1

ELEMENTE NCLZITOARE N TUB METALIC

1. Scopul i obiectivele lucrrii

Lucrarea i propune cunoaterea de ctre studeni a construciei i dimensionrii elementelor nclzitoare n tub metalic (EIT) utilizate pe scar larg la realizarea diverselor aparate electrocalorice de uz industrial i casnic. Obiectivele lucrrii sunt: Cunoaterea particularitilor constructive i funcionale ale EIT; nsuirea unui algoritm de dimensionare pentru EIT; Aplicarea algoritmului de calcul pe un exemplu practic de EIT.

2. Breviar teoretic

Elementul nclzitor (rezistorul) reprezint dispozitivul de conversie a energiei electrice n cldur, pe baza efectului Joule-Lenz; cldura dezvoltat n corpul rezistorului este transmis incintei cuptorului, prin radiaie i convecie. Elementele nclzitoare se realizeaz ntr-o larg diversitate constructiv; ele se clasific astfel: Dup materialul din care sunt confecionate, se disting elemente nclzitoare din:

- materiale metalice: Cu-Ni, Ni-Cr, FeCrAl, Mo, W, Ta; - materiale ceramice i metalo-ceramice: SiC, disiliciura de Mo; - crbune, grafit.

Din punct de vedre constructiv, se disting elemente nclzitoare: - descoperite (libere), care radiaz liber, fiind preferate n construcia cuptoarelor; ele sunt

de tipul: srm spiralizat, srm spiralizat pe suport ceramic, srm i band n zig-zag, baterii de nclzire a gazului n cuptoare cu convecie forat, bare rotunde;

- acoperite, sub form de: rezistoare nglobate n fibre ceramice, tubulare, corpuri nclzitoare, benzi, cabluri, mantale i folii nclzitoare.

Elementul nclzitor n tub metalic face parte din familia elementelor nclzitoare acoperite tubulare, avnd rezistorul, din srm n spiral, nglobat ntr-un tub metalic umplut cu un material electroizolant i conductor termic, Fig. 1. Elementele constructive de baz sunt: 1. Tubul metalic de protecie: se confecioneaz din diverse materiale, n funcie de temperatura de

lucru (pe suprafaa exterioar a tubului): Cu, Am (e = 200oC), Al (e = 350oC), oel nichelat (e = 500oC), oel refractar (e = 850oC). La alegerea calitii materialului pentru realizarea tubului, este necesar s se stabileasc scopul, domeniul de utilizare, forma i temperatura maxim de lucru. Dimensiunile uzuale sunt: lungimea: 1203500 mm, diametrul exterior al tubului: 612 mm, grosimea peretelui metalic al tubului de circa 1mm.

2. Materialul electroizolant de umplutur, trebuie s aib rezistivitatea ct mai mare la temperaturi de pn la 1100oC, conductivitatea termic ct mai mic, s nu corodeze spirala nclzitoare i nici materialul tubului, att la temperatura mediului ambiant ct i la temperatura de funcionare. n plus, materialul trebuie s fie ct mai puin higroscopic, s nu fie duntor pentru om n procesul de fabricaie i s permit aplicarea unei tehnologii ct mai productive, n condiii de calitate garantat (s aib o granulaie i o capacitate de curgere uniforme). Materialul utilizat cu succes la ora actual este oxidul de magneziu (MgO, magnezia), fiind un produs sintetic de nalt puritate. Acesta se obine din magnezit (MgCO3), prin procese de calcinare la 1400oC, topire cu arc electric, la 2700oC, mcinare i apoi iar o calcinare la 1150oC.

3. Rezistorul din srm spiralizat, din: Cr-Ni, FeCrAl, Kanthal de diferite tipuri; pentru a se asigura distana de izolare, diametrul de spiralizare este de 2,52,8 ori mai mic dect diametrul tubului.

2

4. Elementele de fasonare, cu rol electric, sau de etanare: bornele de contact, izolatorul ceramic de ghidare (realizat de regul din steatit), izolatorul de capt, cu rol de centrare a tiftului de contact, de etanare i protecie a materialului izolant mpotriva umezelii.

3. Elemente de calcul de dimensionare

Metodologia de calcul de dimensionare a unui EIT este prezentat n tabelul 1, [1, 2].

Tabelul 1 Nr. crt.

Etapa de dimensionare Relaia de calcul Comentarii Rez.

1. Date de intrare

Tensiunea nominal de alimentare, UN [V] Puterea nominal a EIT, PN [W] Puterea specific a EIT p [W/m2]

Temperatura exterioar a EIT: t [oC]

2. Suprafaa activ de transfer termic a EIT pP

A N= , [m2] Se adopt:

Dt1 - diametrul ext. al tubului nainte de comprimare;

gt grosimea peretelui tubului

3. Diametrul ext. al EIT dup comprimare 18,0 tt DD , [m] Se adopt un grad de laminare de cca 20%

4. Lungimea activ a EIT t

a DALpi

= , [m] Se calculeaz pentru EIT dup comprimare

5. Lungimea total a EIT dup comprimare cat LLL 2+= , [m] Se adopt pentru capete Lc=50100 [mm]

6. Lungimea total a

EIT nainte de comprimare l

tt k

LL =1 , [m]

Kl1,33 coeficient de laminare (depinde de calitatea i starea de ecruisare a materialului

tubului)

7. Dimensiunile spiralei nclzitoare

ldP

APp

PU

dLR

s

N

r

Nr

N

N

==

=

=

pi

pi

2

2

4

Se alege preliminar materialul srmei rezistive, n funcie de temperatura r 1,2 t; rezult: - rezistivitatea srmei (la temperatura r); puterea specific pr i temperatura maxim

admisibil ra ds diametrul standardizat al srmei (ds d);

8. Diametrul de spiralizare al srmei stts dsgDD += )(2

s grosimea materialului de umplere electroizolant (se ia s=1,5 [mm])

9. Lungimea total a srmei rezistive scs lll 2+=

lsc lungimea consumat din srm pentru spiralizare pe fia de contact

10. Numrul de spire s

s Dl

npi

= Se rotunjete la ntregul superior

11. Pasul de spiralizare snL dt

s

a= )5,3...5,2(

Pasul de spiralizare se alege astfel nct s permit ptrunderea granulelor de material

electroizolant printre spire

12. Cderea de temperatur

==r

ttctr D

DDpk ln2

'

kc =1,11,2 coeficient de configuraie; - conductivitatea materialului electroizolant

( =2,55 [W/m grd], pentru MgO) diametrul Dr=Ds+ds

13. Verificarea

temperaturii srmei rezistive

rar