2. NAGRZEWANIE REZYSTANCYJNE

Nagrzewanie rezystancyjne (oporowe) jest to nagrzewanie elektryczne wykorzystujące efekt Joule'a w ośrodku przewodzącym stałym, połączonym galwanicznie ze źród­łem energii.

Moc cieplna wywołana efektem Joule'a-Lenza jest proporcjonalna do kwad­ratu prądu w torze

P = R I²

przy czym R jest rezystancją toru wykonanego z materiału o konduktywności γ bądź rezystywności ρ.

Rys. 2.1. Element przewodzący prąd elektryczny

P = γ E²V

V = F · l

Rys. 2.2. Schemat elektryczny urządzenia rezystancyjnego bezpośredniego bezkomorowego z ciągłą regulacją napięcia

1 - zabezpieczenia, 2 - wyłącznik, 3 - przekaźniki zabezpieczające,

4 - tyrystory, 5 - transformator wielkoprądowy, 6 - wsad

Rys. 2.3. Zasilacz zmienno-prądowy z kompensacją mocy biernej

i symetryzacją obciążenia sieci

R - wsad, T- transformator jednofazowy o regulowanej przekładni, C₃ i C₄ - kondensatory do kompensacji mocy biernej. C₁ i C₂ - kondensatory układu symetryzującego Steinmetza, L - dławik układu symetryzującego

Rys.2.4. Charakterystyki nagrzewania prądem przemiennym wsadu prostopadłościennego o przekroju kwadratowym 42 x 42 z normalnej stali węglowej przy różnych napięciach zasilających umożliwiających osiągnięcie temperatury zadanej: po 22 s - krzywe a, po 84 s - krzywe b, po 144 s - krzywe c

Rys. 2.5. Zużycie właściwe energii minimalne (linie ciągłe) i średnie (linie przerywane) przy trzech wartościach maksymalnych natężeń prądu grzejnego: a) w procesie nagrzewania kęsów stalowych od 20 do 1200°C; b) w procesie podgrzewania od 700 do 1200°C

d - średnica kęsa o przekroju kołowym, δ - długość boku kęsa o przekroju kwadratowym

Rys. 2.6. Moc transformatora w urządzeniu rezystancyjnym bezpośrednim bezkomorowym do nagrzewania kęsów stalowych o przekroju kwadratowym, δ - długość boku, l - długość kęsa

Poważnym problemem, zwłaszcza przy nagrzewaniu ferromagnetyków, jest zjawisko naskórkowości, powodujące nierównomierny rozkład gęstości gę­stości prądu i mocy objętoś­ciowej w przekroju poprzecznym wsadu.

Rys.2.7. Zjawisko naskórkowości przy nagrzewaniu rezystancyjnym

bezpośrednim wsadu cylindrycznego

Rys.2.8. Kompletne urządzenie do nagrzewania prętów o przekroju kołowym

Rys.2.9. Fragment nagrzewnicy rezystancyjnej bezpośredniej przelotowej

Przy bardzo dużych szybkościach procesu grzejnego, wyrównanie tempera­tury w przekroju poprzecznym wskutek przewodnict­wa cieplnego może być niedostateczne, co zmusza do stosowania napięć stałych.

Rys. 2.10. Schemat pieca Achesona do grafityzacji elektrod zasilanego prądem stałym

1 - fundament, 2 - wymurówka ogniotrwała, 3 - suchy piasek, 4 - ściana czołowa nierozbieralna, 5 - zasypka termoizolacyjna, 6 - zasypka oporowa, 7 - wsad (elektrody cylindryczne), 8 - ściana boczna rozbieralna, 9 - otwory do odprowadzania gazów, 10 - elektrody doprowadzające prąd do rdzenia

Rys. 2.11. Zmiennoprądowy układ zasilania pieców Achesona

1 - transformator piecowy, 2 - transformator kompensacji,

3 - bateria kondensatorów kompensacji,

4 - tor wielkoprądowy, 5 - piece

Elementy grzejne

Rezystancyjne materiały grzejne

Przy nagrzewaniu rezystancyjnym pośrednim ciepło wytwarza się w rezy­storze grzejnym połączonym ze źródłem energii elektrycznej. Rezystor grzejny jest częścią elementu grzejnego, która wraz z wyposażeniem tworzy samodzielny podzespół, wchodzący w skład każdego urządzenia rezystan­cyjnego pośredniego. Podzespół ten może, ale nie musi, być trwale zinte­growany z urządzeniem grzejnym. Jeśli nie jest zintegrowany, wówczas bywa łatwo wymienialny.

Przetwarzanie energii elektrycznej w ciepło ma miejsce w rezystorze grzej­nym zgodnie z prawem Joule'a, a więc ze 100 procentową sprawnością.

Rezystancyjne materiały grzejne powinny posiadać pewne cechy, z których najistotniejszymi są: odpowiednie parametry elektryczne i mechaniczne umożliwiające wykonanie z nich rezystorów, a następnie elementów grzej­nych; wytrzymałość na temperaturę roboczą; odporność na środowisko ro­bocze; niski koszt jednostkowy. Jest wiele materiałów spełniających w mniejszym lub większym stopniu te wymagania. Na ogół wyodrębnia się trzy następujące grupy materiałów: stopy rezystancyjne, metale wysokoto­pliwe, materiały niemetalowe. Do pewnych rodzajów elementów grzejnych używa się także aluminium, miedzi, konstantanu, niklu i żelaza.

Stopy rezystancyjne. Do grupy tej należą stopy austenityczne bezżelazowe typu Ni-Cr (tzw. nichromy lub chromonikieliny) i żelazowe typu Ni-Cr-Fe, Fe-Cr-Ni, Fe-Ni-Cr zawierające często niewielkie ilości składników uszla­chetniających oraz stopy ferrytyczne typu Fe-Cr-Si, Fe-Cr-Al (stopy z Al to tzw. ferchromale), także z zawartością niewielkiej ilości składników uszla­chetniających. Dodatkami uszlachet­niającymi stopy austenityczne są m.in.: krzem w ilości 1,5 ÷ 2%, cer - ok. 0,8%, wapń ok. 0,5%, aluminium - do 5%. Stopy ferrytyczne są domieszkowane węglem 0,1 ÷ 0,15% oraz nie­wielkimi ilościami metali ziem rzadkich takich jak np. itr, cer. Tablice za­wierające podstawowe dane o tych stopach zostały podane w wykładzie z PE.

Od stopów rezystancyjnych wymaga się dużej rezystywności, co umożliwia uzyskanie rezystora grzejnego o małej masie. Pozwala to na koncentrację mocy grzejnej i efektywne wykorzystanie materiału rezystancyjnego.

Stopy rezystancyjne mają skład chemiczny uodparniający je na korozję chemiczną stanowiącą jeden z głównych czynników decydujących o ich trwałości. Odporność na korozję chemiczną wynika z dyfuzji w kierunku powierzchni przede wszystkim składników antykorozyjnych stopu. W przypadku ferchromali składnikiem tym jest Al.

Typowymi wyrobami ze stopów rezystancyjnych są druty i taśmy, ale spo­tyka się także wyroby w postaci rur, prętów, blach, płyt. Wszystkie te wy­roby stanowią materiał wyjściowy do konstruowania rezystorów grzejnych.

Metale wysokotopliwe. W budowie urządzeń rezystancyjnych pośrednich, a także urządzeń promiennikowych, największe znaczenie mają molibden, wolf­ram, tantal oraz w mniejszym stopniu platyna. Podstawowe parametry tych materia­łów podane zostały w PE. Cechą szczególną wymienionych me­tali jest bardzo duży temperaturowy współczynnik rezystywności. Ma to istotny wpływ na układy zasilania znacznej części urządzeń wyposażonych w elementy grzejne z tych materiałów. Przy nagrzewaniu Mo, W i Ta w powietrzu nie tworzą się na nich warstewki tlenków, które stanowiłyby ochronną warstwę zapobiegającą ich zniszczeniu. Mogą więc być one eks­ploatowane jedynie w atmosferach ochronnych lub próżni ≤ 10^-2 Pa.

Materiały niemetalowe. W grupie materiałów niemetalowych wyróżnić na­leży dwie kategorie: przeznaczone do pracy w temperaturach niskich (≤ 400°C) i wysokich (≥ 1400°C). Obszar średnich temperatur jest w zasadzie „zarezerwowany" dla materiałów metalowych, a głównie stopów austeni­tycznych i ferrytycznych. Stopy te można oczywiście stosować także w ob­szarze temperatur niskich, ale tam gdzie jest to możliwe korzysta się raczej z materiałów tańszych, np. aluminium, miedzi i konstantanu (ten ostatni materiał jest stosowany nawet do 600°C). Materiały niskotemperaturo­we niemetalowe są przeznaczone na elementy grzejne liniowe, powierzchniowe i objętościowe i z powodzeniem konkurują w tej kategorii z materiałami metalowymi.

Materiały rezystancyjne niskotemperaturowe niemetalowe to najczęściej wysokomolekularne dielektryki z zawartością substancji o dużej konduk­tywności takich jak metale, przewodzące sadze, grafit, niektóre półprze­wodniki. Istnieje także grupa takich materiałów otrzymywanych drogą syn­tezy chemicznej.

Materiały rezystancyjne wysokotemperaturowe niemetalowe zostały pier­wot­nie opracowane do zastosowań w obszarze wysokich temperatur, wy­kluczających stosowanie stopów austenitycznych i ferrytycznych. Obecnie z powodzeniem stosuje sieje także w temperaturach ≤ 1400°C. Ich składy chemiczne są zróżnicowane. Mają one też cechę wspólną - bardzo silną i nieliniową zależność rezystywności od temperatury. Powoduje to określone konsekwencje w zasilaniu pieców z elementami grzejnymi wykonanymi z takich materiałów.

Tablica 2.1. Podstawowe właściwości niektórych stopów austenitycznych

Typy stopów	Nazwa lub oznaczenie handlowe stopu	Kraj wytwa-rzania	Główne składniki chemiczne w przybliżeniu			Rezys-tywność w tempe- raturze 20^0C	Dopusz-czalna tempe- ratura pracy	Tempera-tura topnienia
									Ni	Cr	Fe
-	-	-	% masy			Ω·mm^2/m	^0C	^0C
Austenitycz-ne bezżelazowe typu Ni-Cr	Baildonal 80	Polska	79	20	-	1.09	1200	1400
		Baildonal 70	Polska	69	30	-	1.17	1230	1380
		Chroniterm 80 Spezial	RFN	80	20	-	1.12	1220	1450
		Chroniterm 70 Spezial	RFN	70	30	-	1.19	1250	1400
		Chronix 80 Extra	RFN	80	20	≤1	1.12	1250	1400
		Chronix 70 Extra	RFN	70	30	≤1	1.19	1250	1380
		Nikrothal 80 Plus	Szwecja	80	20	-	1.09	1200	1400
		Х20Н80	Rosja	75÷78	20÷23	-	1.09	1100	1390÷1420
		ХН70Ю	Rosja	67÷71	26÷29	-	1.34	1200	1390÷1420
		R.D.01	Francja	80	20	<1	1.08	1200	-
		R.D.02	Francja	70	30	<1	1.18	1260	-
	Austenitycz-ne żelazowe typu Ni-Cr-Fe Fe-Cr-Ni Fe-Ni-Cr	Cronifer II Extra	RFN	60	15	21	1.13	1200	1390
		Cronifer III Extra	RFN	30	20	46	1.04	1150	1390
		Cronifer IV Extra	RFN	20	25	50	0.95	1100	1380
		Chroniterm 60 Spezial	RFN	60	15	25	1.13	1150	1390
		Chroniterm 30 Spezial	RFN	30	20	50	1.04	1100	1390
		Chroniterm 20 Spezial	RFN	20	25	55	0.95	1050	1380
		Nikrothal 60 Plus	Szwecja	60	15	25	1.11	1150	1390
		Nikrothal 40 Plus	Szwecja	35	20	45	1.04	1100	1390
		Nikrothal 20 Plus		20	25	55	0.95	1050	1380
		Х25Н20	Rosja	17÷20	24÷27	reszta	0.92	1000	1400÷1430
		R.D.03	Francja	60	15	25	1.12	1125	-
		R.D.04	Francja	45	23	32	1.12	1150	-

Tablica 2.2. Podstawowe właściwości niektórych stopów ferrytycznych

Typy Stopów

Nazwa lub oznaczenie handlowe stopu

Kraj wytwa- rzania

Główne składniki chemiczne w przybliżeniu

Rezys-tywność w tempe- raturze 20°C

Dopusz- czalna tempe-ratura pracy

Tempe- ratura topnienia

Cr

Fe

Al.

Si

-

-

-

% masy

Ω·mm^2/m

°C

°C

Ferry-tyczne typu Fe-Cr-Si

Megatherm I Megatherm II

RFN RFN

30 18

67.5 78.5

- -

2.5 3.5

0.87 1.05

1050 900

1470 1460

Ferry-tyczne typu Fe-Cr-Al

Alsichrom 1 Alsichrom 2 Alsichrom 10 SO Aluchrom O Aluchrom P Aluchrom S Aluchrom W Baildonal 12 Baildonal 10 Baildonal 8 Kanthal APM Kanthal AF Kanthal A-1 Kanthal D Alkrothal OX27IO5A OX23IO5A RD.05 RD.07

RFN RFN RFN RFN RFN RFN RFN Polska Polska Polska Szwecja Szwecja Szwecja Szwecja Szwecja Rosja Rosja Francja Francja

25 20 14 25 20 20 15 23 17 13 22 22 22 22 15 26÷28 21.5÷23.5 25 20

68.5 74 74.5 68.5 74 74.5 79.5 72 78 83 72.2 72.7 72.2 73.2 80.7 resz-ta resz-ta 70 75

5 5 4 5.5 5 4.5 4.5 5 5 4 5.8 5.3 5.8 4.3 4.3 5.5÷5.8 4.5÷5.2 5 5

- - - - - - - - - - - - - - - - - - -

1.44 1.37 1.25 1.44 1.37 1.35 1.25 1.43 1.34 1.29 1.45 1.39 1.45 1.35 1.25 1.42 1.35 1.45 1.39

1350 1250 1050 1350 1300 1270 1050 1280 1200 1050 1400 1400 1400 1300 1100 1300 1200 1375 1330

1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1510 1510 1510 1500 1500 1500 1500 1500 1500÷1510 1500÷1510 - -

Tablica 2.3. Podstawowe właściwości metali wysokotopliwych

Nazwa metalu	Rezystywność w 20^0C	Dopuszczalna temperatura pracy	Temperatura topnienia
-	Ω·mm^2/m	^0C	^0C
Molibden Wolfram Tantal Platyna	0.050 0.055 0.125 0.105	1900 2500 2400 1600	2360 3387 3030 1772

Tablica 2.4. Podstawowe właściwości materiałów wysokotemperaturowych niemetalowych

Rodzaj i symbol chemiczny	Nazwa lub oznaczenie handlowe	Kraj wytwa­rzania	Rezystyw-ność w temperatu­rze 20°C	Rezystywność w temperaturze t		Dopuszczalna temp. pracy w powietrzu
									t	ρ
-	-	-	(Ω-mm^2)/m	°C	(Ω-mm^2)/m	°C
Karborund SiC	Silit-Cesiwid Silit KEN A; KEN B Morganite Tecorundum Cristolon CL Globar LL Globar SG Hot Rod CXL	RFN RFN Rosja W.Bryt. Japonia USA USA USA USA	~4000 - - - - - ~1850 ~1600 -	1500 1400 1400 1300 1300 1300 1300 1300 1300	1250 900 1500 1100 1500 1100 1200 1000 1100	1600 1450 1450 1650 1700 1600 1540 1650 1650
Krzemo-molibden MoSi2	Kanthal ST Kanthal N Kanthal 33 Kanthal 1900^1) - Mosilit	Szwecja Szwecja Szwecja Szwecja Rosja RFN	0.30 0.30 0.28 0.33 - 0.32	1500 1500 1500 1800 1600 1600	3.45 3.45 3.30 3.80 3.70 4.10	1700 1700 1800 1900 1700 1700
Węglik niobu NbC	-	Rosja	0.50	2600	2.31	2500^2) 3000^3)
Węglik niobu NbC +10%TiC	-	Rosja	0.74	2600	3.08	2500^2) 3000^3)
Chromian lantanu LaCr03	Typ A Typ B	Japonia Japonia Rosja	8000^6) 12000^6) 100000	1500 1500 -	1000 3000	2000 2000 1850
Węgiel i grafit C	Węgiel amorficzny	Francja	70÷80	2000	28÷32	2300^4)
		Grafit syntetyczny	Francja	8÷10.5	2500	9.3÷12.3	3000^5)
^l) Część Mo zastąpiono W. ^2) W próżni. ^3) W argonie technicznym. ^4) W atmosferze beztlenowej. ^5) W helu. ^6)W temperaturze 100^0C

Rys.2.12. Elementy grzejne powierzchniowe z rezystorami metalowymi

Rys.2.13. Kable grzejne

Rys. 2.14. Najbardziej charakterystyczne rodzaje elementów grzejnych średniotemperaturowych,

a) skrętkowy, b) taśmowy, c) drutowy meandryczny

Rys.2.15. Elementy grzejne wykonane z drutu o przekroju kołowym:

1. i c) spiralne, b) falisty

Rys.2.16. Mocowanie elementów grzejnych z rezystorami falistymi

Rys.2.17. Zalecane maksymalne obciążenia powierzchniowe stopów rezystancyjnych ferchromalowych (Kanthal A-1/AF) oraz chromoniklowych (Nikrothal 60/80 Plus)

Rys. 2.18. Elementy grzejne karborundowe,

1 - rezystor grzejny, 2 - końcówka, 3 - część metalizowana końcówki, 4 - łączówka

Rys.2.19. Element grzejny karborundowy z taśmą zasilającą

Urządzenia rezystancyjne pośrednie bezkomorowe

Rys.2.20. Zapobieganie oblodzeniem ciągów komunikacyjnych

Rys.2.21. Ogrzewanie zbiorników

Rys.2.22. Fragment podłogowego układu grzejnego

Urządzenia rezystancyjne pośrednie komorowe

Rys. 2.23. 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

Rys.2.24. Piec komorowy z karborundowymi elementami grzejnymi

Rys.2.25. Piec wgłębny z elementami grzejnymi ze stopów rezystancyjnych po zdjęciu pokrywy

Rys. 2.26. 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

Rys. 2.27. Piec wózkowy (przetokowy)

Wielkości charakterystyczne pieców rezystancyjnych

Wielkości te określają ich budowę oraz działanie. Zostaną one zdefiniowane na bazie charakterystyk zwazanych z nagrzewaniem pieców.

Rys. 2.28. Charakterystyki dynamiczne pieca rezystancyjnego nieprzelotowego

Zbiór wielkości charakteystycznch obejmuje:

- 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),

- 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.

Zasilanie i eksploatacja

Rys. 2.29. Sterowanie tyrystorowe obiektów o małej mocy: a) regulacja fazowa w zakresie mocy 0÷P_n; b) re­gulacja 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)

Rys. 2.30. Sterowniki tyrystorowe w układzie odwrotnie-równoległym obiektów dużej mocy: a) regulacja impulsowa; b) układ gwiazdowy; c) układ gwiazdowy z przewodem zerowym; d) układ trójkątowy

24

---