11. Piece oporowe
Zgodnie z prawem Joulea 'prąd elektryczny l płynąc przez rezystancję R wydziela w czasie t energię cieplną PRt. Zjawisko to występuje, choć Jest a-niepożądane, w przewodach i kablach, w uzwojeniach maszyn i transformatorów powodując szkodliwe ich nagrzewanie; są to straty energii, które elektrycy starają się zmniejszać. Tu, w urządzeniach elektrod CTmicanych 'oporowych (rezystancyjnych) zjawisko to jest wykorzystywane użyteczne, i wydzielana energia jest użyteczną energią cieplna. Spośród urządzeń przemysłowych do tej grupy należą przede wszystkim piece oporowe o nagrzewaniu pośrednim. Mają one komorę grzejną o kształcie i wymiarach dostosowanych do 'wsadu, który ma być do niej wprowadzany. Energia cieplna wydziela się w opornikach grzejnych umieszczonych w komorze. Kształt komory grzejnej oraz sposób ładowania wyładowywania wsadu określają rodzaj budowy pieca i tak:
a) piec komorowy — ma prostopadłościenną komorę grzejną z drzwiami w ścianie bocznej, przez które wsad jest ładowany i wyładowywany są to najbardziej rozpowszechnione piece oporowe o szerokim zakresie mocy znamionowych i temperatur znamionowych.
b) piec tunelowy — ma długą (nawet na kilkadziesiąt metrów) komorę grzejną, a wsad ładowany przez otwór na początku komory grzejnej jest przesuwany w trakcie procesu grzejnego do otworu u końca komory i tam jest "wyładowywany
wgłębny, wannowy, niskotempereturowy, średniotemp, wysokotemp,
.Temperatura znamionowa pieca, gwarantowana w komorze grzejnej, | jest oczywiście niższa od temperatury oporników grzejnych. Pamiętając o tym łatwo wskazać, które z wymienionych materiałów oporowych nadają się do pleców nisko- i średniotemperaturowych, a które — do pleców wysokotemperaturowych. Łatwo też zauważyć, że temperatura Jaką można uzyskać w piecu oporowym o nagrzewaniu pośrednim nie przekracza 1800° C (w powietrzu lub innej atmosferze tlenowej) i 3000°C (w atmosferze beztlenowej lub w próżni). Ogranicza to zakres przydatności takich pleców. Mają one jednak tę wyższość nad innymi, dalej omówionymi plecami, że umożliwiają nagrzewanie przedmiotów o dowolnych kształtach, z materiałów o dowolnych własnościach fizycznych.
Rodzaj materiału użytego na oporniki grzejne ma duży wpływ na tryb pracy pieea i na sposób przeprowadzania napraw. Problemy te zostaną pokrótce przedstawione /na przykładnie pieca z opornikami grzejnymi ferrochromalowymi, które są powszechnie stosowane. Rezystywność ferrochromali wzrasta z temperaturą nieznacznie i zimny piec (przy tym samym układzie połączeń 'oporników) pobiera prąd zaledwie kilka... kilkanaście procent większy niż w stanie nagrzanym; z punktu widzenia instalacji zasilającej nie przedstawia to większego problemu. Ferrochro' male dobrze pracują w powietrzu lub w atmosferze obojętnej (np. azotu). Na ich powierzchni tworzy się warstewka ochronna tlenku glinu AlgO^ zabezpieczająca głębsze warstwy przed korozją.
Piece elektrodowe.
prąd elektryczny płynący przez elektrolit po między zanurzonymi w nim elektrodami wydziela ciepło. zjawisko to wykorzystuje się w tych piecach celem ich jest: — nagrzewanie samego elektrolitu: wody, masy szklanej, masy betonowej albo
— nagrzewanie przedmiotów zanurzonych w elektrolicie; tak działają elektrodowe piece solne. Tygiel elektrodowego pieca solnego (rys. 2.30) jest wypełniony roztopionymi solami nagrzewanymi przez prąd elektryczny. Elektrody główne 2 z czystego żelaza są wpuszczone w ogniotrwałe ściany tygla 3 i dzięki temu nie zajmują w nim miejsca. Skład chemiczny kąpieli solnej zależy od temperatury znamionowej pieca, a zatem — od rodzaj u obróbki cieplnej, która ma być w nim przeprowadzana (nagrzewanie wstępne, hartowanie, cyjanowa-nie, odpuszczanie). Na przykład w plecach o najwyższej temperaturze znamionowej: 1200 ... 1375°C w stopionym chlorku baru BaClg hartuje się narzędzia ze stali szybkotnącej.
Łukowe urządzenia elektrotermiczne
W łukowych urządzeniach elektrotermicznych źródłem ciepła jest łuk elektryczny o dużej mocy. Łuk. elekfarycziny sprawia j ą-cy tyle ikło-potow w procesiie wyłączania pfrądu przez łączm-iki bywa z p'o'zytikiem wykorzystywany w urządzeniach grzejtnych i spawalniczych. Nagrze-wame łukowe charakteryzuje się bardzo nierównomiernym rozkładem temperatur we wsadzie, bo kolumna łukowa ma stosunkowo nieduże rozmiary, a bardzo wvsoika temiDeirature. siega-iaca 10 000°C. Z tvch powodów nagrzewanie łukowe nadaje się do topienia metali, również trudnotopliwych, a me nadaje się do procesów obróbki cieplne] wspomnianych w poprzednich rozdziałach
Najbardziej rozpowszechnionym urządzeniem tego typu jest piec łukowy do wytopu stali (rys. 2.33). Łuk płonie między elektrodami 4 a wsadem 6; w piecu trójfazowym są trzy elektrody rozmieszczone — z góry patrząc — w układzie trójkątnym. Elektrody o średnicy sięgającej nawet 0,5 m są wykonywane według .specjalnej technologu z grafitu, z domieszkami obniżającymi pracę wyjścia i ograniczającymi zużycie pod działaniem łuku. Cykle pieca: ładowanie pieca, roztapianie wsadu, wygrzewanie wsadu, odtlenianie wsadu, spust stali.
Indukcyjne urządzenia elektrotermiczne
Indukcyjne urządzenia elektrotermiczne działają jak transformator — na zasadzie indukowania prądów w zmiennym polu magnetycznym (rys. 2.35). Rolę uzwojenia pierwotnego spełnia wzbudnik, cewka o n zwojach zasilana prądem przemiennym. Nagrzewany wsad metalowy zachowuje się jak uzwojenie wtórne o jednym zwoju. Z teorii transformatora wynika, że prąd płynący we wsadzie jest w przybliżeniu n razy większy od prądu wzbudnika, a częstotliwość obu prądów jest jednakowa.Im większa jest częstotliwość, tym silniej uwydatnia się naskórko-wość zarówno we wzbudniku, jak i we wsadzie. Gęstość prądu nie jest jednakowa w całym przekroju przewodnika, lecz rośnie w miarę zbliżania się ku jego powierzchni; przy największych stosowanych częstotliwościach prawie cały prąd płynie cienką warstwą przypowierzchniową i tylko w tej warstwie wydziela się ciepło. Podobnie zachowuje się strumień magnetyczny o różnej częstotliwości w rdzeniu ferromagnetycznym. Ponadto wyróżniamy piece kanałowe, tyglowe, skrośne, powierzchniowe.
Pojemnościowe urządzenia elektrotermiczne
W dielektryku każdego kondensatora występują niepożądane straty dielektryczne związane z polaryzacją i z upływnością. W zwykłych kondensatorach są one nieduże, ale objawiają się dostrzegalnym nagrzewaniem się tych przyrządów. Nagrzewnice pojemnościowe używane do nagrzewania dielektryków wykorzystują straty dielektryczne jako użyteczną moc grzejną. Potrzebną tu dużą moc grzejną uzyskuje się dzięki
temu, ze:
a) nagrzewany wsad Jest iznacznie gorszym dielektrykiem imż ten, który oddziela okładamy zwykłych kondensatorów, a zatem — •w podobnych warunkach — wykazuje ^acar^e większ-e straty dielektryczne,
b) pomiędzy elektrody fnagrzewinicy przykłada się wysokie napięcie, sięgające l ... 2 ikV 1 cm grubości 'wsadu,
c) nagrzewnicę zasila się napięciem wielkiej częstotliwości (13,56, 27,12 lub 40,68 MHiz w przypadku 'nagrzewane przemysłowych); stosuje się tylko wytoraine częsitotlrwróci, by zapobiec zakłóceniom radioelektrycznym.Prostsze inagrzewmice pojemnościowe przyp'omijnaJa kondensator płaski (rys. 2.38). Wsad znajduje się między płaskimi elektrodami: elektrodą roboczą i uziemioną przeciwelektrodą. Ciepło wydziela si^ w całej objętości wsadu; ma to kapitalne znaczenie, bo większość dielektryków źle przewodzi ciepło i nagrzewanie ich w sposób pośredni, np. w piecu oporowym, trwałoby wzelokrotme dłużej. Nagrzewnice pojemnościowe są używam e do:
l) suszenia drewna,klejenia, sterylizacji, pieczenia, zgrzewania, diatermi.
Promiennikowe urządzenia elektrotermiczne
W niektórych uprzednio przedstawionych urządzeniach elektrotermicznych znaczna część energii cieplnej dociera do wsadu drogą promieniowania: — z oporników grzejnych w piecu oporowym komorowym — z łuku i rozżarzonych końców elektrod w piecu łukowym
Natomiast w promiennikowych urządzeniach elektrotermicznych — praktycznie biorąc — wsad jest nagrzewany wyłącznie przez promieniowanie. Stosowane są dwie odmiany źródeł promieniowania podczerwonego .Promienniki wysokotemperaturowe emitujące promieniowanie o mniejszej długości fali (poniżej 2 ixm), używane do głębszego nagrzewania. Są to przede wszystkim promienniki lampowe o mocy 125 ... 500 W, które od zwykłych żarówek do celów oświetleniowych różnia się niższa temperaturą żarnika (ok. 1900°C) i paraboloidalnym odó/ym&iem wewnętrznym formującym równoległą wiązkę promieniowania. Do tej grupy należą też promienniki kwarcowe o mocy 600 ... 7500 W, budową przypominające żarówki halogenowe dużej mocy .2. Promienniki niskotemperaturowe wysyłające promieniowanie o większej długości fali a więc o mniejszej energii, używane do płytkiego nagrzewania. Są to przeważnie rurki ceramiczne lub metalowe nagrzewane do temperatury 300... 800°C przez oporniki grzejne zaprasowane w ich wnętrzu. Wymagają one zewnętrznych odbłyśników.