Tepelný výpočet indukčních zařízení

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING Tepelný výpočet indukčních zařízení BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR IRENA HARDILOVÁ BRNO 008

2

3 LICENČNÍ SMLOUVA POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO uzavřená mezi smluvními stranami:. Pan/paní Jméno a příjmení: Irena Hradilová Bytem: Hvězdová 89/3 Brno Narozen/a (datum a místo): v Olomouci (dále jen autor ) a. Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, se sídlem Údolní 44/53, Brno, jejímž jménem jedná na základě písemného pověření děkanem fakulty: doc. Ing. Čestmír Ondrůšek, CSc., předseda oborové rady Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika (dále jen nabyvatel ) Čl. Specifikace školního díla. Předmětem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikační práce (VŠKP): disertační práce diplomová práce x bakalářská práce jiná práce, jejíž druh je specifikován jako... (dále jen VŠKP nebo dílo)

4 Název VŠKP: TEPELNÝ VÝPOČET INDUKČNÍHO ZAŘÍZENÍ Vedoucí/ školitel VŠKP: Ústav: Ústav elektroenergetiky Datum obhajoby VŠKP: VŠKP odevzdal autor nabyvateli v * : x tištěné formě počet exemplářů. x elektronické formě počet exemplářů.. Autor prohlašuje, že vytvořil samostatnou vlastní tvůrčí činností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že při zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a předpisy souvisejícími a že je dílo dílem původním. 3. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění. 4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická. Článek Udělení licenčního oprávnění. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnění (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýdělečně užít, archivovat a zpřístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným účelům včetně pořizovaní výpisů, opisů a rozmnoženin.. Licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu. 3. Autor souhlasí se zveřejněním díla v databázi přístupné v mezinárodní síti x ihned po uzavření této smlouvy rok po uzavření této smlouvy 3 roky po uzavření této smlouvy 5 let po uzavření této smlouvy 0 let po uzavření této smlouvy (z důvodu utajení v něm obsažených informací) 4. Nevýdělečné zveřejňování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením 47b zákona č. / 998 Sb., v platném znění, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k němu povinen a oprávněn ze zákona. * hodící se zaškrtněte

5 Článek 3 Závěrečná ustanovení. Smlouva je sepsána ve třech vyhotoveních s platností originálu, přičemž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP.. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se řídí autorským zákonem, občanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném znění a popř. dalšími právními předpisy. 3. Licenční smlouva byla uzavřena na základě svobodné a pravé vůle smluvních stran, s plným porozuměním jejímu textu i důsledkům, nikoliv v tísni a za nápadně nevýhodných podmínek. 4. Licenční smlouva nabývá platnosti a účinnosti dnem jejího podpisu oběma smluvními stranami. V Brně dne:... Nabyvatel Autor

6 Bibliografická citace práce: HRADILOVÁ, I. Tepelný výpočet indukčních zařízení. Bakalářská práce. Brno: Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně, 007, 6 stran. Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu. Zároveň bych na tomto místě chtěl poděkovat vedoucímu bakalářské práce Ing. Iloně Lázničkové, Ph.D. za cenné rady a připomínky k mé práci, poskytnutou literaturu a svým rodičům za podporu během celé doby mého studia.

7 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky Bakalářská práce Tepelný výpočet indukčního zařízení Irena Hradilová vedoucí: Ing. Ilona Lázničková, Ph.D. Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 007 Brno

8 BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering Bachelor s Thesis The thermal calculation of a induction furnace by Irena Hradilová Supervisor: Ing. Ilona Lázničková, Ph.D. Brno University of Technology, 007 Brno

9 Abstrakt 9 ABSTRAKT Tato práce se zabývá indukčními zařízeními, konkrétně tepelnými výpočty indukčních zařízení. Skládá se ze tří částí. V první části jsou rozebrány základní pojmy indukčního ohřevu a teoretické znalosti sdílení tepla nutné k pochopení problematiky indukčního ohřevu. V druhé části je uvedeno rozdělení a stručný popis principu indukčních zařízení. Byla zde vybrána a důkladně popsána indukční kelímková pec pro samotný tepelný výpočet indukčního zařízení. V poslední části je teoreticky zpracován postup tepelného výpočtu nejpoužívanějších indukčních zařízení, tedy kanálkové pece, prohřívacího indukčního zařízení a kelímkové indukční pece, která je následně porovnána s předcházejícími indukčními zařízeními z hlediska tepelného výpočtu. Pro indukční kelímkovou pec je závěrem počítán číselný tepelný výpočet.. KLÍČOVÁ SLOVA: sdílení tepla; indukční ohřev; indukční kelímková pec; indukční kanálková pec; indukční prohřívací zařízení; tepelný výpočet; ztrátový tepelný výkon; celková tepelná účinnost

10 Abstract 0 ABSTRACT This work deals with induction devices, in particular temperature computations of induction devices. The thesis is divided into three parts. In the first part, we give basic definitions of inductive warming and theoretical know ledge of heat induction that are needed to understand the problem of inductive warming. In the second part, we describe the principle of induction devices. We focused on crucible furnace which is described in details. We used this device for thermal computation of induction device. In the last part, we theoretically describe procedure of thermal computation of the most used induction devices, i.e., canal furnace, diathermy induction device, and crucible furnace; the last one is compared with the rest of induction devices from the computation point of view. For the induction crucible furnace, we provide numeric thermal computation at the end. KEY WORDS: thermal transmittance; induction heating; induction crucible furnace; canal induction furnace; diathermy induction device; thermal computation; thermal losses; gross thermal efficiency

11 Obsah OBSAH ÚVOD...5 INDUKČNÍ OHŘEV...6. ZÁKLADNÍ POJMY...6. PŘENOS TEPLA SDÍLENÍ TEPLA VEDENÍM (KONDUKCÍ) SDÍLENÍ TEPLA ZÁŘENÍM (RADIACE) SDÍLENÍ TEPLA VE SLOŽENÝCH PŘÍPADECH INDUKČNÍ ZAŘÍZENÍ ZÁKLADNÍ KONSTRUKČNÍ PROVEDENÍ INDUKČNÍCH ZAŘÍZENÍ INDUKČNÍ TAVÍCÍ PEC KANÁLKOVÁ INDUKČNÍ TAVÍCÍ PEC KELÍMKOVÁ INDUKČNÍ PROHŘÍVACÍ ZAŘÍZENÍ ELEKTRICKÉ ZDROJE NAPÁJEJÍCÍ INDUKČNÍCH ZAŘÍZENÍ STŘEDOFREKVENČNÍ ZDROJE NAPÁJENÍ VYSOKOFREKVENČNÍ ZDROJE NAPÁJENÍ NAVRHOVÁNÍ INDUKČNÍCH ZAŘÍZENÍ ZÁSADY NAVRHOVÁNÍ KELÍMKOVÉ PECE TEPELNÝ VÝPOČET KELÍMKOVÉ INDUKČNÍ PECE PARAMETRY VSÁZKY ZÁKLADNÍ ROZMĚRY KELÍMKU A INDUKTORU POSTUP ŘEŠENÍ TEPELNÉHO VÝPOČTU KELÍMKOVÉ INDUKČNÍ PECE ČÍSELNÝ VÝPOČET SROVNÁNÍ TEPELNÝCH VÝPOČTŮ INDUKČNÍCH ZAŘÍZENÍ NÁVRH KANÁLKOVÉ INDUKČNÍ PECE TEPELNÝ VÝPOČET NÁVRH PROHŘÍVACÍHO INDUKČNÍHO ZAŘÍZENÍ TEPELNÝ VÝPOČET POROVNÁNÍ JEDNOTLIVÝCH INDUKČNÍCH PECÍ S INDUKČNÍ KANÁLKOVOU PECÍ ZÁVĚR...59 POUŽITÁ LITERATURA...6

12 Seznam obrázků SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. - Vedení tepla a) rovinnou stěnou bez vnitřního zdroje, b) válcovou stěnou bez vnitřního zdroje, c) rovinnou stěnou s vnitřním homogenním zdrojem.... Obr. 3- Kjellinova indukční pec...7 Obr. 3- Indukční pec se zakrytým kanálkem...8 Obr. 3-3 Scottovo spojení pro indukční kanálkovou pec...8 Obr. 3-4 Indukční bubnová kanálková pec...9 Obr. 3-5 Indukční kelímková pec...30 Obr. 3-6 Indukční kelímková pec s vodivým kelímkem...3 Obr. 3-7 Indukční prohřívací zařízení: a) okamžité prohřívání, b) postupné prohřívání...3 Obr. 3-8 Princip napájení indukčního zařízení proudem se síťovým kmitočtem...3 Obr. 3-9 Symetrizační LC obvod v zapojení: a) do trojúhelníka, b) do hvězdy (Rz vykompenzovaný činný odpor pece)...33 Obr. 3-0 Princip zapojení středofrekvenčního zdroje napájení...33 Obr. 3- Principiální zapojení tyrystorového měniče frekvence pro indukční ohřevy...33 Obr. 3- Princip zapojení elektronkového generátoru kmitočtu...33 Obr. 4- Pohyb tekutého kovu v jednofázové indukční peci se symetrickým umístěním induktoru (l m výška vzdutí)...36 Obr. 4- Pohyb tekutého kovu v jednofázové indukční peci s nesymetrickým umístěním induktoru...36 Obr. 4-3 Model vedení tepla vícevrstvou válcovou stěnou...40 Obr. 4-4 Model vedení tepla rovinnou stěnou (dnem pece)...4 Obr. 4-5 Model vedení tepla vícevrstvou rovinnou stěnou (víkem pece) Obr. 4-6 Kelímková pec s parametry pro výpočet...45

13 Seznam symbolů a zkratek 3 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK A plocha, m - I elektrický proud, A A plocha, m - P výkon zdroje, W P c celkové tepelné ztráty, W P cb ztrátový výkon stěnou pece, W P cp ztrátový výkon víkem pece, W P cz ztrátový výkon způsobený zářením, W P d dodatkový výkon, W P už užitečný výkon pece, W elektrický odpor, W R e T T k T ok termodynamická teplota, K termodynamická teplota taveniny, K termodynamická teplota okolního prostředí, K T str termodynamická teplota okolního prostředí, K - a součinitel tepelné vodivosti, m s - c p měrná tepelná kapacita při konstantním tlaku, J kg - K c poměrný čas práce s otevřeným víkem, % d c průměr kelímku, m g tloušťka vrstev indukční pece, m h tloušťka stěny, m l délka vodiče, m l m výška menisku (vzdutí), m l výška induktoru, m l délka vsázky, výška tekutého kovu v kelímku pece, m n celkový počet termoizolačních a žáruvzdorných vrstev o obvod průřezu vodiče, m q hustota tepelného toku, W m - q v hustota tepelného výkonu zdroje, W m -3 r poloměr, m s e střední vodící plocha vrstvy dna, m s e střední vodící plocha podezdívky, m s v kruhová plocha dna kelímku, m s z kruhová plocha podezdívky, m s kruhová plocha pece, m a součinitel přestupu tepla, W m - K g e rezistivita, W m - K emisivita h c tepelná účinnost, % q i teplota na rozhraní vrstev, C q ind teplota induktoru, C q k teplota taveniny, C

14 Seznam symbolů a zkratek 4 q ok teplota okolí, C q R teplota povrchu vodiče, C q str teplota strusky, C q stř střední teplota vrstvy, C q v teplota vsázky, C l - tepelná vodivost materiálu, W m - C l vlnová délka záření, m µ 0 permeabilita vakua, H m - r hustota, kg m -3

15 5 ÚVOD Pro všechny výrobní procesy je nezbytná mechanická práce a technologické teplo[]. Obě tyto energie mají ve výrobě stejně velký význam. Velmi důležité je i teplo využívané pro vytápění a klimatizaci prostorů, pro ohřev vody atd. Ze světových statistik vyplývá, že ve průmyslově vyspělých státech položených ve středních nebo vyšších zeměpisných šířkách se 70% až 80% veškeré prvotní energie spotřebovává na technologické teplo a pro vytápění. Celosvětově se stále více technologických procesů převádí z tepla palivového na teplo elektrické. Elektrické teplo podstatně zvyšuje produktivitu práce, jakost výrobků, zhodnocuje materiály a suroviny, snižuje výrobní náklady a výrazně zlepšuje pracovní a životní prostředí. Odpadají exhalace. Výrobní linky s elektrotepelnými zařízeními se dají lehce mechanizovat a všestranně samočinně řídit. Nejmodernější výrobní technologie jsou velmi často na použití elektrické tepla přímo založeny a nebyli by jinak vůbec realizovatelné (v automobilovém průmyslu, ve výrobě valivých ložisek, v jaderné energetice, v průmyslu sklářském, plastů, skleněných vláken, ale také při výrobě hliníku, chemických procesech v plazmě, v elektrotechnice, pří přetavování speciálních kovů v elektronových pecích, při výrobě elektrooceli v obloukových pecích i při nástřiku vysocetavitelných ochranných vrstev plazmou pro raketový průmysl). Dnes neexistuje tepelná technologie, kde by elektrotepelná technika nepronikala. Elektrotepelná zařízení jsou funkčně pohotová, velmi účinná, dosahují libovolných, přesně řízených teplot a jejich průběhů, zajišťují naprostou reprodukovatelnost procesů, šetří pracovní síly, prostor a ve většině případů i prvotní energii, protože zlepšují účinnost celého uzavřeného výrobního cyklu. Například tím, že se ohřívá jen ta část materiálu, která je zapotřebí a tím odpadají některé výrobní operace. Mnoho prvotní energie se ušetří i tím, že elektrotepelná zařízení, ve většině případů, odebírají energii jen v době, kdy pracují. Je zřejmé, že účelné hospodářství elektrickou energií v průmyslu je pro národní hospodářství rozhodující. Elektrická energie je v průmyslu spotřebovávána hlavně pro pohony a technologické teplo (elektrické pece, svařovací zařízení, elektrolýza a chemické procesy za tepla atd.). Nárůst elektrotepelné techniky je významný, protože v dnešní době musíme stále účelněji nakládat s prvotní energii, a tím šetřit životní prostředí.

16 6 INDUKČNÍ OHŘEV. Základní pojmy Indukční ohřev slouží k ohřevu vodivého materiálu, např. v současném průmyslu metalurgickém, slévárenském i elektrotechnickém se používá k tavení oceli, litiny a neželezných kovů (měď, hliník, zinek, olovo)[]. Kde jejich hlavní úlohou je nejen roztavení tuhé vsázky, ale i uskladnění tekutého kovu, přimíchávání stopových přísad a přihřívání na licí teplotu. Každé indukční zařízení se skládá z cívky, kterou prochází střídavý proud, ze zdroje a z předmětu nazývané vsázka, která slouží k ohřevu daného materiálu. Vsázka (předmět z elektricky vodivého materiálu) je vložena do elektromagnetického pole, pomocí kterého se indukují ve vsázce vířivé proudy. Následně, tyto vířivé proudy, vsázku ohřívají. Je to v podstatě vzduchový transformátor, kde cívka je stranou primární a vsázka představuje stranu sekundární spojenou nakrátko. Teplo je tedy dopravováno do vsázky střídavým magnetickým polem a vzniká přímo ve vsázce, což je velmi efektivní, protože vsázka není ničím mechanicky vázána. Intenzitu elektromagnetického záření, které se šíří formou vlnění, je možné stanovit v jakémkoliv bodě prostoru []. Důležité u indukčního ohřevu je, jak hluboko do materiálu záření proniká. Elektromagnetické vlnění se přeměňuje na indukované proudy, které se mění následně v teplo (zahřívají vsázku) a způsobují ztráty v materiálu, kterým prochází. Tedy, pronikající elektromagnetické vlnění se utlumuje a jeho energie se mění na energii tepelnou. Proto je materiál silně ztrátové prostředí. Za předpokladu, že vodivá stěna je rovinná o nekonečné tloušťce a je rovnoběžná se zdrojem vlnění, lze proudovou hustotu indukovaného proudu ve vzdálenosti x od povrchu vypočítat z intenzity elektrického pole a měrné elektrické vodivosti materiálu J x x δ = γ Ex = H 0 e = J 0 δ e x δ, (.) kde veličiny s indexem 0 značí hodnoty na povrchu materiálu ( x = 0). Hloubka vniku d určuje místo, kde intenzita záření a zároveň i proudová hustota dosahují velikosti /e předešlé hodnoty na povrchu, což činí 36,8 % []. Lze tedy stanovit hloubku vniku dle vztahu δ = = 5,03 0 ω γ µ r µ 0 f γ µ r, (.) kde f je frekvence použitého záření, g konduktivita a µ r je relativní permeabilita materiálu. Elektrická účinnost indukčního ohřevu je závislá na poměru d/d. Tedy velikosti průměru či tloušťky vsázky ku hloubce vniku d. Účinnost indukčního ohřevu ovlivňuje i materiál ohřívaného předmětu a jeho teplota. Při indukčním ohřevu lze použít vysoké měrné výkony do vsázky. Napájením proudu, s vhodně zvolenou frekvencí, do ohřívacího vinutí (induktor), kde se v jeho magnetickém poli nachází i vsázka, lze ovlivnit i rozdělení tepla vyvíjeného ve vsázce, prostřednictvím hloubky vniku.

17 7. Přenos tepla Látka s vnitřní energii se vyznačuje svojí teplotou []. Teplota je skalární veličinou a je udávána v různých jednotkách. V běžném životě je vyjadřována pomocí Celsiovy stupnice. Jako počátek termodynamické stupnice je brána absolutní nula o teplotě 0 K, kdy nemá látka žádnou vnitřní energii. Pokud existuje v látce rozdíl teplot, pak dochází k výměně energií a k jejich vzájemnému vyrovnání v podobě přenosu tepla. Teplo se vždy šíří od místa s vyšší teplotou k místu s nižší teplotou. Předávání tepla se tedy uskutečňuje kvůli snaze vytvořit stabilní stav (rovnováhu). Princip přenosu tepla má jistou podobnost v zákonu o zachování energie. Jestliže jedna látka energii přímá musí zákonitě jiná látka svou energii odevzdávat, aby byla vytvořena tepelná rovnováha, protože většina systémů se nachází ve stabilním stavu a ten vyžaduje minimální energii na svou existenci. Zákon o zachování energie, který se také nazývá první zákon termodynamiky, vyplývá z obecného zákona o zachování hmoty, kde energii bereme jako jednu z forem existence hmoty. Zákon udává, že celkové kvantum energie v termodynamické soustavě a v jejím okolí je neměnné. Jestliže probíhá termodynamický děj mezi dvěma body, počátečním (bod ) a konečným (bod ), v uzavřené soustavě, lze zákon o zachování energie formulovat obecně ve tvaru Q = +, E E W kde Q je veškeré teplo, které bylo soustavě přivedeno mezi stavy a ( tedy počátečním a koncovým bodem), W je celková práce, kterou soustava vykonala mezi těmito stavy, E a E jsou energie v daných bodech soustavy (počátečním a konečným). Je-li soustava homogenní, počítá se místo celkové energie s energií vnitřní a rovnice přejde na tvar Q = +, U U W kde U a U značí zmíněnou vnitřní energii v počátečním a koncovém bodě soustavy. Tepelná energie se může šířit vedením, prouděním a sáláním... Sdílení tepla vedením (kondukcí) Sdílení tepla vedením se uskutečňuje pouze v prostředí, které je vyplněno látkou [3]. Přenos tepla kondukcí se tedy uskutečňuje ve všech stavech hmoty, tedy v pevné, kapalné i pevné fázi. Množství tepla, které se tímto způsobem přenese je závislé na vnitřní atomové resp. molekulární a krystalické struktuře. Podstata přenosu tepla vedením je ve výměně vnitřní energie uvnitř hmoty mezi mikročásticemi, které mají neustálí pohyb. Pokud má těleso nerovnoměrně rozloženou teplotu, pak vzájemným působením mezi jednotlivými částicemi (např. srážkami) dochází k předávání kinetické energie a to tak dlouho, dokud nenastane vyrovnání teplot. l Základem teorie vedení tepla je empirický Fourierův zákon, který definuje tepelnou vodivost q = - l grad T, (.3) kde T je termodynamická teplota a q je hustota tepelného toku, která prošla plochou A nacházející se ve stavu kolmém ke směru hustoty tepelného toku.

18 8 Další důležitou skutečností pro sdílení tepla je diferenciální nebo-li Fourierova Kirchhoffova rovnice udávající sdílení tepla v tělese, které má konstantní materiálové vlastnosti T t = a div grad T + q a v λ, (.4) kde a značí součinitel tepelné vodivosti a q v hustotu tepelného výkonu vnitřního zdroje. Součinitel tepelné vodivosti je dán vztahem kde c p je měrná tepelná kapacita při konstantním tlaku a r je hustota. λ a =, (.5) ρ c p K Fourierově-Kirchhoffově rovnici patří počáteční podmínky, které udávají rozložení teploty v tělese v čase t 0 a podmínky okrajové, které udávají průběh teploty, tepelného toku nebo lineární kombinace obou na hranici oblasti (povrchu tělesa) Mohou nastat dva případy vedení tepla a to takové, že teplotní pole je stacionární (konstantní v čase) nebo časově neustáleně, tedy teplotní pole nestacionární.... Časově stálé vedení tepla (stacionární teplotní pole) Pro stacionární teplotní pole, kdy diferenciální rovnice (4.) je rovna nule. Přechází Fourierova- Kirchhoffova rovnice v rovnici Poissonovu qv div grad T + = 0. (.6) λ A je-li navíc hustota tepelného výkonu vnitřního zdroje nulová q v = 0, pak i tato rovnice přechází do nového tvaru, tedy v Laplaceovu rovnici Dále rozebereme jednorozměrné případy vedení tepla. div grad T = 0. (.7) Pro stacionární vedení tepla neomezenou rovinnou stěnou (Obr..) konstantní tloušťky h s konstantní tepelnou vodivostí l a s konstantními povrchovými teplotami T a T (počáteční teplota T je vyšší, než konečná teplota T ) bez vnitřních zdrojů se rovnice (4.5) zjednoduší na tvar d T dx = 0. (.8) Řešením, tedy dvojí integrací s okrajovými podmínkami (x = 0, T = T a x = h, T = T ), se dosáhne lineárního průběhu teploty

19 9 x ( x) T ( T T ) h T =. (.9) Potom tepelný tok F, který prošel plochou A rovinné stěny s použitím Fourierova zákona, dostane tvar ( T ) T A Φ =. h λ (.0) U rovinné stěny složené z n vrstev o ploše A a povrchových teplot T, T n+, pak pro tepelný tok F platí Φ = ( T T ) n i= n+ A. h λ (.) Stacionární jednorozměrné vedení tepla v radiálním směru (Obr..) úsekem délky l nekonečně dlouhé silnostěnné trubky o konstantním průřezu daného poloměry r a r (r je menší než r ) s konstantní tepelnou vodivostí l a s konstantními povrchovými teplotami T a T (T je vetší než T ). Stacionární jednorozměrné vedení tepla válcovou stěnou, které nemá vnitřní zdroje, je popsáno rovnicí, která vznikla zjednodušením rovnice (4.5), kde div grad T je přepsáno do válcových souřadnic pro osově symetrický případ d T dr + r dt dr = 0. (.) Dvojitou integrací této rovnice s okrajovými podmínkami (r = r, T = T a r = r, T = T ) dosáhneme průběhu teploty jako funkci poloměru r. T ( r) T ( T T ) ln r r =. (.3) r Pak vztah pro tepelný tok, který je veden válcovou stěnou s použitím Fourierova zákona má tvar ln r ( T T ) π l Φ =. d ln λ d (.4) Vztah pro tepelný tok, který je veden stěnou válcovou o n vrstvách s povrchovými teplotami T, T n+ je

20 0 Φ = i= ( T T ) π l n d ln λ d n+ i+ i. (.5) Pro neomezenou rovinnou stěnu (Obr..) konstantní tloušťky h s konstantní tepelnou vodivostí l i povrchovými teplotami T a T (T je vetší než T ) a má homogenní zdroj tepla s konstantní hustotu tepelného výkonu q v, se změní rovnice (.6) na tvar d T dx qv + λ = 0. (.6) Následným rozložením teploty a dvojí integrací s okrajovými podmínkami (x = 0, T = T a x = h, T = T ) je rovnice tvaru T q T T q =. (.7) λ h λ V V ( x) T + h x x Stacionární jednorozměrné vedení tepla, které je v praxi použito v elektrotechnice, prochází úsekem délky l nekonečně dlouhého rotačního válce o poloměru R tepelnou vodivostí l s konstantní povrchovou teplotou T R, který je homogenním zdrojem tepla. Tedy hustota tepelného výkonu vnitřního zdroje je konstantní q v = konst. Může to být např. elektrický vodič s ohmickým odporem. Jedná se o jednorozměrnou symetrickou úlohu popsanou diferenciální rovnicí ve válcových souřadnicích d T dr dt + r dr + q v λ = 0. (.8) Integrací při okrajových podmínkách (r = 0, dt/dr = 0, kdy v ose válce je nejvyšší teplota a r = R, T = T R ) dostaneme T qv ( r) = T + ( R r ) R 4λ. (.9) Z Fourierova zákona a z tepelné bilance stacionárního sdílení tepla plyne pro tepelný tok, který přestoupí do okolí, vztah Φ = π R l. (.0) q V Jestliže tělesem prochází elektrický proud, lze vyjádřit tepelný výkon zdroje P, což je teplo vyvinuté v tělese za jednotku času. Tepelný výkon stanovíme při elektrickou proudu I a elektrickém odporu R e vodivého tělesa podle Jouleova-Lenzenova vztahu P = I. (.) R ε Elektrický odpor pro vodiče s konstantním příčným průřezem určuje se určuje vzorcem

21 l R = γ ε, (.) A kde l je délka vodiče, g je rezistivita materiálu a A je plocha příčného průřezu daného vodiče. Použitím vztahů (.6) a (.7) lze napsat rovnici pro hustotu tepelného výkonu zdroje P I q V = = γ = J γ, (.3) V A kde J je hustota elektrického proudu. Přestup tepal u těles, která mají zdroj ohřevu elektrický, se počítá pomocí vzorce p ( T T ) nebo pro tepelné vodiče s konstantním příčným průřezem lze psát Φ = A α (.4) R o ( ) Φ = o l α T R T o, (.5) kde l je délka vodiče, a je součinitel přestupu tepla do okolí, o je obvod průřezu vodiče, T R T o je rozdíl teplot povrchu tělesa od okolního prostředí a A p je plocha povrchu tělesa Vztah pro teplotu povrchu vodiče při stacionárním elektrickém ohřevu odvodíme z rovnic (4.0), (4.3) a (4.5) T R = T o γ + α A o J. (.6) Přípustnou hustotu elektrického proudu určíme z podmínky pro přípustnou teplotu ohřátí vodiče (T R = T R,max ) α o J max = ( TR,max To ), (.7) γ A Q r r qv Q Q a) b) c) Obr. - Vedení tepla a) rovinnou stěnou bez vnitřního zdroje, b) válcovou stěnou bez vnitřního zdroje, c) rovinnou stěnou s vnitřním homogenním zdrojem.

22 ... Časově neustálené vedení tepla Časově neustálené vedení tepla v tuhých tělesech je dáno nestacionárním teplotním polem, které jako časově proměnné bez zdrojů tepla vyjadřuje Fourierova diferenciální rovnice T = a div grad ϑ. (.8) t Existují dva druhy nestacionárních teplotních polí, které se vyskytují v praxi:. Nestacionární teplotní pole, které je při ohřevu nebo ochlazování tělesa, je dané zmenšujícím se rozdílem teplot mezi dvěma body tělesa. Vyrovnání teplot v tělese teoreticky nikdy nenastane.. Nestacionární teplotní pole periodicky proměnné je dané periodicky se měnící teplotou z maxima do minima v určitém bodě tělesa (teplota v bodě kmitá kolem střední teploty tělesa)... Sdílení tepla zářením (radiace) Od vedení a proudění se tepelné záření (sálání) odlišuje svou povahou, protože tepelná výměna může nastat i v prostoru, který není vyplněn látkou, tedy ve vakuu. Důvodem je, že teplem může být i energie elektromagnetického záření (sálání), kterým se přenáší teplo z tělesa na těleso, o specifických vlnových délkách, které ke svému přenosu tepla nepotřebuje hmotu. Ve skutečnosti se nejedná o teplo jako takové, ale o energii elektromagnetických vln, která se může na teplo změnit nebo může být teplem vytvářena. Fyzicky tedy nemůžeme změřit teplotu elektromagnetického záření, ale můžeme změřit energii tohoto záření. Elektromagnetické záření se ve vakuu šíří rychlostí světla ve formě rovinné, válcové nebo kulové vlny a to dle tvaru vysílací plochy. Těleso záření nejen vysílá, ale také může záření, které na něj dopadá, pohlcovat (absorbovat), odrážet nebo daným tělesem může procházet. Jestliže tepelné záření vzniká z tepelné energie označuje se jako emise a přeměna záření v tepelnou energii jako absorpce, kde přeměna je vázána na hmotnost tělesa. Každá látka má tedy schopnost záření částečně odrážet, částečně propouštět a zbytek absorbuje Φ = Φ + Φ + Φ. (.4) r tr a V tepelnou energii látky se mění hlavně energie pohlceného záření. Pohltivost je dána poměrem energie pohlcené a dopadající energie, která dopadá na stejnou plochu jako energie pohlcená. Odrazivost je pak definována jako poměr odražené energie ku dopadající energii a propustnost je poměr propuštěné energie a energie dopadající. Spektrální hustota intenzity vyzařování M lb černého tělesa, což je těleso, které veškerou dopadající energii pohltí, udává Planckův zákon M λb = 5 λ e c c λ T, (.43)

23 3 kde c je první vyzařovací konstanta (c = 3, W m ), c je druhá vyzařovací konstanta (c =, m K), l je vlnová délka záření pro teplotní záření dokonale černého tělesa a je označována absolutní teplota. Rovnice vyjadřující Plankův zákon udává výkon vyzařovaný z m plochy pro jedinou vlnovou délku l. Celková intenzita vyzařování dokonale černého tělesa se bude rovnat součtu výkonů od všech vlnových délek, tj. v intervalu λ = 0 do λ = M B = 0 M 4 4 T λ B dλ = σ ϑ = C B. (.44) 00 Tento zákon se nazývá Stefanův-Boltzmannův zákon, kde s konstanta, (s = 5, (C B = 5,6705 W m - K -4 ). je Stefan-Boltzmannova W m - K -4 ) a C B je tzv. součinitel sálání černého tělesa Lze určit i intenzitu vyzařování skutečného tělesa, což je šedé těleso nemající ani jeden z extrémů absolutně černého tělesa a absolutně bílého povrchu (všechna dopadající energie se odrazí), která se vypočítá ze vztahu M 4 T 00 = ε M B = ε C B, (.45) kde e je emisivita, což je empiricky stanovený součinitel a je to tabulková hodnota (tab. 6-5)[5]. Součinitel ε C B = C je součinitelem záření šedého tělesa. Teplo předané sáláním je závislé na velikosti a drsnosti povrchů, jejich vzájemné poloze, tvaru.předpokládá se také, že vztahy intenzity vyzařování M a M B, definují vyzářenou energii bez uvažování dalších zdrojů záření v okolí.teplo odevzdané tělesem je tedy rozdílem energie jím vyzářené a na ně dopadající. Tedy při vzájemném sálání dvou rovnoběžných desek a o ploše A, s vlastními teplotami T a T, kde teplota prví desky je vyšší, se součiniteli záření C a C je zářivý tok mezi těmito deskami dán vztahem 4 4 T T Φ = C A. (.46) A součinitel vzájemného vyzařování obou ploch C určíme vztahem C B C = =. + + C C C ε ε B (.47 Tedy pro tělesa a, kdy z každého bodu plochy A tělesa je vidět na těleso a není těleso nikde vypuklé, lze pro zářivý tok psát

24 4 4 4 T T Φ = C x A. (.48) A součinitel vzájemného vyzařování obou ploch C určíme vztahem C x = C + A A C C B = + ε A A C B ε. (.49) Tento postup lze použít pro tělesa libovolného tvaru za podmínky, že těleso o ploše A je vypuklé (konkávní). Předchozí rovnice se zjednoduší, jestliže plocha druhého tělesa je mnohonásobně větší, než plocha tělesa prvního. Poté bude mít součinitel vzájemného vyzařování tvar C = C = ε C x B. (.50)..3 Sdílení tepla ve složených případech U těles může ke sdílení tepla docházet i několika způsoby současně a to při složitých případech. Příkladem může být rovinná stěna obtékána z každé strany jinou tekutinou. Stěna se skládá z n vrstev o tloušťkách h i (kde i = až n) s tepelnými vodivostmi l a povrchovými teplotami T a T n+. Povrchové teploty i ve styku desek jsou konstantní. Tekutiny mají teploty T o a T o, kde platí T o > T o, součinitelé přestupu tepla jsou a a a. Sdílení tepla vedením a prouděním nastává, jestliže je tekutinou kapalina a teplo je odváděno z kapaliny do povrchu stěny nebo naopak. Sdílení tepla vedením, prouděním a ještě i sáláním nastává, jestliže je tekutinou plyn a teplo se sdílí do stěny nebo naopak. Nejprve bude brán tepelný tok z tekutiny přes rovinnou stěnu do tekutiny a to bez ohledu na sálání. V desce je vedení tepla jednorozměrné a stacionární, proto tepelný tok, který přestoupí z první tekutiny do stěny, projde v kolmém směru beze změny každou vrstvou následně přejde do druhé tekutiny, což je možné popsat n+ rovnicemi Φ = α A( T o ), (.5) T kde i = až n. ( Ti Ti ), i A + Φ = λ (.5) h i ( T n T ) α, (.53) Φ = A + o

25 5 Nyní se z každé rovnice vyjádří rozdíl teplota a všechny rovnice se sečtou. Následně se ze součtu stanoví tepelný tok F, který přestoupí z první tekutiny do druhé ( ) Φ = k A T o T, (.54) o kde k vyjadřuje součinitel přestupu tepla složenou stěnou o n vrstvách a je dán tvarem k = n + α h i + λ α i= i. (.55) Vztah pro tepelný tok (.54) je možno použít i pro trubku o délce l, skládající se z n vrstev, kde každá má svůj vnitřní průměr d i a vnější průměr d i+ (i = až n) a součinitel průchodu tepla k se pro tento případ vypočte vztahem k π l A = n α d i + d ln λ d i+ + α d i= i i n+. (.56) Ve vztazích se vyskytuje plocha A, která je plochou referenční (vypočtenou). Tato plocha může to být vnitřním nebo vnějším povrchem trubky. V případě, že tekutinou bude plyn, může nastat sdílení tepla sáláním, ale to jen při vyšších teplotních rozdílech. Celkový součinitel tepla má tedy tvar α = α g + α r, (.57) kde a g je člen určující vliv proudění a a r je příspěvek tepla při sálání

26 6 3 INDUKČNÍ ZAŘÍZENÍ 3. Základní konstrukční provedení indukčních zařízení Jak už bylo řečeno, indukční zařízení jsou používány pro ohřev prohřívání a tavení materiálu. Podle daného použití se tedy mění i konstrukční provedení a lze indukční zařízení dělit na různé druhy podle účelu použití. ) Indukční kelímkové pece a. Kelímková pec s nevodivým kelímkem b. Kelímková pec s vodivým kelímkem ) Indukční pec kanálková a. Indukční pec s odkrytým kanálkem b. Indukční pec se zakrytým kanálkem c. Indukční tavící pec kanálková bubnová 3) Indukční prohřívací zařízení 4) Indukční zařízení pro povrchový ohřev a. Kalení b. Pájení c. Svařování trubek d. Rafinační přetavování Dále budou rozebrány nejznámější indukční pece, kanálková a kelímková a indukční prohřívací zařízení. 3.. Indukční tavící pec kanálková V literatuře se vyskytuje i pod názvem indukční pec se železným jádrem Indukční tavící pec kanálková s odkrytým kanálkem Indukční kanálková pec má železné jádro a lze ji přirovnat k transformátoru s uzavřeným železným jádrem, s primární cívkou (induktor) připojenou na síť o průmyslovém kmitočtu a umístěnou na magnetickém jádru []. Sekundární částí je kanálek, vyplněný roztaveným kovem a tvoří závit spojený nakrátko. Nejdůležitější část pece tvoří induktor, který se skládá z magnetického jádra, kanálku, ohnivzdorného obložení a vyzdívky. Induktor je v současných pecích vyměnitelným prvkem, připojitelným k vaně pece. Pece toho typu se vyrábí v posledních desetiletí minulého století a jsou konstruovány pro slitiny železa (litina, litá ocel) a také pro neželezné kovy a jejich slitiny. Kjellinovy pece jsou nejrozšířenějšími a schéma je znázorněno na Obr. 3.. U kanálkové pece s odkrytým kanálkem lze považovat za největší výhodu, že u nich nemůže dojít k nauhličení roztavené lázně z grafitových elektrod, jako u pecí obloukových a také mají dokonalejší homogenitu lázně, protože víření svázky je intenzivnější, které je vždy během provozu. Napájení indukčních pecí je ze zvláštního jednofázového generátoru s nízkým kmitočtem 5 0 Hz, pro dosažení lepšího účiníku. Vlivem elektrodynamického působení je hladina roztaveného kovu ve žlábku šikmá, tedy na vnějším okraji žlábku je vyšší []. Vyvolává se tím pohyb lázně v radiálních rovinách, které jsou kolmé k ose kanálku. Tímto se dosahuje míchání a výrobě dokonalého roztaveného kovu (stejnorodosti látky).

27 7 Zvýšení příkonu do pece vede k překroční jisté kritické hodnoty proudu ve svázce a následně dojde k nežádoucímu účinku tzv. uskřipovacímu jevu [3]. Elektrodynamické sily, působící v radiálních rovinách všemi směry kolmo k povrchu tekutého vodiče, tedy vsázky, dochází k přerušení souvislého prstence roztaveného kovu. V tomto časovém okamžiku se začíná prstenec roztaveného kovu spojovat, kvůli přestávajícímu působení elektrodynamických sil. Pokud je spojení hrotové, může nastat situace, kdy se celý jev bude opakovat s následkem vzniku proudových rázů, které znemožňují správný chod pece. Z tohoto důvodu se začali konstruovat vhodnější kanálkové pece se zakrytým kanálkem. Obr. 3- Kjellinova indukční pec 3... Indukční tavící pec kanálková se zakrytým kanálkem Indukční tavící pec se zakrytým kanálkem se v různém provedení používají již od třicátých let (pece typu Ajax) []. Tyto pece mají na rozdíl od indukčních pecí s otevřeným kanálkem kanálek zapuštěný do dna pece. Zobrazení pece se zakrytým kanálkem je na Obr. 3., kde jsou: ohřívací cívka chlazená vzduchem (na obrázku vyznačeno šipkami), jádro z elektrotechnických plechů plášťového typu, na jehož středním sloupku je ohřívací cívka, 3 kanálek, který je obepínán ohřívací cívkou jako závit nakrátko. V magnetickém jádru se uzavírá celý magnetický tok, který vytváří vinutí, v souladu s jevem elektromagnetické indukce indukuje v uzavřeném obvodu (roztavený kov v kanálku) elektromagnetickou sílu a proud. V kovu, který teče kanálkem, se uvolňuje tepelná energie a tepelná výměna s chladnější vsázkou je umožněna díky cirkulaci (intenzivnímu pohybu) tekutého kovu. Pro započetí práce a jinou činnost kanálkové pece je potřeba uzavřený sekundární obvod. Tento sekundární obvod je tvořený ze zbytkové taveniny předchozího tavení ponechané v kanálku pece nebo lze kanálek zaplnit tekutým kovem roztaveným v jiné peci. Nehodí se proto přerušovaný provoz nebo pro časté střídání složení kovu. Často je třeba udržovat pec na provozní teplotě i při nepracovních režimech, což vede ke zhoršení celkové energetické účinnosti, která je jinak vyšší než účinnost indukčních kelímkových pecí. Konstrukce kanálkové pece se zakrytým kanálkem je navržena přímo na síťovou frekvenci. Účiník cosf ohřívací cívky je větší, protože magnetický tok prochází železným jádrem z elektrotechnických plechů. Magnetizační proud v cívce je tedy nižší a stačí pro její chlazení jen ofukování vzduchem. Roztavený kov se v kanálku víří podle čárkovaných šipek na Obr. 3.. Kolem kanálku vzniká elektromagnetické pole, které je buzeno proudem protékajícím v kanálku a způsobuje tlak na kov v kanálku. Odtlačování kovu tedy probíhá od stěn kanálku směrem do středu kanálku. Působením hydrostatického tlaku, natéká nový kov podél stěn kanálku a středem

28 8 kanálku vytéká kov do vany. Tím dosáhneme promíchání kovu, takže je homogenní. Důsledkem překročení určitého příkonu pro daný hydrostatický tlak může dojít k přeskřípnutí kovu silami v kanálku, tedy nastává uskřipovací jev. Tím vzniknou velmi nebezpečné výkonové a silové impulsy. Tento jev je méně častý, než u pecí Kjellinových, vlivem většího hydrostatického tlaku. Obr. 3- Indukční pec se zakrytým kanálkem Použití kanálkových pecí je hlavně pro tavení barevných kovů a zušlechťování šedé litiny. Může docházet i k zanášení kanálků oxidy a to díky tavení některých kovů zejména hliníku. Pro zamezení zanášení a následné čištění kanálků se pece konstruují s přímkovými částmi vertikálními a s přímkovou částí horizontální a nikoli s částmi kruhovými, jak je na Obr. 3.. Po odstranění zátky z vnějšku pece lze čistit horizontální část kanálku. Tato část se nachází v dolní části induktoru. Vertikální část je možno čistit z vany. Pro větší rozměry pecí je možné připojit dva či tři kanálkové induktory na jednu vanu, aby se zajistilo rovnoměrné zatížení trojfázové sítě. Scottovo zapojení se provádí u dvou kanálků. Zapojení spočívá v tom, že jedna ohřívací cívka má N závitů, druhá N 3 / = N 0, 866 závitů a jejich zapojení je na Obr Odbočka na první cívce se nachází uprostřed. Obr. 3-3 Scottovo spojení pro indukční kanálkovou pec Indukční tavící pec kanálková bubnová Velké kanálkové pece, až do obsahu 30 tun litiny, se staví také jako tzv. pece kanálkové bubnové popsané na Obr. 3.4 ( - Ocelový válec s horizontální plochou, který tvoří vanu a je uvnitř vyzděn vyzdívkou, - vyzdívka, 3 lící otvor (hubice), který je na jedné postavě válce,

29 9 4 sázecí otvor s víkem v plášti ocelového válce, 5 kladky, na kterých je uložen válec (buben) pro natáčení kolem své horizontální osy, 6 odmontovatelné induktory (nejčastěji tři), každý pro jednu fázi trojfázové sítě, umístěné na plášti válce mezi kladkami a přírubami) []. Natočením bubnu na kladkách se provádí odlévání. Mezi výhody bubnových pecí patří možnost jejich natočení do libovolné polohy při výměně nebo čištění induktoru atp. Používají se často na tavení hliníku a jeho slitin. ODLÉVÁNÍ KANÁLEK Obr. 3-4 Indukční bubnová kanálková pec 3.. Indukční tavící pec kelímková Kelímkové pece nebo-li indukční pec bez železného jádra, lze rozdělit ještě i z různých jiných hledisek. Podle způsobu provedení induktoru (cívky) a jejího napájení se dělí na jednofázové, dvoufázové a trojfázové. K tomu podle způsobu rozdělení vinutí na induktory s jedním vynutím nebo s více vinutím a s napájením jedno-frekvenčním nebo dvoj-frekvenčním, kdy se induktor nebo jenom jeho části napájí proudem s různou frekvencí. Indukční pece lze dělit i podle jejich konstrukčního provedení na pece s konstrukcí otevřenou, uzavřenou nebo stíněnou Kelímková pec s nevodivým kelímkem Kelímková pec je zobrazena na obr. 3.5 ( - kruhová ohřívací cívka, která je navinuta jako jednovrstvá nejčastěji dutým měděným vodičem čtverhranného průřezu, jehož dutinou protéká chladící voda, - keramický zadusaný kelímek pece, který je nejčastěji z křemičitého písku SiO, 3 - svazky elektrotechnických plechů, které jsou svisle uspořádány po celém vnitřním obvodu pláště pece 5 a tyto svazky svádějí magnetický tok vně cívky, aby nezabíhal do pláště 5 a do dalších konstrukčních částí pece, 4 - středící azbestocementové trámce pro cívku, 5 - ocelový plášť pece, 6 - cihlová keramická vyzdívka na dně pece, 7 - stínící měděný plech, aby magnetický tok cívky nevnikal do mřížového dna pece, 8 - mřížové dno pece, 9 - hubice pece pro odlévání, 0 - osa, kolem které se pec otáčí při vyklápění nebo-li odpichu) [4]. Indukční tavící pece jsou používány pro tavení nejrůznějších kovů a především se pomocí nich vyrábějí oceli vysoké kvality. Pec je vyklápěna většinou hydraulickými válci. Napájení se provádí jak kmitočtem středním, což jsou velké pece o frekvenci 500 Hz, tak také menšího provedení o kmitočtu až 4 khz nebo o síťovém kmitočtu 50, resp. 50 Hz. Konstruují se od objemu 0 kg oceli až do objemu 60 tun oceli. Rozměr a tloušťka vsazovaného materiálu jsou velmi důležitými aspekty při tavení v pecích o různých frekvencích. Pro energetickou spotřebu je významný vliv jakosti vsázky různých materiálů.

30 h Obr. 3-5 Indukční kelímková pec V tavenině vzniká u stěny kelímku podtlak, vlivem tlaku silokřivek a v ose taveniny přetlak. Působením hydrostatických sil se tavenina dostává do podtlaku a následně se vzdouvá ve středu kelímku. Měrný výkon je omezován (limitován) vířením u pecí o frekvenci 50 Hz a u lehkých kovů. Toto přiměřené víření je velmi vítáno, protože zajišťuje homogenitu kovu jak z hlediska složení tak i teploty. Proud (až několik tisíc ampérů) je do cívky zaváděn ohebnými měděnými lany a izolačními hadicemi je zaváděna chladící voda Kelímková pec s vodivým kelímkem Pokud opatříme pec vodivým kelímkem stoupne elektrická účinnost pro tavení hliníku a mědi [4]. Pro nižší teploty je kelímek vyroben z ocelolitiny. Tedy při tavení hliníku a jeho slitin. Při vyšších teplotách jsou použity tzv. grafitové kelímky, které se zhotovují ze směsi grafitu a šamotu.. Vodivost zapříčiňuje grafit, takže čím více grafitu směs má, tím lepší vodivost má výsledný kelímek. Velká vodivost ale není vyžadována. Znázornění kelímkové pece s vodivým kelímkem je na Obr Tavení ve vodivých kelímcích se příliš nepoužívá a omezuje se jen na prohřívání magnézia a ušlechtilých kovů, které mají velkou vodivost.

31 3 Obr. 3-6 Indukční kelímková pec s vodivým kelímkem 3..3 Indukční prohřívací zařízení Indukční prohřívací zařízení se uplatňují v průmyslu, kde se výrobky vytvářejí prostřednictvím kování či lisování za horka [5]. Indukční ohřevy se mimořádně osvědčili při hromadné výrobě zápustkových výkovků v automobilovém průmyslu a v továrnách na valivá ložiska, nářadí, šrouby atp. Kovové objekty válcového nebo čtyřhranného typu, nejčastěji z oceli, se ohřívají na kovací teplotu, kde pro ocel je to teplota 50 až 50 C [4]. Indukční ohřev může probíhat rovnoměrně, kdy se provádí úplné prohřátí celé vsázky nebo částečné, kde se ohřev uskutečňuje jen částí vsázky. Typické konstrukce pro indukční prohřívací zařízení válcové vsázky jsou na Obr. 3.7 ( induktor, vsázka, 3 termoizolační a žáropevná vrstva, 4 nosná konstrukce). Indukční cívka je obvykle o délce m. Průřez ohřívačky se volí podle průměrů ohřívaných objektů, kterých bývá v induktoru obvykle více než jeden. Ohřívání okamžité nebo-li soudobé (Obr. 3.7a) se provádí v případě, že není požadován vysoký výkon ohřívání nebo když je velká délka vsázky a prohřátí je úplné. V druhém případě jde o ohřátí postupné (Obr 3.7b), tedy jen jednotlivých částí vsázky. Musí být ovšem použit velký ohřívací výkon, kde se ohřívání vsázky provádí průběžně nebo skokovým posouvání uvnitř induktoru. a) b) Obr. 3-7 Indukční prohřívací zařízení: a) okamžité prohřívání, b) postupné prohřívání.

32 3 Indukční prohřívací zařízení lze rozdělit podle využití do skupin:. ohřevy průřezů, ústřihů nebo úlomků,. průběžné ohřevy tyčového materiálu, 3. ohřevy konců tyčového materiálu. Rovnoměrného prohřátí se dosáhne, když teplo, které vzniká v povrchové vrstvě, se šíří vedením do středu předmětu [4]. Proto je důležité, aby vrstva, kde teplo vzniká, nebyla příliš tenká. To znamená, že kmitočet tedy nemusí být příliš vysoký. Je tedy třeba zvolit vhodný kmitočet, a tím i vrstvu, ve které se teplo vyvíjí, tak aby došlo k pohlcení (absorbování) energie s dobrou účinností, ale zároveň nesmí nastat přehřátí povrchu. V praxi se volí kmitočet pro indukční prohřívání oceli v závislosti na průměru prohřívacího předmětu podle tabulky Tab 4. [4]. Doba potřebná k rovnoměrnému prohřátí oceli se stanovuje podle velikosti průměru ocelového předmětu a příslušné frekvence. Dobu prohřívání lze zkrátit asi o třetinu a to při zhuštění části cívky na začátku induktoru, kde vystupují studené vývalky. Tento ohřev je pak nazýván rychloohřevem. Rovnoměrnost prohřátí je vyhovující, jestliže na konci procesu není rozdíl teploty na povrchu a v ose větší než 00 C. Nerovnoměrnost se ještě zmenší během dalších několika desítek vteřin, které uplynou mezi procesy, tedy koncem prohřívání a kovací operací zařízení. 3. Elektrické zdroje napájející indukčních zařízení Indukční pece se připojují na zdroje různé frekvence (síťová frekvence 50 Hz, středofrekvenční o frekvenci 50 Hz až 0 khz a vysokofrekvenční nad 50 khz)[]. Nejpoužívanější jsou středofrekvenční a jen v některých případech se indukční pece kelímkové napájejí proudem o frekvenci 50 Hz. Zapojení zařízení na síťovou frekvenci je na Obr. 3.8 ( - výkonový vypínač, regulační transformátor, 3 symetrizační obvod převádějící jednofázovou zátěž na zátěž trojfázovou symetrickou, 4 regulační kondenzátorová baterie kompenzující jalový výkon ohřívací cívky, 5 - indukční ohřev). Obr. 3-8 Princip napájení indukčního zařízení proudem se síťovým kmitočtem

33 33 Připojení indukčních pecí k síti se provádí podle toho, jestli je pec jednofázová dvoufázová či třífázová (lišící se např. v počtu kanálků), kde je nutné dosáhnou symetrie zatěžování sítě. Symetrie proudů dosáhneme u kanálkové pece, která je vlastně jednofázovým spotřebičem napájená z trojfázové sítě, aplikací odpovídajících symetrizačních obvodů. Nejznámější je LC obvod, nazývaný Steinmetzovo zapojení, které je znázorněno na Obr a) b) Obr. 3-9 Symetrizační LC obvod v zapojení: a) do trojúhelníka, b) do hvězdy (Rz vykompenzovaný činný odpor pece) 3.. Středofrekvenční zdroje napájení Princip připojení indukční pece na středofrekvenční zdroj napájení je na Obr. 3.0 ( výkonový vypínač, měnič frekvence, 3 kondenzátorová baterie, 4 indukční tavící pec)[4]. Používají se středofrekvenční rotační generátory, např. heteropolární zoubkovaný středofrekvenční měnič, který obvykle tvoří s poháněcím motorem uzavřený monoblok se dvěma ložisky často se svislou osou. Rotační generátory vyrábějí proudy v rozmezí 500 až Hz a jsou poháněny asynchronními elektromotory s kotvou nakrátko nebo kotvou kroužkovou. Důležité je, že rotačním generátorům je nutné dodávat stejnosměrný proud kvůli buzení. V dnešní době se už nová indukční zařízení s rotačními měniči nedodávají, protože se přešlo na měniče tyristorové, které mají mnoho výhod, kde jednou z nich je úspora energie. Obr. 3-0 Princip zapojení středofrekvenčního zdroje napájení Princip zapojení tyristorového měniče kmitočtu je na Obr. 3.. Tyristorový měnič je tvořen usměrňovačem, který je celořízený trojfázový můstek s možností invertorového chodu, meziobvodovou tlumivkou a střídačem. Střídač pracuje jako invertor proudu. Řízení probíhá pomocí zátěže, což je topný obvod. Tento oscilační obvod je složen z prvků cívky induktor

34 34 (L ohřívací cívka indukční pece nebo ohřevu, R odpor představující činnou zátěž pece, tedy svázka a ztráty) a kompenzačního kondenzátoru C, který slouží i jako kondenzátor komutační pro tyristory střídače T a T 4. Meziobvodová tlumivka L 0 má velkou indukčnost (několik mh) a má tři funkce. Nejprve má funkci oddělovací, kde odděluje napětí topného oscilačního obvodu, který se nachází před tlumivkou a je spínáno tyristory. Tlumivka dále v tomto případě zachycuje okamžité napěťové rozdíly mezi usměrňovačem a střídačem. Další funkcí je vyhlazování. Pomocí tlumivky je vyhlazován stejnosměrný proud z usměrňovače při jeho fázovém řízení. A v neposlední řadě je to funkce omezovací, kdy má při zkratu ve střídači (např. prohoření můstku) omezit nárůst zkratového proudu na přípustnou hodnotu součtového proudu pro tyristory až do okamžiku, kdy zareagují nadproudové ochrany. Tato funkce je nejdůležitější a pří výpočtu potřebné indukčnosti je na ni kladen velký důraz. Střídače se používají ke střídavému vedení proudu tyristory T a T 3 a také tyristory T a T 4. Tím se zavádí obdélníkové impulsy střídavé polarity do topného oscilačního obvodu R, L, C a tyristory pracují jako spínače těchto impulsů. Při vedení tyristorů T a T 3 jde proud obdélníkového průběhu jedním směrem k ohřívací cívce a při vedení T 4 a T jde proud směrem opačným. Střídavé spínání tyristorových dvojic obstarává regulátor měniče. Velikost indukčnosti L 0 udává průběh obdélníkových impulsů. Indukčnost má i snahu vést konstantní stejnosměrný proud. Regulátor obsahuje i zařízení pro start měniče. Startování se provádí výbojem nabitého tzv. startovacího kondenzátoru, který je pro pomocné tyristory, do oscilačního topného obvodu. Oscilační obvod se tlumeně rozkmitá a od jeho kmitů se odvodí impulsy, na které zareaguje regulátor a začne rytmicky spínat tyristory v diagonálách můstku, jak už bylo psáno. Tyristorové měniče mají i své nevýhody a jednou z nich je i zpětné působení na síť, která může být ovšem potlačeno pomocí hradících členů a filtrů na vyšší harmonické. + Obr. 3- Principiální zapojení tyristorového měniče frekvence pro indukční ohřevy 3.. Vysokofrekvenční zdroje napájení Jako vysokofrekvenční zdroj napájení pro indukční tavící pece se používá elektronkový generátor s frekvencí nad 50 khz. Zobrazení zapojení je na Obr. 3. ( regulační vstupní transformátor pro usměrňovač, usměrňovací diody usměrňovače, 3 vyhlazovací kondenzátor, 4 oddělovací tlumivka prostřídanou vysokofrekvenční složku na anodě triody, 5 výkonová trioda, 6 kondenzátory, které zkratují vysokofrekvenční složky proudu katody,

35 35 7 žhavící transformátor triody, 8 oddělovací kondenzátor pro propouštění jen střídavé vysokofrekvenční složky, 9 oddělovací transformátor pro stejnosměrné mřížkové přepětí triody, který ale umožňuje průtok střídavých vysokofrekvenčních proudů zpětné vazby, 0 tlumivka, která znemožňuje zkratování vysokofrekvenčního mřížkového zpětnovazebního napětí kondenzátorem, odpor, na kterém vzniká záporné předpětí mřížky triody, filtrační kondenzátor mřížkového předpětí, 3 primární vinutí vysokofrekvenčního transformátoru, 4 sekundární vinutí vysokofrekvenčního transformátoru, 5 kompenzační kondenzátor pro ohřívací cívku, 6 ohřívací cívka indukční pece, tedy induktor). Oscilační obvod je u elektronkového generátoru tvořen vinutím (primárním vinutím transformátoru, sekundárním vinutím transformátoru a ohřívací cívkou - induktorem) a kompenzačním kondenzátorem pro ohřívací cívku. Tento oscilační obvod pracuje na daném vysokém kmitočtu (např. 360 khz). Zpětná vazba oscilátoru (generátoru) je provedena odbočkou na primární vinutí transformátoru a zavedena na mřížku triody. Pro vysokofrekvenční napájení jsou vhodné i tranzistorové měniče. Jak zapojení samotné, tak i zapojení výše uvedeno, má mnoho variant a je udáváno podle nejrůznějších hledisek technických, ekonomických i provozních, tedy k jakému účelu bude zařízení sloužit. Vysokofrekvenční zdroje napájení se používají pro napájení pecí malého objemu (0, až 00 kg ) k tavení těžkotavitelných kovů. Obr. 3- Princip zapojení elektronkového generátoru kmitočtu