Electrotermie

CAPITOLUL 1

Electrotermia studiază procesele şi instalaţiile în care energia termică (căldura) se obţine din energie electrică, pentru a fi utilizată în scopuri tehnologice.

În prezent echipamentele electrotermice sunt din ce în ce mai mult utilizate atât în industrie cât şi în domeniul casnic. Domeniile în care se utilizează procesele electrotermice sunt:

- Industria metalurgică (la topirea şi rafinarea metalelor, încălzirea semifabricatelor);

- Industria chimică (pentru realizarea unor reacţii chimice, încălzirea coloanelor şi recipienţilor, producerea şi prelucrarea materialelor plastice);

- Industria constructoare de maşini (la matriţare, forjare, sudare, uscare, lipire, călire);

- Industria extractivă (la reducerea minereurilor);

- Industria materialelor de construcţii (la topirea şi tratamentul sticlei);

- Industria electronică (la producerea semiconductoarelor);

- Industria lemnului (uscarea lemnului şi a îmbinărilor cleiate);

- Industria alimentară (uscarea, prepararea şi sterilizarea unor produse, etc).

Aplicaţiile multiple ale proceselor electrotermice se datorează în primul rând avantajelor pe care le prezintă încălzirea electrică faţă de încălzirea cu flacără:

o concentrarea unei puternice surse termice într-un spaţiu restrâns, cu obţinerea unor

temperaturi ridicate (şi a unor viteze mari de încălzire);

o inexistenţa produselor arderii şi deci posibilitatea de ermetizare a spaţiului de lucru;

o prelucrarea termică se poate realiza în atmosferă controlată şi în vid;

o se poate asigura funcţionarea intermitentă a instalaţiilor;

o uşurinţa reglării temperaturii materialului procesat, în conformitate cu cerinţele procesului

tehnologic;

o funcţionarea echipamentelor electrotermice se poate automatiza complet, iar procesele tehnologice pot fi controlate în timp real;

o valori scăzute ale consumurilor specifice de energie;

o durata mică a proceselor electrotermice;

o îmbunătăţirea condiţiilor de lucru şi a gradului de utilizare a suprafeţelor de producţie;

o energia electrică este disponibilă în orice loc şi moment, la parametrii necesari şi uşor controlabili.

Transformarea energiei electrice în căldură se poate realiza prin mai multe procedee, acestea determinând şi tipul de echipament electrotermic utilizat:

 Instalaţii de încălzire cu rezistenţă electrică;

 Cuptoare electrice cu arc;

 Instalaţii de încălzire prin inducţie electromagnetică;

 Instalaţii de încălzire în radiofrecvenţă (capacitive);

 Instalaţii de încălzire cu microunde.

După anii 70 s-au extins procedeele electrotermice care folosesc laserul şi ultrasunetele.

1.1 TRANSFERUL DE CĂLDURĂ ÎN INSTALAŢIILE ELECTROTERMICE

La un cuptor electric (de exemplu cu rezistoare) apare un transfer complex de căldură (prin conducţie, convecţie sau/şi radiaţie) de la surse (elementele încălzitoare, în cazul cuptorului electric cu rezistoare) la materialul procesat, precum şi spre pereţi.

De asemenea, prin pereţii cuprorului are loc un transfer de căldură spre exterior, determinând pierderi. Din punctul de vedere al procesului de încălzire a materialului procesat (de ex. piese) şi căldura înmagazinată în pereţii cuptorului este energie pierdută.

Fig. 1.1 Schema generală de conversie electrotermică a energiei electrice.

Cunoaşterea particularităţilor transmisiei căldurii într-un proces electrotermic este esenţială în principal pentru:

• determinarea variaţiei în timp a câmpului termic în materialul supus încălzirii;

• evaluarea celor două componente ale energiei termice, energia utilă şi pierderile de energie

asociate procesului şi determinarea, în acest fel, a randamentului procesului.

1.1.1 CONDUCŢIA TERMICĂ

Prin conducţie termică se defineşte procesul de transmisie a căldurii în interiorul unui corp, caracterizat prin câmp de temperatură neuniform.

În regim staţionar , iar în regim tranzitoriu (nestaţionar sau evolutiv), .

Fluxul termic Φ[W], asociat unei suprafeţe A, este cantitatea de căldură care străbate această suprafaţă în unitatea de timp.

Această mărime se exprimă local prin densitatea fluxului termic sau fluxul termic specific (puterea specifică), , astfel că:

(1.1)

Fluxul termic total reprezintă cantitatea de căldură emisă în unitatea de timp de un corp pe toate lungimile de undă şi în toate direcţiile, fiind o funcţie de temperatura corpului.

În funcţie de gradientul local al temperaturii, densitatea fluxului termic are expresia:

(1.2)

mărimea λ [W/mC] fiind denumită conductivitate termică.

Cantitatea de căldură dQ transmisă prin conducţie termică prin aria elementară dA, pe o durată de timp dt, calculată din expresia anterioară poate fi determinată din relaţia:

(1.3)

Pentru o suprafaţă Σ (fig. 1.2) care delimitează un sistem cu corpuri imobile (viteza ν=0), în interiorul căreia se presupune că există surse termice, caracterizate prin densitatea volumică de putere pν, puterea totală produsă de surse este dată de expresia: