Tepelná technikaTepelná technika

Elektrické peceElektrické pece

Výpočet odporových pecí Výpočet odporových pecí – nepřímý ohřev– nepřímý ohřev

Princip ohřevu:

1. Teplo vzniká přímo ve vsázce2. 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 Návrh výkonu 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:)(* kW

t

QkP

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 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 teplotychromnikl 1 2000CCrNiFe (900 - 1 200) 0CFeCrAl až 1 350 0CFeCrSi 1 600 0Cnekovové materiály více než 1 350 0C

* životnost je zhruba 10 000 pracovních hodin

Zapojení článků Zapojení článků

Výpočet topného článkuVýpočet topného článku

P - příkon jednoho topného článku (W)

)(*

*2W

l

SUP

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

)/( 2

1

11 cmWS

PP

tč

tč

Skutečné dovolené povrchové zatížení Psk je sníženo součinitelem (určuje se měření a odhadem, rozsah 0,4- 0,8) )/(* 2

1 cmWPPsk

Délka topného článku (m)

)(*

*2m

P

SUl

Výpočet topného článku Výpočet topného článku

21 10**10** lOPP skkde O … obvod vodiče (mm)

l … délka vodiče (m)

P - příkon lze vyjádřit i pomocí zatížitelnosti článku

Délka vodiče (m):

10**OP

Pl

sk

Po dosazení:

**

10**

2

P

SU

OP

Pl

sk

Pro výpočet článku je určující součin O*S (podle tvaru vodiče):

),*,**,;(10**

**

*

*

10**221223

2

22

VcmWmmmWmmUP

PSO

P

SU

OP

P

sksk

Výpočet topného článku 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 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 kovůtavení kovůtavení skla…

4. Podle pohybu vsázky stabilní vsázkaprůběžné pece

Ukázky pecí Ukázky pecí

Komorová pec

Ukázky pecí Ukázky pecí Šachtová pec

Poklopová pec

Ukázky pecí Ukázky pecí Průběžné pece

Rozložení teplot u průběžné pece Rozložení teplot u průběžné pece Teplota vsázky

Teplota pece

Topné články - kovové Topné články - kovové Drátové nebo pásové stoupání meandrové

spirálovéPodle materiálu a teploty se udává stoupání a průměr ohybuTopné články jsou uzavřené (ochranná atmosféra) nebo otevřené

Topné články - nekovové 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 Indukční pec

Princip:

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

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 Indukční pec

tBfkQ **** 22

kmitočet je dán požadavkem na ohřev:* povrchový ohřev - neželezné jádro (kalení) f = (500 – 2000) Hz* kompletní ohřev - železné jádro f = 50 Hz

Množství tepla v sázce:

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 Indukční ohřev ohřev

Indukční ohřev Indukční ohřev

Kelímky pro indukční ohřev Kelímky pro indukční ohřev

Kelímková pec Kelímková pec

Kelímková pec Kelímková pec

Svařování trubek Svařování trubek

Dielektrický ohřev 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 Ztrátový úhel

U

Ič

Ij I

Postup při výpočtu Postup při výpočtu

* 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

Tepelný výkon:

P f, , tg , S, U2, 1/dNapětí nesmí být větší než průrazné napětí látky a pohybuje se řádově v kV.

Frekvence je řádově MHz.

Přehled vlastností jednotlivých látek 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 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 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 Mikrovlnný ohřev 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 Mikrovlnný ohřev Použití:

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

Zdroj:Zdroj:

Zdeněk Hradílek a spol. Elektrotepelná zařízení Vladimír Král Elektrotepelná technikaJosef Rada Elektrotepelná technikaV. Jelínek Technická zařízení budovK. Brož VytápěníMatička a spol. Simulace indukčního ohřevuVáclav Vrána Elektrické teplo

Materiál je určen pouze pro studijní účely