PRŮMYSLOVÉ PECE (studijní opory)

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inţenýrství

PRŮMYSLOVÉ PECE (studijní opory)

Adéla Macháčková Lenka Mrňková

Ostrava 2013

Recenze: Doc. Ing. Zuzana Klečková, CSc.

Název: Autor: Vydání: Počet stran:

Průmyslové pece Doc. Ing. Adéla Macháčková, Ph.D., Ing. Lenka Mrňková první, 2013 101

Studijní materiály pro studijní obor Tepelná technika a průmyslová keramika (studijní program Metalurgické inţenýrství) inţenýrského studia Fakulty metalurgie a materiálového inţenýrství Jazyková korektura: nebyla provedena. Určeno pro projekt: Operační program Vzděláváním pro konkurenceschopnost Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na Fakultě metalurgie a materiálového inţenýrství VŠB - TU Ostrava Číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0304 Realizace: VŠB – Technická univerzita Ostrava Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR © Adéla Macháčková, Lenka Mrňková © VŠB – Technická univerzita Ostrava

POKYNY KE STUDIU Průmyslové pece Pro předmět Průmyslové pece 1. semestru studijního programu Metalurgické inţenýrství, jste obdrţeli studijní balík obsahující integrované skriptum pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu. Prerekvizity Pro studium tohoto předmětu se nepředpokládá absolvování předmětů jako prerekvizit. Cílem předmětu a výstupy z učení Cílem předmětu je orientace v oblasti přenosu tepla, termomechaniky a hydromechaniky, jeţ jsou základem pro technologické zásady ohřevu materiálů, reţimy a návrhy ohřevu materiálu, základní výpočty doby ohřevu. Seznámíte se s různými topnými systémy pouţívanými v průmyslových pecích. Naučíte se orientovat v ţárovzdorných vyzdívkách pecí, ve výměnících tepla, v měření teplot, tlaku, průtoku médií, v analýze spalinových sloţek. Získáte ucelený přehled průmyslových pecí, jejich vyuţití, konstrukce. Po prostudování předmětu by měl student být schopen: výstupy znalostí: -

Student bude umět rozdělit jednotlivé typy průmyslových pecí podle způsobu ohřevu, podle konstrukčního uspořádání a podle způsobu vyuţití. Student bude schopen orientovat se v problematice přenosu tepla, technologii ohřevu materiálu, ţárovzdorných materiálech, výměnících tepla a měření základních veličin.

výstupy dovedností: -

Student své znalosti můţe uplatnit při návrzích průmyslových pecí.

-

Student bude umět aplikovat teoretické poznatky v technické praxi, zvl. v provozech s průmyslovými pecemi různého charakteru a vyuţití.

Pro koho je předmět určen Předmět je zařazen do magisterského studia oborů Moderní metalurgické technologie, Tepelná technika a průmyslová keramika studijního programu Metalurgické inţenýrství, ale můţe jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, pokud splňuje poţadované prerekvizity. Studijní opora se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se můţe výrazně lišit, proto jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níţe popsaná struktura. Při studiu kaţdé kapitoly doporučujeme následující postup: Studijní opora je vytvořena z logicky navazujících celků, proto je vhodné studovat problematiku postupně a krok za krokem, protoţe jednotlivé části zahrnují znalosti předešlých kapitol. Čas, uvedený na začátku kapitoly je orientační a záleţí na individuálních učebních schopnostech kaţdého studenta. Je doporučeno vyřešit si/odpovědět na otázky, které jsou uvedené za kapitolami pro kontrolu zvládnutí probrané látky.

Způsob komunikace s vyučujícími: Komunikace s vyučujícím probíhá jiţ na přednáškách, resp. cvičeních, kde studenti mohou klást své dotazy. V případě dalších dotazů a potřeb se student můţe dostavit na konzultaci daných témat s vyučujícím. Na konzultaci je moţné se přihlásit prostřednictvím e-mailu uvedeného níţe. Pokyny k samotné výuce budou oznámeny na začátku semestru, ve kterém bude výuka probíhat. Student bude seznámen s povinnou a doporučenou literaturou, bude seznámen se systémem výuky na cvičeních a podmínkách obdrţení zápočtu. Student bude seznámen s podmínkami a průběhem zkoušky. Jakékoliv další informace k výuce se můţete dotázat garanta předmětu, jímţ je doc. Ing. Adéla Macháčková, Ph.D. a také prostřednictvím e-mailu: [email protected]

1.

ZÁKLADNÍ VZTAHY VE SDÍLENÍ TEPLA

Základy sdílení tepla jsou nezbytné pro pochopení ohřevu materiálů a technologických systémů průmyslových pecí. V následujícím přehledu jsou uvedeny základní informace nutné pro správné pochopení problematiky přestupu tepla. Proto je tato kapitola zařazena jako úvodní, moţno říci jako opakovací. Motto: 1. Celková energie ve vesmíru je konstantní. 2. Energie nemůţe být nikdy zničena. 3. Energie se můţe přeměňovat různými způsoby. Základní přeměny energii jsou na obr. 1.1. Podle platného II. termodynamického zákona se energie přenáší z těles s vyšší teplotou k tělesům s teplotou niţší prostřednictvím těchto typů sdílení tepla: vedení (kondukce), konvekce, radiace (záření).

obr. 1.1 Základní přeměny energie.

Čas ke studiu: 20 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

 definovat základní pojmy ve sdílení tepla.  popsat jednotlivé matematické rovnice vztahující se k vedení tepla (I. a II. Fourierův zákon), vztahující se ke konvekci (určení součinitele přestupu tepla konvekcí na základně obecné kriteriální rovnice) a rovnice vztahující se ke sdílení tepla zářením (zvláště Stefanův – Boltzmannův zákon).  orientovat v základních pojmech hydromechaniky a v důleţitých rovnicích, které se pouţívají při proudění tekutin.

 definovat pojmy z oblasti termomechaniky (I. a II. Zákon termomechaniky, stavová rovnice, vratné změny).

Výklad Vedení tepla v látkách Vedení tepla se uskutečňuje převáţně v pevných látkách a rovněţ také kapalných látkách, které nejsou v pohybu. Základem vedení tepla je vznik teplotního pole. Teplotní pole vzniká tehdy, kdyţ v materiálu je přítomen rozdíl teplot. Vznikající teplotní pole se šíří všemi směry – tedy v jednotlivých osách – x, y, z. Teplotní pole můţe a nemusí být závislé na čase. Mohou však nastat různé varianty. Obecně je popsáno teplotní pole následujícím matematickým výrazem t  f x, y, z, τ 

(C)

Teplotní pole v materiálu s různými teplotami vytváří teplotní pole. V teplotním poli jsou vytvářeny oblasti se stejnými teplotami, kterým říkáme izotermické plochy. Teplota v materiálu se můţe měnit všemi směry. Nárůst (pokles) teploty je dán gradientem teploty, coţ je vektor, kolmý k izotermě a směřující na stranu nárůstu (poklesu) teploty,

grad t 

t t t     t (K.m-1), kde  je Hamiltonův operátor (m-1). x y z

Mnoţství tepla přenesené přes izotermický povrch za čas je tepelný tok P. Tepelný tok vztaţený na jednotku izotermické plochy (na 1 m2) je nazýván hustota tepelného toku q (W.m-2). Vzájemný vztah je P  qS

(W)

Mnoţství tepla Q, procházející izotermickou plochou je dáno jednoduchým součinem tepelného toku P a času τ, tedy

Q  Pτ  qS τ

(J )

Základní zákony sdílení tepla vedením První Fouriérův zákon – hustota tepelného toku je úměrná zápornému gradientu teploty

 t t t  q  λ  grad t  λ       x y z 

( W  m 2 )

Znaménko mínus souvisí s tím, ţe se teplo předává z oblasti teplejší do oblasti chladnější. Konstantou úměrnosti je λ – součinitel tepelné vodivosti (W.m-1.K-1). Součinitel telené vodivosti je termofyzikální parametr materiálu a je funkcí teploty. Součinitel tepelné vodivosti lze vyjádřit jako mnoţství tepla, které projde za jednotku času (1 s) jednotkovou plochou izotermického povrchu (1 m2), přičemţ v tělese je jednotkový teplotní gradient (1 K), tedy

λ

W  m

Q grad t  S  

1

K 1



Součinitel tepelné vodivosti nabývá různých hodnot. Pro plynné, kapalné látky je rozmezí v oblasti desetin a setin W.m-1.K-1. Pro tuhé látky je situace rozdílná. Součinitel závisí na tom, zda-li materiál je vodivý (kovy), nevodivý (izolační materiály), nebo je polovodičem, případně zda-li se jedná o látky pórovité (cihly, apod.). Všechny potřebné hodnoty lze nalézt v tabulkách vlastností materiálu. Druhý Fouriérův zákon. Odvození rovnice pro druhý Fouriérův zákon není tak jednoduché, jako u prvního zákona. Nicméně opět vychází ze znalosti teplotního pole. Při určení finálního tvaru rovnice se vychází z rovnováhy tepla přivedeného a odvedeného do materiálu, za předpokladu, ţe materiál je homogenní a izotropní, fyzikální vlastnosti materiálu jsou konstantní, vnitřní objemové zdroje v materiálu jsou rovnoměrně rozděleny a za předpokladu, ţe děj probíhá za konstantního tlaku. Finální tvar druhého Fouriérova zákona po sloţitém odvození je následující

t q  a  2t  V  cp  

(K  s 1 )

kde  2 je Laplaceův operátor. Novou veličinou je zde a – součinitel teplotní vodivosti

a

 cp  

, jednotkou je m2.s-1, Součinitel teplotní vodivosti je termofyzikálním parametrem

látky a charakterizuje rychlost změny teplotního pole. Čím je hodnota a větší, tím rychleji se změna teploty na povrchu projeví uvnitř tělesa. Kovové látky mají větší součinitel teplotní vodivosti neţ nekovy. Druhý Fouriérův zákon můţeme rovněţ napsat v těchto (zjednodušených) tvarech:

t q  a   2t  V  cp   t  a   2t  a   2t 

2t  0

qV



(K  s 1 )

(K  s 1 ) 0

(K  m  2 )

(K  m2 )

základní tvar, sdílení tepla vedením je bez vnitřních objemových zdrojů Poissonova rovnice pro stacionární s vnitřními objemovými zdroji,

vedení

tepla

Laplaceova rovnice pro stacionární vedení tepla bez vnitřních objemových zdrojů.

K řešení Druhého Fouriérova zákona neboli parciální diferenciální rovnici druhého řádu se pouţívají definovaná zjednodušení, tzv. podmínky jednoznačnosti. Podmínky jednoznačnosti dělíme na: 

geometrické,



fyzikální,



počáteční a



povrchové.

Geometrické podmínky – definují základní tvar tělesa – jeho rozměry. Geometrii tělesa se snaţíme vţdy uzpůsobit tak, aby byla pro výpočet co nejjednodušší. Fyzikální podmínky – jsou dány fyzikálními charakteristikami tělesa – například hustota, měrná tepelná kapacita, součinitel tepelné vodivosti, součinitel teplotní vodivosti, viskozita apod. Tyto podmínky je nutné znát také v závislosti na teplotě, resp. tlaku (graf). Počáteční podmínka – charakterizuje rozloţení teploty v tělese na počátku děje v čase τ0. Počáteční podmínka se u stacionárních dějů (časově neměnných) nezadává. Zadává se tedy, pokud se teplota mění s časem. Povrchové podmínky – jsou podmínky, které se týkají povrchu tělesa. Týkají se toho, co se děje na povrchu tělesa, nebo v okolí povrchu tělesa. Rozlišujeme 5 povrchových podmínek. 1. povrchová podmínka (Dirichletova) – je známa teplota na povrchu tělesa. Rozloţení teploty na povrchu tpov je funkcí souřadnic a času.

tpov  f x, y, z,  2. povrchová podmínka (Neumannova) – Je známa hustota tepelného toku na povrchu tělesa. Rozloţení hustoty tepelného toku q na povrchu tělesa je funkcí souřadnic a času. q  f x, y, z, 

3. Povrchová podmínka (Fouriérova) – Těleso s teplotou tpov je v prostředí s teplotou okolí tok. Je známo, jak se okolní prostředí chová – je znám součinitel přestupu tepla αc.

q   c  tpov  tok  4. povrchová podmínka - Kontakt dvou těles. Dvě různá tělesa jsou v dokonalém kontaktu a jejich styčné povrchy mají stejnou teplotu.

 t   t   1   1   2   2  ... t1  t2  x   x  5. povrchová podmínka - Fázová přeměna. Platí při změně skupenství látky (např. tuhnutí – přeměna kapalné látky v pevnou látku).

  t   t   1   1   2   2     l  ,   x   x  kde l je měrné skupenské teplo (J.kg-1) a ξ je tloušťka kapalné fáze (m).

Přestup tepla při konvekci Sdílení tepla konvekcí se uskutečňuje při pohybu tekutiny a zároveň dochází k výměně (sdílení) tepla, např. mezi tekutinou a tuhou látkou – proudící tekutina předává, či odebírá teplo z povrchu okolních těles. Konvekci rozdělujeme na přirozenou (volnou) a nucenou. Přirozená konvekce je nejčastěji vyvolaná působením gravitačního pole na nerovnoměrně prohřátou tekutinu. Nucená konvekce je vyvolaná externím zásahem do tekutiny. Konvekci mezi tekutinou a tuhou látkou – přenos tepla ze stěny do tekutiny. Matematicky lze toto vyjádřit jako měrný tepelný tok q ve směru normály n k povrchu, nebo jako rovnost I. Fourierova zákona a Newtonova zákona  t  q konvekce       kon  t povrch  t tekutina  ,  n 

kde součinitel přestupu tepla konvekcí αkon lze z této rovnice vyjádřit jako

 kon  



 t    t povrch  t tekutina  n 

(W.m 2 .K 1 ) .

Součinitel přestupu tepla konvekcí je mnoţství tepla, předané za jednotkový čas mezi tekutinou a jednotkovou plochou povrchu stěny, je-li mezi povrchem a tekutinou rozdíl teplot 1K. Hodnoty součinitele přestupu tepla konvekcí se pohybují dle charakteru děje v různých mezích. Výpočet hodnoty součinitele přestupu tepla se opírá o fyzikální modelování a stanovuje se pomocí kriterií, resp. obecné kriteriální rovnice Nu  f Re, Gr, Pr, Fo, Po, ξ x , ξ y , ξ z 

(1) ,

kde ξx, ξy, ξz jsou bezrozměrné souřadnice. Význam jednotlivých kritérií je v následující tabulce. kritérium

značka

Nusseltovo

Nu

Reynoldsovo

Re

Grashoffovo

Gr

Prandtlovo

Pr

vzorec Nu 

 kon  l 

Re 

Gr 

v l



g    T  l 3

 Pr 

2

 a

text Sdílení tepla konvekcí. Poměr sil setrvačných a vazkých. Přirozená konvekce skutečné (vazké) tekutiny. Sdílení tepla v tekutinách.

Fouriérovo

Fo

Pomerancevovo

Po

Fo 

Po 

a  l2

qV  l 2   T

Rychlost šíření tepla v tělese. Bezrozměrný čas. Teplotní pole s vnitřním objemovým zdrojem.

Kriteriální rovnice jsou pak aplikovány na jednotlivé děje pro přirozenou, nebo nucenou konvekci. Takovými ději můţe být např. přirozená konvekce ve volném, či omezeném prostoru, nucená konvekce při proudění v trubkách a kanálech, podél rovinné desky, příčné obtékání trubek, apod.

Přestup tepla při radiaci Sílení tepla zářením (radiace, sálání) je třetím typem přenosu tepla. Na rozdíl od předchozích popsaných dvou typů sdílení tepla, není sdílení tepla zářením vázáno na hmotné prostředí, to znamená, ţe záření se můţe uskutečňovat i ve vakuu. Sdílení tepla zářením se uskutečňuje elektromagnetickým vlněním, které se šíří rychlostí světla. Rozlišujeme dvě teorie chování světla – vlnová teorie a korpuskulární teorie, tedy světlo má vlnově – částicovou povahu (dualismus světla). Za jistých okolností lze světlo popsat klasickou elektromagnetickou teorií (vlnovou/Maxwelovou), tedy šíření světla, lom světla, odraz, ohyb, apod., v jiných případech je nutné pouţít kvantovou (korpuskulární) teorii (interakce světla s látkou, laser, apod.). Světlo je elektromagnetické vlnění v rozmezí vlnových délek 390 aţ 760 nm. Mnoţství vysálané energie závisí na teplotě tělesa. Těleso, které při dané teplotě vyzařuje (pohlcuje) na kaţdé vlnové délce maximálně moţné mnoţství sálavé energie se nazývá černé těleso. Protoţe černé těleso ve skutečnosti neexistuje, byl zaveden pojem šedého tělesa. Záření šedého tělesa při stejné teplotě a v rozsahu vlnových délek je menší neţ záření černého tělesa. Mezi základní zákony pro sdílení tepla zářením platí: Planckův zákon: „Intenzita vyzařování černého tělesa je závislá na vlnové délce. Pro kaţdou teplotu existuje maximum vyzářené energie při určité vlnové délce“. Intenzita vyzařování černého tělesa

E0,λ 

c1  λ 5   e 

c2 λT

  1 

( W  m 3 ) , c1  3,7412  10 16 W  m 2 , c2  1,4388  10 2 m  K ,

Wienův posunovací zákon: S rostoucí teplotou se maximum vyzářené energie posouvá ke kratším vlnovým délkám“. Intenzita vyzařování černého tělesa

E0,λ, max  1,286  10 5  T 5

(W  m 3 ) .

Stefanův – Boltzmannův zákon: „Intenzita vyzařování černého tělesa je úměrná čtvrté mocnině termodynamické teploty“. Intenzita vyzařování černého tělesa E0    T 4



(W.m 2 )

c1  π 4 3,7415  10 16  π 4   5,67  10 8 ( W  m 2  K 4 ) , 4 4  2 c2  15 1,4388  10  15





Pro šedá tělesa platí 4

 T  E    E0    C 0   ( W.m 2 ) .  100   kde ε je emisivita materiálu (1) Lambertův zákon. Popisuje vyzařování energie do jednotlivých směrů poloprostoru. Kirchhoffův zákon. Popisuje vzájemnou závislost mezi emisivitou ε a pohltivostí těles A. A 

E E  E0   T 4

(1)

Zářivý tok mezi dvěma tělesy, které mají rozdílné teploty povrchů, rozdílné plochy povrchů a rozdílné emisivity.  T1 4  T2 4  C0 P12         12  S1 1 1 100 100         1

( W) .

Vzorec pro sloţenou emisivitu má tvar  n 

1 1

1

2

1

1



2

.

1

Základní rovnice hydromechaniky Hydrostatika se zabývá rovnováhou sil působících na tekutinu v klidu. Tato rovnováha nastane tehdy, kdyţ se částice vůči sobě nepohybují, to znamená, ţe tvar objemu tekutiny se nemění. Síly, které mohou působit na tekutinu, jsou síly hmotnostní a tlakové. Hydrodynamika pak popisuje tekutiny v pohybu a kromě sil hmotnostních a tlakových jsou zde navíc síly třecí Ft a síly setrvačné Fs. Přehled rovnic pouţívaných v mechanice tekutin je v této tabulce Název rovnice

Rovnováha sil

Eulerova rovnice hydrostatiky.

Fm  Fp  0

Eulerova rovnice hydrodynamiky.

Fm  Fp  Fs

Výsledná rovnice

a a

1



1



grad p  0

 grad p 

dv d

Rovnice kontinuity.

Ustálené proudění   S  v  konst.  Qm

----

S  v  konst.  QV dFp  dFm  dFt  dFs

Navierova – Stokesova rovnice.

a

 dv   grad p     2v      d  1

h g   p  dFp  dFm  dFs

Bernoulliho rovnice.

h

v2    konst. , 2

p v2   konst., g   2 g

Základní vztahy v termomechanice 1. zákon termodynamiky (platí obecně pro ideální i reálný plyn). Princip zachování energie: Mnoţství energie v uzavřené soustavě je konstantní. Princip ekvivalence: Teplo lze měnit v mechanickou práci a naopak, podle určitého matematického vztahu. 1. matematická formulace:

předané teplo = vnitřní energie + objemová práce 2. matematická formulace: předané teplo = entalpie + technická práce Vnitřní energie je dána kinetickou a potenciální energií molekul. Při sdílení tepla dq pro 1kg plynu se změní jeho teplota o dT a objem o dV. Změna teploty souvisí se změnou vnitřní kinetické energie. Při změně objemu dochází ke změně vnitřní potenciální energie. Entalpie je dána součtem vnitřní (tepelné) energie a vnější (mechanické) energie dané tlakem a objemem pracovní látky. Rovnice stavu ideálního plynu pro přepočet na jiný stav: pro 1 kg plynu:

p.v = r.T

pro plyn o hmotnosti m:

p.V = m.r.T

pro jeden kmol plynu:

p.Vm = R.T

pro látkové mnoţství n :

kde:

kde: R = 8314 J.kmol-1.K-1

p.V = n.R.T

molový objem plynu v normálním stavu - Vm,n = 22,4 mn3 .kmol-1

při přepočtu na normální podmínky je: tlak pn = 101325 Pa, Tn = 0°C Stavové rovnice jsou obecně všechny rovnice, které vzájemně váţí stavové veličiny v rovnováţném stavu. Jedná se o veličiny – teplota, tlak a objem. Vztahy pro měrné tepelné kapacity ideálního plynu

[J.kg-1.K-1] k = 1,66

pro plyny jednoatomové

k = 1,4

pro plyny dvouatomové

k = 1,33 aţ 1,3

pro plyny tříatomové a víceatomové

Termodynamické změny - Přehled vratných změn stavu ideálního plynu Změna izochorická – změna za konstantního objemu 1. v = konst. v1 = v2 2. Charlesův zákon: 3. a = 0 at = v.(p1 – p2) 4. q = u2 – u1 = cV.(T2 – T1) Změna izobarická - změna za konstantního tlaku 1. p = konst. p1 = p2 2. Gay – Lussacův zákon: 3. a = p.(v2 – v1) at = 0 4. q = cp . (T2 – T1) Změna izotermická - změna za konstantní teploty 1. T = konst. T1 = T2 2. Boylův zákon: v1.p1 = v2.p2 = v.p = konst 3.

4. q = a = at Změna adiabatická – změna bez výměny tepla s okolím 1. dq = 0 2.

3. a = - cv.(T2 – T1)

4. q = 1 Změna polytropická – obecná vratná změna, kterou můţeme nahradit všechny předcházející rovnice. 1. Obecná vratná změna, kde zpravidla 1 < n < k 2. 3.

4.

, kde

Vratné změny se znázorňují pomocí diagramů p – V a T – s. V diagramu p – V znázorňuje plocha pod křivkou práci této změny, kterou vykoná pracovní látka. V diagramu T – s znázorňuje plocha pod křivkou mnoţství předaného tepla. Tento diagram slouţí k tomu, ţe umoţňuje posuzovat účinnost tepelných oběhů. Tepelný oběh je sled termodynamických změn jdoucích za sebou tak, ţe se pracovní látka vrátí do původního stavu. Nejznámějším pracovním oběhem je Carnotův cyklus. 2. zákon termodynamiky

„není moţné sestrojit periodicky pracující stroj, který by trvale odebíral teplot z tepelného zásobníku a konal tomuto teplu ekvivalentní práci.“ Nebo „Teplo nemůţe samovolně přecházet z tělesa o teplotě niţší na těleso o teplotě vyšší“. II. zákon termodynamiky omezuje platnost I. zákona termodynamiky tím, ţe upřesňuje, ţe veškeré přivedené teplo nelze převést na mechanickou práci.

Otázky ke kapitole 1 1. Definujte teplotní pole v látce. 2. Vysvětlete rozdíl mezi hustotou tepelného toku a tepelným tokem a teplem. 3. Vysvětlete rozdíl mezi I. a II. Fourierovým zákonem.

4. Vysvětlete rozdíl mezi součinitelem tepelné vodivosti a součinitelem teplotní vodivosti. 5. K čemu vyuţíváme podmínky jednoznačnosti. Vyjmenujte je. 6. Jaké typy konvekce existují? 7. Jak vyjádříme součinitel přestupu tepla konvekcí? 8. Popište obecnou kriteriální rovnici pro sdílení tepla konvekcí. 9. Vysvětlete, jak probíhá přestup tepla při sálání (radiaci). 10. Vysvětlete, proč byl zaveden pojem černé těleso. 11. Jak se od sebe liší černé a šedé těleso? 12. Popište 5 základních zákonů pro sdílení tepla. 13. Definujte rozdíl mezi hydrostatikou a hydrodynamikou. 14. Význam rovnice Navierovy – Stokesovy v hydrodynamice – vysvětlete. 15. Definujte první a druhý zákon termodynamiky. 16. Vyjmenujte základní stavové veličiny a napište základní matematické vztahy mezi nimi. 17. Popište jednotlivé vratné změny ideálního plynu.

TERMOFYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ

2.

Čas ke studiu: 5 hodin Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

 definovat základní termofyzikální vlastnosti materiálů,

 popsat základní početní vztahy a jednotky. Výklad Základní vlastnosti Spalné teplo (Qs) – teplo uvolněné dokonalým spálením měrné jednotky paliva (kg, m ), ve spalinách dochází ke kondenzaci vodní páry. Pro plynná paliva se spalné teplo vypočítá ze spalných tepel a objemových podílů jednotlivých sloţek, coţ lze obecně napsat jako: 3

(kJ.m-3) - objemové zlomky jednotlivých sloţek paliva. Výhřevnost (Qi) – teplo uvolněné dokonalým spálením měrné jednotky paliva (kg, m3), ve spalinách nedochází ke kondenzaci vodní páry. Jednotka výhřevnosti pro pevná paliva – kJ.kg-1 a pro plynná paliva kJ.m-3. Hodnota spalného tepla a výhřevnosti můţe být stanovena i experimentálně v kalorimetru. Výpočet výhřevnosti pro tuhá a kapalná paliva se provádí podle rovnic, které lze najít v tabulkách a jsou to např. svazová rovnice, Dulongova rovnice, Mendělejevova rovnice atd. U plynných paliv, jejichţ sloţení je dáno objemovými podíly, se počítá ze spalných tepel nebo výhřevností jednotlivých plynů, coţ lze obecně vyjádřit rovnicí: (kJ.m-3) V následující tabulce jsou uvedeny hodnoty spalného tepla a výhřevnosti pro různé plyny.

Chemické označení CO H2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C2H4 C3H6 C4H8 C2H2 C6H6 H2S

Plyn Oxid uhelnatý Vodík Methan Ethan Propan Butan Pentan Ethylen Propylen Butylen Acetylen Benzol Sulfan

Spalné teplo Qs (MJ∙m-3) 12,64 12,77 39,85 70,42 101,82 134,02 150,72 64,02 94,37 114,51 58,99 146,29 25,71

Výhřevnost Qi (MJ∙m-3) 12,64 10,76 35,8 64,35 93,57 123,55 140,93 59,02 88,22 107,01 56,94 140,38 23,7

Entalpie – termodynamická veličina závisející na vnitřní energii a součinu tlaku a objemu. Pro tepelně technické výpočty se pouţívá entalpie ve funkční závislosti měrné tepelné kapacity cp a teploty t. (J.kg-1; J.m-3) Měrná tepelná kapacita - je mnoţství tepla potřebného k ohřátí 1 kilogramu látky o 1 teplotní stupeň (1 K nebo 1 °C). Hodnota měrné tepelné kapacity je závislá na teplotě. Pro větší teplotní intervaly se zavádí střední měrná tepelná kapacita . U plynů se rozlišuje měrná tepelná kapacita při stálém tlaku, která se označuje objemu, značená

, a měrná tepelná kapacita při stálém

. Vztah mezi těmito měrnými tepelnými kapacitami udává Poissonova

konstanta (κ) a Mayerův vztah. Hustota – hmotnost objemové jednotky tekutiny. Hustota se mění se změnou teploty a tlaku. Vztah pro výpočet: (kg.m-3) Hustota tekutiny je převrácená hodnota měrného objemu, který je vyjádřen vztahem: (m3.kg-1)

Součinitel teplotní vodivosti – termofyzikální parametr látky a charakterizuje rychlost změny teplotního pole tj. jak rychle se změní teplota na povrchu tělesa. Čím je hodnota součinitele teplotní vodivosti větší, tím rychleji se změna teploty na povrchu projeví uvnitř tělesa. Je zároveň konstantou úměrnosti – rychlost změny teploty tělesa je přímo úměrná součiniteli teplotní vodivosti. Tento součinitel vypočteme: (m2.s-1) Součinitel tepelné vodivosti – fyzikální parametr látky, který obecně závisí na teplotě, tlaku a sloţení látky. Určuje se měřením hustoty tepelného toku, gradientu teploty a poté ze vztahu: (W.m-1.K-1) Součinitel tepelné vodivosti je tedy mnoţství tepla, které projde za jednotku času jednotkou plochy izotermického povrchu. Se zvyšující se teplotu λ u plynů roste a u kapalin většinou klesá. Tepelné vodivosti pro kovy a kapaliny jsou zobrazeny na obr. 2.

Obr. 2. 1 Součinitelé tepelné vodivosti pro kovy a kapaliny

Viskozita – vnitřní odpor tekutiny proti smykové deformaci, který se projevuje u skutečných tekutin. Tečné napětí τ vzniká v důsledku tření mezi sousedními vrstvami reálných tekutin. Je tím větší, čím více se mění rychlost od vrstvy k vrstvě. Změnu rychlosti lze charakterizovat gradientem rychlosti

. Newton formuloval vztah pro výpočet tečného

napětí: (Pa) η je dynamická viskozita, která charakterizuje úměru mezi gradientem rychlosti a tečným napětím. Pro dynamickou viskozitu platí vztah: (Pa.s)

V hydromechanice se vyskytuje často výraz , který je označován jako kinematická viskozita. Zkoumá pohyb z hlediska dráhy, rychlosti a zrychlení. Kinematická viskozita pro plyny je uvedena na obr. 2.2. Vypočte se podle vztahu: (m2.s-1)

Obr. 2.2 Kinematická viskozita plynů

Emisivita – radiační vlastnost tělesa, která se určuje jako poměr intenzity vyzařování E tělesa k intenzitě vyzařování černého tělesa E0, při stejné teplotě. Jelikoţ černé těleso vyzařuje maximální mnoţství energie, je jeho emisivita rovna 1. Existují však pouze tělesa šedá, které se mohou hodnotě 1 pouze blíţit. Šedá tělesa část záření pohlcují a část ho odráţí. Emisivita je závislá na povrchu materiálu a je funkcí teploty. Vztah pro výpočet emisivity: (1)

Shrnutí pojmů kapitoly 2 Viskozita tekutin souvisí s vnitřním odporem tekutiny proti smykové deformaci. Rozlišujeme kinematickou a dynamickou viskozitu. Dynamická viskozita vychází z Newtonova zákona. Viskozita je závislá na teplotě. Radiační vlastnost tělesa, která určuje poměr intenzity vyzařování, k intenzitě vyzařování černého tělesa, se nazývá emisivita. Pro černé těleso platí , šedá tělesa se této hodnotě pouze přibliţují. Závisí na povrchu materiálu a je funkcí teploty. Součinitel tepelné vodivosti vyjadřuje mnoţství tepla, které projde za jednotku času jednotkou plochy izotermického povrchu. Závisí na teplotě, tlaku a povrchu materiálu. Rychlost změny teplotního pole charakterizuje součinitel teplotní vodivosti. Čím je jeho hodnota větší, tím rychleji se změna teploty na povrchu projeví uvnitř tělesa. Měrná tepelná kapacita je mnoţství tepla potřebného k ohřátí 1 kilogramu látky o 1 teplotní stupeň. U plynů se rozlišuje měrná tepelná kapacita při stálém tlaku ( ), a měrná tepelná kapacita při stálém objemu ( ). Závisí na teplotě. U větších teplotních intervalů se udává střední měrná tepelná kapacita. Hustota je hmotnost objemové jednotky tekutiny. Hustota se mění se změnou teploty a tlaku. Entalpie závisí na vnitřní energii a součinu tlaku a objemu. V tepelně technických výpočtech se však pouţívá ve funkční závislosti měrné tepelné kapacity s teplotou.

Otázky ke kapitole 2 18. Co je to viskozita a jaká druhy známe? 19. Jak vypočítáme součinitel teplotní vodivosti? 20. Vysvětlete pojem emisivita.

21. Kdy emisivita nabývá hodnoty 1? 22. Jaký je rozdíl mezi spalným teplem a výhřevností? 23. Jak určíme výhřevnost pro tuhá a kapalná paliva a jak pro plyny? 24. Vztah pro výpočet dynamické viskozity. 25. Co je to měrná tepelná kapacita a jakou má jednotku? 26. Jaké měrné tepelné kapacity rozlišujeme u plynů? 27. Co je to entalpie a jak se vypočítá?

SDÍLENÍ TEPLA V PRACOVNÍM PROSTORU PECE

3.

Tepelná práce pece je souhrn všech procesů výměny tepla, probíhajících v pecním prostoru. Dělí se na uţitečnou, která znamená předání tepla zpracovávanému materiálu a neuţitečnou, která zahrnuje ostatní druhy tepla spotřebovaného v peci. Výměna tepla, která probíhá uvnitř zóny technologického procesu, se nazývá vnitřním přestupem tepla. Vnějším přestupem tepla nazýváme výměnu tepla mezi povrchem zóny technologického procesu a zónou generace tepla, případně vyzdívkou a okolní atmosférou.

Čas ke studiu: 6 hodin Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

 definovat vnitřní a vnější přestup tepla,  určit celkové mnoţství tepla pohlcené povrchem materiálu,  rozdělit tělesa na tenká a tlustá pomocí Biotova a Starkova kritéria.

Výklad Vnější přestup tepla Vnější přestup tepla se uskutečňuje především sáláním a konvekcí. Sálání je rozhodujícím druhem přenosu tepla v pecích s teplotou nad 800°C, kde tvoří 85 – 95 % veškerého tepla, předaného povrchu vsázky. Zbytek tepla se přenáší konvekcí. S rostoucí teplotou se zvyšuje význam radiace. U pecí na tepelné zpracování, které pracují s niţšími teplotami spalin, je konvekce významnější. Pracovní prostor pece je uzavřeným systémem, tvořeným obecně čtyřmi tělesy, která se účastní výměny tepla sáláním a konvekcí. Dvě tělesa (vsázka a stěny pracovního prostoru) jsou šedá, třetí tvoří spaliny, čtvrtým tělesem je plamen nebo elektrický oblouk. Celý proces výměny tepla popisuje soustava integrálních a diferenciálních rovnic, jejíţ analytické řešení není v obecném případě moţné. Při odvozování se vychází z následujících zjednodušujících předpokladů: 

zkoumaný proces je stacionární



zanedbává se vliv plamene

 teplota spalin je ve všech bodech uvaţovaného objemu stejná, totéţ platí pro povrchové body ohřívaného materiálu a pecního zdiva 

poměrná pohltivost spalin je ve všech směrech stejná

Nejvyšší teplotu v peci mají spaliny, jeţ předávají sáláním teplo na povrch vsázky a vnitřní povrch vyzdívky pece. Pecní zdivo plní dva úkoly. Prvním je izolace pracovního prostoru pece do okolí, aby bylo dosaţeno co nejmenších ztrát a druhým úkolem je zintenzivňování přenosu tepla mezi spalinami a ohřívaným materiálem, coţ vede ke zkrácení doby ohřevu. Výměnu tepla v pecní prostoru zobrazuje obr. 3.1. Pro výsledné mnoţství tepla, pohlcené povrchem materiálu, platí: (W) kde: Qr,m – teplo pohlcené povrchem materiálu (W) Qz, m, Qsp,m, Qm,m – teplo předané sáláním ze zdiva, spalin a okolní vsázky na materiál (W) Qk,m – teplo předané materiálu konvekcí (W) Qm,ef – efektivní (vlastní) sálání povrchu materiálu (W)

Obr.3.1 Vnější výměna tepla v pracovním prostoru pece Výsledný vnější tepelný tok na materiál se určuje z teploty spalin. Teplotu spalin nelze změřit přesně, neboť na čidlo dopadá zářivá energie z pecního zdiva i vsázky. Proto se zavádí pojem teplota pece. Při výměně tepla nerozlišujeme jednotlivé poloţky, ale představujeme si, ţe vsázka přijímá teplo od pece. Teplota pece – tpec – určuje se pomocí radiačního pyrometru, umístěného v rovině povrchu vsázky a namířeného do pecního prostoru. Ze Stefan-Boltzmannova zákona vyplývá, ţe teplota pece je velmi blízká teplotě zdiva. V praxi můţeme za teplotu pece povaţovat teplotu měřenou termočlánkem, jehoţ tepelný spoj je poněkud vysunut z vyzdívky do pecního prostoru.

Pec si představujeme jako ekvivalentní černé těleso a mnoţství tepla pohlcené povrchem vsázky. (W) Rovnice nezahrnuje mnoţství tepla, předané na vsázku konvekcí. Ve výpočtech se konvekce zohledňuje korekčním faktorem, kterým dělíme pravou stranu rovnice. Přesnějších výsledků dosáhneme pouţitím zonální metody, která spočívá v rozloţení objemu spalin, plamene a zúčastněných teplosměnných ploch na řadu menších izotermických částí (zóny).

Vnitřní přestup tepla Při řešení ohřevu nebo ochlazování je nutné určit teplotní pole tělesa v závislosti na čase. Při ohřevu vzniká mezi povrchem a centrem tělesa rozdíl teplot, jehoţ velikost je závislá na poměru vnitřního a vnějšího tepelného odporu. Tento poměr nazýváme Biotovo kritérium. (1) kde: α – součinitel přestupu tepla na povrchu tělesa (W.m-2.K-1) b – tloušťka tělesa (m) λ – součinitel tepelné vodivosti tělesa (W.m-1.K-1) Lze-li teplotní rozdíl během ohřevu zanedbat (teplota povrchu tp se během ohřevu rovná teplotě centra (středu) tc, jedná se o tenké těleso. Nelze-li teplotní rozdíl během ohřevu zanedbat, jedná se o tlusté těleso. Při výpočtech: Bi < 0,25

tenké těleso

Bi > 0,5

tlusté těleso

Mezi těmito hodnotami je přechodová oblast, kdy lze těleso uvaţovat buď jako tenké (přibliţné výpočty) nebo jako tlusté (přesné výpočty). Totéţ těleso se můţe v závislosti na intenzitě vnějšího přestupu tepla chovat jednou jako „tenké“, jindy jako „tlusté“. K rozdělení těles na tenká a tlustá se také pouţívá kritéria Starkova (poměr vnitřního a vnějšího tepelného odporu při sdílení tepla sáláním) (1) Těleso je tenké při Sk < 0,25

Otázky ke kapitole 3 28. Jaký druh přenosu tepla převládá v pecích s teplotou nad 800 °C? 29. Popište rozdíl mezi vnitřním a vnějším přestupem tepla. 30. Která kriteria pouţíváme pro rozdělení těles na tenká a tlustá. Popište jejich výpočet. 31. O jaké těleso se jedná v případě, ţe nelze zanedbat teplotní rozdíl mezi povrchem a středem materiálu? 32. Co je to zonální metoda a na co se pouţívá? 33. S rostoucí teplotou se význam radiace zvyšuje nebo sniţuje? 34. Uveďte hodnoty Biotova s Starkova kriteria pro tenké těleso. 35. Vysvětlete, proč nelze přesně změřit teplotu pece.

4.

ZPŮSOBY OHŘEVU MATERIÁLŮ Čas ke studiu: 8 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

 popsat jednotlivé způsoby ohřevu tenkých a tlustých těles.  popsat reţimy ohřevu materiálu.  vypočítat dobu ohřevu.

Výklad Ohřev tenkých těles V této části budou popsány způsoby ohřevu, které mají největší praktický význam – ohřev při konstantní teplotě pece, konstantním tepelném toku a při teplotě pece, která je lineární funkcí času. Konstantní teplota pece Při odvozování se vychází z diferenciální rovnice, vyjadřující rovnováhu mezi tepelným tokem na povrch tělesa a přírustkem jeho entalpie (J) kde: Vm – objem tělesa [m3] dt – přírustek teploty tělesa za interval času dτ [K] Za předpokladu, ţe velikost α, c, ρ je konstantní, dá se předchozí rovnice řešit separací proměnných a následnou integrací. Pro dobu ohřevu tenkého tělesa τk z počáteční teploty t0 na konečnou teplotu tk potom platí, (s) Pro všechna tři tělesa (deska, válec, koule) lze psát (m) kde: k1 – součinitel tvaru, u desky k1 = 1, u válce k1 = 2, u koule k1 = 3

Rozměr b - výpočtová tloušťka tělesa. U válce a koule je to poloměr, u desky ohřívané symetricky polovina tloušťky a u desky ohřívané pouze jednostranně se za b dosazuje celá tloušťka. S pouţitím předcházející rovnice vyjádříme dobu ohřevu (s) Při známé době ohřevu se konečná teplota tenkého tělesa určí z rovnice, (°C) Hodnoty veličin α, ρ a c nejsou ve skutečnosti konstantní, v průběhu ohřevu se jejich velikost mění, proto musí být dosazovány do vzorců pro průměrnou teplotu materiálu . Průměrná teplota materiálu ,pro kterou platí: (°C) po integraci a úpravě obdrţíme vztah (°C) Přesnějších výsledků výpočtů dosáhneme rozdělením doby ohřevu na několik časových intervalů, pro které vţdy určíme t a odpovídající průměrné hodnoty c,ρ. Pokud není velikost součinitele přestupu tepla přímo zadána, počítá se z konvekčního vzorce: (W.m-2.K-1) Působí-li na povrch tenkého tělesa během ohřevu konstantní tepelný tok q, pro který platí (W.m-2) vypočítá se doba ohřevu ze vztahu (s) Teplota pece je lineární funkcí času Při této povrchové podmínce je teplota pece popsána rovnicí (°C) kde: t0pec – teplota pece v čase τ = 0 (°C) Z – přírustek teploty za časovou jednotku (K.s-1) Od jisté doby ohřevu se rozdíl mezi teplotou pece a teplotu tělesa prakticky nemění, přičemţ jeho velikost se rovná (K) průměrná teplota materiálu během celého ohřevu

(°C) Výše popsané vzorce pro lineárně s časem se měnící teplotu pece se dají pouţít i v případě sloţitějších průběhů teploty pece. Celková doba ohřevu se musí rozdělit na menší úseky, v nichţ se teplotní křivka nahradí úsečkami. Výpočet musí být proveden po částech.

Ohřev tlustých těles Výpočet ohřevu tlustých těles je mnohem sloţitější neţ u těles tenkých, neboť jejich teplota nezávisí jenom na čase, ale je také funkcí souřadnic. Teoretickým základem všech metod výpočtu ohřevu tlustých těles je řešení Fourierovy parciální diferenciální rovnice vedení tepla. K jednoznačnému řešení Fourierovy rovnice je třeba znát podmínky jednoznačnosti. Analyticky řešíme Fourierovu rovnici obvykle pouze pro jednorozměrné případy v tělesech základních geometrických tvarů (deska, válec, koule) při jednoduchých počátečních a povrchových podmínkách. Konstantní teplota povrchu V nekonečně velké desce o tloušťce 2b, probíhá vyrovnávání teplot po průřezu při konstantní teplotě povrchu tp. Počáteční rozdělení teplot po průřezu je popsáno rovnicí paraboly.

Počáteční podmínka: Povrchová podmínka: kde: t0 – teplota v čase τ = 0 (°C) t0c – teplota centra /středu/ desky v čase τ = 0 (°C) η – bezrozměrná souřadnice (1)

V praxi se s touto povrchovou podmínkou můţeme setkat ve vyrovnávací zóně ohřívacích pecí. Teplota pece: (°C) Teplota povrchu je lineární funkcí času

Zkoumáme nekonečnou desku o tloušťce 2b, která má na počátku po průřezu konstantní teplotu t0 a teplota povrchu během ohřevu se mění lineárně s časem

Počáteční podmínka: Povrchová podmínka: kde: Z – přírůstek teploty povrchu za časovou jednotku (K.s-1)

Při ohřevu tlustých těles je vţdy důleţitá znalost rozdílu teplot po průřezu, tj. teplotního spádu mezi povrchem a centrem tělesa. Maximální teplotní rozdíl mezi povrchem a středem tělesa je přímo úměrný rychlosti ohřevu, kvadrátu tloušťky a nepřímo úměrný součiniteli teplotní vodivosti. Častěji neţ s konstantní teplotou po průřezu na počátku ohřevu se setkáváme s nerovnoměrným rozdělením teploty. Fyzikální podstata procesů nestacionárního vedení tepla je taková, ţe v případě konstantní povrchové podmínky (např. teplota povrchu, rychlost ohřevu, tepelný tok), se v určitém okamţiku od počátku ohřevu projeví v rozdělení teplot po průřezu tělesa jistá pravidelnost. Totéţ platí i pro změnu teploty libovolného tělesa v závislosti na čase. Přitom teplotní pole uţ nezávisí na počáteční podmínce a hovoříme o tzv. regulární fázi ohřevu. Počáteční fáze ohřevu se nazývá neregulární. Teplota pece v kriteriálním tvaru pro desku (1) a pro válec (1) Při převládajícím sálavém přenosu tepla se teplota pece vypočítá z rovnice (°C) do které se dosadí hodnota tepelného toku např. z rovnice, (W.m-2) Závěry: a) Teplota pece se s rostoucí teplotou povrchu zvyšuje.

b) Teplota pece i tepelný tok roste se zvyšující se rychlostí ohřevu Z, součinitelem tepelné vodivosti λ a rozdílem teplot Δtm . c) Teplota pece a tepelný tok je při stejné rychlosti ohřevu vyšší u těles s větší tloušťkou. d) Při ohřevu desky a válce je, za jinak stejných podmínek, u válce teplota pece i tepelný tok menší. Konstantní tepelný tok na povrchu Tato povrchová podmínka má praktický význam pro výpočet ohřevu v různých typech pecí. Způsob řešení – nekonečná deska o tloušťce 2.b, ohřívaná symetricky tepelným tokem q, s počáteční teplotou t0.

Počáteční podmínka: Povrchová podmínka:

Teplotu pece vypočítáme z rovnice (W.m-2.K-1)

do které dosadíme teplotu povrchu, stanovenou z rovnice,

Teplota pece v kriteriálním tvaru pro desku

a pro válec

Konstantní teplota pece Tento případ je nejsloţitější, neboť teplota tělesa je závislá i na velikosti Biotova kritéria. Mějme nekonečnou desku o tloušťce 2.b s počáteční teplotou t0, ohřívanou symetricky v peci s konstantní teplotou tpec

Počáteční podmínka: Povrchová podmínka:

Rozdíl mezi teplotou povrchu a centra desky určíme ze vzorce (K)

Reţim ohřevu kovů Reţim ohřevu závisí na konstrukci pece, na druhu, tvaru a rozměrech ocelových ingotů nebo předvalků a na technologických poţadavcích provozu. Při volbě reţimu zjistíme konečnou teplotu ohřevu kovu a přípustnou nerovnoměrnost ohřevu, poté vypočítáme teploty povrchu a středu tělesa, teplotní spád po průřezu, teplotu pece, tepelné toky, tepelný výkon a spotřebu paliva. Reţim ohřevu pece se určuje v závislosti na druhu oceli, rozměrech a tvaru zahřívaného tělesa, teplotě vsázky a konstrukci pece. Rozlišujeme: 

jednofázový ohřev – pro ohřev tenkých těles (plechy, tenkostěnné trubky), leţí-li volně. Není nutné dbát na tepelná pnutí a na vyrovnávání teplot po průřezu.



dvoufázový ohřev – nejčastěji se skládá z předehřívací a ohřívací fáze. Pouţívá se pro uhlíkové a legované ocelové předvalky, větší mnoţství drobných těles nebo svazky plechů a trubek. Obvykle není nebezpečné tepelné pnutí.



třífázový ohřev – předehřívací, ohřívací a vyrovnávací pásmo. Pouţívá se pro ohřev uhlíkových a legovaných ocelí různých rozměrů, vsazovaných do pece za studena.



mnohofázový ohřev – při tepelném zpracování, kdy je nutné měnit rychlost ohřevu nebo vkládat vyrovnávací fáze během ohřevu. Empirické vztahy pro určení doby ohřevu:

Pro uhlíkové oceli: (h)

pro vysokolegované oceli: (h) kde: d – tloušťka nebo průměr ohřívaného materiálu (m), χ – součinitel zachycující vliv rozloţení materiálu v peci, určuje se z tabulky Součinitel χ zobrazující vliv rozloţení materiálu v peci v následující tabulce

Otázky ke kapitole 4 36. Jaké znáte reţimy ohřevu kovů? 37. Na čem závisí volba reţimu ohřevu kovů? 38. Co je to neregulární fáze ohřevu? 39. Vysvětlete pojem regulární fáze ohřevu. 40. Popište jednotlivé případy ohřevu tenkých těles. 41. Popište jednotlivé případy ohřevu tlustých těles. 42. Uveďte vzorec pro výpočet doby ohřevu pro uhlíkovou ocel.

5.

TECHNOLOGICKÉ ZÁSADY OHŘEVU MATERIÁLU

Ohřev je často se vyskytující a velmi důleţitý pochod, který předchází mechanickému zpracování kovu za tepla nebo tvoří součást tepelného zpracování. Na kvalitě ohřevu závisí kvalita konečného výrobku i hospodárnost provozu. Nejdůleţitější činitelé v technologii ohřevu kovů patří: dovolená rychlost ohřevu, konečná teplota kovu, způsob uloţení materiálu v peci a teplotní a tepelný reţim ohřevu materiálu.

Čas ke studiu: 6 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

 vysvětlit pojem konečná teplota ohřevu.  charakterizovat tepelná pnutí při ohřevu nebo ochlazování,  vyjmenovat zásady uloţení materiálu v peci,  vysvětlit pojmy okuje a opal.  rozdělit řízené atmosféry a stručně je charakterizovat.  vysvětlit princip rychloohřevu.

Výklad Konečná teplota ohřevu kovů U oceli, která bude mechanicky zpracovávaná za tepla, závisí volba ohřívací teploty na více činitelích, především na vlastnostech oceli a druhu zpracování. Obvykle se tyto teploty u oceli pohybují v rozmezí 1050 – 1300 °C. Zvýšená teplota ohřívané oceli má příznivé důsledky při jejím zpracování, protoţe deformační odpor klesá a sniţuje se i spotřeba energie na její zpracování. Dále je moţné sníţit úběry, sníţit nebezpečí lomu a zvýšit ţivotnost válců a ostatních částí válcovací stolice. Zvýšení teploty je však limitováno růstem zrna, zintenzivněním oxidace apod. Tyto činitelé udávají horní mez ohřevu. Maximální teplota ohřevu kovu se má pohybovat asi 100 – 150 °C pod křivkou solidu. Spodní mez ohřevu se určuje pro daný kov z přípustné teploty na konci zpracování. Tepelná pnutí při ohřevu (ochlazování) ocelí Během ohřevu nebo ochlazování se v materiálu vytvářejí nerovnoměrná teplotní pole, ve kterých vznikají tepelná pnutí. Při ohřevu studené vsázky mají vnější vrstvy kovu vyšší

teplotu neţ vnitřní a proto mají snahu se více roztáhnout. Vnitřní vrstvy mají niţší teplotu, neţ je průměrná teplota kovu. Tepelná pnutí vznikají v kovu tehdy, jsou-li v něm teplotní rozdíly a kov je zároveň v elastické oblasti (pruţném stavu). Pokud tepelná pnutí nepřevyšují mez pruţnosti, tak po vrovnání teplotního rozdílu tepelná pnutí zmizí. To je případ pruţného (elastického) pnutí. Pokud v některém místě nastane plastická deformace (překročení meze pruţnosti), tak v místech, která nebyla plasticky deformována, nastane nové rozdělení tepelných pnutí. Po vyrovnání teplotních rozdílů zůstane v kovu zbytkové pnutí. Velikost, rozdělení, vznik i odstranění tepelných pnutí závisí na podmínkách ohřevu a ochlazování, na fyzikálních a mechanických vlastnostech materiálu a také na jeho rozměru a tvaru. Tepelná pnutí se vyskytují v první fázi ohřevu, a to v rozmezí teplot 0 – 500 °C. Nad touto teplotou je ocel plastická, pnutí se sniţují a rozptylují Dovolená rychlost ohřevu U tenkých těles je rychlost ohřevu limitována podmínkami vnějšího přestupu tepla, u tlustých těles se navíc uplatňuje i vedení tepla uvnitř ohřívaného tělesa. Uloţení materiálu v pecním prostoru Uloţení materiálu v peci je různé podle druhu a konstrukce pece, tvaru a rozměru tělesa, pohybu materiálu v peci, způsobu sázení apod. ve všech případech platí hlavní zásada, ţe uloţení materiálu v peci by mělo být takové, aby:  poměr ohřívaného povrchu k váze tělesa byl co největší,  ohřev byl symetrický. Vliv doby a teploty ohřevu na vznik okují a opalu Oxidace oceli během ohřevu způsobuje ztráty kovu jeho propalem ale i zmetky při zaválcování nebo zakování okují. Okuje rozrušují ţárovzdorné materiály a způsobují růst půdní nístěje. Rezivění je oxidace oceli při pokojové teplotě. Pokud se teplota zvýší na 200 aţ 300 °C a výše, dojde k pokrytí povrchu oceli náběhovými barvami. Čím vyšší je teplota, tím rychleji oxidace probíhá a nejintenzivnější je při teplotách nad 1000 °C. Jde o reakci mezi oxidačními plyny (O2, CO2, H2O) a ţelezem s jeho příměsemi, při níţ se tvoří okuje. Okuje jsou tedy směs oxidů ţeleza v různém stupni oxidace ţeleza a jeho příměsí. Při oxidaci vznikají 3 oxidy ţeleza:  wüstit – oxid ţeleznatý FeO,  magnetit – oxid ţeleznato – ţelezitý Fe3O4,  hematit – oxid ţelezitý Fe2O3. Oxidace kovu je dvousměrná difúze. Jde o difúzi kyslíku a jádra plynného proudu k povrchu ohřívaného materiálu, následnou absorpci na tomto povrchu, difúzi reakčních

sloţek přes vrstvu okují a krystalochemické přeměny spojené se změnou sloţení. Zároveň probíhá i difúze v opačném směru, a to difúze atomů kovu vrstvou okují na povrchu kovu. Jako celek se okuje svým sloţením blíţí Fe3O4 a tedy průměrný obsah Fe v okujích je 73 – 76 %. Na proces oxidace ţeleza má značný vliv i přilnavost okují k povrchu kovu. Okuje se tvoří při ohřevu v peci (pecní okuje) a také během válcování a ochlazování (traťové okuje). Propal se uvádí v hmotnostních procentech (hmotnostní propal), coţ je hmotnost okují k hmotnosti předvalku nebo ingotu nebo v hmotnostním mnoţství okují, které se tvoří na ploše 1 m2 ingotu, to je propal povrchový. Propal kovu závisí mimo jiné na činitelích, které mají vliv na difúzi (doba a teplota ohřevu, sloţení pecní atmosféry, chemické sloţení oceli). 



Vliv teploty a doby ohřevu – okuje se začínají tvořit při teplotách nad 600 aţ 650 °C, přičemţ do teplot 900 °C je proces pomalý. Nad touto teplotou se projevuje rychlejší nárůst vrstvy okují. Při teplotách 1275 aţ 1300 °C dochází ke skokovému nárůstu oxidace v souvislosti s tavením okují, které způsobuje neustálé obnaţování nezoxidovaného kovu. Vliv pecní atmosféry – pecní atmosféra je dána chemickým sloţením a druhem paliva, součinitelem přebytku vzduchu a konstrukcí hořáku. Plyny v pecní atmosféře se mohou působit na materiál v závislosti na teplotě a vzájemném poměru buď oxidačně, redukčně nebo neutrálně. Dále mohou mít nauhličující nebo oduhličující účinek. Tabulka uvedená níţe zobrazuje, které pecní plyny působí na ţelezo, sloučeniny ţeleza s uhlíkem a oxidy ţeleza oxidačně, redukčně a neutrálně a které jsou nauhličující a oduhličující.

Účinek plynů na ţelezo, jeho sloučeninu s uhlíkem a oxidy ţeleza zobrazuje tato tabulka O2 CO2 CO H2 CH4 H2O N2 Čisté ţelezo

O

O

A

N

A

O

N

Nauhličené ţelezo (Fe3C)

O, E

O, E

N

E

N

O, E

N

Oxid ţeleza (FeO, Fe3O4)

N

N

R

R

R

N

N

O – oxidační, R – redukční, N – neutrální, A – nauhličující, E - oduhličující 

Vliv chemického sloţení kovu a dalších činitelů – u nízkouhlíkových ocelí vznikají pórovité vrstvy okují, které jen slabě lnou k povrchu oceli a tím umoţňují další pronikání kyslíku k nezoxidované oceli. U ocelí s vyšším obsahem uhlíku dochází k niţšímu opalu a to z důvodu, ţe při oxidaci uhlíku za vzniku CO, dochází k částečné ochraně povrchu kovu před dalším okysličením. U legované oceli s obsahem Cr, Al, Si, Ni tvoří legovací prvek na povrchu dobře lnoucí ochranný oxid, který brání difúzi oxidačních plynů a tím i další oxidaci materiálu.

Řízené atmosféry

Řízené atmosféry pouţívané při tepelném zpracování dělíme podle účinku na povrchu materiálu na:  ochranné – zabraňují průběhu neţádoucích reakcí (oxidace, oduhličení, nauhličení),  aktivní – vyvolávají ţádanou chemickou reakci v materiálu (nauhličení, oduhličení, nitridace). Vznikají mimo pracovní prostor pece (obvykle ve vyvíječích) a podle výrobní technologie je můţeme zařadit do několika skupin. Exotermické atmosféry Získávají se spalováním zemního plynu, propanu, butanu, benzinu, topného oleje a koksárenského plynu. Při malém mnoţství vzduchu vzniká atmosféra bohatá, při velkém mnoţství vzduchu pak atmosféra chudá. Chudá atmosféra má malý obsah spalitelných látek (H2, CO) a vysoký podíl CO2,N2, u bohaté atmosféry je tomu naopak. Primární atmosféra z vyvíječe se dále upravuje ve vysoušečích, čistících a oduhličovacích zařízeních. Vodní pára se odstraňuje různými způsoby, např. sušením pod tlakem, v mrazícím zařízení, pomocí absorbentů atd. Exo-atmosféry nejsou vhodné pro ţíhání ocelí s obsahem uhlíku nad 0,4 %, protoţe je oduhličují. Z tohoto důvodu jsou upravovány na mono-atmosféry, které obsahují převáţně N2, H2 a CO. Exo-atmosféry dělíme podle rosného bodu na:  EXO I  EXO II  EXO III

s rosným bodem 20 aţ 25 °C, s rosným bodem -8 aţ 0 °C, s rosným bodem -50 aţ -18 °C.

Endotermickou reakcí paliva se vzduchem a za přítomnosti katalyzátoru se vyrábějí endotermické atmosféry. Vyrábějí se z propanu, butanu a zemního plynu. Jsou výbušné, jedovaté a mají sklon k vylučování sazí. Atmosféra vzniklá štěpením čpavku obsahuje 75 % H2 a 25 % N2. Vyrábí se štěpením bezvodého čpavku v disociačním zařízení na niklovém katalyzátoru, při teplotě 850 – 950 °C. Tato atmosféra je velmi výbušná, její výbušnost se sniţuje spálením vodíku na obsah 20 – 1 %. Objem plynu se zvýší a získaná atmosféra je levnější. Dusíková atmosféra se získává v hutních kyslíkárnách jako odpadní produkt při frakční destilaci vzduchu. Takto získaná atmosféra je levnější neţ plyn získaný ze čpavku nebo neţ mono-plyn z exotermického spalování. Vodíková atmosféra je velmi účinná, ale drahá. Směs vodíku se vzduchem je vznětlivá a výbušná. Je několik moţností jak ji vyrobit, např. difuzním čištěním štěpeného čpavku nebo technického vodíku paládiovými membránami nebo elektrolyticky a následným čištěním od kyslíku a vodní páry. Rychloohřev

Princip rychloohřevu spočívá v tom, ţe vsázka je ohřívána v těch fázích, kdy je to přípustné a to maximální dovolenou rychlostí ohřevu. K zintenzivnění rychlosti ohřevu je moţné vyuţít sálavý přenos tepla, kdy se zvýší teplotní spád mezi spalinami, resp. i pecním zdivem a povrchem ohřívaného materiálu nebo lze vyuţít konvekční sdílení tepla a to zvýšením rychlosti proudění spalin kolem vsázky nebo lze pouţít oba popsané způsoby. Důsledkem těchto způsobů je delší doba ohřevu legovaných ocelí nebo ocelí s vyšším obsahem uhlíku při jinak stejných podmínkách ve srovnání s běţnými ocelemi. Vliv na jakost ohřevu legovaných a výšeuhlíkových ocelí má teplota a rovnoměrnost ohřevu. Reţim rychloohřevu lze u libovolně tvarovaných předvalků z různých druhů oceli rozdělit na: 

dvoufázový reţim – vhodný pro tenká tělesa z libovolných ocelí, pro tlustá tělesa z měkkých ocelí. První fáze probíhá při tpec = konst., přičemţ tpec je maximálně přípustná teplota pece (daná moţnostmi pecního zařízení). Druhá fáze je při tp = konst., kdy je teplota povrchu ohřívaného předvalku konstantní.



třífázový a čtyřfázový reţim – vhodné pouţití pro tlustá tělesa ze středně a výšeuhlíkových ocelí a legovaných ocelí. Třífázový reţim se od dvoufázového odlišuje přidáním předřazené ohřívací fáze s omezenou rychlostí ohřevu. Tato fáze probíhá při konstantním tepelném toku. Čtyřfázový reţim je volen tam, kde to dovolí podmínky pecního zařízení a při tomto reţimu se přidává předehřívací fáze s podmínkou tpec = konst., kde je nastavena maximální teplota pece.

Otázky ke kapitole 5 43. Z čeho jsou vyráběny endotermické atmosféry? 44. Vysvětlete princip rychloohřevu. 45. Kdy vzniká tepelné pnutí? 46. Jak rozdělujeme řízené atmosféry, popište jejich funkci. 47. Co je to rezivění? 48. Uveďte hlavní zásadu pro uloţení materiálu v peci. 49. Popište dvoufázový reţim rychloohřevu. 50. Jak se vyrábí dusíková atmosféra? 51. Na jakých činitelích závisí propal kovu? 52. Co jsou to okuje? 53. Které y ţelez vznikají při oxidaci kovu?

6.

TOPNÉ SYSTÉMY V PECÍCH

V této kapitole jsou stručně charakterizovány topné systémy v pecích. Jednotlivé pece jsou podrobněji popsány v kapitole 10 – 1.část, 11 - 2.část..

Čas ke studiu: 10 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

 charakterizovat jednotlivé topné systémy v pecích,  vysvětlit přímý a nepřímý odporový ohřev,  rozdělit elektrické výboje, které rozeznáváme u obloukového tepla,  popsat praktické vyuţití u jednotlivých topných systémů.

Výklad Odporové teplo Elektrická vodivost kovů je dána počtem volných elektronů, jejich pohyblivostí a střední volnou drahou, coţ je dráha, kterou průměrně urazí elektron mezi sráţkami. Elektrická vodivost vzniká jako důsledek pohybu volných elektronů v krystalové mříţi kladných iontů. Při pohybu elektronů v kovu elektrony neustále naráţejí na kovovou mříţ iontů a tím se jejich pohyb brzdí, tak vzniká elektrický odpor. Elektrický odpor je závislý na teplotě, obsahu nečistot, deformaci, nedokonalostech mříţky apod. Malý měrný elektrický odpor mají čisté kovy, protoţe mají pravidelnou krystalovou mříţku. Vlivem příměsí a legujících prvků, případně nečistot však měrný tepelný odpor vzrůstá. Je to důsledek porušení pravidelnosti mříţky. Odporové materiály Odporové materiály jsou charakterizovány technickými a ekonomickými poţadavky:      

velký měrný tepelný odpor, malý teplotní součinitel odporu, malý součinitel teplotní roztaţnosti, dostatečná mechanická pevnost při provozních teplotách, ekonomická dostupnost, odolnost proti chemickým vlivům.

Na obr. 6.1 je znázorněna závislost měrného tepelného odporu na teplotě pro slitiny a některé čisté kovy. Odporové materiály se rozdělují do několika skupin: Podle druhu pouţití:  odporové materiály pro měřicí přístroje – do 20 °C,  odporové materiály pro odporníky – do 200 °C,  odporové materiály pro elektrotepelná zařízení – do 1376 °C. Podle druhu pouţitého materiálu či slitiny:    

odporové slitiny (Cr-Fe-Ni, Fe-Cr-Al), vysokotavitelné čisté kovy (W, Mo, Ta, Pt), články kovo keramické na bázi práškové metalurgie (MoSi2 + SiO2), nekovové materiály (C, SiC).

Podle měrného odporu:  skupina s malým měrným odporem s provozní teplotou do 500 °C (Cu slitiny + FeCr),  skupina s velkým měrným odporem s provozní teplotou do 1200 °C (Cr-Fe-Ni),  skupina se zvlášť velkým měrným odporem s provozní teplotou 1000 – 1375 °C (Fe-C-Al).

Obr.6.1 Průběh měrného elektrického odporu v závislosti na teplotě pro odporové slitiny a některé čisté kovy Přímý odporový ohřev V praxi se vyuţívá pro tyto technické aplikace: ohřev drátů, plechů, nýtů, tyčového materiálu a v pecích s přímým odporovým ohřevem na výrobu grafitu a karbidu křemíku, který můţe být stacionární nebo nestacionární. Ohřívaný materiál je z běţné konstrukční oceli, austenitické oceli nebo čistého ţeleza.

Přímý odporový ohřev má vysokou účinnost, která dosahuje aţ 70 – 85 %. Přímý odporový ohřev lze vyuţít i pro ohřev kapalin – elektrolytů, do této skupiny řadíme přípravu teplé uţitkové vody (elektrodové kotle – obr. 6.2), tavení skla, solné lázně a elektrostruskové přetavování ocelí.

Obr. 6.2 Elektrodový kotel nn Nepřímý odporový ohřev Hlediska pro členění odporových pecí Podle pohybu ohřívaného materiálu:  odporová zařízení s ohřívaným materiálem v klidu (stacionární ohřevy) – komorové, šachtové pece,  odporová zařízení s ohřívaným materiálem v pohybu (nestacionární ohřevy) – kruhové, bubnové pece apod. Podle účelu dělíme odporová zařízení na:  s nízkými teplotami (do 600 °C) – pouţívají se pro sušení vinutí elektrických strojů a přístrojů před vlastní impregnací, různých nátěrů, materiálů včetně potravin,  se středními teplotami (do 1050 °C) – pouţívají se k tepelnému zpracování kovů (ţíhání, kalení, popouštění),  s vysokými teplotami ( do 1350 °C) – pro kalení speciálních ocelí, tavení kovů s niţším bodem tání, ve sklářství apod. Podle druhu atmosféry v peci:  s normální atmosférou,  s umělou atmosférou (nitridace, omezení oxidace apod.),  bez atmosféry – vakuové pece. Podle uloţení materiálu:  na pevných podloţkách (kolejnice, etáţe, stojny, rošty),

 v koších (kontejnery, rámy, mufle).

Obloukové teplo Elektrický oblouk patří svým charakterem do oblasti elektickckých výbojů v plynech. Podmínkou pro průtok proudu plynem je ionizace plynu, která můţe být provedena:    

elektrickým polem, radioaktivním zářením, vysokou teplotou nebo termoelektronickou emisí, elektromagnetickým zářením.

Rozeznáváme tři druhy elektrických výbojů, podle intenzity procházejícího proudu:  doutnavý výboj – vzniká mezi elektrodami v plynném prostředí při nízkých tlacích.  jiskrový výboj – vzniká přenášením většího počtu elektrických nábojů silně ionizovaných plynným prostředím.  obloukový výboj – vzniká termoelektrickou emisí elektrod a tepelnou ionizací plynného prostředí mezi elektrodami. Elektrický oblouk obsahuje jádro o teplotě 4 000 – 6 000 K a obal, který je tvořený značně ionizovanými plyny. Vzhled oblouku závisí na materiálu elektrod, na druhu a tlaku plynu a vnějších vlivech např. na magnetickém poli, proudění plynu apod.

Indukční teplo Pokud se souose umístí kovový předmět a připojí-li se na zdroj střídavého proudu, pak vznikající elektromagnetické vlnění vstupuje do kovového předmětu, kde se indukují proudy. Elektromagnetické vlnění se utlumuje a energie se mění na energii tepelnou. Pokud bude cívka napájena proudem s jiným kmitočtem, neţ je síťový, bude členění indukčních ohřevů následující:  s nízkým kmitočtem 50 – 150 Hz,  se středním kmitočtem 500 - 105 Hz,  s vysokým kmitočtem 105 – 106 Hz. Indukční ohřevy s nízkým kmitočtem jsou určeny pro tváření kovů za tepla a ostatní tepelná zpracování, popouštění svárů a ostatní speciální indukční ohřevy (indukční kotle, pájení apod.). Druhá skupina je tvořena indukčními ohřevy určenými k tavení materiálů. Jsou realizovány v pecích napájených proudem o nízkém nebo středním kmitočtu. Tyto pece dělíme na indukční pece bez ţelezného jádra a se ţelezným jádrem.

Dielektrické a mikrovlnné teplo V dielektrických zařízeních se prohřívají materiály elektricky nevodivé. Dielektrický ohřev patří mezi moderní metody ohřevu materiálů, hlavně izolantů. Prohřátí materiálu závisí na jeho dielektrických vlastnostech, nezávisí na hloubce materiálu ani na tepelné vodivosti.

Uvnitř dielektrika dochází k polarizaci podle druhu nosičů nábojů. Výsledná polarizace je součtem dílčích nebo částečných polarizací a ta potom určuje výslednou hodnotu dielektrické konstanty. V jednotlivých případech se jedná o polarizaci -

posunutím nábojů nebo deformací:

 elektronová polarizace – posun elektronového obalu oproti jádru působením většího elektrického pole (krystaly křemene, kamenná sůl, slída apod.),  atomová polarizace – posun jednotlivých atomů nebo radikálů, tvořících molekulu, vlivem působením elektrického pole. -

orientací – otáčením přirozených permanentních dipólů.

-

na rozhraní – posunutí nábojů na rozhraní nehomogenního dielektrika působením vnějšího elektrického pole. Vyskytuje se u materiálů obsahujících vodu.

Praktické aplikace dielektrického ohřevu:  sušení dřeva,  svařování termoplastických materiálů,  předehřívání, vytvrzování materiálu a gumy.

Mikrovlnný ohřev Mikrovlnné spektrum je v rozmezí 0,3 – 300 GHz. V tomto rozmezí jsou i rozhlasová pásma, proto je nutné zajistit odstup, aby technickou aplikací mikrovlnného tepla nedošlo k rušení rozhlasu a televize. Mikrovlnné teplo umoţňuje řešení takových ohřevů, které ani dielektrickým ohřevem nebylo moţné realizovat. Pouţívané tepelné procesy kladou stále větší nároky na přesné dávkování energie. Největší předností mikrovlnného ohřevu je moţnost provádět jednotlivé tepelné procesy s přesně definovaným mnoţstvím tepla. Pouţití mikrovlnného ohřevu:  potravinářský průmysl,  dřevařský a papírenský průmysl,  elektrotechnický průmysl,  zemědělství, lékařství.

Plazmový ohřev Plazma je povaţována za čtvrtý stav látky v posloupnosti pevná fáze, kapalina, plyn a plazma. Na rozdíl od plynu má jiné, specifické vlastnosti. Je elektricky vodivá, má velkou tepelnou kapacitu i vodivost. Podléhá účinkům elektrického a magnetického pole. Plazma

jako celek se chová jako neutrální prostředí, protoţe celkový počet kladných a záporných částic je stejný. Existují dva druhy plazmy. Plazma částečně ionizovaná a plazma úplně ionizovaná. Při vyšším tlaku a je-li plazma v rovnováze, je typická teplota částečně ionizované plazmy 5000 – 15 000 K. Teplota úplně ionizované plazmy dosahuje aţ 100 000 K. Plazma se během transportu pohybuje velmi rychle. Nejpomalejšího pohybu dosahuje při výtoku z dýzy. Plazma expanduje a přeměňuje svoji potenciální energii v energii kinetickou. Tento případ se vyuţívá u plazmových hořáků. Plazmové generátory dělíme na:  Plazmové generátory s elektrodami: -

plazma je získávána pomocí elektrického oblouku závislého nebo nezávislého,

-

plazma je získávána pomocí vysokofrekvenčního elektrického pole.

 Plazmové generátory bez elektrod: -

plazma je získávána pomocí vysokofrekvenčního elektromagnetického pole.

Na obr. 6.3 je znázorněn nejběţněji pouţívaný plazmový generátor s elektrodami se stabilizovaným obloukem.

Obr. 6.3 Schéma plazmového generátoru (1 –katoda, 2 – anoda, 3 – izolační válec, 4 – chladící vrstva vody, 5 – tangenciální přívod chladící kapaliny, 6 – odvod chladicí kapaliny, 7 – plazma) Plazmové hořáky jsou vyuţívány při:  nanášení materiálů,  svařování,  řezání,  tavení materiálů, chemických reakcích.

Elektronový ohřev Princip vzniku tepla: rozţhavený povrch katody emituje elektrony, které jsou urychlovány elektrickým polem. Elektrony vytváří paprsky se značnou energií, která je odevzdána při dopadu na anodu nebo jiný materiál. Proces probíhá ve značném vakuu.

Otázky ke kapitole 6 54. Jak vzniká elektrická vodivost kovů? 55. Na čem závisí elektrický odpor? 56. Jakými technickými poţadavky jsou charakterizovány odporové materiály? 57. Rozdělte odporové materiály podle druhu pouţití a podle druhu pouţitého materiálu či slitiny. 58. Jaká je podmínky pro průtok proudu plynem a kdy je jí dosaţeno? 59. Vyjmenujte tři elektrické výboje a popište, kdy vznikají. 60. Kde lze vyuţít mikrovlnný ohřev? 61. Při jakých činnostech vyuţijeme plazmový hořák? 62. Charakterizujte plazmu. 63. Jaké materiály se pouţívají v dielektrických zařízeních?

7.

ŢÁROVZDORNÉ MATERIÁLY PRO PECNÍ SYSTÉMY

Ţárovzdorná vyzdívka plní dva úkoly. Prvním z nich je vymezení prostoru pro průběh technologických pochodů a oddělení jej od okolního prostředí a druhým je sníţení tepelných ztrát pece. Technologické pochody v pecích probíhají při vysokých teplotách. Vyzdívka pece se zpravidla provádí jako vícevrstvá z různých materiálů. Na ţárovzdorný materiál pracovní vrstvy vyzdívky působí různé technologické vlivy např. působení okují, strusek, mechanické a chemické působení zpracovávaného materiálu, plyny, spaliny, střídání redukčního a oxidačního prostředí, změny teplot apod.

Čas ke studiu: 10 hodin Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět  definovat základní vlastnosti ţárovzdorných materiálů,  rozdělit jednotlivé materiály, popsat jejich vlastnosti a pouţití,  vyjmenovat výhody a nevýhody základních ţárovzdorných materiálů.

Výklad Základní vlastnosti ţárovzdorných materiálů Znalost základních vlastností ţárovzdorných materiálů se vyuţívá při jejich výrobě, hodnocení jakosti, navrhování vyzdívek apod. Dále umoţňuje orientovat se v rozsáhlé skupině materiálů pouţívaných pro vyzdívky pecí a tepelných zařízení a umoţňuje správné určení jejich pouţití, jak z hlediska technického, energetického tak i ekonomického. Základní vlastnosti jsou definovány v normách, které určují zkušební postupy. Chemické sloţení. Určuje hmotnostní podíl jednotlivých sloţek, ze kterých se materiál skládá. Hustota. Poměr hmotnosti a objemu vysušeného vzorku materiálu. U pórovitých a zrnitých látek se počítá pouze objem skutečně materiálem vyplněný (do objemu se nezapočítávají póry a dutiny). Objemová hmotnost. Poměr hmotnosti vysušeného vzorku materiálu k jeho objemu včetně objemu uzavřených i otevřených pórů. Skutečná pórovitost. Poměr objemu otevřených i uzavřených pórů a dutin zkušebního vzorku k jeho objemu včetně pórů a dutin. Zdánlivá pórovitost. Poměr objemu otevřených pórů a dutin zkušebního vzorku k jeho objemu včetně pórů a dutin. Nasákavost. Poměr hmotnosti vody, kterou zkušební vzorek pohltí k hmotnosti zkušebního vzorku.

Zdánlivá hustota. Poměr hmotnosti vysušeného vzorku a jeho objemu včetně uzavřených pórů. Teplotní délková roztaţnost. Udává závislost délkových změn materiálu na teplotě. Má vliv na velikost napětí vznikajících ve vyzdívkách při jejich ohřevu nebo ochlazování. Délkové změny jsou vratné, při ochlazení nabývá těleso své původní rozměry. Je nutné je odlišit od nevratných změn, které jsou způsobeny krystalografickými přeměnami a chemickými vlivy. U nevratných změn dochází k trvalým délkovým změnám. Trvalé změny v ţáru. Přestavují nevratné rozměrové změny tvarových ţárovzdorných výrobků způsobené působením vysokých teplot. Udávají se v procentech lineárního smrštění (záporná hodnota) nebo nárůstu (kladná hodnota). Tyto změny v ţáru je nutné brát v úvahu při konstrukci vyzdívky, jsou charakteristické pro jednotlivé druhy ţárovzdorných materiálů. Pevnost v tlaku. Důleţitá vlastnost pro projektování vyzdívek pecí. Podle pevnosti v tlaku se hodnotí i odolnost proti působení bodového zatíţení, nárazům, otěru apod. U tvarových ţárovzdorných materiálů je pevnost v tlaku 10 – 50 MPa, u materiálů z karbidu křemíku aţ 75 MPa a u speciálních materiálů dosahuje aţ 400 MPa. S teplotou se hodnota pevnosti v tlaku mění. Na obr. 7.2 je závislost pevnosti v tlaku na teplotě. Pevnost v tahu. Poměr největší dosaţené síly, kterou vydrţí zkušební těleso při zkoušce tahem a počátečního průřezu. Znalost této veličiny je důleţitá pro navrhování vyzdívek namáhaných tahem nebo ohybem (zavěšené klenby, vyzdívky s jednostranným nebo nesymetrickým tepelným ohřevem apod.). Závislost pevnosti v tahu na teplotě je na obr. 7.1.

Obr. 7.1 Závislost pevnosti v tahu na teplotě

Obr. 7.2 Závislost pevnosti v tlaku na teplotě

Pevnost v ohybu. Stanovuje se statickou nebo nárazovou zkouškou. Statická pevnost v ohybu je napětí, při kterém se zlomí zkušební vzorek namáhaný ohybem. Pevnost v ohybu rázem (rázová houţevnatost) je práce potřebovaná ke zlomení zkušebního vzorku. Odolnost proti náhlým změnám teplot. Schopnost keramického materiálu odolávat náhlým změnám teploty při prudkém ochlazení ohřátého tělesa. Mírou odolnosti je rozdíl ohřátých a ochlazených vzorků, při kterém se pevnost v ohybu sníţí na 2/3 pevnosti vzorků, u kterých neproběhla teplotní změna. Ţárovzdornost. Schopnost nezatíţeného materiálu odolávat působení vysokých teplot, aniţ by se roztavil. Při vysokých teplotách se v materiálu vytvoří tavenina, s jejím zvyšujícím se mnoţstvím a sniţováním viskozity dochází k narušování soudrţnosti materiálu a jeho deformaci. Odolnost proti deformaci v ţáru při zatíţení. Schopnost materiálu odolávat vysokým teplotám. Vyjadřuje se teplotou deformace, při které dochází k definované deformaci a teplotou rozrušení, při které dochází k náhlému rozrušení zkušebního vzorku. Skutečná odolnost proti deformaci a tečení v ţáru při zatíţení. Tato vlastnost je charakterizována teplotou, při které nastává definovaná deformace zkušebního vzorku při rovnoměrně rostoucí teplotě. Měrná tepelná vodivost. Ovlivňuje odvod tepla vyzdívkou pece, pole teplot a napětí ve vyzdívce i další vlastnosti ţárovzdorných materiálů. Je ovlivněna chemickým a mineralogickým sloţením materiálu, pórovitostí apod. Při provozu se hodnota měrné tepelné vodivosti mění vlivem technologických pochodů nebo vlivem krystalografických přeměn (okuje, nasákavost, difuze, plyny, úlet apod.). Hodnoty měrné tepelné vodivosti v závislosti na teplotě jsou uvedeny na obr. 7.3.

Obr. 7.3 Závislost měrné tepelné vodivosti ţárovzdorných materiálů a vzduchu na teplotě

Měrná tepelná kapacita. Je mnoţství tepla potřebného k ohřátí 1 kilogramu látky o 1 teplotní stupeň (1 K nebo 1 °C). Hodnota měrné tepelné kapacity je závislá na teplotě. Pro větší teplotní intervaly se zavádí střední měrná tepelná kapacita .

Obr. 7.4 Závislost střední měrné tepelné kapacity na teplotě

Rozdělení ţárovzdorných materiálů Rozdělení lze provést dle různých hledisek:  podle chemicko-mineralogického sloţení,  podle pórovitosti,  podle formy, ve které se pouţívají: tvarové, zrněné,  podle způsobu vytváření se tvarové výrobky dělí na výrobky: - lisované nebo formované, - z polosuchých nebo suchých hmot, - lité ze suspenzí,  podle tepelného zpracování: pálené, nepálené atd.

Tvarové ţárovzdorné materiály Nejvhodnější rozdělení těchto materiálů je z hlediska chemicko-mineralogického. Z tohoto hlediska se materiály dělí na 10 druhů, které se dále člení podle obsahu hlavních sloţek.

Křemičité materiály Křemičité materiály s obsahem SiO2 vyšším neţ 93 % se nazývají dinasy. Dinasové materiály s přísadami mají obsah SiO2 niţší, nejméně však 80 %. SiO2 se vyskytuje v několika modifikacích, které jsou znázorněny na obr. 7.5 i s teplotami jednotlivých přeměn: Hlavní modifikace:

křemen

tridymit

cristobalit

Vedlejší modifikace:

α, β

α, β, γ

α, β

křemenné sklo

Obr. 7. 5 Hlavní přeměny SiO2 Jednotlivé modifikace se liší uspořádáním atomové mříţky. Přeměny hlavních modifikací jsou obtíţné, většinou probíhají jen v přítomnosti látek urychlujících krystalografické přeměny, které nazýváme mineralizátory. Přeměny vedlejších modifikací probíhají poměrně snadno. Při změnách modifikací dochází ke změnám objemu a tím i hustoty. Vyrábí se jako hutný i lehčený. Přednosti dinasu:  nízká teplotní roztaţnost nad teplotu 600 °C,  pevnost v tlaku (vyšší neţ u šamotu),  vysoká odolnost proti deformaci v ţáru při zatíţení,  odolnost proti působení kyselých strusek. Nevýhody:  pokles pevnosti v tahu a ohybu v oblasti krystalografických přeměn,  malá odolnost proti náhlým změnám teplot (do teplot 600 °C),  vysoký součinitel teplotní roztaţnosti.

Dinasy s přísadami Z důvodů zlepšení některých vlastností se při výrobě dinasu přidávají přísady, např. CuO, Cr2O3, ZrO2, SiC.  Dinaschromit – dinas s přísadou chromové rudy. Má vyšší odolnost proti struskám a úletu s obsahem oxidů ţeleza.  Dinasozirkon – kyselý ţárovzdorný materiál. Obsahuje 50 % SiO2 a 48 % ZrO2. Má vyšší měrnou tepelnou vodivost a nízkou teplotní roztaţnost.  Dinas s karbidem křemíku – vyšší pevnost v tlaku a odolnost proti otěru. Pouţívá se v koksovacích komorách – na vyzdívky stěn a podlah. Vyuţití dinasu: koksárenské baterie, ohřívače větru, elektrické obloukové pece, indukční tavící pece, hlubinné pece. Hlinitokřemičité materiály Oxidy Al2O3 a SiO2 jsou základními ţárovzdornými sloţkami. Na jejich vzájemném poměru závisí chemická povaha ţárovzdorného materiálu ale i charakteristické vlastnosti jednotlivých skupin hlinitokřemičitých materiálů. Jsou nejčastěji pouţívanou skupinou ţárovzdorných materiálů, pouţívají se lehčené i hutné, tvarované i netvarované, pálené i nepálené. Pálené hlinitokřemičité výrobky tvoří skupinu nazývanou šamoty.  Křemičitošamotové materiály Označují se jako kyselé šamoty SK. Mají niţší ţárovzdornost, odolnost proti deformaci a niţší odolnost proti náhlým teplotním změnám neţ obyčejný šamot. Pouţívají se u koksárenských baterií pro vyzdívku kanálů a mříţoví regenerátorů.  Šamotové materiály Šamoty patří mezi nejrozšířenější materiály pro stavbu pecí. Ţárovzdornost a odolnost proti deformaci v ţáru u šamotů závisí na jejich chemickém sloţení. S rostoucím obsahem Al2O3 se zvyšují a s rostoucím obsahem SiO2, TiO2, Fe2O3 tyto vlastnosti klesají. Vyrábí se šamot obyčejný (S), šamot polotvrdý (SP) a šamot tvrdý (ST). Podle obsahu Al2O3 se jednotlivé druhy šamotu dělí na několik jakostí. Při stejném obsahu Al2O3 se šamoty S, SP a ST liší stupněm zhutnění, které ovlivňuje jejich pórovitost, objemovou hmotnost, nasákavost, měrnou tepelnou vodivost aj. Typickou vlastností šamotu je počátek měknutí při niţších teplotách. Přednosti šamotu:  odolnost proti změnám teplot v celém rozsahu pouţití, Nevýhody:  malá odolnost proti působení strusek, úletu apod.,  při vyšších teplotách (nad 1400 °C) dochází k vyššímu opotřebení vyzdívky.

Materiály s niţší objemovou hmotností, pevností v tlaku a měrnou tepelnou vodivostí nazýváme lehčené šamoty. Označují se normovaným označením nebo obchodním názvem. Vyuţití šamotů: koksárenské baterie, vysoké pece, ohřívače větru, ohřívací pece, elektrické obloukové pece.  Hlinitokřemičité materiály s vyšším obsahem Al2O3 Tyto materiály obsahují nad 45 % Al2O3. Do této skupiny materiálů patří kaolinit, sillimanit, mullit a korund. S rostoucím obsahem Al2O3 roste hustota, ţárovzdornost, měrná tepelná vodivost atd. Uplatnění nacházejí tyto materiály v různých částech vysoké pece, v ohřívačích větru, hořácích, strkacích pecích a ocelářských pánvích. Hořečnaté a hořečnatospinelové materiály Chemicky zásadité materiály odolné proti roztaveným kovům a struskám. Nejvýznamnějšími zástupci této skupiny jsou magnezit, magnezitchrom, chrommagnezit a chromit. Mají vyšší tepelnou vodivost neţ šamoty a dinasy.  Magnezit – ţárovzdornou sloţkou magnezitu je periklas MgO. Zvyšováním obsahu MgO materiály dosahují vyšší odolnost proti deformaci.  Magnezitchrom – v závislosti na mnoţství chromové rudy jsou materiály označovány jako magnezitchrom nebo chrommagnezit. Magnezitchrom je odolný proti působení vysokých teplot a chemický, účinkům pecní atmosféry, má niţší teplotní roztaţnost neţ chrommagnezit.  Chrommagnezit – vyznačuje se vysokou odolností proti náhlým změnám teplot.  Chromit – je vyráběn z chromové rudy s přísadou magnezitu. Odolný proti změnám teplot. Pouţívá se pro přechodové vrstvy mezi zásaditými a kyselými vrstvami. Hořečnatovápenaté materiály Hlavními sloţkami těchto materiálů jsou oxidy MgO a CaO. V závislosti na jejich poměru jsou materiály označovány jako vápenatodolomitové, magnezitodolomitové a dolomitomagnezitové. Jsou odolné proti náhlým změnám teplot. Hořečnatokřemičité materiály Ţárovzdornými sloţkami jsou oxidy MgO a SiO2, případně i Cr2O3. Mají vysokou odolnost proti náhlým změnám teplot, nejsou odolná proti působení zásaditých strusek. Zirkoničité materiály Základní sloţkou jsou ZrO2 a SiO2 nebo Al2O3. Zirkoničité materiály se vyuţívají na výrobu tvarovek pro vyzdívky pánví, na hořákové tvarovky a na výrobu kelímků, zátek a výlevek pro licí pánve. Vlastnosti jsou závislé na obsahu ZrO2. Ţárovzdornost se pohybuje

v rozmezí 1750 – 1820 °C. Jsou objemově stálé a odolné proti působení strusek a roztavených kovů. Uhlíkaté materiály Ţárovzdornou sloţkou je uhlík ve formě grafitu nebo tuhy. Jsou vysoce ţárovzdorné, odolné proti náhlým změnám teplot a mají malou délkovou teplotní roztaţnost. Křemičitokarbidové materiály Karbid křemíku (SiC) tvoří základ těchto materiálů. Vyznačují se vysokou měrnou teplenou vodivostí, odolností proti deformaci, pevností v tlaku, odolností proti otěru a náhlým změnám teplot. Jsou rozrušovány zásaditými struskami, roztavenou ocelí apod. Křemičitokarbidové hmoty s jílovou vazbou mají ţárovzdornost nad 1850 °C. Vyuţívají se na výrobu trubek rekuperátorů, ochranných trubic termočlánků. Speciální ţárovzdorné materiály Jsou vyráběny z oxidů, boridů, silicidů, karbidů a sulfidů o vysoké čistotě. Pouţívají se v laboratorních a technických zařízeních s vysokými pracovními teplotami (jaderné reaktory, tavení kovů, výroba trysek reaktivních motorů).

Netvarové materiály Mezi ostatní materiály patří ţárovzdorné netvarové výrobky – keramické směsi, které se pouţívají k vytváření vyzdívek a jejich částí, tvarovek, při zdění, úpravě povrchu zdiva apod. Do této skupiny materiálů zahrnujeme ţárobetony, výrobky s chemickým pojivem, výrobky s keramickým pojivem, lehčené materiály a vláknité materiály. Výrobky z anorganických vláken – mají tvar desek nebo rohoţí, jejichţ základní sloţkou jsou vlákna vyrobená rozvlákněním roztavených anorganických směsí, hornin či skel. Anorganická vlákna se v tepelné technice uplatňují i ve volném nezpevněném stavu, v podobě vaty nebo vlny. Vyrábějí se jako ţárovzdorné i neţárovzdorné. Lehčené materiály – vyuţívají se ve vyzdívkách pecí jako izolační nebo konstrukčněizolační materiály. Vyznačují se vyšší pórovitostí a niţší objemovou hmotností. Nejčastěji se na jejich výrobu pouţívá hlinitokřemičitých a křemičitých lehčených materiálů. Ţárobetony – jsou druhy betonu pro teploty pouţití nad 200 °C, u nichţ při delším působení vyšších teplot přechází hydraulická vazba na vazbu keramickou. Při vyšších teplotách dochází ke slinování ţárobetonu a monolit získává charakter vypáleného keramického výrobku (dojde ke vzrůstu pevnosti v tlaku). Skládá se z hydraulického pojiva, kameniva a přísad. Kameniva tvoří hlavní sloţku ţárobetonu a jsou to přírodní nebo umělé sypké materiály.

Shrnutí pojmů kapitoly 7 Na začátku kapitoly jsou vyjmenovány a stručně charakterizovány základní vlastnosti ţárovzdorných materiálů. Nejznámějšími vlastnostmi jsou chemické sloţení, hustota, nasákavost, zdánlivá a skutečná pórovitost, zdánlivá hustota, měrná tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita a objemová hmotnost. Mezi další důleţité vlastnosti patří teplotní délková roztaţnost, která udává závislost délkových změn materiálu na teplotě. Má vliv na velikost napětí vznikajících ve vyzdívkách při ohřevu nebo ochlazování. Délkové změny jsou vratné. Nevratné rozměrové změny ţárovzdorných tvarových výrobků, které jsou způsobeny působením vysokých teplot, nazýváme trvalé změny v ţáru. Jsou udávány v procentech lineárního smrštění a výsledná hodnota můţe být kladná nebo záporná. Pevnosti jsou neméně důleţitou vlastností. Rozlišujeme pevnost v tahu, coţ je poměr největší dosaţené síly, kterou vydrţí zkušební těleso při zkoušce tahem a počátečního průřezu. Znalost této hodnoty se pouţívá při navrhování vyzdívek namáhaných tahem. Statickou nebo nárazovou zkouškou určujeme pevnost v ohybu. Je to napětí, při kterém se zlomí zkušební vzorek namáhaný ohybem. Třetí pevností je pevnost v tlaku. Podle hodnoty pevnosti v tlaku se hodnotí i odolnost proti působení bodového zatíţení, nárazům, otěru apod. Odolnost proti náhlým změnám teplot je schopnost keramického materiálu odolávat náhlým změnám teploty při prudkém ochlazení ohřátého tělesa. Hlavní vlastností ţárovzdorných materiálů je ţárovzdornost. Je to schopnost materiálu odolávat působení vysokých teplot, aniţ by se roztavil. Další vlastností, která charakterizuje odolnost materiálu proti vysokým teplotám je odolnost proti deformaci v ţáru při zatíţení. Vyjadřuje se teplotou deformace a teplotou rozrušení. Skutečná odolnost proti deformaci a tečení v ţáru při zatíţení. Tato vlastnost charakterizuje teplota, při které nastává definovaná deformace zkušebního vzorku při rovnoměrně rostoucí teplotě.

Otázky ke kapitole 7 64. Vyjmenujete základní vlastnosti ţárovzdorných materiálů. 65. Podle jakých hledisek rozdělujeme ţárovzdorné materiály? 66. Co je to ţárovzdornost? 67. Jak se nazývají křemičité materiály s obsahem SiO2 vyšším neţ 93 %? 68. Jaké jsou výhody a nevýhody pouţití dinasu?

69. Vyjmenujte hlavní modifikace SiO2. 70. Jaké přísady se přidávají do dinasu ke zlepšení jeho vlastností? 71. Z čeho jsou vyráběny speciální ţárovzdorné materiály? 72. Co jsou to ţárobetony? 73. Čím se vyznačují lehčené materiály? 74. Popište hlavní modifikace SiO2. 75. Vyjmenujte hlavní zástupce hořečnatých a hořečnatospinelových materiálů a krátce je charakterizujte. 76. Na co se pouţívají speciální ţárovzdorné materiály? 77. Co víte o šamotových materiálech? 78. Vysvětlete pevnost v tlaku, tahu a ohybu. 79. Vysvětlete pojem teplotní délková roztaţnost.

VÝMĚNÍKY TEPLA

8.

Čím větší je teplota spalin odcházejících z pracovního prostoru pece a čím niţší je tepelná účinnost pece, tím větší je mnoţství tepla, které spaliny odnášejí z pracovního prostoru pece. Je nejen účelné, ale i ekonomické vrátit část tohoto tepla zpět do pracovního prostoru a to předehřevem spalovacích médií. Zařízení, ve kterém se předává teplo spalin spalovacímu vzduchu, případně plynu, se nazývá výměník tepla.

Čas ke studiu: 10 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

   

definovat pojem výměník tepla, popsat jednotlivé druhy výměníků tepla a jejich rozdíly, porovnat hydraulický a tepelný výpočet pro rekuperátor, vypočítat teplosměnnou plochu výměníku.

Výklad Výměníky tepla dělíme na dvě základní skupiny:  rekuperátory – teplo se předává z proudu spalin na ohřívané médium sloţeným přestupem tepla přes dělící stěnu,  regenerátory – vyuţívají akumulace tepla v ţárovzdorném materiálu. Předehřevem spalovacích sloţek je moţné dosáhnout úspory paliva, která stoupá s rostoucí teplotou předehřátí i teplotou odpadních spalin a klesající výhřevností paliva. S předehřevem se také zvyšuje spalná teplota a dochází ke zvýšení výkonu pece. Úspora paliva (%) kde: Qch – chemické teplo paliva (W), Q´ch – chemické teplo paliva přivedené za časovou jednotku do pece bez rekuperace (W), Qn – výhřevnost paliva (J.kg-1; J.m-3), ip – entalpie předehřátého paliva (J.kg-1; J.m-3), ivz – entalpie předehřátého spalovacího vzduchu (J.m-3),

Lskut – skutečné mnoţství spalovacího vzduchu na jednotku paliva (m3.kg-1; m3.m-3), Vvsp – mnoţství vlhkých spalin z jednotky paliva (m3.kg-1; m3.m-3). Z rovnice vyplývá, ţe úspora paliva stoupá s rostoucí teplotou předehřátí i teplotou odpadních spalin a klesající výhřevnosti paliva Zvýšení spalné teploty Teoretická spalná teplota (°C) kde: csp – střední měrné teplo spalin v intervalu teplot 0 aţ tt (J.m-3.K-1) S vyuţitím rekuperace tepla lze spalovat i paliva, která jsou ke své adiabatické spalné teplotě v některých případech nepouţitelná (nahradit vysocevýhřevná paliva méně hodnotnými). U závodů s uzavřeným hutním cyklem, kde bývá přebytek vysokopecního plynu a nedostatek plynů koksárenského, přispívá předehřev k vyrovnání nepříznivé palivové bilance. Zvýšení výkonu pece Při zvýšení teploty v pecním prostoru se doba tavení či ohřevu vsázky zkracuje. Např. při ohřevu tepelně technicky tenkých těles v komorové peci na teplotu 1 250°C, dostaneme zvýšením teploty pece z 1 300 na 1 500 °C zkrácení doby ohřevu 2,3 krát.

Rekuperátory Rekuperátory je moţné dělit podle různých hledisek:  podle materiálu stěny, rozdělující ohřívané a ohřívací médium na kovové a keramické,  podle způsobu sdílení tepla na sálavé (radiační), konvekční a radiačně-konvekční,  podle systému proudění teplosměnných médií na souproudé, protiproudé, se zkříţeným proudem, s mnohonásobně zkříţeným proudem. Stručný přehled jednotlivých rekuperátorů podle způsobu sdílení tepla: Konvekční rekuperátory  Jehlované rekuperátory (ţebrované) Nesmí být v kanálu, kde jsou příliš prašné spaliny, jinak se ţebra zalepí.  Rekuperátory z rovných trubek Lepší těsnost, trubky mohou být uloţeny vodorovně i svisle.  Plamencový rekuperátor

Pro spaliny znečištěné pevnými částečkami úletu (spaliny proudí uvnitř trubek), jejich výhoda je moţnost čištění.  Smyčkové rekuperátory Trubky jsou spojené do tvaru U, kaţdá smyčka můţe volně dilatovat. Radiační rekuperátory  Válcový rekuperátor Kombinace souproudu a protiproudu, moţnost pouţít i velmi znečištěné spaliny.  Trubkový rekuperátor Ve vnějším plášti je trubková klec, lepší přenos tepla a moţnost pouţití i pro větší tlaky. Radiačně – konvekční rekuperátory  Schackův rekuperátor Vysoký součinitel prostupu tepla, moţnost dosaţení vysoké teploty předehřátí. Obě sekce, jak radiační, tak konvekční jsou umístěny v jedné šachtě. Výpočet rekuperátoru se dělí na dvě části – část tepelnou a část hydraulickou.

Tepelný výpočet Tepelný výpočet rekuperátoru spočívá v řešení rovnice

kde: Q – mnoţství tepla předané v rekuperátoru ze spalin na vzduch za časovou jednotku (W), S – celková plocha rekuperátoru (m), k – součinitel prostupu tepla (W.m-2.K-1), Δt – rozdíl mezi teplotou spalin a vzduchu, Δt = tsp - tvz (K), dA – diferenciál plochy (m2). Integraci rovnice nelze provést přímo. Pro stanovení teplotního rozdílu je třeba znát průběh teplot spalin a vzduchu po délce výměníku. Při řešení vyjdeme z rovnice energetické rovnováhy. (W.m-2) kde: m – hmotnostní tok (kg.s-1), i – entalpie (J.kg-1).

Z předchozího vztahu lze určit teplotu spalin nebo vzduchu (°C) (°C) Charakter teplotních průběhů spalin a vzduchu po délce rekuperátoru: (°C) (°C) Systém rovnic ukazuje, ţe Ksp a Kvz jednoznačně charakterizují u konkrétního rekuperátoru průběh spalin i vzduchu. Např. u souproudu, Ksp < Kvz, teplota spalin bude klesat rychleji, neţ poroste teplota vzduchu, Ksp > Kvz bude naopak, Kvz = Ksp sníţení teploty spalin se bude přesně rovnat zvýšení teploty vzduchu. Teplota spalin i vzduchu je lineární funkcí plochy výměníku. Teplota stěny rekuperátoru K tepelnému výpočtu rekuperátoru patří i stanovení teploty teplosměnné plochy. Její maximální hodnota nesmí překročit teplotu předepsanou pro pouţitý druh materiálu. Nebezpečí přehřátí (spálení) rekuperátoru hrozí především výměníkům kovovým. Intenzita tepelného toku přes dělící stěnu se dá vyjádřit rovnicemi (W.m-2) kde: tst – teplota povrchu stěny na straně spalin (°C), t´st – teplota povrchu stěny na straně vzduchu (°C). Vyřešením předchozího systému obdrţíme (°C) (°C) U kovových materiálů je moţno tepelný odpor stěny zanedbat, tst = t´st (W.m-2) Jednoduchou úpravou rovnice získáme závislost pro teplotu stěny v kriteriální formě (1)

Z rovnice vyplývá, ţe teplota stěny je vţdy menší neţ teplota spalin a větší neţ teplota vzduchu v daném místě. U rekuperátorů je vţdy snaha o dosaţení co nejniţší teploty stěny (opatření ke zvýšení αvz).

Hydraulický výpočet Cílem je určení tlakových ztrát na straně obou médií. Patří mezi nejdůleţitější hodnoty charakterizující daný typ výměníku. Čím vyšší je rychlost proudícího média, tím větší je součinitel prostupu tepla. S rychlostí rostou i hydraulické ztráty, coţ zvyšuje provozní náklady. Celková tlaková ztráta ve výměníku se určí ze vztahu: [Pa] Ztráty tlaku třením ( a ztráty místními odpory ( v předmětu Sdílení tepla a proudění.

se stanovují stejně jako

Tlaková ztráta v důsledku neizotermického proudění ( a tlaková ztráta způsobená geometrickým vztlakem ( ) můţe mít i zápornou hodnotu. V takovém případě je jejich vliv příznivý a celkovou tlakovou ztrátu zmenšují.

Regenerátory Mezi regenerátory patří ohřívače vysokopecního větru:  pracují střídavě, přerušovaně, tj. jeden předává teplo vzduchu, další je předehříván,  vytápěny jsou vysokopecním plynem s přídavkem zemního plynu nebo topného oleje,  předehřátý vzduch (700 – 1000°C) je pomocí dmychadel dopravován vyzděným potrubím do výfučen VP,  ke kaţdé vysoké peci patří 3 – 5 ohřívačů. Vyuţití větru ve VP:  dodávka kyslíku pro spalování koksu  udrţování konsistence vsázky (víření)  zabraňuje vzniku spečenin na dně pece

Otázky ke kapitole 8 80. Co je to výměník tepla a jak je dělíme? 81. Jak se vypočítá teplota stěny rekuperátoru? 82. V čem spočívá hydraulický výpočet rekuperátoru? 83. Podle kterých hledisek dělíme rekuperátory.

84. Vyjmenujte rozdělení rekuperátorů podle způsobu sdílení tepla a pro kaţdou skupinu uveďte hlavní zástupce. 85. Stručně popište ohřívače vysokopecního větru. 86. Jaké výhody má předehřev spalovacích sloţek? 87. Uveďte vzorec pro výpočet úspory paliva.

9.

MĚŘENÍ TEPLOTY, TLAKU, PRŮTOKU. ANALYZÁTORY PLYNŮ.

Měření a měřící technika se v hutním průmyslu uplatňuje na mnoha úsecích a v mnoha variantách. Měření je důleţité především pro technologické účely. Měření nabývá na významu především v době, kdy k hlavním úkolům hutí patří automatizace výrobních pochodů a sniţování nákladů na provoz.

Čas ke studiu: 8 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

   

popsat princip činnosti termočlánků, popsat jednotlivé druhy termočlánků, vysvětlit princip měření spektrálních pyrometrů, popsat způsoby měření tlaku, průtoku a vyjmenovat hlavní zástupce jednotlivých kategorií,  popsat analyzátory plynů.

Výklad Měření teploty Pro většinu hutních provozů je teplota hlavní technologickou veličinou, která má vliv na kvalitu výroby, ekonomiku provozu a výkon jednotlivých výrobních agregátů. Teplotu lze definovat jako míru kinetické energie pohybujících se molekul. Kelvin v roce 1848 vpracoval na základě druhé věty termodynamiky tzv. termodynamickou teplotní stupnici, která byla přijata za základ měření teploty. Základní jednotkou byl Kelvinův stupeň (°K) a teplota trojného bodu vody (v Kelvinových stupních = 273, 16 °K). Později se přijal nový název – kelvin (K). Především v Evropě se uplatňuje jiná teplotní stupnice – Celsiova. Její základní jednotkou je bod tání ledu 0 °C a bod varu vody 100 °C. Termočlánky Měření teploty pomocí termočlánků je zaloţeno na termoelektrickém jevu (Seebeck, r. 1821). Termočlánek je tvořen dvojicí elektricky vodivých drátů různého chemického sloţení. Je-li spoj těchto drátů (teplý konec termočlánku) zahřát na vyšší teplotu, neţ je teplota opačného konce drátů (studený konec), vzniká elektromotorická síla – termočlánkové napětí. Princip termočlánku je zobrazen na obr. 9.1. Vlastnosti termočlánků jsou charakterizovány citlivostí, tepelnou a chemickou odolností a termoelektrickou stálostí. Maximální teplota měřeného místa se stává hlavním kritériem pro volbu vhodného typu termočlánku.

Obr. 9.1 Princip termočlánku Termočlánek Fe-konst Kladná větev je tvořena čistým ţelezem, záporná konstantanem. Je vhodný pro měření nízkých aţ středních teplot, spolehlivě pracuje do 600 °C. Není vhodné vlhké prostředí, protoţe urychluje oxidaci Fe-větve. Oxidační ani redukční prostředí nemá vliv na přesnost měření. Termočlánek Cu – konst Kladná větev je z čisté mědi, záporná z konstantanu. Je odolný proti rezivění, coţ je jeho výhoda oproti předešlému typu. Horní hranice je kolem 300 °C. Tento typ je vhodný i pro měření velmi nízkých teplot, aţ – 200 °C. Termočlánek NiCr-Ni Kladná větev je z NiCr, záporná je tvořena Ni. Pouţitelný je do 1000 °C. Od teploty 500 °C je Ni větev citlivá na plyny obsahující síru. 3kodlivě působí na termočlánek směsi plynů, v nichţ klesne obsah kyslíku pod 1 %. Takto nízký obsah kyslíku neumoţňuje vytvořit na povrchu drátů ochrannou oxidovou vrstvu a vzniká tzv. zelený mor – dochází ke sniţování ţivotnosti termočlánku, ale i ke změnám termoelektrického napětí. Termočlánek NiCr –konst Tento typ dává vyšší termočlánkové napětí neţ předchozí typ, lze ho pouţít do teploty 700 °C. Termočlánek PtRh-Pt Termočlánky z drahých a ušlechtilých kovů se pouţívají pro měření vyšších teplot a v místech s nepříznivými vlivy okolního prostředí. Pracuje do teplot 1300 °C, při vhodném zapojení i do 1600 °C. Tento typ termočlánků se vyrábí s různým obsahem rhodia. Rhodium můţe být obsaţeno i ve druhé větvi. Legované dráty mají vyšší teplotní odolnost.

Nejdůleţitější částí termočlánkového obvodu je měrný konec (teplý spoj) termočlánku. Měrné konce mohou být zhotoveny různými způsoby. Nejčastěji se oba dráty pájí pájkou, jejíţ bod tavení je výše, neţ bude maximální měřená teplota. Obě větve je nutné vzájemně elektricky izolovat. Pro ochranu termočlánků se pouţívají ochranné trubice z různých materiálů a různého provedení. Konstrukce termočlánků Plášťové termočlánky Termočlánkové dráty jsou vyrobeny z běţných termočlánkových materiálů, ale s podstatně menším průměrem. Dráty jsou uloţeny v práškovém keramickém materiálu (Al2O3) a ochranný plášť je z nerezavějící oceli. V provozu je lze ohýbat. Vzhledem k malému průměru drátů je doba odezvy podstatně kratší neţ u běţných termočlánků. Kvůli malému průměru drátů je obtíţná výroba měrného spoje. Trubkové termočlánky Byly vyvinuty proto, aby bylo dosaţeno dlouhé ţivotnosti a krátké odezvy. Pouţívají se při měření teplot solných a jiných kalicích a popouštěcích lázní, při tepelném zpracování kovů. Ploché termočlánky Obě větve jsou ve tvaru pásků, které jsou vzájemně izolovány. Umoţňuje měření v úzkých štěrbinách. Dotykové termočlánky Slouţí k měření povrchové teploty materiálu. Pouţívá se ke kontrole teploty válcovaného materiálu, pláště pecí, měření teploty na povrchu pracovních válců ve válcovnách. Vpichovací termočlánky Konce drátů jsou upraveny a zahroceny pro vpich do měřeného materiálu. Uplatňují se při výrobě barevných kovů. Strunové termočlánky Pro měření povrchové teploty, zejména válcových těles. Přístroj se většinou pouţívá jako ruční přenosné zařízení, pro kontrolní účely. Ponorné termočlánky Tyto termočlánky vznikly jako reakce na problémy při měření teploty roztavené oceli v ocelářských pecích. Protoţe teploty jsou vyšší neţ 1600 °C a dále na termočlánek působí agresivní účinky některých prvků obsaţených v oceli a ve strusce. Je schopen po krátkou dobu měřit teplotu oceli. Vzhledem k nízké ţivotnosti měřícího konce byly vyvinuty různé konstrukční varianty umoţňující výměnu teplého konce termočlánku.

Odporové teploměry Měření teploty odporovými teploměry je zaloţeno na změně ohmického odporu vodičů s teplotou. Pouţívají se v rozsahu teplot cca – 250 do 850 °C. Na materiály, z nichţ se vyrábí odporové teploměry, jsou kladeny tyto nároky:  fyzikální a chemická stálost v rozsahu měřených teplot,  vysoká citlivost (vysoký teplotní součinitel odporu),  dobré tváření při taţení za studena,  dobrá reprodukovatelnost, aby byla moţná náhrada poškozených čidel. Nejčastěji se pro měření pouţívá platinových vodičů. Platina odolává vyšším teplotám, není náchylná ke korozi a chemickému napadení. Dalším materiálem je nikl. Je vhodný pro niţší teploty. Polovodičové odporové teploměry Polovodičové tepelně závislé odpory jsou známy jako termistory. Teplotní součinitel termistorů je negativní, tj. se vzrůstající teplotou jejich ohmický odpor klesá. Lze je pouţít pro teploty od – 100 do + 350 °C. Jako základní materiál se pouţívají oxidy kovů zpracovávané do tvaru perliček, tyčinek, kotoučků nebo jiných speciálních tvarů. Pouţívají se pro měření povrchových teplot a vkládají se do skleněných nebo kovových ochranných trubiček. Dilatační teploměry Pracují na základě roztaţnosti tuhých, kapalných nebo plynných látek. Bimetalické teploměry Jsou pouţívány při tepelné ochraně elektromotorů, transformátorů a jiných silnoproudých zařízení. Jsou tvořeny dvouvrstvým kovovým páskem, kde jedna vrstva má výrazně rozdílný součinitel roztaţnosti od druhé vrstvy. Při zahřátí pásku dochází k rozdílné dilataci obou vrstev, vzniká ohybové namáhání pásku a důsledkem je ohyb celého pásku. Vyuţití deformace pak signalizuje dosaţení mezních teplotních stavů. Tlakové teploměry Jsou zaloţeny na změně tlaku s teplotou při konstantním objemu náplně. Rozlišujeme tlakové teploměry kapalinové, plynové a parní. Jako náplně lze vyuţít řadu látek. U kapalinových např. rtuť, metylalkohol, u parních pak aceton, metylchlorid a u plynových dusík, vodík, helium a kyslík. Pyrometry Pyrometry měří teplotu předmětu nebo teplonosného média na základě snímání tepelného nebo světelného záření. Kaţdý objekt zahřátý na teplotu vyšší, neţ je teplota jeho okolí, vyzařuje elektromagnetické záření o určitých vlnových délkách. Tělesa zahřátá na niţší teploty se neprojevují viditelným zářením, protoţe vyzařují záření o delších vlnových délkách, tzv. infračervené záření. Tělesa zahřátá na velmi vysoké teploty, dávají záření

o kratších vlnových délkách – ultrafialové záření. Na obr. 9.2 jsou zobrazeny různé druhy elektromagnetického záření. Bezdotykové pyrometrické metody se pouţívají tam, kde se jedná o měření vysokých teplot v obtíţných podmínkách nebo je třeba měřit teplotu pohybujícího se materiálu.

Obr. 9.2 Zobrazení různých druhů elektromagnetických vln s vyznačením viditelného záření Neţádoucím prostředím pro pyrometrická měření je příliš vlhký vzduch, pára, kouřové plyny, sklo, CO2, led a vzduch obsahující prach. Naopak suchý vzduch, kyslík, dusík, krystaly některých minerálů mají průteplivost 100 % a tato prostředí jsou vhodná pro přenos tepleného záření od zářiče k čidlu pyrometru. Dělí se do skupin, podle toho, kterou oblast záření vyuţívají pro měření teploty: Radiační pyrometry Reagují téměř na celé spektrum vysílaného záření, to znamená, ţe snímají celkovou energii záření. Spektrální pyrometry Reagují pouze na jednu vlnovou délku (na velmi úzké pásmo vlnových délek). Barvové pyrometry Měří energii na dvou (aţ třech) vlnových délkách a pro stanovení teploty je rozhodující poměr těchto energií.

Měření tlaku

Patří k nejběţnějším provozním měřením. Při měření tlaku obvykle srovnáváme měřený tlak s tlakem vzduchu na zemském povrchu. Je-li měřený tlak vyšší neţ tlak vzduchu, mluvíme o přetlaku, je-li menší, jde o podtlak. Kapalinové snímače tlaku Jsou zaloţeny na rovnováze měřeného tlaku a silového účinku sloupce kapaliny. Jsou vhodné pro měření malých tlaků a diferenčních tlaků. Jako kapalinové náplně se pouţívají různé látky – voda, rtuť, benzol, petrolej, etylalkohol. Volba určité látky je dána rozsahem naměřených tlaků a teplotními podmínkami. U trubice Je to nejjednodušší tlakový přístroj (obr. 9.3). Pouţívá se při kontrolních měřeních, při cejchování, při seřizování regulačních obvodů nebo při nastavování tlakových reţimů hutních agregátů. Pokud je jedno rameno trubice uzavřeno a je odčerpán vzduch, lze tímto způsobem měřit absolutní tlaky.

Obr. 9.3 U trubice Sklonný manometr Slouţí k přesnému kontrolnímu měření malých tlaků nebo malých tlakových rozdílů. Podstatné zvýšení citlivosti a zmenšení měřícího rozsahu se dosahuje skláněním jednoho ramena a rozdílným průřezem ramen. Je zobrazený na obr. 9.4.

Obr. 9.4 Sklonný manometr Plovákový manometr Pracuje na principu U trubice. Pohyb hladiny v nádobě sleduje plovák, jehoţ dřík je opatřen mechanickým převodem pro převod pohybu plováku na ukazatel. Pístový manometr Velmi přesný tlakoměrný přístroj schopný měřit tlaky aţ 10 MPa s přesností lepší neţ 0,5 %. V měřící komoře je ochranná vrstva oleje, která chrání píst před neţádoucím účinkem měřeného média. Pouţívá se pro kontrolní účely v cejchovnách a pro přesná provozní měření. Deformační snímače tlaku Základem deformačních manometrů je pruţný element, který je schopný pruţné deformace při zatíţení působícím tlakem. Jednotlivé deformační manometry se liší konstrukcí a uloţením deformačního členu. Bourdonův manometr Jako deformační element se pouţívá tzv. Bourdonovy trubice, stočené do kruhového tvaru. Průřez trubice a tloušťka stěn závisí na velikosti mřeného tlaku. Při účinku vnitřního přetlaku se snaţí trubice zaujmout kruhový průřez, a proto se původní zakřivení mění na kruh o větším poloměru a volný konec trubice vykonává pohyb. Tento pohyb je mechanickým převodem převeden na pohyb ručičky manometru. Membránový manometr Pruţný člen je tvořen kruhovou membránou, upnutou mezi dvě příruby. Měří přetlaky, podtlaky i diferenční tlaky. Krabicový manometr Jako pruţný element má plochý disk, jehoţ dna jsou tvořena membránami. Pouţívají se pro měření malých tlaků. Vlnovcový manometr Má podstatně větší deformaci měřícího členu. Lze jimi měřit podtlaky, přetlaky i diferenční tlaky. Pro vysoko citlivost se často pouţívají v jednotkách pneumatické regulace.

Měření průtoku Mnoţství energií různého druhu, které jsou přiváděny k hutním agregátům, se musí neustále sledovat. To proto, aby bylo moţné provádět jejich regulaci. Při měření průtoku je nutné rozlišovat dva základní způsoby měření. Buď se měří protékající mnoţství (mnoţství, které v určitém okamţiku protéká potrubím) nebo se měří celkové proteklé mnoţství za časovou jednotku (spotřeba). Měření průtoku pomocí diferenčních tlaků

Pro měření lze vyuţít rozdílu statických tlaků v zúţeném profilu potrubí (clonkové a Venturiho měřiče), rozdílu dynamického a statického tlaku (Prandtlova trubice) nebo změny v rozloţení a rozdílu statických tlaků při proudění látky zakřiveným potrubím (kolenové průtokoměry). Clonkové průtokoměry a dýzy Měření je zaloţeno na změně statického tlaku měřené látky při proudění zúţeným průřezem potrubí. Při průtoku dochází v oblasti clonky ke zmenšení průtočného průřezu a následkem toho nastává zvýšení průtočné rychlosti a sníţení statického tlaku proudící látky. Významný vliv na přesnost měření můţe mít nevhodné umístění clon a dýz v potrubí. Umístění se musí volit tak, aby proudění média bylo před i za clonou urovnané a nemělo na něj vliv zakřivení potrubí apod. Podle umístění odběrových míst lze rozlišovat jednobodový, vícebodový a komorový způsob. Prandtlova trubice Umoţňuje měřit celkový i statický tlak (obr. 9.5). Čelní otvor snímá celkový tlak a boční štěrbiny tlak statický. Hlavní nevýhodou tohoto měření je ruční způsob, nutný při měření a ustavování trubice v jednotlivých bodech. Uplatňuje se při jednorázových ověřovacích měřeních.

Obr. 9.5 Prandtlova trubice

Kolenové průtokoměry Při průtoku média kolenem na vnějším obvodu kolena statický tlak stoupá a na vnitřním obvodu tlak klesá. Předností kolenových průtokoměrů je nulová ztráta tlaku následkem měření, necitlivost na nečistoty a moţnost pouţití pro měření stávajících potrubních kolen. Objemové měřiče průtoku

Jsou zaloţeny na statickém silovém účinku měřeného média. Objemové měřiče s nespojitým cyklem umoţňují velmi přesné měření mnoţství, ale hlavní nevýhodou je přerušovaný průtok měřeného média. Objemové měřiče se spojitým cyklem pracují tak, ţe měřené médium naplňuje postupně několik komor a tlakovým účinkem nastává pohyb oddělujícího elementu. Postupné vyprazdňování komor zaručuje plynulý průtok média. Průtokoměry s oválnými rotory Pracuje se spojitým cyklem. Skládá se ze dvou ozubených válců oválného průřezu, rotujících v komoře průtokoměru tak, ţe zachovávají těsnost ve stykových plochách. Přesnost měření závisí na netěsnostech rotorů. Průtokoměr s krouţivým pístem Pouţívá se v hutních provozech pro měření průtoku kapalin, zejména pro měření a dávkování topných olejů při intenzifikaci ohřevu ve vysokých nebo ocelářských pecích. Mají vysokou přesnost a dlouhodobou stálost přesnosti. Nevýhodou je malá přesnost při malých průtocích. Rychlostní měřiče průtoku Jsou zaloţeny na dynamickém silovém účinku proudícího média na rotující element měřiče. Frekvence otáčení rotujícího elementu je úměrná střední rychlosti proudění, a tím i průtočnému mnoţství. Předností rychlostních měřičů průtoku je vysoká přesnost, moţnost konstrukce měřičů pro velký rozsah měřených mnoţství, malá tlaková ztráta a dlouhodobé uchování parametrů měřiče. Nevýhodou je velká citlivost na mechanické nečistoty obsaţené v plynu nebo kapalinách. Je nutné pouţívat filtry, které je třeba kontrolovat a čistit. Indukční průtokoměry Jsou zaloţeny na Faradayově indukčním zákonu. Tento zákon říká, ţe v elektrickém vodiči pohybujícím se kolmo na silokřivky magnetického pole se indukuje elektrické napětí. U indukčních průtokoměrů se povaţuje za vodič sloupec kapaliny (v porubí) mezi dvěma elektrodami, který se vlivem proudění pohybuje v magnetickém poli. Je tvořen potrubím z nevodivého a nemagnetického materiálu, případně můţe být kovové, ale vnitřní povrch musí být odizolován. Předností je nezávislost měření na hustotě měřené látky, viskozitě, tlaku a teplotě. Nemá vliv ani Reynoldsovo číslo. Vyuţívají se v čistírnách odpadních vod a v kalovém hospodářství.

Analyzátory plynů a spalin Bez dokonalé chemické analýzy není moţné řízení metalurgických pochodů. Chemické analýzy prováděné v hutních provozech rozlišujeme na:

 analýzy v chemických laboratořích – chemické rozbory látek vstupujících do výrobních procesů, rozbory výstupních hutních produktů, rozbory meziproduktů a vedlejších produktů.  analýzy provozní – analýza plynných médií, spalin a plynů vznikajících během metalurgických procesů (analýza vysokopecního plynu, odpadních plynů, kouřových plynů apod.) Obsah určité sloţky plynu ve spalinách, odpadních plynech a jiných plynných směsí se označuje jako koncentrace. Analyzátory zaloţené na tepelné vodivosti plynu Měření se provádí tak, ţe se porovnává tepelná vodivost měřeného plynu s tepelnou vodivostí srovnávacího plynu. Za srovnávací plyn se nejčastěji volí vzduch. Analyzátory vyuţívající tepelné vodivosti se pouţívají především pro měření obsahu H2 a CO2, popřípadě SO2. Analyzátory zaloţené na spalném teple Vyuţívají rozdílného spalného tepla plynů. V hutních provozech se tento analyzátor pouţívá pro analýzu vysokopecního plynu. Analyzátory pro určení obsahu kyslíku Jsou zaloţeny na magnetických vlastnostech kyslíku. Látky je moţné rozdělit podle magnetické permeability na feromagnetické, paramagnetické a diamagnetické. Plyny jsou zpravidla diamagnetické, výjimku tvoří kyslík a některé další plyny, které jsou paramagnetické. Infračervené analyzátor plynu Vyuţívá metody zaloţené na pohlcování infračerveného záření některými plynnými látkami. Infračervené paprsky pohlcují jen ty plyny, které obsahují alespoň dva různé druhy atomů v molekule. Touto metodou nelze tedy měřit látky jako je kyslík, dusík, vodík atd. Nejčastěji se tato metoda pouţívá pro měření obsahu CO, CO2, CH4 a CnHm. kaţdá látka pohlcuje infračervené záření v úzkém, přesně vymezeném pásmu.

Otázky ke kapitole 9 88. Na jakém principu pracuje termočlánek, vysvětlete ho. 89. Jaké znáte druhy termočlánků? 90. Jaké znáte druhy elektromagnetického záření? 91. Rozdělte pyrometry do skupin a stručně je popište. 92. Na co se pouţívá U trubice? 93. Lze zvýšit citlivost sklopného manometru, popřípadě jak?

94. Uveďte nevýhody pouţití Prandtlovy trubice. 95. Vyjmenujte objemové měřiče průtoku. 96. Na jakém zákoně je zaloţen princip indukčního průtokoměru? Vysvětlete ho. 97. Jaké analýzy rozlišujeme v hutních provozech a co se při nich provádí? 98. Jaké znáte analyzátory plynů a spalin?

10. PRŮMYSLOVÉ PECE – 1. ČÁST Pec je technologické zařízení, jehoţ hlavním cílem je vytvoření optimálních podmínek pro průběh určitého technologického procesu. Důleţitý je tvar pracovního prostoru pece. Hospodárnost provozu ovlivňuje vyuţití odpadního tepla spalin.

Čas ke studiu: 15 hodin

Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

   

rozdělit průmyslové pece podle různých kritérií, určit tepelný a teplotní reţim pece, vypočítat účinnost a výkonnost pece, popsat vysokou pec, kuplovnu, konvertor a obloukovou pec.

Výklad Pro rozdělení průmyslových pecí se pouţívají různá kritéria. Nejčastěji se setkáváme s dělením podle těchto charakteristických znaků: 1.

podle technologického určení:  tavicí – určené k tavení materiálů (vysoká pec, kuplovny, sklářská tavící vana),  ohřívací – k ohřevu materiálu před válcováním, kováním, lisováním apod. (kovárenské pece, válcovenské pece),  po tepelné zpracování – k tepelnému zpracování, jako kalení, ţíhání, popouštění,  vypalovací – k výpalu výrobků (pece pro výpal ţárovzdorných keramických materiálů, vápna),  sušící – k odstranění vlhkosti z materiálu (sušení forem a jader ve slévárnách),  destilační – vzniká produkt ze vsázky destilací (koksárenské baterie).

2.

podle zdroje tepla:  plamenné – tepelná energie je získána spalováním pevného, kapalného nebo plynného paliva,  elektrické – tepelná energie vzniká z elektrické energie (obloukové, odporové, plazmové, indukční, elektronové pece)

 bez vnějšího zdroje – vyuţívají vnitřní chemické energie zpracovávaného kovu a jeho příměsí. 3. podle tvaru pracovního prostoru:  šachtové – v celém objemu vyplněné vsázkou, princip protiproudu,  vanové – pouze část pracovního prostoru vyplněna vsázkou,  průběţné – buď horizontální (strkací, krokové) nebo vertikální (věţové), vsázka se pohybuje od sázecího okna k oknu vytahovacímu,  karuselové – vsázka se pohybuje spolu s nístějí, která má tvar mezikruţí,  rourové – válcový tvar, odkloněny od horizontální roviny o malý úhel, otáčí se za stálého míchání vsázky,  tunelové – vsázka se pohybuje v přímém směru spolu s nístějí, kterou tvoří řada vozíků,  komorové – vsázka leţí na nístěji během celého technologického procesu, mohou mít pevnou nebo výjezdnou nístěj, teplota pracovního prostoru je ve všech bodech prakticky stejná,  poklopové (muflové) – vsázka je před pecní atmosférou chráněna poklopem – muflí. 4.

podle způsobu vyuţití tepla odpadních spalin:  rekuperativní – vyuţití rekuperátoru k předehřevu spalovacího vzduchu nebo plynu,  regenerativní – vyuţití regenerátoru,  bez výměníku.

Výše uvedené rozdělení pecí není úplné. Pece lze rozdělit i podle jiných hledisek, například podle závislosti příkonu na čase (stacionární a nestacionární), podle způsobu dopravy vsázky (krokové, válečkové, pneumatické aj.) nebo podle teploty v pracovním prostoru pece (nízkoteplotní, vysokoteplotní). Tepelnětechnická charakteristika práce pece Hlavními ukazateli práce pece jsou teplotní a tepelný reţim, účinnost a výkonnost. Teplotní reţim Pod tímto pojmem si představíme teplotu pece jako funkci času. Teplota pece je závislá na spalné teplotě paliva, na mnoţství tepla pohlcovaného stěnami pece a vsázkou, na tvaru

pracovního prostoru a velikosti ostatních tepelných ztrát. Teoretické stanovení teploty pece je velmi obtíţné, u orientačních výpočtů odvozujeme teplotu pece od praktické spalné teploty. (°C) kde: je pyrometrický efekt charakterizující konstrukci pece, jeho velikost se pohybuje od 0,65 – 0,85. Teplota pece je dána jejím technologickým určením. Nejvyšší teploty mají tavící pece, u pecí na tepelné zpracování je rozdíl menší. Čím vyšší je rozdíl mezi teplotou pece a teplotou vsázky, tím probíhá proces rychleji, coţ můţe vést i k nepříznivým jevům tj. vyšší propal, natavení povrchu u ohřevu, nerovnoměrnost ohřevu apod. Niţší teplota pece způsobuje prodlouţení celého procesu a vyšší energetické ztráty. Tepelný reţim Tepelný reţim můţeme definovat jako funkční závislost tepelného příkonu na čase. Tepelný příkon je mnoţství tepla přivedené za jednotku času do pece. Největší moţné mnoţství přivedeného tepla do prostoru pece se nazývá maximální příkon. U nestacionárně pracujících pecí je tepelný reţim funkcí času, u stacionárních je konstantní. Ve starší literatuře je příkon pece udáván s pomocí spotřeby měrného paliva (Bmp). Měrné palivo je fiktivní palivo s výhřevností 29,3 MJ∙kg-1. (kg∙s-1, m3∙m-3) V pecní praxi je moţné se setkat s ukazatelem nazývaným jako měrné tepelné zatíţení (p) pracovního prostoru pece. Určuje, jaký tepelný příkon připadá na jednotku objemu pracovního prostoru: (W∙m-3) Výkonnost pece Udává, kolik materiálu vytavíme, vysušíme, ohřejeme a obecně vyrobíme v daném agregátu za jednotku času. Podle typu pece se volí hmotnostní a časové jednotky a výkonnost se tak udává v kg∙s-1 nebo t∙h-1. Výkonnost pece závisí na celé řadě činitelů, jako jsou teplota pracovního prostoru, teplota odcházejících spalin, způsob a intenzita přenosu tepla na vsázku atd. Pro srovnání produktivity stejných druhů pecí o různých velikostech se pouţívá měrná výkonnost. U většiny pecí se měrná výkonnost (g) vztahuje na m2 nístěje (SN) a hodinu. (kg∙m-2∙h-1)

Účinnost pece Tepelná bilance slouţí k analýze tepelné práce provozované pece, při ní se provádí rozbor poloţek příjmu a výdeje tepla. Poměr uţitečně spotřebovaného tepla (Qu) k příkonu pece se nazývá účinnost pece. (%) U ohřívacích pecí se do poloţky Qu započítává teplo ohřátého kovu a okují, u tavících pecí teplo roztaveného kovu, strusky a teplo na rozklad struskotvorných přísad. Čím je účinnost pece vyšší, tím je pec z tepelnětechnického hlediska dokonalejším agregátem. Spotřebu paliva v peci charakterizuje ukazatel nazývaný měrná spotřeba energie (e), který udává mnoţství energie, spotřebované na jednotku výroby. (J∙kg-1) Vysoká pec Největší tavící agregát, ve kterém se z oxidů ţeleza redukčními pochody získává surové ţelezo. Do VP se sází kovonosná vsázka (ţelezná ruda, aglomerát, pelety). Struskotvorné přísady a koks. Ke spalování paliva je do pece foukán předehřátý vzduch (vysokopecní vítr) z Cowperů, můţe být někdy obohacován kyslíkem. Hlavním produktem výroby je surové ţelezo, vedlejšími produkty jsou vysokopecní struska a vysokopecní plyn. Výfučnami se do VP přivádí i náhradí paliva, která mohou být plynná, kapalná nebo prášková. Pracovní prostor pece tvoří vysoká šachta kruhového průřezu, která je vyzděná ţárovzdorným materiálem. Pec stojí na betonovém základě, spodní část je umístěna pod zemí. Sazebna je horní válcová část, směrem dolů se pec rozšiřuje a tato část se nazývá šachta. Nejširší část pece je rozpor, kuţelová zuţující část sedlo. Spodní část je nístěj, můţe být válcového nebo mírně kónického tvaru, zdola je uzavřena dnem. V horní části nístěje jsou umístěny výfučny dmýchající ohřátý vzduch. Surové ţelezo a struska se vypouští odpichovým otvorem, který je umístěn 0,5 – 2 m nad úrovní nístěje. Mnoţství odpichových otvorů záleţí na bohatosti vsázky. Před účinky vysokých teplot je třeba vyzdívku a plášť pece chladit. Pouţívá se většinou vodní nebo odparné chlazení. Chladnice jsou obvykle deskové a umisťují se mezi ocelový plášť a vyzdívku pece. Mezi dno a betonový základ jsou pokládány litinové desky se zalitými ocelovými trubkami, kterými proudí chladící vzduch. VP se staví s tenkostěnnou nebo tlustostěnnou vyzdívkou. Materiál na vyzdívku se volí podle hlavních příčin opotřebení zdiva v daném místě pece. Pouţívají se šamotové materiály pro horní a střední část šachty, pro spodní část, rozpor a sedlo se volí nejjakostnější šamoty, vysocehlinité šamoty a mulitové materiály. Kuplovny

Šachtová pec na výrobu litiny ze surového ţeleza. Jako palivo se pouţívá koks a pro tvorbu lehcetavitelné strusky se přidává kazivec a vápenec. Dno kuplovny má kruhový otvor, který je uzavřen dvířky. U dna je odpichový otvor pro litinu, výše je umístěn odpich pro strusku. Kuplovnu lze rozdělit z hlediska průběhu teplot ve vsázce na pásmo předehřívací, tavicí, přehřívací a nístějové. V předehřívacím pásmu jsou všechny materiály v pevném stavu. Postupně klesají dolů a ohřívají se. Při teplotě 800 °C se rozkládá vápenec, koks ztrácí vlhkost a prchavou hořlavinu. V pásmu tavení se tvoří struska, tavením kovonosné vsázky. Koks je stále v pevném stavu. Kapky tekutého kovu a strusky stékají dolů, kde prochází přehřívacím pásmem a jejich teplota roste. Ohřívají se hlavně od rozţhaveného koksu. V nístějovém pásmu uţ koks nehoří. Teplota plnicí vrstvy směrem dolů klesá. Podle charakteru strusky se pece vyzdívají:  kysele – polotvrdý šamot, dusací hmoty s keramickým pojivem,  zásaditě – magnezit,  neutrální materiály na bázi Al2O3, Zr2O3, SiC – u kuploven chlazených vodou. Konvertory Agregáty, které vyrábí ocel z roztaveného surového ţeleza a dalších přísad. K ohřevu a tavení vsázky se vyuţívá tepla vzniklého oxidací prvků v surovém ţeleze (uhlíku, křemíku, manganu, fosforu). Jako okysličovadlo se pouţívá vzduch nebo kyslík, podle toho se také konvertory dělí na vzduchové a kyslíkové. Zhruba 50 % tepla se do procesu vnáší exotermickými reakcemi a dalších 50 % entalpií tekutého surového ţeleza. a) Vzduchové konvertory Dnes se jiţ nepouţívají. b) Kyslíkové konvertory Jako oxidační plyn se pouţívá technicky čistý kyslík s obsahem 99,5 % O2, čímţ se sniţuje objem plynů dmýchaných do konvertoru, a tím klesá mnoţství tepla, potřebné k jejich ohřevu. Přebytečná energie je vyuţita k roztavení a ohřátí šrotu a pevných oxidačních přísad (ţelezná ruda, aglomerát, okuje). Po tvorbu strusky je přidáno vápno. Tepelná účinnost je 75 %. Podle způsobu dmýchání kyslíku dělíme konvertory na proces LD (foukání kyslíku horem) a proces OBM (foukání spodem). Konvertory LD Konvertor je tvořen nádobou, nosným prstencem, čepy, loţisky, sklápěcím zařízením s pohonem a stojanem. Plášť je z ocelového plechu. Jsou vyzdívány ţárovzdorným materiálem ve více vrstvách. Základem pouţívaných materiálů je magnezit nebo dolomit s vazbou keramickou nebo na bázi dehtu. Nejčastější způsob opravy vyzdívky je torketování, tj. nanášení ţárovzdorného materiálu s pojivem pod tlakem na opravované místo vyzdívky. Konvertory OBM

Byly vyvinuty pro zpracovávání fosfornatých surových ţelez, které v konvertoru LD byly obtíţně zpracovatelné. Trysky jsou u spodního dmýchání ve dně tvořeny dvěma soustřednými trubkami. Vnitřní trubkou se přivádí kyslík, mezikruţím plynné nebo kapalné chladící uhlovodíkové médium (zemní plyn). Vyzdívají se dolomitovými nebo magnezitovými materiály, na bázi dehtu nebo pálenými. Materiál na bázi MgO-C se pouţívá v blízkosti trysek, kde je vyzdívka namáhána velkými výkyvy teplot. Hlavní přednosti pochodu OBM ve srovnání s procesem LD:  niţší obsah ţeleza ve strusce a niţší úlet zvýšení výtěţku ţeleza ze vsázky,  niţší obsah dusíku a kyslíku v oceli menší spotřeba legujících a desoxidačních přísad (Mn, Al,…),  lepší odsíření oceli při stejné bazicitě strusky menší spotřeba vápna,  niţší investiční náklady,  moţnost pouţití neupraveného ocelového odpadu s větší hmotností jednotlivých kusů. Proces OBM má i nevýhody ve srovnání s pochodem LD:  vyšší obsah vodíku v oceli,  niţší podíl ocelového odpadu ve vsázce (o 2 – 5 %),  niţší ţivotnost vyzdívky (především dna). Obloukové pece Elektrická energie se mění na tepelnou v elektrickém oblouku, od něhoţ se teplo předává sáláním vsázce. Obloukové pece dělíme na: a) se závislým obloukem – vsázka je součástí elektrického obvodu a proud prochází přes elektrodu, oblouk, vsázku, na sousední oblouk a elektrodu, b) s nezávislým obloukem – oblouk není vázán na vsázku, hoří mezi elektrodami, c) se zakrytým obloukem – oblouk je zakrytý roztavenou vsázkou. Elektrický oblouk je druh elektrického výboje v plynu. Předpokladem pro výboj je ionizace plynu, ke které můţe dojít buď nárazem, nebo vlivem elektromagnetického vlnění. K ionizaci plynu v oblouku dochází sráţkami elektronů s neutrálními atomy. Oblouková pec je sloţena z vlastní pece s vyzdívkou, mechanismem sklápění, elektrod s drţáky, posuvným mechanisme a elektrickým příslušenstvím. Pracovní prostor je tvořen dnem, stěnami a klenbou. Elektrody se umisťují svisle a jsou uchyceny v drţácích, pohybujících se po nosných sloupech. Výhoda elektrických obloukových pecí je v tom, ţe na rozdíl od kyslíkových konvertorů nejsou závislé na výrobě surového ţeleza. Výroba ocelí touto metodou se vyznačuje nízkou surovinovou náročností a měrnou spotřebou energie. Mohou být vyráběny oceli v širokém jakostním sortimentu. Nevýhodou těchto pecí je niţší výrobnost i produktivita práce, ve srovnání s kyslíkovými konvertory a také pouţití drahých elektrod.

Otázky ke kapitole 10 – 1. části 99. Jak rozdělujeme průmyslové pece? 100. Jak se vypočítá účinnost pece? 101. Co je to teplotní a tepelný reţim pece. 102. Popište vsázku do vysoké pece. 103. Jak se vyzdívají kuplovny? 104. Uveďte vedlejší produkty při výrobě surového ţeleza ve vysoké peci. 105. Jak dělíme konvertory? Popište je. 106. Jaké výhody mají elektrické obloukové pece?

10.

PRŮMYSLOVÉ PECE – 2. ČÁST Čas ke studiu: 24 hodin Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět  definovat různé druhy peci, které se běţně pouţívají v metalurgických, nebo strojírenských a dalších provozech,  popsat jednotlivé typy pecí – jejich výhody a nevýhody, vhodnosti pouţití,  definovat konstrukční charakteristiky pecí indukčních, elektronových, plazmových; ohřívacích pecí – hlubinné, strkací, komorové, krokové, karuselové; pece pro tepelné zpracování a pece s mikrovlnným a dielektrickým ohřevem.

Výklad Indukční pece Indukční pece vyuţívají způsob indukčního ohřevu uvedeného dříve. Indukční pece jsou rozděleny na: Pece s ţelezným jádrem – kanálkové pece. Pece bez ţelezného jádra – kelímkové pece. Indukční pece se vyuţívají pro tavení materiálů, pro ohřevy pro tváření materiálů, pro tepelné zpracování materiálů. Pece jsou napájeny proudem o nízkém nebo středním kmitočtu. V následujících odstavcích jsou popsány jednotlivé typy indukčních pecí. Indukční pece s ţelezným jádrem Indukční pece s ţelezným jádrem je zařízení, jehoţ základem je transformátor s uzavřeným ţelezným jádrem a primární cívkou připojenou na síť s příslušným kmitočtem. Sekundární část transformátoru je tvořena kanálkem, který je vyplněn roztaveným kovem a tvoří závit spojený nakrátko. Tyto pece se pouţívají pro tavení barevných kovů – mědi a jejich slitin, niklu, hliníku, případně litiny, nicméně i pro výrobu oceli – vakuování oceli, nebo se můţe předehřívat surové ţelezo před dalším zpracováním (např. v kyslíkovém konvertoru) Výhody indukčních pecí s ţelezným jádrem jsou následující:



Nedochází k nauhličení roztavené lázně (jak k tomu dochází u obloukových pecí, které vyuţívají pro tavení elektrody),



Vsázka se víří, tudíţ dochází k dokonalejšímu promíchávání materiálů - lepší homogenita.

Indukční pece s ţelezným jádrem jsou napájeny z jednofázového generátoru s nízkým kmitočtem (5 aţ 10 Hz). Pecní cívka se připojuje na fázové nebo sdruţené napětí. Při procesu hladina tavící se vsázky není vodorovná, ale je šikmá (vyšší) na vnějším okraji ţlábku. Tak je vyvolán pohyb vsázky a dochází k promíchávání materiálu. Příkon pece musí být dostatečným, aby se vsázka roztavila a promíchávala. Pokud příkon pece je špatně nastaven – dosáhne tzv. kritické hodnoty proudu – dojde k neţádoucímu účinku – tzv. uskřipovací jev. Při tomto jevu dochází k přerušení souvislého prstence roztaveného kovu, přestávají působit elektrodynamické síly (které způsobují promíchávání vsázky) a prstenec roztavené vsázky se spojuje a vznikají proudové rázy, které znemoţňují správný chod pece. Z tohoto důvodu se konstruují indukční pece s ţelezným jádrem se zakrytým kanálkem, zapuštěným na dno pece. Schématické znázornění a popis kanálkové pece je na obr. 11.1. Tavenina je umístěna v kotlíku s ohnivzdornou vyzdívkou (5). Pod kotlíkem je uloţena primární cívka (4), navinutá na feromagnetickém jádru (2). Induktor z ohnivzdorného materiálu je obepnut jedním nebo několika kanálky (3), které ústí do taveniny. Roztavený kov uvnitř kanálku vytváří sekundární závit nakrátko a vlivem elektrodynamických sil proudí z kanálků do taveniny, hydrostatickým tlakem natéká do kanálku kov nový. Tímto způsobem je vsázka intenzivně promísena.

Obr. 11.1 Kanálková indukční pec 1 - izolace 4 - primární cívka 2 - jádro transformátoru 5 - ţárovzdorná vyzdívka, 3 - kanálek 6 - tavící prostor,

Teplo pro tavení vsázky vzniká pouze ve vsázce nacházející se v kanálku. Působení elektrodynamického tlaku je kov z kanálku plynule vytlačován do nístěje a chladnější kov z nístěje vtéká do kanálku. Tím se přenáší teplo z kanálku do celé vsázky v nístěji. Vsázka pro tyto pece musí obsahovat jak pevnou část, tak předem připravenou taveninu. Tavenina je připravena v jiném zařízení předem nebo se ponechá část „předešlé“ tavby. Tekutá vsázka pak tvoří 10 aţ 30 % kapacity pece. Elektromagnetické energie, která vzniká při činnosti indukční pece s ţelezným jádrem se přeměňuje v tepelnou energii v kanálku. Ostatní vsázce se předává teplo konvekcí a vedením. Pece jsou vyzděny vyzdívkou, jeţ zamezuje sniţování ţivotnosti pece. Vyzdívka pece je tlustá, protoţe se tím sniţují tepelné ztráty a zlepší pracovní podmínky pece – například vsázka zůstane déle teplá při výpadku proudu po několik hodin. Správná vyzdívka prodluţuje ţivotnost pece o několik měsíců. Vyzdívka kanálku kolem induktoru je naopak co nejtenčí, aby se nesniţovala elektrická účinnost pece. Kanálek je velmi namáhanou částí pece, proto ţivotnost vyzdívky je menší, neţ ţivotnost vyzdívky celé pece. Proto se kanálky konstruují odnímatelné, aby mohlo dojít k výměně vyzdívky. Indukční pece s ţelezným jádrem mají dobrou elektrickou účinnost (zhruba 85 aţ 95 %) a malé ztráty propalem (pod 1 %). Celková účinnost indukčních pecí kanálkových pecí je v rozmezí 70 aţ 80 %.

Obr. 11.2 Indukční středofrekvenční tavicí pec pro tavení šedé litiny, Roučka Slévárna, a.s.

Indukční pece bez ţelezného jádra Indukční pece bez ţelezného jádra nazýváme pecemi kelímkovými. Kelímek ze ţárovzdorného keramického materiálu je umístěn uvnitř válcového induktoru. Pec nemá ţelezné jádro, magnetické siločáry se uzavírají vzduchem, energie v procesu se ztrácí a tím je účinnost pece niţší.

Indukční kelímková pec s nevodivým kelímkem Tato indukční pec můţe být provedena ve třech variantách 

s vodivým stínicím pláštěm,



bez stínícího pláště,



se ţelezným jádrem vně cívky.

Indukční pec kelímková s nevodivým kelímkem je znázorněna na obr. 11.3. V cívce je umístěn kelímek (keramický materiál). Stínicí plášť je proveden z měděného plechu, nebo ocelového pláště se svazky z transformátorových plechů. Cívkou (Cu materiál) prochází proud o kmitočtu 500 aţ 10 000 Hz plus proud síťového kmitočtu. Cívka vyzařuje do vnitřní dutiny elektromagnetické vlnění, které dopadá kolmo na vsázku, která je umístěna v kelímku. Vsázka se díky pohlcení elektromagnetického vlnění ohřívá. Dutinou cívky prochází magnetický tok, který se uzavírá vně cívky. Je potřeba, aby intenzita magnetického pole vně pece byla co nejmenší, aby nedocházelo k zahřívání nosné konstrukce. Proto je celé zařízení stíněno stínicím pláštěm.

Obr. 11.3 Indukční pec kelímková fy. Stinchcombe Furnaces Group, s.r.o. Indukční kelímková pec s vodivým kelímkem Indukční pec s nevodivým kanálkem má nízkou elektrickou účinnost při tavení dobře vodivých materiálů, jako je měď a její slitiny, hliník a jeho slitiny. Elektrické účinnost však stoupne, pokud pec opatříme vodivým kanálkem. Kelímky se zhotovují s různých materiálů – pro niţší teploty tavení – např. pro hliník a jeho slitiny je kelímek z ocelelolitiny. Pro vyšší teploty tavení se pouţívají grafitové kelímky – směs šamotu a grafitu. Mezi kelímkem a cívkou je keramická izolační vrstva, která zmenšuje ztrátový tepelný tok ze ţhavého kelímku do chladicí vody. Zavedeme-li do cívky proud, vzniká elektromagnetické vlnění, které atakuje povrch vodivého kelímku, vstupuje do jeho stěny, indukuje proud v jeho stěně a jeho průchodem se kelímek zahřívá. Zahřátý kelímek předává teplo vsázce. Porovnávání indukčních pecí

Účinnost pece se ţelezným jádrem je o cca 5 % vyšší, neţ u pece se stínícím pláštěm. kaţdé zvýšení účinnosti vede ke úspoře elektrické energie, zvláště u velkých pecí s nepřetrţitým provozem. Provedení indukční kelímkové pece se ţelezným jádrem je technicky „dokonalejším“ řešením, nicméně výrobně je tato pec draţší. Její provoz je rovněţ nákladnější zvláště pokud dojde k protavení kelímku, které můţe zapříčinit poškození či zničení pece. PŘEDNOSTI A NEDOSTATKY INDUKČNÍCH PECÍ Přednosti: 1. Tavení v libovolné atmosféře, nebo vakuu – tzn. Výroba různých značek oceli 2. Minimální ztráty legur. 3. Chemická homogenita a rovnoměrná teplota taveniny. 4. Tavení je bez elektrod. 5. Bezhlučný provoz, provoz bez imisí. Nedostatky: 1. Struska má niţší tepotu, neţ tavenina aţ o 200 K, protoţe se ohřívá aţ od kovu. 2. Nízká ţivotnost vyzdívky. 3. Vyšší náklady na elektrické vybavení agregátu. 4. Niţší výkonnost pece.

Elektronové pece Elektronové pece pouţíváme pro tavení materiálu. Elektrická energie se mění v kinetickou energii elektronů, emitovaných katodou a urychlovaných v elektrickém poli mezi katodou a anodou. Pohybová energie elektronů se při nárazu na povrch ohřívaného materiálu přemění v energii tepelnou. Elektrony po dopadu na povrch ohřívaného materiálu pronikají do jeho krystalické mříţky, sráţejí se s atomy i volnými elektrony. Hloubka průniku je pak kolem 10-6 aţ 10-7m. Energie elektronů se pohlcuje v tenké povrchové vrstvičce a vyvíjené teplo se do materiálu šíří vedením. Pokud se jedná o roztavenou hmotu, pak kromě vedení se zde uplatňuje i konvekce, příp. sálání. Elektrony, které jako první pronikly do vsázky, jsou působením atomů kovů urychlovány ze své dráhy. Můţe se stát, ţe elektron můţe opustit kov, aniţ by mu předal veškerou svou původní energii. Poměr mezi mnoţstvím odraţených (sekundárních) elektronů a mnoţstvím prvotních (primárních) elektronů definuje koeficient odrazu kN. Hodnota koeficientu se pohybuje v rozmezí 0,2 aţ 0,5; je funkcí atomového čísla daného kovu. Energie odraţených elektronů je řádově srovnatelná s energií elektronů prvotních. Protoţe však některé elektrony nepředají veškerou svou energii zavádí se tzv. střední hodnota energie odraţených elektronů EOD a součinitel kE, který je rovněţ funkcí atomového čísla jednotlivých kovů a nepřevyšuje hodnotu 0,35 aţ 0,45.

Celkové energetické ztráty v důsledku odrazu elektronů se pro kovy s atomovým číslem menším neţ 75, pohybují do 0,2. Elektronové dělo Je zařízení, ve kterém se svazek elektronů emituje katodou, urychluje v elektrickém poli a usměrňuje v magnetickém poli na ohřívaný kov. Katoda je zhotovena z wolframu a je přímo nebo nepřímo ţhavená, její ţivotnost je 10 aţ 100 provozních hodin. Konstrukční uspořádání elektronového děla:  Axiální systém,  Systém prstencové katody blízké nebo vzdálené,  S příčným elektronovým paprskem. Axiální elektronové dělo Hlavní katoda je ve tvaru disku a je ohřívána elektrony, které dopadají z vlákna pomocné katody. Napětí mezi katodou a anodou urychluje tok tepelně emitovaných elektronů. V zoně formování svazku musí být zajištěn podtlak 10-3 Pa, pro stabilní práci děla. Katoda, fokusující elektroda a anoda fromují svazek elektronů, který pak vystupuje otvorem anodě. První magnetická cívka umoţňuje elektronovému svazku projít beze ztrát komorou vakuového uzávěru. Uzávěr dovoluje otevírat pec bez ztráty vakua v systému elektronového děla. V dolní části děla jsou další usměrňovací cívky a vychylovací zařízení. Svazek elektronů je vychylován, aby nedošlo k přehřívání vsázky, z důvodu velké hodnoty hustoty tepelného toku – pro tavení oceli – 5 MW.m-2.

Obr. 11.4 Elektronové dělo.

Elektronové tavicí pece Tyto pece jsou pouţívány k přetavování kovů. Obecně se pece skládají z těchto částí:elektronové dělo – pracovní komora – krystalizátor – mechanismy pro podávání přetavovaného materiálu a vytahování ingotu – vakuový systém – vodní chlazení – otvor na pozorování vsázky.

Výchozím materiálem, určeným pro přetavování (rafinaci) kovů (materiálu) můţe být ingot nebo tyčový materiál. Po vytvoření potřebného vakua nastává emise elektronů a elektronový paprsek je směrován na přetavovaný materiál a povrch ingotu. Materiál se začíná tavit a po kapkách padá do měděného krystalizátoru s vodním chlazením. Z těchto kapek se vytváří ingot, který je plynule vytahován ze spodní části krystalizátoru. Tohoto způsobu se pouţívá pro materiály vysokotavitelné jako je wolfram, molybden, tantal, niob, nebo polovodiče, které musejí být vysoce čisté. Jsou pece, které mají dvě elektronová děla, tak jedno je vyuţíváno pro tavení podávaného materiálu a druhé ohřívá povrch taveniny v krystalizátoru. Pece mají obvykle výkon 7,5 MW, vsázka se pohybuje okolo 100 t. Výhody elektronového přetavování:  Na povrchu je vysoké vakuum, tzn., ţe dosahujeme vysoké čistoty,  Tavení je kontrolovatelné a regulovatelné, zvláště je regulovatelný přísun vsázky,  Tavení lze udrţovat na libovolné pracovní teplotě,  Tavení jako proces lze sledovat opticky. Nevýhody:  Zvýšené vypařování kovů,  Nízká účinnost, vysoká měrná spotřeba energie,  Při procesu vzniká rentgenové záření. Účinnost elektronové pece. Účinnost je dána účinností elektrickou a tepelnou. Do elektrické účinnosti je zahrnuta účinnost zdroje vysokého napětí (85 aţ 95 %), elektronového děla (96 aţ 98 %) a přeměny kinetické energie elektronů v energii tepelnou (80 aţ 90 %). Celková hodnota elektrické účinnosti je 60-80 %. Tepelná účinnost zahrnuje ztráty tepla sáláním a vypařováním z povrchu lázně a ztráty tepla vedením přes ingot. Všechny ztráty rostou s teplotou taveniny a s dobou přetavování. Proto je vhodné stanovit vhodnou dobu přetavování a optimální teplotu v souladu s technologickými poţadavky, ale rovněţ s poţadavky energetickými. Tepelná účinnost pece není vyšší neţ 15 %, takţe celková účinnost se pohybuje v rozmezí 8 aţ 12 %.

Plazmové pece V plazmových pecí je plazma, jako zdroj energie, elektricky vodivá, má velkou tepelnou kapacitu i vodivost a působí na ni účinky elektrického a magnetického pole. Rozeznáváme nízkoteplotní plazmu (teplota 103 aţ 104 K) a vysokoteplotní plazmu (teplota 105 aţ 108 K). Zařízení pro přeměnu elektrické energie v energii tepelnou pro

nízkopotenciální plazmu se nazývají plazmové hořáky (plazmatrony). Plazmový hořák vyuţívá elektrický oblouk koncentrovaný tryskou a aerodynamickým účinkem plazmatvorných plynů. Podstatou ionizace ve výboji je vznik elektronových lavin, který má řetězový charakter. Plazmatrony s plynovou stabilizací elektrického oblouku pracují se stejnosměrným proudem o vysoké intenzitě, nebo se střídavým proudem. Plazmatvorným plynem můţe být – argon, helium, dusík, vodík, nebo směs plynů – argon a vodík, argon a helium, argon a dusík, vzduch, vzduch + zemní plyn. Tyto plyny, či směsi jsou vybírány podle technologie a poţadavku ochranných a technologických atmosfér (oxidační, redukční, neutrální). Typy plazmových hořáků:  S nezávislým elektrickým obloukem – taví i elektricky nevodivé materiály,  Se závislým elektrickým obloukem – nejčastěji vyuţívané v metalurgii. Tělo hořáku musí být intenzivně kontinuálně chlazeno vodou, elektrody jsou wolframové.

Technické aplikace plazmových hořáků. Tyto hořáky lze pouţít rovněţ v těchto oblastech. Nanášení materiálu – přídavný materiál je přiváděn ve formě drátu, nebo prášku. Prášky jsou nanášeny na kovové plochy. Pouţívají se hořáky se závislým i nezávislým obloukem. Hořáky pracují s pomocným plynem. Pomocný plyn dodává stále nové částice a nutí výboj, aby hořel v ose plazmového hořáku. Vznikne kondenzovaný výboj a menším průměrem, s vyšším napětím, a teplotou. Příkladem můţe být argon, nebo dvouatomové plyny. Svařování – dopadne-li plasma na materiál, dochází ke slučování atomů za současného uvolňování velkého mnoţství tepla. Vysokofrekvenční zapalovací zařízení zapálí hořák, kterým se zapálí pomocný oblouk. Dojde k ionizaci sloupce plynu mezi tryskou a materiálem. Poté se vytvoří hlavní oblouk mezi wolframovou elektrodou a materiálem. Svar se vytváří navedením hlavy hořáku po návarových plochách. Proud plazmy musí procházet volně z materiálu. Svar vznikne spojením roztaveného kovu teprve po oddálení plazmového hořáku. Tento způsob svařování se uplatňuje především při svařování tenkých a legovaných plechů. Při tomto způsobu svařování se ohřívají jen malé plochy plechu, čímţ vznikají malá pnutí a deformace v materiálu. Řezání – je analogické svařování materiálu. Rozdíl je v tom, ţe proud plynu z tryska hořáku má vyšší rychlost. Dochází tak k odstanění tekutého kovu z řezné spáry a při oddálení plazmového hořáku nedochází k jeho spojení. Jako pomocný plyn se pouţívá dusík, který je veden spirálově kolem oblouku. Oblouk se více koncentruje a stabilizuje. Tepelné namáhání materiálu je menší, neţ při klasickém řezání (dělení) materiálu. Šířka řezu je malá a odpadá přídavek materiálu na dodatečné opracování. Chemické reakce, které probíhají běţně při atmosferickém tlaku je moţné vyuţívat plazmových ohřevů tam, kde je poţadovaná vysoká teplota. Vyuţívá se při syntézách chemických sloučenin, při výrobě acetylénu, kyanovodíku apod.

Tavení materiálu – probíhá v plazmových pecích, které jsou popsány v následujících odstavcích.

Plazmové tavicí pece s ţárovzdornou keramickou vyzdívkou Tyto pece pracují podobně jako obloukové pece – elektrody jsou nahrazeny plazmovým hořákem. Vodou chlazená katoda plazmatronu ze slitiny na bázi wolframu je chráněna před struskou a rozţhaveným kovem měděnou tryskou, která je navíc chlazena vodou. V nístěji pece je umístěna chlazená elektroda (anoda). Pecní prostor je utěsněn pískovým uzávěrem, aby bylo moţné tavit v inertní atmosféře. Tvar i vyzdívka pracovního prostoru jsou obdobné, jako u obloukových pecí. Pec je vybavena zařízením pro elektromagnetické míchání vsázky, aby nedocházelo k místnímu přehřívání vzniklé taveniny. Hořáky plazmových pecí mohou být umístěny pod určitým úhlem (např. 45°), které jsou zabudovány do bočních stěn. Pec má tak dvakrát menší ztráty tepla chladicí vodou a vyšší účinnost. Účinnosti pecí závisí na způsobu provozu, nejčastěji se pohybují okolo 20 %, přičemţ chladicí vodou se ztrácí cca 40 % celkového příkonu pece.

Plazmové pece s vodou chlazeným krystalizátorem Tyto pece jsou podobné pecím elektronovým. Namísto elektronových děl jsou pouţity plazmatrony a pec pracuje s tlakem blízkým tlaku atmosférickému. Tyto pece jsou vhodné pro přetavování jakostních ocelí i kovů a slitin s vysokou teplotou tavení. Pec je sestrojena s vlastní tavicí komory a měděného krystalizátoru a plazmatronu. Nad ní je komora pro umístění přetavovaného materiálu v dolní části je pak prostor pro chladnoucí not. Přetavovaný kov se podává mechanismem s osovým a otáčivým pohybem. Pec má systémy pro vytvoření vakua, prochlazení krystalizátoru a dalších částí pece a další zařízení pro pomocný plyn (cirkulace, čištění, rozvod). Výhody plazmových pecí:  Pouţití libovolné pracovní atmosféry,  Nejsou pouţívány elektrody pro přetavování,  Menší vypařování kovu,  Vysoká a snadno regulovatelná teplota  Rychlé tavení, vysoká koncentrace energie Nevýhody plazmových pecí:  Nízká ţivotnost plazmových hořáků,  Nebezpečí proniknutí chladicí vody do prostoru pece při zapálení trysky.

Ohřívací pece Ohřívací pece se vyuţívají z průmyslových závodech všude tam, kde je potřeba před technologickým zpracováním materiál ohřát na určitou teplotu. Většinou se jedná o metalurgické provozy válcovny a kovárny. Ohřevem materiálu se materiál (kov) stává plastičtější, má niţší deformační odpory. Teplota před tvářecími pochody musí být dostatečně velká na to, aby během dopravy od místa ohřívací pece k zařízení nedošlo k výraznému poklesu teploty. Zároveň ohřevem matriálu nesmí dojít k přílišné oxidaci materiálu. Proto kaţdý materiál má své technologické podmínky ohřevu v kontextu s konstrukcí ohřívací pece s jeho následným vyuţitím. Hlubinné pece Hlubinné pece jsou uzpůsobeny konstrukčně pro ohřevy ingotů před jejich válcování. Ingoty mají různé tloušťky – nejčastěji s tlušťkou 0,4 m. Ingot s hmotností cca 10 tuny se musí ohřívat symetricky, ze všech stran. Ohřev by měl být rovnoměrný, aby nedocházelo k vnitřním pnutí. Hlubinné pece mají různé konstrukční uspořádání, různé zdroje tepla (plyn, odporový ohřev), mohou mít zařízení pro předehřívání spalovacího vzduchu, případně paliva. Typy hlubinných pecí: a) jednocestné – v čelní straně jsou umístěné hořáky spolu s odtahem spalin, b) dvoucestné – v protilehlých stranách jsou umístěné hořáky spolu s odtahy. Pokud jsou umístěné dva hořáky, pak jsou označovány jsou dvousmyčkové, se čtyřmi hořáky jako čtyřsmyčkové. Konstrukční uspořádání: Hlubinnou pec tvoří dvě komory, umístěné vedle sebe. Komora, do které se sází materiál k ohřevu, by měla obsahovat vţdy materiál stejné značky oceli a měla by být zaplněna beze zbytku. Hmotnost ingotů, které se sází do hlubinné pece je závislá na velikosti nístějové plochy. Je ţádoucí, aby součinitel zastínění nístěje byl v rozmezí 35 aţ 45 %. Je-li součinitel menší neţ 35 % není kapacita pece plně vyuţita a její měrná výkonnost je nízká. Při součiniteli vyšším neţ 45 % se ingoty ohřívají nerovnoměrně, zvláště po průřezu ingotu. Velikost nístějové plochy se obecně ohybuje v rozmezí 15 aţ 30 m2, velikost vsázky 60 aţ 150 t s příkonem aţ do 12 MW. Měrná potřeba tepla a měrná výkonnost je v korelaci s teplotou vsázky. Teplota vsázky souvisí s entalpií dané vsázky. U teplé vsázky vzrůstá výkonnost pece, protoţe klesá měrná spotřeba tepla na její ohřev přímo v peci.

Reţimy hlubinné pece: Teplotní a tepelný reţim hlubinné pece je proměnný, nestacionární. Průběhy teplot – pece, povrchu ingotu a centra ingotu, příkon pece. Pece vyuţívají dvojfázový ohřev materiálu. V první fázi – přivádí se maximální mnoţství tepla, teplota pece roste. Druhá fáze je fáze vyrovnávací, teplota pece se nemění, postupně se sniţuje příkon pece. Příkon pece se musí

zvolit tak, aby se zajistil dostatečný rychlý ohřev vyzdívky komory i povrchu ingotu. Při malém příkonu se fáze ohřevu neúměrně prodluţuje. Stejně tak, příliš vysoká hodnota příkonu je nevyhovující, protoţe dochází k propalu materiálu. U studené vsázky pak roste rozdíl tepot mezi povrchem a středem materiálu a dochází k vnitřním pnutím. Nejčastěji se hodnoty příkonu pohybuje v rozmezích 0,33 aţ 0,55 MW.m-2 plochy nístěje. U studené vsázky pak roste rozdíl tepot mezi povrchem a středem materiálu a dochází k vnitřním pnutím. Proto se např. studené ingoty speciální (vysocelegované oceli) – ohřívají třífázové, v první fázi – předehřívací, se pracuje se sníţeným příkonem, aby nedocházelo k pnutím. Nad teplotu cca 600 % °C je ocel v plastickém stavu, nemůţe dojít k porušení materiálu a rychlost ohřevu se zvyšuje. Při ohřevu materiálu v hlubinné peci dochází k oxidaci, které můţe dosáhnout aţ 2 %. Vzniklé okuje odpadávají na nístěje pece a musejí být odstraňovány. Pokud není nístěj pravidelně čištěna od okují, pak se pracuje s nárůsem půdy aţ do výšky 1,2 m. Pak se pec odstaví a okuje (struska) se odstraní. Nístěj se rovněţ vyzděna ţárovzdorným materiálem, která s okuji nereaguje. V nístěji je pec, kde jsou okuje (struska) odstraněny průběţně pod pec. Vyzdívka hlubinné pece: Nístěj se vyzdívá magnezitem, chrómmagnezitem, nebo korundem. Stěny pece jsou dinasové, přechod mezi dinasem a magneziem tvoří šamot. Ţárovzdorná vyzdívka je dvou aţ třídílná. Pod pracovní vrstvou se nachází vrstva šamotová a pod ní izolace z lehčeného šamotu. Nejvíce tepelně a mechanicky namáhanou částí pece je víko, jehoţ ţivotnost je výrazně niţší neţ u samotné pece. Víko je vyzděno šamotem. Těsnění mezi víkem a stěnami je provedeno ţlábkem s křemičitým pískem. V současnosti lze nalézt i jiné typy vyzdívky – ţárobeton s pojivem hydraulickým, nebo chemickým, vláknité materiály apod. Zdivo je potřeba udrţovat.

Obr. 11.5 Hlubinná pec s odporovým ohřevem Komorové pece Komorové pece se uţívají v provozech zpracovávajících tvarově i rozměrově různou vsázku, jak je tomu v kovárnách a lisovnách. Ohřívá se v nich materiál o hmotnosti řádově desetin kg aţ stovek t. Rozmanitost Vsázky vedla ke konstrukci různých typů komorových pecí. Rozeznávají se dvě základní provedení:

 s pevnou nístějí  s pohyblivou nístějí /vozové pece/ Pohyblivá nístěj, která vyjíţdí z pece po kolejnicích, slouţí ke snadnějšímu sázení i taţení vsázky. Znamená to, ţe pece s výjezdnou nístějí mohou mít větší půdorysné rozměry, délka je aţ 20 m, šířka do 6 m. Výška komorových pecí nepřesahuje 5 m. V komorových pecích se ohřívá vsázka různé jakosti, tvaru i hmotnosti, a proto je měrná spotřeba tepla vysoká a kolísá od 3 do 7 MJ . kg-1. Měrná výkonnost nebývá větší neţ 150 aţ 250 kg . m-2 . h-1. Spaliny mají v celém pracovním prostoru pece přibliţně stejnou teplotu. Nelze proto dostatečně vyuţít při ohřevu jejich entalpie a teplota odpadních spalin je vysoká. Z toho vyplývá, ţe tepelná účinnost komorových pecí je nízká (10 – 30%/), zvláště, není-li vyuţito předehřevu spalovacích sloţek. Spaliny odvádějí aţ 65% z celkového mnoţství přivedeného chemického tepla. Rozdělení podle tepelného reţimu: Jedná se o pece, které pracují stacionárně nebo nestacionárně. Stacionární pece ohřívají větší mnoţství drobnějšího materiálu. Jsou to pece s pevnou nístějí, materiál se vsází ručně. Nestacionárně pracující pece se materiál sází najednou a najednou se i vytahuje. Vyzdívka komorové pece: Vyzdívka je nečastěji šamotová s dostatečnou tepelnou kapacitou. Vyzdívka musí být dokonale izolována, aby byly malé ztráty tepla do okolí. Tvarovky ze šamotu lze nahradit ţárobetonem. Reţim vytápění komorové pece: Komorové pece jsou vytápěny plynem. Hořáky v peci se volí tak, aby nedošlo k přehřátí vsázky a tím k jejímu poškození. Dále musí být zajištěno rovnoměrné rozdělení teplotního pole v peci, proto se instalují hořáky malých výkonů, které jsou umístěny těsně nad nístějí. U větších pecí jsou pořádky také pod klenbou pece. Materiál je uloţen na podloţky, takţe spaliny mohou proudit kolem vsázky, proto necháváme mezery 100 aţ 200 mm.

Strkací pece Strkací pece se vyuţívají ve válcovnách pro ohřev sochorů a bram do hmotnosti 40 tun. Pece mohou slouţit i pro malé ingoty. V strkací peci se uplatňuje protiproudý systém pohybu vsázky a spalin. Předvalky (materiál) jsou potlačovány těsně vedle sebe pomocí tlačky. Odtah spalin je v blízkosti

sázecích dveří. To znamená, ţe pec je jako protiproudý výměník tepla – předání tepla je pak nejvyšší, účinnost pecí je 40 aţ 60 %. Teplotní reţim pecí: Strkací pec pracuje s konstantním tepelný i teplotním reţimem, nicméně po délce pece se teplota mění. Pec je po délce rozdělena na několik zón (pásma). Materiál se obvykle ohřívá třífázové – je část předehřívací, ohřívací, vyrovnávací, stejné názvy jsou pak pro názvy částí pecí. Předehřívací zóna - je na začátku pece, materiál je zde na vstupu do procesu. Teplota spalin se od začátku pece zvyšuje. Ohřev předvalků je pomalejší, nedochází k tepelným pnutím. Pak se ohřev vede tak, aby byl optimální rozdíl (teplotní spád) mezi povrchem materiálu a středem byl nebyl překročen. Druhou funkcí předhřívacího pásma je dokonalé vyuţití tepla spalin. Do zóny se přivádí pouze malá část z celkového tepelného příkonu, nebo se v pásmu netopí vůbec. Studený kov odebírá teplo spalinám a jejich teplota prudce klesá. Na začátku zóny převládá konvekce, na konci zóny převládá sálání. Správná volby výše teploty odcházejících spali je tedy velmi důleţitá. Při niţší hodnotě se sniţuje celkový součinitel přestupu tepla na vsázku a prodluţuje se doba setrvání materiálu v peci v této zóně. Ohřívací zóna – jejím úkolem je rychlý ohřev povrchu předvalků na poţadovanou teplotu ohřevu. Teplota spalin v této zóně převyšuje teplotu ohřevu o cca 150 K, teplota pece v této zóně můţe být aţ 1400 °C. Při výstupu z ohřívací zóny jsou předvalky ohřáty nerovnoměrně, protoţe rozdíl teplot mezi centrem a povrchem je značný. Proto předvalky jsou tzv. zóně vyrovnávací. Tam dochází k vyrovnání teplot mezi centem a povrchem tak, aby předvalky mohly být válcovány. Transport materiálu v peci: V peci je materiál posouván po kluznicích tlačkou. Kluznice pracuje v obtíţných podmínkách – musí odolat vysokým teplotám v peci, mechanickým nárazům, chemickému působení okují a pecní atmosféry a musejí být otěruvzdorné. Vyuţívají se kluznice keramické nebo kovové. Keramické kluznice jsou to elektrotavené kameny s vysokým obsahem oxidu hlinitého, mullitokorundové nebo zirkonokorundové materiály. Jsou chlazeny vodou. Kovové kluznice jsou nejrozšířenější, základem je trubka s tloušťkou stěny aţ 2 cm, kruhového, čtvercového, nebo obdélníkového průřezu. Uvnitř trubky proudí chladicí voda. Teplota chladicí vody by neměla překročit 40 °C, jinak dochází k usazení vodního kamene. Zároveň by měla být optimální rychlost prodění chladicí vody, protoţe při pomalém průtoku vody dochází k tvorbě parních blán a tím k zabránění odvodu tepla z kluznice. Přerušení dodávky chladicí vody má za příčinu deformaci kluznice. Vytápění strkací pece:

K vytápění se pouţívá zemní plyn, směsný plyn nebo topný olej. Pouţije-li se topný olej je přenos tepla intenzivnější, ale můţe docházet k místnímu přehřátí vsázky, zvyšuje se opotřebení vyzdívky, a protoţe topný olej obsahuje i určité procento síry, zvyšuje se také opal. Pokud se topný olej pouţije, pak pouze v předehřívací a ohřívací pásmo. Ve vyrovnávací zóně se topí zemním plynem. Hořáky se umísťují v čelních stranách, na klenbě, někdy na bočních stěnách. Jednotlivé zóny mají své umístění hořáků. Vyzdívka strkací pece: Stěny a klenby pece jsou vyzděny šamotem, který je nanesen torkretováním. Vyzdívka nístěje vyrovnávacího pásma se dříve vyzdívala chrommagnezitem, v současnosti je to elektrotavený korund. Korundovými bloky se vykládá nístěj, které jsou pokračováním kluznic. Způsob sázení materiálu do pece: Předvalky se sázejí do pece v jedné, nebo více řadách, mezera mezi řadami je asi 30 cm. Taţení materiálu z pece se provádí buď čelními, nebo bočními dveřmi. Krokové pece Konstrukčně jsou krokové pece a pece strkací podobné, v současnosti krokové pece vytlačují z provozů válcoven pece strkací. Sortiment vsázky je stejný jako u strkacích pecí. Základní rozdíl je ve způsobu pohybu ohřívaného materiálu. Pohyb materiálu se uskutečňuje pomocí krokovacího zařízení, které má pohyblivé a nepohyblivé části. Při ohřevu vsázka leţí na nepohyblivých podélnících. Během přemisťování se vsázka pohyblivými trámci nadzvedne, přenese dopředu a pustí zpět na trámce nepohyblivé. Pohyblivé podélníky potom provedou pod předvalky zpětný chod. Pohybové schéma je pravoúhlé – obdélníkové: zvedání, pohyb vpřed, upuštění, pohyb zpět. Krokovací zařízení pohánějí elektromotory, nebo pohony hydraulickými válci. U hydraulického pohonu lze snadněji měnit velikost „kroku“. Vyzdívka krokové pece: Vyzdívka je pěchována, nebo sestavena ze segmentů. Tvarovky nejsou vyuţívány, neboť mají menší trvanlivost a odolnost vůči okujím. Vyzdívka můţe být dvouvrstvá, kde horní vrstva je z kvalitnějšího materiálu. Pro předehřívací část pece se pouţívají materiály s obsahem oxidu hlinitého kolem 40 %. Pro úseky s vyšší teplotou je to 70 %, nebo je vyuţíváno chromitu.

Sázení materiálu do pece: Sázení je boční nebo čelní. Při čelním zaváţení se pouţívá tlačky, která přemísťuje předvalek z roštu na pevné trámce. Nebo se vsázka odebírá přímo z dopravníku pohyblivými trámci. Čelní sázení umoţňuje kontrolu polohy vsázky. Boční sázení se provádí válečkovým dopravníkem, umístěným v peci. Válečkový dopravník je poháněn motorem. Celý systém je

řízen podle délky sochoru. Vytáhnutí ohřátého materiálu z pece je výhradně boční stěnou pece pomocí výstupního válečkového dopravníku. Porovnání krokových pecí ve srovnání s pecemi strkacími: Výhody:  moţnost ohřevu rozměrově různorodého materiálu bezprostředně za sebou.  Snadné odlišení jednotlivých značek ocelí  Vsázka se nevrství a nepřilnívá,  Povrch materiálu není mechanicky poškozován, nístěj se neotírá.  Menší teplotní rozdíl mezi povrchem a centrem materiálu.  Nízký opal a oduhličení vsázky  Snadné vyprazdňování pece Nevýhody:  Vyšší měrná spotřeba tepla,  Vyšší investiční náklady,  Náročnější údrţba,  Větší potřeba chladicí vody. Karuselové pece Karuselová pec je ohřívacím zařízením vyuţívané ve válcovnách pro ohřev trub. Vsázka (trubky) se ukládá na otočnou nístěj ve tvaru mezikruţí a postupně prochází jednotlivými ohřívacími pásmy pece. Konstrukce karuselové pece: Odtahy spalin jsou umístěny v blízkosti sázecích dveří. Vyuţívá se protiproudého systému pohybu vsázky a spalin. Dveře pro vytaţení ohřáté vsázky se nacházejí v blízkosti dveří sázecích. Úhel mezi osami sázecího a vytahovacího otvoru se pohybuje od 10 do 35 ° a musí být mezi nimi dělící přepáţka. Manipulace s materiálem je prováděna automaticky, pomocí ramen či kleští v souladu s pohyblivou nístějí. Předvalky jsou proto od sebe vzdáleny a tak ohřev probíhá rovnoměrně. Vsázka se nepohybuje. Velikost pracovního prostoru je dána výkonností pece, reţimem ohřevu, způsobem uloţení a rozměry vsázky, typem pouţitých hořáků. Výška pece je do 2 m. Jednotlivá pásma jsou oddělena zavěšenými přepáţkami. Nístěj je na spodní straně opatřena pojezdovými koly, pohybující se po kolejnicích, upevněných na konstrukci pod pecí. Způsob vytápění:

Karuselové pece jsou vytápěny plynnými i kapalnými palivy. Hořáky jsou umístěny na vnější boční stěně, nebo oboustranně. Hořáky jsou vířivé, nebo vysokorychlostní, nebo hořáky s radiálním šířením plamene. Hořáky jsou regulovány v závislosti na reţimu ohřevu a typu ohřívaného materiálu. Vyzdívka karuselové pece: Vyzdívka stěn a klenby pece není příliš namáhána teplotně ani mechanicky. Provedení je dvouvrstvé – šamot a izolace. Je sestavena ze segmentů. Vyzdívka nístěje musí odolávat působení okují a nárazům materiálu, změnám teplot. Vyzdívá se bazickými vyzdívkami – magnezit, chrommagnezit. Výhody karuselových pecí:  Rovnoměrný ohřev materiálu,  Nepohyblivá vsázka, nízký opal,  Dobrá regulace tlaku v peci  Malé nároky na údrţbu, dlouhá ţivotnost. Nevýhody karuselových pecí:  Konečná délka ohřívaných předvalků,  potřeba většího prostoru pro umístění pece,  Sázecí a vytahovací dveře blízko u sebe, pohyb materiálu je komplikovaný vzhledem k technologii  Sázecí a vytahovací stroje (mechanizmy) jsou dodatečnými náklady. Měrná spotřeba tepla je 1450 aţ 2000 kJ.kg=1. Maximální výkon karuselových pecí je cca 150 t.h-1.

Pece pro tepelné zpracování U pecí pro tepelné zpracování záleţí ne technologii zpracování jednotlivých předvalků. Tepelné zpracování (ţíhání, kalení, popouštění) je charakterizováno teplotou ohřevu, dobou výdrţe na tuto teplotu a způsobem ochlazení materiálu. Jednotlivé fáze ohřevu, výdrţe a ochlazování se mohou několikrát opakovat (mnohofázový ohřev). Při tepelném zpracování se na materiál rovněţ působí i chemicky, proto pec musí mít zařízení pro tzv. řízené atmosféry. Teplota v pecích pro tepelné zpracování se odvíjí od způsobu tepelného zpracování. Od stovek °C do 1300 °C, nicméně u většiny pecí jsou pracovní teploty do 1000 °C. Doba výdrţe, která zajistí vyrovnání teplot ve vsázce s proběhnutím modifikačních změn, nebo difúzních procesů. Vyrovnávací fáze můţe trvat několik hodin. Ochlazovací fáze je dána chladicím prostředím (vzduch, vody, olej, řízená atmosféra, apod.). Pece pro tepelné zpracování jsou tedy velmi rozdílné. Rozlišují se pece s přímým a nepřímým ohřevem. U pecí s přímým ohřevem je vsázka v přímém kontaktu s pecními plyny. Spaliny mohou ovlivnit povrch ohřívaného materiálu. Proto je tento ohřev uţívaný jen

pro některé materiály (ţíhání otevřené, „černé“). Spalujeme-li nedokonale, pak lze ohřívat materiál přímo, aniţ by došlo ke vzniku okují. U pecí nepřímým ohřevem je materiál uzavřen v mufli a je tak chráněn před pecní atmosférou (neţádoucí). Spaliny své teplo předávají nepřímo. Taktéţ pece mohou být vytápěny sálavými trubkami, nebo elektricky odporově. Pak lze pouţít řízené atmosféry. Podle teplotního a tepelného reţimu dělíme dále pece na pece pracující periodicky nebo průběţně. U periodicky pracujících pecí se vsázka nepohybuje, teplotní a tepelný reţim je nestacionární. Poklopové pece U těchto pecí je vsázka uloţena na nepohyblivou nístěj a přikryta ochranným poklopem ze ţárovzdorné oceli. Tímto poklopem můţeme přivádět řízenou atmosféru. Na ochrannou mufli se nasazuje vyzděný topný poklop a hořáky (pro palivové pece), nebo topné odporové elementy. U plamenných poklopových pecí jsou hořáky umístěny po obvodu dolní části poklopu spolu s rozvodem spalovacích médií. Hořáky mají ventilátory na spalovací vzduch. Spaliny proudí ve směru tečny k povrchu ochranného poklopu. Spaliny jsou z pracovního prostoru odtahovány ventilátorem. V poklopu můţe být umístěn výměník tepla pro předehřev spalovacího vzduchu. Tyto pece mohou mít svisle umístěny také sálavé trubky. U odporově vytápěných poklopových pecí se odporové elementy rozmisťují po celé boční ploše topného poklopu. Výhodou elektrického vytápění je rovnoměrný a rychlý ohřev a přesnou regulaci teploty. Vyzdívka poklopu: Vyzdívka musí mít minimální hmotnost a malé ztráty tepla do okolí. Pouţívá se šamot, lehčený šamot. Můţe být vytvořena ze ţárobetonových prefabrikátů. Nevyzdívá se vláknitými materiály. Výtěţnost poklopové pece je cca několik tun za hodinu. Výkonnost jde ruku v ruce s pomalým vyrovnáváním teplot v materiálu. Průběţné pece Podle konstrukčního uspořádání dělíme průběţné pece na pece horizontální a vertikální. Horizontální pecemi se pás (materiál/vsázka) protahuje ve vodorovném směru, po opěrných válečcích. Ve věţových průběţných pecích se pás pohybuje střídavě nahoru a dolů, směr mění vratné válečky.

Srovnání průběţných a poklopových pecí. Průběţné pece mají tyto výhody:  Rovnoměrnost mechanických vlastností a struktury po délce i šířce.  Lepší jakost povrchu,  Lepší rovinatost pásů,

 Vysoká výkonnost pecí Konstrukční uspořádání: Pece se sestávají z vstupní, pecní a výstupní části. Ve vstupní části je zařízení pro dopravu pásů do pece a úpravu povrchu. V této části jsou odvíječky svitků, aby proces mohl běţet nepřetrţitě. Konec jednoho pásu se spojuje s počátkem pásu druhého. Spoje mezi pásy se svaří. Ve výstupní části je smyčkové zařízení, dělicí nůţky a dvě navíječky pásů. Počet jednotlivých sekcí pecní části se volí podle typu tepelného zpracování. Obvykle se volí sekce (pásma) – ohřívací, udrţovací, řízené ochlazování a rychlé chlazení. Horizontální pece: Hořáky jsou umístěné nad i pod jednotlivými pásmy. Pracují v ochranné atmosféře. Pece jsou vytápěny dvěma řadami radiačních trubek. Věţové pece: Tyto pece obsahují taktéţ sálavé trubky, jsou uloţeny horizontálně. Udrţovací sekce pece pro černé ţíhání je shodná se sekcí ohřívací. Výkon hořáků v udrţovací sekci je menší. Pokud je v této části řízená atmosféra, pouţívá se elektrické odporové vytápění. Sekce řízeného chlazení zajišťuje pokles teploty dle poţadavků technologie. Pásy se chladí vzduchem. Ohřátý vzduch se dále nezpracovává. Rychlost chlazení se odvíjí od rychlosti proudění vzduchu. I tato sekce má odporové vytápění, pro vytopení pásma na provozní teplotu. Sekce rychlého chlazení se pouţívají vodou chlazené panely umístěné u horizontálních pecí místo stěn pece, u vertikálních pecí pak mezi jednotlivými chody pásu.

Pece pro dielektrický ohřev Zařízení, které pouţívají dielektrického ohřevu při zpracování patří:  sušení dřeva,  svařování termoplastických materiálů,  předehřívání, vytvrzování materiálu z gumy,  sušení různých produktů a materiálů, ohřev elektricky nevodivých těles,  ohřev elektricky nevodivých těles velkých tlouštěk. a) Sušení dřeva, výroba překliţek Příkladem můţe být dýha z bukového dřeva o velikosti 1 x 2 m, které se natírají umělou pryskyřicí a vkládají do lisu ve vrstvě aţ 40 cm vysoké. Do střední roviny vrstvy se vkládá elektroda vysokofrekvenčního napětí Uef. Obě čelisti lisu představují druhé elektrody a jsou uzemněné. Vrstvy překliţek po obou stranách střední elektrody (ţhavé) s napětím Uef

představují elektricky paralelně řezavé vrstvy. S ohledem na vzdálenost d = 0,2 m a plochu S = 4m2 volíme přiváděný vysokofrekvenční výkon P = 100 kW. Potřebné napětí je potom Uef = 13,3 kV. Lze i snadno stanovit celkové mnoţství tepla, které je nutné na ohřátí jednotkového objemu V = 1 dm3 z teploty okolí 20°C na teplotu vytvrzování 130°C. Při tom je nutné z tohoto jednotkového objemu odpařit asi 3% vody z celkové hmotnosti. Spotřeba tepelné energie je Q1 = 170kJ . dm-3. Na celkový objem Vp = 800 dm3 bude zapotřebí celkové mnoţství tepla Qc = 141 000 kJ t. j. práce 39,2 kWh. Při vysokofrekvenčním výkonu 100 kW je toto mnoţství tepla vyvinuto za čas τ = 23,2 min. Po této době je moţné hotové vysušené a vytvrzené překliţky vyjmout z lisu. b) Předehřívání plastických hmot, zpracovávaní termosetů Dielektrického zařízení lze s výhodou pouţít i při zpracovávání termosetů. Termosetový prášek je předlisován do tvaru tablet, které se pak vkládají do formy. Doba předehřívání je asi 1 min; vlastní vytvrzování tj. polymerizace nastává po delší době. Polymerizační teplota se pohybuje jiţ okolo 100°C a závisí na druhu plnidla. Vysokofrekvenční příkon je 1 kW. Postačí na dokonalé prohřátí 28 dkg hmotnosti součásti při ohřevu z 20°C na 120°C za 1 min. V dielektrickém zařízení předehřáté tablety se vkládají do zápustky v lisu. Obě části zápustky jsou elektricky vytápěné a teplota se zvyšuje asi na 140°C, kdy dochází k polymerizaci. Je-li termoset předlisován, dielektricky předehřát, sniţuje se celková doba na zhotovení výlisku 2-3krát. Zmenšuje se potřebný tlak na lisování a zvyšuje se kvalita výlisků. Energeticky představuje toto řešení nemalou úsporu elektrické energie.

Obr. 11.6 Zařízení vyuţívající dielektrický ohřev pro sušení dřeva

Pece pro mikrovlnný ohřev Mikrovlnný ohřev se úspěšně uplatňuje v mnoha průmyslových odvětvích. V potravinářském a farmaceutickém průmyslu umoţňuje modernizaci a vyuţívání nových výrobních postupů. Mikrovlnný ohřev je výhodný při rozmrazování hluboce zmrazených

materiálů, při pasterizaci a sterilizaci balených potravin (např. mléčných a masných výrobků, šťáv a krájeného chleba). Pasterizace balených potravin zaručuje trvanlivost bez pouţití konzervačních přísad. Při pasterizaci baleného krájeného chleba prochází chléb tunelovou pecí a během několika minut je celkově ohřát na pasterizační teplotu bez přehřátí povrchové kůrky nebo změny chuťových vlastností. Mikrovlnné zařízení pro pasterizaci zaujímá ve srovnání s plynovou pecí pouze asi 10 % prostoru. V mikrovlnném rozmrazovacím zařízení o výkonu 120 kW lze během jedné hodiny ohřát 3 t balených potravin z teploty –18 °C na –2 °C. Ve výrobě plastů a v gumárenském průmyslu se mikrovlnný ohřev vyuţívá např. při ohřevu granulátů plastů před vytlačovacími lisy, při předehřívání pryţe před vulkanizací a při vytvrzování výrobků ze skleněných vláken. Při výrobě epoxidových vysokonapěťových izolátorů se při mikrovlnném ohřevu na teplotu 80 aţ 100 °C zkracuje formovací proces o 15 aţ 45 %. Při mikrovlnném ohřevu keramických materiálů se doba sintrace zkracuje o 5 aţ 30 %.

Obr. 11.7 Schematické uspořádání mikrovlnného tunelového ohřívacího zařízení; 1 – ohřívaný materiál, 2 – mikrovlnný modul, 3 – ohřívací tunel, 4 – absorbér mikrovln, 5 – transportní pás Současná mikrovlnná zařízení mají výkony 100 kW i více, vykazují velmi dobrou účinnost, lze je přizpůsobit nejrůznějším výrobním procesům a umoţňují optimální kombinaci s konvenčními způsoby ohřevu.

Konstrukční uspořádání: Mikrovlnné pásové sušičky se vyrábějí pro výkony 8 aţ 150 kW, délku dopravního pásu 5 aţ 30 m a šířku pásu 0,2 aţ 1 m. Maximální sušicí teploty jsou 230 °C. Přívod mikrovlnné energie je ze čtyř stran, takţe je zaručeno homogenní ohřátí sušeného materiálu. Jako zdroje mikrovlnného záření se obvykle pouţívají robustní vzduchem chlazené magnetrony o výkonu 800 kW. Funkce magnetronů a vysokonapěťových transformátorů je samostatně jištěna. Na přání se dodává např. plynulá regulace výkonu a plynulé řízení vlhkosti vzduchu.

Na obr. 11.7 je schematické uspořádání mikrovlnného tunelového ohřívacího zařízení. Ohřívané předměty procházejí tunelem na dopravním pásu. Ohřívací zařízení je vytvořeno několika mikrovlnnými moduly, které umoţňují poţadované odstupňování teplot. Moduly jsou sestaveny tak, aby netěsnosti mezi nimi byly omezeny na přípustné hodnoty a záření nemohlo pronikat do okolí.

Otázky ke kapitole 10 – 2. části 107. Popište princip indukční pece. 108. Jaký je rozdíl ve způsobu ohřevu mezi indukční pecí s a bez ţelezného jádra? 109. Jaký typ vsázky pouţíváme v indukčních pecích? 110. Jakou funkci má kelímek u indukční pece? 111. Vyjmenujte výhody a nevýhody indukčních pecí. Svá tvrzení odůvodněte. 112. Vysvětlete princip elektronové pece. 113. Jakým způsobem se ohřívá vsázka v elektronové peci? 114. Vyjmenujte výhody a nevýhody elektronových pecí. Svá tvrzení odůvodněte. 115. Popište části plazmové pece. 116. Jakým způsobem vzniká ohřev materiálu v plazmové peci? 117. Vysvětlete, kde ještě lze vyuţít plazmových hořáků (mimo oblast metalurgie). 118. Vyjmenujte výhody a nevýhody plazmových pecí. Svá tvrzení odůvodněte. 119. Jaké je nejčastější vyuţití hlubinné pece? 120. Popište konstrukci hlubinné pece. 121. Jak můţeme ovlivnit mnoţství propalu v hlubinné peci? 122. Pro jaké účely se vyuţívá komorová pec? 123. Vysvětlete rozdíly v konstrukci a vyuţití pece komorové a pece strkací. 124. Popište pohyb materiálu (vsázky) v peci karuselové, strkací, komorové a krokové. 125. Vyjmenujte výhody a nevýhody ohřívacích pecí. Svá tvrzení odůvodněte. 126. Popište způsob reţimu ohřevu vsázky u pecí pro tepelné zpracování. 127. Vysvětlete způsob ohřevu vsázky u poklopových pecí a průběţných pecí. 128. Jakým způsobem a čím jsou vytápěny ohřívací pece? 129. Kaţdá průmyslová pec má vyzdívku – vyjmenujte nejčastěji pouţívané ţárovzdorné materiály pro jednotlivé průmyslové pece.

130. Uveďte příklady vyuţití pecí s dielektrickým ohřevem a ohřevem mikrovlnným.

Pouţitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu MACHÁČKOVÁ, A., KOCICH, R. Sdílení tepla a proudění. 1. vydání. Ostrava : VŠB – Technická univerzita Ostrava, 2010.194 stran. ISBN 978-80-248-2576-2. PŘÍHODA M., HAŠEK, P. Hutnické pece.2. vydání. Ostrava : Vysoká škola báňská Ostrava Ediční středisko VŠB Ostrava, 1987. 384 stran. ISBN nemá. KREMER, R., OBROUČKA, K. Ohřev kovů. 1. vydání. Praha : SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1974. 424 stran. ISBN nemá. HRADÍLEK, Z. Elektrické teplo. 1. vydání. Ostrava : VŠB v Ostravě, 1989. 197 stran. ISBN 90-7078006-1. PLCH, J. Elektrické teplo.1. vydání. Praha : SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1984. 188 stran. ISBN nemá. KADLEC, Z. Termomechanika návody do cvičení. 1. vydání. Ostrava : VŠB – Technická univerzita Ostrava, 2002. 100 stran. ISBN 80-7078-912-3.

http://puma.feld.cvut.cz/cs/wiki/indukcni_ohrev http://www.4-construction.com/cz/clanek/indukcni-ohrev-3/ http://www.stinchcombe.eu/ http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=25267 http://sk.wikipedia.org/wiki/Elektr%C3%B3nov%C3%A9_delo http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce/01.htm#019 http://www.bronteus.cz/mikrovlne_susarny_dies.html http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=26362