Žilinská univerzita v Žiline Elektrické teplo Michal Pokorný
Obsah 1. Úvod 2. Šírenie tepla 3. Odporové elektrotepelné zariadenia 4. Indukčné elektrotepelné zariadenia 5. Oblúkové elektrotepelné zariadenia 6. Ďalšie elektrotepelné zariadenia 2
1. Úvod Využitie elektrických zdrojov tepla: priemysel, poľnohospodárstvo, domácnosti, doprava, lekárstvo... Cca 36 % spotreby energie v priemysle sa využije na ohrev. Spotreba je ale veľmi rozdielna podľa odvetvia, napr. v sklárstve sa na ohrev spotrebuje až 80 % energie. Straty pri ohreve dosahujú 15 až 85 %! Len malá časť tepla je z elektriny (USA: 10 %). Hlavné výhody využívania elektrického tepla pohotovosť (rýchly štart, 24 h, dostupnosť), veľká variabilita výkonov (W až desiatky MW), rýchlosť ohrevu (5 10 x vyššia ako v palivových peciach), možnosť dosiahnuťľubovoľnú teplotu, jednoduchosť komplexnej automatizácie, relatívne dobrá ekonomika (odber len v čase činnosti, presne nastaviteľná teplota, ohrev len požadovanej časti...), účinnosť elektrických pecí: 50 80 % (palivové pece: 25 40 %), ekológia (i s uvažovaním výroby el. energie).
1. Úvod Prehľad druhov elektrického ohrevu a typické výkony 2
1. Úvod Typické hustoty výkonu pri niektorých druhoch elektrického ohrevu 2
1. Úvod Porovnanie spotreby energie pri niektorých technologických procesoch
1. Úvod Elektrotepelné zariadenia - základné pojmy Pec ohrievacie zariadenie, v ktorom sa tepelne-technologický proces uskutočňuje v uzavretom priestore - vykurovacej komore. Ohrievač zariadenie bez vykurovacej komory. Vsádzka ohrievaný materiál. Periodická pec pri ohreve sa vsádzka nepremiestňuje (pec so stabilnou vsádzkou). Priebežná pec vsádzka pecou pri ohreve spojite alebo cyklicky prechádza (pec s pohyblivou vsádzkou). Rozdelenie pecí: Podľa výšky pracovnej teploty: - nízkoteplotné do 650 o C, - stredneteplotné do 1 200 o C, - vysokoteplotné nad 1 200 o C. Podľa atmosféry vo vykurovacej komore: - pece s prirodzenou atmosférou, - pece s riadenou umelou atmosférou, - vákuové pece. Podľa technologického účelu.
1. Úvod Základná tepelná bilancia: Q = Q u + Q s Q teplo spotrebované v elektrotepelnom zariadení, Q u užitočné teplo (zohrieva vsádzku), Q s stratovéteplo. Väčšina elektrotepelných zariadení má nepriaznivý vplyv na napájaciu sieť: nízky účinník, zdroj harmonických zložiek prúdu, nesymetria, náhle zmeny zaťaženia blikanie, poklesy napätia, prepätia. Preto musia byť použité kompenzačné a filtračné zariadenia. Mnohé elektrotepelné zariadenia produkujú nebezpečné odpady (plyny, prach) a môžu znečisťovať okolie.
2. Šírenie tepla Teplo sa prenáša z teplejšieho telesa na chladnejšie: vedením (kondukcia), prúdením (konvekcia), žiarením (radiácia). V praxi: kombinácia spôsobov Šírenie tepla vedením Najmä v tuhých telesách (tekutiny: v kľude). Dôsledok konečného rozdielu teplôt. Energetické výmeny mikropohybu molekúl. Uvažujeme izotrópne prostredie (fyzikálne vlastnosti sú vo všetkých smeroch rovnaké). Tepelný stav prostredia popisuje teplotné pole (množina okamžitých teplôt všetkých bodov prostredia). Teplotné pole: skalárne, spojité. Pre všeobecné, neustálené teplotné pole platí: ϑ = f (x, y, z, t) (K; m, s) 2
2. Šírenie tepla DR vedenia tepla (jednorozmerný prípad): ϑ = t λ c ρ 2 x ϑ 2 λ - merná tepelná vodivosť materiálu (W.m -1.K -1 ), c-merná tepelná kapacita materiálu (J.kg -1.K -1 ), ρ - hustota materiálu (kg.m -3 ). Priebeh teploty v trojvrstvovej rovinnej stene (ustálený stav): Tepelný odpor (analógia s elektrickými obvodmi): R t l = λ A A plocha steny (m 2 ). (K.W -1 ) Tepelný tok cez stenu: Φ ϑ ϑ 1 = 3 i= 1 R ti 2 (W)
Šírenie tepla prúdením 2. Šírenie tepla Súvis s pohybom tekutých látok. Obvykle: obtekanie tuhých (kvapalných) telies tekutinou. Turbulentné prúdenie. Teplotná medzná vrstva (laminárna). Teplotný tok: Φ = α A ( ) ϑ 1 ϑ 1p α - súčiniteľ prestupu tepla (W.m -2.K -1 ). Tiež je možné použiť tepelný odpor: R t 1 = α A (K.W -1 )
2. Šírenie tepla Šírenie tepla žiarením (sálaním) Každé teleso, ktorého teplota je vyššia ako 0 K vyžaruje svojím povrchom tepelnú energiu. Ide o elektromagnetické vlnenie rôznych vlnových dĺžok v priezračnom prostredí sa šíri všetkými smermi a priamočiaro. Dôležité sú tie druhy žiarenia, ktoré sú telesá schopné pohlcovať a meniť na teplo: svetelné žiarenie (λ = 0,39 0,76 μm), infračervené žiarenie (λ = 0,76 400 μm). Spoločný názov: tepelné vlnenie alebo sálanie. Prenos tepla žiarením sa uplatňuje pri vyšších teplotách (do cca 150 o C prevláda prenos tepla prúdením). Po dopade na teleso sa sálavá energia: pohlcuje a mení na teplo (a relatívna pohltivosť, absorbcia), odráža (r relatívna odrazivosť, reflexia), prechádza telesom (d relatívna priepustnosť, diatermia). Platí: a + r + d = 1 Absolútne čierne teleso: a = 1, r = d = 0 (ostatné telesá: šedé). Hustota tepelného toku: spektrálna žiarivosť: q λ (W.m -3 ), úhrnná žiarivosť: q (W.m -2 ).
2. Šírenie tepla Základné zákony vyžarovania: Planckov zákon Udáva závislosť spektrálnej žiarivosti od vlnovej dĺžky a teploty pre absolútne čierne teleso. q č plocha pod Planckovou krivkou emisná plocha pre danú teplotu. Skleníkový efekt.
2. Šírenie tepla Kirchhoffov zákon Udáva úhrnnú žiarivosť absolútne čierneho telesa pri danej teplote: č š š. ) ( f q konšt a q = = = ϑ Pri termodynamickej rovnováhe telesa: a = ε (ε - koeficient sálania (čiernosti)). Wienov zákon Umožňuje určiť vlnovú dĺžku, na ktorej absolútne čierne teleso vyžaruje najviac pri danej teplote: λ max. ϑ = 2,898.10-3 m.k Stefan-Boltzmannov zákon Udáva vzťah medzi sálaním reálnych telies a abs. čiernym telesom. Pre danú teplotu platí: ( ) 2 4 č 4 ' č č m W 100 σ σ = = ϑ ϑ q 4 2 8 ' č K m W 10 5,6697 σ = - Stefan-Boltzmannova konštanta Príkl.: dve rovnobežné plochy výsledný prenášaný žiarivý tok: + = 4 2 4 1 2 1 č 100 100 1 1 1 σ ϑ ϑ ε ε A Φ
3. Odporové elektrotepelné zariadenia Elektrická energia sa mení na teplo podľa Jouleovho zákona: Priamy odporový ohrev prúd prechádza priamo vsádzkou (pevná, tekutá). Nepriamy odporový ohrev teplo vzniká v špeciálnom odporovom vodiči (výhrevný článok), na vsádzku sa prenáša najmä prúdením a sálaním. Priamy odporový ohrev Vzhľadom na princíp sú zariadenia jednoduché. Výpočty musia uvažovať nelineárnu závislosť parametrov vsádzky od teploty (rezistivita, merná tepelná vodivosť, merná tepelná kapacita), u feromagnetických materiálov sa uplatňuje skin efekt (+ strata feromagnetických vlastností pri Curieho teplote). Príklady použitia: Elektrokontaktný ohrev kovov tyče, drôty, pásy; prípadne aj priebežný ohrev. Grafitačné pece na výrobu grafitu z uhlíku (cca 2 500 o C). Priamy odporový ohrev skla vysoká čistota a homogénnosť taveniny (sklo vodič už pri teplote nad 200 o C).
3. Odporové elektrotepelné zariadenia Termickáelektrolýza výroba hliníka, sodíka, horčíka. Elektrolyzér: napätie do 5 V, prúd stovky ka. Ohrev kovov v elektrolyte (soľné kúpele) kovová vsádzka je ponorená v elektrolyte (roztavené soli, napr. NaCl, CaCl 2, K 2 CO 3 a i.). Elektródový ohrev vody teplo vzniká priamym prechodom prúdu vodou. Napätia: 230 V až 30 kv, výkony až 30 MW. Aj na výrobu pary. Elektrotroskové pretavovanie ocele na zvýšenie kvality ocelí.
3. Odporové elektrotepelné zariadenia
3. Odporové elektrotepelné zariadenia
3. Odporové elektrotepelné zariadenia Nepriamy odporový ohrev Odporové pece so stabilnou vsádzkou: komorová, vozíková, šachtová, zvonová, elevátorová, tégliková. Odporové pece s pohyblivou vsádzkou: kontinuálne pece (obvykle tunelové, napr. pásová, valčeková, preťahovacia, bubnová alebo karuselová), narážacie pece, pece s pulzujúcim dnom, krokové pece.
3. Odporové elektrotepelné zariadenia
3. Odporové elektrotepelné zariadenia Materiály odporových pecíc Vymurovka: žiaruvzdorné materiály: najčastejšie šamot (40 % Al 2 O 3 + 60 % SiO 2 ), ľahčené žiaruvzdorné materiály. Tepelná izolácia: ľahčené a vláknité keramické materiály. Výhrevnéčlánky: kovové materiály (nemagnetické zliatiny, feritické zliatiny, čisté kovy, špeciálne zliatiny), nekovové materiály (karbid kremíka SiC, cermetové články, uhlíkové a grafitové články). Konštrukcia článkov: otvorené články (špirály, meandre), uzavreté články (obvykle trubkové, môžu byť aj ponorné).
4. Indukčné elektrotepelné zariadenia Princípom sú indukčne viazané obvody induktor (cievka) a vsádzka. Energia sa prenáša elektromagnetickým poľom do vsádzky, kde sa indukujú vírivé prúdy, ktoré vsádzku zohrievajú. Zohrieva sa len vsádzka, ktorá musí byť z elektricky vodivého materiálu (kovová). Obvykle potrebujeme pre danú vsádzku, ktorú chceme zohrievať, navrhnúť tvar a parametre induktora. Dôležitým parametrom je frekvencia napájacieho zdroja. Od nej závisí hĺbka vniku vlnenia a. Ak má vsádzka tvar napr. plochej dosky, potom ak: l 3.a dochádza k dobrému využitiu energie elmg. poľa (tzv. relatívne hrubá stena) (l hrúbka steny), l< 3.a vlnenie stenou čiastočne prechádza (priezračná vsádzka). Vzťah pre hĺbku vniku: a = π ρ f μ ρ - rezistivita materiálu μ - permeabilita materiálu f -frekvencia
4. Indukčné elektrotepelné zariadenia Pri indukčnom ohreve je množstvo tepla vzniknuté vo vsádzke najvyššie pri povrchu a smerom do stredu vsádzky exponenciálne klesá. Indukčné pece Indukčné pece téglikové (ITP) Použitie: tavenie ocele, Al, Mg, mosadze, prehrievanie roztaveného kovu, udržiavanie kovu na teplote. Rozdelenie: Pece sieťové (na 50 Hz) výroba odliatkov, časť kovu je v peci stále. Pece stredofrekvenčné (150 Hz až 10 khz) pec nabieha zo studeného stavu. Pece vysokofrekvenčné (do 10 MHz) špeciálne, laboratórne. Účinník: do 0,2.
4. Indukčné elektrotepelné zariadenia
4. Indukčné elektrotepelné zariadenia Indukčné pece kanálikové (IKP) Použitie: tavenie farebných kovov a ich zliatín, prehrievanie roztaveného kovu, udržiavanie kovu na teplote. Princíp: transormátor s Fe jadrom, sekundár tvorí kanálik s kovom v podstate závit nakrátko. Rozdelenie: s otvoreným vodorovným kanálikom (na 5-25 Hz), s uzatvoreným kanálikom (50 khz). Účinník: 0,3 0,8. Konštrukčné časti: vaňa pece s vymurovkou šachtového alebo bubnového tvaru, indukčná jednotka (môže byť viac jednotiek na jednu pec). U IKP je potrebné zabezpečiť, aby nedošlo k prerušeniu kovu v kanáliku môžu vzniknúť nežiaduce prúdové a silové impulzy.
4. Indukčné elektrotepelné zariadenia
4. Indukčné elektrotepelné zariadenia Indukčné ohrievače (IO) Použitie: ohrev kovových materiálov na teplotu, požadovanú na tepelné spracovanie (kalenie, žíhanie, valcovanie, kovanie,...). Podľa technológie tepelného spracovania sa delia: IO pre povrchové tepelné spracovanie. Používajú sa najmä stredo- a vysoko-frekvenčné zariadenia. Induktor: jedno- alebo viac závitová cievka. IO pre objemové tepelné spracovanie tvárnenie. Zariadenia sú periodické alebo priebežné. IO pre zvláštne použitie, napr. spájkovanie, zváranie trubiek, predohrev pred zváraním, nalisovaním, sušenie farieb, v priemysle plastov, výroba polovodičových materiálov...
4. Indukčné elektrotepelné zariadenia
4. Oblúkové elektrotepelné zariadenia Elektrický oblúk Oblúkový výboj prebieha v ionizovanom plynnom prostredí. Ionizáciu spôsobí: vysoká teplota (termoelektronická), elektrické pole (elektronická), žiarenie. Jednosmerný oblúk má zápornú charakteristiku. Na stabilizáciu potrebuje rezistanciu v obvode. Striedavý induktanciu.
Teploty: Oblúkové pece 5. Oblúkové elektrotepelné zariadenia anóda: 4000 až 5000 K, katóda: 3000 až 4000 K, jadro oblúka: až 6000 K. Najčastejšie striedavé, trojfázové. Napätie 100 až 550 V na oblúku, prúdy až stovky ka. Princípy pecí: Pece s nepriamym ohrevom oblúk horí medzi elektródami nad vsádzkou. Pece s priamym ohrevom oblúk horí medzi elektródou (elektródami) a vsádzkou: pece s odkrytým oblúkom, pece so zakrytým oblúkom (horí pod tuhou vsádzkou).
5. Oblúkové elektrotepelné zariadenia Typy oblúkových pecí: taviace pece na oceľ (priamy oblúk), rudné pece a pece na ferozliatiny (so zakrytým oblúkom), taviace pece na liatinu, bronz, meď (nepriamy oblúk), pretavovacie vákuové pece. Napájanie oblúkových pecí: napájanie z vn, pecný transformátor (tlmivka), prívod z transformátora na elektródy (krátka cesta) - nesymetria, elektródy, regulácia výkonu: prepínanie odbočiek, poloha elektród.
5. Oblúkové elektrotepelné zariadenia
5. Oblúkové elektrotepelné zariadenia
5. Oblúkové elektrotepelné zariadenia
5. Ďalšie elektrotepelné zariadenia Dielektrické elektrotepelné zariadenia Princíp: pracovným nástrojom je kondenzátor, zohrievajú sa materiály s malou elektrickou vodivosťou, uplatňuje sa elektrická zložka elektromagnetického vlnenia (vf ohrev, rf ohrev). Využívajú sa straty v dielektriku kondenzátora pri prepolarizovaní dielektrika. Stratový výkon v dielektriku: 2 P = Eef 2 π f ε 0 ε r tgδ S d E ef intenzita elektrického poľa (efektívna hodnota) (V.m -1 ), f frekvencia (Hz), ε 0 permitivita vákua (F.m -1 ), ε r relatívna permitivita dielektrika, δ stratový uhol dielektrika, ε r.tgδ stratový činiteľ dielektrika, S.d objem dielektrika (m 3 ).
6. Ďalšie elektrotepelné zariadenia Praktické hodnoty: frekvencie: 1 až 300 MHz, napätia: 7 až 15 kv, tgδ : 0,01 až 0,08, ε r : 2 až 7. Použitie: lekárstvo (diatermia), sušenie dreva, obilia, tabaku, papiera, výroba preglejok, výroba plastov, zváranie termoplastov a pod.
6. Ďalšie elektrotepelné zariadenia
Mikrovlnný ohrev 6. Ďalšie elektrotepelné zariadenia Druh dielektrického ohrevu. Pracovné frekvencie rádovo GHz (bežné: 2,375-2,450-5,800-24,150 GHz). Zdrojom vf sú špeciálne elektrónky magnetróny. Ohrev sa uskutočňuje v dokonale uzavretom pracovnom priestore (multimódový rezonátor). Použitie: najmä ohrev a sušenie v drevárskom, potravinárskom priemysle, výroba plastov, vulkanizácia gumy...
6. Ďalšie elektrotepelné zariadenia Infračervený ohrev (IČO) Rozdelenie zdrojov podľa vlnovej dĺžky: 1 2 μm; vysokoteplotné (svietivé) zdroje s tzv. krátkovlnným IČ žiarením, teplota 1200 2400 C. Používajú sa špeciálne žiarovky, keramické žiariče. 2 3 μm; stredneteplotné (svietivé) zdroje so stredovlnným IČ žiarením, teplota 700 1200 C. Používajú sa kremenné trubky s výhrevnou špirálou. 3 4 (10) μm; nízkoteplotné (tmavé) zdroje s dlhovlnným IČ žiarením, teplota 300 700 C. Používajú kovové špirály v keramických materiáloch. Použitie IČO: sušenie, vypaľovanie, ohrev v priemysle, poľnohospodárstve a v domácnostiach (vykurovanie). Okenné sklo pohlcuje IČ žiarenie, preto zdroje využívajú kremenné sklo.
6. Ďalšie elektrotepelné zariadenia
6. Ďalšie elektrotepelné zariadenia
6. Ďalšie elektrotepelné zariadenia Plazmové elektrotepelné zariadenia Plazma ionizované prostredie s vysokou teplotou. Teploty u plazmových elektrotepelných zariadení: do 30 000 K. Zariadenia sú podobné ako oblúkové, oblúk ale horí v plyne, ktorý sa do prostredia vháňa plazmotvorný plyn, obvykle argón (prípadne hélium). Zariadenia na generovanie plazmy sú plazmové horáky (generátory plazmy, plazmatróny). Rozdelenie: Bezelektródové plazmové horáky, malé výkony (laboratórne), frekvencia: jednotky až desiatky MHz. Elektródové plazmové horáky (so závislým alebo nezávislým oblúkom). Jednosmerné aj striedavé. Použitie: Plazmovépece podobné ako oblúkové; aj pretavovacie plazmové pece. Zváranie a rezanie. Striekanie ťažko taviteľných kovov. chemické procesy v plazme, priama redukcia rúd a i.
6. Ďalšie elektrotepelné zariadenia
6. Ďalšie elektrotepelné zariadenia Elektrónové elektrotepelné zariadenia Elektrická energia sa mení na teplo dopadom urýchlených elektrónov na vsádzku. Zariadenia produkujúce urýchlené elektróny elektrónové delá (závislé, nezávislé). Celý proces musí prebiehať vo vysokom vákuu. Prejavuje sa relativita. Použitie: tavenie a pretavovanie ťažkotaviteľných kovov, zváranie elektrónovým lúčon, spekanie (prášková metalurgia), pretavovanie monokryštáľov. Laserové elektrotepelné zariadenia Laser kvantový generátor elektromagnetického vlnenia; frekvencie v oblasti svetla. Lasery atomárne (rubínový, He-Ne, Nd) molekulárne (CO 2 ). Nízka účinnosť. Použitie: povrchové kalenie, zváranie, opracovanie ťažkotaviteľných a tvrdých materiálov (vrátane značkovania), vŕtanie.