Instalatie Experimentala Pentru Determinarea Coeficientului de Transfer Termic Prin Convectie In Spatiu Limitat

INSTALAȚIE EXPERIMENTALĂ PENTRU DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE TRANSFER TERMIC PRIN CONVECȚIE ÎN SPAȚIU LIMITAT

Cuprins

Capitolul I

SCHEMA GENERALĂ A CONSTRUCȚIEI UNUI CUPTOR

I.1. Definiții. Utilizări

I.2. Părțile principale ale unei instalații de cuptor

I.3. Variantele utilizării combustibilului în cuptoarele industriale

I.4. Clasificarea cuptoarelor industriale

I.5. Principiile generale ale arderii combustibililor în cuptoare

Capitolul II

TIPURI CONSTRUCTIVE DE CUPTOARE INDUSTRIALE

II.1. Cuptoare verticale (turn)

2.2. Cuptoare cu vatră

II.3. Cuptoare de topire cu creuzet

II.4. Cuptoare cu propulsie

II.5. Cuptoare cu combustibil din secțiile de forjă

II. 6. Cuptoare rotative

II.7. Cuptoare tunel

II.8. Schimbul de căldură în incintele cuptoarelor

II.9. Analiza energetică a cuptoarelor electrice

II.10. Determinări teoretice – experimentale

Capitolul III

PREZENTAREA INSTALAȚIEI EXPERIMENTALE ȘI A METODEI PENTRU DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE TRECERE A CĂLDURII ÎN CAZUL CONVECȚIEI LIBERE ÎN SPAȚIU LIMITAT

3.1. Procesul de trecere a căldurii

3.2 Factorii de care depinde coeficientul de convecție

3.3 Teoria similitudinii aplicată convecției termice

3.4 Metoda de determinare a coeficientului de convecție într-un spațiu limitat

3.5 Prezentarea instalației experimentale

Capitolul IV

CONTRIBUȚII PERSONALE PRIVIND REALIZAREA PRACTICĂ A INSTALAȚIEI EXPERIMENTALE, OBȚINEREA DATELOR EXPERIMENTALE ȘI PRELUCRAREA REZULTATELOR

Capitolul V

STABILIREA TRASEULUI TEHNOLOGIC PENTRU UN REPER

ANEXE

BIBLIOGRAFIE

Capitolul I

SCHEMA GENERALĂ A CONSTRUCȚIEI UNUI CUPTOR

I.1. Definiții. Utilizări

Cuptorul industrial este o instalație energo-tehnologică în care prin acțiunea căldurii se atribuie unui produs sau unui material anumite însușiri fizice sau chimice necesare pentru prelucrarea ulterioară sau pentru elaborarea lui ca produs finit.

Utilizarea cuptoarelor în industriile metalurgică, siderurgică și constructoare de mașini este deosebit de răspândită.

Astfel, în cuptoarele Siemens-Martin are loc elaborarea oțelului pornind de la fier brut, deșeuri de fier și oțel, minereu, cu adaos de calcar.

În cuptoarele de încălzire, lingourile sau semifabricatele de metal își măresc plasticitatea pentru a fi mai ușor prelucrate ulterior.

În cubilourile de turnătorie fonta este topită pentru a fi turnată. Concomitent se poate modifica și compoziția chimică a acestuia, în raport cu condițiile cerute la turnare (fontă cenușie, fontă rezistentă la temperaturi înalte etc).

În unele cuptoare de tratament termic piesele de oțel se încălzesc, iar apoi se răcesc după un regim bine stabilit, realizându-se astfel modificări ale structurii interne a metalului, fără o modificare a compoziției lui chimice (călire, recoacere, normalizare, revenire).

În metalurgia metalelor feroase și neferoase cuptoarele sunt agregate tehnologice principale. Astfel, în întreprinderile metalurgice pentru metale feroase se utilizează cuptoare înalte (furnale) pentru obținerea fontei, cuptoare Martin și electrice pentru elaborarea oțelurilor, cuptoare pentru încălzirea lingourilor înainte de laminare etc [4].

La fel de mare este importanța cuptoarelor în industria sticlei, a porțelanului, a faianței, a cărămizilor refractare, a cimentului etc.

Executând anumite funcții tehnologice cuptoarele sunt agregate energetice complexe, care consumă cantități mari de combustibil de calitate superioară.

Consumul de combustibil al cuptoarelor industriale ocupă unul din primele locuri în bilanțul general de combustibil al unei țări, utilizarea judicioasă a acestuia fiind o problemă de actualitate, cu atât mai mult cu cât prețul combustibilului la scară mondială crește.

I.2. Părțile principale ale unei instalații de cuptor

O instalație de cuptor este un agregat complex, adică cuprinde, în afară de cuptorul propriu-zis, o serie de alte instalații și mecanisme anexe, necesare pentru funcționarea cuptorului [4].

Fig. 1.1. Schema generală a unui cuptor:
1 – focar; 2 – camera cuptorului; 3 – instalație regenerativă;
4 – cazan recuperator; 5 – instalație de tiraj; 6 – ventilator;

Figura 1.1 prezintă, în mod schematic o instalație de cuptor compusă din următoarele părți principale:

Focarul (1) este adaptat combustibilului utilizat, deci construcția lui depinde de felul combustibilului. Pentru combustibili solizi se utilizează focare cu grătar, pentru cei lichizi injectoare, iar pentru cei gazoși arzătoare. Mărimea focarului, arzătoarelor și injectoarelor depinde, în afară de felul combustibilului și de debitul de combustibil folosit. Focarul se găsește sau în imediata apropiere a cuptorului propriu-zis (spațiului de lucru) sau face parte chiar din acesta. În acest caz, arzătoarele sau injectoarele sunt fixate direct pe pereții cuptorului și trimit flăcări în spațiul de lucru.

Cuptorul propriu-zis (2) este format din spațiul de lucru în care are loc transmisia căldurii de la gazele produse prin ardere la materialul supus prelucrării.

Spațiul de lucru este limitat lateral de pereții cuptorului, jos de vatră și sus de boltă, care trebuie să suporte temperaturile de regim și în același timp să evite evacuarea căldurii spre exterior în atmosferă.

Pentru a îndeplini aceste condiții, ele se execută în general din două feluri de materiale:

– spre interior, din material ceramic refractar; acesta trebuie să suporte atât temperatura ridicată a gazelor, cât și atacul chimic al gazelor, prafului și zgurilor produse în spațiul de lucru;

– spre exterior, pereții laterali, bolta și vatra au un strat de material izolator și de protecție. Acestea evită pierderile de căldură din spațiul de lucru și protejează pereții contra degradării mecanice.

Toată zidăria cuptorului este înconjurată de un schelet metalic numit armătura cuptorului.

Dimensiunile spațiului de lucru depind de capacitatea cuptorului și de regimul lui termic. Cuptoarele pentru încălzit, de exemplu, pot avea o suprafață a camerei de lucru între 0,25 și 60 m2, iar cuptoarele pentru ciment o lungime a tamburului de până la 150 m.

Instalația regenerativă (3) permite reducerea temperaturii gazelor de ardere prin preîncălzirea aerului sau a combustibilului gazos înainte de a se introduce în focar.

Prin preîncălzirea aerului și a combustibilului temperatura de ardere a acestuia se mărește, ridicând astfel și temperatura în camera de lucru a cuptorului, în felul acesta se realizează o mărire a economicității instalației, micșorându-se consumul specific de combustibil și mărindu-se randamentul cuptorului.

Cazan recuperator (4). În multe cazuri gazele de ardere, la ieșirea din camera de lucru, conțin mai multă căldură decât cea necesară pentru preîncălzirea aerului și a combustibilului gazos. În aceste cazuri este indicată instalarea unor cazane recuperatoare pentru producerea aburului sau apei calde (fierbinți) necesare în scopuri tehnologice. În felul acesta randamentul cuptorului industrial se mărește semnificativ. Uneori recuperatorul este așezat imediat după camera cuptorului, preîncălzitoarele de aer și combustibil fiind amplasate după el.

Instalația de tiraj (5) are rolul de a evacua în atmosferă gazele de ardere, precum și produsele gazoase degajate în urma prelucrării materialului în cuptor.

În majoritatea cazurilor, în camera de lucru a cuptorului, gazele de ardere se află sub o ușoară suprapresiune și deplasarea lor nu este asigurată de instalația de tiraj, ca în cazul generatoarelor de abur. Instalația de tiraj asigură de obicei mișcarea gazelor după ce acestea au părăsit camera cuptorului. Tirajul poate fi natural sau asigurat forțat de către un ventilator. Cuptoarele sunt înzestrate și cu utilaje mecanice care servesc la încărcare, descărcare, transport de materiale în interiorul cuptorului (vagoane, benzi de transport etc.). De asemenea, cuptoarele pot fi înzestrate cu aparate pentru reglajul arderii sau pentru reglarea automată a cuptorului în întregime.

Schema prezentată în figura 1.1 este generală, nu însă și unică. În unele cazuri căldura care părăsește cuptorul se folosește pentru preîncălzirea materialului înainte de introducerea lui în camera de lucru. Alteori nu este necesară preîncălzirea aerului și a combustibilului în regeneratoare, aceasta asigurându-se în interiorul cuptorului, utilizându-se căldura materialului care se răcește etc.[4]

I.3. Variantele utilizării combustibilului în cuptoarele industriale

Modul de utilizare a combustibilului în focarul cuptoarelor industriale este divers, depinzând atât de tipul combustibilului, cât și de construcția și scopul cuptorului.

Cuptoarele industriale pot funcționa cu combustibili solizi, lichizi sau gazoși.

Dintre combustibilii solizi, lemnul și cărbunele de lemn sunt rar luați în considerație la încălzirea cuptoarelor industriale, din cauza costului lor ridicat, afară de cazul când sunt disponibile deșeurile de lemn ieftin. Dacă sunt necesare un reglaj bun de temperatură și o automatizare a dozării aportului de combustibil, nici ceilalți combustibili solizi nu pot fi utilizați, în afară de cazul când se utilizează instalația de ardere cu semigaz. O excepție importantă o alcătuiesc cuptoarele în vrac, la care combustibilul și materialul sunt dispuse în straturi alternative, iar aerul este insuflat sub presiune (furnale, cubilouri, cuptoare de var). De asemenea, o reglare bună a temperaturii și o automatizare a aportului de combustibil se pot obține cu praf de cărbune (de exemplu, la cuptoarele de ciment rotative).

Combustibilii gazoși și lichizi prezintă mari avantaje la exploatarea cuptoarelor și anume [1] :

– transport comod, pe conducte, sub presiune;

– permit o ardere cu exces scăzut de aer deoarece se pot amesteca cu aerul mult mai bine;

– posibilitatea repartizării degajării de căldură pe mai multe arzătoare;
– există posibilitatea de potrivire a formei flăcării după geometria interioară a cuptorului respectiv;

– o reglare comodă a procesului de ardere și a aportului de combustibil;

– lipsa totală de cenușă în cazul combustibililor gazoși și aproape totală, la combustibilii lichizi.

Principiile generale de utilizare a combustibililor solizi în cuptoare sunt prezentate în figura 1.2.

După prima schemă, combustibilul solid natural se utilizează direct în cuptor prin ardere pe grătare. Înainte de ardere se efectuează, în oarecare măsură, o prelucrare mecanică a combustibilului, în scopul măririi gradului de utilizare a acestuia în cuptor: uscare, sortare etc.

După schema a doua, combustibilul solid, după o sortare și uscare prealabilă este măcinat în mori speciale, iar praful este ars în cuptor sub formă de combustibil pulverizat.

După schema a treia, combustibilul solid este gazeificat în instalații speciale. Gazul de generator obținut, după o prealabilă prelucrare (curățare) și o ușoară comprimare este ars în cuptor folosindu-se arzătoare de combustibil gazos.

Fig. 1.2. Variantele utilizării combustibililor solizi în cuptoare.

În schema a patra se prevede o ardere a combustibilului în generatoarele unei centrale electrice, energia electrică obținută după o transformare prealabilă, utilizându-se pentru încălzirea electrică a cuptorului.

Cea mai simplă schemă de utilizare este prima, ea necesitând și cele mai mici investiții. Complexitatea schemelor de utilizare a combustibilului solid în cuptoare crește de la prima la a patra. Alegerea schemei optime se face numai printr-un calcul tehnico-economic care să determine cea mai avantajoasă schemă de utilizare a combustibilului.

Cărbunii folosiți în cuptoarele industriale pot fi: lignit, huilă sau antracit.

Lignitul se poate prelucra pentru a se transforma în combustibil lichid sau în subproduse chimice. Prin gazeificare cu oxigen se poate obține gaz de cocserie.

Din huilă, prin încălzire cu îndepărtarea aerului se obține combustibilul artificial solid, denumit cocs.

Cocsul și antracitul fiind combustibili bogați în carbon, pot fi transformator: uscare, sortare etc.

După schema a doua, combustibilul solid, după o sortare și uscare prealabilă este măcinat în mori speciale, iar praful este ars în cuptor sub formă de combustibil pulverizat.

După schema a treia, combustibilul solid este gazeificat în instalații speciale. Gazul de generator obținut, după o prealabilă prelucrare (curățare) și o ușoară comprimare este ars în cuptor folosindu-se arzătoare de combustibil gazos.

Fig. 1.2. Variantele utilizării combustibililor solizi în cuptoare.

În schema a patra se prevede o ardere a combustibilului în generatoarele unei centrale electrice, energia electrică obținută după o transformare prealabilă, utilizându-se pentru încălzirea electrică a cuptorului.

Cea mai simplă schemă de utilizare este prima, ea necesitând și cele mai mici investiții. Complexitatea schemelor de utilizare a combustibilului solid în cuptoare crește de la prima la a patra. Alegerea schemei optime se face numai printr-un calcul tehnico-economic care să determine cea mai avantajoasă schemă de utilizare a combustibilului.

Cărbunii folosiți în cuptoarele industriale pot fi: lignit, huilă sau antracit.

Lignitul se poate prelucra pentru a se transforma în combustibil lichid sau în subproduse chimice. Prin gazeificare cu oxigen se poate obține gaz de cocserie.

Din huilă, prin încălzire cu îndepărtarea aerului se obține combustibilul artificial solid, denumit cocs.

Cocsul și antracitul fiind combustibili bogați în carbon, pot fi transformați fie în gaz de generator, prin gazeificare cu aer, fie în gaz de apă prin gazeificare cu abur. Arderea cocsului (sau antracitului) în cuptoarele industriale nu are loc direct, în majoritatea cazurilor, ci se produce, mai întâi gaz în generatoare sau se folosesc focare cu semigaz (gaz relativ bogat în CO).

În cuptoarele încălzite cu combustibili, energia chimică, după ce a fost transformată în căldură și transferată gazelor de ardere, trebuie să fie transmisă, prin intermediul acestor gaze fie direct, fie indirect, produsului sub formă de căldură utilă.

I.4. Clasificarea cuptoarelor industriale

În industrie există o mare varietate de cuptoare industriale, cu diferite destinații.

Datorită acestei mari diversități, o clasificare a cuptoarelor este dificilă și de aceea, în momentul de față, nu există o clasificare unanim acceptată a acestora.

Există totuși anumite caracteristici generale care pot sta la baza unei clasificări.

După destinația tehnologică se deosebesc [4]:

– cuptoare metalurgice (furnale pentru producerea fontei din minereu, cuptoare pentru producerea oțelului, cuptoare pentru laminare);

cuptoare pentru industria constructoare de mașini (pentru tratamente termice, pentru forje etc);

cuptoare pentru obținerea cimentului;

cuptoare pentru arderea materialelor ceramice etc.

În funcție de procesele care au loc în cuptoare se deosebesc:

cuptoare de topire și de ardere, în care încărcătura care se prelucrează se încălzește până la topire (furnale, cuptoare electrice, cuptoare cu creuzete, de topit sticla etc);

cuptoare de încălzire, la care materialul supus prelucrării se încălzește sub temperatura de topire (recoacere, călire etc.);

cuptoare de uscare (uscătoare).

Datorită specificului lor, cuptoarele de uscare constituie o grupă specială denumită uscătoare.

După regimul termic se deosebesc următoarele tipuri de cuptoare:

cu regim de temperatură și cu regim termic constante în timp (cuptoare cu bazin pentru topirea sticlei, cuptoare tunel cu funcționare continuă);

cu regim de temperatură constant și cu regim termic variabil (cuptoare cu funcționare continuă și încărcare intermitentă);

cu regim de temperatură variabil și cu regim termic constant (cuptoare circulare de tip Hoffman);

– cu regim de temperatură și cu regim termic variabile în timp (cuptoare cu funcționare intermitentă).

După sursa de căldură se deosebesc cuptoare:

cu combustibil solid (în strat sau pulverizat);

cu combustibil lichid;

cu combustibil gazos;

cu mai mulți combustibili (lichid și gazos sau solid și gazos);

la care combustibilul face parte din încărcătură (de exemplu: conver-tizoare, cuptoare pentru ars minereuri cu conținut de sulf etc);

electrice.

După modul de transmisie a căldurii:

– cuptoare în care căldura se transmite materialului supus prelucrării datorită arderii combustibilului solid care se amestecă cu materialul. Căldura se transmite materialului de la combustibilul incandescent (prin radiație și conducție termică) și de la gazele de ardere (prin radiație și convecție). Din această categorie fac parte majoritatea cuptoarelor verticale (furnale, cubilouri, cuptoare de ars var etc);

cuptoare în care căldura se transmite materialului supus prelucrării de la gazele de ardere. Acestea se mai numesc cuptoare cu flacără. Transmisia căldurii la materia! se face în principal prin radiație de la flacără, de la pereții și bolta cuptorului și prin convecție de la gazele de ardere. Din această grupă fac parte majoritatea cuptoarelor ca de exemplu: cuptoarele Martin, cuptoarele de forjă, cuptoarele pentru tratamente termice, cuptoarele tunel și circulare etc;

cuptoare în care căldura se transmite materialului prin pereții camerelor sau ai vasului în care se află materialul. Transmisia căldurii către material se face mai ales prin radiație de la pereții camerelor sau vaselor, prin conducție, dacă materialul vine în contact cu pereții vasului și prin convecție de la gazele aflate în cameră (din această categorie fac parte cuptoarele cu muflă și cele cu retortă);

cuptoare în care căldura se degajează în materialul supus prelucrării datorită reacțiilor exoterme. In aceste cuptoare, particulele de material care intră în reacție (a căror temperatură crește), transmit căldura particulelor alăturate, prin radiație și conducție. In cazul existenței gazelor de ardere, căldura se transmite prin radiație și convecție de la gaze la material. În cazul în care căldura degajată nu este suficientă, se introduce o cantitate suplimentară de căldură produsă prin arderea combustibilului. Din această categorie fac parte cuptoarele pentru arderea minereurilor care conțin sulfuri.

cuptoare electrice, în care căldura se transmite materialului prin radiație de la un arc electric sau de la o rezistență, prin conducție de la rezistență, prin convecție și radiație de la gazele încălzite de rezistență, prin radiație și conducție de la pereții încălziți de o rezistență și prin trecerea curentului electric direct prin material. Din această categorie fac parte cuptoarele cu arc electric pentru elaborarea oțelului, cu rezistență electrică pentru tratamente termice, de inducție pentru călire și cu încălzire mixtă pentru obținerea carburii de calciu (carbid).

După forma camerei de lucru (spațiul de lucru este locul în care se așează materialul care trebuie tratat termic împreună cu adaosurile necesare, de exemplu, fondanți). După forma spațiului de lucru se deosebesc:

– cuptoare verticale, la care spațiul de lucru este un puț cu înălțimea de cel puțin o dată și jumătate mai mare decât diametrul (furnale, cuptoare de var, cubilouri);

cuptoare cu camere (spațiul de lucru este o cameră cu pereți permanenți sau temporari). Materialul se așează în cameră în strat înalt sub formă de rânduri;

cuptoare cu vatră, la care spațiul de lucru este prevăzut cu una sau mai multe vetre, pe care materialul se așează într-un strat subțire (cuptoare de încălzire pentru forjă, cuptoare de tratament termic);

– cuptoare cilindrice rotative, la care spațiul de lucru al cuptorului este format dintr-un tambur orizontal sau înclinat cu 5… 10°;

cuptoare tunel, la care spațiul de lucru este format dintr-un canal orizontal de lungime mare, în care materialul este transportat în vagonete sau transportoare (cuptoare de încălzire pentru forjă);

cuptoare cu creuzete, la care spațiul de lucru este format dintr-o cameră în care se așează creuzetele. In general materialul se obține în creuzete în stare topită (cuptoare pentru topirea metalelor neferoase).

cuptoare cu bazin, la care spațiul de lucru este format dintr-o cameră, prevăzută la partea inferioară cu un bazin în care produsul se obține în stare topită. [4]

I.5. Principiile generale ale arderii combustibililor în cuptoare

Procedeele de ardere a combustibililor sunt în funcție de natura combustibililor, destinația cuptorului, procesul tehnologic, construcția și capacitatea cuptorului .[1]

În cele ce urmează se vor prezenta unele principii generale ale arderii combustibililor în cuptoare, principii care stau la baza construiri focarelor de cuptoare.

Cuptoare cu temperaturi joase, eu acțiune continuă

Această grupă cuprinde cuptoarele cu temperaturi în cameră de 800…1000°C, folosite pentru prelucrarea termică a metalelor neferoase, a produselor de oțel etc; gazele de ardere care intră din focar în camera cuptorului trebuie să fie produse de o ardere terminată, deoarece în camera nu se poate realiza o ardere definitivă a gazelor. Practic, arderea stabilă a gazelor în camera cuptorului se poate produce numai când temperatura cuptorului, tc depășește cu cel puțin 200….300°C temperatura de inflamabilitate a gazului, adică:

tc = tinfl + (200 … 300) °C.

Valorile curente ale temperaturii de inflamabilitate sunt:

pentru gaz de furnal, tinfl = 700 … 800°C;

pentru gaz de generator, tinfl = 650 … 800°C;

– pentru gaz de iluminat, tinfl = 560 … 730°C.

Capitolul II

TIPURI CONSTRUCTIVE DE CUPTOARE INDUSTRIALE

II.1. Cuptoare verticale (turn)

Cel mai reprezentativ cuptor vertical este furnalul sau cuptorul înalt, care are spațiul de lucru dispus în lungul axei verticale.

În figura 2.1 este reprezentată schema funcțională a unui furnal. [4]

Fig. 2.1. Schema funcțională a furnalului.

Minereul, combustibilul (cocsul) și fondantul se încarcă (sub formă de șarje) prin gura superioară a furnalului echipată cu un dispozitiv de încărcare.

În tot timpul funcționării furnalului spațiul de lucru este izolat de atmosferă prin dispozitivul de încărcare, în vederea recuperării din partea superioară a gazului de furnal, care este apoi folosit drept combustibil în instalațiile de ardere energetice și în instalațiile de încălzire a aerului necesar arderii.

Furnalele sunt instalații cu o dublă funcțiune: o funcție tehnologică (fabricarea fontei) și o funcție energetică (producerea gazului de furnal), ceea ce conduce la un randament ridicat de 85-87%.

Din grupa cuptoarelor verticale fac parte, de asemenea, cubilourile și cuptoarele verticale de clingher.

În figura 2.2 este prezentată schema unui cubilou, folosit în turnătoriile de fontă. În aceste cuptoare se topește fontă, deșeuri de la turnătorii, alice de fontă și oțel cu adaos de cocs, drept combustibil și var drept fondant.

Fig. 2.2. Cubilou. Fig. 2.3 Cubilou cu antecreuzet.

Aerul de ardere se comprimă cu ajutorul unei suflante și este introdus în conductele inelare de aer de unde este insuflat în cuptor prin mai multe guri de vânt.

Adeseori se execută cubilourile cu antecreuzet (fig. 2.3). Prin această măsură se obține o elaborare uniformă a șarjei datorită evacuării neîntrerupte a zgurii și fontei.

2.2. Cuptoare cu vatră

Din această categorie tipul reprezentativ este cuptorul Siemens-Martin, care servește la elaborarea oțelului de o calitate dorită, pornind de la fierul brut, deșeuri de fier și oțel, minereu, cu adaus de calcar.

Temperatura de topire a oțelului este de 1550-1650°C, ceea ce impune ca temperatura gazelor de ardere să fie de 1850-1950°C.

Cuptorul Martin (fig. 2.4) are două camere de regenerare care servesc la ridicarea temperaturii aerului până la 1000-1200°C și a combustibilului gazos până la 800-1000°C. Preîncălzirea puternică a celor doi agenți este necesară pentru atingerea temperaturii de 1800-1950°C în spațiul de lucru. Temperatura gazelor de ardere la ieșirea din cuptor este de 1750-1850°C și scade în regenerator până la 500-700°C.

La cuptoarele moderne se folosesc cazane recuperatoare în care se introduc gazele de ardere ieșite din regenerator.

În spațiul de lucru al cuptorului se introduc materialele aferente elaborării oțelului prin ușile laterale cu ajutorul unor macarale speciale cu brațe.

Productivitatea orară a acestor cuptoare se află între 160 kg/hm2 vatră în cazul încălzirii cu gaz de generator și 320 kg/hm2 vatră la gaz de cocserie sau păcură.

Puterea suprafeței de încălzire este de 300-400 kW/m2, prin folosirea oxigenului în locul aerului se pot mări considerabil aceste valori, îmbunătățindu-se randamentul cuptorului și reducându-se timpul de topire.

Randamentul unui cuptor obișnuit Siemens-Martin este de 35%, în timp ce al celui care folosește oxigen poate atinge 50%.

Fig. 2.4. Schema funcțională a cuptorului Martin:

I – spațiu de topire; II – regeneratorul de aer; III – regeneratorul de gaze combustibile;
IV – capul cuptorului; 1 – intrarea aerului rece în regenerator; 2 – intrarea gazului preîncâlzit în cuptor; 3 – intrarea gazului în spațiul de topire; 4 – intrarea aerului rece în regenerator; 5 – intrarea aerului fierbinte în capul cuptorului; 6 – intrarea aerului fierbinte în spațiul de topire; 7 – canalul de intrare a gazelor de ardere în regeneratoarele de aer;
8 – idem pentru regeneratoarele de gaze; 9 – ieșirea gazelor de ardere din regeneratoarele de aer; 10 – idem din regeneratoarele de gaze; 11 și 12 – registre de schimbare a direcției gazelor; 13 – canal de trimitere a gazelor de ardere la cazanul recuperator.

Cuptoarele cu vatră pot avea vatra fixă ca în cazul cuptorului Martin, fie basculată (fig. 2.5).

Fig. 2.5. Cuptor de topit cu vatră basculantă cu rezistențe electrice.

II.3. Cuptoare de topire cu creuzet

Aceste cuptoare de topire pot fi încălzite cu cocs, gaz, păcură sau curent electric. În aceste cuptoare există unul sau mai multe creuzete în care se află metalul topit sau aliajul.

Șarja nu este în contact direct cu flacăra și – dacă se iau măsuri de prevenire – nici cu gazele de ardere. Acest contact ar putea fi, în multe cazuri periculos deoarece, o baie de metal topit absoarbe ușor gazele.

Cuptoarele de topit cu creuzet, ca cel din figura 2.6 se execută cu creuzet fie demontabil sau nedemontabil.

Creuzetele pot fi confecționate din grafit cu un element de aliere ceramic, din carbură de siliciu sau din fontă, în funcție de regimul termic al cuptorului. De exemplu, pentru aliaje de aluminiu sau magneziu se întrebuințează creuzete din oțel sau fontă (au conductivitate termică mai mare față de cele din grafit sau carbură de siliciu).

Spațiul de lucru al acestor cuptoare poate fi de secțiune circulară, dreptunghiulară sau ovală .[4]

Fig. 2.6. Cuptor cu creuzet încălzit cu cocs.

II.4. Cuptoare cu propulsie

Aceste cuptoare sunt cele mai utilizate utilaje continue pentru laminoare, reprezentativ fiind cel cu trei zone termice și cu încălzire bilaterală (fig. 2.7).

Fig. 2.7. Schema cuptorului cu propulsie cu trei zone și încălzire bilaterală:

1 – zona de preîncălzire; 2 – zona de încălzire; 3 – zona de egalizare; 4 – arzător;

5 – canal de fum; 6 – împingător; 7 – orificii de încărcare și descărcare; 8 – glisiere;

9 – suporturi pentru glisiere; 10 – vatră monolit.

Ele se folosesc pentru încălzirea lingourilor de oțel înainte de prelucrarea la cald. Gazele de ardere circulă în contracurent cu materialul care se deplasează pe șine.

În camera de temperatură înaltă, temperatura gazelor de ardere ajunge până la 1400-1500°C, iar în zona de preîncălzire scade până la 800-1000°C.

II.5. Cuptoare cu combustibil din secțiile de forjă

În secțiile de forjă se folosesc, în mod frecvent, cuptoare cu funcționare ciclică, cum sunt cele cu vatră fixă (cu una două camere sau cu fantă), unul dintre acestea fiind prezentate în figura 2.8, pentru încălzirea semifabricatelor cu dimensiuni reduse și cele cu vatră mobilă, pentru încălzirea lingourilor de dimensiuni mari, în vederea forjării prin presare.

Cuptorul cu vatră mobilă are aceeași configurație ca și cel cu vatră fixă, dar vatra este deplasabilă pe orizontală.

Fig. 2.8. Cuptor cu vatră fixă pentru forjă:

1 – spații de lucru; 2 – arzător; 3 – canal de fum;
4 – orificiu de încărcare-descărcare; 5 – semifabricat.

II. 6. Cuptoare rotative

Aceste cuptoare sunt formate dintr-un tambur cilindric de tablă căptușit cu material refractar, având axa puțin înclinată față de orizontală [4].

Lungimea tamburului variază între 2-50 m, diametrul interior fiind de 1,5-3 m.

Cilindrul este rezemat pe două sau mai multe perechi de role și este prevăzut cu o coroană dințată, cu ajutorul căreia este acționat cu o mișcare de rotație (fig. 2.9).

Fig. 2.9. Cuptor rotativ.

Materialul se încarcă printr-o pâlnie la o extremitate și se descarcă prelucrat la celălalt capăt al tamburului.

Procesele fizico-chimice au loc sub influența căldurii dezvoltate prin arderea combustibilului care se transmite materialului supus arderii în condițiile deplasării acestuia în contracurent cu gazele de ardere.

Aerul necesar arderii se suflă cu ajutorul unui ventilator; materialul umple numai o parte a secțiunii cuptorului. Pentru a mări suprafața de contact între gazele de ardere și material, tamburul cuptorului este prevăzut cu șicane.

Cuptorul rotativ servește pentru calcinarea, prăjirea, uscarea și arderea diverselor materiale. În fața cuptorului se află focarul.

In cazul arderii clincherului de ciment la temperatura de 1400-1450°C se folosește drept combustibil păcură, praf de cărbune, gaze naturale sau de cocserie.

Cuptoarele rotative pentru clincher au lungimi mai mari, de 70-170 m. înclinarea tamburului este de 4°.

La arderea magnezitei metalurgice la temperatura de 1650°C se folosește drept combustibil păcura cu exces mic de aer.

Pentru arderea șamotei la temperatura de 1300-1350°C și a varului la temperatura de 1200-1300°C se poate întrebuința, pe lângă combustibilii citați și gazul de gazogen care poate fi preîncălzit.

II.7. Cuptoare tunel

Aceste cuptoare sunt utilizate în special pentru arderea produselor ceramice. După forma canalului de lucru ele pot fi: cu canal drept (fig. 2.10) sau cu canal circular.

Fig. 2.10. Schema de funcționare a unui cuptor tunel.

Principiul de funcționare al acestor cuptoare constă în deplasarea continuă a vagoanelor încărcate cu produse care se ard în contracurent cu gazele de ardere. Convențional cuptorul se împarte în zonele de preîncălzire, ardere și răcire. Transmisia căldurii se realizează fie direct de la gazele de ardere la material, fie prin intermediul muflei, în care caz gazele de ardere nu intră în spațiul de lucru.

Aceste cuptoare au dezavantajul stratificării curenților (curenți calzi la partea superioară și reci la bază). Pentru evitarea acestui neajuns se realizează o circulație transversală (forțată) a gazelor de ardere în zona de preîncălzire sau a aerului în zona de răcire.

Viteza gazelor în cuptor pentru evitarea stratificării curenților, trebuie să fie de 1-1,5 m/s, iar viteza de înaintare a trenului de vagoanele 1-2,5 m/h. Fiind un cuptor cu funcționare continuă cu posibilități de recuperare a căldurii fizice a gazelor de ardere, el este unul din cuptoarele cu randamentul termic cel mai bun. [4]

II.8. Schimbul de căldură în incintele cuptoarelor

Schimbul de căldură prin radiație în incinte constituind sisteme compuse din suprafețe de corpuri cenușii

În acest caz incintele sunt umplute cu atmosferă transparentă (absorbantă neglijabilă la radiație).

Fluxul termic transmis de la suprafața interioară a muflei la suprafața șarjei – ambele suprafețe izoterme de corpuri cenușii – se calculează cu relația (indicele c se referă la muflă – cuptor, iar m, la șarjă – material) [2]:

[W] (2.1)

unde:

Ccm este coeficientul redus de radiație al sistemului, [W/m2 K4];

Ar – aria suprafeței convenționale de radiație, [m];

Tc și Tm – temperatura suprafeței interioare a muflei și, respectiv, a suprafeței șarjei, [K].

Valoarea coeficientului Ccm depinde de forma și poziția reciprocă a suprafețelor, de factorii energetici de emisie c și m ai acestora și de ariile suprafețelor lor, Ac și Am.

Sistemele cele mai reprezentative sunt prezentate în figura 2.11, coeficienții reduși de radiații fiind calculați cu relațiile:

– pentru cazurile 1, 2 și 3:

(2.2)

pentru cazurile 4, 5 și 6:

(2.3)

unde: Ar este aria suprafeței de protecție a șarjei pe vatră (cazurile 4 și 5), respectiv aria suprafeței circumscrise celei a șarjei (cazul 6);

– pentru cazul 7 (t/d > 1, vatra fiind termoconductoare):

(2.4)

(2.5)

În acest caz Ar este aria suprafeței vetrei ocupată de șarjă.

– pentru cazul 8 (vatra fiind puțin termoconductoare):

(2.6)

(2.7)

(2.8)

unde: rv este coeficientul unghiular de iradiere între suprafața convențională de radiație și cea a vetrei (relație valabilă pentru piese lungi, 1>>f);

Ar se ia egală cu aria suprafeței vetrei ocupată de șarjă.

Fig. 2.11. Incinte de mufle sau de cuptoare cu flacără deschisă,
având șarje de diferite forme:
1,2,3 – șarja prezintă o suprafață de încălzire continuă, plană sau convexă,
4,5,6 – șarja prezintă o suprafață de încălzire continuă, concavă;
7,8 – șarja este constituită din bucăți distanțate între ele;
Ac – aria suprafeței interioare a muflei (cuptorului);
Az – aria suprafeței interioare a pereților (zidăriei);
Ar – aria suprafeței convenționale de radiație a șarjei;
Am – aria suprafeței șarjei (materialului).

Fluxurile termice recepționate de șarjă (indicele m), respectiv de zidărie (indicele z) în cuptoarele cu boltă radiantă sau cu tuburi radiante (fig. 2.11) se determină cu relațiile [3]:

(2.9)

(2.10)

unde:

(2.11)

(2.12)

r – factorul energetic de emisie efectiv al suprafeței de schimb termic prin radiație;

Ar – dependent de factorul energetic de emisie al suprafeței șarjei, de forma acesteia și de modul de dispunere a ei în cuptor;

b și z – factorul energetic de emisie al suprafeței radiantului și al zidăriei.

(2.13)

(2.14)

– pentru cazurile 1 – 3:

At = Am și r = m

– pentru cazurile 4-6:

Ar este aria suprafeței circumscrisă șarjei (cazul 4), respectiv proiecția suprafeței șarjei pe vatră (cazurile 5 – 6):

(2.15)

– pentru cazul 7 (t/d > 1), vatra puțin termoconductoare

(2.16)

unde: Ar este aria suprafeței vetrei ocupată de șarjă;

rm se determină cu relația (2.5).

– pentru cazul 8: Ar este aria suprafeței vetrei ocupată de șarjă;

r și rv se calculează cu relația (2.7), respectiv (2.8).

Fig. 2.12. Incinte de cuptoare cu boltă radiantă (7-2) sau cu tuburi radiante (3-8):

1 – 3 – șarja prezintă o suprafață de încălzire continuă, plană sau convexă;
4 – 6 – șarja prezintă o suprafață continuă, concavă;
7 – 8 – șarja constituită din bucăți distanțate între ele;

Ab – aria suprafeței bolții radiante sau a tuburilor radiante;
Az – aria suprafeței interioare a pereților;

Ar – aria suprafeței convenționale de radiație a șarjei;
Am – aria suprafeței șarjei.

Schimbul de căldură prin radiație în incintele cuptoarelor cu flacără deschisă

Incinte umplute cu gaz radiant, cu factor energetic de emisie tg și temperatura Tg ~ ct. (gaze de ardere). Pierderile termice prin pereți sunt acoperite de fluxul termic transmis de gaz pereților prin convecție, astfel încât suprafața pereților poate fi considerată reflectantă de radiații.

Fluxul termic transferat șarjei de temperatură superficială Tm ~ ct. se calculează cu relația:

(2.17)

iar temperatura suprafeței interioare a pereților se determină din relația:

(2.18)

Valoarea ariei convenționale de radiație A, și a factorului energetic de emisie er se determină, în funcție de geometria sistemului gaz – pereți – suprafață de încălzire, după cum urmează (fig. 2.11):

– pentru cazurile 1 – 3:

și ;

– pentru cazurile 4 și 5, Ar este aria protecției suprafeței șarjei pe vatră, iar r se calculează cu relația (2.15);

– pentru cazul 6, Ar este aria suprafeței circumscrisă secțiunii șarjei, iar e, se calculează cu relația (2.15);

– pentru cazurile 7 și 8 (vatra cu rezistență termică mare), Ar este egală cu aria suprafeței vetrei ocupate de șarjă, iar r se calculează respectiv cu relațiile (2.16) și (2.7).

Incinte cu temperaturi variabile pe lungime

Lungimea zonei de ardere a combustibilului (flăcării) este practic egală cu lungimea suprafeței de încălzire a șarjei; temperatura flăcării este variabilă pe lungime, iar cea a suprafeței șarjei (Tm) este constantă sau variază în limite restrânse (de exemplu, incinta cuptoarelor cu vatră pentru elaborarea aliajelor: Siemens-Martin, rotative etc.)

Fluxul de căldură primit de suprafața șarjei se poate calcula cu relația:

[W] (2.19)

unde: r și Ar au aceleași semnificații ca și la cuptorul cameră și se calculează cu relațiile indicate acolo;

Kq – coeficientul de neuniformitate a fluxului pe suprafața de încălzire a șarjei, determinabil cu relația:

(2.20)

unde:

este valoarea medie, pe întreaga suprafață de încălzire, a fluxului unitar incident, [W/m ];

– valoarea medie a fluxului termic unitar, [W/m2], pe lățimea suprafeței de încălzire, la capătul final al acestuia, determinat din relația:

[W/m2] (2.21)

În relația (2.21) qf este fluxul unitar rezultat corespunzător sfârșitului suprafeței de încălzire, calculabil cu relația (2.17), în care Tg corespunde temperaturii de evacuare a gazelor din incintă, iar eg se ia corespunzător acestei temperaturi.

La cuptoarele cu rezistență, pierderile electrice provin din scurt-circuite, iar evaluarea lor se face în funcție de pierderile termice prin zidărie Ppz și anume:

Ppe(sc) = (0,5 … 1,5)Ppz [W] (2.22)

La cuptoarele cu inducție, se înregistrează pierderi electrice în rețea (în cablu și prin scurtcircuit) și în transformator.

Pierderile de natură termică, Pp.t sunt constituite din componențe similare celor de la cuptoarele cu combustibil și se determină cu aceleași relații, operându-se transformarea unităților de măsură, de exemplu Paux = Qaux / 3,6 [W], deci:

Pp.t = Paux + Pp.z + Pac.z + Ppr + Pra + Pend [W] (2.23)

Puterea introdusă pe altă cale, Ps provine din încărcătură caldă, elemente auxiliare calde, reacții exoterme și anume:

Ps = Pfi + Pfaux + Pex [W] (2.24)

În figura 2.13 este reprezentat grafic bilanțul unui cuptor electric (metodologia de calcul este similară celei de la cuptorul cu combustie).

Fig. 2.13. Diagrama de bilanț termic pentru cuptoarele electrice.

Indicatori de eficiență energetică

Orice cuptor industrial este caracterizat de anumiți indicatori de eficiență energetică care rezultă în urma întocmirii bilanțului termic teoretic sau real. Aceștia se grupează în randamente și consumuri specifice.

A. Randamentele cuptoarelor

Randamentul termic, t este specific atât cuptoarelor cu combustibil, cât și celor electrice și este exprimat prin relația:

și

Randamentul total (generat), 0 ține seama de randamentul arderii a la cuptoarele cu combustibil, de randamentul electric e la cuptoarele electrice și se determină astfel:

– la cuptoarele cu combustibil:

[%]

în care

– la cuptoarele electrice:

[%]

cu

[%]

în care P este pierderea de putere în sursa de alimentare și rețeaua scurtă, în W.

Randamentul de utilizare a combustibilului, c este specific cuptoarelor cu combustibil și se exprimă prin relația:

[%]

B. Consumuri energetice specifice

Consumul specific de combustibil exprimă necesarul de combustibil pentru prelucrarea unității de produs Pp într-o oră sau pe un ciclu de producție, după cum Bcb este calculat orar sau pe ciclu [3].

[kg(carb)/kg] sau [m3N/kg]

Consumul specific de energie electrică este propriu cuptoarelor electrice și se exprimă prin relația:

[kWh/kg]

Gradul de încărcare a cuptorului, este raportul dintre sarcina efectivă Pp și sarcina normală Pn:

Gradul de încărcare a cuptorului se stabilește pe perioada pentru care se face bilanțul din care cauză, pentru a avea o imagine mai completă a încărcării cuptorului la nivelul unui an, se determină și gradul de încărcare mediu anual:

unde Pm este încărcarea medie anuală, care se calculează cu formula

unde:

Pm – producția anuală a cuptorului;

Nan – numărul de ore de funcționare anuală a cuptorului.

Gradul de utilizare a capacității de producție a cuptorului, este raportul dintre producția anuală, Pan și capacitatea teoretică de producție Pt.

Capacitatea teoretică de producție a cuptorului se consideră ca fiind Pt = 8760 Pn.

Legătura dintre și se obține combinând ultimele relații:

Consumul specific de căldură al procesului tehnologic, qp.t reprezintă căldura necesară producerii unității de produs, deci:

[kJ/kg]

Coeficientul de recuperare a căldurii, p este raportul dintre căldura recuperată (din pierderi sau din căldura considerată utilă) și totalul căldurii intrate:

Se consideră atât căldura recuperată și folosită în utilaj, cât și cea recuperată și folosită în afara utilajului considerat.

Importanța energo-tehnologică a bilanțurilor termice. Bilanțul termic scoate în evidență importanța diferitelor categorii de pierderi. Datele obținute prin măsurări dau indicații destul de precise și asupra cauzelor acestor pierderi. Analiza amănunțită a întregului material cules cu ocazia lucrărilor de bilanț dă posibilitatea să se elaboreze un plan de măsuri fundamentat tehnic, pentru ridicarea randamentului instalației, prin eliminarea pierderilor posibile și prin recuperarea resurselor secundare.

Planul de măsuri tehnico-organizatorice cuprinde enunțarea măsurilor aplicabile, efectele lor asupra reducerii consumurilor energetice, evaluarea costurilor pentru aplicarea lor, calculul eficienței economice a măsurilor respective și termenele de aplicare.

Ținând seama de bilanțul termic real determinat și de planul de măsuri tehnico-organizatorice întocmit, se poate realiza bilanțul termic optim, în care pierderile au valorile minime realizabile în condițiile tehnice actuale, după ce s-au efectuat toate recuperările posibile din punct de vedere tehnic și avantajoase din punct de vedere economic.

Bilanțul termic normat se întocmește pe baza planului calendaristic de punere în aplicare a măsurilor din planul propus ținând seama de reducerea pierderilor realizate în etapa pentru care se stabilește bilanțul normat. El are în timp valori diferite, îmbunătățite treptat, pe măsura înaintării spre etapa finală, când acesta se confundă cu bilanțul optim corespunzător stadiului tehnicii din momentul respectiv. [2]

II.9. Analiza energetică a cuptoarelor electrice

Elementul încălzitor constă din rezistoare care se deosebesc după formă material și mod de întrebuințare.

În rezistoare are loc transformarea energiei electrice în căldură, transmisă prin radiație, convecție și conducție încărcăturii din cuptor.

Scopul acestei aplicații este de a cunoaște tipurile de elemente de încălzire utilizate la cuptoarele electrice.

Elemente încălzitoare – materiale și tipuri constructive

Din punct de vedere al materialelor din care sunt confecționate, rezistoarele se împart în următoarele grupe [3]:

1. Materiale metalice, dintre care uzuale sunt aliajele de crom – nichel și fier-crom-aluminiu, molibdenul, tantalul și wolframul; în cuptoarele de joasă temperatură se utilizează și aliaje pe bază de cupru – nichel, ca nichelina, constantamil și altele.

Materiale ceramice și metalo-ceramice carbura de siliciu și disiliciura de molibden;

Cărbune și grafit.

Alegerea materialului rezistoarelor se face pe baza următoarelor elemente:

– Rezistivitate electrică mare, conducând la secțiuni mari și lungimi mici ale rezistoarelor, puteri specifice de suprafață și durate de funcționare mărite;

– Coeficient de temperatură al rezistivității redus, determinând o variație redusă a puterii între stările reci și calde ale rezistoarelor;

– Rezistență mecanică bună în domeniul temperaturilor de lucru;

– Stabilitate chimică față de atmosfera din cuptor și față de materialele de construcție.

Pentru funcționare în vid se recomandă Mo, W și grafitul, datorită pierderilor reduse de masă prin vaporizare; aliajele Cr-Ni și Cr-Al pot funcționa în vid până la 1200°C.

– Rezistența la coroziune și la formarea țunderului. Coroziunea și țunderul micșorează secțiunea rezistorului și conduce la mărirea puterii specifice de suprafață și reducerea duratei de funcționare. în aceste situații se impun acoperiri de protecție ale rezistoarelor.

– Durata de funcționare a rezistorului determină adesea eficiența economică a cuptorului electric. Durata de funcționare depinde în afara de temperatura rezistorului, de frecvența de conectare, puterea specifică superficială, condițiile de transmiterea căldurii spre mediul ambiant, atmosfera de lucru din cuptor și modul de fixare.

La alegerea diametrului, respectiv grosimii benzii rezistorului, se va avea în vedere ca durata de funcționare a rezistorului crește cu dimensiunea respectiva.

Din punct de vedere al tipului constructiv se deosebesc:

– elemente încălzitoare descoperite (libere) care radiază liber și sunt preferate în construcția cuptoarelor;

– elemente încălzitoare acoperite (înglobate).

Rezistoarele elementelor încălzitoare descoperite (figura 2.14) prezintă următoarele tipuri constructive:

– sârmă în spirală;

– sârmă în spirală pe tub ceramic;

– sârmă și bandă în zigzag;

– elemenți de încălzire a gazului în cuptoare cu convecție forțată;

– bare rotunde.

Tabel 2.1. Caracteristicile tehnice ale materialelor rezistoarelor [5]

Elementele încălzitoare acoperite se clasifică în:

– rezistoare înglobate în elemente din fibre ceramice;

– tubulare;

– corpuri încălzitoare;

– benzi, cabluri, mantale încălzitoare;

– folii încălzitoare.

Fig. 2.14. Rezistoare din sârma în spirală:
a – pe vatră; b – pe boltă; c – pe pereți; d – dimensiunile spiralei

Rezistoarele din sârmă în spirala având un diametru d = (1-8) mm. (recomandat > 3 mm) se fixează în cărămizile fasonate ale pereților, boitei sau vetrei. În acest mod se obține o radiație relativ liberă a rezistoarelor în incinta cuptorului,

Dimensiunile spiralei (diametrul D și pasul t) sunt date în tabelul 2.2 în funcție de diametrul d al sârmei.

Rezistoarele din sârmă în spirală pe tub ceramic (figura 2.15) reprezintă practic o spirală care radiază liber, nefiind ecranată de cărămizile cuptorului. Dimensiunile spiralei sunt date în tabelul 13.2; diametrul Dc al tubului ceramic se alege în domeniul Dc = (0,8 – 0,9) D, ceea ce determină un joc de până la 3 mm. Între spirala și tub lungimea tubului atinge circa (250-350) mm.

Fig. 2.15. Rezistoare din sârma. în spirala pe tub ceramic:

a – pe bolta; b – pe pereți, fixate cu suporți metalici;

c – pe pereți, în cărămizi fasonate; d – dimensiunile spiralei pe tub.

Rezistoarele în zigzag sunt fixate cu cârlige metalice sau ceramice pe cărămizi fasonate, pe rame detașabile sau pe tuburi ceramice, pe pereții, bolta sau vatra cuptorului (figura 2.16).

Dimensiunile zigzagului (înălțimea H, pasul t și raza se îndoire R) sunt date în tabelul 2.2 pentru rezistoare din sârmă și bandă, în funcție de diametrul d al sârmei, respectiv de grosimea a și lățimea b a benzii. Se recomandă: d = (3-20) mm; a > 2 mm și raportul m= b/a = 8-12.

Elemenții de încălzire a gazului în cuptoarele de convecție forțată se compun din spirale sau zigzaguri pe tuburi ceramice; tuburile ceramice sunt fixate în rame din oțel (oțel de construcție la rM < 500°C; oțel aliat cu crom până la rM = 700°C și oțel aliat cu Cr-Ni până la rM = 850°C. Rezistoarele sunt spălate transversal de curent de gaz.

Figura 2.16. Rezistoare în zigzag:

a – pe pereți fixate cu cârlige metalice; b – pe vatră , în cărămizi fasonate;

c – pe boltă, în cărămizi fasonate: d – pe pereți, pe cărămizi fasonate;

e – pe ramă detașabilă; f – pe tuburi ceramice; g – dimensiunile zigzagului.

Rezistoarele din bară rotundă sunt confecționate din disiliciură de molibden, grafii sau carbură de siliciu. Barele în forma de U sau W au o zonă activă cu diametrul d = (3-9) mm și capetele îngroșate la diametrul D = (6-18) mm.

Avantajele elementelor încălzitoare acoperite sunt durata mare de funcționare, protecția împotriva atingerii și stabilitate mărită fată de agresiunea mediului ambiant. Prețul de cost este însă mai ridicat și implică procedee speciale de fabricație. [2]

Figura 2.17. Rezistor din sârmă în placă din fibre ceramice

Înglobarea rezistoarelor din sârmă de Cr-Al în elemente din fibre ceramice având diferite forme (figura 2.17), conduce la elemente încălzitoare având greutate redusă și izolare termică ridicată. Rezistorul din sârmă în spirală este înglobat la suprafața sau ușor îngropat în elementul din fibre ceramice. Elementele sunt modulate în scopul construirii simple a incintei cuptorului.

Elementul încălzitor tubular (figura 2.18), constă dintr-un tub metalic de protecție (cupru până la rM = 200°C, oțel nichelat până la rM=500°C și oțel refractar până la rM = 850° C) în care rezistorul din sârmă de Cr-Ni în spirală este înglobat în praf termoizolant (MgO).

Pentru ca izolația electrică să fie suficientă se recomandă ca diametrul spiralei Dr = De / (2,6 – 2,8), Dt fiind diametrul tubului. Valorile uzuale ale Dc sunt de (5 -12) mm., iar grosimea peretelui 1 mm. Elementele încălzitoare tubulare sunt utilizate pentru încălzirea aerului, apei. electroliților și organelor de mașini, atât în scopuri industriale cât și casnice,

Figura 2.18. Elemente încălzitoare tubulare:
a – construcție; b – forme constructive;
1 – țeava metalica; 2 – material termoizolant; 3 – rezistor din sârma în spirală;
4 – borna de contact; 5 – disc ceramic; 6 – contact.

Determinări experimentale

Se consideră:

un cuptor electric de tratament termic pentru temperaturi medii, ce va avea temperatura maximă, la nivelul șarjei, de 500°C;

– un cuptor electric de tratament termochimic (nitrurare) pentru temperaturi înalte, cu temperatura maximă necesară la nivelul șarjei, de 800 – 850°C.

Se va lucra diferit pentru cele doua tipuri de cuptoare, considerându-se temperatura de lucru, astfel:

se va stabili temperatura la nivelul rezistențelor de încălzire;

se va stabili temperatura maximă admisibila a rezistorilor;

se va alege din tabelul 2,1 tipul de rezistor potrivit, din punct de vedere al temperaturii de regim;

se va stabili tipul atmosferei de lucru a cuptorului;

se va alege rezistorul potrivit pentru aplicația dată;

se va stabili forma constructivă a rezistorului;

se vor evidenția relațiile de calcul pentru rezistoarele alese.

Tabelul 2.2 Relațiile de calcul ale dimensiunilor rezistoarelor în spirala și zigzag [5]

Calculul și dimensionarea elementelor încălzitoare

Elementele încălzitoare se dimensionează astfel încât să asigure consumul de i căldura al cuptorului, la o durata cât mai mare de funcționare. Aplicația are drept scop: familiarizarea cu elementele de calcul și dimensionare a rezistorilor

Densitatea fluxului termic radiat de suprafața rezistoarelor, scade conform legilor fizic corespunzătoare, odată cu creșterea temperaturii rezistoarelor, având o valoare cu atât mai ridicată, cu cât temperatura cuptorului este mai scăzută. Curbele limită ale puterii pentru un anumit material rezistiv marchează depășirea temperaturii maxim admisibile a rezistorului. în figura 2.21 este reprezentata puterea specifică admisibilă în funcție de temperatura de lucru a cuptorului; ea scade la temperaturile mari ale cuptorului, cu atât mai pronunțat, cu cât temperatura de lucra a rezistorului este mai ridicată.

Temperatura de lucru a rezistorului nu depinde numai de putere ci și de densitatea de așezare a rezistoarelor pe suprafața cuptorului, crescând odată cu aceasta la aceeași valoare a puterii.

Figura 2.21. Dependența puterii specifice de radiație prr a rezistoarelor
(cu curbe de limitare a puterii), de temperatura lor de lucru,
rM, pentru diferite materiale rezistive, la diferite temperaturi de lucru
cM ale cuptorului.

Deoarece temperatura de lucru a rezistorului crește pronunțat cu mărirea temperaturii cuptorului(la aceeași putere și densitate de așezare) se impune micșorarea densității admisibile de așezare a rezistoarelor (deci a încărcăturii pereților cuptorului) odată cu mărirea temperaturii cuptorului.

Aceasta se poate obține prin micșorarea fie a puterii fie a densității de așezare, în figura 2.22 este reprezentată dependența puterii maxim admisibile p instalate pe unitatea de suprafață a pereților cuptorului, pentru diferite materiale rezistive, în funcție de temperatura de lucru a cuptorului.

Figura 2.22. Dependența puterii specifice admisibile de radiație prra
a rezistoarelor de temperatura de lucra
cM a cuptorului, pentru diferite materiale rezistive.

și

(W/m2)

în care: Pr este puterea rezistoarelor, în W; în cazul cuptorului trifazat Pt este puterea pe o faza, iar în cazul rezistoarelor legate în paralel – puterea pe o ramură;

U – tensiunea de alimentare (de fază la conexiunea stea sau de linie la conexiunea triunghi) în V;

R – rezistenta elementului încalzitor (pe o fază sau pe o ramura), în :

p – rezistivitatea elementului încălzitor la temperatura sa de lucru rM, în m;

1 – lungimea rezistorului, în m;

s secțiunea rezistorului, în m2;

pr – puterea specifica a rezistorului, în W/m2;

Ar – suprafața laterală a rezistorului, în m2;

Figura 2.23. Dependența puterii maxim admisibile pcpn
instalate pe unitatea de suprafața a pereților cuptorului,
de temperatura de lucra cM a cuptorului, pentru diferite materiale rezistive.

II.10. Determinări teoretice – experimentale

2.10.1. Etapele de calcul ale elementelor încălzitoare descoperite, amplasate în cuptoare cu radiație. [3]

1. Amplasarea rezistoarelor în cuptor, în funcție de încărcătură și de cerințele regimului tehnologic.

2. Alegerea materialului rezistoarelor (câteva variante) în funcție de temperatura lor de lucru rM = (1,02… 1,2) cM și de cea admisibila rM < ra.

Se vor lua în considerare și celelalte condiții de lucru – atmosfera din cuptor și materialele de construcție a incintei.

Se va ține cont și de condiția ca puterea instalată pe unitate de suprafața a cuptorului, pentru materialul rezistiv ales, să nu depășească valoarea admisibilă.

3. Alegerea tipului constructiv și a modurilor de fixare ale rezistoarelor (câteva variante).

La secțiuni mici ale rezistoarelor se alege, în general, forma circulară .deoarece se obține mai ușor un diametru suficient de mare, în comparație cu forma dreptunghiulara, ia care în condiții identice, rezulta grosimi reduse.

4. Alegerea conexiunii rezistoarelor (mono-, bi- sau trifazată), a numărului de ramuri în paralel pe o fază.

În cazul alimentarii trifazate, la puteri mici, se va prefera conexiunea în stea în locul celei în triunghi, în scopul obținerii unei secțiuni convenabile a rezistoarelor. Puterea P, a rezistoarelor rezultă pe baza calcului termic al cuptorului și a conexiunii rezistoarelor. Se recomanda ca rezistența pe o fază sa nu se împartă în prea multe ramuri conectate în paralel.

Tensiunea de fază se alege sub 380 V pentru a se împiedica apariția tensiunilor de atingere de valoare prea ridicată. Tensiuni mici și puteri mari conduc ia secțiuni mari ale rezistoarelor și la durate mărite de funcționare.

5. Calculul dimensiunilor rezistoarelor pe baza relațiilor teoretice anterioare.
Puterea specifică prin radiație prr a rezistoarelor se stabilește pentru valorile corespunzătoare ale rM și cM ; se verifică dacă prr < prra la cM.

Alegerea variantei optime pentru materialul, tipul constructiv și modul de fixare al rezistoarelor, amplasarea lor definitivă, stabilirea valorii finale a puterii specifice și a dimensiunilor de calcul

Verificarea temperaturii de lucru a rezistoarelor

Stabilirea randamentului electric e și a consumului specific de energie electrică.

Observație. În situația în care nici un tip de rezistor nu încape in cuptor, se impune fie înlocuirea materialului acestuia printr-unul având puterea specifică mai mare, fie mărirea suprafeței interioare a incintei sau scăderea tensiunii de alimentare.

2.10.2. Etapele de calcul ale elementelor încălzitoare descoperite amplasate în cuptoare cu convecție forțată [2]

1. Amplasare rezistoarelor în cuptor, sub formă de elemenți independenți sub formă de rame metalice sau baterii compuse din mai mulți elemenți înseriați din punct de vedere termic.

2. Alegerea ventilatorului necesar; rezultă viteza va necesara a aerului.

3. Alegerea materialului rezistiv; se recomandă:

pentru temperatura de încălzire a pieselor 1=300 °C se va alege un material având rM = 500°C (ra = 700°C);

pentru î = (400-500) °C materialul rezistoarelor va avea rM = 600°C (ra = 800°C);

pentru î = 700°C, rM = 800°C (ra = 1000°C);

Alegerea tipului constructiv al rezistoarelor și elementelor încălzitoare (elemenți cu ramă metalică), precum și amplasarea lor în bateria de încălzire.

Alegerea conexiunii cuptoarelor se face la cuptoarele cu radiație.

Stabilirea dimensiunilor rezistoarelor.

Verificarea temperaturii de lucru a rezistoarelor pe baza relației

7. Stabilirea randamentului electric e și a consumului specific de energie.

Capitolul III

PREZENTAREA INSTALAȚIEI EXPERIMENTALE ȘI A METODEI PENTRU DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE TRECERE A CĂLDURII ÎN CAZUL CONVECȚIEI LIBERE ÎN SPAȚIU LIMITAT

3.1. Procesul de trecere a căldurii

Noțiunea de transmitere a căldurii prin convecție se referă la procesul schimbului de căldură care apare atunci când un fluid aflat în mișcare și cu o anumită temperatură (notată cu tf) traversează suprafața unui corp solid (perete), având o temperatură diferită (notată cu tp).

În același timp, transferul termic convectiv poate interveni și între două fluide cu mișcare relativă între ele, deci transmisia căldurii prin convecție este caracteristică fluidelor aflate în mișcare.

Din punct de vedere fizic, transferul de căldură convectiv are loc într-un strat de fluid aderent la perete, denumit „strat limită termic”, analog și suprapus stratului limită dinamic, unde există un gradient de temperatură. Deci, fenomenul de convecție este puternic influențat și de fenomene hidrodinamice.

Cu cât gradientul de temperatură în stratul limită termic are o valoare mai mare (fie datorită unei diferențe t = tf – tp mai mare, fie datorită unei grosimi mici a stratului limită dinamic, implicit a celui termic t), cu cât schimbul de căldură convectiv este mai intens.

După Newton, fluxul termic care intervine prin convecție poate fi calculat cu relația [1]:

[kcal/h; W] (3.1)

în care:

– coeficient de convecție [kcal/m2hgrad; W/m2grad];

S – aria suprafeței prin care are loc transferul termic [m2];

tf – temperatura fluidului, determinată într-o zonă îndepărtată de perete, unde are o valoare constantă [C];

tp – temperatura peretelui [C].

Din relația dată de Newton, se observă că fluxul termic depinde de mărimea suprafeței prin care se face transferul termic, de diferența dintre temperatura fluidului și cea a peretelui și de o serie de alți factori, care sunt înglobați în coeficientul de convecție.

Factorii care determină valoarea coeficientului de convecție sunt foarte numeroși și, în același timp, greu de cuprins în relații matematice, care să exprime influența lor. Din această cauză, evaluarea cantitativă a schimbului de căldură prin convecție constă, în principal, în stabilirea coeficientului de convecție .

3.2 Factorii de care depinde coeficientul de convecție

a – factori determinați de cauza care produce mișcarea fluidului.

Mișcarea unui fluid care ia parte la un proces de convecție termică poate fi determinată de două cauze esențiale [3]:

– dacă în masa unui fluid există un câmp de temperatură neuniform, acest câmp determină apariția în masa acelui fluid a unor densități diferite; existența densităților diferite determină apariția forțelor ascensionale ale lui Arhimede care provoacă, la rândul lor, deplasarea fluidului; deplasare ce ia astfel naștere se numește curgere liberă sau naturală, declanșând un schimb de căldură prin convecție numit convecție liberă sau naturală;

– deplasarea unui fluid poate fi provocată, din afară, sub acțiunea unui lucru mecanic exterior, dat de o pompă sau suflantă, declanșând o convecție forțată.

b – factori determinați de regimul de curgere

Regimul de curgere are o importanță deosebit de mare în procesul de trecere a căldurii, deoarece el determină mecanismul de transfer al căldurii (laminar, tranzitoriu, turbulent).

c – elemente determinate de natura fluidului

Fluidul influențează convecția termică prin starea de agregare, dacă este gaz sau lichid și prin natura lui, exprimată prin proprietățile lui termofizice, cele mai importante fiind: conductivitatea termică , densitatea , căldura specifică la presiune constantă cp, vâscozitatea dinamică , vâscozitatea cinematică , difuzivitatea termică a, etc.

d – elemente determinate de suprafața prin care se face schimbul de căldură

– forma suprafeței F: plană, cilindrică, sferică, oarecare;

– dimensiunile suprafeței l;

– starea suprafeței; netedă sau rugoasă, mărimea rugozităților;

– poziția suprafeței în raport cu direcția de curgere a fluidului;
spațiul prin care circulă fluidul: limitat (cu elemente micro – și macroperturbatoare), nelimitat.

În concluzie, dată fiind umiditatea factorilor care influențează asupra transferului de căldură convectiv, se poate considera că fiecare caz practic este singular. Astfel, coeficientul de convecție poate fi pus în evidență de toți acești factori printr-o funcție de forma:

= f (w, tf, tp, , , cp, a, , , F, l, …) (3.2)

3.3 Teoria similitudinii aplicată convecției termice

Pentru a determina coeficientul de convecție , ar trebui cunoscută forma funcției f. Stabilirea pe cale analitică a funcției nu este posibilă și din această cauză, s-a recurs la o metodă analitico-experimentală prin aplicarea teoriei similitudinii [2].

Teoria similitudinii este un ansamblu de legi și teoreme care are la bază priincipiul asemănării. Legile și teoremele utilizate în cadrul aceste teorii au fost deduse pe cale analitică, combinată cu determinări experimentale.

Astfel această teorie operează cu niște mărimi adimensionale numite criterii de similitudine sau invarianți. Criteriile de similitudine sunt combinații între mărimile caracteristice ale fenomenului sau sistemului cercetat și sunt deduse pe baza legilor fizice variabile în sistemul sau fenomenul considerat.

Pentru studiul convecție căldurii, în consecință pentru determinarea coeficientului de convecție , teoria similitudinii constă în următoarele etape principale:

a) Se constată mărimile caracteristice de care depinde coeficientul de convecție, ca: w, tf, tp, , , , , … .

b) Cu aceste mărimi și pe baza legilor care guvernează fenomenul de convecție a căldurii, se construiesc criteriile de similitudine specifice convecției căldurii, cele mai importante fiind:

NUSSELT

REYNOLDS

PRANDTL

GRASSHOFF

FOURIER ,

unde:

– coeficientul de convecție; l – dimensiunea caracteristică; w – viteza;

– conductivitatea termică; – vâscozitatea cinematică; a – difuzivitatea termică;

g – accelerația gravitațională; t – temperatura; – timpul;

– coeficient de compresibilitate izocoră.

c) Se studiază analitic și experimental un număr de fenomene dintr-o anumită clasă de asemănare și se stabilește ecuația criterială valabilă pentru această clasă.

Întrucât criteriul Nusselt conține coeficientul de convecție , în ecuațiile criteriale se explicitează acest criteriu. În general, se obține o ecuație de forma:

Nu = f (Re, Pr, Gr, Fo, …)

Se dau, de exemplu, două ecuații criteriale aplicabile în stadiul convecției:

– în regim staționar și convecție liberă

Nu = C (Gr Pr)

în care:

factorul C și puterea n depind de produsul GrPr.

m – indică faptul că parametrii care intervin se iau ca valori medii.

– în regim staționar și convecție forțată

unde: f și p – parametrii la temperatura medie a fluidului respectiv peretelui;

d – se rezolvă ecuația criterială, obținându-se astfel valoarea criteriului Nusselt, din care se deduce coeficientul de convecție .

3.4 Metoda de determinare a coeficientului de convecție într-un spațiu limitat

În proiect, se prezintă o metodă și instalația experimentală corespunzătoare pentru determinarea coeficientului de trecere a căldurii în cazul convecției libere în spațiu limitat. Așa, de exemplu, în cazul unor tratamente termice, piesele respective sunt introduse într-un cuptor (spațiul limitat) la o temperatură dată (tf).

Este deci necesar să se cunoască evoluția câmpului de temperatură în piesă, în funcție de timp, evoluție care depinde de condițiile de trecere a căldurii de la fluidul din incinta cuptorului (aer, gaz) către corp.

Pe de altă parte, conform teoriei conducției căldurii în regim nestaționar, dacă un corp cu temperatura tp într-un mediu încălzit, cu temperatură constantă tf, atunci în procesul încălzirii se pot observa trei faze (figura 3.1) [1].

Fig. 3.1. Fazele de încălzire:

AB – faza dezordonată de încălzire; BC – faza regulată de încălzire;
CD – faza de trecere către echilibrul termic

S-a notat cu:

[grad] (3.3)

iar prin tp – o temperatură oarecare într-un punct din interiorul corpului (peretelui) la un moment dat ().

După cum rezultă din figură, temperatura tp a corpului, respectiv , variază în faza regimului regulat după o relație de forma:

(3.4)

Panta dreptei corespunzătoare acestei faze este:

[1/s] (3.5)

Mărimea „m” se numește ritmul procesului de încălzire. Pentru a stabili relația de calcul a coeficientului de trecere a căldurii, se presupun următoarele:

– un corp de formă geometrică regulată, cu dimensiuni cunoscute, încălzit de la un mediu cu temperatura constantă tf;

– în procesul încălzirii, câmpul de temperatură al corpului este neuniform; gradul de neuniformitate al câmpului definește prin mărimea adimensională:

(3.6)

unde:

mp – diferența medie de temperatură a suprafeței corpului în contact cu mediul;

mv – diferența medie de temperatură volumului corpului;

Gradul de uniformitate (ecuația 3.6) este funcție de criteriile Biot și Fourier:

(3.7)

unde:

(3.8)

(3.9)

În cazul câmpului de temperatură neuniform al corpului, legea lui Newton (3.1) ia forma:

[kcal/h; W] (3.10)

Acest flux de căldură este transformat prin conducție de la suprafața corpului către interiorul său și poate fi calculat cu o ecuație calorimetrică:

[kcal/h; W] (3.11)

C – capacitatea termică a corpului [J/grad].

C = c V (3.12)

Ținând seama de ecuațiile (3.10) și (3.11), se obține relația de calcul a lui :

[kcal/m2hgrad; W/m2grad] (3.13)

Această ecuație arată că coeficientul de trecere a căldurii se poate determina dacă se cunosc:
– forma și dimensiunile corpului (S, V);

– parametrii fizici ai corpului (, , c);

– ritmul procesului (m);

Pentru efectuarea determinărilor experimentale, se utilizează o presă din oțel având o formă cilindrică, cu raza R și lungimea H. Schimbul de căldură se realizează prin suprafața laterală și prin una din suprafețele frontale ale acesteia.

În acest caz, pentru calculul gradientului de neuniformitate al câmpului de temperatură, se aplică ecuația:

(3.14)

unde: [m2/s] (3.15)

și reprezintă coeficientul de difuzibilitate termică.

În urma acestor observații, se poate obține o relație de calcul a coeficientului de convecție , stabilit în interiorul cuptorului:

[W/m2grad] (3.16)

3.5 Prezentarea instalației experimentale

În vederea obținerii datelor experimentale necesare calculului coeficientului de convecție liberă în spațiu limitat, în regim nesaționar, s-a conceput o instalație de laborator (figura 3.2), compusă din [2]:

Fig. 3.2 Instalație experimentală

– un cuptor electric bine izolat din punct de vedere termic;

– un cilindru din oțel (probă-piesă) montat pe un suport special;

– două termocupluri Tc1, Tc2: unul pentru măsurarea temperaturii aerului din cuptor (tf) și altul pentru măsurarea temperaturii (tp) din interiorul cuptorului într-un punct dat (pe axa cilindrului la jumătatea lungimii piesei);

– un galvanometru (umiditatea pentru termocuplu Fe-const);

– un cronometru.

Schema de principiu a instalației experimentale, redată în figura anterioară, este însoțită de următoarele notații:

C – cuptor electric;

CO – piesă supusă încălzirii (cilindru din oțel);

R – rezistență electrică de încălzire a cuptorului;

Rs – reostate;

Iz – izolație termică (vată minerală);

I – întrerupător – comutator termocuple;

B-bec de control;

A-ampermetru;

Tc1, Tc2 – termocupluri Fe-constantan;

G – galvanometru (milivoltmetru C).

Capitolul IV

CONTRIBUȚII PERSONALE PRIVIND REALIZAREA PRACTICĂ A INSTALAȚIEI EXPERIMENTALE, OBȚINEREA DATELOR EXPERIMENTALE ȘI PRELUCRAREA REZULTATELOR

În vederea obținerii valorilor coeficientului de transfer termic convectiv specifice unui spațiu limitat, în condiții libere (neperturbate, naturale), am utilizat o instalație experimentală deja existentă în laboratorul de „Termotehnică și instalații termice”, căreia i-am adus următoarele modificări și îmbunătățiri:
1) am montat un nou milivoltmetru pentru termocuplul Fe-constantan cu un domeniu de măsurare între 250 – 500C, necesat determinărilor;

2) am îmbunătățit izolația termică a cuptorului electric de încălzire, adăugând microgranule de sticlă între cei doi pereți cilindrici ai acestuia (manta si suprafata interioara de incalzire), evident în vederea micșorării pierderilor externe de căldură și atingerii unui regim staționar într-un interval de timp cât mai scăzut posibil;

3) am montat o garnitură de azbest pe suprafața interioară a capacului de vizitare a cuptorului, între acesta și piesa probă metalică;

4) am utilizat o piesă-probă cu o formă geometrică relativ simplă, cilindrică, care să poată fi ușor manevrată și montată pe capacul de acces în interiorul cuptorului;

5) pentru a micșora erorile de măsurare a temperaturii probei, am introdus termocuplele în tuburi-teci de cuarț.

Caracteristicile geometrice și termofizice ale piesei-probă sunt prezentate în tabelul următor:

Tab. 4.1.

Acestea constituie de fapt datele inițiale necesare calculului proiectat în cap. 3.

Cu aceste precizări, am trecut la efectuarea experiențelor urmărind etapele prezentate în referatul lucrării de laborator existente [2]:

– se închide cuptorul numai cu capacul respectiv și se conectează circuitul electric de încălzire al cuptorului (comutatorul pe poziția CUPTOR);

– reostatul pentru reglajul grosier și cel pentru reglajul fin se aduc în poziția de rezistență minimă și se așteaptă până când milivolmetrul indică aproximativ 400; se menține un curent cu intensitatea de cca. 3A;

– se modifică apoi rezistențele la valori aproape maxime și se așteaptă stabilirea unei temperaturi constante (tf) în cuptor;
– după ce s-a stins această temperatură constantă, se extrage rapid capacul cuptorului, se montează prin înfiletare și se introduce împreună ansamblul capac – probă cilindrică în cuptor și se pornește cronometrul;
– se aduce comutatorul pe poziția PROBĂ și se citește din minut în minut temperatura (t) în axa cilindrică probă, temperatura de cca. 30 minute; se recomandă și verificarea la interval de câte 5 minute a temperaturii cuptorului (tf), fiind necesară menținerea unei intensități a curentului I de cca. 1,6 1,8 A.

Pentru a obține valori cât mai precise de coeficientul de convecție liberă în spațiu limitat stabilit între aerul din interiorul cuptorului (incintei) și suprafața metalică a probei, am efectuat două serii de măsurători experimentale.

Valorile obținute pentru principalii parametri necesari calculului coeficientului sunt centralizate în tabelele următoare (4.2, 4.3).

În baza datelor experimentale obținute, se trasează pe hârtie milimetrică curba ln = f() și se determină valorile limită ale fazei regimului regulat (punctele B și C) care servesc la calculul ritmului m al procesului de încălzire. Ulterior, se calculează gradul de neuniformitate al câmpului de temperatură și valorile coeficientului de transfer convectiv obținute în condițiile menționate.

Astfel, după valorile din tabelul 4.1., se obțin (figura 4.1)

– punctul B: ln1 = 5,71

1 = 300

– punctul C: ln2 = 5,60

2 = 1140

Pentru valorile din tabelul 4.2 (figura 4.2):

– punctul B: ln1 = 5,03

1 = 600

– punctul C: ln2 = 4,87

2 = 1260

Tab. 4.2.

Tab. 4.3.

Fig. 4.1 .

Fig. 4.2.

Capitolul V

STABILIREA TRASEULUI TEHNOLOGIC
PENTRU UN REPER

Pentru întocmirea unui traseu tehnologic se pot face următoarele recomandări:

La începutul procesului tehnologic se prelucrează suprafețele care devin baze de așezare (suprafețe frontale și găuri de centrare, gaură pentru dorn, pentru prinderea cu dorn, suprafața pentru linetă).

Găurile se execută către sfârșitul procesului tehnologic cu excepția acelora care devin baze de așezare.

Operațiile la care există un procent mare de rebuturi se execută la începutul tehnologic.

Rectificarea se execută după tratamentul termic.

Odată stabilită succesiunea operațiilor și a fazelor din cadrul lor în continuare se alege tipul mașinii unelte pe care se execută fiecare operație , se rezolvă problema bazării și fixării semifabricatului , întocmindu-se și schița fixării și in sfârșit se stabilesc sculele și verificatoarele necesare executării fiecărei faze.

În cazul în care pentru prelucrarea unei suprafețe piesa trebuie prinsă în dispozitv special sau nu este scula standardizată, se menționează necesitatea proiectării dispozitivului sau sculei.

ANEXE

Instalație experimentală

Instalație experimentală

BIBLIOGRAFIE

BADEA A., ș.a. – Echipamente și instalații termice, E.T., București, 2003.

CĂLIMAN R. – Termotehnică și mașini termice – Îndrumar lucrări practice de laborator, Universitatea din Bacău, 1993.

COSTIN D., CĂLIMAN R. – Transmiterea căldurii și schimbătoare de căldură, Ed. BIT, Iași, 1999.

DIMA A., MINEA A. A. – Cuptoare și instalații de încălzire, Ed. CERMI, Iași, 2005.

POP M., ș.a. – Tabele , nomograme și formule termodinamice, E.T., București, 1987.

BIBLIOGRAFIE

BADEA A., ș.a. – Echipamente și instalații termice, E.T., București, 2003.

CĂLIMAN R. – Termotehnică și mașini termice – Îndrumar lucrări practice de laborator, Universitatea din Bacău, 1993.

COSTIN D., CĂLIMAN R. – Transmiterea căldurii și schimbătoare de căldură, Ed. BIT, Iași, 1999.

DIMA A., MINEA A. A. – Cuptoare și instalații de încălzire, Ed. CERMI, Iași, 2005.

POP M., ș.a. – Tabele , nomograme și formule termodinamice, E.T., București, 1987.