Tepelná technika Elektrické pece

Výpočet odporových pecí – nepřímý ohřev Princip ohřevu: 1. Teplo vzniká přímo ve vsázce 2. Teplo vzniká v topném článku Q = R * I2 * t (J; , A, s) kde R je odpor vodiče R = (*l)/S () kde  je měrný odpor vodiče stříbro  = 0,016 (*mm2*m-1) cekas (FeCrNi)  = 1,66 (*mm2*m-1) tuha  > 10 (*mm2*m-1) Při výpočtu se musí uvažovat závislost odporu na teplotě R = R20 * (1 +  * )

Návrh výkonu Příkon pece: Výchozí podmínka: Teplota pece (podle použití a požadavků) Výpočet stěny pece: * materiál stěny * tloušťku stěny * počet vrstev Výpočet stěny má vliv na tepelné ztráty pece Příkon pece: kde Q množství tepla (kWh), které je třeba přivést do pece za dobu ohřevu k ohřátí vsázky (včetně ohřátí stěn a vzduchu v peci) t doba ohřevu (h) k koeficient (1,1 - 1,5), který respektuje zhoršení tepelné izolace vyzdívky během provozu, snížení napětí, … jeho přesná velikost je dána typem pece

Provedení pece * odporové pece nad 10 kW jsou trojfázové * zapojení článku do hvězdy U = Uf do trojúhelníku U = Us * vypočtený příkon pece se dělí třemi  určíme zatížení jedné fáze * příkon každé fáze se rozdělí mezi jednotlivé články  příkon jednoho článku * materiál topného článku se volí podle požadované teploty chromnikl 1 2000C CrNiFe (900 - 1 200) 0C FeCrAl až 1 350 0C FeCrSi 1 600 0C nekovové materiály více než 1 350 0C * životnost je zhruba 10 000 pracovních hodin

Zapojení článků

Výpočet topného článku Povrchové zatížení jednoho článku: kde Ptč1 … příkon jednoho článku Stč1 … průřez jednoho článku P1 je dáno v tabulkách pro materiál a požadovanou teplotu vsázky P1 je v rozsahu (1 – 6) W/cm2 Skutečné dovolené povrchové zatížení Psk je sníženo součinitelem  (určuje se měření a odhadem, rozsah 0,4- 0,8) P - příkon jednoho topného článku (W) Délka topného článku (m)

Výpočet topného článku P - příkon lze vyjádřit i pomocí zatížitelnosti článku kde O … obvod vodiče (mm) l … délka vodiče (m) Délka vodiče (m): Po dosazení: Pro výpočet článku je určující součin O*S (podle tvaru vodiče):

Výpočet topného článku Pro pásový vodič: O = 2*(a + b) = 2*a* (x+1) (mm) kde x = b/a S = a * b = x * a2 (mm2) lze vyjádřit šířku, délku a hmotnost pásu Pro kruhový vodič: O = *d (mm) S = *r2 (mm2)

Nepřímý ohřev - rozdělení 1. Podle teploty nízkoteplotní pece do 6000C středněteplotní pece (600 – 1100) 0C vysokoteplotní pece nad 11000C 2. Podle atmosféry normální atmosféra (vzduch) umělá (ochranná) atmosféra vakuum 3. Podle použití tepelné zpracování kovů tavení kovů tavení skla … 4. Podle pohybu vsázky stabilní vsázka průběžné pece

Ukázky pecí Komorová pec

Ukázky pecí Šachtová pec Poklopová pec

Ukázky pecí Průběžné pece

Rozložení teplot u průběžné pece Teplota vsázky Teplota pece

Topné články - kovové Drátové nebo pásové stoupání meandrové spirálové Podle materiálu a teploty se udává stoupání a průměr ohybu Topné články jsou uzavřené (ochranná atmosféra) nebo otevřené

Topné články - nekovové Materiály a provedení: * karbid křemíku (SiC) – do 1500 0C * cermet – SiO2 + MoSi2(molibdenit křemičitý), výroba – prášková metalurgie, do 1800 0C * elektrografit – do 2000 0C

Indukční pec Princip: Výhody: Elektromagnetická indukce v ohřívaném materiálu prostřednictvím střídavého magnetického pole. Prostřednictvím indukce vznikají v materiálu vířivé proudy, vlivem Jouleových ztrát se látka zahřívá  teplo vzniká přímo v sázce Výhody: * rychlost ohřevu * možnost regulace * cívka může být navržena na nižší teplotu než je požadované teplota materiálu * možnost využít pro ohřev i pro tavení

Indukční pec

Indukční pec Činnost: * cívkou (induktor) prochází střídavý proud, vytváří se střídavé magnetické pole * toto pole prochází vodivým předmětem, ve kterém se indukují vířivé proudy * vlivem povrchového jeho prochází vířivé proudy zejména na povrchu ohřívaného tělesa * zjednodušeně lze přirovnat indukční ohřev k transformátoru nakrátko

Indukční pec Využití indukční pece: Množství tepla v sázce: kmitočet je dán požadavkem na ohřev: * povrchový ohřev - neželezné jádro (kalení) f = (500 – 2000) Hz * kompletní ohřev - železné jádro f = 50 Hz Využití indukční pece: * kelímkové a kanálkové indukční pece (čistota roztaveného kovu) – tavení kovů * indukční pece pro tváření (rovnoměrný ohřev v celém objemu) * indukční ohřev pro kalení (ohřev povrchové vrstvy) * indukční svařování (švový svar – trubky) * indukční pájení (mezi dvě kovové části se vloží pájka, části se přitlačí k sobě, v pece se pájka roztaví)

Indukční ohřev

Indukční ohřev

Kelímky pro indukční ohřev

Kelímková pec

Kelímková pec

Svařování trubek

Podíl ( * tg ) se nazývá ztrátový činitel materiálu Dielektrický ohřev Dielektrický ohřev slouží k ohřevu nevodivých látek K odvození lze použít náhradní schéma skutečného kondenzátoru (paralelní kombinace R a C) Základním parametrem pro ohřev je: * permitivita látky  (F/m) * činitel dielektrických ztrát tg  (-) (ztrátový úhel  = 90 -  z fázorového diagramu) Podíl ( * tg ) se nazývá ztrátový činitel materiálu

Ztrátový úhel  Ij I   Ič U

Postup při výpočtu P  f, , tg , S, U2, 1/d Rz = U2/P Tepelný výkon: Napětí nesmí být větší než průrazné napětí látky a pohybuje se řádově v kV. Frekvence je řádově MHz. * určíme velikost koeficientů pro danou látku * požadované rozměry ohřívaného objemu * podle zdroje zvolíme kmitočet ohřevu a požadovaný výkon * vypočítáme ztrátový odpor Rz = U2/P (po dosazení do vztahu pro výkon vypadne napětí) * vypočítáme požadované napětí

Přehled vlastností jednotlivých látek Látka r tg  PVC 2,8 – 4,5 0,015 – 0,09 polyamid 3,8 – 4,2 0,025 – 0,03 polyetylén 2,2 – 2,4 0,0001 – 0,0004 polystyrén 2,4 – 2,7 0,0001 – 0,0002 parafínový olej 2,2 0,00045 porcelán 4 – 7 0,028 – 0,055 Látky s velmi nízkým tg  se obtížně ohřívají

Dielektrický ohřev Využití dielektrického ohřevu: * výroba překližek, sušení dřeva * předehřívání plastických hmot před lisováním (polotovary z plastické hmoty ve formě tablety se předehřejí a poté se lisují) * svařování fólií a plastických hmot (nesmí dojít k propálení)

Mikrovlnný ohřev Je zvláštním druhem dielektrického ohřevu, při kterém se používají frekvence GHz (v mikrovlnných troubách se využívá frekvence 2,45 GHz). Principem je přeměna elektromagnetické energie na tepelnou, působením na polární molekuly (molekuly, které vytvářejí dipól, např. voda).

Mikrovlnný ohřev Vlastnosti mikrovln: Základem vytvoření mikrovln je magnetron – zdroj vf elektromagnetického vlnění (generátor mikrovlnného záření). Prostřednictvím vlnovodu se vedou do komory, kde se prostřednictvím odrazu rozptýlí a vytváří mikrovlnné pole. Vlastnosti mikrovln: * neprocházejí kovovými materiály a odrážejí se od nich * jsou pohlcovány některými látkami (tuky, cukry, voda), ve kterých urychlují pohyb molekul, čímž dochází k ohřevu * sklem, keramikou, papírem a některými plasty procházejí, aniž by je zahřívaly

Mikrovlnný ohřev Použití: * ohřev (vysoušení) textilních materiálů * ohřev potravin (mikrovlnná trouba) * chemické laboratoře * komunikační technologie * vysoušení papíru (např. knihy po záplavách)

Zdroj: Zdeněk Hradílek a spol. Elektrotepelná zařízení Vladimír Král Elektrotepelná technika Josef Rada Elektrotepelná technika V. Jelínek Technická zařízení budov K. Brož Vytápění Matička a spol. Simulace indukčního ohřevu Václav Vrána Elektrické teplo Materiál je určen pouze pro studijní účely