Π Τ Υ Χ ΙΑ Κ Η Ε Λ Ε Υ Θ Ε Ρ ΙΟ Υ ΑΒΡΑΜΙΛΗ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Τ Η Σ Η Λ Ε Κ Τ Ρ ΙΚ Η Σ Ε Ν Ε Ρ Γ Ε ΙΑ Σ Σ Τ Ι Σ Η Λ Ε Κ ΤΡ Ο Θ Ε Ρ Μ ΙΚ ΕΣ Λ ΙΑ Λ ΙΚ Α Σ ΙΕ Σ

Transcript

1 ΤΕΧ Ν Ο Λ Ο ΓΙΚΟ Ε Κ Π Α ΙΛ Ε Υ Τ ΙΚ Ο ΙΟΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ Π Τ Υ Χ ΙΑ Κ Η Ε Λ Ε Υ Θ Ε Ρ ΙΟ Υ ΑΒΡΑΜΙΛΗ ΘΕΜΑ: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Τ Η Σ Η Λ Ε Κ Τ Ρ ΙΚ Η Σ Ε Ν Ε Ρ Γ Ε ΙΑ Σ Σ Τ Ι Σ Η Λ Ε Κ ΤΡ Ο Θ Ε Ρ Μ ΙΚ ΕΣ Λ ΙΑ Λ ΙΚ Α Σ ΙΕ Σ Θ εσ σ α λ ο ν ίκ η a Ε Lσηϊητ ήq : ΤΡ ΙΑ Ν ΤΑ Φ Υ Λ Λ ΙΛ Η Σ Μ ΩΥΣΗΣ Ορ. Η λ ε κ τρ ο λ ό γ ο ς μ η χ α ν ι,κ ό ς

2 ΤΕΧ Ν Ο Λ Ο ΓΙΚΟ Ε Κ Π Α ΙΩ Ε Υ Τ ΙΚ Ο ΙΛΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ Π Τ Υ Χ ΙΑ Κ Η Ε Λ Ε Υ Θ Ε Ρ ΙΟ Υ ΑΒΡΑ Μ ΙΛΗ ΘΕΜΑ: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Τ Η Σ Η Λ Ε Κ Τ Ρ ΙΚ Η Σ Ε Ν Ε Ρ Γ Ε ΙΑ Σ Σ Τ Ι Σ Η Λ Ε Κ ΤΡ Ο Θ Ε Ρ Μ ΙΚ ΕΣ Λ ΙΑ Ω ΙΚ Α Σ ΙΕ Σ Ε ισ τ ιχ η τ ή ς : ΤΡ ΙΑ Ν ΤΑ Φ Υ Λ Λ ΙΛ Η Σ ΜΩΥΣΗΣ Λρ. Η λ εκ τρ ο Χ ό ^ ο ς μ η χα ν υ κ ό ς

3 θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους καθηγητές μου γ ια την Βοήθειά τους στην όι-άρκεια της σπουία στικής μου θ η τεία ς, όπως επίσ ης και, τον Ωρ. Μωυσή Τρι,ανταφυλλίιίη για την βοήθειά του στην π τυχιακή αυτή. Ευχαριστώ θερμά τ ις ε τ α ιρ ε ίε ς Γ. Ε. Τ. Ε. Ε.Π.Ε. κα ι ΕΒΙΜ ΕΚ ΑΕ, γ ια την παροχή σ το ιχ είω ν, και ιδ ια ίτ ερ α τον Κον Κωνσταντίνο Μολιρέση γ ια την α ν εκ τίμ η τη προσφορά το υ, καθώς την εμπιστοσύνη που με έ ί ε ι ξ ε όταν μου ανάθεσε την κατασκευή της μονάίας θερμικής επεξεργασία ς που περιγράφω στην π τυ χ ια κ ή. Η β ιβλιο γρ αφ ία που χρησιμοποιήθηκε ε ίν α ι: Η λ εκ τρ ο τεχν ικ ές εφαρμογές 2, Τεχνολο γία υ λικώ ν, κα ι Τεχνολογία μετρήσεων. Η γραφή της π τυχιακής έ γ ιν ε με τον V o lk sw rite r ενώ τα σ χ έ ίια σ χεδιά στηκαν με την βοήθεια του Oread κα ι του Harvand.

4 Π ερ ιεχό μενα - Εισαχωγή Εμμεση θέρμανση με α ν τισ τ ά σ εις Η ο ικο νο μ ική σημασία της ηλεκτροθερμάτητας Η τ ε χ ν ικ ή σημασία της ηλεκτροθερμότητας Οι θερμοαχ ωχ ο C στην τ ε χ ν ικ ή της ηλεκτροθερμότητας Η μετατροπή της η λ εκτρ ικ ή ς ε ν έρ χ εια ς σε θ ερ μ ική Φ υ σ ικές,χ η μ ικές κα ι τ ε χ ν ικ έ ς α π α ιτή σ εις στους μ ετα λλικο ύς και μη μ ετα λλικο ύς αχωχούς Ε ι6 ικ ή η λ εκ τρ ικ ή αντ6σταση ρ Βερμοκρασιακός συντελεστής α της ε ιδ ικ ή ς η λ. α ν τίσ Ω ιύ ρ κεια ζωής θερμοαχωχών Μ ετα λ λ ικο ί θεpμoαχωχoc ^ - Μη μ ε τα λ λ ικ ο ί θερμοαχ ωχ ο C ^.1 - θεpμoαχωχoc από S i l i t ΞΛ.Ξ - Ανθρακας κα ι χραφοτης '.3-0 ξ ε6 δ ια βαριών μ ε τ ά λ λ ω ν.../ Υπολοχισμός διαστάσεων των θερμοαχωχών Μ ετα λ λ ικο ί θερμοαχ ωχ ο t Μη μ ετα λ λ ικο 6 θερμοαχωχο Σ τ ο ιχ ε ία θέρμανσης κα ι τοποθέτησης τους σε ηλεκτρο θερ μικές εχκα τα στά σεις κα ι φούρνους Ελεύθερα ακτινοβολούμενα σ το ιχ ε ία θέρμανσης, σ το ιχ ε ία κατασκευής κα ι το π ο θ έ τη σ η ς Εσω τερική συνδεσμολοχ Ca σ το ιχείω ν θέρμανσης Φ υ σ ικ ο -τεχν ικ ές α ρχές Ανάχκες σε ε ν έ ρ χ ε ια Συντελεσ τής απόδοσης... 3^» Αρχές μετατροπής της ε ν έ ρ χ ε ια ς '* - Υλικά θερμοαχωχών Τεχνολοχ ικ έ ς εφαρμοχές...38

5 θερ μική επεξεργασία μεταλλικώ ν αγωγών θερμική επεξεργα σία μη μεταλλικώ ν αγωγών Τήξη κα ι διατήρηση θερμότητας μετάλλω ν ^ - Φούρνοι με α ν τισ τ ά σ εις Αμεση θέρμανση με α ν τισ τ ά σ εις... Α θέρμανση πριν την τ ε λ ικ ή θερ μ ική μορφοποίηση... A θερμική κατεργασ ία... ΑΑ Τή ξη... Α Ηλεκτροκόλληση με α ν τισ τ ά σ εις... Α Εγκαταστάσεις γ ια άμεση θέρμανση με α ν τισ τ ά σ εις... Α7 Α.1 - Μονά6α θερ μικής επεξεργασίας VAS Α.2 - Προγραμματιστής D IG IT A.3 - θερμικά καλύμματα...61 Α.Α - Εξαρτήματα γ ια την μονά6α θερμικής επ εξερ γα σ ία ς Α.5 - Υπολογισμός ρευμάτων κα ι θερμικής ενέρ γ εια ς της μονάθας Α.6 - Παράθειγμα εφαρμογής... 9Α Α.7 - Ταχύτητα αύξησης της θερμοκρασίας... 98

6 Κ ισογϊθ>ϊ ικ έ ς χαρατηρήσε l? Την τελ ε υ τα ία δ ε κ α ε τία χαρατηρούμε pux έντονη αντικατάσταση ή κ α ι ολοκλήρωση συμβατικών τεχνολογιώ ν, με δ ιε ν έ ρ γ ε ιε ς της η λ εκρ ο τεχνο λο γία ς. Ο ι συμβατικές τεχν ο λ ο γ ίες γ ια την αλλαγή της μορ(ρής υλικώ ν α ν τικ ειμ έν ω ν (διάχλαση μορφής,συναρμογή, μεταμόρφωση κ α ι διαχωρισμός) κ α ι γ ια την αλλαγή των υλικών ιδ ιο τή τω ν με σκοχό τη ν βελτίω ση αιττών, καθώς κ α ι την ε χ ίτ ε υ ξ η εντελώ ς νέων ιδ ιο τή τω ν, εφαρμόζονται με θερ μ ική εν έ ρ γ ε ια με βάση διάφορα καύσιμα υ λ ικ ά. Η ηλεκτρ ο τεχνολογία χου α ντικα θ ισ τά ή κ α ι ολοκληρώνει τ ις χαραδοσιακές αυτές τεχν ο λ ο γ ίες α σ χο λ είτα ι με τ έ τ ο ιε ς τεχν ο λ ο γ ικ ές δ ιε ν έ ρ γ ε ιε ς, όχου η η λ εκτρ ικ ή ε ν έρ γ εια εχιδ ρ ά άμεσα στα υ λ ικά α ν τ ικ ε ίμ ε ν με σκοχό να ε χ ι- α τ ε υ χ θ ε ί μ ια αλλαγή της μορφής ή κ α ι των ιδ ιο τή τω ν αυτών. Η αντικατάσταση της θερμικής ε ν έρ γ εια ς των καύσιμων υλών γ ια την ε χ ε - ζεργασία των υλικώ α ν τικ ειμ έν ω ν σε δ ιά(ρορες β ιο μ η χα νίες με η λ εκ τρ ικ ή ν ε ν έρ γ εια ο δ η γ εί σε σημαντική εξοικονόμηση ενέρ γ εια ς κ α ι σε άλλα χροτερήματα χου θα αναφέρουμε στην σ υ ν έχ εια. Η η λεκτρο τεχνολογία α σ χο λ είτα ι με ε ιδ ικ έ ς τεχν ο λ ο γ ικ ές δ ια δ ικ α σ ίε ς, σ τις ο χ ο ίες χρ η σ ιμ ο χο ιή τα ι άμεσα η λ εκ τρ ικ ή εν έ ρ γ ε ια χρ ο κειμ ένο υ να δ loqpopo- χοιηθούν ο ι γεω μετρ ικές δια σ τά σ εις (αλλαγή μορφής), ή να βελτιωθούν ο ι φυσ ικ ό - χη μ ικές κ α ι μ η χα νικές ιδ ιό τη τες (α λλ α γή ιδ ιο τή τω ν ) των υ λικώ ν. Γ ια τον σκοχό αυτό εκμεταλευόμαστε τα διάφορα ηλεκτρορρυσικά φαινόμενα όχως: α) την αγωγή ρεύματος, σε υ λ ικά (θέρμανση με α ν τισ τ ά σ εις ), σε ηλεκτρ ο λύσ εις (γα λβα νοτεχνική, η λεκτρο χημική εχεξερ γα σ ία μετάλλω ν), κ α ι σε α έρ ια σε κατάσταση ιονισμού ( τ ε χ ν ικ ή χλασματος). β) την ηλεκτρομαγνητική εχαγωγή (εχαγω γική θέρμανση), τη ν δυναμική εχίδραση του ηλεκτρομαγνητικού ( χ. χ. εχεξερ γα σ ία με χαλμούς υνηλής ισχύος) κ α ι η λ εκτρ ικο ύ ( χ.χ. η λεκτρ ο σ τα τική εχίσ τρω ση) χ ε δ ίο υ.

7 γ) την η λ εκτρ ικ ή πόλωση σε δ ιη λ ε κ τ ρ ικ ά ( π.χ. δ ιη λ ε κ τ ρ ικ ή θέρμανση) κ α ι (ρε- ροηλεκτρικά ( χ. χ. επ εζερ τα σ ία με υπέρηχο) υ λ ικ ά. δ ) την η λ εκτρ ικ ή εκκένωση ( π.χ. επεξερ γα σία Βάση διάβρωσης με σπινθήρα, νίτρωση με ιόντα ), την ακτινοβολία ήλεκτρονίων ορωτός (διαδ ικασία ακτινοβολίας LA SER). ε ) την μεταορορά θερμότητας με κατακόρικρος αγωγή, α κτιν ο β ο λ ία, θερμοαγωγή, ( π.χ. υπέρυθρος θέρμανση). Σε κάθε μ ια από τ ις η λ ε κ τρ ο τε χ ν ικ έ ς δ ια δ ικ α σ ίε ς μ ετα τρ έπ ετα ι η η λ εκτρ ικ ή ε ν έρ γ εια σε θ ερ μ ική, σε εν έ ρ γ ε ια α κτινο β ο λ ία ς, σε χη μ ική κ α ι σε μηχανική ε ν έ ρ γ ε ια. Βάση των παραπάνω προκύπτουν ο ι εξής μεθόδοι των ηλεκτρο τεχνολογικώ ν δια δ ικα σ ιώ ν: ο ι ηλεκτροθερμ ικ έ ς δ ια δ ικ α σ ίε ς, ο ι δ ια δ ικ α σ ίε ς α κτινο β ο λ ία ς, ο ι η λ εκτρ ο χη μ ικές κ α ι ο ι ηλεκτρομηχαν ικ έ ς δ ια δ ικ α σ ίε ς. Η δ ια δ ικ α σ ία με την οποία θα ασχοληθούμε ε ίν α ι η ηλεκτρο θερ μική κ α ι ε ιδ ικ ό τ ε ρ α με τη ν θέρμανση με την Βοήθεια αντισ τάσεω ν. Ε ίν α ι μ ία μέθοδος που μας δ ίν ε ι την δυνατότητα ανάλογα με τ ις κα τεργασ ίες που υποβάλλουμε στα μέταλλα κ α ι αναρρέρουμε παρακάτω, να μεταβάλλουμε τ ις ιδ ιό τ η τ έ ς το υς, κ α ι να τα καθισ τούμε κατάλληλα γ ια την ανάλογη χρήση. Η μέθοδος αυτή έ χ ε ι ευ ρ εία χρήση στην βιομηχα νική παραγωγή ε π ειδ ή η δ ια δ ικ α σ ία έ χ ε ι υψηλό βαθμό απόδοσης. Ε τ σ ι αναφέρουμε αυτές τ ις κα τεργασ ίες κ α ι ε ίν α ι: η βαψή, η εξομάλυνση (N o rm a lisa tio n ) η ανόπτηση (Annealing) κ α ι η επαναφορά (Tem pering). Η βαφή ε ίν α ι η θερμική κατεργασία στην οποία το υ λ ικό από μ ία ορισμένη θερμοκρασία = 720 C έ χ ε ι μ ία τ α χ ε ία ψύξη μ έχ ρ ι θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η τα χ ε ία αυτή ψύξη μπορεί να γ ί ν ε ι εμβα π τίζοντα ς το υ λ ικό σε νερό, λ ά δ ι κ α ι αέρα. Η επαναφορά ε ίν α ι μ ία θερμική κατεργασία η οποία εφαρμόζεται στους βαμμένους χάλυβες. Μετά την βαφή το υ λ ικ ό θ ερ μ α ίν ετα ι μ έ χ ρ ι την θερμοκρασία

8 των 700 C και. αιρού παpαμεcvet. σ αυτή χ ια ένα ορισμένο χρ ονικό ίιό σ τπ μ ο ψ ύ χετα ι με τον αέρα. Με αυτήν την κατερ)(ασ6α τα μέταλλα αποκτούν β ελ τιω μένες μ η χα νικές ιό ιό τ η τ ε ς κα ι απαλλόσονται από τ ις εσ ω τερ ικές τά σ ε ις, ο ι οποίες συνήθως όημιουρχούνται κατά την απότομη απόψυξη της Βαφής. Η εξομάλυνση ε ίν α ι η θερ μική κατεργασία κατά την οποία ο ι χάλυβες το οθετούνται μέσα σε φούρνο, φτάνουν σε μ ία ορισμένη θερμοκρασία, κα ι ακολουθεί π μ ια αρχή απόψυξη του μετάλλου στο περιβάλλον του α κίνη το υ ατμοσφαιρικού αέρα. Με την κατεργασία α υτή, στην θέρμανση ό η μ ιο υ ρ χ είτα ι μ ία ω σ τε ν ιτικ ή κρυσταλλική 6ομή κα ι κατά την απόψυξη ένα μίγμα μαλακών κρυστάλλων φ ερ ρ ίτη -π ερ λ ίτη ή π ε ρ λ ίτ η -σ ε μ ε ν τ ίτ η. Ανάλογα με τον χρόνο θέρμανσης κα ι τον χρόνο απόψυξης μπορούν να 5η - μιουργηθούν περισσότερο ή λιγό τερ ο λ επ το ί κρ υσ τα λλικο ί κ ό κ κ ο ι, ο ι ο π ο ίο ι θίνουν α ν τίσ τ ο ιχ ε ς μ η χα νικές ιδ ιό τ η τ ε ς σε ένα μέταλλο. Η ανόπτηση ε ίν α ι μ ία θερ μική δ ια δ ικα σ ία παρόμοια με την εξομάλυνση. Σ ε αυτήν το μέταλλο θ ερ μ α ίν ετα ι μ έ χ ρ ι μ ία ορισμένη θερμοκρασία, παραμένει σε αυτήν γ ια ένα μεγάλο χρονικό διάστημα κα ι κατόπιν ακολουθεί μ ία πολύ αργή απόψυξη (~10 C /h). Η ανόπτηση μ ε ιώ ν ε ι την σκληρότητα ενός χάλυβα τόσο, όσο χ ρ ε ιά ζ ε τ α ι γ ια να γ ίν ε ι κατάλληλος γ ια μηχα νική κατεργασ ία, χωρίς όμως να τον κ ά ν ει τελ είω ς μαλακό. Ανάλογα με τον σκοπό της ανοπτήσεως, δηλαδή ανάλογα με το π ο ιες ιδ ιό τ η τε ς θέλουμε να βελτιώ σ ουμε, υπάρχουν διάφοροι τύ π ο ι. Ε ίν α ι η ανακρυσταλλω- τ ικ ή ανόπτηση που χρ ησιμοπ οιήτα ι όταν γ ια οποιοδήποτε λόγο(θέρμανση από συ- γκόλυση, σφυρηλασία κ.λ.π.) παραμορφώθηκαν ο ι κρύσταλλοί του από την α ρχική κατάστασή το υ. Πραγματοποιήται σε μ ία θερμοκρασία μεγαλύτερη από τ ις άλλες δ ια δ ικ α σ ίε ς >720 C κα ι κ α λ ε ίτα ι θερμοκρασία ανακρυστολλώσεως. Η αποτατική ανόπτηση πραγματοποιήται σε χαμηλότερη θερμοκρασία κα ι εξο υ δ ετερ ώ νει τ ις εσ ω τερ ικές τά σ εις που εμφανίστηκαν στην βαφή ή στην μ ηχα νική κατεργασία,

9 αχοκτά μηχανική ισορροχία κ α ι α π ο τρ έχ ει μεταγενέστερ ο ρήγμα στην συνοχή το υ. Ε ίν α ι η α να γεννη τική, η συμίρυική, η ο μ ο ιο γεννητική κ α ι η μααακτοχοιη- τ ικ ή ανόχτηση ο ι ο χ ο ιες ε ίν α ι δευ τερ εύ ο ντες δ ια δ ικ α σ ίε ς. Στα χαρακάτω σχήματα δ ε ίχ ν ε ι ένα δ ο κ ίμ ιο σύνθεσης 80Χ Cu / 20Χ Ζη το οχοίο ε ίν α ι εξελασμένο σε μ ία θερμοκρασία κ α ι έ χ ε ι τρ α β η χτεί σε χαμηλή θερμοκρασία (drawn) στο σχήμα ( 1.1 ) ε ίν α ι η μικροδομή του μετάλλου όχου μετά την θερμή κ α ι ψυχρή κατεργασία,ανακρυσταλλώ νει το υ λ ικό κ α ι δ η μ ιο υ ρ γ εί κόκκους α ν τίσ τ ο ιχα. Στο σχήμα ( 1.2 ) δ ε ίχ ν ε ι το δ ο κ ίμ ιο μετά την ανόχτηση (Annealed ) για Ih στους 600 C.H ανόχτηση δημιούργησε ανακρυσταλοχιένη μικροδομή. σχήμα ρυθμός ανόδου κ α ι καθόδου της θερμοκρασίας συνάρτηση του χρόνου, καθώς κ α ι η τ ε λ ικ ή θερμοκρασία χου θα φ τά σ ει το μέταλλο εξα ρ τά τα ι αχό το είδ ο ς του μετάλλου, αλλά κ α ι αχό το χάχος το υ. (χίνα κα ς 1.1 ). Ε τ σ ι αντιλαμβανόμαστε χόσο α χα ρα ίτη τες ε ίν α ι η θ ερ μ ικές δ ια δ ικ α σ ίε ς στην μεταβολή της μορφής ή των ιδ ιο τή τω ν των μετάλλω ν. Παρακάτω θα ασχοληθούμε εκτενέσ τερ α με την θέρμανση με α ν τισ τά σ εις, με την χαροχή της ε ν έρ γ εια ς αχό τ ις α ντισ τά σ εις, τ ις ανάγκες ενέρ γεια ς αχό τα χρος κατεργασία α ν τ ικ ε ίμ ε να,κ.λ.x.

10 1. ΕΜΜΕΣΗ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΜΕ Α Ν ΤΙΣ ΤΑ Σ Ε ΙΣ Η ο ικο νο μ ική στιμασίο της τιλεκτροθερμύτητας (Ηθ). Η απώλειες από την μετατροπή της η λ εκτρ ικ ή ς ενέρ γ εια ς σε θερ μ ική ε ίν α ι σε όλους σ χείό ν τους το μ ε ίς της η λ εκτρ ο τεχν ία ς όκρως ανεπιθύμητη κα ι δεν ε ίν α ι μικρός ο αριθμός των ηλεκτρολόγων που ασχολούνται ακριβώς με την μείωση αυτών των απωλειών σε μ ετα σ χη μ α τισ τές, κ ιν η τή ρ ες, δ ια κό π τες κ.α. Σε αντίθ εσ η με α υτό, θ εω ρ είτα ι στην τ ε χ ν ικ ή της Ηθ, η θερμότητα που παρόγεται η λεκτρικώ ς ως ωφέλιμη ενέρ γ εια κα ι αποσκοπεί από την μ ία στην όσο το δυνατό ολοκληρωτική μετατροπή μίας δεδομένης ποσότητας η λ εκτρ ικ ή ς εν έρ γ εια ς σε θερ μ ική εν έρ γ εια (πρόβλημα κυρίως η λ εκτρ ικ ό κα ι φυσικής) κα ι από την άλλη στην όσο το δυνατό ολοκληρωτικής της εφαρμογή ως ωφέλιμη θερμότητα (πρόβλημα κυρίως θ ερ μ ο τεχν ικό ). Σ τ ις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες εφαρμόζεται σήμερα το 20 με του συνόλου της παραγόμενης η λ εκτρ ικ ή ς ενέρ γ εια ς γ ια σκοπό της Ηθ. Από αυτό φ α ίν ετα η τερ άσ τια σημασία της Ηθ γ ια την παροχή ενέρ γ εια ς κα ι γ ια την ι εν ερ γ εια κ ή ο ικο νο μ ία. Η εν έρ γ εια αυτή καταναλώνεται κυρίως στους εξής δύο το μ ε ίς : α) Στη ν ο ικ ια κ ή ο ικο νο μ ία, στην γεωργία κα ι σε β ιο τ ε χ ν ίε ς, π.χ. γ ια μα- μ α γ ειρ ικ ή σε η λ ε κ τρ ικ ές κο υ ζίν ες,σ ε φούρνους, γ ια την παραγωγή θερμού νερού με ενα λλάκτες θερμότητας, σε συσσωρευτές κα ι καυστήρες θερμού νερού γ ια η λ εκτρ ικ ή θέρμανση χώρων, γ ια ια τρ ικο ύ ς σκοπούς σε θερμαινόμενα στρώματα, σε συσκευές α κτινο θερ α π εία ς, αποστείρωση, στην γεωργία γ ια ξήρανση καθώς κα ι για συσκευές ηλεκτροθερμότητας, ηλεκτροκόλλησης, θέρμανσης εργαλειώ ν κα ι μηχανών ή μέρη αυτών κ.λ.π. Οι παραπάνω ηλεκτροθερμοσυσκευές παράγονται συνήθως σε μ α ζική παραγωγή σε πολύ μεγάλο αριθμό. Η η λεκτρ ο θ ερ μο τεχνική στον τομέα αυτό έ χ ε ι τους εξής βασικούς σκοπούς: - την βελτίω ση του συνολικού βαθμού απόδοσης τέτο ιω ν συσκευών - την αύξηση της α ξία ς χρήσης τους π.χ. δ ιά ρ κ εια ζωής - 5 -

11 - την cfxaojtolnon του χ ε φ ίσ μ ο ύ τους χ.χ.ε λ ε γ χ ό μ εν η ς θερμοκρασίας σε η λ ε κ τρ ικ έ ς κο υ ζίν ες κ. λ. χ. Β) Στην β ιο μ η χα νία. Ο ι κυ ρ ιό τερ ο ι καταναλωτές εδώ ε ίν α ι η συσκευή συγκολυσης κ α ι ο ι τ ε χ ν ικ έ ς τη ς, χ. χ. συγκόλυση με η λ εκ τρ ικ ό τό ξο, συγκόλυση με α ντισ τά σ εις κ α ι πυκνωτές. Ο ι εγκα τα στά σεις γ ια την θέρμανση μ ετα λ λ ικό ν υ λ ι κών με την επαγωγική ή η λ εκτρ ο λ υ τικ ή μέθοδο ή με τη ν έμμεση θέρμανση με αντισ τά σ εις, π.χ. γ ια πυράκτωση, σκλήρυνση, κασσιτεροκόλληση, τή ξη. Ο ι εγκαταστάσεις θέρμανσης μη μεταλλικώ ν υλικώ ν π.χ. με την χω ρητική θέρμανση στο π εδ ίο υψηλής συχνότητας κ α ι φυσικά ο ι η λ ε κ τ ρ ικ ο ί Β ιο μ η χα ν ικ ο ί φούρνοι που έχουν σημαντική ο ικονο μική σημασία ως μ εγά λο ι καταναλωτές η λ εκτρ ικ ή ς ενέρ γ ε ια ς. Ο τι αφορά τους φούρνους αυτούς, δ ια κ ρ ίν ο υ μ ε τους ςροίιρνους της Βιομηχανία ς βασικών υλών, όπως π.χ. φούρνους τήξης χάλυβα, σιδηρικώ ν κ α ι μη σ ι- δηρικών μετάλλων, η λεκτρ ικούς υψικάμηνους, φούρνους κα ρ Β ίδ ιο υ, κ α ι φωσφο- ρ ίο υ, φούρνους γ ια φεροπυρίτιο κ α ι κορούνδιο, κ α ι τους φούρνους σ τις Βιο μ η - μηχα νίες κατεργασίας π.χ. φούρνοι πυράκτωσης, Βαφής κ α ι θέρμανσης. Αν πάρουμε υπόψη ό τ ι ο ι (ρούρνοι η λ εκτρ ικ ο ύ τόξου με μ ία εγκα τεστημένη ισχύ της τάξης των KVA κ α ι ο ι (ρούρνοι κα ρ Β ίδ ιο υ πάνω από KVA ε ίν α ι συχνά φαινόμενα κ α ι η ισ χύ μόνο ενός (ρούρνου α ρ κ ε ί γ ια την κάλυψη των αν(χγκών μίας μεγάλης πόλης, τό τε γ ίν ε τ α ι (ρανερή η τερ ά σ τια σημασία της η λεκτροθερμότητας γ ια μ ία εθ ν ική ο ικ ο ν ο μ ία. Γ ια την εκτίμ η σ η της σημασίας της οικονο μία ς της ηλεκτροθερμότητ(χς θα π ρ έπ ει να λάβουμε υπόψη μας τα εξής δύο κ ρ ιτή ρ ια : α) Κρ ιτή ρ ιο οικονομί(χς κατανάλωσης. Εδώ π ρ ό κ ε ιτα ι γ ια προβλήμ(χτα τίχρίίρας δηλαδή σε ποιά τ ιμ ή μπορεί να προσφερθεί η η λ εκ τρ ικ ή ε ν έ ρ γ εια στον κατανα- τή κ α ι ποιά ε ίν α ι η σχέση αυτής της τιμ ή ς με τ ις τ ιμ έ ς άλλων μορίρών ενέρ γ ε ια ς. Από το θερμικό ανάλογο της η λ εκτρ ικ ή ς εν έρ γ εια ς (IKWh = 860 R e a l) μπορούμε να προσδιορίσουμε την τ ιμ ή του ενερ γεια κο ύ αναλόγου σε σχέση με τ ις άλλες μορφές εν έ ρ γ ε ια ς

12 Πίχράδειγμα: σχέση αναλόχου χετρελαυκής κ α ι ηλεκτρςχής ενέρ χεα χς: Ε ν έρ γ εια ενός κ ιλ ο ύ χ ε τρ ελ α ίο υ : IKg * Kcal 9500 K j 11,31 Kvh Με 16 δραχμές/kwh χ ρ ο κ ύ χ τε ι η τ ιμ ή μίας Kwh αχό χετρ έλ α ιο 16/11,31 = 1,41 δρχ. Εχομένως η σχέση του αναλόγου χ ετρ ελ α ίο υ κ α ι η λ εκτρ ικ ή ς εν έρ γ εια ς ε ίν α ι χ ερ ίχο υ : 1 : 11,3 Με τον χαραχάνω τρόχο μχορούν να υχολογισθούν, κ α ι τα ανάλογα χρος τους άλλους φορείς ενέρ γ εια ς όχως χ. χ. λ ιγ ν ίτ η, χετροκάρβουνο, τύρφη κ.α. Η ηλεκτροθερμική εν έ ρ γ ε ια ε ίν α ι εχομένως κατά χολύ μεγαλύτερη αχό τ ις άλλες εν ερ γ εια κ ές μορρρές. Το εν ερ γ εια κ ό ανάλογο όμως δεν μ χο ρ εί να ε ίν α ι ο μοναδικός χαράγοντας γ ια ο ικ ο ν ο μ ικ ές ε κ τ ιμ ή σ ε ις. Α χ' ενα ντία ς θα χ ρ έ χ ε ι να χάρουμε υ χ ' όψη μας τον συνολικό βαθμό ενερ γεια κής αχόδοσης της ηλεκτροθερμ ική ς εγκατάστασης καθώς κ α ι τυχόν χροτερήματά της σε σχέση με άλλες μορφές εν έ ρ γ ε ια ς. Η ο ικονο μικότη τά της εξα ρ τά τα ι χολύ, αχό το χόσο χρ η σ ιμ ο χο ιή τα ι στον κατάλληλο τόχο κ α ι στον κατάλληλο χρόνο. Γ ια αυτόν τον λόγο α χ ο τ ε λ ε ί η ηλεκτροθερμότητα έναν αχό τους κυριότερους νυ κτερ ινο ύ ς καταναλωτές, κ α ι εχομένως ένα σημαντικό μέσο γ ια την βελτίωση του συντελεστή ταυτόχρονης λειτο υ ρ γ ία ς των εχιχειρ ή εω ν η λεκτρ ισ ο ύ. Με κατάλληλη εχιλ ο γ των χρόνων σ μ ή αχορρόφησης η λ εκτρ ικ ή ς ενέρ γ εια ς αχό το δ ίκ τυ ο, μχορούν να ε χ ιτευ χθ ο ύ ν ευ ν ο ϊκές τ ιμ έ ς εν έρ γ εια ς. Το ό τ ι η οικονομικότητά της χρήσεως ηλεκτροθερμότητας δεν εξα ρτά τα ι μόνον αχό την τ ιμ ή της εν έρ γ εια ς, φ α ίν ε τα ι κ α ι αχό τα χαρακάτω σχήματα, όχου σ υ γ κρ ίν ετα ι η διανομή της εν έρ γ εια ς γ ια τη ν χρήση άνθρακα, α ερ ίου κ α ι η λ εκτρ ικο ύ ρεύματος παίρνουμε υ χ ' όψη του συνολικού βαθμού ενερ γεια κής αχόδοσης

13 της συσκευής θέρμανσης ή της εϊκατάσ τασης, t u x ατμοποίηση νερού (σχήμα 1.3 ) και. το ψήσςμο βουτημάτων (σχήμα 1.4 ) καε γεα η λ εκ τρ ικ ή θέρμανση χώρου, (σχήμα 1.5 ). ~50» : Βρασμός ατμού σχήμα 1.3 a : 1 100S _J η λ εκτρ ικ ά υπέρυθρες α κ. Ψήσιμο γλυκών σχήμα 1.4 Εξή γη σ εις περιοχών Η λ εκ τρ ική θέρ. χώρου σχήμα 1.5 ωιρέλιμη ενέργ. [ 1 απώλ. το ιχωμάτων απώλ. καύσης απώλ. από αέρα απώλ. στα μέσα απώλ. α ερ ίου απώλ. α κτι νοβολιας

14 Βλέπουμε o t l ο συνολικός βαθμός απόδοσης συσκευών ηλεκτροθερμότητας ε ί ν α ι σε σχέση με αυτές των άλλων ειδώ ν ενέρ γ εια ς σ χ ε τικ ά πολύ μεγαλύτερος. Γ ια αυτόν τον λόγο, ένας από τους σημαντικούς σκοπούς της τ ε χ ν ικ ή ς της ηλεκτροθερμάνσεως ε ίν α ι κ α ι η ανάπτυξη συσκευών κ α ι εγκαταστάσεων με μεγάλο η λ εκτρ ικ ό κ α ι θερ μικό Βαθμό απόδοσης. Ο τι αφορά τα προτερήματα της χρήσης ηλεκτροθερμότητας από τον παρακάτω πίνακα (ρα ίνετα ι πολύ καθ(ϊρά, πόσο μπορούν αυτά να μευόσουν τη σημασία του παράγοντα της καθαρής τιμ ή ς εν έ ρ γ ε ια ς. Απώλειες υ λικο ύ κατά την τήξη Α1 κ α ι κραμάτων του υ λ ικό τήξης επ(χγωγικός φούρνος (ρούρνος ίρούρνος με φούρνος με χαμηλής συχνότητας αντίστασης κάρβουνο π ετρ έλα ιο Αλουμίνιο Ντουραλουμ ίν ιο Ο.δ Πυρ ί τ ΙΟ Απώλειες υ λικο ύ κατά την τήξη χυτοσιδήρου με μη σιδηρούχα μέταλλα υλικό τήξης επ(χγωγ ικός φουρ. (ρούρνος με κ(χρβουνο (ρούρνος με π ετρέλαιο χυτοσίδηρο ορε ίχαλκος (85% Cu) ορε ίχαλκος (60% Cu) ν ικ έ λ ιο χαλκός πίνακας 1.2 η.χ. γ ια την τήξη χαλκού σε έναν βιομηχα νικό (ρούρνο 2 τόνων χω ρ ητικότη - τας κ α ι τρ ιών πίχρτίδων ανά μέρα, ο ι απώλειες υλικού από απώλειες πυρώσεως ε ίν α ι ως t /μέρα, σε σχέση με ως 0.3 t στην περίπτωση άλλων φορέων εν έρ γ εια ς. Γ ια ένα χρόνο με 300 ημέρες εργασίοις ο ι απώ λειες πυρώσεως ε ίν α ι 9 έως 10,3 t κ α ι 36 έως 90 t α ν τίσ το ιχα. Η διαφορά αυτή ε ίν α ι σημαν τικ ή!

15 β) Ενερ ϊο ο ικο νο μ ικό κρ ιττίρ ι,ο Σε XOL0 Βαθμό μ χο ρ εί να χρ η σ ιμ ο π ο ιη θ εί η η λ εκτρ ικ ή εν έ ρ γ ε ια γ ια θ ερ μ ι κούς σκοπούς εξα ρ τά τα ι βέβαια κ α ι από τ ις συνθήκες παραγωγής της σε μ ια χώρα. Χώρες ο ι οποίες παράγουν την η λ εκτρ ικ ή τους ε ν έ ρ γ εια σε μεγάλο Βαθμό από υδροδύναμη κ α ι τους άλλους (ρορείς εν έρ γ εια ς τους εισάγουν, όπως π ετρ έ λαιο κ α ι άνθρακα, ασφαλώς ε ίν α ι σε θέση να χρησιμοποιήσουν ποιό έντονα την ηλεκτροθερμότητα σε σχέση με χώρες με μ ία ικα ν ο π ο ιη τική Βάση καύσιμων υλών. Σε αυτές τ ις π ερ ιπ τώ σ εις, η ηλεκτροθερμική εν έ ρ γ ε ια θα Β ρ ίσ κ ε τα ι σε σκληρό ανταγωνισμό με τ ις άλλες μορφές εν έρ γ εια ς Η τ ε χ ν ικ ή σημασία της ηλεκτροθερμότητας Η χρήση της ηλεκτροθερμότητας σ υνεπάγεται κ α ι μ ία σειρ ά τ ε χ ν ικ ά προτερήματα που μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά το ζήτημα της ο ικ ο ν ο μ ικ ό τη τα ς. Μερικά από αυτά τα προτερήματα ε ίν α ι: α) Η χρονική προσαρμογή της θερ μικής δ ια δ ικα σ ία ς στη γ εν ικό τερ η παραγωγική δ ιαδ ικα σ ία. Ο ι σύγχρονες τεχν ο λ ο γ ίες παραγωγής χα ρ α κτηρ ίζο ντα ι από όλο κ α ι αυξανόμενο αυτοματισμό κ α ι ρυθμό παραγωγής. Επ ειδ ή όμως σχεδόν σε όλες τ ις παραγωγ ικ έ ς δ ια δ ικ α σ ίε ς εκ τε λ ο ύ ν τα ι κ α ι θ ερ μ ικές κα τεργασ ίες όλων των ειδώ ν (ξήρανση, Βαφή, πυράκτωση, τήξη κ. λ. π. ) σε τ ε λ ικ ά κ α ι η μ ιτ ε λ ικ ά προϊόντα παραγωγής ε π ικ ρ α τ ε ί κ α ι το α ίτημα της προσαρμογής των θερμικών δ ια δικα σ ιώ ν στους νέους ρυθμούς της παραγωγής. Αυτό α π α ιτ ε ί συχνά υψηλές τα χύ τη τες θέρμανσης, που μόνο με τους άμεσους η λεκτρ ικο ύ ς τρόπους θέρμανσης μπορούν να επ ιτευ χθ ο ύ ν. Τα χύ τη τες θέρμανσης > /ή με επαγωγική θέρμανση ε ίν α ι σήμερα υλοποιήσιμη. Με την θέρμανση με υπέρυθρες α κ τίν ε ς μ ειώ ν ετ α ι χρόνος ξήρανσης του Lack από 60 έως 120 ο λεπτά σε 5 έως 10 λεπτά κ α ι ποιό κάτω ακόμα σε πολλές π ερ ιπ τώ σ εις. Ιδ ια ίτ ε ρ α με τ ις σύγχρονες τεχν ο λ ο γ ίες της ηλεκτροθερμότητας έ γ ιν ε δυνατό το πέρασμα από τ ις σ τα τικ ές εγκα τα στά σεις θέρμανσης σε δ υναμικές εγκατα 10 -

16 στάσεις βέρμανσης ( τ α ιν ίε ς χαραγωγής).το αχοτέλεσμα αυτής της ε ξ έ Λ ιξ η ς ήταν η αύξηση της χαραγωγικότητας κ α ι συχνά, κ α ι η καλύτερη εκμετάλλευση των μηχανών κ α ι εγκαταστάσεων. Β) Η Β ελ τίιχτη της χο ιότη τα ς των χροιόντων χαραγωγής Συχνά εζα ρ τά τα ι η χο ιό τη τα ενός χροιόντος αχό την θερ μική του κατεργασ ία.ε τ σ ι χ. χ. α χ α ιτ ε ίτ α ι κατά την θερμική κατεργασία μετάλλων σε χολλές χ ε - ρ ιχτώ σ εις η τήρηση συγκεκριμένων χρογραμματισμένων χρονοδιαγραμμάτων θέρμανσης κ α ι νύξης ή κ α ι διατήρησης σταθερών θερμοκρασιών. Σ ' αυτές τ ις χ ε ρ ι- χτώ σ εις εχηρεάζουν ο ι άρισ τες δυνατότητες ρύθμισης κ α ι ελέγχο υ της η λεκτρο - θερμικής εν έρ γ εια ς σημαντικά, κ α ι την διαρκή χο ιό τη τα των χροιόντων σε σ χέση με άλλες χηγές θερμότητας. Η καλή δυνατότητα ελέγχο υ της θερμοκρασίας ε ίν α ι ένας αχό τους λόγους γ ια την χροαναςρερόμενη σημαντική μείωση των αχωλειώ ν ύλης αχό χύρωση σε η λ ε κ τρ ικ ές εγκαταστάσεις τή ξη ς. Η χαραγωγή ε ιδ ικ ώ ν α ν τικειμ έν ω ν εργασ'ιας έ γ ιν ε δυνατή μόνο χάρη στην χρήση της ηλεκτροθερμότητα ς. Ε τ σ ι χ. χ. η χαραγωγή ε ιδ ικ ώ ν χάλυβων, όχως α νο ξείδ ω το ι χάλυβες ή κράμ- ματα υψηλότατης θερμοκρασιακής αντοχής κ. λ. χ. ε ίν α ι δυνατή μόνο σε φούρνους η λ εκτρ ικ ο ύ τό ξου. Ο ι χολύ μεγάλες θερμοκρασίες γ ια την χαραγωγή χ ε ρ ιτ ε τ η γ - μένου κορουνδίου, φ ερ οχυ ρ ιτίου κ. λ. χ. ε ίν α ι δυνατή μόνο σε η λεκτρ ικούς (ρούρνους. γ) Η συγκέντρωση της θερμικής ενέρ γ εια ς σε το χ ικ ά χερ ιο ρ ισ μ ένα μέρη Σημαντική τ ε χ ν ικ ή σημασία, έχουν άμεσες η λ ε κ τρ ικ ές δ ια δ ικ α σ ίε ς θέρμανσης με τ ις ο χο ίες μχορούν να εχιτευ χθ ο ύ ν το χ ικ ά χερ ιο ρ ισ μ έν ες θερμάνσεις. Ε τσ ι χ. χ. ε ίν α ι δυνατό με την Βοήθεια της εχαγω γικής θέρμανσης κατά την κόλληση ξύλων να θερμαίνουμε σχεδόν α χ ο κ λ εισ τικ ά μόνο το στρώμα της κόλλας, ώστε να αχοφεύγονται α χώ λειες εν έρ γ εια ς αχό θερμοαγωγή. Εχίσ ης χ ρ έ χ ε ι να χα'ιρνουμε υ χ ' όψην μας ό τ ι ο ι ηλεκτρο θερ μικές εγκαταστάσεις χαρουσιάζουν σχεδόν χάντα μ ικρ ό τερ ες δ ια σ τά σ εις, κ α ι α χα ιτούν έ τ σ ι μικρότερους χώρους. Εχίσ ης κ α ι ιδ ια ίτ ε ρ α κατά την ηλεκτροθερ μική κατεργασία

17 μεταaalιcώv α ν τικ είμ εν ω ν σημαντικό ε ίν α ι κ α ι το γεγονός ό τ ι δεν λαμβάνουν χώρα χη μ ικές α ν τιδ ρ ά σ εις. Στην χερ ιττω ση χρήσης α ερ ίου η δυνατότητα χημικώ ν αντιδράσεων του μ ετα λλικο ύ α ν τικ ειμ έν ο υ με το α έρ ιο καύσης ε ίν α ι δεδομένη. Κ α ι τέλος χ ρ έ π ε ι να αναφέρουμε κ α ι την καθαρότητα της εργασίας στην χ ε - ρίπτωση χρήσης της ηλεκτροθερμότητας χου ασοραλώς έ χ ε ι μεγάλη σημασία γ ια τους εργαζομένους. 2. Ο ι θερμοαγωγοί στην τ ε χ ν ικ ή της ηλεκτροθερμότητας 2.1. Η μετατροχή της η λ εκτρ ικ ή ς ενέρ γ εια ς σε θ ερ μ ική. Η μετατροχή της η λεκτρ ικής ενέρ γεια ς σε θερ μική γ ίν ε τ α ι μέσα σε θερμοαγωγούς. Το χρος θέρμανση υ λ ικό μ χο ρ εί να θερ μανθεί άμεσα ή έμμεσα. Στην χ ε - ρίχτωση της άμεσης θέρμανσης η μετατροχή της η λ εκτρ ικ ή ς εν έρ γ εια ς σε θ ερ μ ι κή γ ίν ε τ α ι μέσα στο ίδ ιο υ λ ικ ό, αυτό α χ ο τ ε λ ε ί δηλαδή κατά κάχοιο τρόχο τον θερμοαγωγό. Ενώ στην χερίχτω ση της έμμεσης θέρμανσης η μετατροχή δ ιε ξ ά γ ε τ α ι μέσα σε ένα ε ιδ ικ ό υ λ ικό χου ονομά ζεται θερμοαγωγός. Σε αυτή την χερίχτοκτη η μεταφορά της θερμικής εν έρ γ εια ς, δηλαδή της ηλεκτροθερμότητας γ ίν ε τ α ι μέσο της θερμοαγωγής, της κάθετης θερμοαγωγής κ α ι της θ ερ μοακτινο Βολία ς. 0 χροαναφερόμενος θερμοαγωγός στην χερίχτω ση της έμμεσης θέρμανσης ε ίν α ι μ ία αντίσταση αχό ε ιδ ικ ό υ λ ικ ό.0 μηχανισμός της μετατροχής της η λ εκτρ ικ ή ς ενέρ γ εια ς σε θερ μική μέσα σε αιττή την αντίσταση ε ίν α ι ο εξή ς : τα ελεύθερα η λ εκ- τρ όνια ενός η λεκτρ ικο ύ αγωγού χου ε ίν α ι ο χαραχάνω θερμοαγωγός σε κάθε αλληλοεπίδραση (σύγκρουση) τους με τα κρυστάλλινα δομικά σ τ ο ιχ ε ία του αγωγού αχοδίδουν την ε ν έρ γ εια χου αποκτούν κατά το μήκος των ελεύθερων διαδρομών τους σε αυτά, αυξάνοντας έ τ σ ι την την ενέρ γεια ταλάντωσής τους κ α ι κατά συν έ χ ε ια τη θερμοκρασία του αγωγού (θερμοαγωγού). Η κ ιν η τ ικ ή ε ν έ ρ γ εια ενός ελεύθερου φορέα φορτίου αφού δ ια χ ερ ά σ ει την τάση 0 ε ίν α ι: ιη*ν* β*ϋ = - (1) όχου V η τα χύτητα του φορέα φορτίου

18 e το φορτίο του nxektpovcou = 1,602*10 ' A*s m Ti μάζα του ηλεκτρον6ου = 9,1 0 8 *1 0 ^g κα ι μ ετα τρ έπ ετα ι σε θερμότητα, αφού συγκρουστέ! με ένα εμπό θίο. Στο χρονικό διάστημα dt δια νύει ο φορέας φορτίου (το ελεύθερο ηλεκτράνιο ) το δια - διάστημα ds = v Id t.e d v εξετάσουμε το σ το ιχ ε ίο όγκου dv = A id s = q lv id t ενός αγωγού με τη διατομά A κα ι ο αριθμός των φορέων φορτίου ανά ε η ^ ε ίν α ι η, τότ ε φτύνουν στο εμπόδιο κα ι αποδίδουν σε αυτό ε ν έρ γ εια n *A *v»d t φορείς φορτ ίο υ. Η συνολική κ ιν η τ ικ ή εν έρ γ εια που α π ο δίδετα ι στο εμπόδιο (κρυστάλλινα δομικά σ το ιχ εία ) ε ίν α ι: n * q * v * e * u * d t = (2 ) Η εν έρ γ εια αυτή με η λ εκτρ ικά μεγέθη εκφ ρ άζεται με U llld t, ώστε να προκύ- : ε ι η εξής εξίσωση: I = η * A» V» e (3) A = cnt^lcm* *cm *s"'*a*s Ε τσ ι προκύπτει η θερ μική εν έρ γ εια μετά την πέδισ η των φορέων φορτίου από 3 εμπό διο : dw = U * I * dt = - US 1 dt = 12 * R * dt P = - = U * I (5) dt Συνεπώς κάθε αγωγός που ρ έετα ι από το ρεύμα I θ ερ μ α ίν ετα ι λόγω της α ν τ ί στασής του R σε μ ία θερμοκρασία που α ν τ ισ τ ο ιχ ε ί στην παραπάνω θερ μική ενέρ γ εια ( ε ξ.α ). Σ έναν ομογενή αγωγό η θέρμανση ε ίν α ι σε κάθε σημείο ίδ ια. Στην περίπτωση των θερμοαγωγών, έχουμε ένα καθαρό ωμικό φορτίο κα ι λόγω της τετραγωνικής επίδρασης του ρεύματος ( Π ) έχουμε αύξηση της θερμικής ε ν έ ρ γ εια ς. Αυτή ε ίν α ι ανεξάρτητη από το είδ ο ς του ρεύματος, δηλαδή ανεξάρ 13 -

19 τητο ακό το αν έχουμε συνεχές ή εναλλασόμενο ρεύμα. Η μονάδα μέτρησης της ενέρ γεια ς ε ίν α ι Ws ή J ( J o u l). 0 Robert Mayer κ α ι Ρ. J o u l ως γνωστό ανακάλυψαν το η λ εκτρ ικ ό δερμοανά- λογο: IWs : 1 Joule = 239 * 10 Kcal (6.α ) 1 KWh = 860 Kcal ( 6.B ) Γ ια την μετατροπή της εν έρ γ εια ς μέσα στον θερμοαγωγό προ κύπ τει επομένως ο γ εν ικό ς νόμος J o u l: Q ζ I * 0 * t * 239 * 10 (7.α ) Kcal = A * V * 3 Q = Ρ * R * t * 239» 10~ ( 7.B ) Kcal = A* * Q * 3 01 δύο π ίνα κες που ακολουθούν δ ίνο υ ν τη σχέση μ εταξύ των η λεκτρ ικώ ν, μηχανικών κ α ι θερμικών μονάδων μέτρησης γ ια την ε ν έ ρ γ ε ια κ α ι την ισ χύ. Μετατροπή ηλεκτρικώ ν μονάδων σε άλλες μορφές εν έρ γ εια ς α) εν έρ γ εια Kilogramm*nieter K ilo W3 c a l K ilo» a t t * h *10' 0.278*10' *10 ' *10' 4.18*10^ *10' 3.5* * ) ισχύς Watt Kilogramm*M eter*3 K ilo c a l* s '^ *10' *10' 4.18*

20 2.2. Φυσικές χη μ ικ έ ς κ α ι τ ε χ ν ικ έ ς α π α ιτή σ εις στους μ ετα λλικο ύς κ α ι μη μ εταλλικο ύς αγωχούς. Σε θερμοαγωχούς της τ ε χ ν ικ ή ς της ηλεκτροθερμότητας, θέτουμε υνηλές α χα ι- τ ή σ ε ις. Ο ι βασικότερες ε ίν α ι: - μεχάλη ε ιδ ικ ή η λ εκτρ ικ ή αντίσταση ρ - μικρός θερμοκρασιακός συντελεστής της η λ εκτρ ικ ή ς αντίστασης α - μεχάλη θερ μική αντοχή - μεχάλη μηχανική αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες - χη μ ική αδράνεια α π ένα ντι στο χεριβάλλον - αντοχή α π ένα ντι στην δ ιάβροχτη - μικρή θερ μική διαστολή - μεχάλη δ ιά ρ κ ε ια ζωής Ε ιδ ικ ή η λ εκτρ ικ ή αντίσταση ρ Ηδη από το χ ε ν ικ ό νόμο του J o u l ( ε ξ. 7.β)Βλέπουμε ό τ ι π ρ έπ ει να επ ιλ έ ξ ο υ - με ως θερμοαχωχούς υ λ ικά με μεχάλη ε ιδ ικ ή η λ εκτρ ικ ή αντίστασ η. Πολλές η λ εκτρ οθ ερ μικές συσκευές απαιτούν χ ια κατασκευαστικούς κ α ι θ ερ μ οτεχνικούς λόχους μ ία μεχάλη πυκνότητα ισχύος ανά μονάδα εμβαδού ( π.χ.cm*).κ α ι αυτό ε π ι- τυ χχ ά ν ετα ι με την χρήση θερμοαχωχών από υ λ ικά μεχάλης ε ιδ ικ ή ς αντίστασ ης θερμοκρασιακός συντελεστής α της ε ιδ ικ ή ς η λ εκτρ ικ ή ς αντίστασης Γ ια την ε π ίτ ευ ξ η σταθερής ισχύος σε εχκα τα στά σεις θέρμανσης με α ντισ τά σ εις π ρ έπ ει η μεταβολή της αντίστασης με την θερμοκρασία (π ρ ό κ ε ιτα ι χ ια μ ε- χάλες μεταβολές της θερμοκρασίας) να ε ίν α ι όσο το δυνατό μ ικρ ή. Αυτό σημαίν ε ι ό τ ι ο θερμοκρασιακός συντελεστής α π ρ έπ ει να ε ίν α ι μικρ ός. Σύμφωνα με την ( ε ξ.3) ε ίν α ι η πυκνότητα J του ρεύματος σε ένα αχωχό: J = η * e * U (8) όπου η ε ιδ ικ ή η λ εκτρ ικ ή αχω χιμότητα η ένταση του η λ εκτρ ικ ο ύ π εδ ίο υ

21 Η τοτχύτητα ν τον ηλεκτρονίω ν α π ο τε λ ε ίτ α ι cnto μ Ια μέση τα χύ τη τα χρος την κατεύθυνση του χεδ Ιο υ Υ ε, χου ε ίν α ι: νε = * t f (9) κ α ι μ ία μέση θερμική ταχύτητα των ηαεκτρονίων Υθ. Στον τύπο αυτό το t f ε ίν α ι ο χρόνος στον οχοίο δ ια ν ύ ε ι το ηλεκτρ ό νιο το ελεύθερο μήκος διαδρομής s f μεταξύ δύο κρούσεων. Ε χ ε ιδ ή ισ χ ύ ε ι Υθ>>Υε κ α ι συνεχώς t f = S f / Υθ η εξίσοχτη (9) χ α ίρ ν ε ι την μορφή: ϊε S f Υε = - (10) Αχό τ ις εξισ ώ σ εις (8) κ α ι (10) κ α ι με κ = 1/ρ χρ ο κ ύ χ τει: 2*π)*Υθ Ρ = ( 11) n * e * * sf Αχό την εξίσωση αυτή Βλέχουμε την συνάρτηση της ε ιδ ικ ή ς η λ εκτρ ικ ή ς α ν τ ί στασης αχό την θερ μική τα χύτητα Υθ των ηλεκτρονίω ν κ α ι συνεχώς κ α ι αχό την θερμοκρασία του αγωγού. Ο ι σ χέσ εις αυτές χροκύχτουν κ α ι αχό την εξίσωση των Wiedemann - F ra n z: λ/κ = ρ*λ = χ/3 (K /e )*T (12) όχου Τ = θ+273"0 η αχόλυτη θερμοκρασία σε Κ Κ = 1,381 * 10 ^ W ^ α θ ερ ά Boltzm ann. Στην τ ε χ ν ικ ή χέρνουμε ως μέτρο γ ια την εξάρτηση της αντιστάσεως αχό την θερμοκρασία τον λόγο των τιμώ ν της αντίστασης σε κρύα κ α ι θερμή κατασταση του θερμοαγωγού, δηλαδή Εο/Εθ ή ρο/ρθ Εάν το Εο ε ίν α ι η αντίσταση στην θερμοκρασία αναφοράς θο κ α ι α ο θερμοκρασ ιακός συντελεστής ανά βαθμό τό τ ε η αύξηση ή η μείωση της αντίστασης γ ια μ ία χερ ιο χή θερμοκρασίας ε ίν α ι ΔΕ = Εο*α *(9 - θο) = Εο*α*Δ

22 Η αντίσταση στην 8ερμο<ρασίχχ θ ε ίν α ι R9 = Κο[1+α{θ -θ ο)] Γ ια το α χρ ο κ ύ π τει από αυτήν την εξίσωση; R8 - Ro ΔΗ +α = - (14) R o *(8-8 o ) Γ ια μ ικρ ές μεταβολές 8ερμοκρασίας (=100 Ο μπορούμε να 8εωρήσουμε με ικα νο π ο ιητική α κ ρ ίβ εια ό τ ι η μεταβολή της αντίστασης ε ίν α ι γραμμική της μ ε ταβολής της 8ερμοκρασίας. Σε αυτήν την περίπτωση δ ίν ο ν τα ι μέσες τ ιμ έ ς γ ια το α, π.χ. α ( ) ή α ( ). Η μέση αυτή τ ιμ ή του α γ ια μ ία συγκεκριμμένη π ερ ιοχή 8εροκρασίας 81 έως 82 υ π ο λ ο γ ίζετα ι από τ ις α ν τίσ τ ο ιχ ε ς α ν τισ τά σ εις Ε81 κ α ι R82 με την βοή8εια της εξίσωσης 13. R81 = Εο* [1 + α *(81-8 ο )] (15) Ε82 = Ro* [1 ± α *(82-8 ο )] R82-E81 = Ε ο *α *[(82-8 ο ) - (81-8 ο )] R*82-R*81 α *( ) = (16) Ε ο *(82-81) Γ ια μεγαλύτερες από 100 C μεταβολές της θερμοκρασίας, δεν ισ χ ύ ε ι η παραπάνω γραμμική συνάρτηση κ α ι χρ η σ ιμ ο π ο ιή τα ι κ α ι το τετρ αγω νικό μέλος R8 : Ε ο *[1 ± α (8 2-8 ο )+ β (θ 1-8 ο )*] (17) Ο ι σ υντελεστές α κ α ι β μπορούν να υπολογισθούν ως εξή ς ; γ ια τ ις γνωστές θερμοκρασίες θο. 8 1,8 2 μετράμε τ ις α ν τίσ τ ο ιχ ε ς α ν τισ τά σ εις Εο, Ε81, R82. Με R81-R0 Εο Ε82-ΕΟ Εο Δ81=81-8ο, Δ82=82-8ο προκύπτει με την εξίσωση (17) ό τ ι Α = α*δ31+β*δθ1*, Β = α*δ82+β*δ82*. Από αυτές τ ις δύο εξισ ώ σ εις μπορούν να υπολογισθούν το α κ α ι το β:

23 Δθ1*Δ82(Δθ2-Δ61) Β*Δ81*-Α*Δθ2» Δ81*Δ82(Δ82-Δ81) (19) Από τ ις εξισ ώ σ εις (18-19) συμπεραίνουμε η μεταβολή της αντίστασης ως συνέπ εια της μεταβολής της 8ερμοκρασίας ε ίν α ι τόσο μικρ ή όσο μικρά ε ίν α ι το α κ α ι β κ α ι ε ίν α ι τόσο γραμμική, όσο μικρό ε ίν α ι το β Δ ιά ρ κεια ζωής 8ερμοαγωγών Τα κράμματα ή τα υ λ ικά των 8ερμοαγωγών π ερ ιέχο υν πολίτημα μη σιδηρούχα μέταλλα όπως π.χ. χρώμιο κ α ι ν ικ έ λ ιο που κ α ι ακριβά ε ίν α ι, αλλά κ α ι εισ ά γο - ν τ α ι. Επομένως η δ ιά ρ κ εια ζωής τους ε ίν α ι ένας σοβαρός παράγοντας που επηρ εά ζ ε ι την ο ικονο μικότη τα της η λεκτρο 8ερ μικής εγκατάστασης. Η δ ιά ρ κ ε ια ζωής των 8ερμοαγωγών επ η ρ εά ζετα ι από πολλούς παράγοντες όπως περιβάλλον ατμό- σιραιρας, τα υ λ ικά σ τήριξης κ α ι υποδοχής τους, το ε ιδ ικ ό φορτίο του 8ερμοα- γωγού,η κατασκευή του κ α ι ιδ ια ίτ ε ρ α η συχνότητα ζεύ ξη ς κ α ι απόζευξης με την ενερ γεια κή πηγή. Το διάγραμμα που α κολου8εί μας δ ίν ε ι ε ν δ ε ικ τ ικ έ ς τ ιμ έ ς της δ ιά ρ κεια ς ζωής σε συνάρτηση από τη ν 8ερμοκρασία του 8ερμοαγωγού. δ ιά ρ κ ε ια ζωής 8ερμοαγωγών κραμμάτων σε συνάρτηση από την 8ερμοκρασία τους 8ερμοκρασία C δ ιάγραμμα 2.1

24 Κα ι η διάμετρος του θερμοαγωγού εχη ρ εά ζ ε ι την δ ιά ρ κ ε ια ζωής το υ, όχως μας δ ε ίχ ν ε ι το χαρακάτω δ ιά γραμμα.για τον λόγο αυτό δ εν χ ρ έ χ ε ι να ε χ ιλ έ ζ ο υ - με την διατομή μικρότερη αχό την α χα ρα ιτη τη Μ ετα λ λ ικο ί θερμοαγωγοί Καθαρά μέταλλα δεν ε ν δ ε ικ ν ύ ο ν τα ι γ ια χρήση λόγω του μεγάλου θερμοκρασια- κού τους συντελεστή κ α ι της μικρής τους ε ιδ ικ ή ς η λ εκτρ ικ ή ς αντίστασης, όχως φ α ίν ε τα ι αχό τον χαρακάτω χίν α κ α. ομάδα κραμμάτων σύμβολα ε ιδ ική αντ ίσταση α»10 max θερμοκ. ή μετάλλων ρ στους 20 C 20 C C στον αέρα Q*mm /m 1/Grad C a) Cu-Zn N ic k e lin b) Cu-Ni Konstantan c) Cu-Mg Manganin J K P 0 u u si0 _ u :S i a) χωρίς Fe CN b) με λ ίγ ο Fe CN c) με χολύ Fe (με λίγο N i) CN JspcuucaB_Cu:Ee a) C r- F e - S i SC b) C R-Fe-A l AC < a) Σίδηρος Fe b) Ν ικ έ λ ιο N i >6.7 c) Πλατίνα F t χίνακας

25 Εξαίρεση αχοτεαούν η π λα τίνα, το βολορράμιο icau το μ ο λυβδα ίνιο, τα οποία όμως λόγο του υψηλού τους κόστους χρ ησ ιμοποιο ύνται μόνο σε ε ιδ ικ έ ς περιπ τώ σ ε ις, π.χ. γ ια (ρούρνους υψηλής θερμοκρασίας ( > * 0. Καθαρό ν ικ έ λ ιο χρησ ιμο πο ιούντα ι σε σπάνιες π ερ ιπ τώ σ εις, όπου εκμεταλευόμαστε τη εξάρτηση της αντιστάσεως του από την θερμοκρασία γ ια σκοπούς αυτόματου ελέγχο υ, π.χ. γ ια τον περιορισμό της ισχύς σε συσκευές παραγωγής θερμού νερού γ ια την προστασία γ ια την περίπτωση που α δ ε ιά σ ε ι γ ια οποιοδήποτε λόγο το νερό από την συσκευή. Ο ι α π α ιτή σ εις σε θερμοαγωγούς που περιγράψσμε στο προηγούμενο κε<ράλαιο εκπληρώνονται καλύτερα από τα κράμματα με μεγάλη θερμοκρασία τή ξη ς. Ως συσ τα τικά των κραμμάτων αυτών έχουμε το ν ικ έ λ ιο, χρώμιο κ α ι σίδηρο καθώς κ α ι άλλα πολύ ε ιδ ικ ά συστατικά. Στα δύο διαγράμματα που ακολουθούν βλέπουμε την συνάρτηση της ε ιδ ικ ή ς η λ εκτρ ικ ή ς αντίστασης από την θερμοκρασία. ε ιδ ική αντ ίσταση ρ μερικώ ν κραμμάτων N i-f e σε συνάρτηση από την θερμοκρασία διάγραμμα

26 etsuicn αντίσταση p των Βασικών ομά&ων υαικών σε συνάρτηση με την θερμοκρασία θερμοκρασία σε C δίά^ραμμα 2.3 Αχό άχοψη ρ θ εω ρ είτα ι καλός θερμοαγωγός αυτός με ρ > 1 Qnus*m :^ 2.4. Μη μ ε τα λ λ ικ ο ί θερμοαγωγοί θερμοαγωγοί αχό S i l i t, S ic = S iliz iu m - Kanbid ( χ υ ρ ίτιο -κ α ρ Β ίδ ιο ) Χρησιμοποιούνται γ ια θερμοκρασίες αχό χερ ίχο υ 1000 έως 1450 C κ α ι χαρά- γε τ α ι σύμφωνα με τον τύχο : SiO + 3C + Kcal S ic + 2Co. Χ ρησιμ ο χοιή τα ι σε μορφή ράβδου με κ α ι χωρίς ενισ χυ μένη άκρη όχως φ α ίνετ α ι χ ιό κάτω: I Ράβδος αχό S i l i t με ενισ χυ μένα άκρα a = δ ιάμετρος b = μήκος πυράκτωσης C = δ ιάμετρος d = ενισ χυ μένα άκρα e = συνολικό μήκος Ράβδος αχό S i l i t χωρίς ενισ χυμένα άκρα σχήμα 2.1 a = δ ιάμετρος b = μήκος χυράκτιχτης e = συνολικό μήκος

27 Ανθρακας και. γραφίτης Γ ια η λεκτρο θερ μικές εγκαταστάσεις με θερμοκρασίες λ ειτο υ ρ γ ία ς αχό 1400 C ως χάνω αχό 2500 χρ η σ ιμ ο χο ιο ύ ντα ι άνθρακας κ α ι γραφίτης ως θερμοαγωγοί ή ως υ λ ικά ηλεκτροδίων όχως χ. χ. σε Βιομηχα νικούς (ρούρνους η λ εκτρ ικ ο ύ τό ξου, σε φούρνους ράβδων γραφίτη (G va fitsta b o fe n ) ή κ α ι σε ςρούρνους ωμικών α ντισ τά σεων. Το διάγραμμα χου α κολουθεί μας δ ε ίχ ν ε ι την συνάρτηση της αντιστάσεως του γραφίτη κ α ι άνθρακα αχό την θερμοκρασία. 0 ηλεκτρογραφίτης χου χα ρ άγεται σε φούρνους αντιστάσεως ε ίν α ι καλύτερης χο ιότητο ς αχό τον φυσικό γραφίτη. R1 λόγος αντιστάσεων λόγος αντιστάσεων γραφίτη κ α ι άνθρακα σε συνάρτηση με την θερμοκρασία Η ; ' θερμοκρασία σε C διάγραμμα Οξε ίδ ια Βαριών μετάλλων Ιδ ια ίτ ε ρ α γ ια χαμηλές θερμοκρασίες χρ η σ ιμ ο χο ιο ύ ντα ι θερμοαγωγοί χου χα- ράγονται με εχικάλυιρη γυάλινων εχυρανειώ ν με λεχτά στρώματα η λεκτρικώ ς αγώγιμων μεταλλικώ ν ο ξ ειδ ίω ν, χωρίς αχώλεια της διαχερατότητας του γυαλιού. Με ε ιδ ικ έ ς χυ κνότη τες ισχύος των εχυρανειώ ν αχό έως Wcm μχο- ρούν να επ ιτευ χθ ο ύ ν θερμοκρασίες ως 250 C. Εάν η εχικάλυιρη γ ίν ε ι χάνω σε επ ιφ ά ν ειες πορσελάνης μπορούν να επ ιτευ χθ ο ύ ν θερμοκρασίες ως κ α ι χάνω αχό 500 C.

28 2.5. Υχολογισμός των διαστάσεων των θερμοαγοί^ών Μ ετα λ λ ικο ί θερμοαγωιτοι Γ ια τον υπολογισμό των θερμοαγωγών γ ια μ ια ηλεκτροθερμική συσκευή ε ίν α ι συνήθως γνωστή η απαιτούμενη εν έ ρ γ ε ια κ α ι επομένως η ισ χύ παροχής Ρ. Επίσης ε ίν α ι γνωστά η τάση D κ α ι η επ ιλ εγ μ έν η η λ εκ τρ ικ ή καταπόνηση της επκρανείας του θερμοαγωγού V. Κα ι π ρέπει συνήθως να υπολογισθούν ο ι διασ τά σεις κ α ι το Βάρος των θερμοαγωγών σε συνάρτηση από τα δοσμένα μεγέθη Ρ, 0 κ α ι V. Γ ια μία οποιαδήποτε διατομή του αγωγού προκύπτουν ο ι εξής γ εν ικ ές εξισώ σ εις όπου: L/cm μήκος του αγωγού u/cm π ερ ιφ έρ εια του αγωγού 0/cm επυράνεια του αγωγού A/cm B/Kg διατομή του αγωγού Βάρος του αγωγού v/cm' όγκος του αγωγού γ /Kg/cm^ ε ιδ ικ ό Βάρος αγωγού Ρ Με L = - L 0 = - έχουμε Ρ v*u : Β = γ*ν κ α ι ν = A*L έχουμε γ*α*ρ v*u. σκόπιμο να υπολογίσουμε κ α ι το γινόμενο u*a ρ*1 A r κα ι R = u */P έχουμε ρ*ρ» u **v

29 Me την Βοήθεια αυτών των γενικώ ν εξισώσεων γcvovται ο ι υπολογισμοί για κάθε ε ΐέ ο ς θιατομής του θερμοαγωγού. α) θερμοαγωγοο με κυκλική ίιατομή εοναι d η ίιάμετρος του αγωγού, τότε ε ί να ι υ = dtn κα ι A = nld^/a κα ι με την εξίσωση (22) έχο υ μ ε: d\n» Α*υ = I I η δ ιά μ ε τ ρ ο ς d ε ί ν α ι : ^ ^Ιρ*Ρ2 π2*υ2*ν ) βάρος ε ίν α ι: γ ΙΡ ^*ν το μήκος ε ίν α ιι v»d*n I θερμοαγωγός με τετραγω νική διατομή (σ κίτσ ο) Γ ια τον θερμοαγωγό αυτό, επ ιλ έγ ο υ μ ε έναν λόγο πλευρών ε = β/α με τον όρο ε > 1. Με αυτήν την προϋπόθεση προκύπτει γ ια την π ερ ίμ ετρ ο : Μ = 21α*(1+ ε) κα ι για την διατομή A = α^*ε, ώστε με την εξίσωση (22) να προκύπτει Α*υ = 2 *α 3 *ε*(1 + ε) = - ρ*ρ2 (27) κα ι γ ια α, β κα ι L υ»*ν * 2 * ε * (1 + ε ) γ *Ρ *ε

30 L = - (30) ν *2 *α *(1 + ε) Ο πίνακας που ακολουθεί δ ε ίχ ν ε ι πόσο έντονα εξα ρ το ύντα ι ο ι δια σ τά σ εις του θερμοαγωγού από τ ις ιδ ιό τ η τ ε ς του υ λ ικο ύ, συγκρίνοντας την ομάδα C r-n i κ α ι C r-f e -A l των θερμοαγωγών. Επιρροή ιδ ιο τή τω ν του υ λ ικο ύ σ τις δ ια σ τά σ εις των θερμοαγωγών. Σύγκριση μεταξύ του C r-n i κ α ι C r- N i-a l Προϋπόθεση: ίδ ια τάση ίδ ια ισχύ CN 80 CN 20 AC 20 Ka nthal DS Ka nthal A πυκνότητα ισχύος *ν μήκος θερμοαγωγού *1 βάρος # 0.63*G β J γ ib_ ίσο - ιυκ y.. isauqs δ ιάμετρος θερμοαγωγού 1.12*d μήκος # *1 βάρος # xjxib-ibq.udkos πυκνότητα ισχύος 0.95*G *7 δ ιάμετρος θερμοαγωγού 1.16*d βάρος H 1.15*G πίνακας 2.3 Βλέπουμε από τον πίνακα ό τ ι λόγω της μεγαλύτερης ε ιδ ικ ή ς η λ εκτρ ικ ή ς αν- τιστάσεως των AC - κραμμάτων, γ ια λ. χ. ίδ ια επ ιφ α νεια κή πυκνότητα ισχύος η διάμετρος μπορεί να α υξη θ εί κατά 12%, γεγονός που ο δ η γ εί σε επιμήκυνση της δ ιά ρ κεια ς ζωής. Εκτός αυτού μπορεί να ε π ιτ ε υ χ θ ε ί με το ίδ ιο μήκος του θερμοαγωγού μ ια μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος.

31 Μη μεταλλικοί θερμοατωγοί Αρχικά ισχύουν ο ι Ιδ ιο ι τ ύ χ ο ι όκως κ α ι στην χερικτω ση των μ ετα λ λ ι» δερμοαχωχών. Στην κερίπτωση χρήσης των ράβδων S i l i t ισ χ ύ ε ι ε ν δ ε ικ τ ικ ά : Η μ εγίσ τη εγκατεστημένη ισ χύ του ορούρνου χ ρ ο κ ύ ττε ι εμ π ε ιρ ικ ά αχό: εχκρ ά νεια όλων των ράβδων S ilit / c m * - S 1/10 (31) ογκο του cpoupvou /Π Σ τ ο ίχ ε ία θέρμανσης κ α ι τοχοθέτησή τους σε ηλεκτρ ο θερ μικές εγκαταστάσεις κ α ι ρρούρνους Ελεύθερα ακτινοβολούμενα σ τ ο ιχ ε ία θέρμανσης, γ ε ν ικ ά σ τ ο ιχ ε ία κατασκευής κ α ι τοποθέτησης. 0 θερμοαγωγός όταν π ρ ό κειτα ι γ ια σύρμα ή τ α ιν ία μπορεί αςρού έγιν α ν ο ι υ πολογισμοί των διαστάσεων του να π λ ε χ τ ε ί πάνω σε κεραμικά σώματα στήρ ιξης, σε M ikam it ή σε σώματα άλλων υλικώ ν που αντέχουν σε υνηλές θερμοκρασίες. Γ ια την ε π ίτ ευ ξ η μεγάλης πυκνότητας ισχύος προσαρμόζεται ο θερμοαγωγός στη συγκεκριμένη μορφή που α π α ιτ ε ί συγκεκριμένη κατασκευή της η λεκτρ ο θ ερ μι- κής συσκευής ή εγκατάστασης κ α ι προβλέπονται στα άκρα του δυνατότητα σύνδεσης. Ε τ σ ι π ροκύπ τει ένα σ τ ο ιχ ε ίο θέρμανσης. Το σχήμα που ακολουθεί δ ε ίχ ν ε ι τυ π ικ ές μορφές τέτο ιω ν σ το ιχείω ν θέρμανσης : - φ «ΤΠΠΠΓδΜδΜϋ000 o'0w0 ^ κυ κλικό σπείρωμα ελ λ ειψ ο ε ιδ ή σπείρωμα - y / \ y \ / \ rs J \ / \ / \ / \ J \ / ^ κυματοειδής σπείρωμα V ^ σ τ ο ιχ ε ίο θέρμανσης μορφής roaander

32 Στο εχόμενο σχήμα Βλέπουμε τ ις συχνότερα εφαρμοσμένες μορφές διπλών σ το ιχείω ν θέρμανσης από σύρμα ή τ α ιν ία γ ια χρήση σε Βιομηχα νικο ύς φούρνους α ντιστασ ης. w(mkmkwmi3sh σχήμα 2.3 Τα σχήματα που ακολουθούν δ είχν ο υ ν τρόπους τοποθέτησης των σ το ιχείω ν θέρμανσης σε ηλεκτρο θερ μικές συσκευές κ α ι εγκα τα σ τά σ εις. τοποθέτηση σ το ιχείω ν θέρμανσης στον το ίχ ο α )τα Β ά νι Β)πυθμένα ενός φούρνου τοποθέτηση θερμικών σ το ιχείω ν θέρμανσης σχήμα 2.4

33 τομή σε φούρνο τύπου M uffe r σχήμα 2.5 στήρ ιξη σ το ιχείω ν θέρμανσης κυ κλ ικο ύ σπειράματος σε (ρούρνο τύπου Kammer σχήμα 2.6 Τα σ το ιχ ε ία θέρμανσης που κρ έμο ντα ι ή ε ίν α ι ελεύθερα τοποθετημένα πάνω σε σώματα στήριξης χα ρ ακτηρ ίζο ντα ι από μ ία καλή απόδοση της θερμότητας. Π ρ έπ ει όμως να παρουσιάζουν ακόμα κ α ι σε υψηλές θερμοκρασίες μ ία καλή α καμψία γ ια αποφυγή Βραχυκυκλωμάτων μεταξύ σπειρώ ν.0 τρόπος τοποθέτησης στην εγκατάσταση των σ το ιχείω ν θέρμανσης ασφαλώς π ρ έπ ει να γ ίν ε τ α ι σύμρϊωνα κ α ι με το υ λ ικό κ α ι τη μορφή τους. Π ρ έπ ει να π ροσεχθεί η επκράνεια στήριξης των σ το ιχείω ν θέρμανσης πάνω σε άλλα υ λ ικ ά, να ε ίν α ι όσο μπορεί μικρή γ ια τ ί κάθε σημείο στήρ ιξης μπορεί να α π ο τελ έσ ει κ α ι πηγή κινδύνου π.χ. υπερθέρμαν

34 ση και. επιροή του υ λικο ύ στήριξης στα σημεία σ τή ρ ιξη ς. Τ έ τ ο ια σημεία παρουσ ιά ζο ντα ι στο σχήμα (2.3 ) με βέλη. Λάχω της μεχάλης ροπής στρέΐ4της στην περίπτωση των σ το ιχείω ν θέρμανσης της μορφής V. Αυτά μπορούν να τοποθετηθούν μόνο μ έχρ ι B00 C χωρίς ενδιάμεση σ τή ρ ιξη όπως φ α ίν ετα ι από τα σχήματα που ακολουθούν. κυ λ ινδ ρ ικ ή μονάδα θ ερ μ ιι σ το ιχείω ν τύπου U τομή φούρνου τύπου Kammer με αυτοστηριζόμενα θ ερ μ.σ το ιχεία U θερ μικό σ τ ο ιχ ε ίο τύπου U σχήμα 2.7 Μειονεκτήματα των ελευθέρων ακτινοβολουμένων σ το ιχείω ν θέρμανσης ε ίν α ι ο ι κ ίν δ υ ν ο ι χρήχορης διάβρωσης κα ι δημιουρχία ς ίσκας κα ι η πιθανόν εντο νότερη επιροή της ατμόσφ αιρας.σπειροειδή σ το ιχ ε ία θέρμανσης από σύρμα με δ ιά μετρο μικρότερη από 7mm μπορούν να κατασκευαστούν σε θερμοκρασία χώρου. Μεχαλύτερης διαμέτρου κατασκευάζονται σε θερμοκρασίες 200 C ως 300 C. Το τράβηχμα των θερμοστοιχείω ν στο σπαιτούμενο μήκος χ Ιν ε τ ο ι σε θερμοκρασία <800 C προκειμένου να ε π ιτ ε υ χ θ ε ί η επαναφορά τους στο αρχικό μικρ ό μήκος ως αποτέλεσμα της προηχούμενης δ ια δ ικα σ ία ς δημιο υρ χία ς των σπειρών σε 200 C

35 Κατά την δ ια δ ικ α σ ία του τραβήγματος π ρ έπ ει να δ ο θ εί ιδ ια ίτ ε ρ η προσοχή ώ στε αυτό να ε ίν α ι ομοιόμορφο γ ια να αποίρευχθούν το π ικ ές υπερθέρμανσης. Οσο υνηλότερη ε ίν α ι η θερμοκρασία των σ το ιχείω ν θέρμανσης τόσο ισχυρότερος αγω^ γός π ρ έπ ει να ε π ιλ εχ θ εί,δ η λ α δ ή τόσο μικρότερος π ρ έπ ει να ε ίν α ι ο λόγος D/d. Η μέση απόσταση μεταξύ των σπειρών 3 π ρ έπ ει να ε ίν α ι το λιγό τερ ο s ^ d. Σ χ έσ εις διαστάσεων μεταξύ σ το ιχείω ν θέρμανσης κ α ι σωμάτων σ τήριξης όπως προκύπτουν εμ π ειρ ικά από τη πράξη μας δ ί ν ε ι το σχέδ ιο που ακόλουθε ί γ ια κυ- κ λ ικ ά κ α ι σ τ ο ιχ ε ία θέρμανσης τα ινιο μο ρφ ής. Γ ια τ α ιν ίε ς συνιστώνται κ α ι ο ι εξής σχέσ εις διαστάσεων: πάχος τα ιν ίας πλάτος τα ιν ία ς βάθος κυμάτωσης απόσταση μεταξύ σπειρών α κτίν α t > 1,5πιπι b = 8-12t h = 2-3b s = 1,5-3b r > 4-5 t Εσωτερική συνδεσμολογία σ το ιχείω ν θέρμανσης Τα σ το ιχ ε ία θέρμανσης που δ ια τ ίθ ε ν τ α ι στην αγορά παρουσιάζουν μ ία εσωτερ ική συνδεσμολογία που φ α ίν ετα ι από το σχήμα που α κολουθεί: - Λ Α Ο Τ υ ν ία Α τ μονός αγωγός με δίπλευρη σύνδεση -AAATiam v-i A o m a a A r-' μονός αγωγός με μονόπλευρη σύνδεση Λ Α Α Α Α Π Τ υ ν - διπλός αγωγός με δίπλευρη σύνδεση ^ Ι Α Α Α Α / Ι Α / υ - - τριπλός αγωγός με συνδεσμολογία Υ -Λ / \ Α Α Α Τ υ ν ν _ τριπλός αγωγός με δίπλευρη σύνδεση ^νχ Α Λ Α Α Λ Λ τ- "-Λ Α Α Α Α Α Λ ^ Γ διπλός αγωγός με αγωγό επιστροφής σχήμα

36 3.1 Φ υ σ ίκο -τεχν ικές οφχές Ανάγκες σε εν έ ρ γ ε υ ι Η απαιτούμε νη γ ια την εφαρμογή μι,ας οποιασδήποτε ηλεκτροθερμ υςής δ ια δ ικα σ ία ς ο λ ική εν έρ γ εια Ντ α π ο τε λ ε ίτ α ι αχό την α χαιτούμενη γ ια την θέρμανση του υ λικο ύ α ν τικ ε ιμ έ ν ο υ ποσότητα θερμότητας Wn (ωφέλιμη ε ν έρ γ εια ) κ α ι από τ ις θ ερ μ ικές κ α ι η λ ε κ τρ ικ ές απώ λειες που π ρ έπ ει να καλυφθούν από την πηγή εν έρ γ εια ς, Wv κ α ι WE α ν τίσ το ιχ α : Κτ = Wn + Wv + Wε (31) Η αχαιτούμενη ωφέλιμη θερμότητα Wn ε ίν α ι: όπου Wn = c*m* (Tb - Ta ) (32) c ε ιδ ικ ή θερμότητα m μάζα Tb τε λ ικ ή θερμοκρασία,και Ta α ρχική θερμοκρασία του προς θέρμανση υ λ ικο ύ Το διάγραμμα π α ρ ισ τά νει την συνάρτηση της θερμότητας Wn ορισμένων μετάλλων από την θερμοκρασία. Μεσαία θερμοχωρητικότητα Wn σε συνάρτηση με την θερμοκρασία Τ

37 ο πίνακας ( 3.1 ) * π ε ρ ιέ χ ε ι μεταξύ τον άλλων την ε ιδ ικ ή θερμότητα c κ α ι την θερμότητα τήξης «ορισμένων επιλεγμένω ν υλικώ ν. Ο ι θ ερ μ ικές απώλειες Wv αποτελούντα ι από τ ις απώ λειες θερμοαγωγής (WL), κατακόριχρης θερμοαγωγής (Wk), κ α ι θερμοακτινοβολιας (W s). Wv WL + WK + Ws (33) : συσσωρευμένη από τον υ λ Η φούρνο ή το προς θέρμανση ικό α ν τικ ε ίμ ε ν ο θερμική ε ν έ ρ γ ε ια, παρουσιάζεται μόνο κατά την εκκίνη σ η της θέρμανσης ως θερμική απώλεια κ α ι π ρ έπ ει συνεπώς σε π ερ ιο δ ική λ ειτο υ ρ γ ία της εγκατάστασης να παρθε ί υπ' όψη. Η θερμοαγωγή ε ίν α ι κα θ ο ρ ισ τική, π.χ. γ ια την εκροή της θερμότητας επαφές κ α ι εφαπτωμένων επιφ ανειώ ν ή γ ια την εκροή της θερμότητας από στο εσω τερικό των προς θέρμανση α ν τικ ειμ έν ω στην περίπτωση θέρμανσης ν επιςρανείας. Ο ι απώλειες θερμοαγωγής μπορούν να υπολογιστούν με τον νόμο του F o u rie r γ ια την περίπτωση στάσιμης θερμοροής: οπού λ WL : A * * (Tb - Ta)a ί S η θερμοαγωγιμότητα (34) A S η επ ιφ ά ν εια που π έρ ν ει μέρος στην θερμοαγωγή το μήκος που π ρ έπ ει να ξεπ ερ ά σ ει η θερμοροή (Tb -Ta )a η θερμοκρασιακή διαφορά των επιφ ανειώ ν λήψης κ α ι εκμπομπής της θερμότητας, t ο χρόνος θέρμανσης Η θερμοαγωγιμότητα των μετάλων ε ίν α ι σ χ ε τικ ά μεγάλη κ α ι εξα ρ τά τα ι από τ ις π ρ ο σ μ ίξεις, την θερμοκρασία κ α ι από την διαταραχή της δομής του υ λικο ύ ( G ilte rs to ru n g ), π.χ. κατά την δ ια δ ικ α σ ία σκλήρυνσης, Recken κ α ι Stauchen.

38 Προκειμένου να μειίοθούν o l απώλειες 3ερμοαγωγής π ρ έπ ει να μ ε ιω θ εί προπαντός ο χρόνος θέρμανσης (άμεση ωμική θέρμανση) κ α ι στην περίπτωση υποδοχής των προς θέρμανση α ν τικειμ έν ω ν π ρ έπ ει να χρησιμοποιηθούν υ λ ικά με μικρή θερμοαγωγιμότητα, όπως π.χ. κεραμικά ή γυ α λί απο Q uarz. Κατά την θερμομετάβαση σ υ ν τ ε λ ε ίτ α ι η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ στερεών μερών. Οι απώλειες μετάβασης μπορούν να υπολογιστούν με το τύπο: Wk = ak * A * (Tb -Ta )a t (35) 0 συντελεστής θερμομετάβασης ακ εξα ρ τά τα ι πολύ από τ ις ιδ ιό τ η τ ε ς των αερίων κ α ι υγρών, την κατάσταση κίνησ ης, την μορφή κ α ι κατάσταση των οριακών επιφ ανειώ ν (εφαπτώμενες ε π ιφ ά ν ε ιε ς ). Γ ια την μετάβαση στον αέρα ισ χ ύ ε ι: ak = 1.1 κ α ι γ ια φυσική κάθετος αγωγή (Konve)rtion) 3κ = ( * ) Wm-^K ' γ ια VL<5 ms'l VL a< = 7. K ) Wnr^K-l Y ια VL > 5ms ^ όπου VL n ταχύτητα θερμοροής μέσω μιας επ ιφ ά ν εια ς. Με αυξημένη θερμοκρασία του α ν τικ ε ιμ έ ν ο υ αυξάνονται κ α ι ο ι απώ λειες θερμοακτινοβολία ς σύμιρωνα με τον νόμο του Ste fa n Bolzmann: Ws = o*ds*a*(tld -Ta^)a*t (36) ds n σταθερά Stefa n Bolzmann (d s= 5.67*10 Wm^K ^) ε συντελεστής εκπομπής (α κτινο β ο λία ς) A (Tb-Ta^)a επ ιφ ά ν εια που ε κ π έμ π ε ι με θερμοκρασία Tb η θερμοκρασιακή διαφορά των επιφ ανειώ ν λήφης κ α ι εκπομπής της θερμότητας σε Κ έ λ Β ιν. t χρόνος θέρμανσης

39 Στο διάγραμμα (ραίνονται ο ι οτχίΰλειες θερμοακτινοβολια ς ενός α ν τικ ε ιμ έ ν ο υ συναρτήίτη της θερμοκρασίας της επκρανεία ς του κ α ι με το ζ afi χ(χράμετρο. Ε ιδ ικ ή απώλεια α κτινο βο λία ς σε συνίχρτηση από την θερμοκρασία Τ2 τ ις επυράνειας με Τ1= 293 Κ κ α ι συντελεστή ακτιν ο β ο λ ία ς ε ως παράμετρος. διάγραμμα 3.2 διαβροϊμένες επ κρά νειες Μη λ ε ίε ς καθώς κ α ι έχουν ένα μεγάλο σ υ ντελεστή ε, α ν τίθ ετα λ ίε ς επ κρά νειες ένα μικρό συντελεστή ε (πίνακας 3. 2 ) *. Ο ε ι (χπώλειες α κτινο βο λία ς μπορούν να μειωθούν σημαντικά εάν καλιχρτούν ο ι ε κ - πεμπόμενες επ κρά νειες με ένα κάλυμμα θερμοαπόσβεσης, αν ε π ιτ ε υ χ θ ε ί μέσω αντανακλαστών ή αντανάκλασης ενός μεγάλου μέρους της θερμοακτινοβολίας καθώς κ α ι με ένα μικρό χρόνο θέρμανσης Συντελεσ τής απόδοσης Μια τεχ ν ικ ο -ο ικ ο ν ο μ ικ ή κρίση ηλεκροτεχνολογικώ ν θερμικών δ ια δικα σ ιώ ν μπορεί να γ ίν ε ι με τον συντελεστή θερμικής απόδοσης n th, που προ κύπτει από τ ις εξισ ώ σ εις (34) κ α ι (3 5 ), αμελώντας τ ις απώ λειες θερμοαγωγής: WN 1 nth = (37) WN+Wv a *A *(Tb -Ta )a *t c *id *(Te-Ta ) να α υ ξη θ εί το n th Οπ(ϋς αναίρέραμε μπορεί με μείοχτη του χρόνου t. Αυτό μπορεί να ε π ιτ ε υ χ θ ε ί π.χ. με μ ια αύξηση της ε ιδ ικ ή ς ισχύς ρ, δηλ. της