2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

ciepła na drodze element grzejny - wsad (ośrodek odbierający ciepło), co pozwala inne
rodzaje ruchu ciepła pominąć przy określaniu charakterystyk urządzenia.

Zgodnie z rys. 2.47 wyróżnić można cztery kategorie urządzeń:

I - urządzenia z bezpośrednim przejmowaniem ciepła przez wsad na drodze kondukcyjnej
(rys. 2.47a) lub za pośrednictwem kondukcyjnie nagrzewanego ośrodka pośredniczącego w
tej wymianie (rys. 2.47b). Są to urządzenia kondukcyjne.

Rys. 2.47. Układy grzejne najbardziej rozpowszechnionych urządzeń rezystancyjnych pośrednich bez

komorowych

89

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________

II - urządzenia z bezpośrednim przejmowaniem ciepła przez wsad płynny rys. 2.47c), za

pośrednictwem konwekcyjnie nagrzewanego płynu do wsadu o dowolnym stanie
skupienia (rys. 2.47d) lub ośrodka pośredniczącego w wymianie, z którego przepływa
ono do wsadu w dowolny sposób (rys. 2.47e). Wsad może znajdować się w
jakimkolwiek stanie skupienia i nie jest istotny sposób rozprzestrzeniania się ciepła w
nim samym ani też w ośrodku pośredniczącym. Jest to zasada urządzeń konwekcyjnych.

III - urządzenia z bezpośrednim przekazywaniem ciepła do wsadu płynnego równolegle na

drodze konwekcji i radiacji (rys. 2.47f) lub za pośrednictwem konwekcyjnie
nagrzewanego płynu przy udziale radiacji do wsadu (rys. 2.47g), względnie ośrodka
pośredniczącego w wymianie, z którego przepływa ono do wsadu w dowolny sposób
(rys. 2.47h). Wsad może mieć przy tym dowolny stan skupienia i nie ma znaczenia
sposób wymiany ciepła w nim samym ani w ośrodku pośredniczącym w wymianie. Przy
oddawaniu ciepła wprost do nagrzewanego płynu musi on absorbować promieniowanie.
Udział radiacji w wymianie ciepła wymaga bezpośredniego „kontaktu optycznego"
między elementami grzejnymi a odbiornikiem. Są to urządzenia konwekcyjno-
radiacyjne.

IV - urządzenia akumulacyjne - wykorzystywane głównie w ogrzewnictwie (rys. 2.47i).

2.3.3.2. Urządzenia kondukcyjne

Do kategorii tej zaliczyć należy urządzenia, których członami grzejnymi są nagrzewnice
kondukcyjne oraz wiele odmian ogrzewaczy, narzędzi i przyrządów grzejnych opartych na
analogicznej zasadzie działania (zgodnie z przyjętą klasyfikacją - kategoria 1 - rys. 2.47a oraz
b). Zarówno nagrzewnice jak i urządzenia oraz przyrządy grzejne wyposaża się w elementy
grzejne patronowe, rurkowe, kable grzejne, elementy grzejne powierzchniowe.

W celu ograniczenia strat cieplnych stosowana jest izolacja cieplna elementów

grzejnych, drogi przepływu ciepła (toru cieplnego), wsadu. Często izolacja elementów
grzejnych jest jednocześnie izolacją wsadu. W użyciu są rozwiązania bez izolacji cieplnej.

Układy elektryczne wyposaża się z reguły w regulatory bądź ograniczniki

temperatury. Regulacja temperatury rozwiązywana bywa przez stosowanie rezystorów
grzejnych o silnie nieliniowych charakterystykach temperaturowych.

Urządzenia kondukcyjne należą do najbardziej rozpowszechnionych i zróżnicowanych

wśród omawianych czterech kategorii urządzeń pośrednich bezkomorowych. Ich rozwiązania
oraz zastosowania są zindywidualizowane w stopniu wykluczającym uogólnienia ich
charakterystyk. Z tego względu podany dalej przegląd dotyczy przykładów możliwości jakie
stwarza ten rodzaj urządzeń. Wyodrębnia się przy tym siedem grup zastosowań.

90

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Rys. 2.48. Przykłady zastosowań urządzeń kondukcyjnych

Pierwsza grupa zastosowań to nagrzewanie elementów maszyn, a w szczególności

wytłaczarek, wtryskarek, pras (rys. 2.48a), walców do obróbki tworzyw sztucznych i gumy,
wałków osuszających w maszynach ofsetowych, papierniczych i tekstylnych.

Ciepło jest w tych przypadkach najczęściej przekazywane elementom metalowym, w

związku z tym człony te wyposaża się w elementy grzejne izolowane

91

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________

elektrycznie, a więc rurkowe. Zwykle umieszcza się je w nawierconych kanałach
rozmieszczonych w obszarze nagrzewanym w sposób zapewniający wymaganą
równomierność temperatury. Nagrzewnica w tej grupie zastosowań może spełniać dwojaką
rolę, a mianowicie: zapewniać nagrzewanie wyłącznie określonego elementu bądź obszaru
maszyny lub dostarczać energię cieplną także do obrabianego wsadu, np. tworzywa
sztucznego. W pierwszym przypadku wsad nagrzewany jest przy użyciu innego urządzenia
zaś nagrzewnica ma na celu jedynie kompensację strat cieplnych.

Druga grupa zastosowań, wymagająca znacznie bardziej równomiernego rozkładu

temperatury, wiąże się z nagrzewaniem lub ogrzewaniem dużych powierzchni, zarówno
metalowych, jak i niemetalowych. Przykładami są: ogrzewanie płyt traserskich, stołów
montażowych, sortowniczych i operacyjnych, elementów kopiarek. Stosuje się w tym
przypadku elementy grzejne powierzchniowe o geometrii ściśle dostosowanej do
nagrzewanego obiektu.

Trzecia kategoria wiąże się z zapobieganiem oblodzeniu. Należy tu wymienić

ogrzewanie wybranych fragmentów ciągów komunikacyjnych np. wlotów do tuneli, ważnych
skrzyżowań, mostów, schodów, zwrotnic kolejowych, pochylni wjazdowych, pasów
startowych lotnisk, anten radarowych, szyb samochodowych, śmigieł samolotowych. Do
ogrzewania ciągów komunikacyjnych stosuje się kable grzejne umieszczone kilka cm pod
powierzchnią jezdni, chodnika, schodów, w odstępach rzędu kilkunastu cm (rys. 2.48b). W
polskich warunkach klimatycznych niezbędna jest do tego celu moc jednostkowa rzędu 250
W/m

2

. W użyciu są instalacje o mocach jednostkowych około 2 MW [100]. Skuteczne

zapobieganie oblodzeniu rynien i spustów dachowych wymaga zainstalowania 50 W/m
długości rynny (spustu). Rysunek 2.48c przedstawia jedno z możliwych rozwiązań tego
rodzaju układu grzejnego.

Czwarta grupa zastosowań obejmuje ogrzewanie fundamentów chłodni, fundamentów

wielkich zbiorników przeznaczonych do gromadzenia ciekłych gazów (etylenu, metanu,
butanu, propanu i in.), nagrzewanie powierzchni zbiorników w celu utrzymania ich
zawartości w stanie ciekłym. Do tego celu stosuje się kable grzejne, które w przypadku
nagrzewania fundamentów są w nich zabetonowane, a przy nagrzewaniu zbiorników
mocowane do nich obejmami i izolowane cieplnie (rys. 2.48d).

Kolejna - piąta grupa zastosowań - dotyczy nagrzewania rurociągów do transportu

ropy, olejów napędowych na duże odległości, a także do transportu technologicznego w
przemyśle rafineryjnym, wydobywczym, spożywczym i chemicznym i in. [268]. Obejmuje
ona ponadto nagrzewanie zaworów i innych elementów wyposażenia rurociągów, a m.in.
armatury pomocniczej i regulacyjnej. Rysunek 2.48e przedstawia jedno z możliwych
rozwiązań układu grzejnego rurociągu. Rysunek 2.49 ilustruje zapotrzebowanie na moc
grzejną na jednostkę długości rurociągu p

l

izolowanego wełną mineralną lub watą szklaną o

grubości

δ w funkcji zewnętrznej średnicy rurociągu D. Moc ta zapewnia przyrost

temperatury o 20 K ponad temperaturę otoczenia, przy prędkości wiatru 3

÷5 m/s.

Szósta grupa obejmuje zastosowania w ogrzewnictwie pomieszczeń zamkniętych i

obszarów otwartych. Ogrzewanie pomieszczeń zamkniętych realizowane

92

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Rys. 2.49. Charakterystyki ogrzewaczy rurociągu izolowanego cieplnie

jest przy użyciu tzw. ogrzewaczy wnętrzowych. Jeśli powierzchnie grzejne są duże, a bywają
nimi całe podłogi lub sufity, wówczas ich temperatura jest niska, a ogrzewanie pomieszczenia
odbywa się z przewagą konwekcji. Gdy ogrzewacz ma małe powierzchnie grzejne, ich
temperatura w celu dostarczenia wymaganej energii musi być wyższa, a ogrzewanie ma
charakter konwekcyjno-radiacyjny.

Ogrzewacze wnętrzowe wielkopowierzchniowe (sufitowe, podłogowe, ścienne)

wykonywane są na bazie kabli i elementów grzejnych powierzchniowych z rezystorami
metalowymi i niemetalowymi (rys. 2.48f) [31], [299]. Przy tzw. ogrzewaniu bezpośrednim, a
więc nie akumulacyjnym, moc jednostkowa zainstalowana w układzie grzejnym jest rzędu
120 W/m

2

. Powierzchnia grzejna osiąga przy tym stan cieplnie ustalony po 10 minutach od

chwili rozpoczęcia ogrzewania. Temperatura kabla grzejnego jest rzędu 70°C [31].

Ogrzewacze wnętrzowe o małej powierzchni grzejnej wykonuje się w kształcie

prostopadłościanów, listew grzejnych, umieszczanych wzdłuż dolnych krawędzi ścian, a
także tafli grzejnych zawieszanych na ścianach. Wyposaża się je w elementy z rezystorami
skrętkowymi lub taśmowymi [149].

Ogrzewacze wielkopowierzchniowe z kablami grzejnymi stosuje się także do

ogrzewania boisk sportowych, inspektów. Moc niezbędna do ogrzewania płyty typowego
boiska piłkarskiego w polskich warunkach klimatycznych jest rzędu 500 kW. Pozwala ona na
utrzymanie płyty boiska w stanie zdatnym do użytku praktycznie w ciągu całego roku.

Siódma grupa zastosowań wiąże się z przyrządami i narzędziami grzejnymi, zwłaszcza

powszechnego użytku. Chodzi tu w szczególności o elektryczne kuchenki, kuchnie, pledy,
poduszki, lutownice, żelazka, prasownice.

93

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

2.3.3.3. Urządzenia konwekcyjne

Zasady ich działania ilustrują rys. 2.47c, d, e (kategoria 2). Wyodrębnić spośród nich można
dwie podgrupy: ze swobodnym i wymuszonym przepływem płynu. Czynnikami
odbierającymi ciepło z elementów grzejnych są zazwyczaj powietrze, woda oraz roztwory
wodne. Urządzenia konwekcyjne ze swobodnym przepływem płynu stosowane są głównie w
charakterze ogrzewaczy pomieszczeń zamkniętych oraz przyrządów grzejnych
przeznaczonych do nagrzewania cieczy. Do tego celu używa się prawie wyłącznie elementów
grzejnych metalowych w postaci skrętek, taśm grzejnych, elementów rurkowych.
Urządzenia z wymuszonym sztucznie przepływem płynu przy użyciu wentylatorów i pomp
wykorzystywane są w charakterze ogrzewaczy lub nagrzewnic, także o bardzo dużej mocy
sięgającej kilku MW [84]. Zarówno ogrzewacze jak i nagrzewnice Wyposaża się w elementy
grzejne rurkowe, które mogą być dodatkowo użebrowane w celu polepszenia odprowadzenia
ciepła. W nagrzewnicach lub ogrzewaczach mniejszych mocy używa się także elementów
spiralnych oraz kolczatkowych.

Rys. 2.50. Schemat urządzenia konwekcyjnego dużej mocy

Moc grzejna urządzenia dużej mocy z elementami rurkowymi (rys. 2.50)

η

t

t

c

V

P

k

p

p

0

−

=

(2.65)

przy czym: V

o

- natężenie przepływu objętościowe w m

3

/s odniesione do 0°C oraz ciśnienia

1013 hPa, c

p

- ciepło właściwe powietrza, t

p

- średnia temperatura dolotowa powietrza, t

k

-

średnia temperatura wylotowa powietrza,

η

- sprawność nagrzewnicy (> 0,9),

94

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

p

t

0

t

273

273

V

V

+

=

(2.66)

przy czym: V

t

- natężenie przepływu objętościowe w średniej temperaturze dolotowej

powietrza t

p

i ciśnieniu 1013 hPa, określone jako iloczyn szybkości dolotowej v

0

powietrza i

powierzchni przekroju poprzecznego kanału.

Rys. 2.51. Charakterystyki nagrzewnicy konwekcyjnej powietrza

Temperatura elementów grzejnych rurkowych jest funkcją ich średnicy, odstępów

między nimi, prędkości dolotowej powietrza i obciążenia powierzchniowego płaszcza [131].
Obciążenie powierzchniowe elementów rurkowych nieużebrowanych może dochodzić do 10
W/cm

2

, użebrowanych do 20 W/cm

2

. Trzeba się jednak liczyć z tym, że t

f

- t

k

=

∆

t (t

f

-

temperatura płaszcza) może dochodzić do kilkuset °C. Rysunek 2.51 przedstawia
przykładowe charakterystyki urządzenia, umożliwiające wyznaczenie maksymalnej wartości

∆

t. Jest ona największa dla ostatniego rzędu elementów grzejnych licząc od wlotu [87].

Znajomość

∆

t pozwala dobrać odpowiedni rodzaj elementów. Schemat układu elektrycznego

urządzenia do nagrzewania powietrza jest przedstawiony na rys. 2.52.

Urządzenia konwekcyjne do nagrzewania powietrza małej mocy używane są głównie

w obszarze gospodarki komunalno-bytowej i rzemiośle (powszechnego użytku). Stosuje się je
do ogrzewania pomieszczeń (ogrzewacze) oraz suszenia (nagrzewnice - suszarki).

95

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

Rys. 2.52. Schemat elektryczny urządzenia rezystancyjnego z nagrzewnicą powietrza

M - silnik napędowy dmuchawy, E

1

, E

2

- dwie grupy elementów grzejnych. W - przekaźnik

uruchamiany wymuszonym strumieniem powietrza w nagrzewnicy

2.3.3.4. Urządzenia konwekcyjno-radiacyjne

Zasada działania układów grzejnych tych urządzeń (3 kategoria) przedstawiona jest na rys.
2.47 f, g, h. Udział radiacji w wymianie ciepła sprawia, że nie zawsze zachodzi potrzeba jej
intensyfikacji przez wymuszenie przepływu płynu. Urządzenia te znalazły zastosowanie w
ogrzewnictwie oraz wszędzie tam gdzie nie jest możliwe nagrzewanie przez styk czyli
kondukcję. Stosuje się w nich elementy grzejne metalowe w różnych wykonaniach.

2.3.3.5. Urządzenia akumulacyjne

Zasadę działania urządzeń akumulacyjnych bezkomorowych przedstawia układ na rys. 2.47i.
Ich cechą jest duża akumulacyjność, dzięki czemu możliwe jest gromadzenie ciepła w wyniku
poboru energii elektrycznej z sieci głównie poza tzw. szczytem energetycznym i oddawanie
tego ciepła w okresie największego na nie zapotrzebowania. Energia cieplna oddawana jest
głównie przez konwekcję i radiację, przy zróżnicowanym udziale obu tych składników
strumienia cieplnego. Zróżnicowanie to zależy od konstrukcji urządzenia oraz warunków
eksploatacyjnych.

Urządzenia akumulacyjne stosowane są głównie w ogrzewnictwie, przy czym

budowane są one w dwóch wersjach: z tzw. rozładowaniem statycznym oraz z rozładowaniem
dynamicznym. Rozładowanie statyczne polega na swobodnym

96

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

oddawaniu ciepła przez konwekcję i radiację wyłącznie przez powierzchnię zewnętrzne.
Rozładowanie dynamiczne znamienne jest tym, że niezależnie od oddawania ciepła przez
powierzchnie zewnętrzne, jego odpływ jest intensyfikowany w wyniku wymuszenia ruchu
powietrza przez kanały znajdujące się w ośrodku akumulującym energię cieplną. Spotyka się
ogrzewacze akumulacyjne o cechach obu wymienionych rozwiązań (wyposażone w kanały
lecz wyłącznie ze swobodnym przepływem powietrza) ale są one budowane rzadko.

W ogrzewaczu z rozładowaniem statycznym (rys. 2.53a), akumulujący energię rdzeń

jest umieszczony w materiale termoizolacyjnym wypełniającym przestrzeń między nim i
obudową oddającą ciepło do otoczenia. Sterowanie odpływem ciepła nie jest w tym
przypadku możliwe i dlatego zakres racjonalnych zastosowań tego rodzaju ogrzewaczy jest
ograniczony. Dobrze spełniają one swoją rolę przy ogrzewaniu pomieszczeń
eksploatowanych np. jedynie przed południem (szkół itp.). Stosuje się je także tam gdzie
wymogi dotyczące temperatury pomieszczenia nie są zbyt wygórowane (korytarze,
przedpokoje, magazyny). W okresach najchłodniejszych najniższe

Rys. 2.53. Ogrzewacze akumulacyjne: a) z rozładowaniem statycznym; b) z rozładowaniem dynamicznym; c)

zastawka w dynamicznym kanale obejściowym

1 - izolacja cieplna, 2 - rdzeń akumulacyjny, 3 - element grzejny, 4 - wentylator, 5 - wlot powietrza
zimnego, 6 - powietrze zimne, 7 - powietrze ogrzane, 8 - wylot powietrza do pomieszczenia, 9 -
zastawka, 10 - spirala bimetalowa, 11 - popychacz zastawki

97

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________

temperatury występują między godziną 6.00 i 8.00. W tym też przedziale czasu ogrzewacze
te, których ładowanie kończy się zwykle o godz. 6.00, oddają do otoczenia największą moc
cieplną.

Ogrzewacze z rozładowaniem dynamicznym (rys. 2.53b) wyposażone są w układy

wentylatorowe, umożliwiające bardzo efektywną regulację odpływu ciepła do ogrzewanego
pomieszczenia. Zimne powietrze zasysane przez wentylator kierowane jest ku górze i
rozdziela się na dwa strumienie. Część tego powietrza przepływa przez rdzeń akumulacyjny i
kierowana jest do wylotu. Temperatura powietrza wylotowego może osiągać stosunkowo
wysokie wartości. Z tego względu jest ono mieszane z drugą częścią strumienia, który
kierowany jest bezpośrednio z wlotu do wylotu. Dzięki temu temperatura powietrza
opuszczającego wlot jest w odstępie od niego większym niż 10 cm nie wyższa od 90°C. Tego
rodzaju rozwiązanie nosi miano układu ze statycznym kanałem obejściowym. Znacznie
bardziej rozpowszechnione są rozwiązania z dynamicznym kanałem obejściowym (rys.
2.53c). Umożliwiają one utrzymywanie stałej temperatury powietrza wylotowego w długim
przedziale czasu. Odbywa się to dzięki sterowanej przez spiralę bimetalową zastawce.
Stosując układ regulacji temperatury z czujnikiem umieszczonym w ogrzewanym
pomieszczeniu, można - przez zmianę obrotów wentylatora lub jego okresowe włączanie -
utrzymywać temperaturę na zadanym poziomie.

Rdzenie akumulacyjne przedstawionych ogrzewaczy wykonuje się przede wszystkim

z magnezytu zawierającego od 50 do 95% MgO. Uzupełniającym składnikiem są Fe

2

O

3

i

Al

2

O

3

. Akumulacyjność tego rodzaju materiału w temperaturze 400°C równa jest około 0,93

W · h/dm

3

· K). Oprócz magnezytu stosowany bywa oliwin, żużel wielkopiecowy oraz beton

żaroodporny. Temperatura rdzenia osiąga średnią wartość 620°C i raczej nie należy jej
przekraczać z uwagi na trudność doboru właściwego materiału termoizolacyjnego [149].
Poprawna konstrukcja rdzenia powinna gwarantować równomierność jego nagrzania. Ze
względu na stosunkowo dużą

λ, magnezyt ułatwia spełnienie tego warunku.

Rdzenie przeważnie izolowane są wełną mineralną o grubości 50

÷100 mm. Przy

równej objętości materiału akumulacyjnego i termoizolacyjnego, w tym drugim gromadzi się
tylko 2,5% całkowitej ilości ciepła. W nowoczesnych małogabarytowych ogrzewaczach jako
izolacji cieplnej używa się także płyt z włókien mineralnych, co pozwala zmniejszyć grubość
izolacji do 20 mm zaś grubość całego ogrzewacza do 25 cm, a nawet 17 cm [149].
Maksymalne temperatury powierzchni ogrzewaczy określają przepisy, przy czym na ogół
wymaga się by temperatura ściany przedniej nie przekraczała 70°C, bocznych i tylnej - 60°C,
górnej 45°C.

Źródłem ciepła są elementy z rezystorami spiralnymi umieszczonymi w kanałach

cylindrycznych kształtek wielokanałowych, elementy grzejne rurkowe, a także rezystory
grzejne wtopione w rdzenie akumulacyjne.

Znamionową pojemność ogrzewacza określa iloczyn E

n

= P

n

τ

n

, przy czym: P

n

- moc

znamionowa ogrzewcza,

τ

n

- znamionowy czas ładowania. Rysunek 2.54 przedstawia

charakterystyki mocy pobieranej i oddawanej przez ogrzewacz akumula-

98

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Rys. 2.54. Charakterystyki mocy ogrzewacza A - energia pobrana przez ogrzewacz, B - energia oddana przez

ogrzewacz w wyniku działania układu wentylatorowego, C - energia oddana przez ogrzewacz w
wyniku swobodnego odpływu ciepła przez konwekcję i radiację z jego powierzchni zewnętrznych

cyjny z rozładowaniem dynamicznym. Z ich przebiegu wynika, że moc oddawana przez
powierzchnie zewnętrzne ogrzewacza P

hs

zmienia się w ciągu doby, osiągając wartość

maksymalną tuż po zakończeniu ładowania, natomiast średnia moc P

hd

oddawana w wyniku

działania układu wentylatorowego może być utrzymywana na stałym poziomie przez
wymagany okres czasu

τ

h

. Po zakończeniu rozładowania dynamicznego ogrzewacz nadal

zachowuje pewną ilość energii cieplnej, którą częściowo oddaje do otoczenia przez
powierzchnie zewnętrzne w czasie

τ

r

. Właściwości ogrzewaczy z rozładowaniem

dynamicznym charakteryzowane są tzw. krzywą mocy grzejnych (rys. 2.55). Charakterystyka
ta (krzywa a), będąca

Rys. 2.55. Charakterystyki mocy grzejnej ogrzewacza z rozładowaniem dynamicznym

99

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

zbiorem punktów K, określa zależność średnich mocy oddawanych przez ogrzewacz
(utrzymywanych przez układ regulacyjny na poziomach gwarantujących stabilizację
temperatur ogrzewanych pomieszczeń) od czasów rozładowania do takich wartości energii,
przy których dalsze utrzymywanie mocy na tych samych poziomach nie jest już możliwe,
nawet przy stale włączonym wentylatorze. Moce rozładowania maleją wtedy poniżej
niezbędnych wartości P

h

(odcinki opadające charakterystyk 1 - 4). Krzywe mocy grzejnych

wyznacza się kalorymetrycznie. Na ich podstawie określa się przydatność ogrzewaczy do
konkretnych zadań.

Istotne informacje o ogrzewaczach zawierają także charakterystyki akumulacyjne (rys.

2.56). Określają one zależność energii zakumulowanej w ogrzewaczu w funkcji czasu. Należy
przy tym rozróżnić tzw. pierwsze ładowanie od stanu zimnego (krzywa AB), oraz cykle
robocze określone krzywymi BC (rozładowanie) oraz CD (ładowanie). Maksymalna energia
jaką można zakumulować w ogrzewaczu

(2.67)

in

s

max

i

E

E

E

+

=

jest mniejsza od energii

(2.68)

n

s

max

E

E

E

+

=

jaką można byłoby zgromadzić w ogrzewaczu gdyby pewnej jej części nie oddawał on do
otoczenia w trakcie ładowania.

Rys. 2.56. Charakterystyki akumulacyjne ogrzewacza z rozładowaniem dynamicznym, wg [149]: a) energii

doprowadzonej; b) energii zakumulowanej w czasie rozgrzewu; c) energii rozładowania
dynamicznego; d) energii rozładowania statycznego

τ

max

- maksymalny czas ładowania (pierwsze ładowanie od stanu zimnego).

τ

h

- czas rozładowania

dynamicznego.

τ

r

- czas rozładowania statycznego, τ

n

- czas ładowania znamionowy, E

in

- energia

zakumulowana znamionowa, E

imax

- energia zakumulowana maksymalna, E

s

- energia

zakumulowana po rozładowaniu (poziom odniesienia), E

n

- pojemność cieplna znamionowa

ogrzewacza, E

max

- pojemność cieplna maksymalna ogrzewacza

100

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Ogrzewacze z rozładowaniem dynamicznym powinny być tak konstruowane, by tzw.

wskaźnik ładowania

h

h

n

τ

P

E

a

=

(2.69)

zawierał się w przedziale, którego wartości graniczne zależne są od czasu rozładowania
dynamicznego

τ

h

. Tak np. dla

τ

h

= 15 h, 1,2

≤ a ≤ 1,45 [149].

Oprócz ogrzewaczy akumulacyjnych instalowanych bezpośrednio w ogrzewanych

pomieszczeniach, budowane są też ogrzewacze akumulacyjne centralne, zlokalizowane np. w
piwnicach i dostarczające ciepło do wielu punktów odbioru [31], [149]. Współdziałają one
niekiedy z układami ogrzewania elektrycznego bezpośredniego tzn. nieakumulacyjnymi, co
ma miejsce w okresach bardzo dużego zapotrzebowania na ciepło.

Oprócz wymienionych czterech kategorii urządzeń spotyka się takie, w których

przepływ ciepła ma charakter złożony, a więc są to urządzenia łączące cechy poprzednio
omówionych.

Zasady projektowania urządzeń rezystancyjnych pośrednich są tak samo zróżnicowane

jak ich budowa i zastosowanie. Trudno podać na ten temat ogólne zasady. Niezbędna jest do
tego znajomość podstawowych zasad teromokinetyki oraz regulacji temperatury urządzeń
elektrotermicznych, których opanowanie jest konieczne do zrozumienia wielu elementów z
zakresu podstaw elektrotermii [131], [213].

2.3.4. Urządzenia rezystancyjne pośrednie komorowe

2.3.4.1. Charakterystyka ogólna

Są to urządzenia o podstawowych członach wyposażonych w elementy grzejne, z których
ciepło zgodnie z prawami termokinetyki jest przekazywane do wsadu umieszczonego w
komorze.

Będąca w użyciu klasyfikacja tych urządzeń opiera się na kryterium kinetyki wsadu, a

więc wyróżnia się urządzenia nieprzelotowe i przelotowe. Jak widać brak jest spójności w
generalnym podziale urządzeń rezystancyjnych pośrednich bezkomorowych i komorowych,
ponieważ ich klasyfikacje oparte są na odmiennych kryteriach. Rysunek 2.57 przedstawia
schematy podstawowych członów niektórych urządzeń pośrednich komorowych
nieprzelotowych zaś rys. 2.58 - przelotowych. Ilustrują one wielką różnorodność tych
urządzeń, a równocześnie pozwalają dostrzec odrębność obydwu podstawowych kategorii
pieców [13]. W skład urządzenia rezystancyjnego pośredniego komorowego - w zależności
od jego kategorii i rodzaju - wchodzi człon grzejny a więc np. piec, wanna, kocioł, warnik,
parnik, suszarka, cieplarka,

101

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

Rys. 2.57. Schematy bardziej rozpowszechnionych pieców rezystancyjnych pośrednich nieprzelotowych: a)

komorowy; b) wgłębny; c) tyglowy; d) wannowy; e) kołpakowy; f) elewatorowy, g) wysuwny; h)
komorowy z wymuszonym ruchem powietrza; i) warnik

W - wsad

prodiż. Ponadto wchodzić mogą: mechanizmy załadunku i rozładunku wsadu, transportu
wsadu, wymuszania ruchu atmosfery piecowej (wentylatory), chłodzenia, mycia i osuszania,
wytwarzania i dostarczania atmosfery piecowej, układy pomiarowo-regulacyjne. Praktycznie
zawsze w skład wyposażenia wchodzą układy do pomiaru i regulacji temperatury.

Człon grzejny ma komorę, która najczęściej jest całkowicie lub częściowo izolowana

od otoczenia, ale nie jest to regułą. Kształt komory bywa rozmaity i stanowi podstawę
klasyfikacji szczegółowej, np. pieców. Najbardziej rozpowszechnione są komory o kształcie
prostopadłościennym i cylindrycznym.

Przestrzenią użytkową komory grzejnej jest ta jej część, która jest przeznaczona do

umieszczenia wsadu i w której gwarantowana jest możliwość wytworzenia warunków
wymaganych przez określony proces technologiczny.

102

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Rys. 2.58. Schematy bardziej rozpowszechnionych pieców rezystancyjnych pośrednich przelotowych: a)

taśmowy; b) rolkowy; c) przepychowy; d) wózkowy (przetokowy); e) przenośnikowy; f)
przewłokowy; g) ślimakowy; h) wstrząsowy; i) okrężny z pionową komorą

W - wsad, s - ruch szybki, p - ruch wolny

Rezystory grzejne umieszcza się jak najbliżej przestrzeni użytkowej lub zanurza się w

ośrodku ciekłym stanowiącym wsad. Niekiedy rezygnuje się z tego warunku w celu uzyskania
pożądanego rozkładu temperatury w przestrzeni użytkowej, łatwiejszego mocowania
elementu grzejnego lub konieczności ochrony rezystora grzejnego przed oddziaływaniem
atmosfer piecowych. Jeśli pożądany jest równomierny rozkład temperatury w przestrzeni
użytkowej pieca, to łatwiej go uzyskać przy rozmieszczeniu elementów grzejnych na
wszystkich ścianach komory. Jest to szczególnie istotne w piecach z przewagą radiacyjnego
sposobu przekazywania ciepła do wsadu. Takie rozwiązanie nie zawsze daje się zrealizować
np. z uwagi na trudność posadowienia wsadu w piecu, konieczność zapewnienia dostępu do
komory grzejnej lub ze względu na przyjęty system transportowy (np. w piecach
przelotowych). Decyduje to w dużym stopniu o ograniczeniu mocy pieca od góry. W
konsekwencji czasy rozgrzewu pieca
mogą być nadmiernie długie. Wykorzystanie wszystkich ścian komory w celu umieszczenia
na nich elementów grzejnych ma jeszcze tę zaletę, że ich nadtemperatura w stosunku do
temperatury znamionowej pieca, czyli maksymalnej do jakiej nagrzewa się wsad, nie musi
być zbyt wielka.

Realizowane procesy technologiczne wymagają niekiedy nagrzewania wsadu według

określonych charakterystyk temperaturowych t = f(

τ). W urządzeniach nieprzelo-

103

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

towych wymaga to programowej regulacji temperatury przez zmianę mocy grzejnej. W
urządzeniach przelotowych ten sam efekt uzyskuje się przez ustalenie określonego rozkładu
temperatury wzdłuż komory i przesuwanie wsadu ze stałą prędkością przez komorę. W takim
przypadku grupuje się elementy grzejne w oddzielnie zasilane i regulowane sekcje.

Izolacja cieplna ma zazwyczaj strukturę wielowarstwową, a poszczególne warstwy są

wykonane z materiałów ogniotrwałych i termoizolacyjnych.
Materiały ogniotrwałe powinna znamionować odporność na utlenianie, topienie i deformację
w wysokich temperaturach, mała rozszerzalność, odporność na gwałtowne zmiany
temperatury czyli tzw. szoki termiczne, odporność na chemiczne oddziaływanie atmosfer
technologicznych. Ponadto wymaga się, by materiały te cechowały: jak najmniejsza wartość
przewodności cieplnej właściwej, akumulacyjności, konduktywności w całym przedziale
temperatur roboczych, niska cena. Nie powinny one ponadto niekorzystnie oddziaływać na
elementy grzejne.

Materiały ogniotrwałe używane są do budowy komór w postaci monolitycznej z

betonów lub mas ubijanych lub w postaci kształtek o zunifikowanej geometrii i wymiarach.
Tablica 2.11 zawiera zestawienie wybranych własności przykładowych materiałów
ogniotrwałych.

Materiały termoizolacyjne powinny odznaczać się przede wszystkim małą wartością

przewodności cieplnej właściwej i akumulacyjności. Muszą one mieć dostatecznie dużą
ogniotrwałość w temperaturach roboczych i być tanie. Wykonuje się z nich kształtki, maty,
płyty, bloki, zasypki, waty, wełny itp. W tablicy 2.12 podano przykłady takich materiałów.

W strukturach wielowarstwowych z materiałów ogniotrwałych wykonuje się nie tylko

warstwy wewnętrzne ścian izolacyjnych, lecz także wsporniki elementów grzejnych. Często
warstwa wewnętrzna jest wykonywana z kształtek przystosowanych do umieszczenia w niej
elementów grzejnych (rys. 2.32). W takim przypadku warstwy zewnętrzne wykonuje się z
materiałów termoizolacyjnych. Struktury jednowarstwowe stosowano do niedawna prawie
wyłącznie w urządzeniach niskotemperaturowych. Obecnie przy użyciu lekkich materiałów
termoizolacyjnych na bazie włókien mineralnych, odpornych na temperatury sięgające
1800°C, można wykonywać

ściany urządzeń rezystancyjnych średnio- i

wysokotemperaturowych także jako jednowarstwowe. Elementy grzejne są wówczas
mocowane na wieszakach lub wprasowane w utwardzony materiał termoizolacyjny (rys.
2.33), [96], [102], [211]. Oczywiście z włókien mineralnych wykonuje się także struktury
wielowarstwowe, ponieważ są one tańsze, zwłaszcza w obszarze wyższych temperatur. Z
materiałów tych formuje się kształtki, bloki, rury, płyty, a więc elementy o określonej
geometrii jak również używa się ich w postaci nieutwardzonej jako wełny mineralne.
Istniejące ograniczenia w stosowaniu tych materiałów wynikają z wytrzymałości
mechanicznej lub podatności na agresywne działania atmosfer technologicznych. Należy się
jednak liczyć z dalszym wypieraniem izolacji tradycyjnej przez izolację z włókien
ceramicznych zwłaszcza, że koszty inwestycyjne urządzeń z obu rodzajami izolacji są
porównywalne [190], [281], [285]. [305].

104

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Tablica 2.11. Podstawowe właściwości przykładowych materiałów ogniotrwałych używanych

do budowy urządzeń rezystancyjnych, wg [35], [89], [306], [308]

Nazwa
materiału

Skład

chemiczny

Gęstość

Maksy-

malna

temperatura

pracy

Ciepło

właściwe w

temp.1200

0

C

Przewodność

cieplna

właściwa

Współczynnik

rozszerzalności

w przedziale

temperatur

20÷1200

0

C

Rezystywność

w temperaturze

1200

0

C

-

w % masy

kg/dm

3 0

C kJ/kg·K

W/(m·K)

10

-6

/K 10

4

·Ω·cm

Szamot

15÷25 Al

2

O

3

75÷85 SiO

2

do

30÷45 Al

2

O

3

55÷70 SiO

2

1.7÷2.1 1400

1.05

1.24÷1.38 4.6÷7.6

0.12÷0.15

Karborund 90÷95

SiC

reszta: Al

2

O

3

,

SiO

3

2.2÷2.7 1500

1.05

9.28

(przy 90%

SiC)

4.5÷5.5 0.5

Chromo-

magnezyt

60 MgO; reszta:

Cr

2

O

3

, Fe

2

O

3

2.8÷3.2 1520

1.13

2.08

8.0

10

Silika 93÷96

SiO

2

1.7÷1.9 1650

1.13

1.86÷2.08 nieregularny

0.7

Silimanit

lub mulit

60÷72 Al

2

O

3

28÷40 SiO

2

2.2÷2.4 1650

1.00

1.24÷1.38

4.6

0.2

Korund 80÷99

Al

2

O

3

2.5÷3.2 1700

1.13

2.2

9.4

0.1

Magnezyt 80÷95

MgO

reszta: Fe

2

O

3

Al

2

O

3

i in.

2.6÷3.1 1700

1.21

3.05÷4.44

14

20

Dwutlenek

cyrkonu

93 Zr

2

O

3

, 5CaO,

2HfO

2

5.9 2000

5.65

2.33

9.4

0.05

Dwutlenek

toru

ThO

2

9.7 2500

0.25

(przy 1000

0

C)

2.63

10.2

(przy 1700

0

C)

5·10

6

105

2.Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

Tablica 2.12. Podstawowe właściwości przykładowych materiałów termoizolacyj-

nych używanych do budowy urządzeń rezystancyjnych, wg [45],
[157], [262], [308]

Przewodność cieplna właściwa

λ

1

(t

1

),

λ

2

( t

2

)

Nazwa materiału

Gęstość

Maksy-

malna

temp.
pracy

t

1

λ

1

t

2

λ

2

- kg/dm

3

°C

°C

W/(m·K)

°C

W/(m·K)

Azbestocement I

0.300

450

20

0.087

450

0.167

Azbestocement II

0.500

450

20

0.101

450

0.151

Wata szklana

0.200

450

20

0.042

450

0.152

Karton azbestowy

1.00÷1.40

450

20

0.133

450

0.243

Szkło piankowe

0.15÷0.25

600

20

0.116

-

-

Wyroby perlitowe

0.450

800

-

-

600

0.174

Kształtki diatomitowe

0.650

900

20

0.176

900

0.381

Proszek diatomitowy

0.500

900

20

0.105

900

0.381

Termalit 0.450

1000

0

0.070

1000

0.270

B 2400

1)

0.128

1260

315

0.058

870

0.188

Pianoszamot 0.950

1350

20

0.284

1350

0.593

Wyroby z włókien:

Chromitowych I

0.128

1500

200

0.058

1000

0.286

Chromitowych II

0.128

1500

200

0.072

1000

0.242

Chromitowych III

0.160

1600

200

0.070

1000

0.215

Bloki z włókien

SAFFIL (95% Al

2

O

3

,

5% SiO

2

)

2)

0.096

1600

0

0.047

1600

0.412

1) Produkt CSRF. 2) Produkt USA.
Uwaga: Na rynku włókien mineralnych dostępne są wyroby pod wieloma nazwami. Do bardziej znanych dla obszaru
temperatur

≤ 1260°C należą: fibrefrax, duraboord, cerafiber, cerablanket, cerafelt, kaowool (USA); kerlane 45

(Francja); isowool, kaowool boord, nherfrax (Japonia). Dla obszaru

≤1425°C: fibrefrax CH, duraboord 2600,

cerachrome, kaowool 2600 (USA); kerlane 60 (Francja); isowool 1400, kaowool 1400 boord (Japonia). Do wyższych
temperatur materiały tego rodzaju wytwarzane są w USA - zirconia boord typ ZYZ (

≤ 1650°C), typ ZYF, FBC i FBD

(

≤ 2200°C), sali (≤ 1700°C), w Japonii - fibermax (≤1800°C).

2.3.4.2. Urządzenia nieprzelotowe

W urządzeniu nieprzelotowym wsad w czasie nagrzewania zajmuje stałą przestrzeń w
komorze grzejnej. Wyróżnikami urządzeń rezystancyjnych pośrednich komorowych
nieprzelotowych są te ich cechy konstrukcyjne, które wynikają ze sposobu załadunku wsadu
do komory grzejnej (w przypadku urządzeń zawierających piece jako człony podstawowe),
lub które wynikają z przeznaczenia urządzenia (w pozostałych przypadkach). Jak z
powyższego wynika, kryteria klasyfikacyjne omawianych urządzeń są różne, aczkolwiek
sposób umieszczania wsadu w członie grzejnym w znacznym stopniu determinuje ich
przeznaczenie. Względy te oraz fakt, że wyposażenie wielu grup członów grzejnych jest
podobne i są one nie tylko najważniejszymi lecz niekiedy

106

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

jedynymi członami urządzenia, przemawiają za tym, by na nich skoncentrować uwagę w
dalszym ciągu niniejszego punktu.

Posługując się kryterium sposobu umieszczenia wsadu w komorze, zgodnie z polską

normą można wyróżnić 14 grup i jedną podgrupę pieców rezystancyjnych nieprzelotowych
pośrednich [258]. Są to piece: komorowe (podgrupa - wielokomorowe), muflowe, rurowe,
tyglowe, wgłębne, kołpakowe, elewatorowe, wieżowe

1

, wysuwne, przechylne, wahadłowe,

bębnowe i obrotowe. Są oczywiście konstrukcje, które z trudem dają się zakwalifikować do
wymienionych grup zwłaszcza gdy przeznaczone są do jednej ściśle określonej technologii i
przystosowane do lokalnych warunków pracy. Najbardziej uniwersalny charakter mają piece
komorowe i wgłębne i te z reguły budowane są w większych seriach.

Piece komorowe mają kształt prostopadłościenny z otworem wsadowym

przeznaczonym do ładowania i wyładowania wsadu, umieszczonym w ścianie przedniej.
Budowane są jako jedno- i wielokomorowe. Komory w piecach wielokomorowych
oddzielone są poziomymi lub pionowymi ścianami co sprawia, że piec ma układ komór
pionowy lub poziomy. Komory są zasilane niezależnie. Na ogół parametry konstrukcyjne i
eksploatacyjne komór są różne (np. różnego rodzaju elementy grzejne, różne temperatury
pracy). Każda z komór ma oddzielny otwór wsadowy zamykany drzwiami o napędzie
ręcznym lub mechanicznym. Elementy grzejne umieszcza się co najmniej na dwóch ścianach
lub w ich pobliżu (np. elementy rurowe). Spotyka się jednak rozwiązania z elementami
grzejnymi rozmieszczonymi na wszystkich ścianach i także we drzwiach. Piece o niższych
temperaturach znamionowych (< 700°C) są często wyposażone w wentylatory intensyfikujące
ruch atmosfery, co przyczynia się do zwiększenia szybkości nagrzewania i wyrównania pola
temperatury we wsadzie. Komora pieca jest izolowana cieplnie od otoczenia materiałami
ogniotrwałymi i termoizolacyjnymi bądź wyłącznie termoizolacyjnymi o strukturze jedno- lub
wielowarstwowej. Całość obudowana jest na ogół płaszczem metalowym, który musi być
szczelny o ile piec przeznaczony jest do pracy z atmosferami regulowanymi i ochronnymi.
Rysunek 2.59 przedstawia przykładowe rozwiązanie pieca komorowego średniotempe-
raturowego wyposażonego w elementy grzejne ze stopów ferrytycznych.

Wytwórca powinien gwarantować wytwarzanie w przestrzeni użytkowej warunków

umożliwiających realizację procesu technologicznego, w wyniku którego wsad uzyska
założone parametry. Rysunek 2.60 przedstawia zależność mocy znamionowej w funkcji
pojemności przestrzeni użytkowej dla sześciu kategorii pieców (I - VI) przeznaczonych do
pracy w różnych obszarach temperaturowych. Piece komorowe przeznaczone do wypalania
emalii (tzw. emalierskie) mają na ogół moc o 10% większą.

107

1

Piece wieżowe zgodnie z normą [258] definiowane są jako nieprzelotowe. Tę samą nazwę przypisuje się nie-

kiedy piecom przelotowym okrężnym [298]. Bierze się to stąd, że niektórzy autorzy piece o podłużnej komo-
rze wzniesionej ku górze, stosowane w przypadkach gdy ich podstawa powinna zajmować mało miejsca, gene-
ralnie nazywają wieżowymi [209].

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

Rys. 2.59. Piec rezystancyjny komorowy

1 - element grzejny średniotemperaturowy skrętkowy, 2 - płyta denna, 3 - materiał ogniotrwały, 4 -
materiał termoizolacyjny, 5 - końcówka elementu grzejnego, 6 - drzwi, 7 - osłona końcówek
elementów

Piece komorowe przeznaczone do innego rodzaju obróbek cieplnych, charakteryzujące się
mniejszą szybkością nagrzewania, mogą mieć moce o 25% mniejsze od przedstawionych
krzywą I [59].

Oprócz zwykłych pieców komorowych budowane są ich wersje z wanną i

przedsionkiem hartowniczym, przeznaczone do obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej

108

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Rys. 2.60. Zależności mocy znamionowej P

n

pieców rezystancyjnych od pojemności przestrzeni użytkowej V

u

,

wg [59]

Rys. 2.61. Piec rezystancyjny komorowy z wanną i przedsionkiem hartowniczym

1 - piec komorowy, 2 - przedsionek, 3 - wanna hartownicza, 4 - wentylator, 5 - transporter wsadu

w atmosferach regulowanych (rys. 2.61). Elementy grzejne i konstrukcyjne ścian muszą być
odporne na działania tych atmosfer. Często stosuje się w związku z tym elementy grzejne
rurowe z rezystorem chronionym gazoszczelną osłoną ceramiczną lub metalową, a także
rezystory pokryte ceramiczną warstwą gazoszczelną. Przedsionek hartowniczy wypełniony
jest - podobnie jak piec - atmosferą ochronną, która przy załadunku pieca oddziela komorę
roboczą od otoczenia, uniemożliwiając dostanie się do niej powietrza. Ponadto wsad przed
wprowadzeniem do komory jest przepłukiwany atmosferą. Po wyładunku z komory do
przedsionka wsad jest nadal chroniony przed utlenieniem, a następnie wprowadzany do
wanny hartowniczej. Może on być także powoli studzony w górnej części chłodzonego wodą
przedsionka. Moce znamionowe

109

2. Nagrzewanie rezystancyjne
__________________________________________________________________________

tych pieców oraz moce jałowe (moce strat w stanie cieplnie ustalonym) w funkcji pojemności
przestrzeni użytkowej przedstawia rys. 2.62 [114].

Piece muflowe znamienne są tym, że ciepło jest doprowadzane do komory od

zewnętrznej strony cienkich ścianek ogniotrwałych otaczających tę komorę i stanowiących
tzw. muflę (rys. 2.33a). Elementy grzejne są zaprasowane w materiale ceramicznym lub w
utwardzonej warstwie włókien mineralnych. Ściany mufli oddzielając ten element od komory,
chronią go przed uszkodzeniami mechanicznymi i częściowo przed wpływami chemicznymi.
Wadą tego rozwiązania jest znaczny

Rys. 2.62. Zależność mocy znamionowej P

n

oraz mocy jałowej P

o

pieców rezystancyjnych z wanną i

przedsionkiem od pojemności przestrzeni użytkowej V

u

, wg [114]

Rys. 2.63. Piec muflowy z elementem grzejnym w ściance ogniotrwałej, wg [228]

1 - element grzejny, 2 - izolacja cieplna, 3 - obudowa, 4 - płyta denna, 5 - przestrzeń na aparaturę
pomiarowo-kontrolną

110

2.3.Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

spadek temperatury na mufli sięgający 150

÷200°C. Piece muflowe mają z reguły komory w

kształcie prostopadłościennym i używane są jako piece laboratoryjne oraz warsztatowe
niezbyt dużej mocy. Ich odmianą są piece z elementami grzejnymi zaprasowanymi w
ścianach komory (rys. 2.330). Są to przeważnie piece nowej generacji z lekką izolacją z
włókien mineralnych (rys. 2.63). Do kategorii pieców muflowych zaliczyć należy także
cieplarki pozwalające na utrzymanie w komorze temperatur nie wyższych niż 80°C.

Piece rurowe swoją nazwę zawdzięczają cylindrycznemu kształtowi przestrzeni

roboczej. Na zewnątrz tej przestrzeni znajdują się elementy grzejne. Jeżeli są one wykonane z
materiałów rezystancyjnych średniotemperaturowych, to wraz z ceramiką elektroizolacyjną
tworzą rury grzejne. Same rezystory mogą być przy tym zaprasowane w warstwie
żaroodpornego materiału elektroizolacyjnego na zewnątrz rury ceramicznej (element grzejny
muflowy - rys. 2.64a) lub ukształtowane w sposób pozwalający bezpośrednio oddawać ciepło
do wnętrza przestrzeni użytkowej. W tym

Rys. 2.64. Piece rurowe, wg [315], [335]: a) ze skrętkowym metalowym rezystorem grzejnym umieszczonym na

zewnątrz rury ceramicznej; b) z rurowym karborundowym rezystorem grzejnym
1 - rura ceramiczna, 2 - rezystor grzejny, 3 - rura ogniotrwała, 4 i 5 - materiały termoizolacyjne, 6 -
elektroizolacyjne pierścienie dystansowe, 7 - obudowa, 8 - rura osłonowa czujnika termometrycznego

111

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

drugim przypadku poszczególne zwoje rezystora z drutu lub taśmy o dużym przekroju
odizolowane są od siebie kształtkami ceramicznymi tworząc rurę grzejną o przekroju
kołowym. Budowane są także piece z rezystorami rurowymi z C oraz SiC (rys. 2.64b).
Niekiedy, w celu zwiększenia ich rezystywności, są one w części roboczej nacinane spiralnie.
Jeśli to niezbędne ze względów technologicznych, konstrukcyjnych, a także bezpieczeństwa,
we wnętrzu rurowych elementów grzejnych umieszcza się dodatkowe rury ceramiczne lub
kwarcowe. O ile rury te nie są związane konstrukcyjnie z rezystorami grzejnymi zaś
wymagania dotyczące równomierności pola temperatury w przestrzeni roboczej niezbyt
wygórowane, elementy grzejne z SiC lub MoSi

2

można umieszczać na zewnątrz tych rur

równolegle do ich osi.

Przy wymaganej bardzo dużej równomierności temperatury w piecu (technologie

półprzewodnikowe), element grzejny dzieli się na trzy niezależnie regulowane strefy, przy
czym dwie skrajne o długości

L

k

w znacznym stopniu kompensują straty cieplne przez

powierzchnie czołowe pieca (rys. 2.64a). Długość części środkowej

L

g

> L

k

. Buduje się także

piece pięciostrefowe.

Piece tyglowe mają zewnętrzny kształt prostopadłościenny lub cylindryczny z

zamykanym otworem wsadowym umieszczonym w stropie. Tygle wykonywane są z grafitu,
węglika krzemu, żeliwa, stali i umieszczane w przestrzeni izolowanej cieplnie. Mają one
zawsze symetrię kołową, co podyktowane jest głównie względami wytrzymałościowymi.
Stosowane są dwojakiego rodzaju rozwiązania układu grzejnego: pośrednie i bezpośrednie.
Pierwsze polega na umieszczeniu źródeł ciepła na zewnątrz tygla (rys. 2.57c), przy czym
stosuje się elementy grzejne metalowe, z SiC, MoSi

2

. Drugie polega na bezpośrednim

nagrzewaniu tygla grafitowego (rys. 2.65). Piece

Rys. 2.65. Piec tyglowy z bezpośrednio nagrzewanym tyglem

1 - tygiel grafitowy, 2 - elektrody zasilające, 3 - doprowadzenia prądowe, 4 - termoizolacja

z bezpośrednim nagrzewaniem tygla są małej pojemności, z pośrednim - osiągają pojemności
kilku m

3

i moce kilkuset kW [156], [167]. Maksymalne temperatury pracy - 1200°C, przy

czym większość pieców eksploatuje się w obszarze temperatur nie przekraczających 500°C.
Są one przeznaczone do topienia i dlatego wyposaża się je w urządzenia umożliwiające
przechył oraz spust zawartości tygla.

Piece wannowe cechuje większe zróżnicowanie konstrukcyjne aniżeli tyglowe, przy

zbliżonym zakresie zastosowań. Budowane są piece z płaskimi wannami

112

2.3.Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Rys. 2.66. Piec wannowy z pływającymi elementami grzejnymi, wg [23], [24]: a) przekrój pieca; b) przekrój

elementu grzejnego
1 - elementy grzejne, 2 - elektrody grafitowe, 3 - doprowadzenia prądowe, 4 - przeciwelektroda, 5 -
wsad, 6 - izolacja cieplna, 7 - izolacja cieplna elementu grzejnego, 8 - uchylna pokrywa, 9 - obudowa,
10 - strugi prądowe w elemencie grzejnym, 11 - metal kontaktowy

z ceramicznych materiałów żaroodpornych i elementami grzejnymi umieszczonymi w stropie
(rys. 2.57d) lub w jego pobliżu. W pierwszym przypadku, stosuje się elementy grzejne
metalowe, w drugim - grafitowe lub SiC w postaci prętów oraz z MoSi

2

w kształcie litery U.

Inne rozwiązanie pieców wannowych polega na umieszczeniu elementów grzejnych
osłoniętych (rurkowych, rurowych) w topionym medium, którym może być sól lub metal.
Przy pracy w metalu elementy grzejne zalewane są żeliwem w celu wyeliminowania
niszczącej dyfuzji topionego wsadu w ich osłonę. Najnowszym rozwiązaniem jest piec
wannowy z elementami grzejnymi z azotkowanego SiC, pływającymi w nagrzewanej kąpieli
metalowej (rys. 2.66a) [23], [24]. W układach jednofazowych zasilanie realizowane jest przy
użyciu elektrod grafitowych umieszczonych w roztopionym wsadzie oraz w elementach
grzejnych mających kształt miski lub tygla wypełnionych także ciekłym metalem (rys. 2.66b).

Znane są już modyfikacje tej konstrukcji [109]. W tym oryginalnym polskim

rozwiązaniu konwersja energii w ciepło tylko w niewielkim stopniu zachodzi poza elementem
grzejnym, którego moc sięga 40 kW. Maksymalna moc elektryczna takiego pieca odniesiona
do 1 m

2

lustra kąpieli metalowej wynosi 160 kW/m

2

. Temperatura kąpieli: 400

÷1200°C.

Wymiary wewnętrzne wanny: długość do 30 m, głębokość do 3 m, szerokość do 5 m. Liczba
elementów grzejnych, zanurzonych na głębokość 25 cm (elementy grzejne w kształcie miski)
lub 85 cm (elementy w kształcie tygla), zależy od mocy pieca i w zrealizowanych jednostkach
sięga 18 sztuk [24]. Do kategorii pieców wannowych zaliczyć także należy wszelkiego
rodzaju kotły.

113

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________

Piece wgłębne należą do bardzo rozpowszechnionych. Najczęściej są kształtu

cylindrycznego z ładowaniem od góry. Swoją nazwę zawdzięczają sposobowi usytuowania
jednostek o dużych wysokościach (wgłębienie poniżej poziomu zerowego hali). Jeśli takie
rozwiązanie nie jest możliwe, do ich obsługi buduje się pomosty powyżej tego poziomu.
Elementy grzejne umieszcza się w ścianie bocznej lub w jej pobliżu. Wyjątkiem są niektóre
piece pracujące ze złożem fluidalnym mające elementy grzejne w dnie. Duże piece z
elementami umieszczonymi na ścianach bocznych miewają wyodrębnione oddzielnie
regulowane strefy grzejne.

Piece wgłębne mogą być wyposażone w żaroodporną muflę oddzielającą elementy

grzejne od wsadu, co pozwala na eliminację oddziaływania atmosfer piecowych lub złoża
fluidalnego na materiał rezystora (rys. 2.67). Nowsze rozwiązania pieców bez mufli
umożliwiają pracę także z atmosferami piecowymi, ponieważ elementy grzejne pokryte są
żaroodporną warstwą gazoszczelną lub oddzielone od komory ceramiką jak w piecu
muflowym. Coraz powszechniej w piecach wgłębnych stosuje się elementy grzejne
niskonapięciowe z rezystorem falistym z taśmy o bardzo dużej szerokości [114]. Maksymalna
temperatura pieców wgłębnych pracujących z ośrodkami gazowymi i elementami grzejnymi
metalowymi lub SiC sięga 1200°C.

Rys. 2.67. Odmiany konstrukcyjne pieców wgłębnych, wg [114]: a) z muflą wyjmowaną lub stalą i

uszczelnieniem gumowym; b) z muflą stałą i uszczelnieniem piaskowym; c) z elementami
grzejnymi umieszczonymi za warstwą ceramiki gazoszczelnej; d) z ekranem

1 - element grzejny, 2 - wsad, 3 - uszczelnienie, 4 - wentylator, 5 - mufla metalowa, 6 - izolacja

cieplna, 7 - ekran

114

2.3.Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Rys. 2.68. Przybliżone zależności mocy znamionowej P

n

oraz mocy jałowej P

o

od pojemności użytkowej pieców

wgłębnych V

u

dla dwóch obszarów temperatur znamionowych t

n

1 - P

n

dla pieców z muflą o t

n

> 750°C, 2 - P

n

dla pieców bez mufli o t

n

> 750°C,

3 - dla pieców z muflą o t

n

< 750°C, 4 - dla pieców bez mufli o t

n

< 750°C, 5 - P

o

dla pieców z gorszą

izolacją o t

n

> 750°C, 6 - P

n

dla pieców z lepszą izolacją o t

n

> 750°C, 7 - P

n

dla wszystkich rodzajów

pieców o t

n

< 750°C

Piece o temperaturach roboczych mniejszych od 750°C pracujących z powietrzem są

często wyposażone zamiast w muflę - w metalowe ekrany. Przy równoczesnym zastosowaniu
wymuszonego ruchu atmosfery uzyskuje się dużą równomierność pola temperatury, m.in.
dzięki eliminacji bezpośredniego promieniowania elementów na wsad, co ma szczególne
znaczenie w czasie rozgrzewu. Moce znamionowe i moce strat cieplnych pieców wgłębnych
przeznaczonych do obróbki cieplnej metali w ośrodkach gazowych (najbardziej
rozpowszechniona kategoria) ilustruje rys. 2.68.

Do pieców wgłębnych zalicza się także piece walcownicze przeznaczone do

wstępnego nagrzewania wsadu zgniataczy (wlewki o masie powyżej 2 Mg) do temperatury
sięgającej 1450°C. Ciepło wytwarzane jest przy przepływie prądu o dużym natężeniu przez
koksik naftowy umieszczony w rynnach karborundowych. Te specjalne konstrukcje o mocach
rzędu kilku MVA są rzadko spotykane [215].

Przy przyjęciu za kryterium wyróżniające konstrukcji komory grzejnej, do kategorii

pieców wgłębnych należy zaliczyć także piece fluidalne. Należą one do najnowszej generacji
pieców rezystancyjnych, stosowanych głównie w obszarze obróbki cieplnej metali. Piece
mają z reguły kształt cylindryczny o średnicach 100

÷1000 mm i głębokościach 300÷2000

mm. Znamienne są 2,5 do 5 razy intensywniejszym przekazywaniem ciepła do wsadu aniżeli
w piecach komorowych). Możliwe jest to dzięki wytworzeniu w przestrzeni roboczej tzw.
złoża fluidalnego czyli zawiesiny drobnych cząstek ciał stałych w przepływającym gazie.
Cząsteczki te to proszek karborundowy,

115

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

grafitowy, piasek. Gaz chemicznie obojętny lub czynny wprowadzany jest dnem pieca przez
ruszt porowaty z materiału żaroodpornego, co wymaga wyodrębnienia w komorze części
podrusztowej, do której doprowadzany jest gaz. Inne rozwiązania, zastosowane w polskich
konstrukcjach, polegają na wprowadzeniu do komory rusztu rurowego, do którego gaz
doprowadzony jest rurą od góry przez komorę pieca [270].

Złoże fluidalne, i za jego pośrednictwem wsad, nagrzewa się przy użyciu elementów

grzejnych umieszczonych tuż nad rusztem lub zlokalizowanych na bocznych ścianach pieca i
odgrodzonych szczelną retortą od przestrzeni roboczej. Znane są też rozwiązania
wykorzystujące bezpośredni przepływ prądu przez złoże, jeśli jest ono przewodzące
(karborund, grafit). Przy stosowaniu grafitu wymagana jest atmosfera ochronna. Stosuje się
także wstępne nagrzewanie atmosfery doprowadzanej do pieca z generatora atmosfery.

Temperatury robocze pieców fluidalnych obecnej generacji nie przekraczają 1100°C,

a moce kilkudziesięciu kW. Cechą szczególną pieca fluidalnego jest wielka równomierność
pola temperatury w przestrzeni użytkowej, a więc i we wsadzie. Piece mogą pracować z
dowolnymi atmosferami. Rysunek 2.69 przedstawia piec konstrukcji polskiej [270].

Rys. 2.69. Piec fluidalny z rusztem rurowym

1 - złoże fluidalne, 2 - elementy grzejne, 3 - mufla, 4 - izolacja cieplna, 5 - ruszt rurowy, 6 - rura
doprowadzająca gaz do rusztu, 7 - wlot gazu doprowadzanego do złoża, 8 - termoelement, 9 - wyciąg
z osadnikiem pyłu

116

2.3.Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________

Piece kołpakowe nazywane są także dzwonowymi. Składają się z jednego lub kilku

identycznych nieruchomych trzonów i z podnoszonego kołpaka (dzwonu), który tworzą
ściany boczne i sklepienie. Piece mają kształt cylindryczny bądź prostopadłościenny, z
elementami grzejnymi umieszczonymi w ścianach bocznych oraz w części centralnej - jeśli
piec przeznaczony jest do nagrzewania np. kręgów drutu lub taśmy (rys. 2.70). Ładowanie
pieców odbywa się przy użyciu dźwigów przez ustawienie wsadu na trzonie,

Rys. 2.70. Piec kołpakowy

1 - komora grzejna, 2 - trzon, 3 - mufla, żaroodporna, 4 - kołpak, 5 - centralny element grzejny, 6 -

zewnętrzne elementy grzejne w kołpaku, 7 - doprowadzenia prądowe do centralnego elementu
grzejnego, 8 - doprowadzenia prądowe do zewnętrznych elementów grzejnych, 9 - uszczelnienie
piaskowe mufli, 10 - uszczelnienie wodne kołpaka, 11 - doprowadzenie atmosfery ochronnej, 12 -
odprowadzenie atmosfery ochronnej, 13 - trzpień centrujący kołpak, 14 - uchwyt do podnoszenia
kołpaka

Zaczerpnięto z [215]

117

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________

a jeśli to celowe - przykrycie wsadu uszczelnioną względem trzonu metalową muflą oraz
kołpakiem. Nagrzewanie może więc być realizowane w dowolnej atmosferze, doprowadzanej
do przestrzeni użytkowej pod muflą. Równocześnie na drugim sąsiednim trzonie ustawiony
pod muflą wsad jest przygotowany do nagrzewania, które rozpoczyna się po zakończeniu
nagrzewania na pierwszym trzonie i przeniesieniu kołpaka na trzon drugi. Tym samym
przyśpiesza się stygnięcie wsadu na trzonie pierwszym (wsad jest przykryty tylko metalową
muflą i nadal pozostaje w wymaganej atmosferze), a równocześnie zmniejsza się straty
energii w wyniku oszczędzania znacznej części ciepła zakumulowanego w kołpaku. Dzięki
temu moc jałowa pieca może być ograniczona do 10

÷20% jego mocy znamionowej. Jest to

tym bardziej istotne, że piece przeznaczone są do nagrzewania wsadów o dużej masie, a i ich
moce sięgają kilkuset kilowatów. Niekiedy jeden kołpak obsługuje trzy trzony. Elementy
grzejne z rezystorami metalowymi umieszczone w kołpaku są zasilane przy użyciu giętkich
kabli.

Piece elewatorowe (rys. 2.57f) mają kształt prostopadłościenny i składają się z dwóch

zasadniczych części: nieruchomej komory umieszczonej 3

÷ 4 m na poziomem zerowym hali

i podnoszonego trzonu (spodu). Piec jest więc ładowany od dołu. Z reguły jedna komora
przeznaczona jest do współpracy z dwoma trzonami, których konstrukcja umożliwia nie tylko
ruch pionowy, lecz także poziomy, co ułatwia załadunek przy użyciu dźwigów. Metalowe
elementy grzejne umieszcza się na ścianach bocznych i w trzonie. Pojemność użytkowa tych
pieców sięga dziesiątek Mg, a moce - 600 kW, temperatury robocze - 1200°C. Są to piece
oszczędne pod względem energetycznym, podobnie jak piece kołpakowe.

Piece wieżowe mają komory w kształcie wydłużonego cylindra usytuowanego

pionowo, przy czym wsad jest ładowany i wyładowywany przez ten sam otwór od dołu. By
było to możliwe, piec jest ustawiony na wysokich podporach zaś wsad, po przymocowaniu do
wieszaków, jest podciągany do wnętrza pieca na łańcuchach, napędzanych za pośrednictwem
kół ciągnących umieszczonych na zewnątrz pieca. Ze względu na bardzo trudne warunki
pracy układu podwieszenia wsadu, temperatura pracy tych pieców nie przekracza 700°C.

Piece wysuwne są odmianą pieców komorowych. Istotna różnica polega na

odmiennym rozwiązaniu sposobu załadunku (rys. 2.57g). Spód pieca i jego przednia ścianka,
zabudowane na przesuwanej po szynach podstawie, umożliwiają załadunek ciężkich wsadów
(do 100 Mg) przy użyciu dźwigów. Moce pieców sięgają 5 MW, a zasilanie elementów
grzejnych zlokalizowanych na częściach ruchomych odbywa się przy użyciu giętkich kabli.

Piece przechylne należą do kategorii pieców obrotowych. Wsad znajduje się w

krótkiej poziomej stalowej lub staliwnej mufli o geometrii kołowej. Jest ona umieszczona
koncentrycznie w komorze grzejnej o przekroju w kształcie koła lub wieloboku. Elementy
grzejne zlokalizowane są na ścianie lub ścianach bocznych komory. Mufla ma niejednakowy
przekrój. Jej część robocza (środkowa) ma większą średnicę aniżeli części końcowe, które
wystają poza komorę przechodząc przez jej ściany czołowe, w których są ułożyskowane.
Otwór wsadowy znajduje się na jednym

118

2.3.Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________

końcu wystającej na zewnątrz komory mufli, na której drugim końcu umieszczony jest
mechanizm jej obrotu. Elementy grzejne pracują w powietrzu, wsad w atmosferze
regulowanej lub ochronnej. W piecu obrabia się drobne elementy, które wyładowuje się z
pieca przy jego przechyle w stosunku do osi poziomej. Stąd też bierze się nazwa pieca [114].

Piece wahadłowe są skonstruowane w sposób umożliwiający w czasie procesu

grzejnego wahadłowe ich odchylanie od osi poziomej. Drobne elementy wsadowe ulegają
przemieszczaniu wzdłuż komory, co sprzyja ujednorodnieniu ich temperatury. Są one mniej
rozpowszechnione w porównaniu z przechylnymi. Piece bębnowe są odmianą pieców
przechylnych [114]. Znamionuje je mufla mająca kształt cylindra lub wielościanu z
występami na wewnętrznej ścianie (rys. 2.71). Mufla obracając się wokół własnej osi
zbliżonej do poziomej, powoduje stałe przemieszczanie wsadu, który bywa także zanurzany w
aktywnych chemicznie mediach proszkowych.

Rys. 2.71. Piec bębnowy

1 - bęben, 2 - komora grzejna, 3 - napęd bębna, 4 - mechanizm wyładowczy, 5 - kąpiel hartownicza,
6 - pojemnik na obrobiony wsad

Piece obrotowe mają konstrukcję cylindryczną z prętowym elementem grzejnym z

grafitu usytuowanym w osi poziomej, wokół której piec wykonuje obroty o kąt od 15° do
160°. Ich temperatury znamionowe sięgają 1500°C. Są one przeznaczone do topienia metali.
W czasie obrotów pieca metal odbiera ciepło akumulowane w części wymurówki, z którą
wsad nie styka się, ponieważ lustro pieca znajduje się poniżej osi pieca. Intensywne
nagrzewanie się wymurówki spowodowane jest wysoką temperaturą elementu grzejnego (do
2500°C). Piece te są obecnie rzadko stosowane, m.in. ze względu na silne utlenianie się
grafitu oraz złożony układ zasilania.

Inne rodzaje urządzeń nieprzelotowych klasyfikowane są nie jak piece na podstawie

kryterium sposobu umieszczania wsadu w komorze, lecz na podstawie

119

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

kryterium zastosowania. Pokrótce przedstawione zostaną najważniejsze grupy takich
urządzeń

1

.

Ogrzewacze wody i warniki są urządzeniami zbiornikowymi przeznaczonymi do

nagrzewania i ewentualnego przetrzymywania wody w układach ogrzewniczych
(ogrzewacze) oraz nagrzewania i gotowania wody przeznaczonej do innych celów niż
ogrzewanie pomieszczeń, np. wody pitnej (warniki). Urządzenia do tych celów mają
pojemności od 5 do 5000 dcm

3

. Ich szczegółowe rozwiązania zależą od wymaganej

wydajności, liczby punktów odbioru wody, czasu jej poboru i wymaganej temperatury.
Ogrzewacze wodne stosuje się także jako odbiorniki pozaszczytowe, niekiedy w układach
ogrzewania skojarzonego elektryczno-paliwowych. Przykłady rozwiązań warników ilustruje
rys. 2.72 [257].

Rys. 2.72. Warniki: a) zamknięty; b) z otwartym wylotem; c) otwarty

1 - zbiornik, 2 - element grzejny, 3 - zawór

W układach grzejnych stosowane są elementy rurkowe umieszczone we wnętrzu zbiornika w
taki sposób, aby znajdowały się zawsze pod zwierciadłem wody. Znane są także rozwiązania
z elementami grzejnymi powierzchniowymi umieszczonymi na zewnątrz zbiornika.
Ogrzewacze wody i warniki wykonywane są jako akumulacyjne i nieakumulacyjne.
Akumulacyjne są izolowane cieplnie i przeznaczone do ciągłego
utrzymywania wody w stanie nagrzanym, nieakumulacyjne są izolowane częściowo lub
nieizolowane.

120

1

Ściśle rzecz biorąc chodzi tu o człony podstawowe tych urządzeń, które w obowiązującej terminologii polskiej [258] nazywane są

grzejnikami elektrycznymi. W stosunku do wielu członów podstawowych np. pieców dużej mocy, określenie to w praktyce nie przyjęło się.
Bywa ono natomiast akceptowane w odniesieniu do urządzeń rezystancyjnych mniejszej mocy, a zwłaszcza tych, których człon podstawowy
jest praktycznie jedynym członem urządzenia. Termin „grzejnik" w terminologii międzynarodowej ma zbliżone znaczenie do występującego
w PN, lecz wyłącznie w klasie urządzeń rezystancyjnych [325].

2.3.Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Cieplarki są urządzeniami komorowymi pozwalającymi na utrzymanie w komorze

grzejnej stałej temperatury w granicach od temperatury otoczenia do 100°C. Ich odmianami
są inkubatory, wylęgarki. Podstawowe wymagania stawiane cieplarkom wiążą się ze stałością
i równomiernością temperatury w przestrzeni użytkowej. Z tego względu niektóre rodzaje
cieplarek wykonuje się z płaszczem wodnym. Do tej kategorii grzejników komorowych
można także zaliczyć wyjaławiacze suche (sterylizatory) do narzędzi chirurgicznych o
znacznie wyższej temperaturze znamionowej aniżeli cieplarki.

Suszarki są odmianą pieców niskotemperaturowych przeznaczonych do nagrzewania

pośredniego wsadów w temperaturze nie przekraczającej 300°C w celu ich wysuszenia.
Wyodrębnia się suszarki z konwekcją naturalną i wymuszoną. Suszarki z konwekcją
naturalną mają kształt prostopadłościenny lub dopasowany do wsadu, co uzyskuje się m.in.
stosując konstrukcję segmentową [328]. Elementy grzejne umieszcza się w dolnej części
suszarki lub na jej ścianach (rys. 2.73). Niekiedy są one ekranowane w celu wyeliminowania
nagrzewania wsadu przez promieniowanie.

Rys. 2.73. Suszarka z konwekcją naturalną, wg [262]

1 - stojak do umieszczenia wsadu, 2 - elementy grzejne, 3 - przestrzeń grzejna, 4 - przesłona regula-
cyjna

Rys. 2.74. Suszarka z konwekcją wymuszoną

1 - wlot świeżego powietrza, 2 - przesłona regulacyjna, 3 - elementy grzejne, 4 - wsad w komorze,
5 - wentylator

121

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________

Proces suszenia wymaga wymiany atmosfery w komorze, a więc suszarka musi mieć otwory
wlotowe i wylotowe łączące jej komorę z otoczeniem. Ilość przepływającego przez suszarkę
powietrza jest regulowana za pomocą zastawek w zależności od szybkości wydzielania się
rozpuszczalnika, np. wody. Przy konwekcji wymuszonej, w celu ograniczenia strat ciepła,
przepływ powietrza może się odbywać w obwodzie zamkniętym z częściowym dopływem
powietrza świeżego (rys. 2.74). Izolacja cieplna jest przeważnie jednowarstwowa. Suszarki są
także eksploatowane z atmosferą wybuchową, a ich konstrukcje regulują odpowiednie
przepisy. Przy wybuchu atmosfery w takiej suszarce nie ulega ona zniszczeniu, strumień
wybuchających gazów jest bowiem kierowany w obszar z góry przewidziany. Uzyskuje się to
dzięki użyciu do konstrukcji określonego fragmentu ścianek termoizolacyjnych suszarki
materiału o bardzo małej wytrzymałości mechanicznej przejmującej wybuch.

Kotły są przeznaczone do wytwarzania pary wodnej, nagrzewania wody, topienia mas

izolacyjnych, a także m.in. do przygotowania pasz (parniki). Kotły do wytwarzania pary
stanowią na ogół uzupełnienie urządzeń na paliwa ciekłe lub gazowe. Mają one szereg zalet, a
mianowicie: cechuje je duża szybkość rozruchu, łatwość regulacji mocy i temperatury,
niewielkie wymiary, niskie koszty budowy i montażu, praca bez hałasu i emisji gazów, prosta
obsługa. Są to zbiorniki izolowane cieplnie z elementami grzejnymi umieszczonymi w
wodzie. Ich moce sięgają 1000 kW, co umożliwia wytworzenie około 1550 kg pary nasyconej
na godzinę (układ ze zwrotem kondensatu uruchamiany przy ciśnieniu 10 Pa). Sprawność
kotłów tego rodzaju osiąga wartość prawie 100%. Przy zastosowaniu dobrej izolacji, bez
względu na zapotrzebowanie na parę, całkowita sprawność jest rzędu 90% (z uwzględnieniem
przesyłu do odbiornika). Kotły rezystancyjne w przeciwieństwie do elektrodowych (patrz
rozdz. 4) mogą być eksploatowane bez konieczności normalizowania właściwości wody.

Kotły do wody zyskują na znaczeniu i są instalowane w szpitalach, hotelach,

restauracjach, zwłaszcza w warunkach pełnej elektryfikacji kuchni w tych obiektach.
Pojemność kotłów zawiera się w przedziale 20

÷6001, a ich moce - 5÷45 kW (kotły o

normalnej szybkości nagrzewania) lub od 9

÷80 kW w przypadku tzw. kotłów „szybkich".

Kotły do topienia mas bitumicznych wyposaża się w elementy grzejne, np. rurkowe, które
umieszcza się w przestrzeni między zewnętrzną powierzchnią zbiornika i izolacją cieplną.
Pojemności takich kotłów sięgają 800 l, a moce kilkudziesięciu kW. Ich sprawność jest rzędu
80%. Możliwość regulacji temperatury topionych bitumów sprawia, że ich jakość jest bardzo
wysoka, ponieważ nie ulegają one przegrzewaniu [133].

Parniki zalicza się do kategorii elektrycznych przyrządów grzejnych. Zasadniczą

cześć parnika stanowi kocioł izolowany cieplnie zawierający pojemnik na ziemniaki, zbiornik
wodny oraz jeden lub kilka elementów grzejnych. Pojemności parników dochodzą do 250 l, a
sprawności są nie mniejsze niż 75%.

Urządzenia elektrotermiczne powszechnego użytku. Naczynia do nagrzewania wody i

potraw, piekarniki, prodiże, frytownice. Są to w przeważającej mierze

122

2.3.Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

urządzenia małej mocy z różnymi rodzajami elementów grzejnych, wyposażone niekiedy
tylko w regulatory bądź ograniczniki temperatury. Do najnowszych rozwiązań w tej grupie
przyrządów należą piekarniki samooczyszczające się z wymuszonym ruchem atmosfery,
polepszającym wymianę ciepła ze wsadem. Oczyszczanie komory piekarnika ze wszystkich
pozostających w jego komorze substancji, np. tłuszczów, następuje w wyniku okresowego
podwyższania temperatury komory do 300°C (oczyszczanie pyrolityczne) lub 500°C
(oczyszczanie katalityczne).

2.3.4.3. Urządzenia przelotowe

W urządzeniu przelotowym wsad w czasie nagrzewania ulega przemieszczaniu przez komorę
grzejną, zazwyczaj od jednego otworu, przez który jest ładowany, do drugiego otworu, przez
który jest wyładowywany. Wyróżnikiem urządzeń rezystancyjnych pośrednich komorowych
przelotowych - z nielicznymi wyjątkami - są te ich cechy konstrukcyjne, które wiążą się z
ruchem wsadu w czasie jego nagrzewania. Podobnie jak w przypadku urządzeń
nieprzelotowych główna uwaga skupiona zostanie na piecach, stanowiących główne elementy
składowe omawianej kategorii urządzeń.

W obowiązujących normach wyodrębnia się następujące piece [258]: taśmowe,

przepychowe, wózkowe (przetokowe

1

), rolkowe, kroczące, przewłokowe, komorowe,

karuzelowe, okrężne, wstrząsowe (wibracyjne

2

) i ślimakowe. Pierwszych pięć z

wymienionych 11 rodzajów pieców zalicza się do tunelowych zaś dwa ostatnie - do
grawitacyjnych. Pozostałe cztery rodzaje tworzą oddzielne grupy. Piece przelotowe stosuje
się w produkcji masowej. Piece tunelowe znamienne są tym, że ich komora grzejna jest
wydłużona w kierunku poziomym. W piecach grawitacyjnych wsad przesuwa się pod
wpływem siły ciężkości.

Piece karuzelowe, wstrząsowe, okrężne, wibracyjne i ślimakowe budowane są zawsze

z jedną strefą grzejną (jednostrefowe). Pozostałe piece mają na ogół wiele stref grzejnych, a
przy tym mogą być jedno- lub wielotorowe, czyli wyposażone w dwa lub więcej
równoległych układów transportowych zlokalizowanych w jednej lub kilku komorach.
Umożliwia to nagrzewanie wsadu według zróżnicowanych charakterystyk

123

1

Piece te w oficjalnej terminologii polskiej [258] definiowane są jako tunelowe, w których przesuwanie wsadu uzyskuje się przez

umieszczenie go na przenośniku zaopatrzonym w koła toczące się po szynach. W terminologii międzynarodowej piec o takiej zasadzie
działania nie jest wyodrębniany specjalnym określeniem [325]. Konstrukcje o tak definiowanej zasadzie działania nie są też wymieniane w
najnowszej literaturze przedmiotu jako oddzielna grupa pieców. Z tych względów utożsamiane one będą z piecami wózkowymi.

2

Piece wibracyjne są definiowane w [258] jako grawitacyjne o trzonie poddawanym wibracjom powodującym obsuwanie się wsadu wzdłuż

pieca. We współczesnej literaturze technicznej nie wyodrębnia się także tego rodzaju pieców, a nazwa ta występuje jedynie w słownictwie
rosyjskim i przypisywana jest piecom wahadłowym, a więc nieprzelotowym [325]. Z tych względów utożsamiane one będą z piecami
wstrząsowymi.

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________
temperaturowych, a także - jeśli to niezbędne - chłodzenia, co wymaga włączenia w ciąg
technologiczny niezbędnych urządzeń dodatkowych. Są to np. komory nie zawierające
elementów grzejnych i dodatkowo chłodzone wodą.

Niekiedy łączy się kilka pieców przelotowych w jeden całkowicie zmechanizowany i

zautomatyzowany agregat zawierający np. piece do hartowania i odpuszczania, wannę
hartowniczą, maszynę do mycia wsadu, a także do suszenia. Takie agregaty włącza się w linie
zautomatyzowane. Piece przelotowe mogą być eksploatowane zarówno z atmosferami
naturalnymi, jak również ochronnymi względnie aktywnymi chemicznie. Ze względu na
ciągły sposób załadunku i wyładunku wsadu, układy zabezpieczające wymagany skład
atmosfery (niekiedy zróżnicowny w poszczególnych strefach) są oczywiście bardziej złożone
aniżeli w piecach nieprzelotowych.

Piece taśmowe, których zasady budowy przedstawia rys. 2.58a, różnią się

rozwiązaniami konstrukcyjnymi w zależności od zakresu temperatur roboczych oraz od
przeznaczenia technologicznego. Wszystkie rodzaje tych pieców charakteryzują się jednak
podobnym rozwiązaniem układu transportu wsadu. Stanowi go taśma nośna rozpięta między
wałem naprężnym i wałem napędowym obracanym silnikiem (rys. 2.75). Taśma wykonana
jest w postaci siatki z drutu nichromowego (do lekkich wsadów) lub w postaci żaroodpornego
łańcucha przypominającego gąsienicę czołgową. Jest ona umieszczona w całości w piecu
razem z wałami zaś w piecach o wyższych temperaturach roboczych wały, a niekiedy także
część powrotną taśmy, umieszcza się poza komorą grzejną.

Rys. 2.75. Piec taśmowy

1 - izolacja cieplna komory, 2 - elementy grzejne, 3 - taśma transportowa, 4 - napęd taśmy, 5 - stół
załadowczy, 6 - zsyp wsadu, 7 - urządzenie naprężające taśmę
Zaczerpnięto z [92]

Elementy grzejne najczęściej umieszcza się w stropie i spodzie komory pod górną

częścią taśmy, niekiedy w ścianach bocznych lub w ich pobliżu. W piecach o temperaturze
roboczej do 900°C stosowane bywają wentylatory. Przestrzeń użytkowa komory może być
oddzielona od elementów grzejnych ekranami kierujący-

124

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowanie
___________________________________________________________________________

mi atmosferę na wsad. W piecach o temperaturze pracy do 1000°C używane są elementy
grzejne z rezystorami metalowymi. Elementy z SiC umieszcza się poziomo lub pionowo w
pobliżu powierzchni komory grzejnej, z MoSi

2

- pionowo, a także poziomo w rurach

promieniujących, w których ułożone są na wspornikach ceramicznych. Temperatura pracy
pieca może sięgać wówczas 1200°C i jest ograniczona wytrzymałością układu
transportowego.

Piece taśmowe pracują zarówno z atmosferą naturalną, jak i z atmosferami

sztucznymi. Długości ich komór grzejnych mogą sięgać kilkudziesięciu metrów (np. w
piecach do obróbki szkła, produkcji kineskopów), przy przeciętnych długościach jednej strefy
grzejnej 2

÷4 m.

W odróżnieniu od innych rodzajów pieców, wielkością charakterystyczną pieca

taśmowego jest powierzchnia użytkowa taśmy i w stosunku do niej określa się wydajność
pieca oraz inne wielkości charakterystyczne (rys. 2.76).

Rys. 2.76. Moc znamionowa pieców taśmowych w funkcji powierzchni użytkowej taśmy transportowej dla

pieców o temperaturze znamionowej 350

÷500°C i 900°C

Piece przepychowe znamienne są tym, że poszczególne elementy wsadu lub skrzynki

zawierające drobne elementy wsadowe są popychane takimi samymi elementami lub
skrzynkami wzdłuż poziomej lub lekko nachylonej komory, której długość nie przekracza 12
m. Cały wsad pchany jest zewnętrznym układem napędowym złożonym z silnika lub
siłownika hydraulicznego względnie pneumatycznego oraz mechanizmu wpychającego za
każdym ruchem następny element wsadu lub skrzynkę do komory. Wsad przesuwa się na
rolkach, rurach lub szynach (rys. 2.77). Są to piece wielostrefowe, pracujące najczęściej z
atmosferą regulowaną. Wyposaża sieje wówczas w przedsionek załadowczy z mechanizmem
otwierania drzwi, przedsionek wyładowczy z wanną hartowniczą i mechanizm zanurzeniowy
do hartowania wsadu

125

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

Rys. 2.77. Piec przepychowy wielostrefowy
1 - strefa nawęglania, 2 - strefa nagrzewania do hartowania, 3 - elementy grzejne, 4 - wpycharka,
5 - drzwi zamykające otwór załadowczy, 6 - szyny do przenoszenia wsadu, 7 - drzwi zamykające

otwór wyładowczy, 8 - doprowadzenia prądowe, 9 - wentylatory wymuszające ruch atmosfery
piecowej, 10 - zasuwa rozdzielająca strefy pieca

Zaczerpnięto z [215]

[114]. Przedsionki wypełnione są gazem palnym, a ich zadaniem jest wyeliminowanie
przedostawania się powietrza do przestrzeni roboczej. Elementy grzejne rozmieszcza się na
ścianach bocznych pieca lub pod stropem i w trzonie. Na ogół temperatura tych pieców nie
przekracza 1100°C.

Piece rolkowe są to piece z trzonem zaopatrzonym w rolki zapewniające lub

ułatwiające przesuwanie wsadu (rys. 2.78). Niektóre z tych rolek są napędzane silnikiem. Są
to piece bardzo uniwersalne i nie istnieje konieczność ograniczania ich długości, tak jak ma to
miejsce w piecach przepychowych, w których przy zbyt dużej długości komory mogłoby
dojść do spiętrzenia wsadu. Podobnie jak w piecach przepychowych wsad o dużych
gabarytach transportowany jest bez użycia pojemników, wsad drobny - w pojemnikach.
Wyposażenie pieca, z wyjątkiem układu napędowego jest analogiczne jak w piecach
przepychowych z rolkami. W piecach z atmosferami kontrolowanymi wszystkie rolki mają
uszczelnienia hermetyczne. Elementy grzejne umieszcza się na stropie, trzonie (pod rolkami),
a także, jeśli to

126

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
_________________________________________________________________

Rys. 2.78. Piec rolkowy

1 - izolacja komory roboczej, 2 - elementy grzejne, 3 - otwór załadowczy, 4 - rolki trzonu, 5 – napęd
rolek, 6 - drzwi otworu wyładowczego

Zaczerpnięto z [215]

niezbędne, na ścianach bocznych. O ich lokalizacji rozstrzygają wymiary poprzeczne
przestrzeni grzejnej.

Piece wózkowe (przetokowe) charakteryzują się przesuwem wsadu na wózkach

wyłożonych materiałem ogniotrwałym, stanowiących trzon pieca. W przedstawionych dotąd
piecach przelotowych, zakres temperatur roboczych ograniczony jest wytrzymałością
mechaniczną elementów układów transportowych pracujących w komorze grzejnej. Wady tej
pozbawiony jest piec wózkowy (rys. 2.79), wszystkie części metalowe układu transportowego
znajdują się bowiem poza strefą wysokich temperatur. Umożliwia to istotne podwyższenie
temperatur roboczych. Ich wartości są w tym przypadku limitowane głównie temperaturą
pracy elementów grzejnych. Ze względu na łatwość przesuwania wózków nie jest też niczym
ograniczona długość pieca, która osiąga wartości kilkudziesięciu metrów [28]. Wózek po
wyjściu z komory jest przetaczany po torze równoległym do roboczego w kierunku otworu
załadowczego, a po umieszczeniu na nim wsadu - ponownie wprowadzany do tunelu
grzewczego. Elementy grzejne są z reguły umieszczane na ścianach bocznych. Stosuje się
elementy z rezystorami metalowymi, z węglika krzemu oraz dwukrzemku molibdenu. Piece
budowane są jako wielostrefowe, niekiedy o dwóch równoległych

127

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

Rys. 2.79. Piec wózkowy (przetokowy)

1 - elementy grzejne, 2 - płyta denna, 3 - przetaczany trzon, 4 - koła jezdne, 5 - tor, 6 - uszczelnienie

piaskowe komory grzejnej

komorach i eksploatowane zarówno z atmosferą naturalną jak i z atmosferami regulowanymi.

Piece kroczące, nazywane także piecami o trzonie kroczącym [325], charakteryzują

się systemem transportowym powodującym podnoszenie wsadu, przesunięcie o określony
odcinek w kierunku otworu wyładowczego, opuszczenie wsadu i powrót ruchomych
elementów trzonu, na których wsad w czasie wykonywania tego ruchu spoczywał, do pozycji
wyjściowej. Podczas ruchu powrotnego wsad spoczywa na nieruchomych elementach trzonu
(w piecach z trzonem pojedynczym) lub wykonuje

Rys. 2.80. Piece kroczące: a) z trzonem pojedynczym; b) z trzonem podwójnym

1 - elementy grzejne, 2 - wsad, 3 - element trzonu pojedynczego, 4 - element trzonu podwójnego

128

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

kolejny ruch do przodu (w piecach z trzonem podwójnym). Podobnie jak w piecu wózkowym
nie ma potrzeby wprowadzania do wnętrza pieca elementów metalowych układu
transportowego, ponieważ elementy trzonu poddawane działaniu wysokiej temperatury
wykonuje się z ceramiki ogniotrwałej (rys. 2.80). Piec ten od wózkowego różni się układem
transportu i wynikającymi z tego mniejszymi stratami, ponieważ nie traci się ciepła
zakumulowanego w trzonie.

Piece przewłokowe są to piece, w których przez przestrzeń roboczą przeciąga się

wsad w postaci taśm, drutów lub cienkościennych rurek automatycznie nawijanych na szpule.
Przeciągać można także pęki drutów. Piec ma wydłużoną komorę z elementami grzejnymi
umieszczonymi w trzonie i sklepieniu lub tylko w jednym z tych elementów konstrukcyjnych.
Zwykle są to piece o komorze poziomej (rys. 2.81) ale spotyka się także konstrukcje pionowe
przeznaczone w szczególności do emaliowania i odpuszczania drutów. Buduje sieje także
jako muflowe, często o wielu kanałach, umożliwiających równoległą obróbkę np. wielu
drutów.

Rys. 2.81. Piec przewłokowy

1 - wsad w postaci drutu lub taśmy, 2 - wyprawa ogniotrwała, 3 - termoizolacja, 4 - elementy
grzejne, 5 - rolki podpierające wsad
Zaczerpnięto z [209]

Piece przewłokowe są eksploatowane jako samodzielne urządzenia lub jako główne człony
urządzeń, w skład których wchodzić mogą m.in. wanny zawierające np. roztopione metale lub
lakiery do pokrywania powierzchni wsadu, substancje do ługowania, trawienia, przemywania,
ciecze hartownicze chłodzące itd., urządzenia do zwijania wsadu. Długości pieców sięgają
kilkudziesięciu metrów, osiągane w nich temperatury robocze rzadko przekraczają 1300°C.

Piece komorowe przelotowe znamienne są tym, że mają komorę prostopadłościenną

wyposażoną w otwór załadowczy i wyładowczy. Wsad w czasie nagrzewania pozostaje -
podobnie jak w piecach komorowych nieprzelotowych - nieruchomy. Z pieców takich można
tworzyć ciągi wielokomorowe, w których wsad przesuwany jest kolejno przez poszczególne
szeregowo ustawione komory oddzielone drzwiami, przy czym w komorach tych można
wytwarzać bardzo zróżnicowane warunki pracy. Szczegóły konstrukcyjne i wyposażeniowe
tych pieców nie odbiegają od znamionujących piece komorowe nieprzelotowe.

129

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

Piece karuzelowe rozwiązane są w sposób umożliwiający przesuwanie wsadu dzięki

umieszczeniu go na trzonie w kształcie pierścienia obracającego się dookoła osi pionowej
(rys. 2.82). Jest to jak gdyby zwinięty w pierścień piec wózkowy. W ten sposób otwór
załadowczy może być usytuowany obok otworu wyładowczego. Ten rodzaj pieca jest
przydatny w warunkach wymagających odbioru wsadu w pobliżu jego miejsca załadowania
do pieca.

Rys. 2.82. Piec karuzelowy, wg [262]

1 - termoizolacja, 2 - elementy grzejne, 3 - trzon, 4 - wsad, 5 - napęd trzonu, 6 - drzwi,
7 - mechanizm otwierania drzwi

Piece wstrząsowe charakteryzują się tym, że ruch wsadu następuje w wyniku

działania sił bezwładności wskutek cyklicznego gwałtownego ruchu trzonu pieca. Nazywane
także piecami z rusztem wstrząsowym, stanowią odmianę pieca grawitacyjnego (rys. 2.83).

Wsad w postaci drobnych przedmiotów przesuwa się na ruszcie w kształcie płyty z

niskimi progami na krawędziach bocznych. Ruszt wprawiany jest w ruch oscylacyjny za
pomocą układu mechanicznego, pneumatycznego lub hydraulicznego wzdłuż osi pieca, przy
czym szybkość ruchu w kierunku otworu wsadowego jest większa aniżeli w kierunku otworu
wylotowego, co wskutek bezwładności wsadu umożliwia jego przesuwanie.

Częstotliwość oscylacji i szybkość ruchu mogą być regulowane, dzięki czemu

dopasowuje się charakter wstrząsów do geometrii wsadu. Piece pracują zarówno bez mufli,
jak i z muflą, a więc przeznaczone są do pracy z powietrzem lub atmosferą regulowaną.
Wyposaża się je w elementy grzejne z rezystorami metalowymi, a także w elementy rurowe.
Moce tych pieców odnosi się do powierzchni rusztu (rys. 2.84). Temperatura pracy nie
przekracza 900°C i ograniczona jest wytrzymałością rusztu i ewentualnie mufli.

130

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Rys. 2.83. Piec wstrząsowy z atmosferą regulowaną

1 - elementy grzejne, 2 - wyciąg par oleju hartowniczego, 3 - spalanie odciąganych par, 4 - zsyp
wsadu chłodzonego olejem, 5 - płyta trzonowa, 6 - podpory rolkowe, 7 - napęd płyty trzonowej, 8 -
regulator naprężenia sprężyny popychającej płytę
Zaczerpnięto z [121]

Rys. 2.84. Moce znamionowe P

n

i moce strat cieplnych pieców wstrząsowych P

n

w funkcji powierzchni ich

rusztu F

n

131

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

Piece okrężne są piecami przelotowymi, w których wsad jest zawieszony na

okrężnym przenośniku, który przesuwa się w płaszczyźnie pionowej lub poziomej i (rys.
2.58i). Piece o konstrukcji pionowej wykonuje się wówczas gdy brak miejsca, uniemożliwia
stosowanie pieców tunelowych. Przenośnik zawieszony jest w górnej; części komory na kole
napędowym zaś koło umieszczone u dołu służy do naciągu przenośnika. Ze względu na
ograniczoną wytrzymałość przenośnika, pieców tych w zasadzie nie buduje się na
temperatury wyższe niż 600°C [298].

Piece ślimakowe lub o przenośniku ślimakowym są znamienne tym, że ruch wsadu w

czasie nagrzewania realizowany jest przy użyciu ślimaka wbudowanego w bęben (rys. 2.58g).
Są to piece o komorze prostopadłościennej z elementami grzejnymi rozmieszczonymi na
ścianach bocznych, spodzie i stropie. W komorze umieszczona jest mufla - bęben o długości
od 1,5 do 3,0 m wykonana jako jednolity odlew lub łączona z segmentów. Mufla ta ułoży-
skowana jest na zewnątrz i ma na powierzchni wewnętrznej prowadnice śrubowe, które pro-
wadzą wsad przez całą długość bębna. Wsad wprowadzany jest i wyprowadzany przez otwory
w powierzchniach czołowych mufli. Są to piece co najwyżej dwustrefowe o maksymalnej
temperaturze pracy 980°C. Bywają zaopatrywane w wentylatory w celu polepszenia przej-
mowania ciepła przez muflę-bęben. Budowane są także piece dwumuflowe [114].

Inne rodzaje urządzeń przelotowych to przede wszystkim specjalizowane

urządzenia elektrotermiczne z członami grzejnymi komorowymi. Spośród nie wymienionych
dotąd urządzeń największe znaczenie mają suszarki. Łączą one najczęściej cechy
konstrukcyjne suszarek nieprzelotowych oraz pieców przepychowych z wsadem
umieszczonym na wózkach i przepychanych po szynach. Ich długości sięgają kilkudziesięciu
metrów zaś temperatury pracy nie przekraczają 400°C. Wymiana ciepła między elementami
grzejnymi a wsadem odbywa się głównie na drodze konwekcji i z tego względu do jej
intensyfikacji stosowane są wentylatory. Do suszenia wsadów sypkich używa się suszarek
ślimakowych [114].

2.3.4.4. Zastosowania

Urządzenia rezystancyjne komorowe nieprzelotowe i przelotowe znalazły zastosowanie w
przemyśle, rolnictwie, budownictwie, gospodarce komunalno-bytowej, rzemiośle oraz w
innych dziedzinach. Wynika to z łatwości ich dopasowania do bardzo zróżnicowanych
wymagań dotyczących rozkładu temperatury w przestrzeniach użytkowych oraz z łatwości jej
regulacji. Możliwość regulacji stałowartościowej jak i programowej temperatury czyni te
urządzenia szczególnie przydatnymi w procesach obróbki cieplnej. W piecach są one
realizowane zarówno w atmosferze naturalnej, jak i sztucznej - w tym także chemicznie
aktywnej. Szczególne znaczenie ma przy tym obróbka stopów żelaza.

W urządzeniach rezystancyjnych poddawane są obróbce cieplnej zarówno prawie

gotowe wyroby stalowe, jak i półwyroby (profile, szyny, blachy, pręty, taśmy).

132

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

W celu podwyższenia twardości wyrobów stalowych w procesach hartowania, po nagrzaniu
ich do 800

÷850°C, a w pewnym przypadku do 1200°C, są one szybko studzone w oleju,

wodzie lub emulsji wodno-olejowej. Przedmioty zahartowane poddawane bywają procesowi
odpuszczania w temperaturze 300

÷630°C, co podwyższa ich właściwości mechaniczne dzięki

ograniczeniu naprężeń wewnętrznych. Hartowaniu i odpuszczaniu poddawane są w produkcji
masowej prawie gotowe wyroby. Do tych celów szczególnie nadają się piece przelotowe.
Często tworzone są agregaty z piecami do hartowania i odpuszczania uzupełnione wannami
zawierającymi ciecze hartownicze oraz maszyny myjące. Do hartowania małych elementów
stosuje się piece taśmowe i wstrząsowe, do wsadów o dużych rozmiarach - rolkowe i
kroczące. Te ostatnie mogą być używane do nagrzewania stali specjalnych do temperatur
rzędu 1200°C. Drobne, niewrażliwe na uderzenia elementy są przed hartowaniem nagrzewane
w piecach ślimakowych. Do odpuszczania szczególnie nadają się piece taśmowe. Obydwa
omawiane procesy wymagają utrzymania temperatury technologicznej z odchyłką ±(5

÷10) K,

co łatwo uzyskuje się przy stosowaniu dwustawnej lub niby-ciągłej regulacji temperatury.

Przy produkcji na mniejszą skalę stosuje się piece nieprzelotowe. Do hartowania i

odpuszczania używa się wówczas pieców komorowych i wgłębnych. Piece komorowe są
najbardziej uniwersalne i nadają się do nagrzewania wsadów o różnej geometrii i różnych
wymiarach. Piece wgłębne korzystniej jest stosować do nagrzewania wsadów o dużych
średnicach i kształcie cylindrycznym oraz wsadów drobnych w koszach. Odpuszczanie
wymaga, podobnie jak w piecach przelotowych, wymuszenia ruchu atmosfery.

Kolejnym procesem realizowanym w urządzeniach rezystancyjnych jest wyżarzanie

normalizujące. Jest to proces, w wyniku którego polepsza się właściwości mechaniczne stali
niestopowej o średniej i małej zawartości węgla. Do tego celu stosuje się te same rodzaje
pieców jak do hartowania. Inne rodzaje wyżarzania także realizuje się w tego rodzaju
urządzeniach, przy czym zasadą w tych procesach jest powolne studzenie wsadu po jego
nagrzaniu. Z tego względu są one realizowane w piecach nieprzelotowych i tylko rzadko w
piecach przelotowych pod warunkiem, że są one bardzo długie. Warunek ten spełniają piece
rolkowe, w których nagrzewa się blachy. Spełniają go także piece przewłokowe stosowane w
procesie obróbki taśm i drutów. Jeśli proces studzenia przebiega w piecu nieprzelotowym, to
należy się liczyć z tym, że w każdym cyklu traci się ciepło zakumulowane nie tylko we
wsadzie, lecz także w elementach konstrukcyjnych. Ten rodzaj prowadzenia procesu można
więc uznać za dopuszczalny z punktu widzenia energetycznego tylko wówczas, gdy energia
cieplna zgromadzona we wsadzie jest większa lub porównywalna z energią cieplną
zgromadzoną w piecu. Ma to miejsce przy nagrzewaniu bardzo wielkich odkuwek oraz
odlewów. Stosuje się wówczas duże piece wysuwne, w których czas stygnięcia wsadu sięga
nawet 10 dni. Bardziej racjonalnym rozwiązaniem jest studzenie wsadu poza piecem pod
muflą, kołpakiem lub w specjalnych izolowanych cieplnie i zagłębionych pojemnikach, gdzie
proces ten przebiega z wymaganą szybkością. Realizuje się to we współdziałaniu

133

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

z piecami kołpakowymi prostopadłościennymi (przy wyżarzaniu zwiniętych taśm i drutów),
elewatorowymi (blachy oraz elementy żeliwne).

Przy niebezpieczeństwie nadmiernego utlenienia wsadu lub odwęglenia jego po-

wierzchni, co może zaistnieć przy długim oddziaływaniu wysokich temperatur - szczególnie
w procesie wyżarzania - stosuje się urządzenia z atmosferami ochronnymi. Najkorzystniejsze
są wówczas piece kołpakowe, wgłębne, elewatorowe i wieżowe, a także piece o pracy ciągłej
np. kroczące [88].

Kolejną dziedziną zastosowań omawianych urządzeń jest obróbka cieplno-chemiczna.

Cementacja realizowana jest w piecach wgłębnych w temperaturze 900

÷ 950°C lub w prze-

lotowych wyposażonych w mufle. Te ostatnie mają przedsionki, dzięki czemu możliwe jest
utrzymanie szczelności komory. Azotowanie wymagające temperatur 500

÷600°C realizuje się

w piecach wgłębnych, komorowych oraz kołpakowych. Do cyjanowania najbardziej uży-
teczne są piece wgłębne.
Urządzenia rezystancyjne komorowe używane są także do nagrzewania wsadów stalowych
przed obróbką plastyczną. Na przykład w piecach wgłębnych wyposażonych w elementy
grzejne z SiC lub MoSi

2

oraz w piecach wgłębnych walcowniczych nagrzewa się kęsy i

wlewki.

Następna dziedzina zastosowań to nagrzewanie metali kolorowych i ich stopów. Wy-

żarzanie rekrystalizacyjne półfabrykatów z miedzi w parze wodnej realizuje się w piecach
kołpakowych i taśmowych. W piecach wgłębnych i komorowych obrabiane są wsady ze sto-
pów aluminiowych i magnezowych. W niektórych procesach obróbki tych metali wymaga się
utrzymania temperatury z odchyłką nie większą od ±2 K. Do wyżarzania blach i profili z Al
stosuje się piece wannowe z rurkowymi zanurzeniowymi elementami grzejnymi. Do topienia
aluminium i cynku stosuje się piece wannowe.

Z innych zastosowań wymienić należy lutowanie miedzią, realizowane w piecach ta-

śmowych w atmosferze wodoru lub zdysocjowanego amoniaku w temperaturze 1150

÷

1200°C, obróbkę i spiekanie metali podatnych na tlen (Mo, Ni, Ta, W) w piecach komoro-
wych, muflowych i przepychowych w atmosferze ochronnej. Temperatury obróbki tych mate-
riałów są wysokie, co wymaga stosowania elementów grzejnych z materiałów wysokotempe-
raturowych metalowych i niemetalowych.

W przemyśle półprzewodnikowym używa się urządzeń komorowych m.in. w proce-

sach dyfuzyjnych. Wymagania jakie muszą one spełniać są szczególnie wysokie. Piece ru-
rowe stosowane do tego celu muszą gwarantować utrzymanie temperatury na poziomie
1250°C w części roboczej komory (ok. 0,5 m długości) z dokładnością ± 0,5 K, a nawet ± 0,2
K [197], [199]. Są to piece pracujące z gazami aktywnymi chemicznie. Tego rodzaju ekstre-
malnie wysokie wymagania występują także w innych technologiach półprzewodnikowych i
mogą być zrealizowane wyłącznie przy użyciu pieców elektrycznych [108]. Zbliżone wyma-
gania występują w piecach wielostrefowych wgłębnych przeznaczonych do obróbki zwiercia-
deł teleskopowych. Technika ta wymaga podtrzymywania temperatury stygnącej masy szkla-
nej tak, by jej spadek nie przekroczył rzędu l K dziennie w czasie przekraczającym rok. Zwy-
kłe wyroby ze szkła obrabia się w piecach taśmowych.

134

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Szerokie zastosowanie znalazły piece rezystancyjne pośrednie do produkcji ceramiki.

Stosowane są do tego celu piece komorowe i tunelowe z elementami z SiC oraz MoSi

2

.

W coraz większym stopniu używa się pieców elektrycznych w technologiach

emaliowania. Procesy te realizowane są w piecach okrężnych poziomych w temperaturach
roboczych 800

÷950°C. Z kolei piece przewłokowe stosuje się w procesach pokrywania

emalią elektroizolacyjną drutów i taśm.

W suszarnictwie używa się suszarek nieprzelotowych i przelotowych, przy czym

zastosowania tych urządzeń są bardzo zróżnicowane (suszenie elektrod spawalniczych, części
lakierowanych oraz impregnowanych, drewna, gumy i owoców). Operacje te przebiegają
przeważnie przy konwekcji wymuszonej w układzie całkowicie lub częściowo zamkniętym.
Wiele innych zastosowań omówiono przy opisie urządzeń specjalizowanych, np. wamików,
cieplarek itp.

Zawarty w niniejszym punkcie rejestr zastosowań nie może być oczywiście pełny,

nawet w odniesieniu do bardzo rozpowszechnionych technologii. Wynika to m.in. z faktu, że
nagrzewanie rezystancyjne jest metodą elektrotermiczną bezsprzecznie najbardziej
rozpowszechnioną.

2.3.4.5. Wielkości charakterystyczne

Wielkości charakterystyczne urządzeń elektrotermicznych określają ich budowę lub działanie.
Zalicza się do nich zarówno parametry, czyli wielkości pierwotne możliwe do zmierzenia lub
określenia, jak i wskaźniki, będące wielkościami charakterystycznymi wtórnymi, wyrażonymi
w funkcji innych wielkości, z których co najmniej jedna jest parametrem elektrotermicznym.

Ustalenie wartości znacznej części wielkości nie sprawia problemów m.in. dlatego, że

same wielkości jak i metody ich wyznaczania są rozumiane jednoznacznie. Do takich
zaliczają się np. parametry przyłączeniowe, wymiary, masa oraz wskaźniki takie jak
wydajność, ładowność. Szereg innych wielkości charakterystycznych, mających istotny
wpływ na wybór członu grzejnego do realizacji określonej technologii, na jego racjonalną
eksploatację - zwłaszcza w sensie energetycznym, optymalny dobór metody i układów
regulacji oraz ich nastaw, nie zawsze rozumie się jednoznacznie. Różnią się także sposoby ich
wyznaczania, co prowadzi do rozbieżnych wyników. Trudno wówczas o obiektywne
porównanie urządzeń wytwarzanych przez różne firmy.

Zbiór takich wielkości dotyczących członów grzejnych urządzeń zawiera:

- moc grzejną znamionową

P

n

,

- moc grzejną jałową

P

o

,

- moc strat w stanie cieplnie ustalonym w funkcji temperatury roboczej

P

p

=f(t

r

),

135

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

- współczynnik wzmocnienia

K = dt

r

/dP

p

,

- praktyczny czas rozgrzewu

τ

p

,

- teoretyczny czas rozgrzewu

τ

t,

- ciepło akumulacyjne statyczne

Q

a,s

- ciepło akumulacyjne dynamiczne

Q,

- czas stygnięcia

τ

s,

- czas opóźnienia

L,

- stałą czasową

N.

Zbiór ten zaproponowany został przez Międzynarodową Unię Elektrotermii (UIE) i

dotyczy formalnie rzecz biorąc pieców rezystancyjnych nieprzelotowych jednostrefowych
[12], [32]. Może on być jednak punktem wyjścia do określenia takich wielkości dla członów
grzejnych urządzeń rezystancyjnych innych rodzajów. Identyfikacja wielkości
charakterystycznych, zwłaszcza tych, które mają istotne znaczenie do celów regulacyjnych
jest znacznie trudniejsza i nie w pełni opanowana [213].

Zakłada się, że badany obiekt (piec, strefa w piecu wielostrefowym lub człon grzejny

innego urządzenia rezystancyjnego nieprzelotowego pośredniego zawierającego komorę)
rozważa się zawsze łącznie z czujnikiem temperatury wbudowanym przez wytwórcę. Jest to
szczególnie istotne przy określaniu wielkości przydatnych do celów regulacyjnych. Ponadto
zakłada się, że obiekt jest bez wsadu, co oczywiście wymaga nieco odmiennego podejścia, np.
w przypadku niektórych rodzajów pieców wannowych, warników. Z punktu widzenia układu
regulacji temperatury przypadek pieca bez wsadu jest trudniejszy. Z tego względu określanie
wielkości charakterystycznych pieca bez wsadu jest dopuszczalne.

Moc grzejna znamionowa jest to największa moc pobierana przez elementy grzejne

przy napięciu znamionowym. Należy tu wyraźnie podkreślić, że wielkość ta nie zawiera
takich składników jak moc strat w transformatorach, przekształtnikach jak również moc
wyposażenia pomocniczego (wentylatory, napędy urządzeń transportowych itp). Pomiary
mocy grzejnej realizuje się przy użyciu watomierza lub licznika energii i zegara.

Moc grzejna jałowa jest to średnia wartość mocy grzejnej w stanie cieplnie

ustalonym, wyznaczona dla określonego przedziału czasowego przy temperaturze
znamionowej i ustalonych warunkach zewnętrznych członu grzejnego urządzenia
rezystancyjnego. Z najmniejszym błędem wyznacza się ją na podstawie numerycznej analizy
zarejestrowanych wartości energii grzejnej pobieranej przez badany obiekt w procesie
nagrzewania i wygrzewania przy temperaturze znamionowej

t

n

(

τ

) = const. Przebiegi

temperatury i średniej mocy grzejnej przedstawione są na rys. 2.85a zaś średniej energii
grzejnej na rys. 2.85b. Średnia moc grzejna pobierana przez obiekt dąży asymptotycznie do
prostej

P

g

(

τ

) = P

o

, energia natomiast - do prostej

E

g

(

τ

) = E

o

+ P

g

τ

. Pochodna krzywej

E

g

(

τ

)

maleje monotonicznie od początkowych wartości

dE

g

/d

τ

= P

n

do wartości

P

o.

Algorytm

wyznaczania

P

o

jest następujący:

136

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Rys. 2.85. Charakterystyki nagrzewania, mocy grzejnej i energii grzejnej pieca rezystancyjnego nie

przelotowego pośredniego

- Odczyty pobranej energii grzejnej

E

g,i

= f(

τ

i

) w równoodległych chwilach czasowych

τ

i

przy

czym

τ

i

-

τ

i-1

=

∆τ

i

.

- Wyznaczenie ciągu wartości pochodnych

i

g

i,

g

d

dE

P

τ

τ

τ

=

=

(2.70)

przy czym najkorzystniej wykorzystać do tego celu regresję liniową w tym m.in. celu, by
„wygładzić" przebiegi skokowe zakłócane głównie regulacją 0/1 (jeżeli AT nie jest
wielokrotnością okresu regulacji)

i

1

i,

g

1

i,

g

1

i,

g

2

i,

g

3

i,

g

3

i,

g

i,

g

28

E

E

)

E

E

(

2

)

E

E

(

3

P

τ

∆

−

+

+

+

−

+

−

+

−

+

−

=

(2.71)

137

2. Nagrzewanie rezystancyjne

___________________________________________________________________________

- Przerwanie pomiarów w chwili, gdy

P

g,i

> P

g,i-1

, bowiem świadczy to o tym, że proces

wszedł w fazę, w której o wartości P

g,i

decydują błędy pomiarów lub zmiany warunków

pomiarów, np. zmiana temperatury otoczenia.

- Za średnią wartości

P

g

przyjmuje się

2

P

P

P

1

i,

g

i,

g

o

−

+

=

(2.72)

Moc strat w stanie cieplnie ustalonym w funkcji temperatury roboczej, czyli tzw.

charakterystykę statyczną obiektu

P

p

= f(t

r

) wyznacza się analogicznie do P

o

przy czym

wartością zadaną nie jest temperatura znamionowa

t

n

, lecz ciąg temperatur roboczych

t

r

< t

n

.

Przykładową charakterystyką statyczną pieca komorowego nieprzelotowego przedstawia rys.
2.86. W technice regulacyjnej operuje się funkcją odwrotną

t

r

= f(P

p

) nazywaną także

charakterystyką statyczną. Jeśli

P

g

> P

o

to w stanie ustalonym bez regulacji temperatura

robocza w komorze osiągnęłaby wartość większą od znamionowej, czyli tej na jaką obiekt
jest zbudowany. Ponieważ musi być zawsze spełniony warunek

t

r

≤

t

n

, wartość

t

r

(

τ

→

∞

)

nazywaną temperaturą graniczną

t

g

wyznacza się na drodze ekstrapolacji (rys. 2.87a).

Rys. 2.86. Charakterystyka statyczna pieca komorowego nieprzelotowego o współczynniku wzmocnienia K przy

temperaturze roboczej t

r,i

Współczynnik wzmocnienia urządzenia grzejnego K =

∆t/∆P

p

jest funkcją

temperatury roboczej i maleje z jej wzrostem. Wyznacza się go z charakterystyki statycznej
biorąc za podstawę nachylenie stycznej dla określonej wartości t

r

(rys. 2.86).

Praktyczny czas rozgrzewu jest to czas, jaki upływa od chwili włączenia urządzenia

grzejnego o temperaturze otoczenia do chwili, gdy temperatura w komorze osiągnie wartość
zadaną, przy czym rozgrzewanie realizowane jest zgodnie z instrukcją podaną przez
producenta zaś pomiar temperatury odbywa się przy użyciu termometru w jaki człon grzejny
został wyposażony przez wytwórcę.

138

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Rys. 2.87. Wyznaczanie ciepła akumulacyjnego pieca rezystancyjnego metodą klasyczną

Teoretyczny czas rozgrzewu jest to czas potrzebny do osiągnięcia przez urządzenie

grzejne stanu cieplnie ustalonego, w którym przy ustalonych warunkach zewnętrznych oraz
stałej wartości mocy grzejnej temperatura zadana w komorze ma wartość stałą lub do
osiągnięcia stanu quasi-ustalonego, w którym przy ustalonych warunkach zewnętrznych i
oscylacyjnych zmianach mocy grzejnej wokół pewnej wartości średniej (stałej w czasie),
zmiany temperatury w komorze mają charakter oscylacyjny o nierosnącej amplitudzie.
Wartość tego czasu wyznacza się przy okazji pomiaru mocy grzejnej jałowej lub wyznaczania
charakterystyki statycznej (rys. 2.86).

Ciepło akumulacyjne statyczne jest to ciepło zgromadzone w elementach

konstrukcyjnych członu grzejnego (izolacji cieplnej, elementach grzejnych, wbudowanych
układach transportu wsadu, obudowie) gdy przy zadanej temperaturze znajduje się on w
stanie cieplnie ustalonym.

Ciepło akumulacyjne dynamiczne jest to ciepło zgromadzone w elementach

konstrukcyjnych członu grzejnego w czasie jego nagrzewania do chwili

τ

p

, gdy temperatura w

komorze osiągnie wartość zadaną. W przeciwieństwie do

Q

a,s

wartość

Q

a,d

jest zależna nie

tylko od temperatury w komorze, lecz także od praktycznego czasu rozgrzewu. Im większa
jest moc grzejna, tym mniejsza jest wartość

Q

a,d

zgromadzonego w czasie

τ

p

.

139

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

Zarówno

Q

a,s

jak i

Q

a.d

wyznacza się najczęściej metodą klasyczną lub metodę

Beukena [12]. Znacznie dokładniejszą wydaje się być metoda numeryczna [198]. Metoda
klasyczna polega na określeniu różnicy pomiędzy całkowitym poborem energii w czasie
rozgrzewu członu grzejnego do stanu cieplnie ustalonego

E

p

i energią strat cieplnych

E

s

Pomiar energii pobranej nie sprawia kłopotu, zwłaszcza gdy posłużyć się numeryczną metodą
określania teoretycznego czasu rozgrzewu. Energię strat cieplnych w czasie rozgrzewu
określa się przy założeniu, że średnia moc strat cieplnych w danej chwili

P

s

(

τ

) jest

proporcjonalna do różnicy między średnią temperaturą powierzchni oddającej ciepło do
otoczenia i temperaturą otoczenia

[t

F

(

τ

)-t

u

]

∫

−

=

−

=

t

0

s

p

s

p

s

,

a

d

)

(

P

E

E

E

Q

τ

τ

τ

(2.73)

oraz

]

t

)

(

t

[

F

)

(

P

U

F

s

−

=

τ

α

τ

(2.74)

a ponieważ dla stanu cieplnie ustalonego

P

s

(

τ

→

∞

)=P

p

zaś t

s

(

τ

→

∞

)=t

p

, wówczas

)

t

t

(

F

P

o

p

p

−

=

α

(2.75)

Przy czym:

F – powierzchnia oddająca ciepło,

α

- współczynnik przejmowania ciepła z

powierzchni

F do otoczenia stały dla 0 <

τ

≤

τ

.

Po podzieleniu stronami (2.74) i (2.75) otrzymuje się wyrażenie na

P

s

(

τ

), które po

podstawieniu do (32.73) umożliwia określenie

Q

a,s

ze wzoru

∫

−

−

−

=

t

0

U

F

o

p

p

p

as

d

]

t

)

(

t

[

t

t

P

E

τ

τ

τ

Q

(2.76)

Operację całkowania przeprowadza się metodą graficzną lub numeryczną. Wartość

Q

a,s

może

być także wyznaczona metodą planimetrowania, bezpośrednio z wykresu ilustrującego
przebieg mocy grzejnej i mocy strat cieplnych w funkcji czasu (rys. 2.87).

Ciepło akumulacyjne dynamiczne wyznacza się analogicznie. Inna jest oczywiście

wartość energii pobranej (nie w przedziale

0 <

τ

≤

τ

t

, lecz

0 <

τ

≤

τ

p

) oraz inna jest granica

całkowania, mianowicie

τ

p

.

Czas stygnięcia jest to czas od chwili wyłączenia zasilania członu grzejnego,

pozostającego w stanie cieplnie ustalonym przy temperaturze w komorze

t

r

i równoczesnym

włączeniu urządzeń wymuszających chłodzenie oraz otwarciu drzwi (jeśli w takich
warunkach ma być dokonywany pomiar), do osiągnięcia w komorze temperatury

t, wyższej

przeważnie o 5% od początkowej różnicy temperatur

(t

r

- t

u

), czyli

)

t

t

(

100

5

t

U

r

U

−

+

=

t

(2.77)

140

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Czas opóźnienia i stała czasowa są podstawowymi parametrami dynamicznymi,

niezbędnymi do projektowania i prawidłowej eksploatacji układów regulacji temperatury.
Istnieje kilka metod ich wyznaczania [110], [213], [214]. Jedna z bardziej popularnych metod
wymaga posłużenia się charakterystyką doświadczalną t

r

(

τ) przy skokowej zmianie mocy

grzejnej. Odpowiedź

t

r

(

τ

) aproksymuje się krzywą zastępczą odpowiedzi układu inercyjnego

pierwszego rzędu z czasem opóźnienia. Poszukiwane wartości wyznacza styczna do

t

r

(

τ

) w

punkcie jej przegięcia (rys. 2.88). Wyznaczone graficznie zastępcze stałe czasowe oraz
zastępcze czasy opóźnienia są funkcjami poziomu temperatury, wartości wymuszenia,
kierunku wymuszenia i stanu cieplnego członu grzejnego w chwili wymuszenia.

Rys. 2.88. Wyznaczanie stałych czasowych oraz czasów opóźnienia

Stała czasowa aktywna

N

sa

i zastępczy czas opóźnienia L

sa

są wyznaczane przy

skokowym wzroście mocy

∆

P, pasywne N

sp

i

L

sp

- przy skokowym zmniejszeniu mocy.

Obiekty elektrotermiczne odznaczają się

N

sa

< N

sp

, przy czym współczynnik nieliniowości

członu grzejnego

5

.

1

5

.

0

N

N

n

SP

SA

÷

=

=

(2.78)

(dla pieców rezystancyjnych

n = 0,5

÷0,9).

Gdy

N

sa

niewiele różni się od

N

sp

lub przy przybliżonym opisie właściwości członu

grzejnego, stosuje się pojęcie średniej wartości stałej czasowej

2

N

N

N

SP

SA

S

+

=

(2.79)

141

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

i średniej wartości czasu opóźnienia

2

L

L

L

SP

SA

s

+

=

(2.80)

Przeciętne wartości

K, N

s

oraz

L

s

niektórych urządzeń rezystancyjnych pośrednich

komorowych zawiera tablica 2.13.

Tablica 2.13. Przeciętne wartości niektórych wielkości charakterystycznych urządzeń

rezystancyjnych pośrednich komorowych, wg [213]

Rodzaj

członu

grzejnego

Tempera-

tura zna-

mionowa

t

n

Przyrostowy

współczynnik

wzmocnienia

K

Stała

czasowa

średnia

N

S

Czas

opóźnienia

średni

L

S

Moc

Znamionowa

P

n

P

0

/P

n

-

0

C K/W s

s

kW -

Piece komorowe
nieprzelotowe
z nieosłoniętymi
elementami
grzejnymi

1300 0.1÷2

1000÷7000

5÷50 10÷100

0.2÷0.4

Piece muflowe

1200

0.5÷2

2000÷6000

150÷300

2.5÷10

0.3÷0.5

Piece rurowe

1200

0.5÷2

600÷4000

100÷200

1÷5

-

Suszarki 180÷260

0.5

900÷2400

~5 5÷100

0.5÷0.6

Wytłaczarki do
mas plastycznych

300 -

1500÷7000

10÷300 - -

Piece kołpakowe 1200 0.01÷1 2000÷5000 0÷20

100÷500

-

Cieplarki z płasz-
czem wodnym

80 0.4 1400 120 0.5÷2

0.3÷0.6

2.3.4.6. Zasilanie i eksploatacja

Większość członów grzejnych urządzeń rezystancyjnych pośrednich komorowych zasila się
bezpośrednio napięciem sieciowym tzn. o wartości 220, 380, lub 500 V.

142

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

Wyższe napięcia nie są stosowane ze względów bezpieczeństwa. Między innymi występują
trudności z izolowaniem elementów grzejnych względem siebie oraz w stosunku do obu-
dowy. Przepisy eksploatacyjne wymagają ograniczenia upływu prądu przez izolację lub sto-
sowania obostrzonej ochrony dodatkowej. W przypadku gdy moc pieców przekracza 100 kW,
bez względu na wymagania związane z rozkładem temperatury, wyodrębnia się strefy grzejne
o mniejszej mocy oddzielnie regulowane. Zasilanie obniżonym napięciem za pośrednictwem
transformatora stosowane jest niekiedy ze względów bezpieczeństwa lub w celu zapewnienia
właściwej trwałości metalowych elementów grzejnych, które muszą być wykonane z drutów
lub taśm o dostatecznie dużym przekroju. Dotyczy to najczęściej małych pieców. Transfor-
matorów o regulowanym napięciu używa się także przy zasilaniu pieców z elementami grzej-
nymi charakteryzującymi się dużymi temperaturowymi współczynnikami rezystywności (z
Mo, W, MoSi

2

, SiC). W nowszych rozwiązaniach pieców o dużej mocy z elementami MoSi

2

rezygnuje się coraz częściej z transformatorów.

Człony grzejne w omawianej grupie urządzeń charakteryzują się z reguły dużymi in-

ercjami, występowaniem stałych rozłożonych oraz dobrym tłumieniem wyższych harmonicz-
nych zmian temperatury. Z tych względów do regulacji temperatury bardzo przydatne są me-
tody nieciągłe i niby-ciągłe. Za ich stosowaniem przemawia prostota konstrukcji, niski koszt
urządzeń regulacyjnych i na ogół dostatecznie dobra jakość regulacji.

Regulacja temperatury nieciągła, a w szczególności dwustawna, stosowana jest w

przeważającej części urządzeń przemysłowych i powszechnego użytku. W niektórych przy-
padkach, gdy wymaga się większej dokładności, stosuje się układy niby-ciągłe. Układy regu-
lacji ciągłej stosowane są w szczególności przy produkcji materiałów półprzewodnikowych i
specjalnych, w badaniach naukowych oraz w piecach o bardzo dużych jednostkowych mo-
cach grzejnych ścian (powyżej 20 kW/m

2

powierzchni komory grzejnej) [44], [213].

W układach regulacji nieciągłej w charakterze członów wykonawczych stosuje się

styczniki, bezstykowe łączniki tyrystorowe i rzadko transduktory. W układach regulacji niby-
ciągłej - przy częstotliwościach łączeń poniżej 300 1/h - styczniki, a powyżej tej wartości bez-
stykowe łączniki tyrystorowe. Niekiedy stosowane są transduktory jako łączniki bezstykowe
oraz transformatory i autotransformatory regulacyjne z napędem silnikowym jako człony cał-
kujące w układach regulacji trójpozycyjnej. W układach regulacji ciągłej najczęściej używa
się sterowników tyrystorowych pracujących w układach regulacji fazowej oraz impulsowej.

Przy małych mocach obiektów stosuje się sterowniki pracujące w układach regulacji

fazowej czyli ze zmienną wartością kąta wysterowania tyrystorów a, który jest funkcją sy-
gnału wyjściowego z regulatora temperatury (rys. 2.89a oraz 2.89b). W użyciu są najczęściej
sterowniki z dwoma tyrystorami w układzie odwrotnie równoległym (rys. 2.89c) lub w rów-
noważnym mu układzie z jednym triakiem. Przy dopuszczalności zmian mocy w zakresie

0,5

P

n

do

P

n

stosuje się układ odwrotnie równoległy połączenia tyrystora i diody (rys. 2.89d).

Przy mocach mniejszych od 1 kW

143

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

używa się układów z jednym tyrystorem i 4 diodami (rys. 2.89e). Dla układów z rys. 2.89e,
oraz e moc grzejna

0

P

2

sin

2

1

1

P

=













+

−

=

α

α

α

α

π

π

(2.81)

dla układu z rys. 2.89d

0

P

2

1

1

2

sin

2

1

1

P

=













+













+

−

=

α

α

α

α

π

π

(2.82)

gdzie

jest mocą grzejną przy pełnym wysterowaniu tyrystorów

(

α

=0)

0

P

=

α

Rys. 2.89. Sterowanie tyrystorowe obiektów o małej mocy: a) regulacja fazowa w zakresie mocy 0

÷P

n

; b) re-

gulacja fazowa w zakresie mocy 0,5P

n

÷P

n

; c) sterownik w układzie odwrotnie równoległym

(P

α

= 0

÷P

n

); d) sterownik w układzie odwrotnie równoległym z diodą (P

α

= 0,5P

n

÷P

n

); e) sterownik

w układzie mostkowym (P

α

= 0

÷P

n

)

W układach jedno- i trójfazowych o mocach większych od 1 kW stosuje się sterowniki
impulsowe, których praca polega na przerywanym przewodzeniu przez

n okresów

powtarzających się periodycznie co

N okresów (rys. 2.90a). Moc grzejna

g

N

P

N

n

P

=

(2.83)

144

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

gdzie

P

g

jest mocą grzejną dla

n = N. Iloraz n/N przyjmuje tylko wartości dyskretne (n i N są

całkowite, a załączenie tyrystorów jest synchroniczne, tzn. występuje w chwili przejścia fali
prądowej przez zero) [213], [350].

Regulację mocy uzyskuje się przez zmianę

n/N będącego funkcją sygnału sterującego

z regulatora temperatury. Sterowniki impulsowe najczęściej wykonuje się w układzie
odwrotnie-równoległym [74], [195]. Typowe połączenia sterowników w układach
trójfazowych przedstawia rys. 2.90b, c, d. Ze względu na dużą bezwładność cieplną obiektów,
sterowniki impulsowe mogą być uważane za mające wyjście ciągłe.

Rys. 2.90. Sterowniki tyrystorowe w układzie odwrotnie-równoległym obiektów dużej mocy: a) regulacja

impulsowa; b) układ gwiazdowy; c) układ gwiazdowy z przewodem zerowym; d) układ trójkątowy

Racjonalna eksploatacja urządzeń rezystancyjnych omawianej kategorii polega nie

tylko na zapewnieniu właściwych warunków zasilania i regulacji temperatury, lecz także na
racjonalizacji zużycia energii elektrycznej [150]. Są to odbiorniki o dużej i bardzo dużej
mocy, charakteryzujące się długimi cyklami roboczymi i dlatego koszty energii elektrycznej
stanowią przeważnie znaczącą część całkowitych kosztów procesu.
Można je ograniczyć przez:
- zmniejszenie strat cieplnych,
- zmniejszenie ciepła akumulacyjnego,
- zwiększenie wydajności urządzenia.

Straty cieplne spowodowane są przenikaniem strumienia ciepła przez termo-izolację,

przez tzw. mosty cieplne, czyli dobrze przewodzące elementy konstrukcyjne

145

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

i wyposażenia łączące obszary wysokiej i niskiej temperatury, otwieraniem drzwi, otworów
wsadowych w czasie wyładunku i załadunku wsadu, nieszczelnościami, a także innymi
czynnikami charakterystycznymi dla określonego rodzaju urządzenia.

Przenikanie strumienia ciepła przez termoizolację powinno być ograniczone do

wartości wywołujących przyrosty temperatury obudowy członów grzejnych nie większe od
przewidzianych w normach lub przepisach ich budowy. Moc strat cieplnych z czasem może
wzrastać w wyniku starzenia się izolacji lub powstawania nieszczelności. Niekiedy wzrost ten
jest eliminowany przez ułożenie dodatkowej izolacji z włókien mineralnych na ścianach
komory grzejnej. Wymaga to jednak równoczesnej zmiany układu grzejnego i dlatego staje
się to opłacalne w dużych jednostkach. Straty zmniejsza się w niewielkim stopniu także przy
ograniczeniu mocy oddawanej z obudowy zewnętrznej do otoczenia przez promieniowanie.
Wymaga to zmniejszenia emisyjności całkowitej materiału obudowy, np. przez pokrycie jej
odpowiednim lakierem.

Mosty cieplne mogą być w niektórych rozwiązaniach przyczyną powstawania strat

cieplnych porównywalnych ze stratami przez izolację. Jest to składnik strat niedoceniany,
zwłaszcza przez konstruktorów. Powodują one ponadto lokalne przyrosty temperatury
przekraczające wartości bezpieczne przy dotyku. Mosty cieplne najczęściej występują w
strefie otworów załadowczych i wyładowczych, elementów układów transportowych,
wyprowadzeń elementów grzejnych, czujników temperatury, wentylatorów itp. Właściwe
rozwiązania konstrukcyjne, polegające na zmniejszeniu przekroju „mostów" lub innych
rozwiązaniach zwiększających ich opory cieplne, skutecznie zmniejszają straty cieplne.

Kolejnym czynnikiem zmniejszającym straty jest ograniczenie częstotliwości i czasu

otwierania drzwi, otworów wsadowych lub zmniejszenie ich powierzchni. Straty wywołane
tym czynnikiem są duże. Na przykład moc strat z otwartego wnętrza pieca o temperaturze
1000°C wynosi ok. 75 kW/m

2

podczas gdy straty ze ściany o temp. 60°C do otoczenia o

temp. 20°C są 150 razy mniejsze.

Na zużycie jednostkowe energii (odniesione np. do jednostki masy wsadu) ma istotny

wpływ wartość ciepła akumulacyjnego członu grzejnego, szczególnie w urządzeniach
pracujących dorywczo oraz cyklicznie. Powinny się więc one charakteryzować małą
wartością Q

a

. Muszą to być urządzenia odznaczające się małymi akumulacyjnościami

materiałów konstrukcyjnych, zwłaszcza tych, które pracują w obszarze wysokich temperatur
(mała wartość ciepła akumulacyjnego dynamicznego).

Racjonalizacja pracy urządzenia polegająca na zwiększaniu jego wydajności może być

m.in. realizowana przez maksymalizację wykorzystania objętości komory grzejnej oraz czasu
pracy, ponieważ w czasie postojów urządzenia człon grzejny traci zakumulowane w nim
ciepło [150]. Pewnym wskaźnikiem poprawności energetycznej procesu realizowanego w
urządzeniu rezystancyjnym pośrednim komorowym jest sprawność elektrotermiczna,
rozumiana jako iloraz energii użytecznej

Q

u

do pobranej z sieci

Q

c

w czasie

τ

c

.

146

2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania
___________________________________________________________________________

d

a

s

u

u

c

u

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

+

+

+

=

=

η

(2.84)

przy czym

Q

s

jest energią strat cieplnych,

Q

a

- ciepłem zakumulowanym w członie grzejnym,

Q

d

- energią pobraną przez wyposażenie członu grzejnego. Tak rozumiana sprawność może

być odniesiona do energii

Q

c

pobranej przez całe urządzenie lub przez jego człon grzejny, np.

piec. Nie charakteryzuje ona wyłącznie konstrukcji urządzenia ani jego członu grzejnego.

η

zmienia się w granicach od 0 do

η

max

i zależy tylko w pewnym stopniu od parametrów

energetycznych urządzenia, a zwłaszcza jego członu grzejnego. Ponadto jest ona funkcją
sposobu eksploatacji, np. stopnia wypełnienia komory grzejnej, rodzaju wsadu, jakości
realizowanej technologii i innych czynników niezależnych od stanu urządzenia. Z tych też
względów wśród wielkości charakteryzujących omawianą kategorię urządzeń nie wymienia
się

η

i nie bywa ona obejmowana żadnymi znormalizowanymi wymaganiami, ponieważ nie

jest wielkością uniwersalną.

Rozwój techniki mikroprocesorowej umożliwia kompleksowe podejście do problemu

racjonalnej eksploatacji urządzeń rezystancyjnych, a w szczególności realizacji optymalnego
ich sterowania. Wiąże się z tym w pierwszym rzędzie sformułowanie celów optymalizacji.
Jeśli chodzi o procesy realizowane w powietrzu, to wyróżnia się na ogół następujące cele:
a) Osiągnięcie zadanego rozkładu temperatury we wsadzie w poszukiwanym czasie

końcowym procesu (sterowanie czasowo-optymalne).

b) Uzyskanie zadanego rozkładu temperatury we wsadzie w zadanym czasie końcowym

procesu przy minimalnym błędzie średniokwadratowym, określającym odchylenie
charakterystyki rzeczywistej od zadanej. Zadany czas końcowy jest w tym przypadku
mniejszy aniżeli w przypadku a), kiedy to wymaga się dokładnego osiągnięcia zadanego
rozkładu temperatury.

c) Uzyskanie zadanego dyskretnego rozkładu temperatury we wsadzie (w określonych jego

punktach, np. w środku i na powierzchni).

d) Obróbka wsadu z minimalnymi zmianami na jego powierzchni, np. w wyniku utleniania.
e) Minimalizacja zużycia energii przy nie określonym czasie końcowym procesu [164].

Jak wynika z powyższego wykazu, zagadnienia energetyczne nie zawsze są

czynnikiem decydującym o konstrukcji i eksploatacji urządzenia. Wynika to nierzadko z
niewielkiego wpływu kosztów energii na całkowity koszt produkcji wyrobów obrabianych w
tych urządzeniach (np. materiałów i elementów półprzewodnikowych). Na problem
racjonalnej eksploatacji urządzeń w sensie energetycznym należy jednak patrzeć także jako na
obowiązek w stosunku do przyszłych generacji [44].

Wymienione cele sterowania optymalnego osiąga się przez sterowanie temperaturą,

przy czym elementy grzejne mogą być włączone w jeden lub kilka oddzielnie sterowanych
obwodów grzejnych. Inną często występującą wielkością

147

2. Nagrzewanie rezystancyjne
___________________________________________________________________________

sterowaną jest skład atmosfery piecowej. Zastosowanie techniki mikroprocesorowej
umożliwia oddzielne bądź skojarzone sterowanie tymi wielkościami, ponieważ są one
współzależne. Na przykład w piecach do nawęglania gazowego stali, wielkościami
sterowanymi są temperatura i potencjał węglowy. Stosując mikroprocesor, można realizować
określony program zmian temperatury oraz potencjału węglowego w funkcji czasu oraz
częściowo program zmian potencjału węglowego od temperatury. Taki stopień automatyzacji
został już osiągnięty, przy czym wykorzystuje się do tego celu „odcinkowo sztywne"
programy, opracowane dla określonych faz procesu. Następny stopień automatyzacji polega
na obliczaniu z czasowego przebiegu temperatury i potencjału węglowego stanu nawęglania
wsadu. Wartość ta jest porównywana z zadaną i w zależności od odchyłki realizuje się
optymalnie przebieg procesu. Tego rodzaju sterowanie, aczkolwiek już opanowane, nie jest
tanie i jest stosowane incydentalnie. Sytuacja ta może z czasem ulec zmianie przy obniżeniu
kosztów hardware [310].