Instalatii si echipamente electrotermice

Instalatii si echipamente electrotermice

1.1.1. Introducere

Orice transformare a energiei este insotita de pierderi si poate fi carac­te­ri­za­ta prin randament. Instalatiile care asigura conversia energiei determin si o serie de perturbatii asupra mediului ambiant [1.1] precum:

poluarea mediului inconjurator (chimica, termica, acustica, electromagnetica, ra­di­o­activa, estetica); prin masuri adecvate nivelul de poluare trebuie limitat la nivele ac­cep­­tate prin norme internationale;

modificari ale scoartei terestre (lacurile de acumulare ale hidro-centralelor);

blocarea zonelor in care se amplaseaza instalatiile de conversie.

1.1.2. Echipamente electrotermice. Indicatori caracteristici

1.1.2.1. Probleme generale

Echipamentul electric se defineste ca fiind orice dispozitiv folosit pentru pro­du­ce­rea, transformarea, distributia sau utilizarea energiei electrice. Receptoarele elec­tri­ce sunt echipamente electrice care transforma energia electrica in alte forme de ener­gie. Recep­toarele electrice se impart in receptoare de iluminat (lampi electrice) si re­cep­toa­re de forta care pot fi electromecanice (motoare electrice, elec­tro­ven­tile), electro­termice (cuptoare electrice, utilaje de sudare) sau electro­chi­mice (bai de elec­troliza).

Instalatia electrica defineste un ansamblu de echipamente electrice inter­co­nec­tate prin diferite legaturi electrice, plasate intr-un spatiu dat, formand un tot unitar si avand un scop functional bine determinat.

Procesele in care energia termica (caldura) obtinuta din energia electrica se fo­lo­ses­te in scopuri tehnologice reprezinta procese electrotermice. Echipamentele folosite pen­tru realizarea proceselor electrotermice, impreuna cu sursele proprii de alimentare, apa­­ratajul de punere in functiune si reglare, reprezinta instalatii electrotermice.

Energia termica necesara in procese industriale, in agricultura si in domeniul social-gospodaresc este obtinuta din ce in ce mai mult din energie electrica. In prezent peste 35% din consumul de energie electrica din sistemul electroenergetic national este datorat proceselor electrotermice.

Procesele electrotermice sunt larg intalnite in cele mai diverse domenii in­dus­tri­a­le: industria metalurgica, la topirea si rafinarea metalelor si la incalzirea semifa­bri­ca­­te­lor; industria chimica, la realizarea reactiilor chimice, la incalzirea coloanelor si re­­ci­pi­en­ti­lor, la producerea si prelucrarea materialelor plastice; industria con­struc­toa­re de ma­sini, la matritare, forjare, uscare, calire, lipire, sudare; industria extractiva, la re­­du­ce­rea minereurilor; industria materialelor de constructii, la topirea si tratamentul sti­­clei; in­dus­tria electronica, la producerea semiconductoarelor; industria lemnului, la us­carea lem­nului si a imbinarilor incleiate; industria alimentara, la uscarea, pre­pa­ra­rea si ste­ri­li­za­rea produselor etc.

Utilizarea instalatiilor electrotermice este caracterizata de avantaje importante fata de instalatiile de incalzire cu flacara:

se pot obtine temperaturi de peste 2200 K; unele procese tehnologice din in­dus­tria moderna necesita temperaturi de pana la 20000 K care pot fi obtinute numai in cup­toa­rele cu plasma;

temperatura poate fi reglata precis, existand posibilitatea dozarii caldurii in func­tie de necesitatile procesului tehnologic si a unui control permanent si precis al energiei electrice transformate in caldura,

spatiul de lucru fiind inchis, prelucrarea termica se poate realiza si in atmosfera controlata, cu gaze de protectie sau in vid;

se poate asigura functionarea intermitenta, instalatia putand fi adusa repede in stare de functionare la parametrii nominali;

deoarece concentratia de energie termica in materialele supuse incalzirii este re­la­tiv mare, functionarea instalatiilor electrotermice se caracterizeaza prin valori reduse ale consumurilor specifice de energie;

prin introducerea calculatoarelor de proces exista posibilitatea automatizarii com­plete a functionarii instalatiilor electrotermice;

spatiul ocupat de instalatiile electrotermice este relativ redus, gama de puteri a acestor instalatii este foarte larga, de la cateva sute de wati, la aparatele de uz casnic si de laborator, la zeci de megawati, in cazul cuptoarelor industriale, iar durata proceselor elec­trotermice este relativ redusa;

1.1.2.2. Tipuri de echipamente electrotermice

Transformarea energiei electrice in caldura se poate face prin diferite procedee.

Incalzirea cu re­zis­toa­re poate fi direc­ta sau indirecta. In cazul in­calzirii directe, rezistorul este chiar corpul de in­cal­­zit; pen­tru a putea fi par­curs de cu­ren­tul elec­tric de incalzire, ma­te­ria­lul tre­bu­ie sa pre­zinte con­­duc­ti­vi­tate electri­ca. La in­cal­zirea in­di­recta, re­zis­to­rul este un ele­ment de cir­­cuit spe­cial pro­iec­tat pen­­tru acest scop. Caldura dez­­vol­tata la ni­ve­lul re­zis­torului se tran­smite prin ra­diatie, radiatie si con­vec­tie for­ta­ta sau nu­mai prin con­vectie forta­ta spre ma­te­ria­l.

Cuptoarele electrice cu arc se bazeaza pe conversia energiei elec­tri­­ce in energie termica la ni­­velul arcului electric. La in­­calzirea directa arcul electric se formeaza in­tre e­lec­tro­zi si masa me­ta­li­ca su­pu­sa incal­zirii in ve­derea to­pirii. Cuptoarele cu arc e­­lec­tric pot atinge pu­teri no­­minale relativ mari, de pa­na la 80 MW si ca­pa­citati de pana la 400 tone. La in­cal­zirea indirecta, arcul electric se formeaza intre elec­tro­zi; incalzirea ma­te­­ria­lu­lui, aflat la o anu­mi­ta distanta de arc, se fa­ce prin radiatie.

Incalzirea prin in­duc­tie a metalelor se ba­zeaza pe fenomenul in­duc­tiei electro­magnetice. La instalatiile de inductie avand inductorul a­li­mentat de la reteaua uzi­nala cu frec­venta de 50 Hz, miezul fe­ro­magnetic este realizat din tole din otel elec­tro­teh­nic iar materialul metalic de incalzit, daca se urm[v1] areste topirea a­ces­tu­ia, este plasat in­tr-un creuzet inelar. La utilizarea frec­ven­te­lor ridicate (de ordinul ki­lohertzilor), e­chi­pa­men­tul electrotermic nu contine miez feromagnetic.

La incalzirea materialelor dielectrice, energia e­lec­trica a sursei de alimentare se transfera materialului prin cam­pul electric de inalta frecventa (zeci de MHz). Materialul di­e­lec­tric de incalzit  este plasat intre placi metalice, rea­li­zan­du-se o configuratie echi­va­len­ta unui con­densator in di­e­lec­tri­cul caruia au loc pierderi de pu­tere activa prin conductie si histerezis elec­tric.

Dup[v2] a anul 1970, s-au ex­tins larg procedeele care folosesc micro­unde, ultra­sunete, la­se­rul etc, fiind astfel posibila rezolvarea per­for­manta a unor probleme tehno­logice ne­con­ventionale din do­me­niul mai larg al e­lec­tro­teh­no­lo­giilor moderne.

Document online: Evolutia pietei imobiliare in ultimii ani Document online: Descriere folii de polietilena

1.1.2.3. Oportunitatea introducerii in exploatare a instalatiilor electrotermice

Introducerea in exploatare a instalatiilor electrotermice rezulta numai in urma unui stu­diu tehnico-economic care sa justifice oportunitatea in raport cu particu­la­ri­ta­ti­le con­crete ale procesului tehnologic. Fac exceptie procesele care ne­ce­si­ta tem­pe­ra­turi peste 2000 °C, unde utilizarea echipamentelor electrotermice devine obli­ga­torie.

Analiza introducerii sau inlocuirii unor procese industriale utilizand incalzirea cu com­bustibil, prin procese electrotermice, nu poate fi redusa numai la dimensiunea sa ener­getica. Studiile efectuate au aratat ca economia de energie obtinuta prin intro­du­ce­rea tehnologiilor electrice, nu este totdeauna determinanta in castigul realizat. O pondere importanta o au reducerea costurilor pentru depoluare, reducerea cheltuielilor pentru forta de munca prin cresterea productivitatii la introducerea automatizarilor in procesul de productie, cresterea volumului productiei, cresterea pretului de vanzare al pro­dusului prin cresterea calitatii acestuia, reducerea consumului de materiale. De ase­me­nea, trebuie luate in consi­derare imbunatatirea conditiilor de munca si reducerea ni­ve­lului de poluare tehnologica.

Din punct de vedere ener­getic, analiza proceselor electro­termice, comparativ cu alte moduri de incalzire, se face pe baza consumurilor specifice directe si cumulate, pentru produsele realizate, avand in vedere consumul specific mediu in centralele elec­trice. Se considera ca in tara noastra, in medie, 1 MWh corespunde la 10600 MJ (0,36 tcc), ceea ce corespunde unui randament de circa 34% la producerea energiei. In principiu se considera ca inlocuirea unui proces termic printr-un proces electrotermic este eficienta, din punct de vedere energetic, daca se asigura inlocuirea unei cantitati de combustibil care asigura 10,5 MJ cu 1 kWh energie electrica

De asemenea, trebuie luate in considerare urmatoarele aspecte:

a) Proprietatile energiei electrice: disponibilitate in orice loc si moment, la pa­ra­metri necesari si usor controlabili, la puteri mari, in functie de necesitatile teh­no­lo­gi­ce; posibilitatea obtinerii energiei electrice din combustibili de calitate inferioara;

b) Avantajele echipamentelor electrotermice: gabarite relativ reduse, incadrarea con­venabila in structura proceselor tehnologice rezultand economii importante de spa­tiu; reglajul precis si controlabil al temperaturii in spatiile de lucru care pot fi, daca este necesar, inchise (atmosfera controlata, vid); functionare complet auto­ma­ti­zata in struc­turi cu calculatoare de proces pentru a asigura regimuri economice de functionare si con­trolul in timp real al procesului; posibilitatea dezvoltarii directe, in materialul de pre­lucrat, a caldurii necesare, in conditiile unor viteze mari de incalzire;

c) Imbunatatirea conditiilor microclimatului de lucru prin reducerea prafului, ce­nu­sii, zgurii; reducerea pierderilor termice spre mediul ambiant; reducerea zgomo­tului (cu exceptia cuptoarelor cu arc electric si a celor cu plasma);

d) Simplificarea unor procese tehnologice cu utilizarea mai rationala a ma­te­ria­le­lor, cresterea calitatii produselor in conditiile unei produc­ti­vi­tati marite;

e) Posibilitatea recuperarii caldurii continuta in apa de racire de la unele ca­te­go­rii de echipamente electrotermice si folosirea utila a acesteia in diverse scopuri teh­no­lo­gice in functie si de necesitatile locale. Astfel, de exemplu pot fi recuperate cantitati mari de cal­dura la cuptoarele trifazate industriale cu arc electric, unitati de puteri mari, la care tre­buie asigurata racirea intensiva a peretilor exteriori pentru ca temperatura cap­tuselii in­terioare sa nu depaseasca limita de inmuiere. In aceste cazuri se folosesc so­lutii spe­ci­a­le de racire, utilizand procese de evaporare, temperatura aburului ajungand la 300 °C.

1.1.2.4. Indicatori energetici

Caracterizarea din punct de vedere energetic a instalatiilor electrotermice se face prin randament, factor de putere, puteri absorbite, consum specific de energie si prin pro­ductivitate. Este necesara stabilirea bilantului energiilor si a puterilor la nivelul echi­pa­mentului electrotermic si la nivelul instalatiei electrotermice.

Instalatia electrotermica se compune, in principiu, dintr-o sursa de ali­men­tare, reteaua scurta si cuptorul electric. Alimentarea instalatiei electrotermice se poa­te face de la reteaua de medie sau inal­ta tensiune (U₁ = 20 kV sau 110 kV) sau de la reteaua de joasa tensiune (U₁ = 0,4 kV). In structura instalatiei electrice este cuprins si apa­ratajul de conectare, protectie, masurare si automatizare.    

Sursa de alimentare are rolul de a modifica parametrii retelei electrice de distribu­tie, tensiunea U₁, frecventa f, numarul de faze m si/sau puterea P₁ transmisa cup­to­ru­lui. 

Din punctul de vedere al frecventei, sursele pot fi: de tensiune continua (sta­tice sau rotative), de joasa frecventa (f < 50 Hz), de frecventa industriala (f = 50 Hz), de medie frecventa (50 Hz < f < 10 kHz), de inalta frecventa (f > 10 kHz). Sursei de ali­­men­tare i se ataseaza condensatoarele destinate compensarii consumului nerational de pu­tere reactiva ca si filtrele pentru limitarea perturbatiilor determinate de regimul ener­getic nesinusoidal.

Reteaua scurta este un sistem de conductoare (bare, cabluri) care leaga sursa de ali­mentare, de cuptorul electric; solutia sa constructiva urmareste reducerea pierderilor de energie electrica, avand in vedere faptul ca, in general, prin conductoarele retelei scurte circula curenti de valori mari ( kA sau zeci de kA).

Cuptorul electric reprezinta sistemul in care are loc transformarea energiei e­lec­tri­ce in energie termica (caldura). Cuptoarele pot fi: cu rezistoare, cu arc electric, cu plas­ma, cu inductie electromagnetica, capacitive, cu microunde, cu fascicul de electroni etc.

Daca se folosesc notatiile:

P₁ - este puterea activa absorbita din reteaua electrica de alimentare;

DP_s - pierderile de putere activa in sursa de alimentare;

P₂ - puterea activa livrata de sursa de alimentare;

DP_rs - pierderile de putere activa in reteaua scurta;

P - puterea activa absorbita de cuptorul electric:

DP_e DP_t - pierderile electrice si respectiv termice in cuptor;

P_u - puterea utila, corespunzatoare energiei termice transferata materialului.

Atunci randamentul total h_IE al instalatiei electrotermice se determina din relatia:

(1.1)

sau (1.2)

unde h_s este randamentul sursei de alimentare, h_rs - randamentul retelei scurte iar h_c - randamentul cuptorului.

Puterea utila necesara in­cal­zirii masei m a incarcaturii, de la temperatura initiala q_i la tem­peratura finala q_f, in tim­pul t_i rezulta din relatia:

(1.3)

In relatia (1.3), c este cal­du­ra masica, dependenta de ma­te­rial si de temperatura iar i este entalpia masica. Temperaturile de topire ale unor materiale prelucrate in mod uzual prin procedee electro­termice

sunt: Al ‑ 660,1 °C; Cu ‑ 1083 °C; Ol ‑ 1535 °C; Ni ‑ 1453 °C; Pb ‑ 327,3 °C; Zn ‑ 419,5 °C .

Randamentul h_c al cup­to­ru­­lui se calculeaza din relatia:

(1.4)

sau                  (1.5)

unde h_t si h_e reprezinta randamentul termic, respectiv electric ale cuptorului.

Pierderile termice in cuptor depind de solutia constructiva si cuprind: pierderile pentru incal­zirea peretilor incintei la tempe­ratura de lucru; pierderile prin peretii, o­ri­fi­ci­ile si usile spre exterior ale cuptorului; pierderile pentru incalzirea instalatiilor au­xi­li­a­re de sustinere si transport a incarcaturii; pierderi pentru incal­zirea atmosferei din cup­tor. Pierderile electrice din cuptor se calculeaza, in cazurile reale, in functie de tipul si schema electrica ale cuptorului.

Puterea activa P absorbita de cuptor se calculeaza in functie de rezistenta elec­tri­ca echivalenta R si de intensitatea I a curentului electric:

(1.6)

iar puterea activa P₁ absorbita de instalatia electrotermica se determina in functie de randamentul h_IE al instalatiei:

(1.7)

Puterea reactiva Q absorbita de cuptor rezulta:

(1.8)

iar puterea reactiva Q₁ la nivelul instalatiei electrotermice se obtine din expresia

(1.9)

In relatia (1.9), Q_s este puterea reactiva inductiva la nivelul sursei de alimentare iar Q_c este puterea reactiva capacitiva determinata de bateria de condensatoare conectata la bornele sursei de alimentare pentru a asigura compensarea factorului de putere al instalatiei electrotermice.

Puterile aparente S si S₁ la nivelul cuptorului si al instalatiei electrotermice rezulta din relatiile:

(1.10)

Factorul de putere cosj si cosj la nivelul cuptorului si respectiv al instalatiei electrotermice se determina din relatiile:

(1.11)

Consumul specific de energie electrica w_IE rezulta din relatia:

(1.12)

Productivitatea procesului D rezulta:

(1.13)

Energia electrica W consumata pentru producerea unei cantitati de produse A se poate exprima sub forma:

(1.14)

iar consumul specific de energie electrica w (fig.1.11.a) rezulta:

(1.15)

Reducerea consumului spe­cific de energie electrica se obtine prin cresterea vo­lu­mu­lui productiei A si prin reducerea parametrilor k₁ si k_2. Consumul de ener­gie electrica la functionarea in gol a instalatiei (A = 0), corespunde ter­me­nu­lui W₀ = k₁. Pentru reducerea acestui termen este necesara scurtarea duratei de functio­na­re in gol cat si recuperarea energiei termice care intervine in desfasurarea proceselor de productie. Reducerea parametrului k₂ se face prin moderni­zarea retehnologizarea pro­ce­selor tehnologice.