ELEKTROTEPELNÁ A SVETELNÁ TECHNIKA

Transcript

1 1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY TECHNICKEJ UNIVERZITY V KOŠICIACH KATEDRA ELEKTROENERGETIKY ELEKTROTEPELNÁ A SVETELNÁ TECHNIKA doc. Ing. Pavel Novák, CSc. doc. Ing. Margita Šefčíková, PhD. Ing. Daniel Hlubeň Košice, 006

2 Kolektív autorov: doc. Ing. Pavel Novák, CSc. doc. Ing. Margita Šefčíková, PhD., Ing. Daniel Hlubeň Recenzenti: doc. Ing. Juraj Kolesár, PhD. doc. Ing. Pavel Záskalický, PhD. Technická univerzita Košice 006 ISBN

3 3 PREDSLOV Elektrotechnika na prelome 0. a 1. storočia ovplyvňuje tempo vývoja všetkých priemyselných odvetví a nevýrobnej sféry tak výrazne, ako žiadna iná technická disciplína. Sústavné skvalitňovanie prvkov a systémov elektrotechnických a elektronických zariadení, ich konštrukčných a prevádzkových parametrov sa bezprostredne reflektuje vo zvyšovaní efektivity technologických procesov, v znižovaní spotreby elektrickej energie, pri skvalitňovaní životného prostredia, informatizácie, teda všeobecne prispieva k zvyšovaniu životnej úrovne jednotlivca a spoločnosti. Z mnohých pohľadov významnými oblasťami praktickej elektrotechniky sú elektrotepelná a svetelná technika. Využívanie elektrického tepla a svetla v ostatných desaťročiach sa stalo tak prirodzeným v živote človeka, že ich absenciu si nevieme ani domyslieť. Prevažná časť klasických a moderných tepelných technológií je v podstate neuskutočniteľná bez technologického tepla získaného z elektrickej energie. Elektrické teplo a najmä svetlo sú nezastupiteľné pri dotváraní zdravého životného prostredia človeka na pracoviskách i v súkromí. Tieto skutočnosti i niektoré ďalšie objektívne okolnosti prispievajú k tomu, že napr. v priemyselne vyspelých krajinách sveta, z vyprodukovanej elektrickej energie viac ako 50 % sa spotrebuje vo forme tepla a svetla. Predkladaná príručka doplnená prednáškami a odporúčanou literatúrou tvorí ucelený študijný materiál rovnomenného predmetu pre študentov študijných programov Elektrotechnické inžinierstvo a Elektroenergetika v študijnom odbore 5..9 Elektrotechnika na FEI TU v Košiciach. Formou a obsahom nadväzuje na predmet Premeny elektrickej energie, prednášaný v 4. semestri bakalárskeho štúdia aktuálnych študijných programov. Príručka v tejto nadväznosti metodicky rozvíja základy konverzie elektrickej energie na užitočné teplo a svetlo a podáva primeraný pohľad o zodpovedajúcich elektrotepelných zariadeniach, svetelných zdrojoch a osvetľovacích sústavách. Má dve samostatné časti: - časť Elektrotepelná technika, ktorú vypracoval doc. Ing. Pavel Novák, CSc. - časť Svetelná technika, túto vypracovali doc. Ing. Margita Šefčíková, PhD., Ing. Daniel Hlubeň Košice, 006 autori

4 4

5 I. časť: ZÁKLADY ELEKTROTEPELNEJ TECHNIKY 5

6 6

7 Obsah 7 OBSAH PREDSLOV...3 OBSAH...7 ÚVOD TEPLO A TEPELNÉ TECHNOLÓGIE Klasifikácia tepelných technológií Výroba technologického tepla, porovnávacie kritériá Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy Klasifikácia elektrických ohrevov Konštrukčné materiály pre elektrotepelné zariadenia Kovové konštrukčné materiály Nekovové konštrukčné materiály Materiály pre výrobu konverzných prvkov elektrických pecí...0 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 Priamy odporový ohrev Matematický model ohrevu pevnej vsádzky bez tepelných strát Matematický model ohrevu pevnej vsádzky s tepelnými stratami Odporové pece a zariadenia pre priamy ohrev Zariadenia pre ohrev pevnej vsádzky Zariadenia pre ohrev tekutej vsádzky, elektródový ohrev Elektrické vykurovanie Metódy elektrického vykurovania Elektrické podlahové vykurovanie (veľkoplošné) Maloplošné vykurovacie telesá a systémy Tepelný stav prostredia a tepelná pohoda človeka INDUKČNÝ OHREV Indukovaný výkon pri indukčnom ohreve 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 indukčnej tégľovej pece...55

8 8 Obsah 3.3 Indukčné ohrievacie zariadenia IOZ pre tvárnenie IOZ pre kalenie Indukčné kanálkové pece Elektrický náhradný obvod indukčnej kanálovej pece Napájacie zdroje a pripájanie indukčných zariadení na sieť Napájacie zdroje pre kanálové pece Napájacie zdroje pre tégľové pece DIELEKTRICKÝ OHREV Mikrovlnový ohrev OBLÚKOVÝ OHREV Princíp oblúkového ohrevu Oblúkové pece Oblúkové oceliarske pece (OOP) Odporovo - oblúkové pece (rudnotermické) Rušivé vplyvy OOP na napájaciu sieť vn ELEKTRICKÉ OHREVY A PECE PRE MODERNÉ TEPELNÉ TECHNOLÓGIE Plazmový ohrev a plazmové pece Elektrónový ohrev a elektrónové zariadenia Infračervený ohrev Ohrev laserom Elektrotroskové pretavovacie zariadenia EKOLOGICKÉ RIZIKÁ POUŽÍVANIA ELEKTRICKÝCH OHREVOV ZÁVER...88 Zoznam použitej a odporúčanej literatúry...89

9 Úvod 9 ÚVOD Elektrická energia ako zušľachtená forma energie sa spotrebováva technicky realizovateľnými premenami na tzv. koncové formy. Sú to tie, ktoré sa nevratne zužitkujú pri rôznych činnostiach človeka a pokrývaní jeho životných potrieb. Premena elektrickej energie na tieto formy (napr. svetlo, teplo, zvuk,...) sa uskutočňuje prostredníctvom zariadení, ktoré všeobecne nazývame meniče energie, resp. konverzné zariadenia. Meniče sú rôzne, odlišujú sa fyzikálnymi princípmi cieľovej premeny, zodpovedajúcou energetickou náročnosťou a veľkosťou podielu na celkovej spotrebe elektrickej energie. Potrebnú vyváženosť medzi výrobou a spotrebou elektrickej energie zabezpečujú najmä meniče, produkujúce: mechanickú prácu prostredníctvom elektrických strojov v režime motorov chemickú energiu v elektrolyzéroch elektrolytickými procesmi umelé svetlo prostredníctvom elektrických svetelných zdrojov technologické teplo v rôznych elektrických peciach a ohrievačoch Veľkosť ich podielu na celkovej spotrebe elektrickej energie závisí od mnohých okolností, vrátane energetickej náročnosti konkrétnej premeny. Táto bezprostredne súvisí s fyzikálne opodstatnenou spotrebou elektrickej energie, zužitkovanej v koncovej forme, ktorá sa reflektuje v zodpovedajúcich fyzikálno-materiálových konštantách. Pri premene elektrickej energie, napr. na teplo je to hmotnostná tepelná kapacita ohrievaného materiálu, pri premene na chemickú energiu je to elektrochemický ekvivalent látky a pod. Pretože uvedené konštanty sa nedajú ovplyvniť, nedá sa znížiť ani teoretická energetická náročnosť jednotlivých premien. Cesta znižovania spotreba elektrickej energie preto vedie len cez znižovanie energetických strát, ktoré sa pri jednotlivých premenách reálne vyskytujú (elektrické, mechanické, tepelné,...). Teplo získavané účelovou premenou z elektrickej energie sa nazýva elektrické teplo. Je to teplo, ktoré sa spotrebováva pre rôzne účely, ako je vykurovanie interiérov, temperovanie exteriérov, teplo na ohrev úžitkovej vody a prípravu potravín, ale najmä teplo potrebné pre realizáciu priemyselných tepelných technológií. Preto sa tiež nazýva technologické teplo. Aj keď elektrické teplo má alternatívu v palivovom teple, čo je produkt chemicko-tepelnej premeny pri spaľovaní fosílnych palív, má niekoľko podstatných predností, ktorými je konkurencieschopným práve palivovému teplu. Rozvoj rôznych metód elektrických ohrevov dosiahol v súčasnosti takú úroveň, ktorá umožňuje plnú substitúciu klasických palivových ohrevov. Prednosti elektrických ohrevov sú heslovite vyjadrené v nasledujúcom prehľade. Adresnejšie ich zdôrazníme v obsahu tejto príručky.

10 10 Úvod

11 1 Teplo a tepelné technológie 11 1 TEPLO A TEPELNÉ TECHNOLÓGIE Teplo ako forma energie je spolu s mechanickou prácou nenahraditeľnou súčasťou všetkých výrobných procesov. Obe tieto formy majú preto vo výrobe základný význam a s rozvojom ľudskej spoločnosti neustále rastúci. Svetové štatistiky už z konca 0. storočia potvrdzujú, že v priemyselne vyspelých štátoch, geograficky položených v stredných a vyšších zemepisných šírkach, sa približne 70 až 80 % z prvotnej konzumovanej energie spotrebovalo na produkciu technologického tepla a pre vykurovanie. Technologické procesy majú prirodzene rôzny účel a teda aj rozdielny charakter z pohľadu potrebnej formy energie pre ich realizáciu. Také procesy, pri ktorých sa dosahuje požadovaná zmena skupenstva, zmena fyzikálno-chemických a mechanických vlastností materiálov, prípadne ich kombinácia pôsobením tepla, sa nazývajú tepelné technológie. Patria medzi najstaršie výrobné procesy, ktoré ľudstvo využívalo začínajúc primitívnymi postupmi až po súčasné moderné spôsoby. Tepelné technológie a všeobecne využívanie tepelnej energie bude mať aj naďalej nezastupiteľné miesto vo výrobných procesoch a činnostiach človeka, prispievajúcich k zvyšovaniu jeho životnej úrovne. 1.1 Klasifikácia tepelných technológií Tepelné technológie sa rozdeľujú na dve podskupiny. 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 pre skvalitnenie fyzikálno chemických a mechanických vlastností materiálov, resp. pre ďalšie spracovanie 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.); ohrev 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 ] (1) G g 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 -1 ] 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 zlievarenstve, 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 (tab. 1).

12 1 1 Teplo a tepelné technológie 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) Cementovanie - v prášku - v soli - v plyne Nitridovanie Tab. 1 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 nad 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). 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. 1. Výroba technologického tepla, porovnávacie kritériá 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. 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, (t.j. generovaním tepla z elektrickej energie) z termodynamického hľadiska je efektivita konverzie teoreticky nižšia, pretože technologické teplo sa produkuje viacnásobnou konverziou a transformáciou, napr. tiež z tej istej chemickej energie (pozri obr. 1).

13 1 Teplo a tepelné technológie 13 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. 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 (napr. plazmový, elektrónový, laserový,...). Klasické i moderné metódy elektrických ohrevov sa vyznačujú vysokou účinnosťou premeny elektrickej energie na teplo v pracovnom priestore. Dostatočne to ilustrujú nasledujúce hodnoty účinnosti premeny (tab. ). Tab. 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 Pri porovnávaní palivového a elektrického ohrevu je dôležitá konštrukčná náročnosť 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). 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

14 14 1 Teplo a tepelné technológie Tepelné technológie s palivovým ohrevom sa prakticky realizujú vždy pri rovnakom chemickom spôsobe výroby tepla (spaľovaním), 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 3. Druh technológie Výroba ocele Tavenie hliníka Výroba CU - zliatin Tavenie skla Ohrev ocele Tep. sprac. v ochr. atm. Nauhličovanie ocele Popúšťanie ocele Kalenie ocele Povrchové kalenie Druh tepla P E P E P E P E P E P E P E P E P E P E Tab. 3 Druh použitej pece klasická palivová pec elektrická oblúková pec tégľová pec zemný plyn indukčná tégľová pec tégľová pec olej indukčná kanálová pec klasická pec olej, plyn elektrická elektródová pec plynová pec indukčný ohrievač plynová pec odporová pec plynová pec odporová pec plynová pec odporová pec plynová pec odporová pec plynová pec indukčný ohrievač Spotreba energie [kwh.t -1 ] ,57 kwh.m -3 0, Úspora koncovej energie % Úspora prvotnej energie % Elektrotepelná technika a elektrické ohrevy Elektrotepelná technika je technická vedná disciplína, ktorá sa zaoberá účelovou 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). Elektrotepelné technológie sú technologické procesy pôsobením elektrického tepla. Vsádzkou označujeme súhrn predmetov alebo materiálov vkladaných do pracovného priestoru ETZ za účelom spracovania vhodnou tepelnou technológiou. Podľa miesta generovania elektrického tepla (spôsobu ohrevu vsádzky) elektrický ohrev je:

15 1 Teplo a tepelné technológie 15 - priamy teplo sa generuje priamo v ohrievanej vsádzke, podľa zákonov elektrodynamiky 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 Klasifikácia elektrických ohrevov 1. Kritérium metódy ohrevu Základné kritérium klasifikácie elektrických ohrevov sa odvodzuje od fyzikálnych princípov generovania tepla. Z časového hľadiska ich praktického využívania môžeme hovoriť o klasických a moderných metódach elektrických ohrevov. 1/1 Klasické elektrické ohrevy sú: - odporový ohrev - ohrev odvodený na báze Jouleovho zákona, uplatňovaný v tuhom prostredí. Ak sa Jouleov tepelný 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, podrobenom pôsobeniu elektromagnetického poľa. Ohrievaný materiál nie je galvanicky spojený so zdrojom elektromagnetickej energie. Nutnou podmienkou uplatnenia indukčného ohrevu je vodivý materiál. Rozdiel medzi odporovým a indukčným ohrevom je teda v spôsobe prenosu elektrickej energie. V prvom prípade je spojenie elektrického zdroja s výhrevným článkom, resp. vsádzkou galvanické, pri indukčnom ohreve prenos sa uskutočňuje prostredníctvom elektromagnetického poľa, - 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 pri atmosferickom tlaku. 1/ Odvodené a moderné elektrické ohrevy: - elektródový ohrev - využíva princíp odporového ohrevu, uplatňovaný v kvapalnom vodivom prostredí, - mikrovlnový ohrev - je špecifický dielektrický ohrev s využívaním elektromagnetického vlnenia o frekvencii rádovo 10 9 Hz,

16 16 1 Teplo a tepelné technológie - plazmový ohrev - je to analogický spôsob oblúkového ohrevu. Teplo sa generuje vo vysoko ionizovanom prostredí elektrického oblúka s vysokou teplotou, pri tlaku vyššom ako atmosferický. Prostredie 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, - infračervený ohrev - je spôsob 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 λ < 0,78; 8 μm >, pri dopade na vsádzku sa pohlcuje a mení na teplo, - ultrafialový ohrev analogický infračervenému, ale v pásme ultrafialového žiarenia, t.j. λ < 0,; 0,4 μm >, - laserový ohrev - je elektrický ohrev založený na absorbovaní laserových lúčov, ktorých energia sa v ohrievanom materiáli mení na teplo λ < 0,4; 0,8 μm >, - ultrazvukový ohrev - teplo sa uvoľňuje pri rozkmitaní vsádzky pôsobením energie ultrazvuku vo frekvenčnom rozsahu 16 khz až 1 GHz.. S ohľadom na ďalšie rozmanitosti elektrických ohrevov a zodpovedajúcich ETZ sú opodstatnené aj iné kritériá ich klasifikácie. Sú 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 požadovaného teplotného režimu, b) priebežný ohrev; ohrev pri ktorom teplota vsádzky je funkciou polohy v pracovnej komore. 3. Kritérium pracovnej teploty nízkoteplotný ohrev; pracovné teploty do 600 C, strednoteplotný ohrev; pracovné teploty do 100 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: jednosmerné (f = 0), nízkej frekvencie (0 < f < 50 Hz), sieťovej (f = 50 Hz), strednej (50 Hz < f 10 khz), vysokej (10 khz < f 300 GHz), veľmi vysokej (f > 300 GHz) 6. Kritérium pracovného prostredia ohrevy v prirodzenej atmosfére, ohrevy v technickom vákuu, ohrevy v umelej (riadenej) atmosfére 7. Konštrukčné kritérium - zohľadňuje základné konštrukčné prvky a zvláštnosti jednotlivých ETZ.

17 1 Teplo a tepelné technológie 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, hmotnostná 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 rezistivita, permeabilita, permitivita, odolnosť proti elektrickému oblúku, elektrolytickým vplyvom atď., - nízka cena a ľahká obstarávateľnosť najmä nízka cena je protichodná s ostatnými kritériami Kovové konštrukčné materiály 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

18 18 1 Teplo a tepelné technológie 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 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 - tepelne-izolačné 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.. 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. 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 Magnezitové so 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.

19 1 Teplo a tepelné technológie 19 Okrem klasických žiaruvzdorných stavív a pieskov s vysokou objemovou hmotnosťou a 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. Tepelne izolačné materiály Tepelne-izolačnými materiálmi sa osadzujú vrstvy výmurovky za hutnou, prípadne ľahčenou, z dôvodu obmedzenia tepelných strát vedením do okolia. Na týchto vrstvách sa predpokladá maximálna pracovná teplota 900 C. Klasický tepelne izolačný materiál vyhovujúci všetkým požiadavkám v podstate neexistuje. Je to jeden z dôvodov prečo je potrebné izolačné časti výmurovky riešiť viacvrstvovo. Veľmi široké použitie má skupina ľahkých šamotov, u ktorých sa výhodné tepelne izolačné vlastnosti získavajú vytvorením umelých pórov. Merná hmotnosť týchto šamotov je vyššia ako 50 kg.m -3 a nižšia ako 1000 kg.m -3, max. pracovná teplota 900 C. Porovnateľné vlastnosti majú kremelinové výrobky. Kremelina (diatomit) je porézny zrnitý oxid kremičitý (SiO ) organického pôvodu. Kremelinové výrobky sú určené pre vrstvy s rozpätím teplôt 300 až 900 C. Merná objemová hmotnosť je 530 až 900 kg.m -3. Dobrým tepelne izolačným materiálom je azbest, pre vysokú karcinogénnosť sa jeho použitie obmedzuje. Perlit sa pripravuje expandovaním kyslého vulkanického skla, ktorého hlavnými zložkami sú SiO (70 %), Al O 3 (16 %) a voda (4 až 5 %). Perlit sa používa pre pracovné teploty do 900 C. Vermikulit patrí medzi kvalitné druhy izolácie. Tepelná vodivosť vermikulitu pri teplote 100 C je 0,07 W.m -1.K -1. Používa sa ako zásypová hmota alebo prísada do izolačných betónov. V súčasnosti sú veľmi rozšírené tepelnoizolačné materiály penové. Napr. penobetón sa používa do teplôt 450 C, jeho tepelná vodivosť sa pohybuje v hraniciach 0,075 až 0,15 W.m -1.K -1. Penové sklo a polystyrén sa najviac používajú k tepelnej izolácii chladiarenských zariadení. Vláknité žiaruvzdorné a tepelne - izolačné materiály Vyznačujú sa podstatne menšími hodnotami tepelnej vodivosti, hmotnostnej tepelnej kapacity a objemovej hmotnosti. Výroba vláknitých žiaruvzdorných materiálov vychádza z binárneho systému oxidov Al O 3 a SiO. Výroba polotovarov sa uskutočňuje tavením surovín v elektrických oblúkových peciach pri teplotách 00 C, po ktorom nasleduje tzv. rozvlákňovanie. Vznikajúce voľné vlákno je polotovarom pre ďalšie výroby (vata, rohože, dosky), ktorých vlastnosti a použitie určuje pomer predmetných oxidov. Podľa pomeru oxidov Al O 3 k SiO, ktorý sa pohybuje od 0,4 do 5,7 (ojedinele až 19) rozoznávame vlákna: - kremičité (obsah SiO > 98 %) - hlinitokremičité (obsah SiO, od 35 do 56 %, Al O 3 od 4 do 64 %) - hlinité (obsah Al O 3 od 85 do 95 %) - z iných oxidov (napr. ZrO až 9 %)

20 0 1 Teplo a tepelné technológie Tepelná odolnosť žiaruvzdorných vlákien závisí od obsahu Al O 3, s jeho zvyšovaním odolnosť rastie. Charakteristickou vlastnosťou tepelnoizolačných vláknitých materiálov je veľmi nízka tepelná vodivosť (s teplotou rastie), nízka objemová hmotnosť a vysoká pórovitosť (76 až 98 %). V dôsledku nízkych hodnôt tepelnej kapacity a objemovej hmotnosti majú zároveň nízku akumulačnú schopnosť Materiály pre výrobu konverzných prvkov elektrických pecí Je to skupina materiálov, ktorými sa zabezpečuje prívod a premena elektrickej energie na technologické teplo. Môžu byť kovové alebo nekovové, rozhodujúce kritérium je výška pracovnej teploty. Z týchto materiálov sa vyrábajú napr. výhrevné články pre odporové pece s nepriamym ohrevom, elektródy pre sklárske taviace pece, oblúkové pece, induktory pre indukčné pece a pod.

21 Odporový ohrev 1 ODPOROVÝ OHREV Pri odporovom ohreve sa využíva známy fyzikálny jav formulovaný Jouleovým zákonom, že pohybom voľných elektrických nábojov v prúdovom poli sa časť prenášanej energie uvoľňuje vo forme tepla. Tento poznatok sa dá využiť dvojakým spôsobom. Ak sa teplo uvoľňuje v špeciálne upravenom odporovom vodiči výhrevnom článku a na povrch ohrievaného materiálu vsádzky, sa prenáša podľa zákonov termokinetiky, ohrev sa nazýva nepriamy. V druhom prípade teplo je možné generovať priamo vo vsádzke pretekajúcim prúdom, ohrev je teda priamy. Podmienkou uplatnenia priameho ohrevu je prirodzene vodivá vsádzka. V oboch prípadoch množstvo tepla, generované podľa Jouleovho zákona, je úmerné štvorcu prúdu, tečúceho vsádzkou, resp. článkom za čas t. Q = P t = R I t [J] () kde R je elektrický odpor vsádzky, resp. vodiča, definovaný dĺžkou l, prierezom S, rezistivitou ρ e, resp. konduktivitou γ. Potom, v súlade s rovnicou () generovaný tepelný výkon v objeme V bude l P = ( J S ) = γ E V = ρe J V [W] (3) γ S Merný tepelný výkon (merný výkon elektrického zdroja) je definovaný podielom: P qel = = γ E = ρe J [W.m -3 ] (4) V Rovnica (4) je matematickým vyjadrením Jouleovho zákona v elementárnej forme. Z tejto vyplýva, že pre stanovenie tepelného výkonu v elemente vsádzky, resp. vodiča je potrebné poznať hodnotu intenzity elektrického poľa. Ak je pole nehomogénne a nestacionárne, intenzita sa mení na priereze a s časom. Rovnako nehomogénna a anizotropná môže byť aj konduktivita γ, ktorá je zároveň funkciou teploty. Teda, korektné stanovenie tepelného výkonu nie je jednoduché, vedie k analýze rozloženia intenzity elektrického poľa, resp. hustoty prúdu v prostredí, resp. vo vodiči. Tieto problémy sa dotýkajú najmä priameho odporového ohrevu, ak vsádzka sa ohrieva striedavým prúdom (vplyv elektrického skinefektu). Pre odvodenie zjednodušenej otepľovacej charakteristiky uvažujme 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 A za čas dt. Rovnica energetickej bilancie pri hmotnosti sústavy m bude: d W = dq + dq (5) el už resp. dt = m c d( ) + α A ϑ dt P el ts ϑ (6) Všeobecné riešenie rovnice (6), má tvar t t Pel = ϑ ϑ0 = C e + (7) α A ϑ 0

22 Odporový ohrev a stanovuje oteplenie sústavy ϑ za čas t pri dodávanom elektrickom príkone P el. Nakoľko pre začiatočnú podmienku t = 0 je ϑ = 0, zodpovedajúce partikulárne riešenie bude t P el t 0 ϑ = ϑ ϑ0 = 1 e A (8) α Význam symbolov v rovniciach (7) a (8) je: ϑ ϑ 0 je teplota prostredia v čase t je teplota okolia Pel C je integračná konštanta, C = = ϑmax (9) α A ϑ max je maximálne oteplenie (pre t ) m c t 0 je časová konštanta ohrevu, t0 = (10) α A Z rovníc (7) až (9) vyplýva (pozri obr. ): - teplota vodivého prostredia rastie exponenciálne, tvar exponenciály závisí od tepelnej kapacity materiálu (m.c) a podmienok výmeny tepla na hranici s okolím (α.a), - maximálne oteplenie sústavy závisí od veľkosti elektrického príkonu a znova od podmienok výmeny tepla na hranici sústavy s okolím. Obr. Otepľovacia krivka čiastočne izolovanej td sústavy Teoreticky je možné uvažovať aj td sústavu dokonale izolovanú, potom z rovnice (5) priamo vyplýva, že d W = d, resp. P el dt = m c d( ϑ) (11) el Q už s výsledkom P el ϑ = t = k t (1) m. c v ktorom konštanta k vyjadruje rýchlosť ohrevu [K.s -1 ]. Z riešenia (1) vyplýva, že v dokonale izolovanom prostredí oteplenie ohrievaného materiálu má lineárny priebeh.

23 Odporový ohrev 3.1 Nepriamy odporový ohrev Pri tejto metóde odporového ohrevu sa Jouleove teplo generuje v špeciálne upravených odporových vodičoch - výhrevných článkoch a na povrch vsádzky sa prenáša najmä sálaním a prúdením, zriedkavo vedením. Je to vonkajšia výmena tepla. Prenos tepla z povrchu vsádzky do vnútorných vrstiev je vnútorná výmena tepla. Podľa technologického režimu resp. skupenskej fázy vsádzky sa vnútorná výmena uskutočňuje vedením, prúdením alebo ich kombináciou. Pre analýzu teplotných polí a ohrevu vsádzky nepriamym spôsobom (napr. za účelom zistenia rozloženia teploty vo vsádzke, rovnomernosti ohrevu vsádzky alebo výpočtu doby jej ohrevu), sú rozhodujúce hraničné podmienky výmeny tepla na jej povrchu a tzv. tepelná veľkosť vsádzky, ovplyvňujúca rýchlosť zmeny teploty vo vsádzke alebo gradient teploty. Tepelná veľkosť vsádzky závisí od jej rozmerov a tepelnej vodivosti. Vo väčšine praktických úloh sa hodnotí Biotovým číslom (Bi). Ak Bi < 0,5 je vsádzka tepelne drobná, v tomto prípade pre výpočet doby ohrevu vsádzky nie je potrebné uvažovať vnútornú výmenu tepla (nestacionárne teplotné pole vsádzky pri jej ohreve). Ak Bi > 0,5, vsádzka je tepelne masívna. Vnútorná výmena tepla ovplyvňuje dobu ohrevu vsádzky. Teda výpočet parametrov pece a technologického procesu vyžaduje analýzu nestacionárneho teplotného poľa vo vsádzke. Od hraničných podmienok výmeny tepla na povrchu vsádzky sa odvodzujú teplotné režimy nepriameho ohrevu. Uplatňujú sa tri druhy teplotných režimov, resp. ich kombinácia. 1. Teplotný režim pri konštantnej teplote pece; ϑ p = konst.. Teplotný režim pri konštantnej teplote na povrchu vsádzky; ϑ vs, p = konst. 3. Teplotný režim pri konštantnej hustote tepelného toku na povrchu vsádzky; q vs, p = konst. Na obr. 3 sú znázornené časové priebehy teplôt a rozloženie teploty po priereze symetricky ohrievanej vsádzky v tvare dosky, pri teplotnom režime ϑ p = konst. Obr. 3 Teplotný režim a rozloženie teploty v dvojstranne ohrievanej doske pri ϑ p = konst. Analýza nestacionárnych teplotných polí pri rôznych hraničných podmienkach všeobecne patrí medzi zložité úlohy termokinetiky, najmä ak treba zohľadniť nelinearitu prostredia. Riešeniu nestacionárnych teplotných polí vyhovuje Fourierova rovnica. Je to parciálna diferenciálna rovnica. rádu, parabolického typu, pre riešenie ktorej je možné

24 4 Odporový ohrev uplatniť viaceré metódy analytické alebo numerické. Pre obmedzený rozsah príručky využijeme v stručnej forme len jednu z nich a pre konkrétny tepelný režim. Pre vyjadrenie matematických modelov vnútornej výmeny tepla nepriameho ohrevu vsádzky zvoľme ohrev dosky v teplotnom režime ϑ p = konst., v alternatívach tepelne masívnej a tepelne drobnej vsádzky..1.1 Matematický model ohrevu tepelne masívnej vsádzky pri J p = konšt. Predpokladajme dvojstranne symetricky ohrev dosky, umiestnenej v odporovej peci tak, že jej teplotné pole možno považovať za jednorozmerné, t.j. teplotná funkcia má tvar ϑ = ϑ( x,t). Doska nech je popísaná potrebnými fyzikálnymi (λ, ρ, c, a) a geometrickými parametrami (hrúbkou s). Súčiniteľ prestupu tepla α je známy. Úloha nech je lineárna. Na riešenie úlohy využijeme Fourierovu deferenciálnu rovnicu, ktorá pre jednorozmerné tepelné pole má tvar: ϑ t ϑ = a x = λ ϑ ρ c x (13) Ak rovnicu (13) riešime analytickou metódou separácie premenných a zároveň zohľadňujeme symetrický ohrev, jej všeobecné riešenie je: a k t ϑ ( x, t) = C cos( k x) e (14) v ktorom C je integračná konštanta k je konštanta vyplývajúca z použitej metódy separácie premenných Partikulárne riešenie funkcie (14) vychádza z počiatočnej podmienky, t.j. v čase t = 0 ϑ x, 0 = ϑ a hraničnej podmienky 3. druhu pre hrúbku dosky s je ( ) 0 [ ϑ ϑ( ± s, t) ] ϑ λ = α p (15) x x=± s Potom jednoznačné riešenie v kriteriálnej forme má tvar: ( x, t) ϑ ϑ p ϑ sin ε n ε n Fo Θ( ξ, Fo) = = = cos( ξ ε n ) e (16) ϑ ϑ ϑ ε + sin ε cosε 0 p 0 n= 1 n Výsledok v tvare (16) vyjadruje pole pomerných teplotných rozdielov v ľubovoľnom čase (Fo) a bode ohrievanej vsádzky (ξ). Význam jednotlivých členov v rovnici je nasledovný: Θ je pomerný teplotný rozdiel ξ je pomerná súradnica teplotného poľa dosky ξ = x/s Fo je Fourierovo kritérium a t Fo = s (17) ε n sú korene transcendentnej rovnice ε n = cotg ε n Bi (18) Bi Biotovo kritérium α s Bi = λ (19) n n

25 Odporový ohrev 5 V praktických úlohách je postačujúce vypočítať pole pomerných teplotných rozdielov Θ ( ξ, Fo) pre prvé štyri korene rovnice (18). Výsledok (16) má výhodu všeobecnej platnosti pre rozloženie pomernej teploty v čase Fo, v teplotnom poli ohrievanej dosky. Grafické zobrazenia riešenia pre rovinu symetrie dosky (ξ = 0) a povrch dosky (ξ = 1) sú preto rovnako univerzálne platné (obr. 4). Grafické závislosti na obr. 4 sú v termokinetike známe ako Budrinove diagramy. V inžinierskej praxi ich využitie je veľmi praktické, umožňujú rýchlu, aj keď menej presnú analýzu nestacionárneho teplotného poľa. Napr. pre zadanú konečnú teplotu v osi symetrie alebo na povrchu dosky sa pri známom Biotovom čísle určí prostredníctvom Fourierovho čísla jej konečná doba ohrevu, resp. ochladzovania. Naopak pri známom Bi a Fo vieme ľahko prostredníctvom odčítanej pomernej teploty stanoviť konečnú teplotu dosky v mieste ξ = 0 alebo ξ = 1. Podobné výsledky dáva riešenie predmetnej diferenciálnej rovnice pre iný zvolený súradnicový systém, či inú zadanú hraničnú podmienku (teplotný režim). Pretože výsledky riešenia a grafické zobrazenia sú uvedené v kriteriálnej forme majú rovnakú platnosť aj pre ochladzovanie vsádzky.

26 6 Odporový ohrev Obr. 4 Závislosť pomernej teploty v rovine symetrie a na povrchu dosky pri ϑ p = konst., od Fo a Bi.1. Matematický model ohrevu tepelne drobnej vsádzky pri J p = konšt. Hodnota Biotovho kritéria sa môže pohybovať v hraniciach Bi < 0, >. Pre medznú hodnotu Bi = (α = ) sa teplotné pomery pri ohreve, resp. ochladzovaní vsádzky zmenia tak, že teplotný režim s konštantnou teplotou pece sa redukuje na režim s konštantnou teplotou na povrchu vsádzky. Je to režim s veľmi intenzívnou vonkajšou výmenou tepla, doba ohrevu vsádzky závisí výlučne od intenzity vnútornej výmeny tepla (od rozmerov, tvaru a tepelnej vodivosti vsádzky). Prakticky za tento režim sa považuje taký, pre ktorý Bi >> 1, menovite Bi 100. Druhá medzná hodnota Biotovho kritéria je Bi = 0, ktorej reálne zodpovedá ohrev resp. ochladzovanie materiálu malých rozmerov s vysokou tepelnou vodivosťou, pri súčasnej malej hodnote súčiniteľa prestupu tepla α. Ak sa totiž zmenšuje charakteristický rozmer vsádzky a zväčšuje jej tepelná vodivosť, zároveň sa zmenšuje aj teplotný rozdiel medzi povrchom a ľubovoľným vnútorným bodom vsádzky. Pre medznú hodnotu λ = (λ/α = ) sa teplotný rozdiel rovná nule, izotermy sú priamky kolmé na os symetrie vsádzky. Približne takýto stav vo vsádzke ľubovoľného tvaru nastáva ak Bi << 1, teda ak je vsádzka tepelne drobná. Teplotnú funkciu pre ohrev resp. ochladzovanie tepelnej drobnej vsádzky tvaru rovinnej dosky vyjadríme z výsledkov v predchádzajúcom odseku. Napr. vyjadrením rovnice (16) pre ξ = 1 (x = s) a ξ = 0 (x = 0) získame pomer funkcií teplotných rozdielov v rovinnej doske ϑ ϑ ( 1, F0 ) = cosε i ( 0, F ) 0 (0)

27 Odporový ohrev 7 Nakoľko pre Biotovo kritérium s hodnotami Bi << 1 sú korene transcendentnej rovnice ε tg ε = Bi rovnako veľmi malé (ε << 1), bude cos ε i = 1, teda pre vyššie uvedené funkcie platí ϑ( 1, Fo ) = & ϑ( 0, Fo), resp. ϑ( s, t) = ϑ( 0, t) & (1) Z rovnice (1) vyplýva, že teplota pozdĺž súradnice, v smere ktorej sa tenká rovinná doska ohrieva alebo ochladzuje je rozložená rovnomerne. K rovnakým výsledkov dôjdeme analýzou teplotných funkcií pre vsádzku tvaru valca resp. gule. Pri splnení týchto podmienok časové zmeny teplotných rozdielov, resp. teploty vo vsádzke ľubovoľného tvaru sa dajú vyjadriť rovnicou energetickej bilancie ( t) dt = V ρ c d( ϑ) α A ϑ () kde A je plocha povrchu vsádzky [m ] V objem vsádzky [m 3 ] Aplikovaním rovnice () na predmetnú dosku hrúbky s bude ( 1 1) ϑ d = ( s 1 1) ρ c d( ϑ) α t (3) resp. d( ϑ) α = dt (4) ϑ s ρ c Integrovaním rovnice (4) v hraniciach t < 0, t > a ϑ < ϑ 0, ϑ t > dostaneme ϑt α t ln = = Bi Fo (5) ϑ0 s ρ c resp. Bi Fo ϑ = ϑ e (6) t 0 V ostatnej rovnici je ϑ 0 = ϑ p ϑ 0 teplotný rozdiel medzi teplotou pece a teplotou vsádzky v čase t = 0, ϑ t = ϑ p ϑ t je teplotný rozdiel v čase t. Rovnica (I,6) vyjadruje teplotnú funkciu v procese ohrevu, resp. ochladzovania tenkej rovinnej dosky. Mimo iného umožňuje vypočítať dobu ohrevu pre zadanú konečnú teplotu dosky ϑ k ( ϑ k = ϑ p ϑ k ) s ϑ0 t0 = ln (7) a Bi ϑ k Podobné vzťahy je možné rovnakým spôsobom odvodiť pre tepelne drobnú vsádzku v tvare valca a gule.. Elektrické pece a zariadenia pre nepriamy odporový ohrev Nepriamy odporový ohrev sa realizuje v peciach s možnosťou periodickej alebo priebežnej prevádzky. Odporové pece s nepriamym ohrevom patria medzi najrozšírenejšie. Uplatnenie nachádzajú vo všetkých priemyselných odvetviach, v komunálnych prevádzkach,

28 8 Odporový ohrev v poľnohospodárstve, potravinárstve i v nevýrobnej sfére. V priemyselnej oblasti sa využívajú najmä v procesoch tepelného spracovania...1 Základné konštrukčné prvky Konštrukcia odporových pecí s nepriamym ohrevom závisí od mnohých okolností. Rozhodujúca je hmotnosť a veľkosť vsádzky, pracovná teplota a požadovaný príkon pece. Odvodzuje sa teda od technologického procesu a od prevádzkového režimu, periodického alebo priebežného. Ako príklad pece zo skupiny periodických, na obr. 5.a je znázornená konštrukčná schéma vozíkovej pece, ktorá slúži pre ohrev väčších vsádzok, hmotnosti niekoľko ton s výkonom 3 až 5 MW (napr. pre žíhanie ingotov). Na obr. 5.b je schéma šachtovej pece (tiež periodickej) charakteristická s prevládajúcim zvislým rozmerom (hĺbka pece až do 10 m). a) b) Obr. 5 a) schéma odporovej vozíkovej pece b) schéma odporovej šachtovej pece Zo skupiny priebežných pecí na obr. 6a je schéma tunelovej pece. Tunelové pece majú veľkú dĺžku (až do 0 m). Slúžia napr. pre smaltovanie výrobkov, pre chladenie skla a pod. Na obr. 6b je naznačená priebežná kroková pec, pre tepelné spracovanie rozmerných predmetov. Obr. 6 a) schéma tunelovej pece b) schéma krokovej pece

29 Odporový ohrev 9 Odporové pece s nepriamym ohrevom, periodické aj priebežné, majú niekoľko spoločných konštrukčných prvkov, ktorých výber ovplyvňuje racionálnu prevádzku a životnosť pecí. Sú to najmä: 1. Výmurovka pece, ktorej kvalita podstatne ovplyvňuje veľkosť tepelných strát. Pece s teplotami nad 300 C majú vždy viacvrstvovú výmurovku, s jednou žiaruvzdornou a jednou, prípadne viacerými tepelnoizolačnými vrstvami. Počet tepelnoizolačných vrstiev závisí od výšky pracovnej teploty a volí sa tak, aby na vonkajšom povrchu teplota neprekročila 60 C (odporúča sa 40 C).Tepelné straty vo výmurovke pece majú dvojaký charakter, akumuláciou tepla a prestupom tepla do okolia. Podľa charakteru prevádzky pece, v periodických peciach sa výmurovka optimalizuje na minimálne straty akumuláciou tepla, v priebežných na minimálne straty prestupom tepla. V súčasnosti trh ponúka širokú paletu žiaruvzdorných a tepelnoizolačných materiálov, kvalitné vlastnosti majú výmurovky na báze tzv. vláknitých materiálov. S ohľadom na pevnostné vlastnosti výmuroviek a hmotnosť peci, výmurovka je opatrená skeletom a kovovým plášťom. Oceľový plášť naviac hermetizuje pracovnú komoru pece, pokrýva sa hliníkovým nástrekom, zmenšujúcim výmenu tepla na povrchu pece.. Výhrevné články, sú najdôležitejším prvkom odporových pecí s nepriamym ohrevom. Výber materiálu, správne dimenzovanie, umiestnenie a prevádzkovanie výhrevných článkov vplývajú na ich životnosť a zároveň na racionálnu prevádzku pece vrátane dodržiavania zvoleného tepelno-technologického režimu. Kvalita odporového materiálu sa posudzuje podľa tepelných vlastností, najmä dostatočnej žiaruvzdornosti pri pracovnej teplote, podľa mechanickej pevnosti, chemickej odolnosti proti pecnej atmosfére a najmä elektrických vlastností. Podľa ostatných kvalitný výhrevný článok má mať: - vysokú rezistivitu - malý teplotný súčiniteľ odporu - časovú stálosť odporu V prevádzkach nízko a stredno-teplotných pecí sa osvedčili kovové výhrevné články na báze austenitických (Cr+Ni+Fe) a feritických zliatin (Cr+Al+Fe). Austenitické sú nemagnetické, povrchová vrstva Cr O 3 prispieva k žiaruvzdornosti materiálu a dobre odvádza teplo. Magnetické feritické zliatiny majú oxidovú vrstvu z Al O 3, majú vyššiu rezistivitu, ale horšiu mechanickú pevnosť v porovnaní s austenitickými. Súčastný trh je zásobený dostatočným výberom týchto polotovarov s obchodnými názvami napr. CRONIX (aust.), CRONIFER (aust), ALUCHROM (ferit) a najmä kvalitný KANTHAL (ferit) v rôznych modifikáciách. Ich max. pracovné teploty bývajú 100 až 1350 C. Vysokoteplotné pece sa osadzujú výhrevnými článkami na báze nekovov. Majú prirodzene vyššiu rezistivitu ako kovové, a ťažšie sa spracovávajú. Preto sa distribuujú už ako hotové výrobky, najmä v tvare tyče alebo rúrky väčšieho prierezu. Materiálová báza týchto článkov je: - karbid kremíka (SiC), pre pracovné teploty 1300 až 1500 C, (napr. SILIT, GLOBAR, CRUSILITE), - zmes molybdenitu kremičitého (MoSi ) a oxidu kremičitého (SiO ). Známe články na tejto báze sú MOSOLIT a KANTHAL-SUPER pre pracovnú teplotu do 1700 C. Pre najvyššie pracovné teploty odporových pecí sa používajú tiež čisté kovy, najmä molybdén (1400 až 000 C), a volfrám (až 600 C), vyžadujú však ochrannú atmosféru, resp. vákuum. Pre pracovné teploty 500 až 3000 C sa používajú grafitové články. Okrem menovitej pracovnej teploty výber výhrevného článku závisí od spôsobu prevádzkovania pece, od mechanických požiadaviek a možného vplyvu pecnej atmosféry.

30 30 Odporový ohrev Aj pri správnom elektrickom výpočte životnosť článkov totiž rýchlo klesá, najmä nerešpektovaním nežiadúcich vzájomných vplyvov medzi povrchom článkov, keramikou, na ktorej sú uložené, prípadne aj atmosférou v pecnej komore. Obrátene to platí aj pre nosiče článkov. Keramický materiál nosičov má napr. obsahovať minimálne množstvo oxidov železa, síry, SO, ktoré rozrušujú najmä články zo zliatin CrNi. Naopak majú mať vysoký podiel Al O 3 a vysokú homogenitu, ktorá znižuje miestne prehriatia. Nosiče sa teda nemajú voliť len podľa stupňa žiaruvzdornosti. Podobne je treba hodnotiť aj vplyv riadenej atmosféry na materiál článkov... Konštrukcia a výpočet výhrevných článkov Nekovové výhrevné články sa vyrábajú ako hotové produkty, vo forme rôznych tvarov, s definovanými menovitými výkonmi a rôznymi veľkosťami. Napr. silitové tyče (SiC) majú priemery od 1, do 5 cm, dĺžky od 1 do 00 cm. Ich životnosť je 3 až 10 tisíc pracovných hodín. Z bežných domácich spotrebičov sa nimi osadzujú známe infražiariče. Články na báze zmesi MoSi sú známe ako cermetové články, vyrábané práškovou metalurgiou. Z tohto typu článkov je vysokokvalitný Kanthal Super, konštruovaný v tvare písmena U, so zosilnenými koncami. Napr. takýto článok s výkonom kw má dĺžku aktívnej časti 46,5 cm pri priemere 0,6 cm. Na obr. 7 sú naznačené uvedené typy článkov. a) b) Obr. 7 a) silitová tyč b) článok Khantal-Super Dimenzovanie nekovových článkov pre konkrétnu pec sa obmedzuje len na ich správne rozmiestnenie a na výpočet počtu kusov, t.j. Pp n = P1 č (8) kde P p je vypočítaný menovitý príkon pece P 1č je menovitý výkon jedného článku Kovové výhrevné články sa vyrábajú buď ako uzavreté alebo otvorené. Účelom uzatvorenia výhrevného vodiča je jeho ochrana od vplyvu pecnej atmosféry, ohrievaného média, prípadne ochrana pred mechanickým poškodením. V domácnostiach ich poznáme ako rúrkové články (Backerove rúrky), pre varné plochy varičov, ako články do žehličiek, do pračiek, ako ponorné špirály a pod. Otvorené kovové výhrevné články sa vyrábajú z polotovarov, t.j. drôtov alebo pásov, ktoré sa formujú do tvaru špirál alebo meandrov tak, aby na príslušnom úseku pracovnej komory pece (steny, sekcie, zóny), prierezom a dĺžkou zodpovedali požadovanému výkonu. Správne formovaný článok musí zároveň zodpovedať podmienkam optimálneho odvodu tepla z jeho povrchu, správneho upevnenia a minimálneho styku s keramikou. Správne navrhnutá špirála alebo meander musia minimalizovať vzájomné osálavanie, aby sa prídavne nezvyšovala teplota povrchu článku. Všeobecne pre konštrukciu špirál a meandrov platí, že so zvyšovaním pracovnej teploty ich stúpanie má byť väčšie (menšia hustota závitov resp. vĺn na jednotku dĺžky). Na obr. 8 je naznačené uloženie špirály a meandrov na bočných stenách pece.

31 Odporový ohrev 31 Obr. 8 Uloženie výhrevných článkov na bočnej stene pece Výpočet otvorených kovových výhrevných spočíva v stanovení: - dĺžky drôtu resp. pásu, - prierezu, resp. priemeru drôtu, resp. priečnych rozmerov pásu, - rozmerových parametrov konečnej špirály, resp. meandra. Vstupnými veličinami pre výpočet kovových článkov spravidla sú: - príkon pece, resp. príkon na jednu fázu v prípade trojfázových pecí t.j. P p, resp. P p /3, - napätie pece (30, resp. 400 V), - merné povrchové zaťaženie výhrevného článku (mpz). Pre optimálnu prevádzku pece a dostatočnú životnosť článku je dôležitá dovolená hodnota mpz. Mpz je formálne definované podielom výkonu výhrevného článku a plochou jeho povrchu Pč w č = [W.m - ] (9) Ač čo fyzikálne vyjadruje hustotu tepelného toku, vysálaného z povrchu článku. Pre reálny článok, t.j. so šedým povrchom platí (Stefan-Boltzmanov zákon) č č 4 4 ( T T ) w = q = c - (30) 1 č v kde T č je teplota článku [K] T v je teplota povrchu vsádzky [K] je celkový koeficient sálania, závislý od stupňov čiernosti článku a vsádzky (ε) c 1 c 1 8 5,67.10 = ε ε č v [W.m -.K -4 ] (31) Rovnica (30) presne platí pre vzájomné sálanie dvoch šedých povrchov (článku s ε č a vsádzky s ε v ) dostatočne veľkých a vzájomne rovnobežných. Preto takto definované mpz musíme považovať za ideálne, nezohľadňujúce skutočné podmienky výmeny tepla sálaním v pracovnej komore pece. Dovolená hodnota mpz skutočného článku je w s, č = kef wč (3) kde k ef je koeficient efektívnosti sálania, závislý od podmienok výmeny tepla sálaním medzi článkom, vsádzkou a výmurovkou pece. Pretože výrobca článkov spravidla udáva ideálnu hodnotu mpz (w č ), koeficient k ef je potrebné vypočítať. Pre výpočet existuje niekoľko spôsobov, rozdielnych metodikou, náročnosťou a presnosťou.

32 3 Odporový ohrev Pri známej dovolenej hodnote mpz skutočného článku výpočet rozmerov, hmotnosti a parametrov tvaru špirály (z drôtu), resp. meandra (z pásu) je jednoduchý. Vychádza sa z dvoch rovníc pre výkon článku. Z rovnice Pč = wč Ač = wč l O [W] (33) a rovnice U 1 S Pč = R I = = U R ρ l [W] (34) Tieto umožňujú vypočítať: a1) priemer drôtu pre článok v tvare špirály: č č d 4 ρč = 3 π wč P č U [m] (35) a) dĺžku drôtu pre článok v tvare špirály: l = 3 Pč U 4π ρč wč [m] (36) b1) rozmery pásu pre článok v tvare meandra. Ak prierez pásu má rozmery a b s pomerom b/a = m bude hrúbka pásu a = šírka pásu 3 ρ č ( m + 1) č P m w U č [m] (37) b = m a [m] (38) b) dĺžka pásu pre článok v tvare meandra l = 3 m Pč U 4 ( m + 1) ρč wč [m] (39) Vypočítaný priemer drôtu, resp. hrúbku a šírku pásu je potrebné korigovať na normalizované hodnoty. Z rovníc (35) a (37) vyplýva jedna dôležitá skutočnosť: so znižovaním napätia na článku, zväčšuje sa aktívny prierez a zmenšuje dĺžka článku. Nižšie pracovné napätia sú preto výhodnejšie, lebo zvyšujú životnosť článkov (väčší prierez) a uľahčujú ich inštaláciu v pracovnej komore pece (menšia dĺžka špirály resp. meandra). Známe hodnoty postačujú pre výpočet ostatných geometrických parametrov konečného tvaru špirály a meandra (obr. 9).

33 Odporový ohrev 33 a) b) Obr. 9 a) výhrevný meander b) výhrevná špirála Pre tvarovanie drôtu, resp. pásu do konečnej formy výrobca polotovaru spravidla udáva: pre špirálu činiteľ stúpania t = 1 D činiteľ točenia r 1 = d Tieto určujú tvarové parametre špirály: - stúpanie špirály t = t 1 d - stredný priemer špirály D = r 1 d - dĺžku jedného závitu l z = π D - počet závitov špirály n z = l / lz - celkovú dĺžku špirály L = n t t d Fa KANTHAL odporúča hodnoty činiteľov t 1,opt = 3; r 1,opt = 5 š z pre meander činiteľ zakrivenia k = 1 R a B činiteľ zvlnenia k = b Tvarové parametre meandra sú: - polomer zakrivenia R = k 1 a - stredná šírka meandra B = k b = B + R + π - dĺžka jednej vlny ( ) R - počet vĺn meandra n m = l / lv - krok meandra h = 4 R - celková dĺžka meandra Lm = nm h Fa KANTHAL odporúča hodnoty činiteľov k 1,opt = 4 až 5; k,opt = 3 l v..3 Metodický postup návrhu a výpočtu odporových pecí s nepriamym ohrevom Technologické požiadavky, veľkosť a druh vsádzky, výrobnosť pece, teplota, teplotný režim a presnosť jeho riadenia, rýchlosť a rovnomernosť ohrevu atď. sú okolnosti, ktoré treba rešpektovať pri výbere alebo vypracovaní projektu odporovej pece. Mnohé hľadiská a často aj protichodné požiadavky (napr. kvalita a cena) vedú k tomu, že výsledný projekt je kompromisom medzi požadovaným konštrukčným riešením, kapitálovými možnosťami a skúsenosťami projektanta. Projektovanie pece predpokladá súbežný výpočet jej základných parametrov, ktorý metodicky možno rozdeliť do troch po sebe nasledujúcich krokov. 1. Návrh rozmerov pracovnej komory a optimalizácia výmurovky pece. Rozmery pracovnej komory musia zohľadňovať tvar a veľkosť vsádzky, manipuláciu s ňou, kritérium cyklu ohrevu, umiestenie výhrevných článkov, ich jednoduchú vymeniteľnosť a pod. Pracovná komora nemá byť rozmerovo predimenzovaná, pretože s ňou sa zväčšuje aj vonkajší povrch pece a zvyšujú sa tepelné straty. Výber keramiky a optimalizácia výmurovky pece (hrúbka a počet vrstiev) závisí od pracovnej teploty.. Tepelný výpočet odporovej pece. Cieľom tohto kroku je stanoviť elektrický príkon pece, mernú spotrebu elektrickej energie a tepelnú účinnosť. Konštrukčná rozmanitosť

34 34 Odporový ohrev odporových pecí s nepriamym ohrevom, rozdielnosť prevádzky v periodickom a priebežnom režime, tepelná veľkosť spracovávanej vsádzky, rozdielnosť tepelných procesov, vstupných parametrov pre výpočet, spôsobujú nemožnosť unifikovaného postupu tepelného výpočtu. Tepelný výpočet odporových pecí patrí medzi zložité úlohy termokinetiky, najmä pri ohreve tepelne masívnej vsádzky, kedy sa spravidla vyžaduje aj analýza vnútornej výmeny tepla, t.j. nestacionárneho teplotného poľa vsádzky (pozri.1.1). 3. Elektrický výpočet odporovej pece. Jeho obsahom je výpočet rozmerov, stanovenie počtu a rozdelenie výhrevných článkov na steny pracovnej komory pece. Pri výpočte sa postupuje podľa predchádzajúcej časti... Základnou veličinou potrebnou k dimenzovaniu výhrevných článkov je elektrický príkon pece. K výpočtu mernej spotreby elektrickej energie a účinnosti pece treba poznať spotrebu tepla v jednom pracovnom cykle. Vzťah medzi predmetnými veličinami je definovaný rovnicou Q0 P = [kw] (40) t P, id 0 v ktorej P P,id je ideálny elektrický príkon pece [kw] Q 0 je spotrebované množstvo tepla v jednom cykle, závislé od prevádzkového režimu [kwh] t 0 je doba ohrevu vsádzky, závislá od teplotného režimu pece a jej tepelnej veľkosti [h] Výpočet hodnoty P P,id umožňuje stanoviť skutočný príkon pece P P k P P, id = (41) kde k = 1,1 = & 1, 5 je koeficient zohľadňujúci zmenu konštrukčných a prevádzkových parametrov oproti projektovaným (starnutie článkov, výmurovky a pod.)...4 Niektoré zvláštnosti priebežných pecí s nepriamym ohrevom Priebežné odporové pece sa líšia od periodických konštrukčne aj prevádzkovým režimom. Vsádzka nie je stabilne uložená, ale v pracovnej komore sa pohybuje (posúva) po dopravnom páse prerušovane alebo kontinuálne. Dĺžka pracovnej komory a rýchlosť pásu musia zodpovedať času, za ktorý sa vsádzka ohreje (prípadne aj zároveň ochladí) na požadovanú technologickú teplotu. Rôzne typy dopravníkov rozhodujú o type priebežných pecí. Pre konštrukciu výmuroviek platia rovnaké teplotné kritéria ako pre pece periodické s tým rozdielom, že s ohľadom na charakter prevádzky je treba eliminovať najmä tepelné straty prestupom tepla do okolia aj za cenu zvýšenia akumulačných strát. Všeobecne konštrukčne sú náročnejšie ako periodické. Priebežné odporové pece sa uplatňujú predovšetkým v sériovej výrobe, najvhodnejšie v trojsmennej prevádzke. Z energetického hľadiska je výhodné ich použitie namiesto periodických pecí vtedy, ak v takých sa uskutočňuje aj proces chladnutia vsádzky (veľké tepelné straty odvodom naakumulovaného tepla výmurovkou pece).

35 Odporový ohrev Regulácia teploty (výkonu) odporových pecí s nepriamym ohrevom Regulácia teploty odporových pecí je v podstate reguláciou výkonu dodávaného do výhrevných článkov. Potrebnú teplotu možno dosiahnuť spojitou alebo nespojitou zmenou privádzaného výkonu, prostredníctvom zmeny napätia na výhrevných článkoch. V oboch prípadoch existuje niekoľko možností regulácie. a) Spojitá regulácia a/1 regulácia s premenlivým odporom, napr. jednoduchým reostatom alebo odporovým spúšťačom. V dôsledku strát na premenlivom odpore účinnosť takto regulovanej pece klesá, preto sa používa len ojedinele. a/ regulácia transduktorom riadenou tlmivkou. Pracovné vinutie tlmivky je pripojené na sieť striedavého napätia (napájacieho napätia pece), riadiace vinutie je pripojené na zdroj jednosmerného napätia, ktorým sa reguluje výkon v obvode pracovného vinutia. Regulácia transduktorom znižuje účinník záťaže a účinnosť pece. Na väčších jednotkách je preto treba použiť kompenzáciu účinníka. a/3 regulácia indukčným regulátorom napätia, t.j. asynchrónnym strojom so zabrzdeným vinutým rotorom. Sekundárne napätie stroja sa plynulo mení pootočením rotora vzhľadom na stator. Účinnosť indukčných regulátorov býva 0,5 až 0,7. a/4 regulácia regulačným transformátorom, t.j. zmenou induktívnej väzby vinutí prostredníctvom pohyblivého sekundárneho vinutia po pevnom primárnom a vinutí nakrátko. Zmena napätia je možná v rozsahu 0 až 400 V s výkonmi do 50 kva. b) Nespojitá regulácia sa uplatňuje najmä: b/1 tyčovým dilatačným termostatom b/ bimetalovým dilatačným termostatom b/3 stýkačmi, t.j. elektromechanickými spínačmi, ktoré umožňujú nespojitú dvojpólovú reguláciu výkonu. V prípade, že sa vyžaduje jemnejšia regulácia, použije sa viac napäťových stupňov tým, že výhrevné články sa rozdelia na niekoľko vetiev (skupín) a tieto sa stýkačmi prepínajú do série alebo paralelne, naviac v trojfázových peciach s možnosťou prepínania do hviezdy alebo trojuholníka. b/4 pecnými transformátormi, t.j. špeciálne upravenými jedno alebo trojfázovými transformátormi, resp. autotransformátormi. Zmena napätia sa vykonáva prepínaním odbočiek na primárnej strane, do sekundárneho vinutia je naviac inštalovaný prepínač hviezda trojuholník. Na moderných odporových peciach sa úspešne uplatňuje regulácia výkonu na báze výkonových polovodičových prvkov, ako tyristorov, triakov a diód..3 Iné aplikácie nepriameho odporového ohrevu Okrem uvedených odporových pecí využívaných pre rôzne metódy tepelného spracovania v jednotlivých priemyselných odvetviach, nepriamy odporový ohrev sa využíva aj v iných oblastiach, odlišných použitím, druhom vsádzky alebo samotnou metódou ohrevu, hraničiacou s nepriamym spôsobom. Je ich niekoľko, uvedieme frekventovanejšie.

36 36 Odporový ohrev.3.1 Ohrievače a zásobníky teplej úžitkovej vody (TÚV) Sú to zariadenia na prípravu TÚV, využívajúce ako konverzný prvok rôzne tvary uzavretých výhrevných špirál, vyrábaných v širokom rozpätí výkonov. Voda sa ohrieva nepriamo, rozdielne od elektródových kotlov, ktoré patria do kategórie zariadení pre priamy odporový ohrev. Ohrievače TÚV môžeme klasifikovať nasledovne: 1. Ponorné variče (špirály) pre rýchly ohrev malého množstva vody, s výkonom do kw. Uzavretý výhrevný článok má tvar priestorovej špirály (na spôsob Backerovej rúrky).. Rýchloohrievače, t.j. ohrievače s okamžitým ohrevom, inštalované do vodovodného potrubia, v ktorých sa výhrevný článok zapája v okamžiku otvorenia výtokového ventilu. Teplota vody sa reguluje termostatom až do 80 C. Sú výkonovo náročné. 3. Akumulačné ohrievače (boilery). Sú to robustnejšie, tepelne dobre izolované nádoby, v ktorých sa voda ohrieva jednou alebo viacerými uzavretými špirálami. Ohrev sa uskutočňuje v dobe nízkej tarify, t.j. v noci (spravidla od hod. do 6 hod.), prípadne aj v krátkych denných časových intervaloch. Ohrev je regulovaný termostatom a prerušuje sa pri dosiahnutí max. dovolenej teploty (do 85 C)..3. Soľné pece pre tepelné spracovanie Nepriamy odporový ohrev sa využíva aj vo forme elektródového ohrevu. Takým spôsobom pracujú soľné pece pre tepelné spracovanie pevnej vsádzky v elektrolyte, t.j. v roztavených soliach pri teplotách 50 až 1300 C. Princíp práce soľnej vane je jednoduchý. Do vymurovaného, resp. kovového tégľa (vane) sú zapustené elektródy a zasypané vhodnou soľou. Táto sa najskôr špeciálnym odporom (NiCr) nataví na teplotu, pri ktorej sa stáva vodivou. Po pripojení elektród na nízkonapäťový zdroj sa soľ postupne ohreje na pracovnú teplotu, čím je pec pripravená k prevádzke. Vhodnými rozmermi elektród a ich rozmiestnením v tégli je zároveň možné docieliť dostatočné vírenie soli a tým aj rovnomerné rozloženie teploty v tégli pece. Pretože roztavené soli majú vysokú tepelnú kapacitu, ponorením studenej vsádzky sa ich teplota podstatne nezníži. Preto pracujú s vysokou rýchlosťou ohrevu. Ako elektrolyt sa používajú rôzne kombinácie solí, napr. 8 % NaCl + 7 % CaCl s teplotným rozsahom 540 až 870 C, 50 % NaCl + 50 % K CO 3 (590 až 815 C), 50 % CaCl + 50 % BaCl (650 až 900 C), 0 % KCl + 80 % BaCl (680 až 1060 C). Elektródové soľné vane sú nízkoohmové zariadenia. Kovové elektródy sa pripájajú na pecný transformátor s reguláciou napätia 8 až 5 V, počtom stupňov 8 až 1 podľa príkonu pece a použitých solí. Soľné pece sú jednofázové alebo trojfázové s výkonmi od 0 do 100 kw. Pre pracovné teploty do 1000 C sa používajú kovové tégle, nad túto teplotu keramické. Tieto zariadenia sa používajú pre kalenie drobných súčiastok. Existujú základné typy soľných pecí. 1. Kovová vsádzka je ponorená do elektrolytu tak, že sa nachádza v jeho elektrickom poli. Sčasti sa ohrieva priamo prechádzajúcim prúdom, je to zmiešaný odporový ohrev.. Kovová vsádzka je v elektrolyte ponorená mimo vplyvu elektrického poľa. Prúd vsádzkou neprechádza, príkon pece nezávisí od jej parametrov. Ohrev je nepriamy.

37 Odporový ohrev 37.4 Priamy odporový ohrev V aplikáciách priameho odporového ohrevu sa Jouleove teplo generuje vo vodivej vsádzke prechodom jednosmerného alebo striedavého prúdu, v súlade s rovnicou (3). Analýza tohto typu ohrevu rovnako spočíva v riešení teplotného poľa vsádzky a z tohto odvodených charakteristík ohrevu. S ohľadom na priamy spôsob ohrevu je však náročnejšia a s ohľadom na charakter vsádzky (geometrický tvar, skupenstvo,...) mnohotvárnejšia. Náročnejšia je prítomnosťou merného tepelného výkonu vo vsádzke (4), čo vyžaduje použitie rovnice vedenia tepla (Fourierovej diferenciálnej rovnice s vnútorným zdrojom) t ϑ λ = ρ c ϑ + q el ρ c (4) Je to tiež parabolická rovnica, ktorej riešenie komplikuje nelinearita koeficientov a v prípade ohrevu striedavým prúdom nerovnomerné rozloženie merného výkonu q el na priereze vsádzky (vplyv skinefektu, najmä pri ohreve feromagnetických materiálov). Geometrický tvar vsádzky rozhoduje o tom, či riešenie rovnice (4) sa redukuje na jednorozmernú úlohu alebo sa rieši ako trojrozmerná. V ďalšej časti uvažujme jej aplikáciu na priamy odporový ohrev dlhej valcovej vsádzky (l >> d) bez a s uvážením tepelných strát do okolia. Budeme vychádzať z obr. 10, pričom vodivý valec je definovaný dĺžkou l, polomerom r v a fyzikálnymi parametrami: rezistivitou ρ e, mernou tepelnou vodivosťou λ, objemovou hmotnosťou ρ, hmotnostnou tepelnou kapacitou c. V procese ohrevu budeme predpokladať ich nezávislosť na teplote (lineárna úloha). Obr. 10 Ohrev vodivého valca jednosmerným prúdom.4.1 Matematický model ohrevu pevnej vsádzky bez tepelných strát Ak je ohrievaná vsádzka tepelne dokonale izolovaná, potom privádzaná elektrická energia sa celá akumuluje v ohrievanom valci, zvyšuje jeho tepelný obsah, zodpovedajúci nárastu teploty z počiatočnej ϑ 0 na teplotu ϑ v čase t. Teda pri hmotnosti vsádzky m bude: W ( ϑ ϑ ) = π r l ρ ( ϑ ) el = Pel t = m c 0 v c ϑ0 (43) Z tejto rovnice energetickej bilancie priamo vyplýva charakteristika ohrevu () t Pel t t = ϑ0 + = ϑ + qel (44) π r l ρ c ρ c ϑ 0 v kde q el je merný výkon elektrického zdroja [W.m -3 ], (rov. 4)

38 38 Odporový ohrev Rovnicu (44) je možné jednoduchým spôsobom previesť do kriteriálnej formy (všeobecnej, v bezrozmerovom tvare), tj. ϑ Θ = q ( t) el ϑ r 0 v λ = Fo a t pričom zároveň Fo = (45) r v kde Fo je znovu Fourierovo kritérium s významom bezrozmerového času ohrevu valca s teplotnou vodivosťou a a polomerom r v. Ak je zadaná konečná teplota ohrevu t = t k, zodpovedajúca doba ohrevu valca bude ϑk ϑ0 t0 = ρ c (46) q el Z ostatných rovníc vyplýva, že priamy ohrev valca, dokonale izolovaného od vonkajšieho prostredia má lineárny charakter..4. Matematický model ohrevu pevnej vsádzky s tepelnými stratami Pri rovnakom valci ako v predchádzajúcej časti pre riešenie Fourier-Kirchhoffovej rovnice s vnútorným zdrojom je potrebné definovať hraničnú podmienku. Najviac sa uplatňuje hraničná podmienka 3. druhu, pre ktorú je potrebné mimo iného poznať teplotu okolia ϑ o a celkový činiteľ prestupu tepla α c. Riešenie rovnice (4) je možné urobiť analytickými alebo numerickými metódami s rôznou presnosťou a obtiažnosťou. Pri hraničnej podmienke 3. druhu a použitím analytickej metódy separácie premenných, rovnica (4) pre jednorozmerné pole poskytuje riešenie v kriteriálnom tvare: ϑ Θ = q ( t, r) el ϑ r 0 v λ = 1 4 Bi r r v + 1 Bi J γ r r exp 0 i i v i= 1 γ i i 0 ( γ Fo) ( Bi + γ ) J ( γ ) i (47) v ktorom znamenajú: Θ pomerná teplota vsádzky Bi Biotovo kritérium alebo bezrozmenný koeficient prestupu tepla α J 0 (γ) je Besselova funkcia prvého druhu, nultého rádu, s kladnými koreňmi γ i rovnice ( γ ) 0 Bi J0 ( γ ) γ J1 = (48) v ktorej J 1 (γ) je Besselova funkcia prvého druhu, prvého rádu. Grafické zobrazenie pre os valca a povrch valca na obr. 11 je znovu všeobecne platné a praktické ako predchádzajúce Budrinove diagramy.

39 Odporový ohrev 39 Obr. 11 Závislosť pomernej teploty valca ohrievaného jednosmerným prúdom od Fo a Bi (vľavo v osi valca, v pravo na povrchu valca) Prezentované kriteriálne riešenia a zodpovedajúce priebehy majú skôr teoretický význam. Skutočné charakteristiky ohrevu valca sa nachádzajú najmä v lineárnej časti obr. 11. Z toho vyplýva, že pre bežné technické výpočty ohrevu valcovej vsádzky priamym spôsobom je dostatočne presný postup uvedený v predchádzajúcej časti, t.j. s predpokladom ohrevu bez tepelných strát..5 Odporové pece a zariadenia pre priamy ohrev Podľa druhu vsádzky poznáme: - zariadenia na ohrev pevnej vsádzky, napr. pre tepelné spracovanie kovových tyčí, pásov, hriadeľov, pre grafitáciu uhlíkových produktov, pre výrobu karbidu kremíka a pod., - zariadenia na ohrev tekutej vsádzky, najmä ako sklárske taviace pece, pece pre termickú elektrolýzu, elektrické kotle a pod. Potrebný elektrický príkon týchto zariadení sa odvodzuje od celkove spotrebovaného tepla, t.j. užitočného tepla a zložky na pokrytie tepelných strát a od požadovanej doby ohrevu vsádzky. Qc Pel = (49) c t 0 Q = Q + Q (50) už ts kde Q c je generované teplo Jouleovým tepelným efektom.

40 40 Odporový ohrev.5.1 Zariadenia pre ohrev pevnej vsádzky 1. Klasickým príkladom priameho ohrevu pevnej vsádzky je tzv. elektrokontaktný ohrev, realizovaný v elektrokontaktných ohrievačkách (EKO). Slúži k tepelnému spracovaniu vodivých predmetov, ak ich dĺžkový rozmer je minimálne 10-krát väčší ako priemer. Principiálna schéma EKO je znázornená na obr. 1. Obr. 1 Principiálna a elektrická náhradná schéma EKO Vsádzka (1) sa upína medzi klzné alebo pevné kontakty (3), pripojené na nízke napätie do 30 V z regulačného transformátora (), resp. kremíkového usmerňovača pri jednosmernom napájaní. Pre dosiahnutie vysokej tepelnej účinnosti má byť doba ohrevu čo najkratšia. Preto tieto zariadenia majú vysoké výkony 100 kw a viac. Pre výkony podstatne prevyšujúce 100 kw sú však výhodnejšie indukčné ohrievače. Príkon ohrievača klesá pri náraste odporu tyče s teplotou, straty stúpajú. Veľkosť prúdu prechádzajúceho tyčou sa v priebehu ohrevu mení v dôsledku zmeny rezistivity s teplotou. Naviac, pri striedavom napájaní sa výrazne uplatňuje skinefekt, zvlášť pri ohreve feromagnetík nad hodnotou Curieho bodu. Hĺbka vniku elektromagnetického vlnenia, v ktorej sa uvoľňuje približne 86 % tepla, u bežného feromagnetika pri frekvencií 50 Hz do Curieho teploty (pre uhlíkovú oceľ 768 C) býva niekoľko jednotiek milimetrov. Nad Curieho teplotou (relatívna permeabilita poklesne na μ r = 1 a rezistivita ρ sa zvýši približne 7-krát) vzrastie pri rovnakej frekvencií na hodnotu asi 70 mm. Pri ohreve feromagnetík sa preto do Curieho teploty intenzívne ohrieva povrch, nad touto teplotou vnútro tyče. Túto skutočnosť je potrebné akceptovať najmä z pohľadu rovnomernosti ohrevu po priereze ohrievaného materiálu, či výbere napájacieho zdroja. Elektrokontaktný ohrev je možné realizovať v periodickom aj priebežnom režime. V zariadeniach s periodickým režimom sa používajú čelné aj radiálne kontakty, s priebežným režimom prítlačné kladky.. Achesonove pece tieto pece sa používajú najmä na výrobu grafitu, grafitáciou uhlíka pri pracovných teplotách až 500 C. Takto sa vyrábajú grafitové elektródy, rúrky, kefky a pod. Grafitačná Achesonova pec je znázornená na obr. 13a. Pec má tvar pravouhlého koryta, tvarovaného dnom (1) a stenami. Do čelných stien () sú zapustené grafitové bloky (3) ako elektródy na prívod prúdu z regulačného transformátora (7). Vsádzka (5) je zasypaná zmesou (6) zo zrnitého koksu a grafitu. Veko (4) a bočné steny sú odnímateľné pre lepšiu manipuláciu so vsádzkou. Grafitačné pece sú prevažne jednofázové zariadenia s výkonmi až do 10 MVA, preto vyžadujú symetrizačné zariadenia. Rozsah sekundárnych napätí je 50 až 00 V, počet odbočiek až 30. Pece majú dĺžku 8 až 0 m. Pretože účinník pecí je nízky (okolo 0,5) musia byť opatrené kompenzačnou batériou. V ostatných rokoch sa uplatňujú konštrukcie s jednosmerným zdrojom. Achesonove pece sa tiež používajú na výrobu karbidu kremíka. Výkonmi a rozmermi sú menšie ako grafitačné pece (obr. 13b)

41 Odporový ohrev 41 a) b) Obr. 13 a) Achesonova grafitačná pec b) Achesonova pec na výrobu karbidu kremíka.5. Zariadenia pre ohrev tekutej vsádzky, elektródový ohrev Fyzikálnym princípom patrí elektródový ohrev do kategórie priameho odporového ohrevu. Ohrievaným médiom je tekutá vodivá vsádzka, napr. voda, elektrolyt, sklovina a pod. Teplo sa generuje jednosmerným alebo striedavým prúdom, privádzaným do tekutej vsádzky cez sústavu dvoch alebo viacerých elektród (podľa predmetného technologického procesu). Uvedený princíp sa využíva najmä v nasledujúcich peciach, resp. kotloch: 1. Elektródové kotly vodné, resp. parné slúžiace pre ohrev vody, resp. na výrobu pary. Z dôvodu zabránenia elektrolýzy pracujú so striedavým napätím. Prúd podľa veľkosti príkonu sa zavádza do vody cez grafitové (pri malých príkonoch) alebo kovové elektródy (pri veľkých príkonoch). Elektrické kotly sa konštruujú na nízke napätie 30 V, resp. 400 V a pre vysoké až do 30 kv. Pre veľké výkony a vysoké napätie sa stavajú trojfázové. Prietokové kotly sa stavajú od výkonu niekoľko kw až po niekoľko MW.. Sklárske taviace pece sú určené pre výrobu skloviny. Princíp elektrického tavenia skla spočíva vo využití vodivých vlastností skloviny v natavenom stave. Aby sa vylúčila možná elektrolýza, v sklárskych taviacich peciach sa používa napájanie tiež striedavým prúdom, ktorý sa do vane pece s roztavenou sklovinou privádza cez systém vodivých a žiaruvzdorných elektród. Tvar a rozmiestnenie elektród sa volí tak, aby okrem rovnomerného prenosu energie do skloviny sa zabezpečil primeraný elektrodynamický účinok, vyvolávajúci prúdenie a homogenizáciu skloviny. Z materiálov pre výrobu elektród do sklárskych pecí sa najviac používa čisté železo (na starých typoch pecí), grafit, molybdén, tiež oxid cíničitý alebo superkhantal. Podľa podielu využitia elektrickej energie poznáme dva typy sklárskych pecí, celoelektrické a s elektrickým príhrevom. V porovnaní s palivovými pecami elektrické pece sú hospodárnejšie, kvalita skla je vyššia, menej znečisťujú okolie. Z dôvodu zápornej charakteristiky skloviny, napätie na peci musí byť regulovateľné, býva 50 až 300 V podľa veľkosti pece. 3. Termické elektrolyzéry sú zariadenia, v ktorých sa uskutočňuje chemický rozklad elektrolytu vplyvom elektrického prúdu, t.j. elektrolýza alebo rafinácia pri vysokej teplote. Termickou elektrolýzou sa priemyselne vyrába najmä hliník, ale aj horčík a sodík. Elektrolytický hliník sa vyrába z Al O 3, ktorý je základnou zložkou prírodného bauxitu. Rozkladné napätie Al O 3 je približne, V, spolu s depolarizačným napätím anódy a úbytkom na prívodoch na jeden elektrolyzér je potrebné napätie okolo 5 V. Elektrolyzéry sa zapájajú do série, napr. na napätie 300 V tak pripadá 60 jednotiek. 4. Katódový ohrev. Princíp ohrevu je jednoduchý. Súčiastka určená k ohrevu (nit, skrutka...) tvorí katódu zariadenia, anódou je kovová nádoba. Katóda je ponorená do elektrolytu (napr. voda s 10 % Na CO 3 ). Po pripojení jednosmerného zdroja

42 4 Odporový ohrev dochádza k tzv. katódovému efektu, t.j. k vytvoreniu tenkej vrstvy pary na povrchu katódy, čím prechodový odpor stúpa a vzniknutým elektrickým oblúkom sa táto intenzívne ohrieva. Na sérii obr. 14 až 17 sú naznačené niektoré konštrukčné schémy zariadení pre ohrev tekutej vsádzky [9] Obr. 14 Elektródový kotol Obr. 15 Sklárska taviaca pec Obr. 16 Elektrolyzér Obr. 17 Katódový ohrev.6 Elektrické vykurovanie Využívanie elektrickej energie pre účely vykurovania a temperovania uzavretých priestorov má v ostatných desaťročiach vo svete stúpajúcu tendenciu, v SR najmä po r Tento vývoj je podmienený niekoľkými okolnosťami. Sú to najmä známe nedostatky lokálnych spôsobov vykurovania fosílnymi palivami, ale aj nárast výroby elektrickej energie prejavujúci sa jej relatívnym dostatkom v nočných hodinách, kedy môže byť poskytovaná v cenovo prístupných sadzbách. Aj keď zahraničné skúsenosti poukazujú, že najvhodnejším nositeľom energie pre vykurovanie je elektrická energia, problematika elektrického vykurovania je rozporná a zložitá. Z ekonomického pohľadu je to najnákladnejší spôsob vykurovania, technické problémy spočívajú napr. v priepustnosti rozvodných sietí, v nevhodných izolačných vlastnostiach obvodových plášťov vykurovaných priestorov a pod. V rozhodovacom procese výberu vykurovania je preto potrebné zohľadniť všetky výhody a nevýhody elektrického spôsobu. Zásadné výhody elektrických vykurovacích systémov sú:

43 Odporový ohrev 43 - vysoká elektrická účinnosť (prakticky 100 %) - vysoká spoľahlivosť, prevádzková pohotovosť a dlhá životnosť - dokonalá regulácia systémov, jednoznačná merateľnosť spotreby elektrickej energie - hygienická prevádzka bez ekologických dopadov - bezpečná a bezhlučná prevádzka, nenáročná obsluha - tvarová prispôsobivosť vykurovacích telies interiérovým požiadavkám, mobilita niektorých typov telies - porovnateľné kapitálové náklady s neelektrickými spôsobmi Nevýhody: - vysoké prevádzkové náklady - riziko nepriaznivého ovplyvňovania denného diagramu zaťaženia ES (elektrizačnej sústavy) v dobe špičiek.6.1 Metódy elektrického vykurovania Podľa umiestnenia zdroja tepla (elektrotepelného meniča vykurovacieho telesa) aj elektrické vykurovanie býva riešené dvojako: - lokálnym spôsobom teleso resp. sústava je umiestnená priamo vo vykurovanom objekte - centrálnym (ústredným) spôsobom teleso resp. sústava sú umiestnené mimo alebo len v jednom objekte, do ostatných priestorov sa prenáša vhodne zvoleným teplonosným médiom Podľa doby, v ktorej vykurovacie teleso konvertuje elektrickú energiu na teplo a v ktorej sa generované teplo spotrebováva, poznáme niekoľko metód resp. systémov elektrického vykurovania. 1. Elektrické priame vykurovanie Systémy sa zapínajú v dobe, v ktorej sa bezprostredne spotrebováva teplo, bez ohľadu na odberový diagram rozvodnej siete, čo znamená nepriaznivý vplyv na ES. Výhodou priameho vykurovania je nízka tepelná zotrvačnosť (vysoký stupeň pohotovosti) jednoduchá regulácia a inštalácia. Nevýhodou sú najmä vysoké prevádzkové náklady (odber vo vysokej sadzbe) a relatívne vysoká povrchová teplota. Priame vykurovanie je možné realizovať rôznymi spôsobmi, napr. teplometmi, infražiaričmi, pri centrálnom rozvode priamo ohrievaným teplým vzduchom a pod.. Akumulačné vykurovanie Pri akumulačnom spôsobe vykurovacie teleso generované teplo akumuluje do vhodného média v dobe mimo energetických špičiek a uvoľňuje v dobe spotreby (v tzv. vybíjacej dobe akumulačného systému). Výhody tohto spôsobu sú v nízkej sadzbe za spotrebovanú elektrickú energiu a vo vysokom tepelnom výkone. Nevýhodou sú vyššie kapitálové náklady a veľká hmotnosť, spôsobená akumulačným médiom. Medzi klasické akumulačné systémy patria akumulačné kachle pre lokálne vykurovanie a centrálne systémy pre teplovodné alebo teplovzdušné vykurovanie. 3. Hybridné vykurovanie Sú to kombinované systémy priameho a akumulačného vykurovania so vzájomným blokovaním. Priamy systém je možné použiť v dobe prepadov denného diagramu zaťaženia ES a využíva sa najmä na prikurovanie priestorov v čase silných mrazov. Z dôvodov efektívnosti je priame vykurovacie teleso opatrené ventilátorom.

44 44 Odporový ohrev 4. Programové vykurovanie Sú to moderné spôsoby, pri ktorých sa objekt vykuruje na požadovanú teplotu len v dobe jeho využívania. V ostatnom čase sa miestnosti temperujú len na základnú teplotu 15 C. Pri programovom vykurovaní sa reguluje nabíjanie telesa a teplota priestoru využitím mikroprocesorov. Podmienkou uplatnenia je kvalitná tepelná izolácia objektu. Tieto systémy zabezpečujú značnú úsporu energie. 5. Metódy veľkoplošného vykurovania s nízkou teplotou Tieto spôsoby sa riešia pomocou odporových vykurovacích káblov, uložených v horizontálnej rovine, spravidla pod podlahou. Preto názov podlahové vykurovanie. Nakoľko ide o progresívnu metódu vykurovania venujeme jej samostatnú časť. 6. Integrované metódy vykurovania Sú to metódy využívajúce viac tepelných zdrojov. Sekundárnym zdrojom môže byť napr. tepelný zisk zo solárnych kolektorov, z odpadného tepla, tepelného čerpadla, prípadne iný..6. Elektrické podlahové vykurovanie (veľkoplošné) Pod podlahovým vykurovaním všeobecne rozumieme taký spôsob, pri ktorom vykurovací systém je umiestnený pod podlahou vykurovaného objektu. Môže byť realizovaný dvojako: buď teplovodnými trubkami, pričom voda sa ohrieva v rôznych typoch kotlov vrátane elektrických alebo odporovými vykurovacími káblami, v ktorých sa generuje teplo podľa Jouleovho zákona. V oboch prípadoch je výhrevná plocha veľká, preto sa tento spôsob tiež označuje ako veľkoplošné vykurovanie. Podľa charakteru prevádzky elektrické podlahové vykurovanie býva: akumulačné, poloakumulačné a priame. Navzájom sa líšia inštalovaným výkonom, odporom káblov, hrúbkou akumulačnej vrstvy a spôsobom regulácie. Spoločnými požiadavkami pre uvedené prevádzky je, že teplota podlahy nemá prekročiť 5 C a vysoké nároky na životnosť systémov, ktorá by mala byť porovnateľná so životnosťou vykurovaného priestoru. Pre všetky spôsoby elektrického podlahového vykurovania súčasný trh ponúka široký sortiment odporových káblov..6.3 Maloplošné vykurovacie telesá a systémy Telesá a systémy pre priame vykurovanie Priamovykurovacích telies a systémov je mnoho. Okrem rôznych odporových špirál, často neodborne zhotovených, klasických teplometov a malých infražiaričov, v súčasnosti sa používajú ďalšie telesá a systémy spravidla už vysokej kvality. Pre lokálne vykurovanie sú to najmä: - Elektrické radiátory sú to oceľové radiátory naplnené vodou alebo olejom ako teplonosným médiom, v ktorých v spodnej časti sú umiestnené trubkové vykurovacie telesá, regulované termostatom. Konštruujú sa pre výkony približne do 4 kw, doba nábehu býva max. 45 min. a závisí od veľkosti radiátora a výkonu. Patria do skupiny konvekčných zdrojov tepla. - Elektrické konvektory sú rovnako konvekčné zdroje. Teplonosným médiom je vzduch, ktorý sa do spodnej časti konvektora nasáva prirodzenou alebo nútenou konvekciou, ohrieva sa odporovou špirálou, z hornej časti konvektora sa odvádza do ohrievaného objektu. Tepelne výkonnejšie sú konvektory s nútenou cirkuláciou vzduchu. Moderné konvektory sú opatrené kvalitnou reguláciou s možnosťou centrálneho riadenia.

45 Odporový ohrev 45 - Elektrické sálavé panely sú sálavé zdroje tepla. V klasických infračervených žiaričoch má konverzné teleso povrchovú teplotu min. 50 C a pomocou reflektora je sálavé teplo usmerňované do požadovaného smeru. V nízkoteplotných sálavých paneloch teplota sálavého povrchu spravidla nepresahuje 40 C. Sálavý povrch panelu sa vyrába z hliníkového alebo duralového plechu, z dôvodu tepelnej rozťažnosti osadeného do rámu z rovnakého materiálu. Sálavý povrch sa ohrieva výhrevnými článkami, meandrovito tvarovanými. Zadná plocha panelu je tepelne izolovaná vláknitými materiálmi. Sálavé panely sa osadzujú na strop alebo steny vykurovanej miestnosti - Do skupiny sálavých plôch patria aj stropné panely veľkoplošné, používané vo viacpodlažných budovách. Konverzným prvkom sú tkané odpory, t.j. vhodný textilný materiál pretkaný tenkým odporovým vodičom (podobne ako v klasických elektrických vankúšoch, vyhrievaných oblekoch a pod.). S využitím tkaných odporov sa vyrábajú tiež tzv. temperovacie tapety s nalepením na zvislé steny vykurovanej miestnosti. V Anglicku, ešte začiatkom 80-tych rokov bola patentovaná elektricky vodivá maľba s povrchovou teplotou do 40 C. Vodivá vrstva sa pokrýva normálnym povrchovým náterom. - Pre centrálne vykurovanie objektov sa bežne používajú elektrické kotly, s ohrevom vody ako teplonosným médiom do radiátorového systému. Voda sa ohrieva v kotloch (nádobách) buď klasickými odporovými telesami (uzavretými výhrevnými článkami pozri časť.3.1) alebo priamym ohrevom v elektródových kotloch (pozri časť.5.). Telesá a systémy pre akumulačné vykurovanie Podobne ako priame aj akumulačné vykurovanie sa dá realizovať niekoľkými spôsobmi. Pre lokálne vykurovanie miestností okrem už uvedeného podlahového spôsobu, aj v súčasnosti sa používajú klasické akumulačné kachle. Existujú tri typy akumulačných pecí. 1. typ je charakteristický odvodom tepla len z povrchu plášťa pece a to z časti sálaním, z časti prirodzenou konvekciou. Pretože odvod tepla je prirodzený, v priebehu vybíjacej doby nie je možné regulovať tepelný tok z povrchu. Taký režim vybíjania nazývame statický. Statické akumulačné pece sú preto vhodné najmä pre priestory využívané v dopoludňajších hodinách, pre zabezpečenie celodennej tepelnej pohody sa vyžaduje popoludňajšie dobíjanie (spravidla medzi 14 až 16 hodinou).. typ je charakteristický odvodom tepla sálaním a prúdením do vykurovaného objektu prevažne z povrchu plášťa. Zostatková časť naakumulovaného tepla sa odvádza do priestoru riadene ohrievaným vzduchom, prúdiacim medzerami (kanálikmi) v akumulačnom jadre. Táto časť tepla je regulovateľná priestorovým termostatom a regulačnou klapkou. Tento typ kachlí je vhodný pre celodenné využívanie miestnosti pri podmienke dobrých tepelnoizolačných vlastností stien. 3. typ akumulačných pecí patrí do skupiny dynamických. V tomto type pecí prevláda odvod tepla riadene pomocou ventilátora, ktorý preháňa vzduch cez kanáliky akumulačného jadra. Ventilátor je spravidla dvojrýchlostný, ovládaný priestorovým termostatom. Regulovanie odvodu tepla je teda automatické, podľa vnútornej teploty miestnosti. V dynamických peciach len malá časť tepla sa odvádza prirodzeným spôsobom cez plechový plášť pece.

46 46 Odporový ohrev Pre centrálne akumulačné vykurovanie sa najčastejšie používajú elektrické teplovodné systémy, riešené ako jedno alebo dvojstupňové. Pri jednostupňovom systéme sa teplo generované výhrevnými článkami v dobe nabíjania akumuluje do vodného zásobníka a v dobe vybíjania je voda obehovým čerpadlom vháňaná do radiátorovej sústavy. Celý systém môže pracovať aj v priamom režime, ak pri ohreve vody v zásobníku sa otvorí trojcestný ventil. Dvojstupňový systém akumulačného vykurovania je kombinovaný. V dobe nabíjania sú obehové čerpadlo a trojcestný ventil nastavené tak, že voda ohrievaná v bloku prúdi do akumulačnej nádrže, s postupným ohrevom na nastavenú teplotu. Po skončení nabíjania sa ventil prestaví a voda z bloku prúdi priamo do vykurovacej sústavy. Až po jej ochladení sa vykurovacia sústava prepája na akumulačnú nádrž ďalším prestavením ventilu. Systém sa dá plne automatizovať pomocou termostatov v spojení s elektropohonom ventilu..6.4 Tepelný stav prostredia a tepelná pohoda človeka V súvislosti s návrhom a prevádzkovaním rôznych systémov vykurovania sa stretávame s pojmom tepelný stav prostredia. Je to stav, ktorý sumárne vníma človek v uzavretej miestnosti a súvisí s nasledujúcimi fyzikálnymi parametrami prostredia: - s teplotou okolitého vzduchu - s tzv. účinnou teplotou okolitých plôch - s relatívnou vlhkosťou vzduchu - s rýchlosťou prúdiaceho vzduchu V niektorých prípadoch pre vyjadrenie tepelného stavu prostredia postačuje akceptovať jeden parameter (spravidla teplotu okolitého vzduchu), v iných aj ostatné. Napr. vo vlhkých prostrediach relatívnu vlhkosť, v miestnostiach s prievanom rýchlosť prúdenia vzduchu a pod. Tepelný stav prostredia je jedným z faktorov, ktorý ovplyvňuje tepelnú pohodu človeka. Pocit tepelnej pohody človeka je skôr individuálnou vlastnosťou, je podmienený vekom a zdravotným stavom, mierou únavy, náročnosťou vykonávanej práce a pod. Je daný rovnováhou tepelného režimu človeka, nutnou k udržovaniu normálnej teploty tela, t.j. okolo 37 C.

47 3 Indukčný ohrev 47 3 INDUKČNÝ OHREV Indukčný ohrev je elektrický ohrev vodivých materiálov v striedavom elektromagnetickom poli (EMP). Teplo sa generuje Jouleovým tepelným efektom. Ohrievaná vsádzka (pevná alebo kvapalná) je indukčne spojená s obvodom induktora (cievky), prenášajúcim energiu EMP v širokom frekvenčnom rozsahu f < 10 1 Hz, 10 6 Hz >. Indukčný ohrev je priamy ohrev, len ojedinele sa realizuje nepriamo. Priamy spôsob ohrevu spôsobuje, že vsádzka má najvyššiu teplotu v celom zariadení. Indukčná väzba medzi induktorom a vsádzkou sa konštrukčne zabezpečuje dvojakým spôsobom. vzduchom konfigurácia poľa vyvoláva vo vsádzke magnetický skinefekt, fero-magnetickým obvodom konfigurácia poľa vyvoláva vo vsádzke elektrický skinefekt (ako vo vodiči pretekanom striedavým prúdom). Generovanie Jouleovho tepla teda využíva dvojaký princíp: princíp súvisiaci s magnetickým skinefektom, uplatňujúci sa v indukčných ohrievačkach a indukčných tégľových peciach, zjednodušene povedané, pracujúcich na princípe vzduchového transformátora (transformátora bez Fe-jadra). Vodivá vsádzka v týchto zariadeniach sa umiestňuje do dutiny indukčnej cievky, napr. v tvare kruhového prierezu. Rozloženie magnetickej zložky intenzity EMP, resp. magnetickej indukcie a smer vírivých prúdov vo vsádzke sú naznačené na obr. 18 (magnetický skinefekt) Obr. 18 a) Indukčný ohrev vsádzky súvisiaci s magnetickým skinefektom b) Rozloženie magnetickej indukcie a smer prúdu vo vodivej vsádzke pri uplatnení magnetického skinefektu princíp súvisiaci s elektrickým skinefektom, uplatňujúci sa v indukčných kanálkových peciach, pracujúcich na spôsob transformátora s Fe - jadrom (transformátor s uzavretým feromagnetickým obvodom). Vsádzka tvorí sekundárny obvod transformátora (závit nakrátko), v ktorom preteká indukovaný prúd, ohrievajúci vsádzku (obr. 19a). Rozloženie elektrickej zložky intenzity EMP, resp. prúdovej hustoty prúdu po priereze, napr. kruhového kanála a smer magnetickej indukcie sú znázornené na obr. 19

48 48 3 Indukčný ohrev Obr. 19 a) Indukčný ohrev vsádzky súvisiaci s elektrickým skinefektom b) Rozloženie prúdovej hustoty a smer magnetickej indukcie vo vodiči pri uplatnení elektrického skinefektu Uvedené princípy vzniku tepla indukčným spôsobom sú teda fyzikálne duálne. V oboch prípadoch pre stanovenie indukovaného výkonu, teda generovaného tepla vo vodivej vsádzke, treba poznať zákonitosti elektromagnetického vlnenia (EMV). 3.1 Indukovaný výkon pri indukčnom ohreve Pre obe možnosti generovania tepla indukčnou metódou naznačíme výpočet indukovaného tepelného výkonu, ktorý vyplýva z riešenia vlnových rovníc EMP. Všeobecný tvar týchto rovníc pre obe zložky fázorov intenzity elektromagnetického poľa je: H + k H = 0 (51) E + k E = 0 (5) v ktorých k je konštanta šírenia elektromagnetickej vlny (EMV). Pre vodivé prostredie ( γ >> ω ε ) sa konštanta k redukuje a predmetné rovnice sa zjednodušia na tvar H j ωγµ H = 0 (53) E j ωγµ E = 0 (54) v ktorých okrem fyzikálnych konštánt prostredia (γ a µ) na tvar poľa má vplyv uhlová rýchlosť ω = πf Indukovaný výkon vo valcovej vsádzke Rovnice (53) a (54) aplikujeme na vodivú valcovú vsádzku, umiestnenú súoso vo valcovej medenej cievke. Z dôvodu homogenity poľa cievka a vsádzka nech sú nekonečne dlhé, husto navinutá cievka má na 1 m dĺžky počet závitov N 11 a tečie nimi prúd I 11 = N 11.I 1

49 3 Indukčný ohrev 49 [A.m -1 ], ak I 1 je prúd pretekajúci závitom cievky. Riešenie rovníc (53) a (54) potom poskytuje nasledujúce výsledky: J0( x j ) H = H (55) J x j 0 ( ) 1 J1( x j) E = J = j H (56) γ a γ J0( x j) Z výsledkov vyplýva, že rozloženie oboch zložiek intenzity elektromagnetického poľa je popísané cylindrickými Besselovými funkciami J 0 a J 1 komplexného argumentu ( x j ). Index v oboch rovniciach prináleží hodnotám na povrchu valcovej vsádzky s polomerom r. Reálna zložka argumentu je daná vzťahom x = r (57) a kde a je hĺbka vniku EMV do valcovej vsádzky a = [m] (58) γ µ ω Z rovníc (55) a (56) je možné vyjadriť závislosť podielov absolútnych hodnôt H/H a J/J na pomernom polomere r/r. Priebehy týchto funkcií pre rôzny argument x sú naznačené na obr. 0, a sú grafickým vyjadrením magnetického skinefektu. Obr. 0 Závislosť pomernej intenzity magnetického poľa (a) a pomernej intenzity elektrického poľa vo valcovej vsádzke (b) od pomerného polomeru Z výsledkov (55) a (56) je možné mimo iných veličín vypočítať napr. impedanciu vsádzky, teda aj jej reálnu zložku, t.j. odpor vsádzky prepočítaný na stranu cievky o osovej dĺžke 1 m. π x R1 = P( x ) N11 [Ω.m -1 ] (59) γ kde P(x ) je zvláštna funkcia argumentu x, ktorá pre hodnotu x > 7, čo je prípad tégľových pecí a indukčných ohrievačov, má konštantnú veľkosť P(x ) = 1 /. Potom aj s využitím vzťahu (57) bude:

50 50 3 Indukčný ohrev π r 1 π r R1 = ρ N11 = ρ N11 a a [Ω.m -1 ] (60) resp. pre vsádzku dĺžky l (N 1 = N 11.l) π r R l = R1 l = ρ N1 a l [Ω] (61) Vlastný odpor vsádzky (ekvivalentný) pre dĺžku l = 1 m bude / π r R1 = ρ a [Ω.m] (6) pre dĺžku vsádzky l / π r R1 = ρ a l [Ω] (63) Ak je vsádzka definovaná odporom podľa (59), na zodpovedajúcej dĺžke 1 m sa bude indukovať množstvo tepla (tepelný výkon) P I1 1 = R1 = R1 I1ef = π x P( x ) ( N11 I1ef ) Pre argument x > 7 tepelný výkon pre dĺžku vsádzky 1 m je: P 1 = ( N11 I ef ) a pre dĺžku vsádzky l: P l ρ [W.m -1 ] (64) π r ρ [W.m -1 ] (65) = P 1 ( N I ) π r N1 π r l = ρ I1ef l = ρ 1 1ef [W] (66) a l a l Súčin a.l predstavuje prierez vsádzky, ktorým preteká indukovaný prúd. Preto aj keď odpor vsádzky konečnej dĺžky vyjadrujeme súčinom R 1.l, ekvivalentný odpor s dĺžkou vsádzky klesá (zväčšuje sa prierez). Prepočítaný odpor vsádzky na stranu cievky a tepelný výkon vo vsádzke konečnej dĺžky l stúpajú, pretože sú úmerné kvadrátu počtu závitov cievky N 1. Analýzou výkonových pomerov vo vodivej vsádzke je možné dokázať, že v jej povrchovej vrstve rovnajúcej sa hĺbke vniku sa uvoľňuje tepelný výkon 86 % z celkového výkonu P 1 (65), vo vrstve rovnajúcej sa trojnásobku hĺbky vniku sa generuje tepelný výkon 99,75 % z celkového. To znamená, že v takejto vrstve sa utlmí prakticky všetka energia dopadajúceho EMV. Túto skutočnosť je potrebné rešpektovať pri optimalizácii relácie medzi polomerom vsádzky a hĺbkou vniku EMV, najmä v indukčných ohrievacích zariadeniach. Ak je totiž hĺbka vniku vzhľadom na polomer vsádzky veľká (frekvencia nízka), vsádzka je voči vlneniu priepustná, slabo absorbujúca energiu EMV. Výsledná prúdová hustota vo vsádzke je rovnako malá, malý je aj generovaný tepelný výkon. V opačnom prípade ak je hĺbka vzhľadom na polomer príliš malá, energia EMV sa absorbuje dokonale v povrchových vrstvách vsádzky. Generovaný tepelný výkon je vysoký, časť sa však spotrebuje na krytie tepelných strát z povrchu vsádzky do okolia. Ohrev vsádzky po jej priereze je viac nerovnomerný. Medzi uvedenými extrémami je potrebné hľadať optimálny vzťah medzi r a a, aj s ohľadom na požadovanú tepelnú technológiu.

51 3 Indukčný ohrev Indukovaný výkon vo valcovom vodiči Z pohľadu rozloženia magnetickej a elektrickej zložky intenzity EMP vo vodivom prostredí je valcový vodič fyzikálne duálny valcovej vsádzke. Tab. 7.1 SMER FÁZORA VALCOVÁ VSÁDZKA VALCOVÝ VODIČ H v smere osi kolmý k osi E resp. J kolmý k osi v smere osi Obe zložky intenzity EMP, resp. prúdovej hustoty vo valcovom vodiči sú preto jednoznačne popísané podobnými vzťahmi J0( x j) J = γ E = J (67) J ( x j) 0 a J1( x j) H = j J (68) J0( x j) kde J je fázor prúdovej hustoty na povrchu valcového vodiča J 0 a J 1 sú znova Besselove funkcie s komplexným argumentom. Z porovnania rovníc (55) a (56) s rovnicami (67) a (68) je evidentné, že priebehy pomerných absolútnych hodnôt J/J, resp. H/H v závislosti na r/r zodpovedajú priebehom funkcií na obr. 0, ak na zvislej súradnici vymeníme premenné. Sú grafickým vyjadrením pôsobenia elektrického skinefektu vo valcovom vodiči. Ak uzavretý kanál taviacej kanálkovej pece má tvar valcového vodiča dĺžky l, potom vychádzajúc z jeho vstupnej impedancie je odpor vodiča s polomerom r o osovej dĺžke 1 m definovaný všeobecným vzťahom R 1 1 = ρ Q( x ) (69) π r a kde Q(x ) má podobný charakter ako funkcia P(x ) v rovnici (59). Rozdielne od tegľových pecí, v kanálkových peciach je argument x malý. Vyplýva z nízkej frekvencie napájacieho prúdu (50 Hz), malého polomeru r kanála a požiadavky na rovnomerné rozloženie prúdovej hustoty po celom priereze valcového vodiča. Pre x < 1 funkcia Q(x ) má približne konštantnú hodnotu a Q( x ) = = (70) x r Potom vzťah (69) sa zjednoduší na tvar 1 R1 = ρ [Ω.m -1 ] (71) π r čo je odpor valcového vodiča dĺžky l = 1 m. Ak má kanál osovú dĺžku l, jeho celkový odpor bude l R l = R1 l = ρ [Ω] (7) π r Ak kanálom preteká indukovaný prúd o efektívnej hodnote I ef, zodpovedajúce tepelné výkony budú:

52 5 3 Indukčný ohrev tepelný výkon pre l = 1 m a ľubovoľný argument x 1 P1 = ρ Q( x ) I ef [W.m -1 ] (73) π r a tepelný výkon indukovaný v kanáli dĺžky l = 1 m pre argument x < 1 1 P1 = ρ I ef [W.m -1 ] (74) π r Napokon, ak ma kanál dĺžku l a znova x < 1, celkový tepelný výkon bude: l P l = P1 l = ρ I ef [W] (75) π r Pri uvedenom predpoklade x < 1 je prúdová hustota približne konštantná po celom priereze valcového vodiča. Z pohľadu konštrukcie kanálkových pecí sa však x volí väčšie, v hraniciach x 1,5 až 3, čím pri rovnakej frekvencii napájacieho prúdu je väčší aj polomer kanála r. Je to čisto praktické opatrenie, pretože polomer kanála sa v priebehu prevádzky pecí zmenšuje, napr. pri tavení hliníka (ťažkým oxidom hliníka kanál zarastá ). Zväčšovaním polomeru r zmenšuje sa jeho odpor, rovnako klesá aj tepelný výkon. Nerovnomernosť rozloženia prúdovej hustoty v kanáli pece sa zvyšuje. V predmetnej kapitole sme sa zamerali na stručné teoretické odôvodnenie vzniku tepla prostredníctvom EMV dvoma, fyzikálne duálnymi spôsobmi: vo vodivej vsádzke, princípom súvisiacim s magnetickým skinefektom vo vodiči, princípom súvisiacim s elektrickým skinefektom Prvý spôsob nachádza praktické uplatnenie: pre taviace procesy vodivých materiálov v indukčných tégľových peciach pre procesy tepelného spracovania v indukčných ohrievacích zariadeniach Druhý spôsob nachádza uplatnenie v indukčných kanálových peciach najmä pre tavenie, ale aj mixovanie a udržiavanie roztaveného kovu na požadovanej technologickej teplote. 3. Indukčné tégľové pece Tégľové pece (ITP) sú konštrukčne jednoduché. Vyrábajú sa pre sieťovú frekvenciu 50 Hz, pre stredné frekvencie od 150 do Hz alebo vysokofrekvenčné od 10 4 až 10 6 Hz. S rastúcou frekvenciou objemy tégľov prirodzene klesajú. Principiálna schéma ITP so základnými konštrukčnými prvkami je na obr induktor téglik 3 magnetické tienenie 4 azbestocementové stĺpy 5 oceľový plášť 6 tehlová izolácia 7 tieniaci Cu plech 8 mriežkové dno 9 liaci žliabok 10 os naklápania Obr. 1 Schéma tégľovej pece

53 3 Indukčný ohrev 53 Výmurovka tégľa musí byť dostatočne žiaruvzdorná, chemicky odolná, s dobrými elektroizolačnými a mechanickými vlastnosťami. Vyrába sa na báze SiO, resp. SiO a Al O 3, pre tavenie kovov s malým merným odporom sa používajú tégle grafitové, alebo zo žiaruvzdornej liatiny. Induktor pece je z mnohozávitovej, jednovrstvovej valcovej cievky, z dutého medeného vodiča, chladeného vodou. Na obmedzovanie rozptylového magnetického toku induktor pece sa tieni buď zväzkami transformátorových plechov (pre pece s frekvenciou do 000 Hz) alebo medeným plášťom (nad 000 Hz). Tégeľ (téglik) tvorí taviaci priestor pece a určuje jej kapacitu. Tvar tégľa vonkajšieho obvodu je valcový, vnútorného obvodu valcový, u väčších pecí kužeľový. Stredná hrúbka tégľa s obsahom nad 1 tonu vsádzky býva 7 až 5 cm. Životnosť tégľov na báze SiO býva max. 150 tavieb a závisí od kapacity pece. Na obmedzenie sálavého toku z povrchu taveniny tégeľ sa zakrýva jednoduchým vekom (poklopom) na väčších peciach vymurovanou klenbou, s hydraulickým pohonom pre jej otáčanie. Tégeľ je opatrený odlievacím žľabom na usmernenie odlievaného kovu do odlievacej panvy. Induktor je jednovrstvová, niekoľko závitová valcová Cu cievka. Je dutá s rôznym profilom, najčastejšie obdĺžnikovým. S ohľadom na elektrické straty v induktore, hrúbka steny h dutého vodiča sa určuje v závislosti od pracovnej frekvencie. V peciach na sieťovú π π frekvenciu je h a, t.j. býva 10 až 15 mm; v peciach s vyššou frekvenciou je h = a, čomu zodpovedá 1,5 až 4 mm (a je hĺbka vniku EMV do induktora). Nakoľko induktory sú husto navinuté cievky, dôležitá je medzizávitová izolácia (vzdušná, bandážová, náterová, nástreková...). Induktor je chladený vodou, chladená voda vo výtoku má mať teplotu ϑ C. Tienenie pece slúži na obmedzovanie rozptylového magnetického toku mimo pece, aby sa nemohol uzatvárať cez okolité oceľové konštrukcie a zvyšovať prídavné elektrické straty. Pri použití tienenia transformátorovými plechmi (pece s frekvenciou do 000 Hz) sa využíva princíp uzatvárania rozptylového toku plechmi. Preto nie sú vhodné pre vyššie pracovné frekvencie. Naopak Cu - plášť je vhodný pre vyššie, nakoľko z princípu pohlcovania elektromagnetickej energie pri nízkych frekvenciách by musel byť dostatočne hrubý. Hrúbka π plášťa musí totiž vyhovovať podmienke h = a, kde a je hĺbka vniku do tieniaceho plášťa Elektrický náhradný obvod indukčnej tégľovej pece bez tieniaceho plášťa a základné elektrické parametre Prezentovanú sústavu cievka - vsádzka je možné nahradiť dvoma indukčne viazanými obvodmi, podľa obr.. Obr. Elektrické náhradné schémy indukčnej taviacej pece Náhradnej schéme zodpovedajú rovnice: U = ( + j ω L I + j ωm I (76) 1 R 1 1) 1, ef, ef = ( R + j L ) I, ef + j ωm 1, ef 0 ω I (77) Ich riešením dostaneme impedanciu pece na svorkách zdroja

54 54 3 Indukčný ohrev ( R1 + p R ) + j ω ( L1 p L ) = RI + j ωli U I = 1 = I1, ef Z (78) kde p = R ω M + ω L = I I, ef 1, ef (79) vyjadruje transformačný prevod medzi indukčne viazanými obvodmi pece. Z rovnice (78) vyplýva, že náhradnú schému s dvoma obvodmi je možné znázorniť jedným obvodom, so zložkami impedancie R I a L I, ktoré obsahujú aj prepočítaný odpor a indukčnosť vsádzky na stranu induktora (cievky). Pri naplnenom tégli, t.j v prevádzke pece, induktorom preteká prúd o veľkosti I 1, ef U = Z 1 I = R I U 1 + ω I L (80) Prúdom I 1ef sú definované: činný príkon pece P = R I = R + p R I (81) 1, W I 1, ef ( 1 ) 1, ef elektrické straty v induktore U1 P1, S = R1 I1, ef = R1 R + ω I I L užitočný výkon pece, t.j. výkon absorbovaný vsádzkou U1 P = p R I1, ef = p R RI + ω LI (83) elektrická účinnosť pece P P R R η el = = = p = p P P + P R R + p R (84) 1, W 1, S I I jalový príkon pece U1 P1, j = ω LI I1, ef = ωli (85) R + ω L I účinník pece RI RI 1 1 cosϕ = = = Z I R + ω L 1+ Q QI (86) I I I Z uvedených vzťahov vyplýva niekoľko záverov, z ktorých pre prevádzku pece sú podstatné najmä: Elektrická účinnosť pece je mimo iného silne závislá cez hodnotu R od rezistivity vsádzky. Preto pece pre tavenie farebných kovov a ich zliatin vykazujú malú elektrickú účinnosť. Pre jej zvýšenie sa používajú pece s vodivým tégľom (o vysokej 1 (8)

55 3 Indukčný ohrev 55 rezistivite), v ktorom sa absorbuje podstatná časť energie EMV a tekutý kov sa ohrieva nepriamo od tégľa. Pre taviace tégľové pece je charakteristická relatívne vysoká akosť obvodu pece ωli QI = > 10 (87) RI preto účinník pece je veľmi nízky. Na vykompenzovanie účinníka potrebná kondenzátorová batéria sa pripája paralelne k impedancii Z I (pozri obr. ) a jej veľkosť sa vypočíta pre podmienku cos φ = 1, t.j. z rovnosti jalových výkonov U1 ω C U1 = ωli I1 = ωli (88) R + ω L I LI odkiaľ potrebná kapacita bude: C = (89) RI + ω LI V tomto stave obvod pece voči zdroju sa chová ako činná záťaž so zaťažovacím odporom LI RZ = (90) R C I 3.. Účinnosť indukčnej tégľovej pece ITP môžu pracovať v dvojakom režime, periodickom alebo priebežnom. Podobne ako pri odporovom ohreve efektívnejšia je priebežná - nepretržitá prevádzka pece. Periodický režim sa spravidla používa len u pecí s menším obsahom vsádzky a vyššou pracovnou frekvenciou. Také pece pracujú zo studeného stavu a bez tekutého zvyšku. V peciach s väčším obsahom vsádzky a sieťovou frekvenciou sa aplikuje nepretržitý režim, s tekutým zvyškom taveniny. Zvyšok taveniny predstavuje časť roztaveného kovu, ktorý sa pri odlievaní ponecháva v tégli a býva 30 až 70% menovitej kapacity pece. Ponecháva sa za účelom bezproblémového nábehu pece a najmä zvýšenia výrobnosti, nakoľko vsádzkovaný predohriaty šrot sa rýchlejšie roztaví. So znižovaním obsahu zvyšku sa prirodzene predlžuje doba tavby, tavba prebieha s menším výkonom ako nominálnym, výkonovo je pec nedostatočne využitá. Dôležitým ukazovateľom racionálnej prevádzky ITP je elektrická, tepelná a celková- (energetická) účinnosť. Elektrická účinnosť závisí od strát v induktore (zvyšujú sa s kvadrátom počtu závitov a efektívnej hodnoty prúdu). Dá sa dokázať, že v konkrétnej ITP daných rozmerov a fyzikálnych vlastnostiach roztaveného kovu existuje určitá kritická frekvencia, nad ktorou sa elektrická účinnosť už nemení. Kritická frekvencia je daná podmienkou x = 7 t.j. d /a = 10, odkiaľ 6 ρ f krit = 5.10 [Hz] (91) d Pri tejto hodnote pracovnej frekvencie, elektrická účinnosť ITP s tienenými transformátorovými plechmi býva okolo 75 %. Horná hranica pracovnej frekvencie je rovnako obmedzená argumentom x, t.j. pomerom d /a = 14, nakoľko jeho zvyšovaním (a je malé - povrchový ohrev) rastú tepelné straty, zmenšuje sa tepelná účinnosť, tým aj celková. Preto z pohľadu celkovej - energetickej účinnosti je efektívny pomer d a 9, 14, t.j. I / zodpovedajúca pracovná frekvencia 6 ρ f prac = (0 50).10 [Hz] (9) d kde ρ je rezistivita vsádzky pri teplote tavenia, d je jej priemer.

56 56 3 Indukčný ohrev Z podrobnejšej analýzy vzťahov (83) a (91) vyplýva: 1) Zväčšovaním priemeru d, resp. pomeru d 1 /d (d 1 je priemer induktora) sa f krit zmenšuje. To znamená, že ITP s veľkou kapacitou môžu pracovať s malou frekvenciou (napr. sieťovou) pri dostatočne vysokej účinnosti. Naopak podmienkou vysokej účinnosti ITP s malou kapacitou je podstatne vyššia frekvencia (pece stredo a vysokofrekvenčné). Pri dodržaní uvedených podmienok býva: η el = 0,75-0,8 pre ITP s trafoplechmi, η el = 0,7 pre ITP s tieniacim plášťom. ) Elektrická účinnosť závisí od geometrických parametrov induktora a vsádzky, menovite od pomerov d 1 /d, h 1 /h a d 1 /h 1, d /h, kde h 1 a h sú výšky induktora, resp. vsádzky. To znamená, že optimálne usporiadanie systému induktor - vsádzka je podmienkou vysokej elektrickej účinnosti η el ITP. 3) Elektrická účinnosť závisí tiež od pomeru ρ 1 /(μ r.ρ ). S jeho zmenšovaním η el rastie Preto je tavenie feromagnetických materiálov s vysokou rezistivitou a relatívnou permeabilitou v normálnych ITP efektívnejšie ako tavenie farebných kovov (ρ je malé, μ r = 1) Pre vyjadrenie energetickej účinnosti ITP je treba poznať aj tepelnú účinnosť. Túto definujeme podielom Puž Puž η t = = (93) P Puž + P str t.j. podielom užitočného výkonu bezprostredne spotrebovaného na ohrev vsádzky a indukovaného výkonu vo vsádzke P. Časť tohto výkonu sa spotrebuje na krytie tepelných strát tégľa (stenami, dnom, vekom a sálaním cez otvorenú pec pri vsádzkovaní) P str. Okrem tepelných strát energetickú účinnosť ITP ovplyvňujú elektrické straty v induktore, v prívodoch elektrickej energie, v kondenzátorovej batérii a v tienení. 3.3 Indukčné ohrievacie zariadenia Indukčné ohrievacie zariadenia (IOZ) sa používajú na ohrev vodivých magnetických a nemagnetických materiálov, na teplotu zodpovedajúcu účelu tepelného spracovania. IOZ podľa technologických požiadaviek delíme na dve základné skupiny: IOZ pre objemové tepelné spracovanie tvárnenie (kovanie, valcovanie, ťahanie...), v ktorých sa indukčne ohrieva relatívne väčšia časť objemu a v celom objeme sa vsádzka dohreje vedením tepla. Podľa technologického procesu je potrebné dodržiavať prípustný teplotný rozdiel medzi povrchom a stredom vsádzky, IOZ pre povrchové tepelné spracovanie kalenie, v ktorých sa ohrieva len pomerne tenká povrchová vrstva na predpísanú kaliacu teplotu. Pri krátkej dobe ohrevu sa vnútorné vrstvy ohrievajú málo, preto spotreba energie pri indukčnom kalení je podstatne menšia ako pri iných metódach kalenia. Podľa charakteru prevádzky obidva typy ohrievačiek môžu pracovať v periodickom alebo priebežnom režime. Fyzikálnym princípom IOZ oboch typov sa nelíšia a využívajú rovnaký spôsob generovania tepla ako pri tégľových peciach. S ohľadom na veľkosť ohrievaného objemu vsádzky (objemový alebo povrchový ohrev) vyžadujú napájacie zdroje s rozdielnou frekvenciou IOZ pre tvárnenie Indukčná ohrievačka pre tvárnenie je znázornená na obr. 3. Vsádzka 1 sa posúva v žiaruvzdornej, resp. tepelnoizolačnej trubici po vodiacich lištách, resp. valčekoch 4. Trubica obmedzuje tepelné straty a chráni induktor 3 pred prehrievaním od vsádzky.

57 3 Indukčný ohrev 57 Obr. 3 Konštrukčná schéma IOZ pre tvárnenie Induktor je niekoľkozávitová cievka z dutého Cu vodiča chladeného vodou, obdĺžnikového alebo kruhového prierezu. Závity sú vzájomne izolované rôznym spôsobom, vzdialenosť medzi závitmi býva až 5 mm. Tvar induktora valcový, obdĺžníkový, príp. oválny zodpovedá spravidla tvaru vsádzky. Žiaruvzdorná, resp. tepelnoizolačná trubica, okrem tepelnej, zabezpečuje aj elektrickú ochranu induktora, výber a hrúbka materiálu trubice sa odvodzuje od pracovných teplôt. Pre zabezpečenie pohybu vsádzky v priebežných IOZ sa uplatňujú rôzne pohony a systémy, závislé od technologických požiadaviek ohrevu rozmerov (najmä dĺžky) a druhu vsádzky. Príslušenstvom IOZ je mechanizmus pohybu vsádzky, chladiaci systém induktora, kompenzačná kondenzátorová batéria, napájací zdroj a systém riadenia technologického procesu. V prevádzke IOZ sa uplatňuje klasický (neizotermický) ohrev alebo zrýchlený izotermický ohrev vsádzky. Pri prvom spôsobe do vsádzky sa prenáša výkon tak, že jej povrchová teplota pozvoľne rastie až na prípustný konečný teplotný rozdiel medzi povrchom a stredom vsádzky. Izotermický ohrev pozostáva z dvoch etáp: v 1. etape, ktorá trvá 10 až 15 % z celkovej doby ohrevu, sa na povrch prenáša výkon s vysokou hustotou, až teplota povrchu dosiahne konečnú teplotu ohrevu. V. etape sa výkon podstatne zmenší, teplota povrchu vsádzky (konečná) sa udržiava konštantnou, vsádzka sa po objeme dohrieva až na prípustný konečný rozdiel. Doba ohrevu v tejto etape je 85 až 90 % z celkovej. Izotermický ohrev je podstatne rýchlejší ako klasický ( až 3 krát). Pre indukovaný tepelný výkon v indukčnej ohrievačke platí vzťah (66). Rovnomerné prehriatie vsádzky zabezpečuje optimálna relácia medzi polomerom vsádzky a hĺbkou vniku EMV, ktorá býva: r = (,5 3) a =, 75 a (94) ρ Ak do (94) dosadíme za hĺbku vniku praktický vzťah a = 5033 dostaneme µ f optimálnu hodnotu frekvencie pre vsádzku s polomerom r, rezistivitou ρ a relatívnou permeabilitou μ r : 6 ρ fopt = 1, [Hz] (95) µ r r Merná spotreba elektrickej energie pri ohreve vsádzky je závislá od jej priemeru a použitej frekvencie. Dobu ohrevu vsádzky je možné skracovať zvýšením frekvencie r

58 58 3 Indukčný ohrev napájacieho prúdu, prípadne jeho veľkosťou a počtom závitov (N 11.I 1 ). Zvyšovanie hustoty závitov cievky sa využíva pri rýchloohreve vsádzky IOZ pre kalenie Predošlý fyzikálny princíp sa využíva aj pri indukčnom kalení. Schéma kaliacej ohrievačky je znázornená na obr. 4. Vsádzka je upevnená vertikálne medzi čelné hroty a otáčavým pohybom (po skrutkovici) postupne prechádza induktorom s jedným alebo malým počtom závitov. Pod induktorom je upevnená vodná sprcha 3, slúžiaca na rýchle ochladenie (zakalenie) vsádzky. Induktor je rovnako z dutého Cu vodiča, ak je viaczávitový je nepretržite chladený vodou. Obr. 4 Konštrukčná schéma IOZ pre kalenie Procesom kalenia sa dosahuje požadovaná tvrdosť a pevnosť povrchovej vrstvy súčiastky. Pri indukčnom kalení sa využíva jeho zásadná výhoda, t.j. možnosť koncentrácie indukovaného tepla len do potrebnej povrchovej vrstvy. Podľa veľkosti pomeru hrúbky zakalenej vrstvy k a hĺbky vniku EMV do predmetnej súčiastky a poznáme dva spôsoby kalenia. kalenie do hĺbky (vrstvené kalenie), ako k / a < 1 kalenie povrchové, ak k / a > 1 Ďalšie oblasti aplikácie indukčného ohrevu sú najmä: indukčné pozdĺžne zváranie rúr indukčné spájanie (napr. rúry s prírubou) pretavovanie vo vznose zónová rafinácia polovodičových materiálov a mnohé ďalšie technológie 3.4 Indukčné kanálkové pece Kanálkové pece (IKP) porovnaním s tégľovými sú konštrukčne zložitejšie. Indukované teplo vo vsádzke tekutom vodivom materiáli vyplňujúcom kanál pece, vzniká princípom prezentovaným v časti Konštrukčne kanálové pece prešli mnohými úpravami, v súčasnosti sa najviac uplatňujú konštrukcie so šikmým alebo zvislým kanálom. Konštrukčná schéma pece so zvislým kanálom je znázornená na obr. 5. Základným konštrukčným prvkom IKP je indukčná jednotka zložená z induktora, uzavretého magnetického obvodu (jadra) a taviaceho kanálu, vymurovaného

59 3 Indukčný ohrev 59 zo žiaruvzdorného materiálu (SiO, Al O 3, resp. ich kombinácia). Induktor pece je buď z plného alebo dutého profilového vodiča. Obr. 5 Schéma kanálovej pece Induktor 1 je niekoľkozávitová Cu cievka, natiahnutá na stredný stĺp magnetického jadra, najčastejšie plášťového typu. Na tom istom stĺpe jadra je uložený vo zvislom smere kanál 3, ktorý obopína induktor ako závit nakrátko. Kanálové pece sa stavajú na sieťovú frekvenciu 50 Hz a používajú sa ako jednoúčelové zariadenia, predovšetkým pre tavenie farebných kovov alebo zušľachťovanie šedej liatiny. Pece so zvislým kanálom majú viac výhod ako staršie konštrukcie s horizontálnym kanálom, zabraňujú tzv. pinchefektu (pretrhnutiu taveniny v kanáli) s následkom nepriaznivej prúdovej a výkonovej pulzácie. Zároveň pôsobením metalostatického tlaku vane pece sa tekutá vsádzka intenzívne premiešava a odlievaný kov má dobrú homogenitu Elektrický náhradný obvod indukčnej kanálovej pece Náhradná schéma kanálovej pece je totožná s tégľovou pecou, ktorá je znázornená na obr.. Rozdiel je v tom, že väzba medzi primárnym a sekundárnym obvodom je riešená magnetickým jadrom z transformátorových plechov. Rovnako platné sú teda aj základné rovnice obvodu. Pretože odpor kanála (závitu nakrátko realizovaného tekutým kovom) je podstatne menší ako jeho reaktancia (R << ω.l ) prevod pece je možné zjednodušiť a vyjadriť koeficientom väzby κ (pozri 79): ω κ L1 L L1 p = = κ (96) ω L L Potom pre celkový odpor a celkovú indukčnosť pece (pozri obr. ) platí L1 R I = R1 + p R = R1 + κ R (97) L L I kde 1 1 p L = L1 L = L1 1 κ ) L L = L κ ( = ε L (98) ε = 1 κ je koeficient rozptylu magnetického toku. Pomocou oboch koeficientov a akosti sekundárneho obvodu pece Q L R 1 = ω je definovaný účinník pece RI κ cosϕ = = (99) Z 4 I κ + ε Q

60 60 3 Indukčný ohrev t.j. je závislý od konštrukcie pece (κ,ε)a od druhu taveného kovu (Q ). Z dôvodu zvýšenia účinníka (znížením rozptylu) sa na súčasných peciach induktor a sekundárny kanál umiestňujú na ten istý stĺp magnetického jadra. Pretože rezistivita kovov a zliatin tavených v kanálových peciach je nízka (mimo ocele), aj účinník je malý. Preto aj kanálové pece vyžadujú dôslednú kompenzáciu. Potrebná kondenzátorová batéria, jej výpočet a zapojenie sa realizujú rovnakým spôsobom ako na tégľových peciach. IKP sú pece priebežne pracujúce, určené na tavenie farebných kovov, udržiavanie teploty, resp. ohrev už roztavenej liatiny, ako mixéry a dávkovače tekutého kovu. Sú to jednoúčelové zariadenia, slúžiace na tavenie jedného druhu materiálu (vsádzky). Nehodia sa na tavenie ocele, liatiny, tavenie znečistenej vsádzky, z dôvodu malej mechanickej pevnosti, erózie a zanášania kanálov. Oproti ITP majú väčšiu elektrickú účinnosť η el = 0,9 0,95, väčší účinník cos φ bez kompenzácie cos φ = 0,3-0,8. Nemôžu však pracovať v periodickom režime - za "studeného stavu". Nemožnosť vyliatia celého obsahu kovu spôsobuje, že pec môže pracovať len pre 1 druh kovu, resp. zliatiny. IKP môžu pracovať ako samostatné priebežne pracujúce taviace agregáty s periodickým odlievaním kovu (pri odlievaní sa necháva asi 1/3 až 1/4 kovu v peci) alebo ako špeciálne ohrievacie a teploúdržné zariadenia, mixéry a dávkovače kovu. Zjednodušene činný príkon privádzaný do induktora IKP sa spotrebuje na činný výkon vo vsádzke P a krytie elektrických strát v induktore P 1st. Tieto definujú elektrickú účinnosť IKP P A η el = = (100) P + P1 st A + 1 kde hodnota parametra A (vyplýva z analýzy elektrického obvodu IKP) je daná vzťahom R L1 R A = p = κ (101) R L R 1 1 Nakoľko hodnota A >10, je η el > 0,9. Je teda vyššia ako u ITP, nakoľko IKP majú vyšší koeficient väzby. Zo vzťahu (101) zároveň vyplýva, že η el rastie s odporom kanála R. To si vyžaduje voliť kanál s menším priemerom d a väčšou strednou dĺžkou l. Energetická bilancia kanálových pecí sa robí rovnakým postupom ako pri tégľových peciach. 3.5 Napájacie zdroje a pripájanie indukčných zariadení na sieť V úvode tejto kapitoly sme už uviedli, že indukčné pece a ohrievače podľa frekvenčného kritéria je možné rozdeliť do troch skupín, menovite nízkofrekvenčné (sieťová frekvencia 50 Hz) stredofrekvenčné (150 Hz až 10 khz) vysokofrekvenčné (nad 10 khz) z ktorých každá vyžaduje zodpovedajúci napájací zdroj. Zároveň indukčné taviace pece a ohrievačky sú prevažne jednofázové zariadenia, čo znamená, že najmä kapacitne a teda aj výkonovo väčšie jednotky spôsobujú výraznejšiu asymetriu v napájacej sieti. Obidve tieto skutočnosti vyžadujú preto individuálny spôsob napájania (výber napájacieho zdroja) a potrebnej symetrizácie záťaže Napájacie zdroje pre kanálové pece IKP sa napájajú cez znižovacie transformátory prúdom s frekvenciou 50 Hz, pri dôslednej kompenzácii jalového výkonu. Kapacita IKP sa pohybuje najmä od 10 do 60 ton, od ktorej sa odvodzuje počet indukčných jednotiek. IKP malej a strednej kapacity majú jednoduchú indukčnú jednotku, tvorenú jedným induktorom a jedným kanálom.

61 3 Indukčný ohrev 61 Kapacitne veľké pece majú viac indukčných jednotiek. Ak ich počet je násobkom troch, je možné ich napájať z trojfázovej siete bez použitia symetrizačných prvkov, ale zároveň bez možnosti individuálnej regulácie výkonu jednej jednotky. IKP s transformátormi do výkonov 350 kva sa napájajú z distribučnej siete 400 V, nad 350 kva zo siete 6 kv, resp. 10 kv. Napätie na sekundárnej strane transformátora sa mení v rozsahu od 80 do 600 V. Prepínanie napäťových stupňov sa robí pod záťažou. Na symetrizáciu jednofázových IKP značných výkonov (najmä nad 100 kw) je potrebné použiť symetrizačné zariadenia. Sú to L, C prvky pripojené do zostávajúcich dvoch fáz v predpísanom slede a veľkosti, závislej od hodnoty zaťažovacieho odporu IKP, t.j. odporu pece vo vyladenom stave. Rovnaký princíp symetrizácie sa používa aj pre ITP a indukčné ohrievačky sieťovej frekvencie Napájacie zdroje pre tégľové pece Pre napájanie ITP s frekvenciou f = 50 Hz sa používa priame pripojenie na 3-fázovú sieť 3x400 V cez symetrizačné zariadenie alebo je použitý aj regulačný 3-fázový transformátor a symetrizačné zariadenie. Pre väčšie výkony sa používa pripojenie na trojfázovú sieť 3x6 (10) kv cez znižovací transformátor. Sekundárne napätie znižovacieho transformátora pripojeného na sieť 3x6 (10) kv je možné meniť v 10 až 5 stupňoch, v závislosti od technologických požiadaviek tavby. Pecné transformátory sa vyrábajú s vinutím vn a fázové napätie 6 kv, ale umožňuje pripojenie aj 10 kv ( / ). Zmena napätia sa uskutočňuje v nízkonapäťovom vinutí prepínaním odbočiek, prepínač odbočiek musí byť dimenzovaný na veľké prúdy. Sekundárne napätie býva 00 až 000 V podľa výkonu pece, napätie na induktore pri tavení (nominálna hodnota) je 500 až 1700 V. Primárne napätie pomocných transformátorov pre režim miešania a udržiavania teploty býva 400 V alebo 6 (10) kv a sekundárne napätie 90 až 500 V. Pre vyššiu frekvenciu 150, 50, 450 Hz sa používajú statické magnetické násobiče frekvencie (transformátorové meniče), pre frekvenciu 500 Hz až Hz tyristorové meniče, ktoré nahrádzajú staršie rotačné generátory. Pre frekvenciu nad Hz sa používajú v rozsahu frekvencií khz statické meniče s výkonovými tranzistormi MOSFET a elektrónkové generátory. Elektrické napájanie ITP môže byť centrálne, keď niekoľko zdrojov (meničov) je zabudovaných do 1 meniarne so spoločnými pásovými vývodmi, ku ktorým sa pripájajú pece. Pri individuálnom napájaní každú ITP pripájame k vlastnému zdroju. Z dôvodov nízkej životnosti výmurovky je účelné mať pre účely tavenia pece (1 pec je taviaca, druhá je udržiavacia, resp. záložná), obe sú pripojené na 1 systém elektrického zariadenia s 1 centrálnym napájaním. Alebo sú v zostave 3 pece, dve pracujú a jedna je záložná a sú napájané z dvoch napájacích zdrojov. Elektrické zariadenie ITP zahŕňa napájací zdroj a pomocné elektrické zariadenia pre vyhodnocovanie napätia, prúdu, výkonu zdroja a frekvencie, prúdové transformátory, symetrizačné zariadenia pre symetrizáciu záťaže na 3- fázovej sieti pri napájaní ITP so sieťovou frekvenciou, kondenzátorovú batériu konštantnej alebo premennej hodnoty kapacity na kompenzáciu jalového výkonu pece a na vytvorenie oscilačného obvodu, automatický regulátor elektrického režimu pece, signalizačné zariadenie pre signalizáciu stavu výmurovky a izolácie induktora. Pre voľbu napájania indukčných ohrievačiek platia rovnaké zásady ako pre indukčné tégľové pece.

62 6 4 Dielektrický ohrev 4 DIELEKTRICKÝ OHREV Pri indukčnom ohreve sa uplatňuje najmä magnetická zložka intenzity EMP, ohrievanou vsádzkou sú elektricky vodivé materiály, pracovným prostriedkom je induktor. Pri dielektrickom ohreve je rozhodujúca elektrická zložka poľa, ohrievaným materiálom je dielektrikum, umiestnené medzi dosky pracovného kondenzátora. Oba ohrevy majú cennú spoločnú vlastnosť, generovanie tepla sa uskutočňuje priamo v ohrievanej vsádzke. Teoretické základy dielektrického ohrevu rovnako spočívajú v prenose energie prostredníctvom EMV, s aplikáciou na nevodivé prostredie. Predpokladajme ohrev dielektrika medzi platňami kruhového kondenzátora s polomerom r 1 >> h, kde h je hrúbka dielektrika. V dielektriku vplyvom priloženého harmonického napätia vzniká valcové harmonické EMV, ktoré je popísané riešením vlnových rovníc pre nevodivé prostredie (vo valcových súradniciach): pre elektrickú zložku intenzity poľa (v smere kolmom na polomer dielektrika) E = E J ) (10) 0 0 ( x pre magnetickú zložku intenzity poľa (v radiálnom smere) ε H = j E0 J1 ( x) µ kde E 0 je intenzita elektrického poľa v strede dielektrika (r = 0) J 0 (x) a J 1 (x) sú Besselove funkcie reálneho argumentu x, pričom 8 π v 3.10 c x = r; λ = ; v = = λ f µ ε µ ε r r r r (103) (104) λ je vlnová dĺžka v rýchlosť vlnenia Vzťahy platia presne pre ideálne dielektrikum (γ = 0) a veľmi približne aj pre reálne dielektrikum (γ << ω.ε). V prípade, že argument x je veľmi malý, teda vlnová dĺžka λ >> r, bude pole v dielektriku dané rovnicami: E = E 0 = konšt. nakoľko J 0 ( x ) 1 (105) ε x x H = E 0 r µ nakoľko J 1 ( x) (106) Teda elektrické pole v dielektriku bude približne homogénne a intenzita magnetického poľa sa s rastúcim polomerom zväčšuje lineárne (obr. 6). Obr. 6 Závislosť el. parametrov na polomere dielektrík Dielektrický ohrev je teda ohrev elektricky veľmi málo vodivých materiálov, ako sú napr. drevo, papier, koža, bakelit, umelá hmota, obilie a pod. Materiál určený na ohrev sa ukladá medzi platne kondenzátora, ktoré sú pripojené na zdroj striedavého napätia 7-15 kv s frekvenciou MHz. Medzi platňami kondenzátora, vzniká vplyvom pripojeného

63 4 Dielektrický ohrev 63 striedavého napätia harmonické elektromagnetické vlnenie. Elektrická zložka tohto vlnenia spôsobuje striedavú polarizáciu molekúl a atómov dielektrika, vznikajú polarizované dvojice, tzv. dipóly. Pri dielektrickom ohreve teplo vzniká v celom objeme a závisí od materiálových konštánt dielektrika permitivity (ε = ε 0. ε r ), stratového uhla δ (tg δ) a frekvencie. Rýchlosť ohrevu závisí od dielektrických vlastností ε a tg δ, od veľkosti napájacieho napätia a frekvencie. Relatívna permitivita ε r prehrievaného materiálu býva až 7, tg δ 0,01; 0,08. Jednoduchú dielektrickú ohrievačku tvorí systém doskového kondenzátora a dielektrickej vsádzky. Náhradnú schému takej ohrievačky je možné znázorniť ideálnym bezstratovým kondenzátorom s kapacitou A A C = ε r h = ε ε 0 (107) h pri ploche dosky kondenzátora A a hrúbke dielektrika h, s relatívnou permitivitou ε r. Paralelne pripojený odpor R reprezentuje straty skutočného kondenzátora (obr. 7). Obr. 7 a) Schéma dielektrického ohrevu a elektrická náhradná schéma b) Fázorový diagram dielektrického ohrevu Z fázorového diagramu náhradnej schémy vyplýva: U I R R 1 tg δ = = = (108) IC U ω C ω R C Formálne odpor R v náhradnej schéme môžeme vyjadriť vzťahom 1 h R = (109) γ A v ktorom γ je konduktivita dielektrika. Dosadením (107) a (109) do rovnice (108) dostaneme medzivýsledok γ tg δ = (110) ω ε 0 ε r z ktorého vyplýva veľkosť tzv. náhradnej konduktivity dielektrika ε 0 ε r γ = ω ε 0 ε r tg δ = (111) R C a v ktorej súčin ε r. tg δ sa nazýva stratovým činiteľom dielektrika. Charakterizuje správanie sa dielektrika pre dané elektrické parametre, najmä frekvenciu. Náhradná konduktivita dielektrika je celkovou, t.j. obsahuje priamu zložku vplyvom pohybu voľných elektrónov a iónov, ako aj nepriamu, spôsobenú polarizáciou molekúl. Pri zvyšovaní frekvencie sa budú dipóly natáčať v striedavom poli so spozdením za elektrickým poľom, budú relaxovať. Tým začne slabnúť náboj polarizácie a preto aj ε r bude s rastúcou frekvenciou klesať. S rastom frekvencie sa bude tg δ zväčšovať, až pri určitej kritickej frekvencii a vyššej dochádza k poklesu tg δ.

64 64 4 Dielektrický ohrev Podmienka homogénnosti elektrického poľa (λ >> r) je pri bežne používaných rozmeroch dielektrika a kondenzátora (r 1 rádovo 10-1 m) a fyzikálnych vlastnostiach dielektrika (ε r <; 7>, tg δ <0,01; 0,08>), pri frekvenciách f <106; 108> MHz, približne splnená. Preto výkon indukovaný v dielektriku s homogénnym elektrickým poľom bude definovaný výkonom, ktorý prislúcha náhradnému odporu R dielektrika. Z náhradnej schémy (obr. 7) vyplýva: P = U I = U I tg δ = U ω C tg δ (11) ef R ef C ef Postupne dosadením za C tg δ a γ dostaneme tepelný výkon generovaný v dielektriku (U = E.h) A P = U ef ω ε 0 ε r tg δ = Eef ω ε 0 ε r tg δ V h (113) kde E ef je efektívna hodnota elektrickej zložky intenzity poľa V je objem ohrievaného dielektrika Potom merný tepelný výkon v dielektriku bude: P 1 qel = = Eef γ = γ E V (114) kde E je maximálna hodnota intenzity elektrického poľa. Ak je pole homogénne je E =, teda E q el = γ E = γ E0 = konšt. (115) t.j. merný výkon je rovnaký na celom polomere dielektrika a teda aj v celom objeme. V reálnych podmienkach dielektrického ohrevu je elektrické pole čiastočne nehomogénne, E E0 a q el = f ( r). Preto z dôvodov lepšej rovnomernosti ohrevu sa volí polomer vsádzky r menší ako polomer dosiek kondenzátora r 1. Elektrické pole v dielektriku π môžeme považovať za homogénne a ohrev dielektrika za rovnomerný, ak je x = λ r < 0, 3, čo je veľmi častý prípad pri dielektrických ohrievačoch. Každé dielektrické ohrievacie zariadenie sa skladá z troch blokov (obr. 8) vf generátor, ako zdroj vysokofrekvenčnej energie pracovný ohrievací kondenzátor so vsádzkou blok ovládania a riadenia Obr. 8 Dielektrická ohrievačka Základnou časťou dielektrickej ohrievačky je vysokofrekvenčný generátor, t.j. zariadenie generujúce vf energiu. Činnosť vf generátora je nasledovná: Napätie rozvodnej siete sa najprv transformuje a usmerní. Usmernené sa privádza do elektrónkového oscilátora, v ktorom sa generuje na potrebnú frekvenciu. Jej hodnota závisí od parametrov kmitavého LC obvodu oscilátora. Oscilačná elektrónka dodáva do tohto obvodu energiu v podobe prúdových impulzov z jednosmerného zdroja v rytme kmitania oscilačného obvodu. Pracovné frekvencie

65 4 Dielektrický ohrev 65 vf-generátorov pre dielektrické ohrievačky sa volia mimo frekvenčného pásma rádiotelekomunikácií, aby nevzniklo rušenie. Sú to napr. frekvencie 13,16 ± 0,6 % MHz; 0 MHz; 7,1 ± 0,6 % MHz; 75 MHz a vyššie. Dielektrické ohrievačky slúžia najmä na ohrev a zváranie nevodivých materiálov. V oboch skupinách sa vyrábajú o výkonovom spektre od niekoľko 100 W do desiatok kw, v širokom frekvenčnom rozsahu. Ohrievačky pre ohrev majú široké uplatnenie v drevárskom priemysle, napr. pre sušenie drevného polotovaru, výrobu preglejok, pre spájanie prvkov glejovým spôsobom. Nakoľko drevný materiál sa suší zvnútra, nedochádza k jeho praskaniu. Na obr. 9 je naznačený princíp výroby preglejok. Vrstvy preglejky (1) potreté glejom sa pod tlakom umiestnia medzi dosky kondenzátora () a (3), z ktorých jedna je uzemnená, druhá izolovaná. Vf generátory majú výkon až 100 kw pri frekvencii v jednotkách MHz. Obr. 9 Výroba preglejok dielektrickým spôsobom V priemysle umelých hmôt sa používajú dielektrické ohrievačky napr. na zváranie rôznych fólií, tiež sa uplatňujú pri výrobe bakelitových produktov. 4.1 Mikrovlnový ohrev Mikrovlnový ohrev je špecifický spôsob dielektrického ohrevu, pri ktorom sa používajú pracovné frekvencie rádovo GHz. Zdrojom vysokých frekvencií pri mikrovlnovom ohreve sú špeciálne elektrónky, známe ako magnetróny. Pri takých vysokých frekvenciách sa už nedá použiť klasický ohrievací kondenzátor, pracovný priestor tvorí tzv. multimódový rezonátor. V tomto, podobne ako pri dielektrickom ohreve, ohrev málo vodivých materiálov spôsobuje elektrická zložka intenzity stojatého EMV. Vzhľadom k malej vlnovej dĺžke vlnenia (cm až dm) ohrev sa uskutočňuje v dokonale uzavretom pracovnom priestore. Mikrovlnový ohrev sa používa v priemyselných technológiách i komunálnej sfére vrátane domácnosti. Mikrovlnové ohrievačky sa využívajú v drevárskom priemysle, napr. pri výrobe preglejok, pri sušení papiera, plastických hmôt, pri vulkanizácii gumy. Ťažiskom aplikácie mikrovlnového ohrevu je potravinársky priemysel. Stojaté EMV sa vytvára v dutinovom rezonátore v tvare hranola, zhotoveného z nerezovej ocele alebo hliníka. Ak do pracovného priestoru rezonátora sa uložia potraviny obsahujúce vodu, generuje sa v nich teplo absorbovaním energie EMV. Takto vysokofrekvenčným výkonom 1 kw sa v mikrovlnovom sporáku (ľudovo v mikrovlnke) ohrejú potraviny v priebehu niekoľkých minút. Nádoba zo skla alebo porcelánu sa pritom neohrieva. V potravinárskom priemysle sa týmto spôsobom pasterizuje mlieko, vyrába pečivo. V domácnostiach mikrovlnové sporáky sa používajú na rozmrazovanie potravín a na rýchlu tepelnú úpravu pokrmov.

66 66 5 Oblúkový ohrev 5 OBLÚKOVÝ OHREV 5.1 Princíp oblúkového ohrevu Oblúkový ohrev je elektrický ohrev, ktorý sa uskutočňuje premenou elektrickej energie na teplo v silnom elektrickom oblúku, horiacom vo vodivom prostredí plynov a pár. Elektrický oblúk je samostatný elektrický výboj, vyznačujúci sa zápornou voltampérovou charakteristikou, nízkym napätím a vysokou hustotou prúdu. Podmienkou elektrickej vodivosti plynov a pár je ich uvedenie do ionizovaného stavu. Ionizáciou sa nevodivé elementárne častice plynu, atómy a molekuly, stávajú vodivými štiepením na elektróny, kladné a záporné ióny. Súbežne v ionizovanom plyne prebiehajú deionizačné procesy, rekombinácia a difúzia elektricky aktívnych častíc. Procesy ionizácie a deionizácie plynu spolu s procesmi, ktoré prebiehajú na hraničných plochách výbojovej oblasti sa nazývajú elementárne. Vznik a vývin tepla v oblúkovom výboji je dôsledkom fyzikálnych dejov prebiehajúcich v ohraničenom plynnom prostredí, ktoré za normálnych podmienok je nevodivé. Vodivým sa stáva pôsobením ionizačných faktorov, napr. vysokou teplotou, elektrickým poľom, rádioaktívnym žiarením a pod. V oblúkových peciach má zásadný význam ionizácia vysokou teplotou termická a ionizácia elektrickým poľom. Mechanizmus jednosmerného oblúka môžeme stručne popísať takto: následkom termickej alebo elektrostatickej emisie sa z povrchu katódy uvoľňujú elektróny. V oblasti tzv. katódovej škvrny sa ich rýchlosť zvyšuje natoľko, že sú schopné ionizovať výbojový priestor. Vzniknuté kladné ióny vplyvom poľa dopadajú na katódu a ďalej ju prihrievajú. Elektróny smerujúce k anóde cez plazmu výboja ju permanentne ionizujú, čím sa zároveň hradí úbytok koncentrácie nabitých častíc vplyvom rekombinácie a difúzie. Elektróny dopadajúce na anódu sa neutralizujú, vyrážajú z nej kladné ióny, smerujúce znova ku katóde. Zdrojom nabitých častíc v oblasti výbojového stĺpca je termická ionizácia. Plynné prostredie stĺpca je v stave dynamickej rovnováhy, zodpovedajúcej teplotným podmienkam, tlaku, gradientu napätia a druhu plynu. Rozloženie teploty v celej výbojovej oblasti je trvalo nerovnomerné. Teplota sa mení po dĺžke osi oblúka i jeho polomere. Maximálnu hodnotu dosahuje na osi v blízkosti katódy, smerom k povrchu klesá, v závislosti od spôsobu ochladzovania. V oblasti maximálnej teploty sa intenzívne mení elektrická energia na teplo. Súvislosť medzi napätím a prúdom oblúka vyjadruje voltampérová charakteristika. Matematicky sa vyjadruje všeobecným vzťahom c U = (116) n I s konštantami c a n, zohľadňujúcimi parametre výbojovej oblasti. Z rôznych empirických vzťahov pre oblasť tzv. kľudného oblúka sa často používa rovnica Ayrtonovej c + d l U = a + b l + (117) I kde a, b, c, d sú konštanty závislé od materiálu elektród. Z Ayrtonovej rovnice je možné vyjadriť výkon jednosmerného oblúka. P = U I = a I + b l I + c + d l (118) t.j. pre danú dĺžku oblúka výkon s prúdom rastie lineárne, rovnako pre daný prúd, výkon s dĺžkou oblúka rastie lineárne.

67 5 Oblúkový ohrev 67 Jednosmerný oblúk horí medzi elektródami so stálou funkciou katódy a anódy. Ak by sme v takom obvode vymenili svorky zdroja jednosmerného napätia, t.j. zmenili polaritu elektród, oblúk zhasne. Aby sa znovu zapálil je potrebné novú katódu žeraviť. Ak sa teda obidve elektródy udržujú dostatočne žeravé, oblúk bude horieť v oboch polperiódach i pri napájaní striedavým prúdom. Vznikne striedavý oblúk. V momente zmeny polarity pôvodná anóda je obklopená záporným priestorovým nábojom, pri znovuzapálení oblúka musí sa tento náboj premiestniť k novej anóde. Za túto dobu sa elektródy ochladzujú, preto znovuzapálenie oblúka vyžaduje spravidla vyššie napätie, aké je potrebné na jeho udržanie. Pre horenie striedavého oblúka je teda potrebné splniť dve požiadavky. obidve elektródy musia byť žeravé napätie v obvode striedavého oblúka musí byť minimálne rovné napätiu potrebného k znovuzapáleniu pri zmene polarity. Ak podmienky horenia oblúka sú také, že počet ionizovaných častíc vznikajúcich v jednotke času je rovný počtu rekombinujúcich a difúziou unikajúcich častíc, plazma výboja je v stave dynamickej rovnováhy. Stav plazmy nie je funkciou času, odpovedajúci režim horenia oblúka je statický. Ak z niekoľkých statických stavov oblúka zostrojíme závislosť U = f(i), voltampérová charakteristika je tiež statická. Podmienkou udržania statickej charakteristiky je taká rýchlosť zmien elektrického režimu oblúka, aby tepelné a ionizačné procesy (zmeny) v plazme, stačili sa prispôsobiť zmenám napätia a prúdu. Pri statickej charakteristike (krivka S, obr. 30) je zhášacie napätie rovné alebo približne rovné zápalnému napätiu. Takúto VA - charakteristiku má jednosmerný oblúk, ak v ňom nedochádza k náhlym zmenám elektrických parametrov. Pri elektrickom režime oblúka s rýchlymi zmenami napätia a prúdu (napr. pri striedavom oblúku), tepelné a ionizačné procesy v plazme výboja sa neprispôsobujú okamžite novým podmienkam, ale menia sa s určitou zotrvačnosťou. Elektrický odpor v plazme výboja zodpovedá predchádzajúcemu elektrickému režimu. Tento jav nazývame hysteréziou el. oblúka a voltampérovú charakteristiku s uvážením hysterézie dynamickou. Dynamickou charakteristikou sa teda zohľadňuje zotrvačnosť teplotných procesov v plazme (krivka D, obr. 30). Obr. 30 VA - charakteristika elektrického oblúka Pre dynamickú charakteristiku sú špecifické dva krajné stavy. Pri takých zmenách prúdu oblúka, ktorým sa stačí prispôsobovať deioinizácia plazmy, dynamická charakteristika je totožná so statickou (krivka S). Zápalné napätie je rovné zhášaciemu. V druhom krajnom prípade, pri veľmi rýchlych zmenách oblúk zhasne bez toho, aby sa priestor výboja deionizoval. Veľkosť zhášacieho napätia je rovná napätiu, pri ktorom oblúk komutoval (krivka D). Vo všetkých ostatných prípadoch dynamická charakteristika sa nachádza medzi krivkami S a D. Z dôvodu rýchlych periodických zmien (elektrických aj tepelných) striedavé oblúky sa riadia dynamickými charakteristikami. Dynamické charakteristiky môžu mať rôzny tvar, závislý od podmienok horenia oblúka a jeho ochladzovania.

68 68 5 Oblúkový ohrev V porovnaní s jednosmerným oblúkom striedavý oblúk je menej stabilný, čo vyplýva zo skutočnosti, že v každej polperióde sa zapaľuje a zháša. Podmienky znovuzapálenia oblúka sú ovplyvňované parametrami obvodu. Ak v obvode oblúka je veľký odpor a malá indukčnosť, okamžitá hodnota napätia v momente prechodu krivky prúdu nulou je spravidla nedostatočná k znovuzapáleniu oblúka. Oblúk sa zapaľuje ťažšie, horí prerušovane s obmedzenou stabilitou. Časové priebehy napätí a prúdov pri prevládajúcom odpore v obvode oblúka sú naznačené na obr. 31a. Ak obvod oblúka má veľkú indukčnosť a malý odpor, je fázový posun medzi napätím a prúdom natoľko veľký, že v momente prechodu krivky prúdu nulou je na elektródach dostatočne veľké napätie k znovuzapáleniu oblúka. Oblúk sa zapaľuje jednoduchšie, horí neprerušovane, jeho stabilita je vyššia (obr. 31b). Okrem podstatne menších činných strát v obvode je to druhý dôvod, prečo na striedavých oblúkových peciach sa používa stabilizácia indukčnosťou, aj keď zhoršuje účinník zariadenia. Teoreticky sa dá zdôvodniť, že optimálna indukčnosť pre neprerušované horenie striedavého oblúka musí vyhovovať podmienke, že cos φ = 0,85, čomu zodpovedá pomer napätia na U o oblúku k napätiu zdroja 0, 54 U Z Obr. 31 a) Časový priebeh napätia a prúdu s prevládajúcim odporom v obvode striedavého oblúka b) Časový priebeh napätia a prúdu s prevládajúcou indukčnosťou v obvode oblúka Výkon striedavého oblúka nie je možné vypočítať podľa rovnice. V dôsledku vyšších harmonických, ktoré sa vyskytujú aj pri čisto ohmickom charaktere oblúka, je súčet ich výkonov vždy menší ako súčin U o. I o. Pomer cos = U oi I oi k U o I o ( ϕ ) i < 1 (119) nazývame faktorom tvaru oblúka a je závislý od zloženia plazmy oblúka a materiálu elektród. 5. Oblúkové pece Podľa miesta vývinu a spôsobu prenosu tepla na vsádzku, zariadenia využívajúce oblúkový ohrev rozdeľujeme do troch skupín. V oblúkových peciach s nepriamym ohrevom (obr. 3a) oblúk horí medzi dvoma, resp. niekoľkými spravidla grafitovými elektródami nad ohrievanou vsádzkou, ktorou prúd neprechádza. Teplo z oblúka na povrch vsádzky sa prenáša sálaním, prehrievanie v objeme sa uskutočňuje prúdením a vedením. Tento druh pecí sa používa najmä na tavenie farebných kovov. V oblúkových peciach s priamym ohrevom (obr. 3b) oblúk sa uzatvára medzi elektródou, resp. skupinou elektród a vodivou vsádzkou. Horí na hladine vsádzky, preto sa

69 5 Oblúkový ohrev 69 tiež nazývajú pece s odkrytým oblúkom. Tieto pece sa využívajú najmä pri výrobe rôznych druhov elektroocelí. Priamy oblúkový ohrev sa tiež uplatňuje v peciach so zakrytým oblúkom (obr. 3c), ktorý horí pod pevnou vrstvou vodivej vsádzky medzi elektródami a jej tekutou fázou. Vsádzka je súčasťou obvodu pece. Okrem oblúka, časť užitočného tepla sa indukuje prechodom prúdu vsádzkou (Jouleovo teplo), preto sa nazývajú pece odporovo-oblúkové. Používajú sa najmä pri výrobe ferozliatin a karbidu kremíka. Na rozdiel od oceliarskych pecí prevádzkovaných v periodickom režime, pece so zakrytým oblúkom pracujú nepretržitým spôsobom. Obr. 3 a) Schéma oblúkovej pece s nepriamym ohrevom b) Schéma oblúkovej pece s priamym ohrevom c) Schéma oblúkovej pece so zakrytým oblúkom 5..1 Oblúkové oceliarske pece (OOP) OOP sa skladá z kruhovej vane prikrytej vekom. Vaňa pece je vymurovaná viacvrstvovou výmurovkou zo žiaruvzdorných a tepelnoizolačných materiálov, spevnená oceľovým plášťom. Podľa technológie výroby elektroocele vnútorná výmurovka dna a stien vane je buď zásaditá alebo kyslá (magnezit alebo dinas). Nakoľko vnútorná žiaruvzdorná vrstva je tepelne extrémne namáhaná, jej životnosť je krátka. Pre zvýšenie životnosti sa preto na moderných OOP používajú vodou chladené obvodové panely rôznych systémov. Rovnako vymurovaná klenba veka pece je vystavená extrémnym teplotám a jej správne osadenie do kruhu veka má vplyv na jej trvanlivosť. Aj pri konštrukciách klenby sa začínajú uplatňovať vodou chladené prvky. Na zvislých stenách vane oproti sebe sú výrezy pre vsádzací (troskový) a odpichový otvor s vyústením do odlievacieho žľabu. V klenbe veka sú otvory pre elektródy, prípadne jeden naviac pre odsávanie plynov z taviaceho priestoru. Vaňa pece je uložená na tzv. kolískach s koľajnicami, umožňujúcimi dvojstranné naklápanie vane, na stranu odlievania až o 4, na stranu troskového otvoru o 10 až 15. Pohon naklápacieho mechanizmu je najčastejšie hydraulický. Novšie konštrukcie OOP, zvlášť väčších obsahov pre zrýchlenie tavby a homogenizáciu vsádzky sú opatrené tiež zariadením na otáčanie vane okolo zvislej osi a zariadením na miešanie vsádzky. Celkové konštrukčné usporiadanie telesa pece a príslušenstva závisí od spôsobu zavážania vsádzky. Existuje niekoľko systémov zavážania vsádzky (šrotu) do otvorenej vane, najviac sa uplatňujú systémy s otočným vekom. Nosné zariadenie elektród a veka pece v tomto prípade tvoria výložník, ktorý sa pri zavážaní nadvihne na podpernom stĺpe o 150 až 300 mm a pootočí o 80 až 90 tak, že odkryje celú vaňu pece. Pohon býva elektromechanický alebo hydraulicky. Nosné zariadenie elektród pozostáva z niekoľkých častí, komplexne zabezpečuje pohybové operácie súvisiace s technologickými a prevádzkovými požiadavkami na OOP. Potrebný elektrický príkon do pracovného priestoru pece sa privádza elektródami od pecného transformátora, umiestneného v kobke v blízkosti pece. Prepojenie medzi

70 70 5 Oblúkový ohrev sekundárnymi vývodmi transformátora a elektródami sa zabezpečuje sčasti pevným a pohyblivým elektrickým vedením, tzv. krátkou sieťou. Primárny obvod transformátora má okrem spínacích meracích a ovládacích zariadení tiež tlmivku a prepínač napäťových stupňov. Snímanie veličín pre automatickú reguláciu zdvihu elektród sa uskutočňuje cez meracie transformátory prúdu a napätia. Elektrické zariadenie OOP Oceliarske pece až na malé výnimky sú energeticky náročné trojfázové spotrebiče. Na sieť vn sa pripájajú cez pecný transformátor a sústavu ďalších prvkov buď káblovým vedením (do 35 kv pre pece strednej veľkosti) alebo vzdušným vedením (zo sústavy 110 kv pre pece s veľkým obsahom). Jednopólová schéma napájania OOP je znázornená na obr. 33. Obr. 33 Jednopólová elektrická schéma oblúkovej oceliarskej pece Medzi najdôležitejšie prvky elektrického obvodu pece patria: 1) Tlmivka pece - v obvode oceliarskej pece má dvojakú funkciu ohraničuje prevádzkový skratový prúd pece približne na trojnásobok menovitého prúdu zabezpečuje stabilné horenie oblúka najmä v dobe natavovania vsádzky (šrotu) V dobe rafinácie vsádzky, aby sa nezhoršoval účinník pece, tlmivka sa prepóluje, prípadne pomocou odbočiek na vinutí zníži jej reaktancia. ) Pecný transformátor - jeho menovitý výkon v podstate určuje kapacitu oceliarskej pece. Oproti bežným distribučným transformátorom sa líši najmä: vyšším napätím nakrátko (5 10 %), potrebným k ohraničeniu prevádzkových skratov vysokou hodnotou menovitého sekundárneho prúdu ( ka) širokým rozsahom regulácie napätia (minimálne 4 napäťové stupne) vyvedením začiatkov a koncov sekundárneho vinutia nad veko nádoby (z dôvodu variability zapojení krátkej siete)

71 5 Oblúkový ohrev 71 Na trojfázových transformátoroch (chladených prirodzenou alebo umelou konvekciou) sa používajú zapojenia Dd0 alebo Yd1, prepínanie odbočiek sa robí pod záťažou na primárnej strane, pomocou prepínača odbočiek s prepínacou tlmivkou. Sekundárne napätia pecných transformátorov s výkonmi do 7 MVA bývajú do 300 V, nad 7 MVA približne do 550 až 600 V. 3) Krátka sieť - sú to zväzky vodičov spájajúcich sekundárne vývody transformátora s elektródami, ktoré zabezpečujú prenos potrebného výkonu do pracovného priestoru pece. S ohľadom na veľkosť pretekajúcich prúdov (činné straty) sekundárne vedenie má byť čo najkratšie, z čoho je odvodený názov krátka sieť. V okolí krátkej siete pôsobia silné elektromagnetické polia, ktoré sa prejavujú mnohými nepriaznivými úkazmi, počínajúc povrchovými javmi, často výraznou impedančnou asymetriou až po silné tepelné a dynamické namáhania vodičov. Preto kvalita krátkej siete má výrazný vplyv na mernú spotrebu elektrickej energie. Konštruuje sa na báze Cu - materiálov (pásy, káble, rúry) v priestorovom usporiadaní koplanárnom alebo triangulárnom, s elektrickým zapojením podľa obr. 34. Obr. 34 Elektrické zapojenie krátkej siete: do hviezdy; do trojuholníka na ohybných kábloch; do trojuholníka na elektródach pece Na súčasných oceliarskych peciach sa používajú grafitové elektródy, menej uhlíkové a zriedkavo tzv. opotrebovateľné na báze kovov a ich zliatin, ktorých teplota tavenia je nižšia ako pracovná teplota v peci, takže v pretavenej forme sa zúčastňujú na zložení odlievaného produktu. Pre zníženie mernej spotreby grafitových elektród sa využíva tzv. alitácia, t.j. povrchová úprava grafitu na báze hliníka a karbidu kremíka, znižujúca intenzitu oxidácie povrchovej vrstvy. Pretože oblúková pec tvorí v podstate induktívnu záťaž (max. užitočný výkon dosahuje v okolí cos ϕ = 0,7 až 0,8), na vykompenzovanie jalovej energie sa používajú spravidla statické kondenzátory. Kompenzácia účinníka je sériová, paralelná, prípadne kombinovaná, pri voľbe rozhoduje spôsob prevádzkovania pece, tvrdosť energetickej siete, realizačné možnosti kompenzácie a pod. Moderné spôsoby kompenzácie sú riešené pomocou tyristorovo spínaných kondenzátorov alebo tlmiviek. Potrebnú výšku elektród nad hladinou vsádzky, t.j. optimálnu dĺžku oblúka zabezpečuje automatická regulácia zdvihu elektród. Na súčasných oblúkových oceliarskych peciach je najrozšírenejšia prúdovo-napäťová, t.j. impedančná regulácia, kde regulovanou veličinou je pomer napätia a prúdu oblúka. Regulačná odchýlka pri impedančnej regulácií sa vyjadruje vzťahom: x = a I b (10) o U o

72 7 5 Oblúkový ohrev kde a, b sú konštanty I o, U o sú prúd a napätie oblúka Ak je odchýlka nulová, je a b U o = = Z = konšt. (11) I o preto túto reguláciu nazývame impedančnou. Odchýlka sa môže meniť v značnom rozsahu, od maximálnej kladnej hodnoty (prevádzkový skrat) po maximálnu zápornú hodnotu (nulový prúd oblúka). Rozsah ± Z sa obmedzuje konštantami a, b. Výhodami impedančnej regulácie sú dostatočná presnosť a schopnosť samočinne zapáliť oblúk S cieľom urýchlenia homogenizácie tekutého kovu sú najmä veľké oceliarske pece opatrené zariadením na cirkuláciu vsádzky, nakoľko vlastné elektromagnetické pole v peci ani tlak oblúka na kúpeľ nie sú dostatočne výrazné. Existuje niekoľko zariadení na miešanie vsádzky. Indukčné miešadlo fy. ASEA je v princípe dvojfázový asynchrónny motor. Má robustný stator, veľkú vzduchovú medzeru a hladký rotor, vytvorený kovovým kúpeľom. Statorové vinutie pozostáva z dvoch sústredných cievok, pričom jedna z nich (z dôvodu zväčšenia pólového rozstupu) je rozdelená na dve časti. K napájaniu miešadla slúži buď špeciálny dvojfázový generátor alebo dva jednofázové s nízkou frekvenciou. Miešadlo fy. ASEA sa umiestňuje mimo vaňu pece pod dno, ktoré musí byť z nemagnetického plechu s vysokou rezistivitou (18 % Cr, 8 % Ni), aby sa neprehrievalo vplyvom vírivých prúdov. Najvhodnejšia frekvencia napájacieho prúdu s ohľadom na dobrý miešací efekt a súčasne malé straty vírivými prúdmi je v hraniciach 0,5 až 1, Hz. Rýchlosť cirkulácie je okolo 0,5 m.s -1. Pri použití tzv. panvovej metalurgie, zariadenie pre miešanie vsádzky odpadá. Elektrický a prevádzkový režim OOP Prevádzkový režim oblúkových pecí závisí od rôznych technologických faktorov, kvality elektród, konštrukcie pece vrátane výmurovky (tepelných strát),ale najmä od voľby elektrického režimu. Elektrický režim pece je možné meniť stupňovitou zmenou napätia na elektródach (prepínaním odbočiek pecného transformátora) alebo plynulou zmenou prúdu tečúceho oblúkom, teda zmenou dĺžky oblúka. Prvý spôsob sa používa pri jednotlivých etapách tavby v peci, druhý spôsob je viazaný na automatickú reguláciu pohybu elektród, ktorá pri danom napäťovom stupni udržuje konštantnú dĺžku oblúka, teda konštantný (optimálny) prívod elektrickej energie do taveniny. Elektrický režim oblúkovej oceliarskej pece sa vyjadruje elektrickými charakteristikami. Sú to závislosti výkonových parametrov (prípadne aj napäťových), účinníka a účinnosti od pracovného prúdu. Elektrické charakteristiky je možné zistiť výpočtom, graficky metódou kružnicového diagramu alebo najpresnejšie meraním na konkrétnej peci. Meranie sa vykonáva v stave nakrátko, ponorením elektród pod hladinu roztavenej vsádzky. Príklad elektrických charakteristík OOP znázorňuje obr. 35. Sú to charakteristiky 100- tonovej pece prevádzkovanej na napäťovom stupni U zdr = 486 V. Ak by sme mali prevádzkový režim OOP optimalizovať len podľa elektrických charakteristík, taká pec by pracovala s malým prúdom, vyšším napätím na oblúku U o (dlhým oblúkom), menším užitočným výkonom P už (P už P o ), ale s vysokým účinníkom cos ϕ a vysokou elektrickou účinnosťou η el. Pri malom užitočnom výkone sa však doba tavenia vsádzky predlžuje a pec (elektrotepelný agregát) zákonite vykazuje väčšie tepelné straty. Nakoľko sú nezanedbateľné

73 5 Oblúkový ohrev 73 (tepelná účinnosť je malá) je výhodnejšie pec prevádzkovať pri vyšších prúdoch (v oblasti P už,max ), t.j. s kratším oblúkom. Účinník a elektrická účinnosť poklesnú, ale tepelná vzrastie (podstatne kratšia doba tavenia), takže vzrastie aj rozhodujúca energetická účinnosť pece η c = η el. η t. Spôsob prevádzky OOP s trvale vysokým príkonom (teda aj užitočným výkonom) sa stal princípom tzv. vysokovýkonných pecí (Ultra High Power Furnaces), ktoré sa vo svete začali prevádzkovať začiatkom 60-tych rokov 0. storočia. Obr. 35 Elektrické charakteristiky 100-tonovej oblúkovej oceliarskej pece Obr. 36 Pracovné charakteristiky oblúkovej pece Strednú hodnotu tepelných strát je možné určiť empiricky z hmotnosti vsádzky G [t] vzťahom P ts = A G (1) kde koeficient A má význam merných tepelných strát (50 až 400 kw.t -1, pre malé až veľké pece). Tepelné straty výrazne ovplyvňujú energetickú účinnosť pece (P ts > P el,s ), pre malé pece tvoria až 45 %-ný podiel, pre veľké 30 %-ný podiel z celkovej spotreby elektrickej energie v jednej tavbe. Tepelné straty a energetická účinnosť spolu s elektrickými charakteristikami umožňujú stanoviť skutočné pracovné charakteristiky oblúkovej oceliarskej pece. Zároveň umožňujú vypočítať charakteristické parametre pece, potrebné k stanoveniu optimálnej prevádzky, t.j.: mernú výrobnosť pece, resp. rýchlosť tavenia vsádzky (merný čas tavenia): G Po P P ts už, k g = = = [t.h -1 1 ] resp. t tav. = [h.t -1 ] (13) t w w g už celkovú mernú spotrebu elektrickej energie w už už w = (14) η en kde t je čistá doba tavby, t.j. doba v priebehu ktorej je pec pod prúdom w už je merná užitočná spotreba elektrickej energie (bez uvažovania elektrických a tepelných strát a počíta sa z energetickej bilancie taviaceho procesu)

74 74 5 Oblúkový ohrev P o je výkon oblúka (v elektrických charakteristikách P už ) P už,k koncový užitočný výkon, t.j. výkon oblúka po odčítaní tepelných strát P ts, η en je výsledná, t.j. energetická účinnosť Z analýzy rovníc vyplýva (pozri obr. 36): 1) Merná výrobnosť pece resp. rýchlosť tavenia vsádzky dosahuje max. hodnotu v bode max. hodnoty P už (pri konštantných hodnotách P ts a w už - čo je reálne platné) ) Celková merná spotreba elektrickej energie dosahuje min. hodnotu pri nižších hodnotách prúdu a výkonu, zodpovedajúcich max. mernej výrobnosti. Oblasť na pracovných charakteristikách, ohraničená max. výrobnosťou a min. mernou spotrebou el. energie určuje oblasť racionálneho prevádzkového režimu oblúkovej oceliarskej pece. Z pracovných charakteristík je možné určiť aj ďalšie prevádzkové prúdy pre príslušnú napäťovú odbočku, napr. ekonomicky najvýhodnejší, z podmienky minimálnych nákladov na tonu vyrobenej ocele. Nachádza sa vždy v oblasti racionálneho režimu, jeho poloha závisí tiež od ceny el. energie, ceny elektród, materiálu výmurovky pece. Jednosmerné oblúkové pece Novou alternatívou OOP so striedavým zdrojom sú jednosmerné oblúkové pece (JOP). Ich rozvoj sa zaznamenal v 70-tych rokoch minulého storočia a súvisel s konštrukciou silnoprúdových tyristorov. Najväčšia JOP bola postavená v r. 199, jednoelektródová s obsahom 150 ton tekutej ocele. JOP v porovnaní so striedavými majú niekoľko prevádzkových a technologicko-ekonomických výhod, ktorými sa stávajú perspektívnymi agregátmi pre výrobu elektroecelí. Medzi výhody JOP patria najmä: vyššia stabilita horenia oblúka podstatné zníženie rušivých vplyvov na napájaciu sieť zníženie hlučnosti prevádzky na cca 90 db (u striedavých min. 110 db) podstatné zníženie spotreby drahých grafitových elektród; v porovnaní so striedavými pecami v niektorých prípadoch až o 50 % menšie opotrebovanie výmurovky v jednoelektródových peciach (pece s jednou osovou elektródou) Do obsahu 30 ton sa JOP konštruujú spravidla s jednou elektródou, nad tento obsah sú trojelektródové. Principiálna schéma jednoelektródovej pece je naznačená na obr. 37. Obr. 37 Jednosmerná oblúková pec

75 5 Oblúkový ohrev 75 Zvislá elektróda 1 s grafitovou časťou je katódou v elektrickom obvode pece, anódu tvorí pôdna elektróda 5. Vaňa pece má vodivé dno 4. Jednosmerný elektrický obvod od tyristorového usmerňovača je uzavretý cez okruh 6 konštrukčne podobný krátkej sieti striedavých OOP. Elektróda 1 na úrovni veka má keramický uzáver 7, cez vŕtanie elektródy 3 sa privádza argón alebo dusík, ak pec sa neprevádzkuje v normálnej atmosfére. Pre zabezpečenie uzavretosti jednosmerného obvodu pri štarte pece, je potrebné pri odlievaní časť tekutej ocele ponechať vo vani pece. 5.. Odporovo - oblúkové pece (rudnotermické) Týmto názvom označujeme pece pracujúce so zakrytým oblúkom. Konverzia elektrickej energie na technologické teplo sa uskutočňuje z časti v horiacom oblúku pod povrchom trosky, z časti odporovým spôsobom prechodom prúdu troskou a taveninou. Používajú sa pri výrobe ferozliatin a karbidu kremíka. Z technologického hľadiska rozdeľujeme odporovo-oblúkové pece na redukčné a rafinačné. Redukčné pece pracujú s uhlíkom ako redukovadlom kontinuálnym procesom, zliatina a troska sa vypúšťajú periodicky. Podľa veľkosti pece a druhu vytavenej zliatiny, výkony redukčných pecí dosahujú hodnoty až 60 MVA. V rafinačných peciach proces tavenia je periodický. Na začiatku tavby pec pracuje so zakrytým oblúkom, postupne sa vytiahne nad hladinu taveniny, rovnako ako v oceliarskej peci. Ako redukovadlo v rafinačných peciach sa používa kremík alebo hliník. Pretože technologický proces je sprevádzaný exotermickými reakciami, transformátory týchto pecí majú podstatne menšie výkony 3 až 6 MVA. Rudnotermické pece sú mohutnejšie ako oceliarske oblúkové pece, vyznačujú sa ale pokojnejšou prevádzkou, nakoľko oblúk je z časti stabilizovaný odporom vsádzky. Z týchto dôvodov v elektrickom obvode pece nie je nutná tlmivka, tiež nižšie nároky sú na automatickú reguláciu pohybu elektród. Z konštrukčného hľadiska rudnotermické pece môžu byť otvorené (približne s výkonmi do 16 MVA) alebo zakryté, ďalej s nepohyblivou vaňou, prípadne otočné okolo horizontálnej alebo vertikálnej osi. S budovou tvoria organický celok o výške 16 až 19 m s 3 až 4 podlažiami. Na súčasných redukčných peciach sa skoro výlučne používajú tzv. samospekové (Söderbergove) elektródy. Výhodou týchto elektród je nízka cena, nakoľko proces spekania uhlíkovej masy sa uskutočňuje priamo na prevádzkovanej peci. Vypaľujú sa teplom, odvádzaným z pece cez teleso elektródy, ako aj Jouleovým teplom od pracovného prúdu. Na rafinačných peciach sa používajú klasické uhlíkové alebo grafitové elektródy. Určujúcou veličinou elektrického režimu redukčných pecí je tzv. fázové užitočné napätie U U z f, už = cosϕ η el (15) 3 a viazané s užitočným výkonom pece vzťahom U f už n už, = c P (16) kde U z je združené sekundárne napätie pecného transformátora c, n sú charakteristické koeficienty pre daný technologický proces

76 76 5 Oblúkový ohrev Užitočný výkon vo vani sa určuje z činného príkonu pece a predpokladanej elektrickej účinnosti (0,85 až 0,95). Činný príkon sa určuje z požadovanej výrobnosti G [t.h -1 ] podľa vzťahu P w = G w [kw] (17) kde w je merná spotreba elektrickej energie [kwh.t -1 ]. Potom užitočný výkon pece je P = η (18) už P w el V nasledujúcej tabuľke 4 sú uvedené odporúčané hodnoty fázového užitočného napätia podľa výkonu pece a merné spotreby elektrickej energie pre niektoré druhy výrob. Tab. 4 VÝROBA U f,už [V] pri P w [MW] 7,5 9 10,5 11,5 13,5 16,5 FeSi 45% 64 68,5 7 74, FeSi 75% 64 68,5 7 74, CrSi 50% Si 6,5 65, CrSi 30% Si ,5 70,5 7,5 76, CrSi 0% Si 60 6,5 65, CaSi 53, , elektrokorund elektromagnezit w [kwh.t -1 ] Z rovníc (15) a (16) vyplýva závislosť užitočného výkonu pecí na priepustnosti krátkych sietí. Pri zle navrhnutej krátkej sieti (malý účinník a elektrická účinnosť) je potrebné vysoké sekundárne napätie na dosiahnutie požadovaného U f,už. Z týchto príčin je potrebné venovať návrhu, konštrukcii a prevádzke krátkych sietí zodpovednú pozornosť so zohľadnením všetkých nepriaznivých javov vyskytujúcich sa na vedeniach nízkoimpedančných spotrebičov. Základnou požiadavkou je zapájanie krátkych sietí do symetrického bifilárneho trojuholníka na čeľustiach elektród, zabezpečujúceho nízku reaktanciu obvodu pece a čiastočne potláčajúceho jav živej a mŕtvej fázy Rušivé vplyvy OOP na napájaciu sieť vn Elektrické oblúkové pece patria z pohľadu elektroenergetiky medzi najväčšie spotrebiče elektrickej energie. Túto skutočnosť dokumentuje aj nasledujúca tabuľka 5, v ktorej sú svetovými firmami odporúčané výkony pecných transformátorov podľa obsahu pecí. Tab. 5 Obsah pece Výkon transformátora [MVA] [t] pre uhlíkové ocele pre legované ocele

77 5 Oblúkový ohrev 77 Odber elektrickej energie aj niekoľkých OOP je spravidla sústredený do jedného bodu rozvodnej siete hutného závodu. Naviac, s ohľadom na charakter horenia oblúka rozvodná sieť vn je nepravidelne zaťažovaná premenlivými prúdmi v hraniciach I = 0 (prerušený oblúk) až do I = 3.I n (prevádzkový skrat pece), kde I n je nominálny prúd. Kolísanie prúdu spôsobuje na impedancii siete následne kolísanie napätia, s nepriaznivým účinkom na ďalšie spotrebiče, napájané z tej istej siete. Rýchle zmeny napätia sa výrazne prejavujú na luminiscenčných zdrojoch svetla, televíznom príjme, röntgenových zariadeniach, výpočtovej technike a pod. Existuje niekoľko spôsobov na obmedzenie rušivých vplyvov prevádzky OOP na rozvodnú sieť vn. 1) Obmedzením skratových prúdov, t.j. optimálnym využívaním tlmivky v obvode pece (do série spojenou s pecným transformátorom). Tlmivku je potrebné prevádzkovať v plnom rozsahu najmä v dobe natavovania vsádzky, kedy najčastejšie dochádza k prevádzkovým skratom. ) Optimálnou voľbou, prípadne zvýšením skratového výkonu siete v mieste pripojenia OOP. Optimálna veľkosť skratového výkonu siete, potrebná na obmedzenie rušivých vplyvov, sa určuje podľa zdanlivého výkonu pecného transformátora S tr. Rušivý účinok kmitania napätia je pozorovateľný už pri odchýlkach 0,5 % menovitej hodnoty pri kmitoch 6 až 8 za sekundu. Také odchýlky sú spôsobené zmenou prúdu v hraniciach 0 až 30 % z I n. Obom hodnotám zodpovedá sieťová impedancia Z 0, 5 U = 30 I n n (19) ktorá určuje potrebný skratový výkon siete S sk n U 30 = = U n In = 60 S Z 0,5 tr (130) Z výsledku vyplýva, že trvalý skratový výkon siete v mieste pripojenia OOP má byť minimálne 60x väčší ako výkon pecného transformátora. V prípade citlivých susedných elektrospotrebičov sa hranica pozorovateľnosti rušivých vplyvov posúva na hodnotu 0,35 % z U n, čomu zodpovedá požadovaný skratový výkon siete S sk 30 = U n I n = & 85 Str (131) 0,35 Technické prostriedky zvýšenia skratového výkonu sú: zosilnením siete, napr. zväčšením transformátorov, zdvojením siete a pod. pripojením synchrónneho kompenzátora na sieť sériovou alebo paralelnou kompenzáciou pece 3) Znižovaním kolísania jalového príkonu OOP Tento spôsob sa technicky realizuje dvojakým spôsobom, nepriamou alebo priamou kompenzáciou

78 78 6 Elektrické ohrevy a pece pre moderné tepelné technológie 6 ELEKTRICKÉ OHREVY A PECE PRE MODERNÉ TEPELNÉ TECHNOLÓGIE Pri elektrotepelných technológiách v porovnaní s palivovým ohrevom sa všeobecne dosahuje vyššia čistota a homogénnosť spracovávanej vsádzky, s menším podielom nežiadúcich prímesí. Avšak ani tieto neodstraňujú vždy rôzne defekty v štruktúre materiálu, spočívajúce napr. v nerovnomernej kryštalizácií, čo obmedzuje kvalitu najmä špeciálnych druhov ocelí. Prvé možnosti zvyšovania kvality legovaných ocelí sa hľadali v použití indukčného a oblúkového ohrevu, ak sa technologický proces realizoval v dostatočnom vákuu, prípadne vhodnej ochrannej atmosfére. Už v 60-tych rokoch fa ASEA (Švédsko) skúšobne prevádzkovala indukčnú vákuovú pec s obsahom, t, s rotačným generátorom 10 kva, s frekvenciou 890 Hz. V súčasnosti vo svete sa prevádzkuje niekoľko stoviek indukčných taviacich pecí s obsahmi do 30 t tekutej vsádzky s nízko a stredofrekvenčnými zdrojmi. Prvé prevádzkové skúšky s oblúkovými vákuovými pecami sa uskutočnili už v období. svetovej vojny (W. Kroll USA, pre tavenie titánu). Principiálna schéma oblúkovej vákuovej pece je naznačená na obr. 38. Obr. 38 Vákuová oblúková pec Elektrickým oblúkom medzi elektródou a vodou chladeným kryštalizátorom sa táto elektróda odtavuje vo vákuu a tuhne vo forme ingotu o priemere kryštalizátora. V priebehu pretavovania sa súčasne odplyňuje. Z prevádzkového hľadiska sú výhodnejšie pece napájané jednosmerným prúdom, pri ktorých je potrebné nižšie napätie na udržanie termoelektronickej emisie oblúka. Pri jednosmernom napájaní odtavná elektróda má záporný pól, kryštalizátor kladný, takže teplota kúpeľa je vyššia ako teplota elektródy. Pracovné napätie vákuových oblúkových pecí závisí od pretavovaného kovu a pohybuje sa v hraniciach 18 až 40 V. Napájanie jednosmerných pecí sa zabezpečuje z kremíkových usmerňovacích blokov s prúdovou hustotou 30 až 65 A na 1 mm priemeru elektródy, resp.: 15 až 45 A na 1 mm priemeru ingotu. Pri značných výhodách vákuového tavenia v indukčných a oblúkových peciach ich širšie použitie v metalurgii je obmedzované drahými a zložitými vákuovacími zariadeniami. Z technologického hľadiska indukčné pece znevýhodňuje kontakt tekutého kovu so žiaruvzdornou výmurovkou, čím sa znižuje rafinačný efekt a znečisťuje kov.

79 6 Elektrické ohrevy a pece pre moderné tepelné technológie Plazmový ohrev a plazmové pece Pri plazmovom ohreve teplo sa generuje prechodom prúdu elektrickou plazmou, t.j. oblúkovým výbojom o tlaku vyššom ako atmosferický. Vyšší tlak je vyvolaný vynúteným tlakom plynu. Oblasť plazmy je spojená so zdrojom energie dvojako: elektromagnetickým obvodom (indukčne, kapacitne,...), ktorým sa prenáša energia vo frekvenčnom rozsahu MHz a GHz (bezelektródový ohrev), obvodom cez systém elektród, ktorým sa prenáša energia pri frekvencii f = 0 Hz alebo f = 50 Hz (elektródový ohrev). Je to obdoba oblúkových pecí. Pri oboch možnostiach prenosu energie ohrev vsádzky sa dá realizovať priamym alebo nepriamym spôsobom. Na obr. 39 je schematicky naznačený priamy ohrev bezelektródovým a elektródovým prenosom energie. a) b) Obr. 39 a) princíp priameho bezelektródového ohrevu b) princíp priameho elektródového ohrevu Zdrojom tepla v plazmových peciach je plazmový horák (plazmatrón), v ktorom sa indukuje nízkoteplotná plazma, vyznačujúca sa vysokou tepelnou kapacitou. V plazmových peciach sa plazma indukuje pomocou rôznych plazmotvorných plynov, najčastejšie inertných, ale aj aktívnych. Typickým plazmotvorným plynom je argón (má jednoatómovú molekulu, ľahko sa ionizuje), ďalej hélium, vodík a iné. Plazmou sa označuje štvrté skupenstvo hmoty, presnejšie podľa Engelovej definície je to ionizovaný plynný systém s rovnakou koncentráciou kladných a záporných nábojov. Na rozdiel od plynu plazma má veľkú tepelnú kapacitu a tepelnú vodivosť, je elektricky vodivá, teda podlieha účinkom elektrického a magnetického poľa. Podľa výšky teploty, t.j. podľa stupňa ionizácie plynu technickú plazmu rozdeľujeme na nízko a vysokoteplotnú. Vysokoteplotná plazma je taká, v ktorej stupeň ionizácie je blízky jednej, odpovedajúca teplota je 10 5 až 10 6 K. Nízkoteplotná plazma má stupeň ionizácie menší a dá sa získať pri teplotách rádovo 10 3 až 10 4 K. Pre elektrotepelné aplikácie sa využíva nízkoteplotná plazma. V súlade s naznačeným spôsobom prenosu energie (obr. 39) spôsob získavania plazmy pre metalurgické účely je dvojaký. Získava sa buď indukčným spôsobom, t.j. pomocou výboja vo vysokofrekvenčnom elektrickom poli (tzv. bezelektródový generátor plazmy) alebo častejšie pomocou elektrického výboja medzi dvoma, prípadne viacerými elektródami, napájanými jednosmerným, resp. striedavým prúdom (elektródový generátor plazmy). Vysokofrekvenčné bezelektródové horáky využívajú premenu vysokofrekvenčnej energie (rádovo 1 až 10 MHz), koncentrovanú v dutine budiaceho induktora. S ohľadom na nízke výkony a malú účinnosť, ich použitie sa obmedzuje na laboratórne účely. Principiálna schéma tohto typu horáka je na obr. 40.

80 80 6 Elektrické ohrevy a pece pre moderné tepelné technológie Obr. 40 Princíp plazmového ohrevu Do dutiny keramickej trúbky sa tangenciálne privádza plazmotvorný plyn. Horák sa zapaľuje pomocou zapaľovacej tyčinky, napr. uhlíkovej, volfrámovej a pod. Ak sa jej spodný koniec spustí na úroveň stredu induktora, indukčne sa rozžeraví a od nej sa termicky ionizuje postupne pridávajúci plazmotvorný plyn. Pretože intenzita vysokofrekvenčného poľa v induktore je vysoká, rádovo až 100 V.cm -1 ), ionizovaný plyn podobne ako kovová vsádzka absorbuje energiu poľa, ionizácia plynu sa uskutočňuje samostatne, zapaľovaciu tyčinku možno vytiahnuť z oblasti plazmy. Pri vhodne volenom výkone generátora a tlaku plynu plazma horí stabilne, je schopná zabezpečovať požadovaný tepelno-technologický proces. Výhody bezelektródových horákov spočívajú v možnosti práce s voliteľnou atmosférou a v záruke vysokej čistoty opracovaného materiálu. Veľkosť horáka nie je ľubovoľná, závisí od výkonu vf generátora. V súčasnej dobe sa v metalurgii používajú najmä elektródové horáky, využívajúce elektrický oblúk koncentrovaný tryskou horáka a aerodynamickým účinkom plazmotvorného plynu. Premena elektrickej energie na tepelnú sa uskutočňuje v stabilizovanom oblúku, horáky sa pripájajú na jednosmerný, zriedkavejšie na striedavý zdroj (f = 50 Hz). Sú rôzne spôsoby elektrického zapojenia horákov, ktoré v princípe môžeme rozdeliť do dvoch skupín: zapojenie horákov s nezávislým oblúkom, obr. 41a zapojenie horákov so závislým oblúkom, obr. 41b a) b) Obr. 41 a) Horák s nezávislým oblúkom b) Horák so závislým oblúkom

81 6 Elektrické ohrevy a pece pre moderné tepelné technológie 81 Horáky s nezávislým oblúkom sa používajú v prípadoch, kedy nie je možné uzavrieť elektrický obvod medzi elektródou a ohrievaným materiálom. V týchto horákoch ionizovaný plyn získava energiu vo výboji medzi katódou 1 a anódou 3 a z tohto o vysokej teplote expanduje na materiál. V plazmových horákoch so závislým oblúkom medzi katódou 1 a anódou 3 sa uzatvára len pomocný stabilizačný oblúk pri nízkom napätí. Hlavný, pracovný oblúk horí medzi katódou a taveným materiálom, pri vyššom napätí a prúde. Podstatná časť energie plazmy sa získava teda mimo horáka, čo umožňuje vzhľadom na tepelné namáhanie dosiahnuť vyššie výkony, ako na horákoch s nezávislým oblúkom. Vysokú koncentráciu tepla je možné dosiahnuť škrtením priemeru elektrického oblúka pomocou trysky, ktorá má zároveň stabilizačný účinok. Konštrukcie taviacich plazmových pecí majú dve základné tendencie: Jeden typ plazmových pecí má konštrukciu podobnú oblúkovým peciam, t.j. taviaci proces sa uskutočňuje vo vani vymurovanej žiaruvzdorným materiálom. Funkciu grafitových elektród nahrádzajú plazmové elektródové horáky. Elektrický obvod sa uzatvára cez špeciálnu elektródu, zabudovanú izolovane do dna pece a vodivo spojenú so vsádzkou. Pri druhom type sa tavenie uskutočňuje v kovových kryštalizátoroch. Výhody plazmových pecí s kovovými, vodou chladenými kryštalizátormi spočívajú predovšetkým v možnosti tavenia kovov, ktorých bod tavenia prevyšuje pracovnú teplotu keramických žiaruvzdorných materiálov a v možnosti získavania ingotov vysokej čistoty. Okrem tavenia plazmové zariadenia sa používajú tiež napr. k nástreku ťažko taviteľných materiálov (do plazmy sa zavádza vo forme prášku) k rezaniu, k zváraniu a k realizácii rôznych chemických procesov v plazme. 6. Elektrónový ohrev a elektrónové zariadenia Technologické teplo pri elektrónovom ohreve sa generuje z kinetickej energie elektrónového lúča, dopadajúceho na ohrievaný materiál. Činnosť elektrónových pecí teda spočíva vo využití energie urýchlených elektrónov v silnom elektrickom poli s napätím 10 až 30 kv. Elektrickým a magnetickým poľom fokusované elektróny dopadajú na spracovávaný materiál, nárazom menia vlastnú kinetickú energiu na teplo, približne až so 100 % účinnosťou. Rýchlosť elektrónu s hmotnosťou m e, s nábojom e v elektrickom poli je funkciou napätia U: v e = e U m e = 5 5,93.10 U (13) Ak sa elektrón nachádza súčasne v magnetickom poli s intenzitou H, pohybuje sa po skrutkovici s rastúcim stúpaním a polomerom ve me re = (133) e µ 0 H Tento princíp zmenšovania polomeru dráhy skrutkového pohybu s rastom intenzity poľa sa využíva pre tvorbu elektrónového lúča v elektrónových peciach. Uvedená úvaha platí presne pre výsledný pohyb osamotenej častice v homogénnom poli, pohyb zväzku častíc v elektrónovej peci je komplikovanejší. Ovplyvňuje sa zmenou intenzít elektrického a magnetického poľa v komore pece, tepelným pohybom elektrónov, rekombinačnými a difúznymi procesmi. Na získanie potrebnej kinetickej energie je potrebná dostatočne veľká stredná voľná dráha elektrónov. Preto urýchľovanie elektrónov sa uskutočňuje vo vysokom vákuu. Vysoké vákuum je súčasne technologickou výhodou,

82 8 6 Elektrické ohrevy a pece pre moderné tepelné technológie nakoľko umožňuje z pretavovaného materiálu uvoľniť nežiadúce prvky, napr. vodík, dusík a iné. Nakoľko počiatočná rýchlosť zväzku závisí od urýchľovacieho napätia jeho veľkosť stanovuje v podstate hĺbku prieniku. Zväzok elektrónov sa pohlcuje v tenkej povrchovej vrstve materiálu s objemovou hmotnosťou ρ m podľa vzťahu 1 U xmax =,1. 10 (134) ρ m čo znamená, že elektrónový ohrev má povahu povrchového ohrevu. Podľa spôsobu žeravenia katódy, emitujúcej zväzok elektrónov, sú elektrónové pece s priamo a nepriamo žeravenou katódou. Výhodnejšie sú pece s nepriamo žeravenou katódou, u ktorých je možné katódu konštruovať v tvare sférických alebo elipsoidových plôch, zabezpečujúcich vhodnú fokusáciu elektrónového lúča. Podľa funkcie a polohy pretavovaného materiálu v elektrickom poli poznáme tiež dva typy pecí. V prvom prípade pretavovaný materiál tvorí anódu pece, teda je začlenený do elektrického poľa v obvode pece, v druhom prípade majú pece špeciálnu anódu a pretavovaný materiál je mimo pôsobenia elektrického poľa. Výhodnejšia je druhá alternatíva nakoľko týmto riešením nevznikajú sekundárne výboje v elektrickom poli a umožňuje pretavovaný materiál dostatočne vzdialiť od elektrického systému pece. Principiálna schéma tohto typu elektrónovej pece je na obr. 4. Žeravenou katódou K emitované elektróny sú pomocnou elektródou W (Wehneltov valec) sústreďované do úzkeho lúča tak, aby prešli štrbinovou anódou A. Po jej opustení sa dostavujú do vlastnej vákuovej komory s fokusujúcim M f a vychyľovacím systémom M v. Pomocou týchto sa znova zužuje a vychyľuje elektrónový lúč na natavovaný materiál M, umiestnený v kryštalizátore pece. Zariadenia pracujúce na tomto princípe sa nazývajú "elektrónové delá". Anóda pece pôsobí ako urýchľujúca, fokusujúci systém tvorí cievka M f vytvárajúca vhodné magnetické pole. Dobre volenou veľkosťou poľa sa dá docieliť veľmi malá plocha dopadu 1 až 0,01 mm, v ktorej sa uvoľňuje veľká tepelná energia. Tepelný efekt je určený, rýchlosťou elektrónov, závislou od urýchľujúceho napätia a od hustoty elektrónov na ohrievanú plochu. Zvýšenie hustoty elektrónov sa dosahuje buď zväčšením emitujúcej plochy katódy alebo zvýšením žeraviaceho prúdu. Obr. 4 Princíp elektrónového ohrevu Na uvedenom princípe pracuje Pierceovo elektrónové delo. Ak sa Pierceovo delo používa pre zváranie, prípadne rezanie materiálov, má elektrónový systém zabezpečujúci

83 6 Elektrické ohrevy a pece pre moderné tepelné technológie 83 jemnú fokusáciu, s vysokou hustotou dopadajúcej energie. Pre tavenie materiálov sa používajú Pierceove delá s hrubšou fokusáciou elektrónového lúča. Elektrónové pece s jedným delom pracujú s výkonmi od 5 kw pri priamom žeravení, do 150 kw pri nepriamo žeravených katódach, so životnosťou až 300 hodín, t.j. približne 400 tavieb. Pracovné napätie býva 0 maximálne 30 kv. V súčasnosti existujú ďalšie konštrukčné riešenia elektrónových pecí. Elektrónové pece sa používajú pre tavenie kovov s vysokou teplotou tavenia, akú má napr. tantal, molybdén, niób, rhénium, hospodárna je tiež výroba zliatin na báze železa, niklu a iné. Pri elektrónovom tavení sa dosahuje vysoká čistota materiálov. Merná spotreba elektrickej energie pre tavenie v elektrónových peciach sa pohybuje v hraniciach 700 až 000 kwh.t -1 podľa systému pece, druhu a veľkosti pretavovaného materiálu, merný výkon býva až 10 9 W.cm Infračervený ohrev Pod infračerveným ohrevom rozumieme ohrev žiarivou energiou v rozsahu vlnových dĺžok 0,78 až 400 µm. Z hľadiska technického využitia je zaujímavá oblasť tohto elektromagnetického vlnenia len do vlnovej dĺžky 8 µm. Energia vlnenia po dopade na ožiarenú vsádzku sa sčasti pohlcuje a mení na teplo. Výhodou infračerveného ohrevu (podobne ako dielektrického a indukčného) je teda skutočnosť, že teplo vzniká v ohrievanej vsádzke, čím sa skracuje doba ohrevu a zvyšuje účinnosť zariadenia. Podľa polohy maxima Planckovej krivky žiarivosti infračervené zdroje rozdeľujeme do troch skupín: vysokoteplotné (svietivé) s povrchovou teplotou žiariča 100 až 500 C a vlnovou dĺžkou odpovedajúcou maximálnej žiarivosti λ m = 1 až µm strednoteplotné (svietivé) s povrchovou teplotou 700 až 100 C a λ m = až 3 µm nízkoteplotné (tmavé) s povrchovou teplotou 400 až 700 C a λ m = 3 až 8 µm Svietivé infračervené zdroje vysielajú teda krátkovlnové žiarenie, majú vysokú povrchovú teplotu. Konštrukčne sa podobajú bežným žiarovkám. Svietivé žiariče sa vyrábajú v rozsahu výkonov 15 až 1000 W, pri správnom prevádzkovaní dosahujú životnosť až 5000 hodín, účinnosť je okolo 65 %. Tmavé infračervené zdroje vysielajú elektromagnetické vlnenie vo väčších vlnových dĺžkach pri nižších pracovných teplotách. Používajú sa tam, kde sa nevyžaduje hĺbkový tepelný účinok. Výhodou tmavých žiaričov je vyššia prevádzková odolnosť. Infračervený ohrev má široké použitie v rôznych odvetviach národného hospodárstva. V automobilovom priemysle sa najprv sušia a potom vypaľujú karosérie automobilov v infratuneloch, v elektrotechnickom sa infraohrev používa napr. pri impregnácii cievok, v textilnom priemysle pri sušení a farbení látok, ďalej sa používajú v obuvníctve, pri výrobe keramiky a pod. V poľnohospodárstve sa infračervený ohrev používa v podobe umelých liahní, pri sušení zrnovín atď. Všeobecnou výhodou infračervených zariadení na ohrev je ich jednoduchosť, prevádzková spoľahlivosť a dobrá účinnosť. Energetická účinnosť infračerveného ohrevu je podmienená reflexnými, absorbčnými a diatermickými schopnosťami ohrievanej vsádzky.

84 84 6 Elektrické ohrevy a pece pre moderné tepelné technológie 6.4 Ohrev laserom Laser (light amplification by stimulated emission of radiation) je všeobecný názov pre kvantové generátory elektromagnetického vlnenia, s frekvenciami v oblasti svetla. Laserový ohrev materiálov spočíva v pohlcovaní laserového lúča, ktorého energia sa absorbciou mení na teplo. Kovové materiály sa všeobecne vyznačujú tým, že laserový lúč prepúšťajú len do veľmi tenkej povrchovej vrstvy rádovo 10-1 až 10 - µm. Indukované teplo vo veľmi tenkej povrchovej vrstve túto intenzívne ohrieva na vysokú teplotu. Medzi povrchovou a vnútornými vrstvami sa vytvára veľký teplotný spád, následkom ktorého sa teplo vedením prenáša do vnútra kovu. Vhodnou vlastnosťou laserového lúča je skoro bezstratový prienik prirodzenou atmosférou a ďalšími plynmi. Pri ohreve laserom sa využíva tak, že ohrev je možné realizovať v ľubovoľnej atmosfére a vo vhodnej vzdialenosti od miesta zdroja lúča. Pretože stojaci lúč dopadá na veľmi malú plôšku povrchu, zväčšenie ohrievanej plochy ohrevu sa zabezpečuje v laserových ohrievacích zariadeniach dvojakým spôsobom: použitím integrátora žiarenia, t.j. špeciálne členeným zrkadlom (tzv. bunkovým), ktorým sa primárny lúč rozkladá na niekoľko dielčích v tvare plochého štetca. Ďalším zrkadlom sa lúče roztierajú po plôške, prípadne sa zároveň posúva ohrievaný materiál, osciláciou fokusovaného lúča v jednej alebo dvoch osiach. Vychyľovanie lúča sa zabezpečuje systémom zrkadiel vo dvoch na seba kolmých osiach, takže sa pokryje určitá plocha ohrevu. Účinnosť ohrevu laserom závisí predovšetkým od schopnosti materiálu absorbovať žiarenie lúča. Napr. meď, hliník, striebro sa ohrievajú laserom ťažšie ako oceľ. Pre zvýšenie absorpčnej schopnosti (stupňa čiernosti) sa takéto materiály povrchovo upravujú uhoľným prachom, grafitom, prípadne oxidmi medi, ktoré sa rozpustia vo vhodnom rozpúšťadle a nastriekajú na povrch. Takto sa upravujú povrchy materiálov najmä pri použití plynového lasera CO, pretože v rozsahu jeho vlnových dĺžok (10,6 µm) kovy absorbujú len asi 10 % energie lúča. Prieskum použiteľnosti laserov sa orientuje najme do oblastí mechanicko-tepelných a chemicko-tepelných povrchových technológií. Veľmi perspektívne je napr. povrchové laserové kalenie ocelí a liatin, ktoré v porovnaní s klasickými spôsobmi kalenia má niekoľko výhod (malé množstvo spotrebovaného tepla, možnosť lokálneho kalenia a kalenia ťažko prístupných plôch a pod.). Poznámka: Podľa zvyklosti mnohých zahraničných prameňov laserový ohrev patrí do skupiny tzv. fotónového ohrevu. Je to ohrev, pri ktorom technologické teplo priamo vzniká v tuhom alebo kvapalnom prostredí, ktoré je podrobené monochromatickému elektromagnetickému vlneniu v oblasti optického žiarenia. Toto generuje kvantový generátor (zosilňovač žiarenia). Podľa vlnovej dĺžky monochromatického žiarenia, technické uplatnenie majú nasledujúce metódy fotónového ohrevu: infračervený: λ <0,8; 8> µm (IR lasery) laserový: λ <0,4; 0,8> µm (lasery) ultrafialový: λ <0,; 0,4> µm (UV lasery) Fotónové ohrevy sú priame ohrevy a nakoľko energia žiarenia sa pohlcuje na povrchu, patria do skupiny povrchových.

85 6 Elektrické ohrevy a pece pre moderné tepelné technológie Elektrotroskové pretavovacie zariadenia Elektrotroskové pretavovanie je bezoblúkový odporový pochod, pri ktorom sa odtavovaná elektróda pôsobením vhodnej trosky rafinuje tak, že vytvárajúci sa ingot je podstatne čistejší. V tekutej troske, Jouleovými stratami vyhriatej na teplotu 1700 až 000 C sa zároveň získava teplo potrebné na odtavovací proces. Z ponoreného čela elektródy odtavené kvapky kovu prechádzajú cez troskový kúpeľ, zhromažďujú sa a postupne tuhnú vo vodou chladenom kryštalizátore. Princíp činnosti elektrotroskovej pece vysvetľuje obr. 43. Odtavná elektróda (1) je ponorená v tekutej vodivej troske (), v objeme vodou chladeného kryštalizátora (3). Tento je uložený na taktiež vodou chladenej podložke (4). Teplo formou Jouleových strát v troske, udržuje ju v tekutom stave na teplote potrebnej k postupnému odtavovaniu elektródy. Odtavené kvapky elektródy prechodom troskou sa rafinujú, vytvárajú tekutý kúpeľ (6), postupne tuhnúci vo forme ingotu (5) s rozmermi vnútorného prierezu kryštalizátora. V procese tuhnutia na bočnej stene ingotu sa vytvára trosková kôra hrúbky 1 až 3 mm, slúžiaca ako prirodzená tepelná a elektrická izolácia ingotu od kryštalizátora. Podľa elektrického, zapojenia elektrotroskové pretavovacie zariadenia sú jedno, dvoj, alebo trojfázové. Trojfázové majú buď jeden spoločný alebo tri samostatné kryštalizátory. Obr. 43 Princíp elektrotroskového pretavovania Z elektrickej stránky sú výhodnejšie zapojenia s bifilárnym vedením, nakoľko potláčajú relatívne vysokú vzájomnú indukčnosť a impedančnú asymetriu prívodov. Jednofázové pece sú vhodné pre pretavovanie valcových alebo štvorcových ingotov, dvojfázové pre pretavovanie obdĺžníkových prierezov, trojfázové šesť elektródové sú vhodné pre pretavovanie dutých ingotov. Sekundárne napätia a pracovné prúdy elektród závisia od ich priemeru (tento od požadovaného priemeru ingotu) podľa nasledujúcej tabuľky: Tab. 6 Priemer elektródy [mm] Priemer ingotu [mm] Sekundárne napätie [V] Pracovný prúd [A]

86 86 6 Elektrické ohrevy a pece pre moderné tepelné technológie Dôležitým prvkom elektrotroskovej pece je kovový kryštalizátor. Vytvára pracovný priestor, v ktorom sa uskutočňuje elektrotroskový pochod, dáva žiadúci tvar ingotu a odvádza teplo. Tvar kryštalizátora je najčastejšie kruhový, ale podľa potreby ingotov môže mať aj iný prierez. Kryštalizátory majú spravidla kónický tvar s malým úkosom pre uľahčenie snímania z ingotov. Elektrotroskové pece sa spravidla prevádzkujú v periodickom režime bez výmeny elektród počas pretavovania. V tomto prípade dĺžka elektród sa určuje z jej priemeru a požadovanej hmotnosti ingotu. Najnovšie koncepcie pecí pre výrobu ingotov hmotnosti 0 až 00 ton sú riešené s väčším počtom elektród, vymeniteľných v priebehu tavby. Napr. firma Leybold Heraeus skonštruovala štvorelektródovú pec, tri elektródy sa odtavujú pri výmene štvrtej. Klasické elektrotroskové pece sú napájané striedavým prúdom priemyselnej frekvencie. Ostatne sa používa tiež prúd s frekvenciou 0,5 až 5 Hz, generovaný striedačom s veľkým počtom tyristorových jednotiek alebo pece sú napájané s jednosmerným prúdom s voliteľnou polaritou odtavnej elektródy. Ostatne sa odskúšali tiež pece s kombinovaným napájaním. Obr. 44 Princíp elektrotroskového odlievania Zvládnutie teórie a získané praktické skúsenosti z elektrotroskových procesov umožnili na Kijevskom inštitúte E. O. Patona realizovať nový odlievací spôsob elektrotroskového odlievania. Princíp odlievania je naznačený na obr. 44. Tekutý kov z odtavovaného konca elektródy (1) prechádza troskou () bez prístupu vzduchu do odlievacej formy (5). Táto má dve funkcie. Slúži ako priestor na tuhnutie vsádzky a súčasne zabezpečuje budúci tvar výrobku (4).