Elektrické teplo teplo získáváme přeměnou elektrické energie využíváme ho: v průmyslu, v domácnostech, v zemědělství, v lékařství, v dopravě apod. elektrickým teplem se zpracovávají kovy (žíhání, tavení, pájení, svařování), topí se jím, suší, vaří a léčí oproti jiným zdrojům tepla má mnoho výhod, např. přesnost ohřevu, pohotovost, snadné řízení, čistota a další základní pojmy a veličiny: a) teplota vyjadřuje stav, tepelný potenciál tělesa je to stavová veličina, která určuje stav látek a je mírou kinetické energie pohybujících se molekul jednotkou je Celsiův stupeň ( C) a kelvin (K) mezi jednotkami platí vztah: 0 K = -273,15 C b) teplo je určitý druh energie, která se vyměňuje mezi látkami s rozdílnými teplotami jednotkou je joule (J) c) další tepelné veličiny měrná teplená kapacita c (J.kg -1.K -1 ) skupenské teplo L (J) součinitel tepelné vodivosti λ (W.m -1.K -1 ) elektrické zdroje tepla: a) Joulovo teplo vzniká při průchodu proudu rezistorem b) infračervené záření to záření vysílá každé těleso teplejší než 0 K c) elektrický oblouk
intenzivně svítící a zřetelně ohraničený výboj ve vzduchu nebo v plynu mezi dvěma elektrodami d) elektrická jiskra vzniká při jiskrovém výboji střídavého nebo stejnosměrného napětí a představuje zdroj tepla lokalizovaný na místo dopadu jiskry e) dielektrické teplo vzniká vlivem vodivosti a polarizace izolantu, na který působí elektrické pole f) vířivé proudy ve vodivém předmětu vloženém do střídavého magnetického pole se v něm indukují v rovinách kolmých na směr magnetického toku vznikají v něm ztráty vířivými proudy, které se mění na teplo a vodivý předmět se zahřívá g) hysterezní ztráty ve feromagnetických materiálech, které jsou vloženy do střídavého magnetického pole, vznikají kromě ztrát vířivými proudy ztráty vzniklé přemagnetováním h) Peltierův jev při napájení stejnosměrného obvodu složeného ze dvou kolíků (Bi, Cu), že teplota spoje obou kovů se při průchodu proudu jedním směrem se zvyšuje oproti teplotě okolí a naopak při průchodu proudu opačným směrem snižuje teplo se šíří z teplejšího prostředí do chladnějšího: a) vedením
teplo, které se přenese z jednoho konce tělesa na druhý b) prouděním vzniká, je-li jedním prostředím pevné těleso a druhým prostředím kapalina nebo plyn c) sáláním přenos tepla prostorem z teplejšího tělesa na chladnější neviditelným tepelným zářením (o vlnové délce 0,75 až 10 μm) velikost pohlcené energie závisí na materiálu tělesa, jeho povrchu a tvaru a také na tom, kolik dopadající energie se odrazí a kolik se propustí bez oteplení tělesa Elektrické teplo v průmyslových odvětvích zdroje elektrického tepla se využívají při různých způsobech ohřevu používají se zejména tyto způsoby ohřevu: a) odporový ohřev (přímý i nepřímý, infračervenými paprsky) b) obloukový ohřev (přímý, nepřímý, se zakrytým obloukem) c) indukční ohřev (nízkofrekvenční 50 Hz, nebo se zvýšenou frekvencí 500 až 3 000 Hz) d) dielektrický ohřev Elektrické pece nejdůležitější přednosti jsou: a) jednoduché udržování požadované teploty b) automatické nebo programové řízení teploty
c) větší rovnoměrnost v rozložení teploty d) větší rychlost ohřevu e) menší ztráty opalováním (méně zmetků) f) jednoduchá a pohodlná obsluha g) čistota a přesnost tepelného postupu h) menší zastavěný prostor ch) větší tepelná účinnost i) možnost použití ochranné atmosféry; tvoří ji ochranné plyny, které působí buď aktivně (nitridování, cementování), nebo pasívně (lesklé žíhání, zabránění vzniku oxidů okují) požadavky na elektrické pece z elektrotechnického hlediska: a) ochrana před nebezpečným dotykem b) krytí c) ochrana před dotykem živých částí d) měření a řízení teploty e) zapojení pecových rozváděčů Odporové topné články elektrický příkon P = UI = RI 2 = U 2 /R se přitom mění v teplo (Joulovo-Lencovo) rozlišujeme odporové ohřevy: a) přímý odporový ohřev pokud je součást, kterou potřebuji zahřát z vodivého materiálu s dostatečným odporem je možné ji přímo zapojit do obvodu
podmínky: 1. ohřívané těleso musí mít velkou rezistivitu ρ (Ω.m) 2. přívodní vodiče musí mít co nejmenší odpor (jinak se budou zahřívat taky) 3. zdroj musí být schopen dodat velký proud b) nepřímý odporový ohřev je-li materiál nevodivý nebo je-li jeho činný odpor velmi malý je nutné použit nepřímý odporový ohřev a využít proudění tepla teplo vzniká v topných rezistorech
na materiály používané pro výrobu topných rezistorů máme tyto požadavky: 1. velká rezistivita ρ (Ω.m) 2. malý teplotní součinitel odporu α (K -1 ) 3. vysoký bod tavení 4. odolnost proti oxidaci 5. dobrá zpracovatelnost nejpoužívanější materiály pro výrobu topných rezistorů: - do 350 o C slitiny Cu-Ni (nikelin, konstantan) - do 800 o C chrómová litina, křemíková litina - do 1350 o C slitina: Fe-Cr-Mn, Fe-Cr-Al (kanthal, chromal), Fe-Cr-Co - nad 1350 o C kovy: Pt, Mo, W použití: a) v domácnosti: žehličky, elektrické sporáky, rychlovarné konvice, fény, atd. b) v průmyslu odporové pece
dosahované teploty průmyslových pecí otevřené topné články pro odporové pece kde: 1 4 topný vodič v meandru 5 7 topný vodič ve šroubovici
zavřené topné články: a) trubkový (tyčový) článek NiCr izolovaný MgO b) válcové topné těleso se slídovou izolací Elektrické odporové pece v průmyslu velmi rozšířené: do 250 C k sušení vinutí a celých elektrických strojů před impregnací a po impregnaci, k sušení nátěrů, různých materiálů nebo potravin do 1 050 C pro tepelné zpracování kovů (žíhání, popouštění, kalení) do 1 350 C pro sklářský a keramický průmysl, pro tavení některých kovů a při kalení speciálních ocelí vsázka bývá v odporové kleci v klidu nebo v přerušovaném, plynulém pohybu vyrábí se pro různé výkony, a to od několika kilowattů do desítek megawattů různé typy odporových pecí: 1. Pece se stabilní vsázkou
komorová vozíková (vozová)
šachtová (hlubinná)
zvonová 1 - topný poklop, 2 mufle, 3 vsázka, 4 spodek, 5 ventilátor, 6 topné články kelímková pec
2. Pece průběžné narážecí 1 dráha, 2, 3 vnější válečková trať, 4 - vsázka válečková pásová karuselová
1 těleso pece, 2 topné články, 3 otočná podlaha, 4 vsázka, 5 pohon, 6 - dveře bubnová (s kalicí lázní) 1 buben, 2 komora pece, 3 pohon bubnu, 4 šroubový dopravník, 5 kalicí vana, 6 paleta Obloukové pece rozdělujeme podle působení oblouků takto:
a) pece s obloukem vstupujícím do vsázky pro tavení oceli a litiny mohou být jednofázové, dvoufázové a trojfázové konstruují se s nevodivou nebo vodivou nístějí (dnem) b) pece s nepřímým ohřevem vsázky oblouk hoří v určité výšce nad vsázkou a teplo se do taveniny přenáší sáláním (proud vsázkou neprochází) tavení barevných (neželezných) kovů c) pece se zakrytým obloukem
oblouk hoří pod vrstvou vsázky největší část tepla vzniká průchodem proudu elektrodou a vsázkou (Joulovo teplo) výroba surového železa, feroslitin a karbidů tavící oblouková pec na ocel 1 vana; 2 víko; 3 elektrody; 4 odlévací hubice; 5, 7 dvířka; 6 struskový otvor přívod proudu k obloukové peci
1 elektroda; 2 objímka; 3 rameno; 4 sloup; 5 vedení; 6 izolátory; 7 lana přetavovací vakuová oblouková pec 1 elektroda z přetavovaného kovu; 2 přetavený vodou chlazený ingot
principiální schéma zapojení elektrického napájení obloukové pece
Indukční pece využívají Joulovo teplo získané: a) ve výstupním vinutí transformátoru spojeného nakrátko mají železné jádro a jsou napájeny napětím průmyslové frekvence 50 Hz b) teplo způsobené vířivými proudy nemají jádro jsou napájeny napětím o frekvenci 500 až 3 000 Hz výhody: víření vsázky, dosažení vysoké teploty v celé tavenině, menší opaly, jednodušší řízení výkonu, velký tavný výkon, menší rozměry nevýhody: poměrně studená struska a větší cena elektrického zařízení kelímková pec 1 ohřívací cívka (induktor); 2 keramický kelímek; 3 Fe plechy; 4 plášť; 5 osa otáčení pece při odpichu;
6 odlévací hubice kanálková pec 1 ohřívací cívka; 2 transformátorové lechy; 3 kanálek (závit nakrátko) ohřev ústřihů z tyčí Indukční ohřevy 1 vsázka; 2 induktor; 3 keramika; 4 vodicí trubky
indukční ohřev pro povrchové kalení 1 vsázka; 2 induktor; 3 - sprcha indukční svařování trubek svinutých z pásu 1 trubka; 2 kladky; 3 induktor; A bod svaru
Dielektrický ohřev výroba překližek 1 překližka; 2 uzemněná elektroda; 3 izolovaná elektroda; 4 izolátor sušení dřeva na pohybujícím se pásu
1 dřevěné díly; 2 horní izolované elektroda; 3 kovový dopravní pás sušení pásu papíru 1 běžící papírový pás; 2 válcové elektrody svařování plastové fólie 1 fólie; 2, 3 elektrody Šití plastové fólie
1 fólie; 2 pohyblivá elektroda ve tvaru kladky; 3 spodní elektroda Mikrovlnný ohřev uspořádání mikrovlnného ohřevu princip magnetronu
1 měděná válcová anoda (vn); 2 axiální otvory; 3 žhavená katoda; 4 kapacitní můstek kmitavého obvodu ve tvaru Ω ; 5 - anténa Tečka v kroužku naznačuje směr stejnosměrného magnetického pole. Spirálovitě se pohybující elektrony (v mag. poli) dodávají energii kmitavému obvodu; frekvence je v řádu GHz.
Plazmová, elektronová a laserová elektrotepelná zařízení plazmový generátor (plazmatron) s nezávislým a závislým obloukem 1,2 elektrody; 3 plazmotvorný plyn; 4 vodní chlazení; 5 plazmový plamen; 6 ohřívaný materiál indukční plazmatron
elektronové dělo 1,3 - Si trubky; 2 induktor
1 žhavená pomocná katoda Indukční plazmatron; 2 hlavní katoda; 3 anoda; 4 cívka ( magnetická čočka ) 5, 6 zaostřovací cívky přetavovací vakuová pec
1 elektronové dělo; 2 vakuová komora; 3 přetavovaná tyč; 4 vodou chlazený krystalizátor; 5 - píst plynový laser 1 trubice; 2 elektrody; 3 zrcadla rezonátoru; 4 svazek paprsků; 5 vf generátor; 6 - autotransformátor
Svařování slouží k pevnému nerozebíratelnému spojení materiálů rozlišujeme: 1. obloukové svařování 2. odporové svařování Obloukové svařování jedná se o tavné svařování tímto způsobem můžeme zhotovit všechny druhy svarů a spojů dělí se na dva hlavní způsoby: a) svařování netavicí (uhlíkovou) elektrodou b) svařování tavicí elektrodou obloukové svařování rozdělujeme z několika hledisek: a) ruční a automatické svařování b) svařování stejnosměrným a střídavým proudem c) svařování uhlíkovou elektrodou, tavící elektrodou, v ochranné atmosféře, pod tavidlem a řezání elektrickým obloukem Svařování tavící elektrodou nejpoužívanější způsob oblouk vzniká mezi svařovaným materiálem a kovovou elektrodou oblouk zapálíme tak, že se elektrodou připojenou k jednomu pólu zdroje dotkneme svařovaného materiálu, který je připojen na druhý pól průchodem elektrického proudu se v místě dotyku kov rozžhaví a při rychlém oddálení elektrody a při dostatečném napětí zdroje vznikne oblouk
aby se oblouk vytvořil, musí se napětí zdroje rovnat tzv. zápalnému napětí (závisí na časovém průběhu proudu, druhu elektrod a zdroji) zápalné napětí bývá 20 až 45 V při proudu 40 až 400 A podle průměru elektrod teplota oblouku dosahuje až 5 000 Cke svařování je výhodnější stejnosměrný proud, při svařování střídavým proudem oblouk vždy při nulové hodnotě proudu zhasíná a zapálí se opět tehdy, je-li vzduch mezi elektrodou a svařovaným kovem dostatečně ionizovaný holou elektrodou by se při běžných napětích svařovacích transformátorů nepodařilo oblouk vůbec udržet a proto se používají obalované elektrody nebo elektrody s náplní svařovací proud musí být co nejméně závislý na délce oblouku zdroje pro svařování obloukem: a) svařovací dynama b) svařovací usměrňovače c) svařovací transformátory d) elektrická síť Odporové svařování tento způsob svařování využívá Joulovo teplo, které vzniká při průchodu svařovaného materiálu mezi elektrodami rozlišujeme čtyři základní způsoby odporového svařování: a) bodové svařování b) švové svařování c) svařování na tupo d) bradavkové svařování
svařovací proud bývá pro různé případy v rozmezí 1 až 100 A napájecí transformátor má proto obvykle pouze jeden výstupní závit, odlitý z mědi nebo bronzu nebo zhotovený z plochých měděných trubek (kterými protéká chladící voda) apod. svařovací proud se řídí přepínáním odboček na vstupní straně transformátoru (čím více závitů vstupního vinutí je připojeno na síť, tím menší je svařovací proud výhody: nejsou nutné tavicí svařovací elektrody, nejsou nutní speciální svářeči, tímto způsobem lze svařovat téměř všechny kovy, menší spotřeba energie bodový svařovací stroj