ZÁKLADY ELEKTROTEPELNEJ TECHNIKY

Transcript

1 Technická Univerzita v Košiciach Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroenergetiky doc. Ing. Pavel Novák, CSc. ZÁKLADY ELEKTROTEPELNEJ TECHNIKY

2 Kto nevie a nevie, že nevie, je blázon vyhni sa mu. Kto nevie a vie, že nevie, je nedospelý. pouč ho. Kto vie a nevie, že vie, je spáč. Prebuď ho. Kto vie a vie, že vie, je múdry človek. Nasleduj ho. Arabské príslovie PREDHOVOR Citované príslovie mi pred niekoľkými rokmi povedal jeden arabský študent, keď robil skúšku z elektrotepelnej techniky. Ospravedlňujúc sa, že nevedel zodpovedať na študentskej komunite známe záchranné otázky mi naznačil, že sa cíti nedospelý, lebo vie, že nevie. Domnievam sa, že dospel rýchlo, lebo o niekoľko dní skúšku urobil a ešte mi stihol vysvetliť príčinu vtedy aktuálneho iracko-iránskeho konfliktu. Pamätám si, že nakoniec úspešne ukončil štúdium na našej fakulte a bol promovaný na inžiniera elektrotechniky. Predkladané skriptá sú kompendiom elektrotepelnej techniky, teda technickej vedy, ktorá sa zaoberá princípmi, metódami a prostriedkami premeny elektrickej energie na užitočné teplo. V priemyselne vyspelých krajinách sveta sa formou užitočného tepla spotrebuje v súčasnosti okolo 50% vyrobenej elektrickej energie. Je to forma, ktorú ani si neuvedomujúc, využívame každodenne, či v rôznych odvetviach hospodárstva alebo v nevýrobnej sfére. Konverzia elektrickej energie na užitočné teplo je preto minimálne rovnocenná premenám na ostatné koncové formy. Bude mi zadosťučinením, keď príručka prispeje k technickému dospievaniu všetkých študentov, ktorým sa dostane do rúk. II

3 CONTENTS 1. ÚVOD...1. TEPELNÉ TECHNOLÓGIE A TECHNOLOGICKÉ TEPLO KLASIFIKÁCIA TEPELNÝCH TECHNOLÓGIÍ VÝROBA TECHNOLOGICKÉHO TEPLA, POROVNÁVACIE KRITÉRIA KONVERZIA ELEKTRICKEJ ENERGIE NA ELEKTRICKÉ TEPLO Generovanie tepelného výkonu a otepľovacia charakteristika vodivého prostredia Energetická bilancia elektrotepelnej konverzie ELEKTROTEPELNÁ TECHNIKA A ELEKTRICKÉ OHREVY Vybrané pojmy Klasifikácia elektrických ohrevov Základné pojmy a veličiny z termokinetiky KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY PRE ELEKTROTEPELNÉ ZARIADENIA KOVOVÉ KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY NEKOVOVÉ KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY Žiaruvzdorné keramické materiály Tepelnoizolačné materiály Vláknité žiaruvzdorné a tepelnoizolačné materiály MATERIÁLY PRE VÝROBU KONVERZNÝCH PRVKOV ELEKTRICKÝCH PECÍ ODPOROVÝ OHREV Nepriamy odporový ohrev Matematický model ohrevu tepelne masívnej vsádzky pri ϑ p = konšt Matematický model ohrevu tepelne drobnej vsádzky pri ϑ p = konšt Elektrické pece a zariadenia pre nepriamy odporový ohrev Základné konštrukčné prvky Konštrukcia a výpočet výhrevných článkov Metodický postup návrhu a výpočtu odporových pecí s nepriamym ohrevom Niektoré zvláštnosti priebežných pecí s nepriamym ohrevom Regulácia teploty (výkonu) odporových pecí s nepriamym ohrevom Iné aplikácie nepriameho odporového ohrevu Ohrievače a zásobníky teplej úžitkovej vody (TÚV) Soľné pece pre tepelné spracovanie Infračervený ohrev Priamy odporový ohrev Matematický model ohrevu pevnej vsádzky bez tepelných strát Matematický model ohrevu pevnej vsádzky s tepelnými stratami Matematický model stacionárneho poľa valcovej vsádzky s tepelnými stratami Odporové pece a zariadenia pre priamy ohrev...65 III

4 6.5.1 Zariadenia pre ohrev pevnej vsádzky Zariadenia pre ohrev tekutej vsádzky, elektródový ohrev INDUKČNÝ OHREV Základy teórie indukčného ohrevu Indukovaný výkon vo valcovej vsádzke Indukovaný výkon vo valcovom vodiči Indukčné tégľové pece ELEKTRICKÝ NÁHRADNÝ OBVOD INDUKČNEJ TÉGĽOVEJ PECE BEZ TIENIACEHO PLÁŠŤA A ZÁKLADNÉ ELEKTRICKÉ PARAMETRE Účinnosť a energetická bilancia indukčnej tégľovej pece Indukčné ohrievacie zariadenia IOZ pre tvárnenie IOZ pre kalenie Indukčné kanálkové pece Elektrický náhradný obvod indukčnej kanálovej pece Energetická bilancia kanálovej pece Napájacie zdroje a pripájanie indukčných zariadení na sieť Napájacie zdroje pre kanálové pece Napájacie zdroje pre tégľové pece DIELEKTRICKÝ OHREV Napájacie zdroje a použitie dielektrického ohrevu Mikrovlnový ohrev OBLÚKOVÝ OHREV Jednosmerný oblúk Striedavý oblúk Oblúkové pece Konštrukčný popis oceliarskych oblúkových pecí Elektrické zariadenie OOP Elektrický a prevádzkový režim OOP Racionalizácia prevádzky OOP Jednosmerné oblúkové pece Odporovo - oblúkové pece (rudnotermické) Rušivé vplyvy OOP na napájaciu sieť vn PECE A ZARIADENIA PRE ŠPECIÁLNE ELEKTRO TEPELNÉ TECHNOLÓGIE ELEKTROTROSKOVÉ PRETAVOVACIE ZARIADENIA ELEKTRÓNOVÉ ZARIADENIA PLAZMOVÉ PECE OHREV LASEROM ELEKTRICKÉ VYKUROVANIE Metódy elektrického vykurovania Elektrické podlahové vykurovanie (veľkoplošné) Maloplošné vykurovacie telesá a systémy...18 IV

5 Telesá a systémy pre priame vykurovanie Telesá a systémy pre akumulačné vykurovanie Tepelný stav prostredia a tepelná pohoda človeka praktický výpočet vykurovacích systémov PRÍLOHY INDEX...CHYBA! ZÁLOŽKA NIE JE DEFINOVANÁ. V

6 Kapitola 1 Úvod 1. ÚVOD Na prechode do nového tisícročia sa často stretávame s názorom, že ďalší hospodársky, ekonomický a sociálny rozvoj spoločenstiev žijúcich na našej planéte, je podmienený narastajúcou spotrebou a teda aj produkciou rôznych foriem energií. Tento pohľad, v protiklade so znižujúcimi sa zásobami klasických, primárnych zdrojov energie a všeobecne vysokými investíciami na využívanie obnoviteľných zdrojov, vedie k určitému skepticizmu, že životný štandard najmä v rozvojových krajinách sa nebude zvyšovať, naopak, najbližšie desaťročie bude mať recesný charakter. Je to názor nerešpektujúci skutočnosť, že každá produkcia, distribúcia, transformácia či konverzia jednotlivých foriem energií je vždy sprevádzaná určitou efektívnosťou, merateľnou energetickými stratami, resp. účinnosťou procesu. Preto vo zvyšovaní efektívnosti, t.j. v získavaní väčšieho podielu užitočnej energie konvertovanej z jednotky spotrebovanej energie, je ukrytý výrazný potenciál zlepšenia energetických bilancií jednotlivých spoločenstiev a krajín sveta, vrátene Slovenskej republiky. Spotreba energie na našej planéte od r do r vzrástla približne 60-násobne. Za uvedené obdobie sa zvyšovala rôznou rýchlosťou, ovplyvnená takými udalosťami ako boli svetové vojnové konflikty, hospodárske krízy, cenové otrasy i výrazné technologické zmeny (industriálna revolúcia, vedecko-technická revolúcia, aktuálna revolúcia v informačných technológiách a pod.) Spotreba energie sa nerovnomerne vyvíjala tiež v jednotlivých regiónoch sveta. V ostatných rokoch priemerný Európan spotrebuje 10 až 30 krát viac komerčnej energie ako obyvateľ rozvojových krajín, priemer na obyvateľa USA a Kanady je dokonca 40-násobný. Čiastočne túto skutočnosť ilustruje aj nasledujúci prehľad o spotrebe ropy a vody na jedného obyvateľa v r [1]. Región sveta Ropa Voda *1 [barel] [m 3 ] Severná Amerika 0, Austrália a Oceánia 17,6 591 Európa (spolu) 10,1 * 65 Arabský svet 7,6? Stredná a Južná Amerika 4,1 435 Ázia 54 Afrika 1, 0 Tab

7 Kapitola 1 Úvod *1 hodnotená ako životne dôležité médium. Je možné, že príčinou vojnových konfliktov 1. storočia budú boje o zabezpečenie zdrojov pitnej vody * Západná Európa 13,3 barelu/obyv., Východná Európa 4,6 barelu/obyv. surovej ropy Existuje mnoho ďalších prameňov poukazujúcich tiež na to, že i v súčasných priemyselne najvyspelejších krajinách sveta sa energetické zdroje nevyužívajú hospodárne. Reálne odhady možných úspor napr. elektrickej energie v USA a v krajinách Západnej Európy sa pohybujú v priemere okolo 40%, pri vložených nákladoch nižších ako na jej výrobu. Konferencia Svetovej energetickej rady (WEC) v r zverejnila, že pri vtedajšom tempe rastu svetovej populácie a hospodárstva, požiadavky na energiu do r. 00 vzrastú o ďalších 75%. Aj keď v r. 000 vychádza tento predpoklad skromnejšie, je viac ako isté, že ďalší extenzívny rozvoj energetiky, globálne i lokálne, nie je možný, najmä z dvoch dôvodov: Minimálne v 1. polovici 1. storočia sa neočakáva výrazná zmena v štruktúre primárnych zdrojov energie. Naďalej budú dominovať fosílne zdroje a jadrové palivo so všetkými negatívnymi dôsledkami, najmä konečnou vyčerpateľnosťou a možnou ekologickou katastrofou I s určitou dávkou optimizmu, obnoviteľné zdroje energie v najbližších desaťročiach nemôžu splniť funkciu nosného zdroja. Aj keď sú environmentálne atraktívnou alternatívou súčasnému stavu, ich technický rozvoj a investičné zabezpečenie nespĺňajú predpokladané očakávania. Menej atraktívnou, ale zároveň reálnou cestou prechodu extenzívneho vývoja energetiky na intenzívny je racionalizácia spotrieb akejkoľvek formy energie. Napĺňanie úsporných energetických programov okrem základného cieľa znižovania spotreby primárnych zdrojov má aj sekundárne pozitívne dôsledky, ako zvyšovanie kvality životného prostredia, rozšírenie nových pracovných príležitostí a pod. Túto, nie okrajovú požiadavku na trvale udržateľný rozvoj spoločenstiev planéty začínajú akceptovať aj niektoré západné filozofické smery. Napr. v knihe E.F. Schumachera s titulom Small is Beautiful (Malé je pekné) autor tvrdí: Moderní ekonómovia sú zvyknutí merať životný štandard množstvom ročnej spotreby. Ten, kto spotrebuje viac, žije kvalitnejšie ako ten, kto spotrebuje menej ale... budhizmus nevidí podstatu civilizácie v znásobovaní potrieb, ale v očisťovaní ľudského charakteru.

8 Kapitola 1 Úvod Hospodárstvo SR je známe nízkou produktivitou práce, vysokým podielom priemyselnej výroby na tvorbe hrubého domáceho produktu (HDP), vysokým podielom energeticky náročných technológií, nízkou účinnosťou energetických konverzií, vysokou energetickou spotrebou budov a pod. Energetická náročnosť hospodárstva SR je v porovnaní s priemerom krajín EÚ,5 až 3 krát vyššia. To znamená, že uvedené globálne problémy energetiky a spôsoby ich riešenia sú rovnako aktuálne aj pre energetiku SR. Racionalizácia spotrieb energií je o to naliehavejšia, že SR je výrazne energeticky závislou krajinou, zatiaľ bez nedostatočnej diverzifikácie dovážaných zdrojov. Príručka Základy elektrotepelnej techniky sa zaoberá fyzikálnou podstatou klasických i moderných elektrických ohrevov s dôrazom na tie, ktoré sa bežne uplatňujú v priemysle SR. Fyzikálne princípy sú doplnené potrebnými matematickými modelmi, do hĺbky potrebnej pre pochopenie prevádzky základných typov pecí a tvorby ich pracovných charakteristík. V stručnej forme je tiež podaná problematika elektrického vykurovania a prehľad o konštrukčných materiáloch, využívaných v elektrotepelnej technike. 3

9 Kapitola Tepelné technológie a technologické teplo. TEPELNÉ TECHNOLÓGIE A TECHNOLOGICKÉ TEPLO Technologické procesy pri ktorých sa dosahuje požadovaná zmena skupenstva, zmena fyzikálno-chemických vlastností materiálov, prípadne ich kombinácia pôsobením užitočného tepla sa nazývajú tepelné technológie. Tepelné technológie patria medzi najstaršie výrobné procesy, ktoré ľudstvo využívalo počínajúc primitívnymi postupmi až po súčasné moderné spôsoby. Podiel spotreby primárnych energetických zdrojov na celkovej produkcii užitočného tepla sa s rozvojom ľudskej spoločnosti sústavne zvyšoval, na konci 0. storočia v priemyselne vyspelých krajinách sveta sa pohyboval v hraniciach 70 až 80%. Pre najbližšie desaťročia neexistujú reálne dôvody aby uvedený podiel klesol, teda tepelné technológie naďalej budú mať nezastupiteľné miesto vo výrobných procesoch a činnostiach človeka, zvyšujúcich jeho životnú úroveň..1. KLASIFIKÁCIA TEPELNÝCH TECHNOLÓGIÍ Tepelné technológie je možné rozdeliť do dvoch podskupín, na taviace procesy a procesy tepelného spracovania. Taviace procesy sú tepelné technológie, pri ktorých tavením základných surovín sa získava produkt novej kvality. Taviace procesy majú uplatnenie v mnohých priemyselných odvetviach ako je produkcia ocelí, zliatin, farebných kovov, produkcia skla, výroba polovodičov a pod. Procesy tepelného spracovania sú technológie za účelom skvalitnenia fyzikálno chemických vlastností materiálov, resp. za účelom ďalšieho spracovania bez zmeny skupenskej fázy. Sú to ohrevy napr. za účelom zvýšenia kvality ocelí (kalenie, popúšťanie, žíhanie); ohrevy kovov pre tvárnenie (valcovanie, lisovanie, kovanie); ohrevy pre vypaľovanie keramiky a porcelánu; ohrevy pre úpravu potravín (pečenie, grilovanie a pod.); ohrevy úžitkovej vody a pod. Rôzne tepelné technológie sa vyznačujú spoločnou vlastnosťou vysokou energetickou náročnosťou. Vyplýva z fyzikálnej podstaty generovania tepla v ohrievanom materiáli a vyjadruje sa mernou spotrebou energie aktuálneho technologického procesu Q P w = = [kwh/t] (1) G g 4

10 Kapitola Tepelné technológie a technologické teplo kde Q resp. P je energia, resp. výkon dodaný do konverzného systému G je hmotnosť tepelne spracovaného materiálu [t] g je výrobnosť zariadenia [t/h] Využívanie tepelných technológii v rôznych priemyselných odvetviach je tak široké, že len stručný popis všetkých je nad rámec príručky. Podľa odvetví spotreba energie na produkciu tepla pre tepelné technológie je najvyššia v hutníctve, strojárstve, sklárskom a keramickom priemysle, menej v elektrotechnike, potravinárstve, v priemysle umelých hmôt a pod. Taviace procesy majú nezastupiteľné miesta v železiarenstve, oceliarstve pri produkcii ferozliatin, výrobe liatiny, farebných kovov a zliatin, pri výrobe skla a pod. To isté platí aj pre procesy tepelného spracovania, ktoré sa uplatňujú pri skvalitňovaní kovových i nekovových materiálov, resp. ktoré sú potrebné pre vyhotovenie finálneho výrobku. Pre získanie prehľadu o priemyselných metódach tepelného spracovania kovových materiálov uvedieme niekoľko príkladov: Metóda tepelného spracovania Tvárnenie Kalenie - základné - povrchové - izotermické - lomené - termálne Žíhanie - na mäkko - lesklé - izotermické Popúšťanie - nízke do 350 C - vysoké nad 350 C Zmrazovanie (podchladenie) Princíp a účel metódy tepelného spracovania Ohrev oceľového polotovaru na teplotu plasticity za účelom valcovania, lisovania a kovania Ohrev polotovaru nad tzv. rekryštalizačnú teplotu (napr. oceľ na 960 C) a rýchle ochladenie vo vode alebo oleji. Účelom je získanie tvrdého povrchu odolného proti opotrebeniu alebo zvýšenej pevnosti pri dodržaní potrebnej húževnatosti materiálu. Podľa odlišnosti technologického postupu existuje niekoľko spôsobov kalenia. Ohrev materiálu ma teplotu 300 až 600 C (podľa druhu kovu) výdrž na požadovanej teplote a pomalé chladnutie. Žíhanie materiálu sa robí k odstráneniu vnútorných napätí. Podľa žíhacích teplôt, resp. použitej pecnej atmosféry existuje niekoľko spôsobov žíhania. ohriatie zakalenej ocele (liatiny) na určitú teplotu, výdrž a pomalé chladnutie. Odstraňujú sa vnútorné napätia po kalení, znižuje sa krehkosť pri zachovaní tvrdosti. Proces rýchleho ochladzovania po zakalení, napr. v tekutom dusíku (-190 C), v liehu s tuhým CO (-70 C) alebo v studenej vode (+10 C). Účel: zvýšiť tvrdosť po kalení a zabrániť zmenám rozmerov súčiastky v prevádzke (ložiská). 5

11 Kapitola Tepelné technológie a technologické teplo Cementovanie - v prášku - v soli - v plyne Nitridovanie Ohrev súčiastok za účelom obohatenia povrchovej vrstvy uhlíkom. Aplikuje sa pred kalením, na povrchu sa získava veľmi tvrdá vrstva brániaca oteru (pre hriadele, čapy, ozubené kolesá...). Proces povrchového vytvrdzovania ocelí a liatin, pri ktorom sa povrch nasycuje dusíkom pri teplote ohrevu 500 až 550 C. Tab..1.. VÝROBA TECHNOLOGICKÉHO TEPLA, POROVNÁVACIE KRITÉRIA Pre výrobu technologického tepla sa využíva niekoľko alternatívnych zdrojov a im zodpovedajúcich konverzných systémov, z historického pohľadu skôr či neskôr technicky realizovateľných. Sú to najmä: energia tepelného žiarenia slnka, chemická energia fosílnych palív a v tomto storočí s výrazne rastúcim podielom elektrická energia. Pre praktické porovnávanie efektívnosti a energetickej náročnosti tepelných technológií na báze klasických palív a rôznych metód elektrických ohrevov sa používa viac kritérií. Posudzuje sa napr. lokalizácia a spôsob prívodu energie do miesta spotreby, konštrukčná náročnosť konverzného zariadenia, jeho prevádzkové vlastnosti a technologické parametre. Teoreticky je prirodzene efektívnejší palivový ohrev, t.j. generovanie tepla na báze spaľovania fosílnych palív. Teplo sa získava chemicko-tepelnou konverziou v palivovej peci, jej účinnosť závisí od účinnosti spaľovacieho procesu. Pri aplikácii elektrického ohrevu, z termodynamického hľadiska je efektivita konverzie teoreticky nižšia, pretože technologické teplo sa produkuje viacnásobnou konverziou a transformáciou z tej istej chemickej energie (pozri obr..1). 6

12 Kapitola Tepelné technológie a technologické teplo Obr..1 Spôsoby produkcie technologického tepla V praktických aplikáciách je však treba efektívnosť palivového a elektrického ohrevu hodnotiť komplexnejšie a zároveň individuálne pre požadovanú tepelnú technológiu. Elektrické ohrevy sa vyznačujú predovšetkým niekoľkými možnosťami technickej realizácie fyzikálnych princípov premeny elektrickej energie na tepelnú (pozri kap. 4). Okrem klasických elektrických ohrevov, medzi ktoré patria odporový, elektródový, infračervený, indukčný, dielektrický a oblúkový, ostatné sa v praxi uplatňujú moderné spôsoby ohrevov, ako mikrovlnový, plazmový, elektrónový i novšie ultrazvukový, laserový a iónový. Rozsah ich aplikácií je rôzny, najväčšie zastúpenie počtom i spotrebou elektrickej energie majú tradičné zariadenia odporové, indukčné a oblúkové. Náročným požiadavkám špeciálnej elektrometalurgie a niektorým metódam tepelného spracovania vyhovujú moderné spôsoby elektrických ohrevov. Klasické i moderné metódy elektrických ohrevov sa vyznačujú tiež vysokou účinnosťou premeny elektrickej energie na teplo v pracovnom priestore. Dostatočne to ilustrujú nasledujúce hodnoty účinnosti premeny: 7

13 Kapitola Tepelné technológie a technologické teplo Druh ohrevu účinnosť (%) nepriamy odporový ohrev 100 priamy odporový ohrev 95 indukčný ohrev taviaca pec 80 indukčný ohrev ohrievač 75 dielektrický ohrev viac ako 50 oblúkový ohrev 90 Tab.. Pri porovnávaní palivového a elektrického ohrevu je dôležitá otázka konštrukčnej náročnosti zodpovedajúcich pecí a s tým súvisiace kapitálové náklady. V oboch prípadoch ju ovplyvňujú najmä rôzne prídavné systémy či samotné zdroje (vzduchovody, dymovody, ventilátory u palivových ohrevov, pecné transformátory, meniče frekvencie a iné zariadenia pri elektrických ohrevoch). S ohľadom na širšie aplikačné možnosti elektrických ohrevov, kapitálové a prevádzkové náklady majú široké rozpätie, odvodené najmä od požadovanej technológie a výrobnosti, teda od úrovne pracovných teplôt, pracovnej atmosféry, výkonovej náročnosti, precíznosti riadenia procesu a pod. Ďalšími kritériami výberu technologického tepla spravidla bývajú: kritérium prívodu energie a stability zdroja energie kritérium kvality realizácie technologického procesu kritérium špecifických technologických požiadaviek kritérium zhodnocovania materiálov kritérium životného prostredia Tepelné technológie s palivovým ohrevom sa prakticky realizujú vždy pri rovnakom chemickom spôsobe výroby tepla, pričom k premene chemickej energie fosílnych palív na teplo dochádza mimo ohrievaného materiálu. Pri elektrotepelných technológiách je možné teplo generovať rôznymi, fyzikálne rozdielnymi metódami, z ktorých niektoré umožňujú ohrev materiálu priamym spôsobom (teplo vzniká priamo v ohrievanom materiáli napr. indukčný ohrev, dielektrický ohrev a ďalšie). V tomto spočíva nižšia energetická náročnosť elektrotepelných technológií v porovnaní s palivovými. Niektoré typické tepelné technológie na báze palivového (P) a elektrického ohrevu (E) sú porovnané v nasledujúcej tabuľke [] 8

14 Kapitola Tepelné technológie a technologické teplo Druh technológie Druh tepla Druh použitej pece Spotreba energie [kwh/t] Úspora koncovej energie % Úspora prvotnej energie % Výroba ocele P Klasická palivová pec E Elektrická pec oblúková 3970 Tavenie P tégľová pec zemný hliníka E plyn 50 indukčná tégľová pec Výroba Cu - zliatin P E tégľová pec olej indukčná kanálová pec Tavenie skla P klasická pec olej, E plyn elektrická elektródová 1800 pec Ohrev ocele P plynová pec E indukčný ohrievač 450 Tep. sprac. P plynová pec,57 kwh/m v ochr. atm. E odporová pec 0,47 Nauhličovanie P plynová pec ocele E odporová pec 75 Popúšťanie ocele P E plynová pec odporová pec Kalenie P plynová pec ocele E odporová pec 130 Povrchové kalenie P E plynová pec indukčný ohrievač Tab..3 Rozvoj metód elektrických ohrevov dosiahol v súčasnosti úroveň, umožňujúcu plnú substitúciu palivových ohrevov. Prednosti elektrotepelných technológií sú prehľadne vyjadrené na obr.. [3] 9

15 Kapitola Tepelné technológie a technologické teplo Obr.. Všeobecné výhody elektrotepelných technológií 10

16 Kapitola 3 Konverzia elektrickej energie na elektrické teplo 3. KONVERZIA ELEKTRICKEJ ENERGIE NA ELEKTRICKÉ TEPLO Elektrická energia nie je koncovou, priamo použiteľnou energiou. V energetickom reťazci, od ťažby primárnych zdrojov po konečnú spotrebu tvorí zušľachtený medzistupeň, vhodný pre konverziu na koncové formy. Koncovými ich nazývame preto, lebo sú priamo využívané činnosťou človeka. V podstate celá vyprodukovaná elektrická energia sa mení na nasledujúce koncové formy: mechanickú, svetelnú, chemickú a tepelnú. Technické prostriedky v ktorých sa premena uskutočňuje nazývame konverzné zariadenia alebo meniče energie. Meničom energie je napr. asynchrónny motor, žiarovka, mikrovlnová rúra, plazmová pec, elektrolyzér a pod. Zvládnutie vymenovaných premien v rôznych technických aplikáciách, vrátane technologických procesov, prispelo podstatnou mierou k rozšíreniu výroby elektrickej energie už na prelome 19. a 0. storočia a jej postupnému systematickému využívaniu. V súčasnosti, najmä v priemyselne vyspelých krajinách sveta, elektrická energia má dominantné postavenie v rámci celej energetiky. Rozvoj technických aplikácií konverzie elektrickej energie na predmetné formy nebol rovnaký. V praxi bola najskôr zvládnutá premena na mechanickú energiu elektrickými motormi, rovnako aj na svetlo jednoduchou žiarovkou. Elektro-tepelné a elektro-chemické premeny začiatkom 0. storočia zaznamenali pomalší rozvoj, ovplyvnený vysokou energetickou náročnosťou, v prípade elektrotepelnej konverzie aj konkurenciou iných zdrojov technologického tepla. Prirodzene, pri všetkých premenách ich uplatňovanie bolo podmienené zodpovedajúcimi fyzikálnymi objavmi, technickými patentmi a vynálezmi. Bez nároku na úplnosť, z elektrotepelných premien významnejšie boli nasledujúce [4]: Petrov r. 180 objavil elektrický oblúk Joule r formuloval zákon podľa ktorého prechodom elektrického prúdu vodičom vzniká teplo Siemens r patentoval rôzne typy oblúkových pecí Acheson, Rose, Edison, Lane-Fox r na elektrotechnickej výstave v Paríži sa predstavili prvými odporovými zariadeniami pre ohrev Cowless r uplatnil priamy odporový ohrev pre tavenie Zn-Cu rúd Heroult r zaviedol elektrolytický spôsob výroby Al Ferranti r ohlásil patent indukčnej kanálkovej pece Kjellin r konštrukcia kanálkovej pece, ktorej prvky sa uplatňujú aj v dnešných projektoch 11

17 Kapitola 3 Konverzia elektrickej energie na elektrické teplo Heroult r ohlásil konštrukciu oblúkovej pece so zvislými elektródami Northrup r skonštruoval indukčnú tégľovú pec Premenu elektrickej energie na koncové užitočné teplo je možné uskutočniť niekoľkými fyzikálne odlišnými spôsobmi, metódami ohrevu, ktoré budú podrobnejšie popísané v 3. kapitole. Najmä moderné metódy zaznamenali prudký rozvoj po. svetovej vojne. Za intenzívne využívanie elektrotepelných technológií sa všeobecne považuje druhá polovica 0. storočia, na jednej strane zvyšujúcou sa produkciou elektrickej energie, na strane druhej rastúcimi požiadavkami na kvalitu tepelne spracovávaných materiálov. Preto vysoký podiel elektrickej energie spotrebovanej vo forme tepla je celkom opodstatnený GENEROVANIE TEPELNÉHO VÝKONU A OTEPĽOVACIA CHARAKTERISTIKA VODIVÉHO PROSTREDIA Mierou intenzity produkcie tepla v danom prostredí je tepelný výkon P g (tiež ohrievací výkon) definovaný vzťahom dq P g = [W] () dt kde dq je generované množstvo tepla za čas dt. Priestorové rozloženie tepelného výkonu v objeme V konverzného systému vyjadruje objemová hustota tepelného výkonu dpg Pg,v = [W/m 3 ] (3) dv ktorej stredná hodnota je merný objemový výkon Pg Pg,v = [W/m 3 ] (4) V Pre odvodenie všeobecnej otepľovacej charakteristiky pri elektrotepelnej konverzii uvažujeme elektricky vodivé prostredie. Z termodynamického hľadiska takýto systém tvorí čiastočne izolovanú termodynamickú td sústavu, t.j. sústavu schopnú výmeny len určitej formy energie s okolím. Predpokladajme, že do takej td sústavy (pevného vodivého prostredia) privádzame elektrickú energiu dw el. Ak v sústave sa nekonajú iné fázové premeny ani termochemické procesy, celá sa mení na teplo dq, ktorého časť sa spotrebuje na zvýšenie tepelného obsahu sústavy dq už, časť sa odvedie do okolia formou tepelných strát dq ts, cez povrch sústavy F v čase dt. Rovnica energetickej bilancie teda bude: 1

18 Kapitola 3 Konverzia elektrickej energie na elektrické teplo dw = dq + dq (5) el už resp. dt = m c d( ϑ) + αf ϑ dt P el ts (6) Všeobecné riešenie diferenciálnej rovnice (6) má tvar t P ϑ = ϑ ϑ el 0 = A exp + t (7) 0 α F t.j. pre počiatočnú podmienku t = 0 je ϑ = 0, zodpovedajúce partikulárne riešenie bude t ϑ = ϑ ϑ 0 = ϑ max 1 exp (8) t 0 v ktorých ϑ je teplota prostredia v čase t ϑ 0 je teplota okolia A je integračná konštanta Pel A = = ϑmax (9) α F kde: ϑ max je maximálne oteplenie (pre t ) t 0 je časová konštanta ohrevu t 0 m c = (10) α F Z rovníc (7) a (9) vyplýva (obr. 3.1a) teplota vodivého prostredia (všeobecne td sústavy) rastie exponenciálne, tvar exponenciály závisí od tepelnej kapacity materiálu a podmienok výmeny tepla na hranici s okolím. maximálne oteplenie sústavy závisí od veľkosti elektrického príkonu a znova od podmienok výmeny tepla na hranici sústavy s okolím. Rovnica (8) zároveň slúži k výpočtu okamžitých hodnôt užitočného výkonu a výkonu na krytie tepelných strát vodivého prostredia, t.j. ako funkcií času (obr. 3.1b) 13

19 Kapitola 3 Konverzia elektrickej energie na elektrické teplo * dquž d( ϑ) t () P už t = = m c = Pel exp (11) dt dt t 0 * ts dq () t P ts t = = α F ϑ = Pel 1 exp (1) dt t 0 Obr. 3.1 a) Otepľovacia krivka čiastočne izolovanej td sústavy b) Časová zmena výkonov pri ohreve sústavy Teoreticky je možné uvažovať aj td sústavu izolovanú s nulovými tepelnými stratami. Potom z rovnice (5) priamo vyplýva, že dw =, resp..dt = m.c.d( ϑ) (13) el dq už P el s výsledkom P el ϑ = t = k t (14) m.c V ktorom konštanta k vyjadruje rýchlosť ohrevu [K/s]. Z riešenia (14) vyplýva, že v dokonale izolovanom prostredí oteplenie ohrievaného materiálu má lineárny priebeh. 14

20 Kapitola 3 Konverzia elektrickej energie na elektrické teplo 3.. ENERGETICKÁ BILANCIA ELEKTROTEPELNEJ KONVERZIE Premena elektrickej energie na užitočné elektrické teplo sa uskutočňuje v konverznom systéme meniči energie. Všeobecne, bez ohľadu na realizovaný fyzikálny princíp premeny, dá sa znázorniť blokovou schémou na obr. 3. Elektric ká energia Menič energie Elektrické teplo Koncové užitočné teplo Elektrické straty η e Energetická náročnosť premeny Tepelné straty η t obr. 3. Premena elektrickej energie na tepelnú Skutočná energetická náročnosť znázornenej premeny závisí: Od veľkosti teoretickej energetickej náročnosti (konštantnej) Od veľkosti elektrických strát, určujúcich elektrickú účinnosť konverzného systému Puž,el η el = (15) P príkon Od veľkosti tepelných strát, určujúcich tepelnú účinnosť konverzného systému Puž,t η t = (16) P už,el Celková energetická účinnosť systému je definovaná súčinom oboch t.j. Puž,t η c = ηen = ηel ηt = (17) P príkon Zodpovedajúca rovnica energetickej bilancie premeny, vyjadrená výkonmi bude: P = P + P + P = P + P (18) príkon už,t st,el st,t už,t st,c Pretože teoretická spotreba elektrickej energie konvertovanej na koncovú tepelnú je konštantná, skutočnú spotrebu môžeme teda minimalizovať len cestou zvyšovania celkovej účinnosti, t.j. znižovaním celkových strát P st,c. 15

21 Kapitola 3 Konverzia elektrickej energie na elektrické teplo V tomto spočíva všeobecný princíp racionalizácie spotreby elektrickej energie. Reálny elektrotepelný konverzný systém je možné simulovať neizolovanou td sústavou, t.j. sústavou schopnou energetickej interakcie s okolím. Nezávisle od možných energetických zmien vo vnútri td sústavy, v súlade so zákonom o zachovaní energie, je súčet vnútornej energie sústavy a energie okolia vždy konštantný W + W konšt (19) td ok = Zo vzťahu (19) zároveň vyplýva, že ak medzi sústavou a okolím dochádza k výmene energie v čase dτ, platí pre vyjadrenie energetickej bilancie diferenciálna rovnica dw + dw 0 (0) td ok = resp. pre konečný časový úsek t diferenčná rovnica W + W 0 (1) td ok = Rovnice (0 a 1) sú všeobecnými rovnicami energetickej bilancie: prírastok (úbytok) energie td sústavy v danom čase je rovný úbytku (prírastku) energie okolia v tom istom čase. 16

22 Kapitola 4 Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy 4. ELEKTROTEPELNÁ TECHNIKA A ELEKTRICKÉ OHREVY 4.1. VYBRANÉ POJMY Elektrotepelná technika je technická vedná disciplína, ktorá sa zaoberá účelnou premenou elektrickej energie na teplo. Teplo produkované z elektrickej energie je zvykom nazývať elektrické teplo. Elektrický ohrev je ohrev materiálu elektrickým teplom. Konverzné zariadenia meniče energie, v ktorých sa realizujú tepelné technológie prostredníctvom elektrických ohrevov sú elektrotepelné zariadenia (ETZ). Vsádzkou označujeme súhrn predmetov alebo materiálov vkladaných do ETZ za účelom realizácie tepelnej technológie. Podľa miesta generovania elektrického tepla (spôsobu ohrevu vsádzky) elektrický ohrev je: priamy teplo sa generuje priamo v ohrievanej vsádzke, podľa zákonov elektromagnetického poľa a termokinetiky nepriamy teplo sa generuje mimo vsádzky, na jej povrch a do vnútorných vrstiev sa prenáša podľa zákonov termokinetiky Podľa priestorového využitia generovaného tepla ETZ všeobecne rozdeľujeme na dve skupiny: elektrické pece sú zariadenia, v ktorých elektricky vyhrievaný priestor (pracovná komora) je vymedzený výmurovkou pece. Táto slúži k obmedzeniu tepelných strát, prípadne aj k realizácii tepelného procesu v inej ako prirodzenej atmosfére elektrické ohrievače sú zariadenia bez pracovnej komory, generované teplo sa voľne odvádza do určeného priestoru 4.. KLASIFIKÁCIA ELEKTRICKÝCH OHREVOV 1) Kritérium metódy ohrevu Základné kritérium klasifikácie elektrických ohrevov sa odvodzuje od fyzikálnych princípov generovania tepla. Z časového hľadiska ich praktického využitia môžeme hovoriť o klasických a moderných metódach elektrických ohrevov. 17

23 Kapitola 4 Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy 1/1 Klasické elektrické ohrevy sú: odporový ohrev - ohrev odvodený na báze Jouleovho zákona, uplatňovaný v tuhom prostredí. Ak sa Jouleov efekt uplatňuje priamo v ohrievanom materiáli ide o priamy odporový ohrev. Podmienkou priameho ohrevu je elektrická vodivosť materiálu. Ak sa Jouleov efekt uplatňuje v špeciálne vyhotovenom vodiči - výhrevnom článku a z neho sa teplo odvádza na ohrievaný materiál ohrev je nepriamy. indukčný ohrev - teplo sa generuje vírivými prúdmi vo vodivom materiáli, podrobenou pôsobeniu elektromagnetického poľa. Ohrievaný materiál nie je galvanicky spojený so zdrojom elektromagnetickej energie. Nutnou podmienkou uplatnenia indukčného ohrevu je vodivý materiál. dielektrický ohrev - teplo sa generuje v nevodivom materiáli (dielektriku) ako dôsledok dielektrických strát. Na rozdiel od indukčného ohrevu, pri dielektrickom ohreve sa uplatňuje elektrická zložka elektromagnetického vlnenia. Fyzikálna analógia oboch ohrevov sa prejavuje spoločnou vlastnosťou, generovanie tepla sa uskutočňuje priamo v ohrievanom materiáli - vsádzke. oblúkový ohrev - elektrická energia sa mení na teplo v silnom elektrickom výboji (oblúkovom) ako následok v ňom prebiehajúcich elementárnych procesov, t.j. procesov v ionizovanom prostredí plynov a pár. / Odvodené a moderné elektrické ohrevy: elektródový ohrev - využíva princíp odporového ohrevu, uplatňovaného v tekutom prostredí infračervený ohrev - je špecifický spôsob odporového ohrevu, pri ktorom žiarivá energia z rozžeraveného pevného telesa sa prenáša na ohrievanú vsádzku infračerveným žiarením. Žiarivá energia, t.j. energia elektromagnetického vlnenia s vlnovou dĺžkou väčšou ako 0,78 μm, sa pri dopade na vsádzku pohlcuje a mení na teplo. mikrovlnový ohrev - je špecifický dielektrický ohrev s využívaním elektromagnetického vlnenia o frekvencii rádovo 10 9 Hz. plazmový ohrev - je to analogický spôsob oblúkového ohrevu. Teplo sa generuje vo vysoko ionizovanom prostredí elektrického oblúka s vysokou teplotou, ktoré nazývame elektrickou plazmou. elektrónový ohrev - elektrická energia sa mení na teplo dopadom urýchlených elektrónov na vsádzku. V podstate ide o odovzdávanie kinetickej energie elektrónových lúčov povrchu vsádzky, v dôsledku čoho sa ohrieva. Elektrónový ohrev je typický spôsob povrchového ohrevu. 18

24 Kapitola 4 Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy laserový ohrev - je elektrický ohrev založený na absorbovaní laserových lúčov, ktorých energia sa v ohrievanom materiáli mení na teplo. ultrazvukový ohrev - teplo sa uvoľňuje pri rozkmitaní vsádzky pôsobením ultrazvuku. S ohľadom na ďalšie rozmanitosti elektrických ohrevov a zodpovedajúcich ETZ sú opodstatnené aj iné kritériá ich klasifikácie. Tú to najmä: ) Kritérium cyklu ohrevu a) periodický ohrev; ohrev pri ktorom teplota vsádzky v priebehu jedného pracovného cyklu (periódy) je funkciou času a reguluje sa podľa definovaného teplotného režimu. Ohrievaná vsádzka sa v pracovnej komore nepremiestňuje, preto zodpovedajúce pece tiež nazývame pece so stabilnou vsádzkou b) priebežný ohrev; ohrev pri ktorom teplota vsádzky je funkciou polohy v pracovnej komore. Vsádzka v zodpovedajúcej peci sa nepretržite pohybuje (cyklicky alebo spojite), preto sa nazývajú tiež pece s pohyblivou vsádzkou 3) Kritérium pracovnej teploty a) nízkoteplotný ohrev; pracovné teploty do 600 C b) strednoteplotný ohrev; pracovné teploty do 100 C c) vysokoteplotný ohrev; pracovné teploty nad 100 C 4) Kritérium technologického účelu - napr. ohrev za účelom tavenia, tvárnenia, kalenia, zušľachťovania, sušenia, zvárania a iných procesov tepelného spracovania 5) Kritérium elektrických parametrov určujúcou veličinou je najmä frekvencia, podľa ktorej ohrevy sú: a) jednosmerné (f = 0) b) nízkej frekvencie (0 < f < 50 Hz) c) sieťovej (f = 50 Hz) d) strednej (50 Hz < f 10 khz) e) vysokej (10 khz < f 300 GHz) f) veľmi vysokej (f > 300 GHz) 6) Kritérium pracovného prostredia a) ohrevy v prirodzenej atmosfére b) ohrevy v technickom vákuu c) ohrevy v umelej (riadenej) atmosfére 7) Konštrukčné kritérium 19

25 Kapitola 4 Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy zohľadňuje základné konštrukčné prvky a zvláštnosti jednotlivých ETZ 4.3. ZÁKLADNÉ POJMY A VELIČINY Z TERMOKINETIKY Akýkoľvek ohrev ľubovoľného média, palivovým, elektrickým, či iným spôsobom, sa vždy uskutočňuje prostredníctvom termokinetických procesov. Termokinetika je vedná disciplína, ktorá sa zaoberá fyzikálnou podstatou a matematickým vyjadrovaním prenosu energie formou tepla. Prenos energie v danom prostredí sa uskutočňuje určitými nosičmi energie. Druh nosičov, ich rýchlosť a spôsob premiestňovania je rôzny a závisí od charakteru prostredia, t.j. od termodynamickej (td) sústavy. Nosičmi energie môžu byť elementárne častice, víriace častice tekutín alebo elektromagnetické vlnenie. Preto aj rýchlosť nosičov energie je široká, rádovo od 10-1 m/s po rýchlosť svetla m/s. Spôsob prenosu energie závisí od spôsobu premiestňovania nosičov. V tuhom prostredí sa prenos uskutočňuje vzájomnou energetickou výmenou medzi nosičmi a časticami prostredia. V podmienkach blízkych stavu td rovnováhy sa tento prenos energie nazýva vedenie tepla (kondukcia). V tekutých prostrediach k prenosu energie prispieva aj prenos hmotnosti prostredia. Ak sa prenos uskutočňuje znova v podmienkach blízkych td rovnováhe je to prúdenie tepla (konvekcia). Prenos tepla vedením a prúdením je viazaný na veľkú koncentráciu častíc prostredia, ktoré sú v interakcii s nosičmi energie. Ak koncentrácia častíc je nízka, teda ich interakcia s nosičmi energie je zriedkavá, energia v prostredí sa prenáša žiarením. Žiarenie energie s výrazným tepelným účinkom sa nazýva sálanie tepla (radiácia). Sálanie tepla je teda žiarenie, ktorého energia sa prenáša v priezračnom prostredí elektromagnetickými vlnami, s vlnovou dĺžkou 0,4 až 800 µm. Zdrojom žiarenia je každé teleso s teplotou T> 0 K. Prenos tepla prostredím patrí teda do kategórie spôsobov šírenia energie, ktoré sa uskutočňujú v stavoch blízkych td rovnováhe prostredia. V súlade s II. zákonom termodynamiky sa uskutočňuje vždy z oblasti prostredia s vyššou teplotou do oblasti s nižšou teplotou. Bez ohľadu na spôsob prenosu tepla, kvantitatívnymi ukazovateľmi intenzity procesu sú: množstvo preneseného tepla Q [J] tepelný tok (vedením, prúdením alebo sálaním) t.j. množstvo tepla preneseného za jednotku času 0

26 Kapitola 4 Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy Q φ = () t hustota tepelného toku, t.j. tepelný tok cez jednotku plochy prostredia φ Q q = = (3) F F. t Rozloženie teploty v priestore a čase vyjadruje teplotná funkcia ( x, y,z, t) ϑ = f (4) Zvolená časť priestoru, v ktorom každému bodu a v danom čase zodpovedá určitá teplota nazývame teplotné pole. Pole popísané teplotnou funkciou (4) je trojrozmerné, nestacionárne. Podobne, teplotné pole môže byť dvojrozmerné, jednorozmerné i stacionárne, ak sa teplota s časom nemení. Geometrické miesta bodov teplotného poľa s rovnakou teplotou vytvárajú izotermické plochy (izotermy). Prenos tepla v teplotnom poli je vždy viazaný na rozdiel teplôt medzi izotermami. Najväčšia zmena teploty je prirodzene vždy v smere kolmom na uvažovanú izotermu ( n 0 ). Limitný pomer prírastku teploty v tomto smere k vzdialenosti medzi izotermami sa nazýva gradient teploty (obr. 3.1), t.j. grad ϑ n ( ϑ) = lim =.n0 n 0 ϑ n [K/m] (5) Obr. 4.1 Gradient teploty a hustota tepelného toku Pre výpočet prenosu tepla, napr. v súvislosti s energetickými bilanciami elektrotepelných zariadení, je potrebné poznať hustoty tepelných tokov v analyzovanom teplotnom poli. Ich 1

27 Kapitola 4 Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy veľkosť sa stanovuje zo známych fyzikálnych zákonov, platných pre jednotlivé spôsoby prenosu tepla. Menovite: Fourierov zákon pre vedenie tepla q v ϑ = λ.grad( ϑ) = λ (6) n Newtonov zákon pre prúdenie tepla q k. ( ϑ ) = α ϑ = α ϑ (7) 1 Stefan-Boltzmannov zákon pre sálanie tepla (šedého povrchu) s 0 4 q = ε.c. T (8) resp. pre sálanie medzi dvoma šedými povrchmi v s teplotami T 1 a T 4 4 ( T ) q = ε (9) 1.c 0 1 T kde λ je koeficient tepelnej vodivosti prostredia [W/m.K] α je koeficient prestupu tepla prúdením [W/m.K] ε je stupeň čiernosti šedého povrchu (absolútne čierny povrch má ε = 1, šedé povrchy majú ε < 1. Frekventovanou požiadavkou v súvislosti s riešením elektrotepelných úloh je poznať rozloženie teploty v aktuálnom prostredí. Napr. v ohrievanej vsádzke, v tepelných izoláciách pecí, teploty na rozhraniach dvoch prostredí a pod. Inými slovami je treba analyzovať teplotné pole prostredia, t.j. nájsť riešenie všeobecnej teplotnej funkcie (4) pre stacionárny a často aj nestacionárny stav. K tomu prirodzene nestačia zákony formulované rovnicami (6 až 9). Východiskom pre tento typ úloh je všeobecná diferenciálna rovnica prenosu energie v rôznych prostrediach [7,8]. Vyjadruje zmeny a prenos rôznych foriem energií v jednotke objemu prostredia za jednotku času. V určitom prostredí pri uplatnení konkrétnych podmienok sa realizujú len niektoré zmeny a formy prenosu energie. Pre také prípady sa rovnica a jej riešenie primerane zjednoduší. Z uvedeného typu úloh v nasledujúcich kapitolách sa stretneme s potrebou analyzovať teplotné pole najmä v tuhom prostredí, t.j. s prenosom tepla vedením. Výhradne pre tento spôsob prenosu sa všeobecná rovnica prenosu energie redukuje na tvar:

28 Kapitola 4 Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy t ( ρ.c. ϑ) + divq v = qz (30) alebo s využitím (6) a vzťahu div ( grad( ϑ) ) = ϑ ϑ t = λ ρ. c qz ϑ + ρ c (31) V rovnici (30) je q z merný výkon vnútorného zdroja prostredia, fyzikálne aj formálne totožný s merným objemovým výkonom (rov. 4) Ak v teplotnom poli nepôsobí vnútorný zdroj (q z =0), potom rovnice (30 a 31) sa znova zjednodušia: t ( ρ.c. ϑ) + divq 0 v = (3) alebo ϑ λ = t ρ.c ϑ (33) V rovniciach (31) a (33) súbor fyzikálnych konštánt prostredia λ/(ρ.c) definuje tzv. teplotnú vodivosť prostredia a = λ ρ.c [m /s] (34) vyjadrujúcu rýchlosť vyrovnávania teplôt v nestacionárnom teplotnom poli (mieru tepelnej zotrvačnosti prostredia) Pri praktickom uplatňovaní teórie vedenia tepla sa stretávame s rôznymi úlohami, ktoré je možné rozdeliť do troch skupín: stacionárne vedenia tepla v telesách, pri ktorom teplo sa šíri tak, že teplota v jednotlivých miestach predmetného telesa sa s časom nemení nestacionárne vedenia tepla v telesách, čo je časovo neustálený proces prenosu tepla v telese. Ak teleso podrobíme náhlemu, dostatočne dlhému pôsobeniu tepla, postupne stráca pôvodné rozloženie teploty a po uplynutí určitej doby sa úplne podriadi nestacionárny tepelný režim telesa uvedenému pôsobeniu tepla. Nový tepelný režim telesa (nestacionárny) sa nazýva regulárny. 3

29 Kapitola 4 Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy teplotné, resp. tepelné vlny; vlnový charakter vedenia tepla v telese je vtedy, ak je podrobené periodickému tepelnému pôsobeniu, t.j. teplota v jednotlivých miestach telesa sa periodicky mení s časom, pričom sa vytvárajú jednoduché alebo zložité kmity. Riešenie všetkých vyššie uvedených úloh vyžaduje nielen integráciu diferenciálnej rovnice vedenia tepla, ale pre stanovenie rozloženia teplôt v telese za konkrétnych podmienok vedenia tepla, aj znalosť okrajových podmienok (podmienok jednoznačnosti riešenej úlohy). K ním patria: 1) Počiatočné podmienky, stanovujúce rozloženie teplôt v telese do okamžiku, kedy začne tepelné pôsobenie na telese. Počiatočné rozloženie teplôt môže byť rôzne, najjednoduchší prípad zodpovedá rovnakej teplote v celom objeme telesa, t.j. ϑ ( x, y,z,t 0 ) = ϑ0 ) Hraničné medzné podmienky (HP) tepelného pôsobenia na teleso môžu byť rovnako rôzne. Obyčajne sa zadávajú: definovaním rozloženia teploty na povrchu telesa, čo je HP 1. druhu. Najčastejšie sa zadáva v tvare ϑ ( t ) = konšt. definovaním rozloženia hustôt tepelných tokov v smere normály na povrch telesa, čo je HP. druhu. Najčastejšie q = q(t)=konšt. definovaním teploty povrchu telesa a teploty okolitého média, ktoré teleso obkolesuje pri známom koeficiente prestupu tepla α. Je to HP 3. druhu, udávajúca podmienky výmeny tepla na hranici tuhého telesa a obtekajúceho média v danom mieste a čase. Matematicky ju vyjadríme porovnaním rovníc (6) a (7), odkiaľ pre hranicu oboch prostredí priamo vyplýva: ϑ n po α = ϑ λ (35) 3) Fyzikálne vlastnosti prostredia, predovšetkým koeficient tepelnej vodivosti λ, merná objemová hmotnosť ρ a hmotnostná tepelná kapacita c [J/(kg.K)] (predtým merné teplo alebo merná tepelná kapacita prostredia). 4) Geometrické parametre prostredia, tzv. charakteristický rozmer. Napr. hrúbka izolačnej steny, polomer ohrievaného valca a pod., t.j. súradnica pozdĺž ktorej teplotné pole vyšetrujeme. Poznámka 4

30 Kapitola 4 Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy Na vymedzených stranách časti kap. 4.3 nie je možné podať stručné základy termokinetiky, potrebné k získaniu uceleného prehľadu. Záujemcov preto odkazujeme na špecializovanú literatúru, napr. [6, 7, 8, 1, 14, 15 a mnohé ďalšie]. 5

31 Kapitola 5 KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY PRE ELEKTROTEPELNÉ ZARIADENIA 5. KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY PRE ELEKTROTEPELNÉ ZARIADENIA Prevádzka elektrotepelných zariadení, zvlášť pecí s uzavretou pracovnou komorou, vyžaduje okrem bežných konštrukčných materiálov tiež komponenty s vlastnosťami vyhovujúcimi podmienkam práce pri vysokých teplotách, v silnom magnetickom poli, v chemicky agresívnom prostredí a pod. Správna voľba materiálov je obtiažna najmä tým, že požiadavky sú veľmi často protichodné. Jednotlivé komponenty ETZ musia znášať vysoké teploty, musia byť zároveň dostatočne mechanicky pevné, tiež chemicky odolné, nemajú byť elektricky vodivé, musia mať vyhovujúce žiaruvzdorné a tepelné izolačné vlastnosti atď. Konštrukčné materiály je možné rozdeliť z pohľadu dvoch kritérií: z chemicko - fyzikálneho materiály kovové materiály nekovové z funkčného materiály pre vymedzenie a izolovanie pracovnej komory pece, vrátane rôznych pomocných prvkov materiály pre výrobu konverzných prvkov jednotlivých metód ohrevov (výhrevné články pre odporové pece, elektródy pre oblúkové pece a pod.) Výber konštrukčných materiálov sa posudzuje najmä podľa nasledujúcich kritérií: tepelné vlastnosti tepelná vodivosť, merná tepelná kapacita, teplota tavenia, dovolená pracovná teplota, žiaruvzdornosť, tepelná roztiažnosť, odolnosť proti náhlym zmenám teploty a pod. mechanické vlastnosti pevnosť, únosnosť v žiare, nasiakavosť, obrábateľnosť a ďalšie chemické vlastnosti možnosť chemických reakcií pri pracovných teplotách, chemické vplyvy vsádzky, trosiek, ochrannej atmosféry, priepustnosť plynov atď. elektrické vlastnosti merný odpor, permeabilita, permitivita, odolnosť proti elektrickému oblúku, elektrolytickým vplyvom atď. nízka cena a ľahká obstarávateľnosť najmä nízka cena je protichodná s ostatnými kritériami 5.1. KOVOVÉ KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY 5

32 Kapitola 5 KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY PRE ELEKTROTEPELNÉ ZARIADENIA Zhotovujú sa z nich nosné obvodové konštrukcie ale i rôzne špeciálne zariadenia ako časti dopravných mechanizmov v pracovnom priestore pece, podlahové dosky, držiaky výhrevných článkov, mufle, tégliky, prepravné palety a pod. Tieto zariadenia sú mechanicky vždy namáhané pri vyšších alebo pri vysokých teplotách, musia byť preto vyrobené zo špeciálnych žiaruvzdorných ocelí. Táto odolnosť sa dosahuje spravidla pridávaním drahých legujúcich prísad do ocele (chróm, nikel,...). Pri výbere žiaruvzdorných kovových materiálov sú rozhodujúce tieto vlastnosti: dostatočná odolnosť v žiare pri pracovnej teplote dostatočná mechanická odolnosť pri pracovnej teplote stabilnosť fyzikálnych vlastností dobrá opracovateľnosť Z uvedených vlastností je dôležitá najmä odolnosť materiálu v žiare, vyjadrovaná stupňom tečenia pri určitej teplote. Tečenie materiálu je štruktúrnou vlastnosťou. Všeobecne malé množstvá legujúcich prímesí môžu spôsobiť hlboké zmeny v procese tečenia. Podľa podielu legujúcich prísad rozoznávame žiaruvzdorné ocele dvojakého typu: feritické austenitické Medzi špeciálne druhy žiaruvzdorných ocelí pre konštrukčné časti vystavené zvýšenej oxidácii patria tzv. alitované ocele. Alitácia je technologická úprava, pri ktorej povrchové vrstvy sa nasycujú hliníkom ponorením do hliníkového kúpeľa pri teplote 650 C. Na povrchu vytvorený oxid Al O 3 chráni materiál do teplôt 800 C. Takto sa napr. upravujú pyrometrické trubice. Pre vysokú cenu žiaruvzdorných ocelí sú tieto často nahradzované špeciálnymi liatinami. 5.. NEKOVOVÉ KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY Nekovové materiály v konštrukciách ETZ sa používajú najmä ako stavivá pre výmurovky pecí. Preto musia mať zodpovedajúcu mechanickú pevnosť, kvalitné tepelné a elektrické vlastnosti, chemickú inertnosť a stálosť pri vysokých teplotách, odolnosť proti zmenám teploty a pod. Predmetným požiadavkám vyhovujú najmä rôzne druhy keramických materiálov, ktoré podľa účelu použitia rozdeľujeme na materiály: žiaruvzdorné tepelnoizolačné 6

33 Kapitola 5 KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY PRE ELEKTROTEPELNÉ ZARIADENIA 5..1 Žiaruvzdorné keramické materiály Podľa chemicko-mineralogického zloženia sa používajú tieto materiály: 1) Kremičité základnou zložkou je oxid kremičitý, chemicky kyslý, s obsahom až 95 % SiO. Poznáme ich pod názvom DINASY. Dinasy sú vysoko odolné proti deformácii v žiare pri zaťažení, kvalitné druhy majú teplotu mäknutia až 1700 C. Sú necitlivé k náhlym zmenám teploty nad 600 C. Dinasové materiály sú chemicky kyslé, preto sú vhodné pre kyslé technológie, používajú sa na výmurovky sklárskych pecí, oblúkových pecí, na výrobu tégľov pre indukčné pece a pod. Dinasové materiály sa vyrábajú ako tvarové stavivá (tehly rôznych tvarov) alebo ako zrnité hmoty (napr. suracit), ) Hlinitokremičité sú zmesou oxidov Al O 3 a SiO ; tvoria širokú paletu rôznych ŠAMOTOV. Šamoty podľa podielu Al O 3 sú kyslé (okolo 15 % Al O 3 ), polokyslé (15 % až 30 % Al O 3 ) a zásadité (viac ako 4 % Al O 3 ). Akosť šamotov stúpa s podielom Al O 3. Šamotové výrobky možno považovať za univerzálne, majú dobrú odolnosť proti zmenám teploty, rovnako aj chemickú odolnosť. Patria medzi najpoužívanejšie materiály ETZ, vo forme tvarových stavív alebo pieskov, 3) Vysokohlinité sú žiaruvzdorné výrobky s obsahom Al O 3 nad 45 %, ktorý zvyšuje odolnosť proti kyslým troskám. Vysokohlinité šamoty majú Al O 3 do 70 % tzv. korundové materiály sú z čistého Al O 3, 4) Magnezitové zo základnou zložkou zásaditého oxidu horečnatého, t.j. viac ako 80 % MgO. Sú to typické zásadité materiály. Oxid horečnatý sa získava z horniny magnezitu žíhaním. Magnezitové výrobky majú vysokú žiaruvzdornosť, až 000 C, čistý MgO až 800 C. Používajú sa v oblúkových a rudnotermických peciach so zásaditou troskou a pre výrobu zásaditých tégľov indukčných pecí. Okrem klasických žiaruvzdorných stavív a pieskov s vysokou mernou hmotnosťou a relatívne vysokou tepelnou vodivosťou, za účelom ich zníženia sa často používajú tzv. ľahčené žiaruvzdorné materiály. Vyrábajú sa primiešavaním rôznych penotvorných, plynotvorných alebo tepelnoizolačných komponentov alebo spáliteľných látok (piliny, drevené uhlie, koksový prach). Po vypálení sa zvyšuje pórovitosť, tepelná vodivosť klesá. Merná hmotnosť sa pohybuje okolo 70 až 1600 kg/m 3, používajú sa najmä ľahčené šamoty do 100 C a ľahčené dinasy do 1600 C. Kvalita žiaruvzdorných (klasických aj ľahčených) materiálov sa posudzuje najmä podľa: žiaruvzdornosti, odolnosti proti deformácii v žiare, trvalých dĺžkových zmien v žiare, odolnosti proti náhlym zmenám teploty, hutnosti, pevnosti a odolnosti materiálov proti pôsobeniu trosky. 7