4 Elektrické teplo
4.1 Základní pojmy Při některých elektromagnetických jevech se část energie přeměňuje na teplo. Teplo je druh energie, má tedy stejnou jednotku jako mechanická práce a elektrická energie, tj. joule. Platí převodní vztah: 1 J = 1 W.s Měřítkem tepelného stavu tělesa je teplota. Teplota je základní veličinou v termice. Jednotkou teploty je kelvin (K). Kromě toho se ještě používá vedlejší jednotka, Celsiův stupeň ( C). Jeden C je stejně velký jako 1 K. Základním bodem Kelvinovy stupnice je absolutní nula, základním bodem Celsiovy stupnice je teplota 273,15K.
Převod mezi kelviny a Celsiovými stupni se počítá podle vztahu: Θ = ϑ + 273,15 (K; C) kde Θ je teplota v kelvinech, ϑ je teplota v Celsiových stupních. Elektrické zdroje tepla mají celou řadu předností. Nezhoršují životní prostředí, dávají možnost poměrně snadnému řízení, regulaci a okamžitému vypnutí. Často je to z technologického důvodu jediná možnost ohřevu. Nepatří však k nejlevnějším.
4.2 Šíření tepla Teplo se šíří z teplejšího prostředí do chladnějšího prostředí vedením (kondukcí), prouděním (konvekcí) a sáláním (radiací). Zpravidla se šíří všemi těmito způsoby současně, ale některý z nich může převládat.
Vedení tepla (kondukce) Vedení tepla se vyskytuje u pevných látek (hovoříme o tzv. prostupu). Sálání tepla (radiace) Těleso, jehož teplota je vyšší než 0 K, vyzařuje všemi směry tepelné paprsky: -vlnová délka = 750 nm až 10 000 nm, tj. infračervené záření, - vlnová délka = 10 000 nm až 1 000 000 nm, tj. tepelné záření.
Proudění tepla (konvekce) Proudění tepla nastane, jestliže prostředím, které teplo přenáší, je plyn nebo kapalina a prostředím, které teplo přivádí, je tuhé těleso nebo naopak. Teplo se přitom přenáší prostřednictvím pohybujících se částic plynu nebo kapalin. Pohyb částic v kapalině nebo v plynu může být přirozený - je způsoben nestejnoměrným rozdělením teploty v kapalině nebo plynu, nebo nucený - zrychlujeme-li ho čerpadlem nebo ventilátorem. Příkladem přenášení tepla prouděním je přenos tepla v elektrické odporové peci z roztopených stěn nebo z rozžhavených rezistorů na vsázku prouděním plynného prostředí(vzduchu nebo ochranné atmosféry), popř. kapalného prostředí (solné lázně).
4.3 Elektrické zdroje tepla Elektrické teplo vzniká přeměnou z elektrické energie a využívá se k elektrickému ohřevu. Známe tyto druhy ohřevu: - odporový ohřev, - obloukový ohřev, - indukční ohřev, - dielektrický ohřev, - infračervený ohřev.
a) odporový ohřev Teplo vzniká v rezistoru (odporové součástce) průchodem el. proudu. 2 Je dáno vztahem Q R I t (J; Ω, A, s) Tento princip se používá u vařičů, akumulačních kamen, zásobníků na teplou vodu, odporovém svařování, odporových pecích. Odporové svařování Mezi dvě elektrody se vloží součásti, které se mají svařit (např. dva přeplátované plechy). Svařované součásti se k sobě přitlačí a na přechodovém odporu, který je mezi nimi, vznikne tak velké teplo, že nastane svaření. Tomuto způsobu ohřevu říkáme přímý ohřev.
Odporové pece Využívají nepřímý ohřev (přenos tepla na ohřívaný předmět je zprostředkován např. vzduchem, vodou) V odporových pecích probíhají tyto děje: - sušení (do teploty 250 C), - tepelné zpracování kovů, např. žíhání, kalení, popouštění (asi do teploty 1050 C), - tavení kovů s nižším bodem tání, - smaltování, vypalování keramiky (až do 1300 C)
b) Obloukový ohřev Teplo vzniká v elektrickém oblouku. Oblouk napájíme střídavým nebo stejnosměrným proudem. Proud při tom prochází plyny, které jsou za normálních podmínek elektricky nevodivé. Teprve po ionizaci prostředí (např. vlivem vysoké teploty) se stanou elektricky vodivými. Teplota dosahuje hodnoty až několika tisíc kelvinů (až 5000K). Plyny při takové teplotě jsou velmi vodivé - nazýváme je plazma. Vysoká teplota se uplatňuje v průmyslu při obloukovém svařování a v obloukových pecích.
Svařování elektrickým obloukem Při tomto způsobu svařování tvoří jednu elektrodu vlastní svařovaný předmět, druhou vlastní svařovací elektroda. Obě elektrody se na povrchu taví, a tvoří tak svar. Svařuje se stejnosměrným i střídavým proudem. Při použití stejnosměrného proudu se záporný pól zdroje připojuje ke svařované elektrodě. Oblouková pec Podle způsobu hoření oblouku v peci rozlišujeme: -pece s přímým topením: oblouk v nich hoří mezi elektrodou a taveninou (vsázkou). Zde je lepší prostup tepla. -pece s nepřímým topením: teplo se v nich přenáší do vsázky nepřímo sáláním. Tento způsob neznečišťuje vsázku uhlíkem. Příkon těchto pecí je několik desítek megawattů a jsou napájeny mohutnými transformátory.
pece s nepřímým topením: teplo se v nich přenáší do vsázky nepřímo - sáláním
c) indukční ohřev Teplo vzniká působením indukovaných vířivých proudů. Indukční pec je vlastní transformátor, jehož výstupní vinutí je tvořeno kusem kovu. Vstupní vinutí je tvořeno závity z měděné trubky, kterou protéká chladící tekutina. Střídavý magnetický tok buzený vstupním proudem vytvoří tak velké vířivé proudy ve výstupním závitu, že se jeho kov (obsah tavícího kelímku roztaví. Tyto pece se používají k výrobě speciálních slitin, neboť ohřev je velmi čistý, tj. nezpůsobuje žádné znečištění slitiny. Používá se pro teploty 1500 až 2500 C a výkony až 1 MW.
Nízkofrekvenční pece Napájecí napětí má kmitočet 50 Hz. Pec má železné jádro. V podstatě je to transformátor se závitem nakrátko. Závit nakrátko je proveden jako kanálek nebo žlábek ze šamotu, proudy se indukují do vsázky. Tekutá vsázka se ohřívá Joulovým teplem. Pece se železným jádrem se používají především pro tavení neželezných kovů (s licí teplotou nižší než 1450 C), ale i pro tavení litiny a oceli. Někdy se tyto pece používají jen na zušlechťování litiny a oceli, které se do pece dávají již v roztaveném stavu. Z takových pecí se nevylévá všechen kov, ale nechává se v nich tekutý závit nakrátko, tzv. hnízdo. Někdy se do kanálku vkládá pomocný kovový prstenec.
Středofrekvenční pece (má zvýšený kmitočet) Kmitočet je 500 Hz až 3 000 Hz, pec je bez železného jádra, kelímková. Vsázkou jsou kovy, železné i neželezné. Vsázka se zahřívá vířivými proudy a u železné vsázky navíc ještě hysterezními ztrátami. Vysokofrekvenční ohřev Kmitočet je až 500 khz. Používají se pro povrchové kalení. Hustota proudů indukovaných do vloženého kovového předmětu ubývá se vzdáleností od povrchu. Pro tavení se volí nižší kmitočet a pro povrchové kalení vyšší kmitočet.
d) Dielektrický ohřev Nekovy jsou vloženy do elektrického vysokofrekvenčního pole. Rychlým přepolarizováním částic ohřívané látky(dielektrika) vznikají tzv. dielektrické ztráty, které se mění v teplo. Velikost ztrát závisí na intenzitě elektrického pole (spádu napětí), na kmitočtu, na permitivitě ohřívané látky a na ztrátovém úhlu dielektrika. Používaný kmitočet je 1 MHz až 100 MHz, spád napětí je 500 V až 1500 V na 1 cm tloušťky dielektrika. Dielektrický ohřev se používá k sušení (porcelánu, potravin, dřeva) a k ohřívání (plasty, pryž). V současné době se též využívá k tepelnému zpracování potravin v tzv. mikrovlnných troubách. Výhodou je zkrácení doby přípravy na několik sekund.
e) infračervený ohřev Infračervené záření je elektromagnetické záření s vlnovou délkou 750 nm až 10 000 nm. Zdrojem infračerveného záření jsou infrazářiče. Infračervené záření proniká do hloubky a rychle prohřívá látku. Příklad infrazářiče je podžhavená žárovka (1500 C). Infražárovky mají na horní části baňky napařenou kovovou vrstvu, tzv. reflektor. Tento ohřev se používá převážně k sušení.