1

NAGRZEWANIE REZYSTANCYJNE

Nagrzewanie rezystancyjne (oporowe) jest to nagrzewanie elektryczne

wykorzystujące efekt Joule'a w ośrodku przewodzącym stałym, połączonym

galwanicznie ze źródłem energii.

Moc cieplna wywołana efektem Joule'a-Lenza jest proporcjonalna do

kwadratu prądu w torze

P = R I2

przy czym R jest rezystancją toru wykonanego z materiału o

konduktywności γγγγ bądź rezystywności ρρρρ.

Rys. 2.1. Element przewodzący prąd elektryczny

P = γγγγ E2V

V = F · l

2

Rys. 2.9. Schemat elektryczny urządzenia rezystancyjnego bezpośredniego

bezkomorowego z ciągłą regulacją napięcia

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

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

3

Rys. 2.10. Zasilacz zmienno-prądowy z kompensacją mocy biernej

i symetryzacją obciążenia sieci

R – wsad, T- transformator jednofazowy o regulowanej przekładni,

C3 i C4 - kondensatory do kompensacji mocy biernej. C1 i C2 -

kondensatory układu symetryzującego Steinmetza, L - dławik

układu symetryzującego

4

Rys.2.6. Charakterystyki nagrzewania prądem przemiennym wsadu

prostopadłościennego o przekroju kwadratowym 42 x 42 z normalnej

stali węglowej przy różnych napięciach zasilających umożliwiających

osiągnięcie temperatury zadanej: po 22 s - krzywe a, po 84 s - krzywe b,

po 144 s - krzywe c

5

Rys. 2.12. Zużycie właściwe energii minimalne (linie ciągłe) i średnie (linie

przerywane) przy trzech wartościach maksymalnych natężeń prądu

grzejnego: a) w procesie nagrzewania kęsów stalowych od 20 do

1200°C; b) w procesie podgrzewania od 700 do 1200°C

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

przekroju kwadratowym

Rys. 2.14. Moc transformatora w urządzeniu rezystancyjnym bezpośrednim

bezkomorowym do nagrzewania kęsów stalowych o przekroju

kwadratowym, wg [280] δ - długość boku, l - długość kęsa

6

Rys. 2.19. Schemat pieca Achesona do grafityzacji elektrod zasilanego

prądem stałym

1 - fundament, 2 - wymurówka ogniotrwała, 3 - suchy piasek, 4 - ściana

czołowa nierozbieralna, 5 - zasypka termoizolacyjna, 6 - zasypka oporowa,

7 - wsad (elektrody cylindryczne), 8 - ściana boczna rozbieralna, 9 - otwory

do odprowadzania gazów, 10 - elektrody doprowadzające prąd do rdzenia

Rys. 2.20. Zmiennoprądowy układ zasilania pieców Achesona

1 - transformator piecowy, 2 - transformator kompensacji,

3 - bateria kondensatorów kompensacji,

4 - tor wielkoprądowy, 5 – piece

7

Tablica 2.1. Podstawowe właściwości niektórych stopów austenitycznych,

Typy

stopów

Nazwa lub

oznaczenie

handlowe

stopu

Kraj

wytwa-

rzania

Główne składniki

chemiczne

w przybliżeniu

Rezys-

tywność

w tempe-

raturze

200C

Dopusz-

czalna

tempe-

ratura

pracy

Tempera-

tura

topnienia

Ni Cr Fe

- - - % masy Ω·mm2/m

0C

0C

Austenitycz-

ne

bezżelazowe

typu Ni-Cr

Baildonal 80 Polska 79 20 - 1.09 1200 1400

Baildonal 70 Polska 69 30 - 1.17 1230 1380

Chroniterm 80

Spezial

RFN

80

20

-

1.12

1220

1450

Chroniterm 70

Spezial

RFN

70

30

-

1.19

1250

1400

Chronix 80

Extra

RFN

80

20

≤1

1.12

1250

1400

Chronix 70

Extra

RFN

70

30

≤1

1.19

1250

1380

Nikrothal 80

Plus

Szwecja

80

20

-

1.09

1200

1400

Х20Н80 Rosja 75÷78 20÷23 - 1.09 1100 1390÷1420

ХН70Ю Rosja 67÷71 26÷29 - 1.34 1200 1390÷1420

R.D.01 Francja 80 20 <1 1.08 1200 -

R.D.02 Francja 70 30 <1 1.18 1260 -

Austenitycz-

ne

żelazowe

typu

Ni-Cr-Fe

Fe-Cr-Ni

Fe-Ni-Cr

Cronifer II

Extra

RFN

60

15

21

1.13

1200

1390

Cronifer III

Extra

RFN

30

20

46

1.04

1150

1390

Cronifer IV

Extra

RFN

20

25

50

0.95

1100

1380

Chroniterm 60

Spezial

RFN

60

15

25

1.13

1150

1390

Chroniterm 30

Spezial

RFN

30

20

50

1.04

1100

1390

Chroniterm 20

Spezial

RFN

20

25

55

0.95

1050

1380

Nikrothal 60

Plus

Szwecja

60

15

25

1.11

1150

1390

Nikrothal 40

Plus

Szwecja

35

20

45

1.04

1100

1390

Nikrothal 20

Plus

20

25

55

0.95

1050

1380

Х25Н20 Rosja 17÷20 24÷27 reszta 0.92 1000 1400÷1430

R.D.03 Francja 60 15 25 1.12 1125 -

R.D.04 Francja 45 23 32 1.12 1150 -

8

Tablica 2.2. Podstawowe właściwości niektórych stopów ferrytycznych

Typy

Stopów

Nazwa lub

oznaczenie

handlowe

stopu

Kraj

wytwa-

rzania

Główne

składniki chemiczne

w przybliżeniu

Rezys-

tywność

w

tempe-

raturze

20°C

Dopusz-

czalna

tempe-

ratura

pracy

Tempe-

ratura

topnienia

Cr Fe Al. Si

- - - % masy Ω·mm2/m °C °C

Ferry-

tyczne

typu

Fe-Cr-Si

Megatherm I

Megatherm II

RFN

RFN

30

18

67.5

78.5

-

-

2.5

3.5

0.87

1.05

1050

900

1470

1460

Ferry-

tyczne

typu

Fe-Cr-

Al

Alsichrom 1

Alsichrom 2

Alsichrom 10 SO

Aluchrom O

Aluchrom P

Aluchrom S

Aluchrom W

Baildonal 12

Baildonal 10

Baildonal 8

Kanthal APM

Kanthal AF

Kanthal A-1

Kanthal D

Alkrothal

OX27IO5A

OX23IO5A

RD.05

RD.07

RFN

RFN

RFN

RFN

RFN

RFN

RFN

Polska

Polska

Polska

Szwecja

Szwecja

Szwecja

Szwecja

Szwecja

Rosja

Rosja

Francja

Francja

25

20

14

25

20

20

15

23

17

13

22

22

22

22

15

26÷÷÷÷28

21.5÷÷÷÷23.5

25

20

68.5

74

74.5

68.5

74

74.5

79.5

72

78

83

72.2

72.7

72.2

73.2

80.7

resz-

ta

resz-

ta

70

75

5

5

4

5.5

5

4.5

4.5

5

5

4

5.8

5.3

5.8

4.3

4.3

5.5÷÷÷÷5.8

4.5÷÷÷÷5.2

5

5

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

1.44

1.37

1.25

1.44

1.37

1.35

1.25

1.43

1.34

1.29

1.45

1.39

1.45

1.35

1.25

1.42

1.35

1.45

1.39

1350

1250

1050

1350

1300

1270

1050

1280

1200

1050

1400

1400

1400

1300

1100

1300

1200

1375

1330

1500

1500

1500

1500

1500

1500

1500

1510

1510

1510

1500

1500

1500

1500

1500

1500÷÷÷÷1510

1500÷÷÷÷1510

-

-

9

Tablica 2.3. Podstawowe właściwości metali wysokotopliwych Nazwa metalu Rezystywność

w 200C

Dopuszczalna

temperatura pracy Temperatura

topnienia

- Ω·mm2/m

0C

0C

Molibden

Wolfram

Tantal

Platyna

0.050

0.055

0.125

0.105

1900

2500

2400

1600

2360

3387

3030

1772

Tablica 2.4. Podstawowe właściwości materiałów wysokotemperaturowych

niemetalowych Rodzaj

i symbol

chemiczny

Nazwa lub

oznaczenie

handlowe

Kraj

wytwa-

rzania

Rezystyw-

ność w

temperaturze

20°C

Rezystywność w

temperaturze t

Dopuszczalna

temp. pracy w

powietrzu t ρρρρ

- - - (ΩΩΩΩ-mm2)/m °C (ΩΩΩΩ-mm

2)/m °C

Karborund

SiC

Silit-Cesiwid

Silit

KEN A; KEN

B Morganite

Tecorundum

Cristolon CL

Globar LL

Globar SG

Hot Rod CXL

RFN

RFN

Rosja

W.Bryt.

Japonia

USA

USA

USA

USA

~4000

-

-

-

-

-

~1850

~1600

-

1500

1400

1400

1300

1300

1300

1300

1300

1300

1250

900

1500

1100

1500

1100

1200

1000

1100

1600

1450

1450

1650

1700

1600

1540

1650

1650

Krzemo-

molibden

MoSi2

Kanthal ST

Kanthal N

Kanthal 33

Kanthal 19001)

-

Mosilit

Szwecja

Szwecja

Szwecja

Szwecja

Rosja

RFN

0.30

0.30

0.28

0.33

-

0.32

1500

1500

1500

1800

1600

1600

3.45

3.45

3.30

3.80

3.70

4.10

1700

1700

1800

1900

1700

1700

Węglik niobu

NbC

-

Rosja

0.50

2600

2.31

25002)

30003)

Węglik niobu

NbC

+10%TiC

-

Rosja

0.74

2600

3.08

25002)

30003)

Chromian

lantanu

LaCr03

Typ A Typ B

Japonia

Japonia

Rosja

80006)

120006)

100000

1500

1500

-

1000

3000

2000

2000

1850

Węgiel

i grafit C

Węgiel

amorficzny

Francja

70÷80

2000

28÷32

23004)

Grafit

syntetyczny

Francja

8÷10.5

2500

9.3÷12.3

30005)

l) Część Mo zastąpiono W.

2) W próżni.

3) W argonie technicznym.

4) W atmosferze beztlenowej.

5) W

helu. 6)W temperaturze 100

0C

10

Rys. 2.26. Elementy grzejne niskotemperaturowe: a) widok; b)÷k) przekrój

1 - rezystor grzejny, 2 - izolacja elektryczna, 3 - płaszcz metalowy, 4 -

płaszcz ochronny, 5 - przewód ochronny, 6 - linka nośna, 7 - przewód

zasilający

11

Rys. 2.28. Najbardziej charakterystyczne rodzaje elementów grzejnych

średniotemperaturowych,

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

12

Rys. 2.30. Zalecane maksymalne obciążenia powierzchniowe rezystorów

grzejnych firmy Kanthal przeznaczonych do pracy w piecach

przemysłowych, wg [155]: a) spiralnych i falistych umieszczonych

w kanałach kształtek ceramicznych (d ≥≥≥≥ 3 mm, g ≥≥≥≥ 2 mm); b)

spiralnych nawiniętych na rurach ceramicznych (d ≥≥≥≥ 3 mm, g ≥≥≥≥ 2

mm); c) falistych z taśmy zawieszonych na ścianach pieców i

swobodnie promieniujących (g ≥≥≥≥ 2,5 mm, s ≥≥≥≥ 50 mm); d) falistych z

drutu zawieszonych na ścianach pieców i swobodnie

promieniujących (d ≥≥≥≥ 5 mm, s ≥≥≥≥ 50 mm). (Podane na rysunkach

wartości dotyczą eksploatacji przy ciągłej regulacji temperatury.

Przy regulacji nieciągłej należy przyjmować nieco mniejsze

wartości p)

13

Rys. 2.39. Elementy grzejne karborundowe,

1 - rezystor grzejny, 2 - końcówka, 3 - część metalizowana

końcówki, 4 - łączówka

14

Urządzenia rezystancyjne pośrednie bezkomorowe

Rys. 2.47. Układy grzejne najbardziej rozpowszechnionych urządzeń

rezystancyjnych pośrednich bezkomorowych

15

Rys. 2.48. Przykłady zastosowań urządzeń kondukcyjnych

16

Urządzenia rezystancyjne pośrednie komorowe

Rys. 2.57. Schematy bardziej rozpowszechnionych pieców rezystancyjnych

pośrednich nieprzelotowych: a) komorowy; b) wgłębny; c) tyglowy; d)

wannowy; e) kołpakowy; f) elewatorowy, g) wysuwny; h) komorowy z

wymuszonym ruchem powietrza; i) warnik

W - wsad

17

Rys. 2.58. Schematy bardziej rozpowszechnionych pieców rezystancyjnych

pośrednich przelotowych: a) taśmowy; b) rolkowy; c) przepychowy; d)

wózkowy (przetokowy); e) przenośnikowy; f) przewłokowy; g)

ślimakowy; h) wstrząsowy; i) okrężny z pionową komorą

W - wsad, s - ruch szybki, p - ruch wolny

18

Rys. 2.87. Charakterystyki dynamiczne pieca rezystancyjnego

nieprzelotowego

Wielkości charakterystyczne pieców rezystancyjnych:

- moc grzejną znamionową Pn,

- moc grzejną jałową Po,

- moc strat w stanie cieplnie ustalonym w funkcji temperatury roboczej

Pp=f(tr),

- współczynnik wzmocnienia K = dtr/dPp,

- praktyczny czas rozgrzewu ττττp ,

- teoretyczny czas rozgrzewu ττττt,

- ciepło akumulacyjne statyczne Qa,s

- ciepło akumulacyjne dynamiczne Q,

- czas stygnięcia ττττs,

- czas opóźnienia L,

- stała czasowa N.

19

Rys. 2.89. Sterowanie tyrystorowe obiektów o małej mocy: a) regulacja

fazowa w zakresie mocy 0÷÷÷÷Pn; b) regulacja fazowa w zakresie

mocy 0,5Pn÷÷÷÷Pn; c) sterownik w układzie odwrotnie równoległym

(Pαααα = 0÷÷÷÷Pn); d) sterownik w układzie odwrotnie równoległym z

diodą (Pαααα = 0,5Pn÷÷÷÷Pn); e) sterownik w układzie mostkowym (Pαααα =

0÷÷÷÷Pn)

Rys. 2.90. Sterowniki tyrystorowe w układzie odwrotnie-równoległym

obiektów dużej mocy: a) regulacja impulsowa; b) układ

gwiazdowy; c) układ gwiazdowy z przewodem zerowym; d) układ

trójkątowy