.

În consecinţă, consumatorii conectaţi pe aceleaşi bare cu cuptorul pot fi afectaţi de variaţiile tensiunii de alimentare determinate de funcţionarea regulatorului.Reglajul bipoziţional al temperaturii este specific încălzirii pieselor termic masive.

O piesă se consideră „masivă” dacă temperatura din centrul piesei diferă de temperatura pe suprafaţa sa exterioară. Pentru stabilirea „masivităţii termice” a unui material, se foloseşte Criteriul Biot:

, (2.43)

unde: - transmisivitatea termică complexă (prin radiaţie şi convecţie); - conductivitatea termică a materialului; - grosimea plăcii sau raza cilindrului (după caz).

Dacă > 0,5 piesa se consideră „masivă” din punct de vedere termic. În caz

contrar ( < 0,5) piesa se consideră „subţire” din punct de vedere termicLa piesele termic „masive”, datorită inerţiei termice, variaţiile de temperatură

din cuptor conduc la variaţii mult mai mici ale materialului încălzit.La încălzirea pieselor termic „subţiri” reglajul bipoziţional este utilizat numai

dacă variaţiile de temperatură din cuptor (care corespund şi variaţiilor de temperatură a materialului) sunt acceptate din punct de vedere al procesului tehnologic.

ABC

BR

T BA

uθr

RBP

uθd

C

iA

CR

F

3 230/400 V

uA BVD

u’A

a

0 t1 t

θ

θd

θ0

u, i, P P

0

P

uA = u’A iA Încălzire

Răcire

uA

t

c

P

P

0 d

bFig. 2.13 Sistemul bipoziţional de reglare a temperaturii.

BR – bloc de reglaj; RBP – regulator bipoziţional; C – comparator; BVD – bloc de reglare a valorilor dorite ale temperaturii; BA – bloc de adaptare; T – traductor termic; CR – cuptor cu rezistoare.

Regulatoarele tripoziţionale permit reducerea limitelor de variaţie ale temperaturii din cuptor prin utilizarea unei trepte intermediare de putere (în instalaţiile reale cele trei trepte de putere corespund la P = 0 (deconectare de la reţea), (pentru

conectarea în stea a elementelor încălzitoare) şi (pentru conectarea în triunghi a elementelor încălzitoare).

2.5.2. Reglarea continuă a temperaturiiSistemele de reglare continuă a temperaturii se utilizează la încălzirea unor

piese termic subţiri (benzi, folii), sau dacă se impune o variaţie redusă a temperaturii pieselor încălzite.

Reglarea continuă a temperaturii se poate realiza utilizând: transformatoare de alimentare cu prize, comutabile sub sarcină; autotransformatoare; variatoare de tensiune alternativă (VTA).

În fig. 2.14 se prezintă o soluţie modernă de reglare a temperaturii cu ajutorul variatoarelor de tensiune alternativă. Traductorul T măsoară temperatura din interiorul cuptorului CR şi prin intermediul blocului de adaptare BA transmite această informaţie la comparatorul C sub forma unei tensiuni (proporţională cu ).

se compară cu tensiunea care corespunde temperaturii dorite (rezultată din

necesităţile procesului tehnologic. Diferenţa ( - ) se transmite regulatorului de temperatură Rθ (tip P, PI sau PID). La ieşirea regulatorului Rθ se obţine semnalul pentru comanda blocului BC care asigură modificarea unghiului de intrare în conducţie a tiristoarelor din schema VTA.

Reglajul asimetric (fig. 2.14.b) deşi prezintă o schemă de comandă simplă, este limitat până la puteri de 10 kW (în construcţia trifazată a cuptorului) având în vedere spectrul important al armonicilor de curent electric şi deci costul ridicat al instalaţiilor de limitare a perturbaţiilor transmise în reţeaua electrică de alimentare. Acest sistem de reglare este însoţit de perturbaţii reduse ale reţelei electrice numai în zona unghiurilormici de reglaj (până la circa /12).

Pentru puteri instalate în cuptor peste 10 kW, se foloseşte reglajul simetric (fig. 2.14.c). Armonica fundamentală a curentului electric i1 este în fază cu tensiunea aplicată. În domeniul de reglaj al unghiului de intrare în conducţie până la 30 , armonicile de curent au un nivel relativ redus.

Pentru limitarea conţinutului de armonici al curentului electric absorbit se foloseşte reglajul cu durată variabilă a pulsurilor  PWM (Pulse Width Modulation), fig. 2.14.d. Valoarea efectivă a curentului electric este reglată prin modificarea duratei t în care tiristoarele din schemă sunt în conducţie. Componenta fundamentală i1 a curentului electric iA este în fază cu tensiunea aplicată uA iar armonicile superioare au o pondere redusă, practic independent de valoarea efectivă a curentului electric în circuit. Deşi mai scumpă decât schemele cu reglaj nesimetric şi simetric, schema de reglaj PWM are o pondere importantă în sistemele de reglare a temperaturii în cuptoarele electrice moderne.

ABC

VTA

T BA

uθr

Rθ

uθd

BC

iA

F

CR

3 230/400 V; 50 Hz

uA

Rh

u’A

θr

Fig. 2.14 a - reglajul continuu al temperaturii cuptorului electric cu rezistoare; b - reglajul asimetric; c - reglajul simetric; d - reglajul cu durată variabilă a pulsurilor.

VTA - variator de tensiune alternativă; BC – bloc de calcul; Rθ - regulator de temperatură; C - comparator; BA – bloc de adaptare; T – traductor termic; CR – cuptor cu rezistoare.

C

0 α π 2π 3π ω1t

uA

iA uA iA

iA1

(0, )

b

0 α πα 2π 3π ω1t

a

c

uA

iA uA iA

iA1

(0, /2)

ui

t

uA

iA

i1

t

d