Uţití elektrické energie. Laboratorní cvičení 21 3.1.5 Návrh, realizace a ověření vlastností topného článku Cíl: Cílem laboratorní úlohy je navázat na numerická cvičení, kde byl prezentován postup výpočtu parametrů odporového topného elementu. Studenti tedy vyuţijí získaných poznatků a s jejich pomocí navrhnou a zkonstruují odporový topný element dle kritérií zadaných vyučujícím v numerickém cvičení. Součástí úlohy je samozřejmě i praktická zkouška zkonstruovaného článku. 3.1.5.1 Úvod Vyuţívání elektrické energie pro vytápění je obecně známou a dobře zmapovanou oblastí uţití elektrické energie. Jsou známy různé principy přeměny elektrické energie na tepelnou a jednou z nich je i pouţití odporového ohřevu. Při tomto typu ohřevu se mění elektrická energie na teplo podle Jouleova zákona. Ten popisuje mnoţství tepelné energie jako součin odporu topného elementu, druhé mocniny procházejícího proudu a času. Takto získané teplo způsobí vzrůst teploty samotného odporového materiálu, který následně předává teplo do svého okolí. 3.1.5.2 Rozbor úlohy Vyuţívání elektrické energie pro vytápění je obecně známou a dobře zmapovanou oblastí uţití elektrické energie. Jsou známy různé principy přeměny elektrické energie na tepelnou a jednou z nich je i pouţití odporového ohřevu. Při tomto typu ohřevu se mění elektrická energie na teplo podle Jouleova zákona. Ten popisuje mnoţství tepelné energie jako součin odporu topného elementu, druhé mocniny procházejícího proudu a času. Takto získané teplo způsobí vzrůst teploty samotného odporového materiálu, který následně předává teplo do svého okolí. Odporový ohřev můţeme rozdělit na dva druhy a to přímý a nepřímý. Při vyuţívání přímého odporového ohřevu je jako odporový topný článek pouţit samotný ohřívaný materiál. Pokud je odporový topný článek pouze prostředkem k vytvoření tepla, které je předáno dál, jedná se o odporový ohřev nepřímý. V této laboratorní úloze se budeme věnovat nepřímému odporovému ohřevu, konkrétně tedy návrhu odporového topného článku. Tyto články mohou být konstruované z nejrůznějších materiálů. Princip vzniku tepla je závislý na odporu a procházejícím proudu, jak bylo naznačeno ve vztahu výše. Při konstrukci takového článku je nutné dbát na to, aby tento byl jak vhodně tvarován, tak také vhodně umístěn pro konkrétní aplikaci. Zejména je důleţité, aby teplo mohlo být co nejlépe předáno okolnímu prostředí bez zbytečných ztrát (např. ohřívání materiálů pouţitých pro rozmístění topných článků apod.). Zároveň musí být zabezpečen bezpečný a bezporuchový provoz, tudíţ je nutné zohlednit moţné průhyby a pohyby topného článku při provozu tak, aby nedošlo ke zkratování části odporového obvodu. Na odporové topné články je kladeno několik poţadavků: odolnost proti ţáru při pracovní teplotě článku, dostatečná mechanická pevnost za tepla, odolnost proti chemickým vlivům prostředí, ve kterém pracují,
22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně velká rezistivita pro pouţití větších průřezů a přiměřených délek vodičů a pro moţné připojení přímo k napájecí síti, malý teplotní součinitel odporu, stálost rezistivity po celou dobu ţivota článku, malá teplotní délková roztaţnost, dobrá zpracovatelnost do různých tvarů. Z chemického hlediska můţeme topné články dělit na kovové a nekovové. Mezi kovové materiály řadíme jak materiály jednoprvkové (čisté kovy jako platina, wolfram, molybden), které mají vhodné vlastnosti jako topné články, tak i nejrůznější slitiny kovů (nejčastěji slitiny feritické, austenitické). Mezi nekovové materiály řadíme různé sloučeniny křemíku, uhlíku apod. Z hlediska konstrukce samotného topného článku dělíme články na otevřené a uzavřené. Otevřené topné články jsou tvořeny dráty, nebo pásky odporového topného materiálu, které jsou rozmístěny na různých podpěrách a nejsou kryté dalším materiálem. Proto je u tohoto druhu článků na místě opatrnost při manipulaci, aby nedošlo k jejich mechanickému poškození. Podpěry musí být dostatečně teplotně odolné, aby vydrţely pracovní podmínky při provozu článků. Uzavřené topné články jsou odděleny od ohřívaného média a bývají hermeticky uzavřeny v topném tělesu. To umoţňuje minimální ovlivnění samotného topného článku provozními podmínkami okolí. Při návrhu odporového topného článku vycházíme ze srovnání tepla, které je produkováno odporovým vodičem a tepla, které je moţné odvést z povrchu vodiče do okolí. Teplo vyvinuté při průchodu proudu vodičem je dáno vztahem: Teplo, které je moţné odvést z povrchu topného článku je definováno jako: Kde p je povrchové zatíţení vodiče [W.m -2 ] S je plocha topného článku [m 2 ] Při uvaţování rovnováţného stavu jsou tato dvě tepla rovna, tudíţ platí: Kde d je průměr odporového drátu [mm] P je příkon odporového článku [W] U je napětí odporového článku [V] p je povrchové zatíţení odp. článku při provozní teplotě [W.cm -2 ] ρ je rezistivita při provozní teplotě [Ω.mm 2.m -1 ] k je konstanta kruhového průřezu topného článku (k = 0,343). Z tohoto vztahu je moţné vyjádřit minimální průměr odporového drátu:
Uţití elektrické energie. Laboratorní cvičení 23 Dalším údajem potřebným pro návrh topného článku je délka odporového článku. Tato se určí podle vztahu: Průměr topného článku však nelze volit individuálně na základě výpočtu, ale je nutno pouţít článek z průměrové řady a to vţdy nejbliţší vyšší. Po zvolení průměru je proto nutné provést opětovný výpočet délky topného článku pro zvolený průměr drátu. Teplo vytvořené při průchodu proudu vodičem se předává do okolí dvojím způsobem, a to konvekcí (prouděním) a radiací (sáláním). Celkové mnoţství tepla lze vyjádřit vztahem: Sloţka tepla předaného konvekcí je dána vztahem: kde Δϑ je rozdíl teplot okolí a teploty topného článku [ C], t je doba, po kterou je teplo předáváno [s] α je součinitel přestupu tepla konvekcí [W. C -1 ]: Teplo předané do okolí radiací je dáno vztahem: kde ε je emisivita materiálu topného článku [-] σ je Stefan-Boltzmannova konstanta (5,6704.10-8 W.m -2.K -4 ) T je absolutní teplota topného článku [K] T o t je absolutní teplota okolního prostředí [K] je doba, po kterou je teplo předáváno [s] Obr. 3.5: Pracoviště pro návrh a konstrukci topného elementu
24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Obr. 3.6: Snímek pořízený při měření termokamerou V následujících tabulkách jsou uvedeny potřebné parametry odporového drátu, který je pouţit při návrhu topného článku. Tab. 1.1 uvádí odpor topného drátu vztaţen na jednotku délky. Tab. 1.2 uvádí závislost teploty topného článku na proudu procházejícím článkem. Tab. 1.3 uvádí závislost koeficientu β na teplotě článku. Jelikoţ se rezistivita mění se vzrůstající teplotou, je nutno tímto koeficientem násobit hodnotu měrného odporu pro poţadovanou teplotu odporového topného článku. Topný drát Ni80Cr20 0,25 mm Měrný odpor [Ω.m -1 ] 21,33 Tab. 3-1: Měrný odpor topného článku Teplota článku [ C] Proud článkem [A] 425 550 650 750 875 1100 1,5 1,81 2,14 2,53 2,93 3,75 Tab. 3-2: Závislost teploty na procházejícím proudu Teplota [ C] Koeficient β 20 93 204 315 427 538 649 760 871 982 1093 1,000 1,016 1,037 1,054 1,066 1,070 1,064 1,062 1,066 1,072 1,078 Tab. 3-3: Závislost koeficientu β na teplotě topného článku
Uţití elektrické energie. Laboratorní cvičení 25 3.1.5.3 Úkol měření 1. Na základě znalostí z numerických cvičení (návrh odporového topného článku) a poţadavků zadání vypočtěte potřebné parametry topného článku (délka topného elementu, jeho průřez, materiál, rychlost proudění vzduchu v okolí topného článku). 2. Poté sestavte topný článek podle vypočtených parametrů, navrhněte jeho rozmístění na nosné konstrukci, uchycení článku ve fixačních bodech a parametry napájení. Při uvaţování proudícího vzduchu v okolí článku umístěte do vhodné polohy ventilátor a nastavte rychlost proudění vzduchu na vypočtenou hodnotu. 3. Po zkontrolování zapojení úlohy a nastavení potřebných parametrů připojte topný článek ke zdroji napájení a vyhodnoťte jeho provoz. 4. Při práci dbejte zvýšené opatrnosti z důvodu zvýšeného rizika úrazu při provozu odporového topného elementu. 3.1.5.4 Použitá zařízení Nosná konstrukce topného článku včetně příslušenství Ventilátor s moţností regulace rychlosti proudění vzduchu Termokamera Autotransformátor Voltmetr Ampérmetr Pracovní pomůcky kleště, délkové měřidlo, ochranné pracovní pomůcky 3.1.5.5 Postup měření 1. Dle parametrů zadaných vyučujícím a vypočtených hodnot zvolte typ odporového drátu pouţitého pro konstrukci článku, popř. pouţijte drát dle zadání vyučujícího. 2. Po zvolení konkrétního typu odporového drátu proveďte korekci výpočtu pro parametry pouţitého drátu a stanovte délku topného článku. Vezměte v potaz nutnost upevnění konců drátu do svorek (nutno uvaţovat jistou rezervu v délce drátu). 3. Proveďte návrh rozmístění topného drátu na nosnou konstrukci. Věnujte pozornost umístění drátu tak, aby nedošlo ke zkratu, nebo nevzniklo nebezpečí popálení apod. 4. Rozmístěte drát na nosnou konstrukci, upněte jeho konce do svorek a proveďte elektrické zapojení úlohy. 5. K topnému článku umístěte ventilátor a nastavte jeho otáčky na poţadovanou hodnotu rychlosti proudění vzduchu. 6. Po zkontrolování zapojení vyučujícím zapněte ventilátor a připojte topný článek k napájecí síti. 7. Proveďte měření napětí, proudu, výkonu a ostatních měřených parametrů.
26 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně 3.1.5.6 Zpracování výsledků Při měření zaznamenejte všechny potřebné parametry. Z hodnot napětí a proudu vypočtěte příkon topného článku a zaznamenejte způsob rozmístění a upevnění topného článku na nosné konstrukci. Pořiďte snímek topného článku pomocí termokamery a vyhodnoťte teplotní poměry v článku i nosné konstrukci. 3.1.5.7 Závěr Proveďte zhodnocení měření provozu odporového topného článku a ověřte teoretické předpoklady a výpočty parametrů potřebných pro návrh odporového topného článku. Vyhodnoťte teplotu v různých místech odporového topného elementu pomocí termokamery. Navrhněte moţné optimalizace umístění článku z hlediska lepšího předání tepla do okolí a tyto prakticky ověřte měřením. Shrnutí: Laboratorní úloha naznačuje, jakým způsobem je nutné provést výpočet odporového topného článku v reálných podmínkách. Zároveň dává moţnost ověřit teoretické poznatky o návrhu takových topných článků praktickým způsobem a zjistit, jak se takový topný článek chová při provozu v reálných podmínkách.