Návrh výsuvného otevírání dveří s protizávažím (pantograf) pro pece kalicí

Návrh výsuvného otevírání dveří s protizávažím (pantograf) pro pece kalicí vypracoval: Marián Barbuš vedoucí práce: Ing. František Prokeš Obor Aplikovaná mechanika Specializace Počítačová podpora konstruování 2005

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav: konstruování Akademický rok: 2005/2004 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE pro

Barbuš Marián

který/která studuje v magisterském studijním programu

obor: M3905 - 04 Aplikovaná mechanika, Počítačová podpora konstruování Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce:

Návrh výsuvného otevírání dveří s protizávažím (pantograf) pro pece kalicí Zásady pro vypracování:

1. Rozbor problematiky výsuvného otevírání dveří s protizávažím: Vytvoření náčrtu mechanismu, definování závislosti geometrie mechanismu na velikosti ovládací a přítlačné síly. Nákres možných variant naklápění dveří při otevírání a jejich možnosti využití. 2. Výpočet geometrie pantografu a velikosti protizávaží: Pro různé konstrukční varianty vypočítat velikosti přítlačných a ovládacích sil s ohledem na velikost protizávaží. Vybrat nejvhodnější variantu. 3. Porovnání jednotlivých konstrukcí pantografů: Rozbor různých konstrukčních typů uchycení ramen, protizávaží, různé druhy řešení seřizování dveří. Návrh případných možností zvýšení přítlačné síly. 4. Návrh pohonu výsuvného otevírání pneumatikou a hydraulikou, zhodnocení, konstrukci mechanismu dveří volit s ohledem na případné doplnění o pohon dveří pneumatickým nebo hydraulickým válcem. Cenové porovnání obou variant, zhodnocení. 5. Konstrukční vypracování otevírání dveří v systému CAD. Pro navrženou geometrii vytvořit kompletní výkresovou dokumentaci.

Rozsah grafických prací: dle potřeby Rozsah původní zprávy: 40 − 50 stran Seznam odborné literatury: 1. Katalog fy LAC – průmyslové pece 2. Katalog fy NABERTHERM – průmyslové pece 3. Katalog fy UNIVER – pneumatické prvky 4. Katalog fy REROSA – hydraulické válce

Vedoucí diplomové práce: Ing. František Prokeš Termín odevzdání: 20. 5. 2005 Doc. Ing. Martin Hartl, Ph.D. ředitel ústavu

Prof. Ing. Josef Vačkář, CSc. děkan FSI

Čestné prohlášení

strana 5

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně za použití uvedené literatury, pod odborným vedením pana Ing. Františka Prokeše.

V Brně 20. května 2005

……………………………

Poděkování

strana 7

PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval všem, kteří mi byli při vypracování mé diplomové práce nápomocni. Zejména děkuji vedoucímu diplomové práce panu Ing. Františkovi Prokešovi za jeho odborné vedení a panu Ing. Lukášovi Diblíkovi za podněty a připomínky k řešení mé diplomové práce.

Anotace

strana 9

ANOTACE Cílem této diplomové práce je návrh a konstrukce mechanismu výsuvného otevírání dveří s protizávažím (pantograf) pro pece kalicí. Byli zvoleny dva typy pecí, které se liší velikostí a směrem otevírání dveří. Správná funkčnost navržené konstrukce je ověřena pomocí výpočtu geometrie pantografu,v kterém jsou vypočtené velikosti přítlačných a ovládacích sil. Kontrolní výpočty jsou realizovány pomocí metody MKP v programu COSMOS Design STAR a následně porovnány s analytickým řešením. Závěrem je také navrhnutí jiné možnosti řešení mechanismu. Součástí práce je i výkresová dokumentace navrhnuté geometrie obou pecí vypracovaná v programu AutoCAD.

ANNOTATION The diploma dissertation is focused on design and construction of a mechanism of the sliding door opener with counterweight (pantograph) for hardening furnaces. There are selected two types of furnaces with different dimensions and directions of the door opener. The proper functionality of the designed construction is guaranteed by the calculation of pantograph’s geometry, wherein dimensions of the thrust and the operating forces are counted. Control calculations are made by the FEM method in COSMOS Design STAR software and consequently compared with the analytical solution. As a conclusion, an alternative solution of the mechanism is drafted. The drawing documentations of the both furnaces are made in AutoCAD software and added to the dissertation.

Obsah

OBSAH 1 2 3

4 5

6 7 8

ÚVOD.................................................................................................................13 ELEKTRICKÉ PECE.........................................................................................14 2.1 Výhody a nevýhody elektrických pecí .......................................................15 2.2 Porovnání klasické a palivové pece............................................................15 POPIS ELEKTRICKÝCH PECÍ ........................................................................17 3.1 Trojfázová proudová soustava....................................................................17 3.2 Elektrické teplo...........................................................................................20 3.3 Způsoby šíření tepla ...................................................................................22 3.4 Použití elektrického tepla v průmyslu ........................................................24 3.5 Topné odpory..............................................................................................27 3.6 Uložení topných článků v pecích ...............................................................28 3.7 Těsnění elektrických pecí ...........................................................................32 3.8 Elektrické pece komorové ..........................................................................32 ROZBOR PROBLEMATIKY VÝSUVNÉHO OTEVÍRÁNÍ DVEŘÍ..............35 4.1 Původní řešení otevírání dveří....................................................................35 4.2 Konstrukce pecí PK ....................................................................................37 MECHANISMUS OTEVÍRÁNÍ DVEŘÍ S PROTIZÁVAŽÍM ........................39 5.1 Vypočtené hodnoty pece PK 35/12 ............................................................40 5.2 Vypočtené hodnoty pece PK 225/12 ..........................................................41 5.3 Výsledné řešení otevírání dveří s protizávažím..........................................43 5.4 Kontrolní výpočty hlavních ramen a čepů pantografů ...............................45 5.5 Porovnání stávajícího řešení s řešením původním .....................................53 5.6 Použití stávajícího řešení pro jiné typy pecí PK.........................................55 5.7 Návrh jiných možností řešení otevírání dveří.............................................56 ZÁVĚR...............................................................................................................57 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ................................................................58 PŘÍLOHY...........................................................................................................59

strana 11

strana 12

Seznam použitých veličin a jednotek

SEZNAM POUŽITÝCH VELIČIN A JEDNOTEK Veličina

Jednotka

Název veličiny

α β γ d E Fd Fdr Foz Fr Fz Fzr g h JY l l1 l2 l3 md Md Mo Mr Mz σ σDo σo w wd wz Wo

[º] [º] [º] [mm] [MPa] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [m.s-2] [mm] [mm4] [mm] [mm] [mm] [mm] [kg] [N.mm] [N.mm] [N.mm] [N.mm] [MPa] [mm] [MPa] [mm] [mm] [mm] [mm3]

úhel natáčení úhel sklonu ramene l1 úhel sklonu ramene l2 průměr čepu modul pružnosti v tahu síla od hmotnosti dveří radiální složka síly Fd reakční síla od sil Fz a Fd ovládací síla ruky síla od hmotnosti protizávaží radiální složka síly Fz gravitační zrychlení vzdálenost okrajového vlákna osový kvadratický moment délka čepu délka ramene od dveří k ose otáčení délka ramene od protizávaží k ose otáčení délka ramene od rukojeti k ose otáčení hmotnost dveří pece moment vyvolaný hmotností dveří ohybový moment moment vyvolaný ovládací sílou ruky moment vyvolaný hmotností protizávaží napětí dovolené napětí v ohybu napětí v ohybu průhyb průhyb od síly Fd průhyb od síly Fz průřezový modul v ohybu

1 Úvod

1

ÚVOD

Základy průmyslového využití elektrického tepla stanovil v druhé polovině 19. století francouzský vědec Henry Moissan. Své poznatky a návrhy rozvedl ve spise „Le four électrique“. Od té doby se elektrotepelná technika stále více uplatňuje zejména v těžkém průmyslu při tavbě a tepelném zpracování kovů. Použití elektrického tepla přineslo s sebou mnoho nových možností a dalo vznik novým rozsáhlým průmyslovým odvětvím. Současně však vyvstalo mnoho technických problémů, které bylo nutno vyřešit, aby využití elektřiny při přeměně v teplo bylo co nejhospodárnější. Elektrický odporový ohřev je velmi rozšířen, neboť je poměrně snadno dostupný. Elektrické odporové pece jsou spolehlivé, dají se přesně regulovat a snadno udržovat. To všechno za cenu, že se v nich mění nejušlechtilejší forma energie v nejméně ušlechtilou – v teplo. Konstrukce i výroba elektrických pecí nejsou uzavřeným oborem technické činnosti. Využívají souborů poznatků mnoha technických a vědných oborů, přičemž výběr těchto poznatků je diktován specifickými požadavky, danými charakterem vyráběného zařízení a technologií provozu. Při práci na tomto úseku se proto často setkáváme s problémy, které mohou být pro původní obor pouze okrajové a jejichž řešení nebylo ve většině případů pojato tak, aby bylo pro naše účely přímo použitelné. Je tedy zapotřebí základy, z nichž vycházíme, dále zpracovávat, a to v závislosti na postupu vývoje elektrotepelných zařízení. Zároveň s těmito poznatky přebíráme i řadu funkčních prvků, které je zapotřebí dále propracovat a vyvíjet.

strana 13

1

strana 14

2

2 Elektrické pece

2

ELEKTRICKÉ PECE

Zařízení pro elektrický ohřev, kam patří kromě elektrických pecí i zařízení pro účely jiného užitkového ohřevu souhrnně značíme jako „elektrotepelná technika“. Když si zvolíme jako kriterium klasifikace účel a provedení, je vhodné následovní třízení. 1) Odporové pece dělíme na: − s nepřímým ohřevem: Účel ohřevu: tváření kování sušení solné lázně tavení − s přímým ohřevem (proud prochází vsázkou): Účel ohřevu: tavení skla výroba karborundu výroba uhlíku pro elektrody ohřevy a spájení obrobků Podle manipulace se vsázkou dělíme pece na: − pece se stabilní vsázkou (periodické) − pece s pohyblivou vsázkou (průběžné) 2) Obloukové pece dělíme podle režimu oblouku pece na: a) s přímým režimem: oblouk mezi materiálem a elektrodami b) s nepřímým režimem: oblouk mezi elektrodami předává energii především sáláním 3) Obloukově-odporové pece podle účelu dělíme na: a) redukční b) rudno-termické 4) Indukční pece: Podle použité konstrukce dělíme na: a) pece se železným jádrem (např. kanálkové) b) pece bez železného jádra (např. kelímkové) Podle použité frekvence: a) nízkofrekvenční (tavící) b) středofrekvenční c) vysokofrekvenční (tavící, resp. zařízení na povrchové kalení a ohřívání) 5) Dielektrické tepelné aplikace (dielektrické ohřívačky): − zařízení na svařování specielních materiálů − zařízení na lisování plastů (vinyl) 6) Plazmové pece (zařízení pro tavbu a zpracování pomocí plazmy)

2 Elektrické pece

strana 15

7) Elektronové pece (zařízení pro extrémně rychlý ohřev velikých vsázek) 8) Laserové zařízení (pro řezání a povrchovou úpravu materiálu) 2.1

2.1 Výhody a nevýhody elektrických pecí Aby bylo možné názorně demonstrovat výhody elektrických pecí před palivovými, je potřebné zabývat se tepelnou bilancí palivových a elektrických pecí. Vzhledem na charakter distribuce elektrické energie a provedení elektrických zařízení je v elektrických pecích možná: − přesná regulace teploty − jistota chodu (nezávislost na výhřevnosti paliva) − minimalizovatelnost ztrát opalem − vyšší rychlost ohřátí vsázky − čistota a přesnost tepelného pochodu − menší rozměry a umístitelnost do výrobní linky − lepší pracovní prostředí − v některých případech výlučné použití. Všechny uvedené body jsou hlavními výhodami elektrických pecí před palivovými. Konstrukční výhody možno posuzovat až na základě přímého porovnání příslušného druhu ohřevu s ekvivalentem z příslušného druhu palivových pecí. V absolutním porovnání však vychází větší ceny energie na ohřev. Taktéž stavba (výroba) elektrické pece je dražší. Tyto nevýhody se vyvažují především menší měrnou spotřebou [kWh/kg] a ostatními jmenovanými potencionálními výhodami.

2.2 Porovnání klasické a palivové pece

2.2

Provést přímé porovnání prakticky není možné, energetický příkon pece se získává z principiálně rozdílných zdrojů. Na základě I. termodynamické věty však možno převést následovní tepelnou bilanci: Qb + Qr = Qvp + Qo + Qak + Qw + Qu + Q sc′ + Qsc′′

kde

Qb

tepelný tok spalin,

Qr Qvp

tepelný tok získaný rekuperací, ztráta vyšlehnutím plamene,

Qo Qak Qw Qu Qsc′ Qsc′′

ztráta otvorem v peci, akumulovaný tok, ztráta stěnami, užitečný tok na vsázku, ztráta spalinami přes stěnu, komínová ztráta spalinami.

[W]

strana 16

2 Elektrické pece

Takto vzatá bilance se týká dobré, hospodární pece. Když navíc uvažujeme Qvp = 0 (optimální hořák), Qo =& 0 (vytěsněné otvory), Qsc′ = 0 (vytěsněný komín), potom účinnost palivové pece vyjádříme vztahem:

η th =

Qb + Qr − Qsc′′ Qak + Qw + Qu = Qb Qb

[−]

kde za Qb dosazujeme tepelný obsah spalin vztažený na výhřevnost H u [kJ/Nm³]. Jestli B je spotřeba paliva [N.m³/h], potom Qb = B ⋅ H u ⋅ 4,2

[W; N.m³/h, kJ/ m³]

U elektrických pecí většina podstatných ztrát odpadá a platí: Q = Qak ⋅ Qw ⋅ Qu proto účinnost:

[W]

η thc = 1

U palivových pecí porovnáváme spotřebu paliv na základě koeficientů spotřeby B x . Pro dvě paliva charakterizuje poměr spotřeb pecí poměr:

H ⋅η B2 = u1 th1 B1 H u 2 ⋅η th 2 Když porovnáváme klasickou palivovou pec s elektrickou, použijeme parametr výhřevnosti paliva H u . Pro elektrickou pec zavedeme ekvivalent, proto „porovnání“ má tvar: E H u ⋅η th = [−] 3612 B Mnohem užitečnější jsou porovnání výhřevnosti a percentuálního podílu užitečného tepla: Tab. 2.1 Výhřevnost Podíl užitečného [kJ/kg], [kJ/N.m³] tepla [%] koks 29 400 3 lehký olej 42 000 22 zemní plyn 17 220 22 generátorový plyn 5 271 18,5 indukční teplo 3 612 53 Palivo

Ve všeobecnosti pro různé druhy ohřevu neklesá elektrická ani tepelná účinnost pod 50 %.

3 Popis elektrických pecí

3

strana 17

POPIS ELEKTRICKÝCH PECÍ

3

3.1 Trojfázová proudová soustava

3.1

Průmyslová zařízení a elektrické stroje jsou většinou napojeny na trojfázovou síť. Pro přenos a rozvod elektřiny je normalizována proudová střídavá soustava trojfázová s kmitočtem 50 Hz a pro místní použití také soustava stejnosměrná napájená ze střídavé sítě.

Obr. 3.1 – Trojfázová soustava a) s účinně uzemněným uzlovým bodem, b) s neúčinně uzemněným uzlovým bodem, c) s účinně uzemněným a vyvedeným uzlovým bodem

V praxi je nejrozšířenější trojfázová soustava u níž mají proudy jednotlivých fází stejnou velikost a kmitočet, ale jejichž sinusovky jsou časově navzájem proti sobě posunuty o 120°, tj. 2/3π. Trojfázový proud se vyrábí v trojfázových generátorech, kde se v jeho trojfázovém vinutí indukují tři samostatná napětí, což umožňuje generátor modelovat třemi napěťovými zdroji o napětí u1 , u 2 , u 3 , která jsou stejně velká a navzájem fázově posunuta o 2/3π 4π ⎞ 2π ⎞ ⎛ ⎛ u1 = U m sin ωt , u 2 = U m sin ⎜ ωt − ⎟ , u 3 = U m sin ⎜ ωt − ⎟. 3 ⎠ 3 ⎠ ⎝ ⎝

Průběh okamžitých hodnot napětí je na obr. 3.2a. Toto napětí lze vyjádřit fázory Uˆ 1 = Ue j 0 , Uˆ 2 = Ue

−j

2π 3

, Uˆ 3 = Ue

−j

4π 3

,

které jsou znázorněny na obr. 3.2b. Pořadí, v němž za sebou následují stejné hodnoty napětí nazýváme sledem fází. Z časového průběhu trojfázového napětí vidíme, že algebraický součet okamžitých hodnot se v kterémkoli okamžiku rovná nule. Uvedená vlastnost umožňuje spojovat trojfázové vinutí generátorů (transformátorů) do hvězdy nebo trojúhelníka, což je výhodné z hlediska přenosu elektrické energie. Místo šesti vodičů stačí jen čtyři nebo tři vodiče.

strana 18


Obr. 3.2 – Průběh okamžitých hodnot napětí a fázorový diagram

Topné články elektrických odporových pecí jsou zpravidla napájeny ze sítě 400/230 V. Toto označení znamená, že sdružené napětí je 400 V a napětí fázové 230 V. Přivedeme-li na topné články rozdělené na tři díly sdružené napětí, jak ukazuje obr. 3.3, říkáme, že topení pece je zapojeno do trojúhelníka a přivedeme-li na tytéž topné články fázové napětí podle obr. 3.4, říkáme, že topení pece je zapojeno do hvězdy. Při spojení generátoru a spotřebiče do hvězdy (označení symbolem Y) jsou koncové vývody generátoru a spotřebiče (1`, 2`, 3`) spojeny do uzlů 0 a propojeny nulovým vodičem. Začáteční vývody (1, 2, 3) jsou propojeny fázovými vodiči. Vedení je tedy čtyřvodičové. Pro jednoduchost je použito pro označení fází a nulového vodiče čísel, i když norma předepisuje pro označení fázových svorek písmen U, V, W, pro nulovou svorku a nulový vodič N a pro fázové vodiče písmena L1, L2, L3 (tyto symboly jsou na obr. 3.3 uvedeny v závorkách).

Obr. 3.3 – Spojení generátoru a spotřebiče do hvězdy

Fázová napětí Uˆ 10 , Uˆ 20 , Uˆ 30 jsou při zanedbání impedance vedení totožná s napětími fází spotřebiče. Napětí mezi fázemi vedení se nazývají síťová (linková) napětí a proudy procházející fázemi vedení pak síťové (linkové) proudy. Z druhého Kirchhoffova zákona pro síťová napětí platí

Uˆ 12 = Uˆ 10 − Uˆ 20 , Uˆ 23 = Uˆ 20 − Uˆ 30 , Uˆ 31 = Uˆ 30 − Uˆ 10 . Síťové proudy, které se rovnají fázovým proudům, lze určit z Ohmového zákona


strana 19

Uˆ Uˆ Uˆ Iˆ1 = 10 , Iˆ2 = 20 , Iˆ3 = 30 . Zˆ1 Zˆ 2 Zˆ 3 Z prvního Kirchhoffového zákona pro uzel 0 vyplývá pro proud nulovým vodičem

Iˆ0 = Iˆ1 + Iˆ2 + Iˆ3 . Pro síťová napětí lze odvodit U s = 2U f cos 30° = 2U f

3 = 3U f . 2

Při spojení generátoru a spotřebiče do trojúhelníku (označení symbolem D nebo ∆) jsou propojeny postupně koncové vývody generátoru a spotřebiče dané fáze se začátky vývodů následující fáze. Vedení je tedy třívodičové.

Obr. 3.4 – Spojení generátoru a spotřebiče do trojúhelníka

Pro fázová napětí generátoru (označená Uˆ 12 , Uˆ 23 a Uˆ 31 ) podle druhého Kirchhoffového zákona platí Uˆ 12 + Uˆ 23 + Uˆ 31 = 0 . Jak vyplývá z obr. 2.4, jsou v tomto případě síťová napětí rovna napětím fázovým. Fázové proudy spotřebiče jsou označeny Iˆ12 , Iˆ23 , Iˆ31 , impedance Zˆ12 , Zˆ 23 , Zˆ 31 a síťové proudy spotřebiče Iˆ , Iˆ , Iˆ . Z prvního Kirchhoffového zákona pro uzly 1

2

3

1, 2, 3 vyplývá vztah mezi fázovými a síťovými proudy

Iˆ1 = Iˆ12 − Iˆ31 , Iˆ2 = Iˆ23 − Iˆ12 , Iˆ3 = Iˆ31 − Iˆ23 . Fázová napětí generátoru jsou při zanedbatelné impedanci vedení přímo fázovými napětími spotřebiče. Proto z Ohmového zákona pro síťové proudy platí

Uˆ Uˆ Uˆ Iˆ12 = 12 , Iˆ23 = 23 , Iˆ3 = 31 . Zˆ12 Zˆ 23 Zˆ 31

strana 20


Pro velikost síťového proudu lze odvodit I s = 2 I f cos 30° = 2 I f 3.2

3 = 3I f . 2

3.2 Elektrické teplo Každé těleso v elektrotepelné technice je určeno po tepelné stránce dvěma veličinami: − teplotou, vyjadřující stav, tepelný potenciál látky, − a teplem, udávajícím jeho energetickou schopnost. Teplota je základní fyzikální veličinou a základní termodynamickou stavovou veličinou. Rozlišujeme termodynamickou (absolutní) teplotu T, která se udává v kelvinech [K] a Celsiovu teplotu t, která se udává v Celsiových stupních [°C]. Kelvin je definován jako 273,16-tá část termodynamické teploty trojného bodu vody (0,01 °C). Celsiův stupeň je definován jako jedna setina rozdílu teploty varu vody (100 °C) a teploty tuhnutí vody (0 °C) při tlaku 0,101325 MPa. Pro vzájemný vztah termodynamické a Celsiovy teploty platí: t = T − 273,15 .

Mezi starší teplotní stupnice patří např. stupnice Fahrenheitova, kde pro teplotu TF ve stupních Fahrenheita [°F] platí: TF =

9 t + 32 5

a stupnice Rankinova, kde pro teplotu TR ve stupních Rankina [°R] platí: TR =

9 t. 5

Teplo Q je forma přenosu tepelné energie mezi termodynamickou soustavou a okolím za současné změny stavu soustavy. Jednotkou tepla je joule [J], který představuje práci vykonanou stálou silou jednoho newtona [N] působící po dráze jednoho metru [m] ve směru síly. Další jednotkou je např. elektronvolt [eV], nebo dříve používané jednotky kilopondmetr [kpm], watthodina [Wh], kilokalorie [kcal], British thermal unit [Btu] a jiné. Jejich vzájemný vztah je následující: 1 eV 1 kpm 1 Wh 1 kcal 1 Btu

= 1,60206 ⋅ 10 −9 J , = 9,80665 J , = 3612 J , = 4186,8 J , = 1055,04 J .


strana 21

Pro ohřev Joulovým teplem platí: Q = Qu + Qs Q = m ⋅ c ⋅ ∆T [J] Q = U ⋅ I ⋅ t [W.s]

a současně

kde

Q Qu Qs

je elektrické teplo, je užitečné teplo přijaté tělesem s hmotností m a měrným teplem c, přičemž se ohřeje o ∆T, jsou ztráty.

Tepelná roztažnost (α). Většina látek se zvyšující se teplotou zvětšuje svůj objem. U tyčí se to projevuje délkovým prodloužením. Ohřejeme-li tyč délky l 0 z teploty t 0 na teplotu t, vypočítáme její novou délku l ze vztahu: l = l o [1 + α (t − t 0 )] kde součinitel α [K-1] nazýváme teplotním součinitelem délkové roztažnosti. Máme-li pevné těleso objemu V0 , roztahující se ve všech směrech rovnoměrně, bude jeho objem při ohřátí z teploty t 0 na teplotu t dán vztahem:

V = V0 [1 + α (t − t 0 )] = V0 [1 + γ (t − t 0 )] 3

Součinitel γ [K-1] nazýváme teplotním součinitelem objemové roztažnosti (γ ≅ 3α). Přehled součinitelů délkové roztažnosti α mezi 0 a 100 °C pro různé materiály je v tabulce 3.1. Materiál měď hliník bronz mosaz nikl železo

α 1,06.10-2,3 1,75 1,9 1,26 1,14

Tab. 3.1 Materiál α beton 1,2.10-břidlice 1,04 čedič 1,0 mramor 0,85 žula 0,8 křemen 1,3

Materiál olej olivový petrolej rtuť voda ethylalkohol glycerin

α 0,7.10-0,92 0,11 0,18 1,1 0,5

Skupenské teplo je teplo, které musíme dodat (odebrat) 1 kg látky zahřáté na teplotu přeměny, aby změnila své skupenství při nezměněné teplotě. Tepelná vodivost charakterizuje rychlost přestupu tepla v materiálu. Má vliv na tepelně izolační procesy, ohřev i chlazení. Tepelnou vodivost vyjadřuje součinitel tepelné vodivosti λ [Wm-1K-1], což je konstanta úměrnosti ve vztahu pro ustálený tepelný tok přes plochu velikosti A0 . Rychlost toku tepla je úměrná také rozdílu teplot na vstupu T1 a výstupu T2 z desky a tloušťce desky X.

strana 22


Obr. 3.5 – Tepelný tok přes desku plochy A0 a tloušťky X

Přehled tepelných vodivostí různých látek je v tabulce 3.2. Tab. 3.2 Látka hliník cín bronz měď nikl ocel stříbro bavlna zinek beton rtuť benzin vodík 3.3

λ 200 55 58 335 47 40 380 0,05 95 0,5 6,0 0,13 0,12

Látka cihly dřevo guma křemen parafin papír sklo dinas skelná vata kůže voda čpavek dusík

λ 0,9 0,2 0,1 8,0 0,2 0,1 0,6 0,9 0,03 0,1 0,48 0,02 0,019

3.3 Způsoby šíření tepla Teplo se může přenášet z teplejšího prostředí do prostředí chladnějšího třemi způsoby: - vedením (kondukcí) - prouděním (konvekcí) - sáláním (radiací) Vedením se teplo šíří v pevných tělesech (např. při průchodu stěnou pece) a při přímém styku dvou pevných těles. Měrný tepelný tok (to je tepelný tok Q& vztažený na jednotku plochy S) q& [W/m²] přenášený vedením v nějaké látce je přímo úměrný velikosti teplotního gradientu a má opačné znaménko než tento gradient. Matematické vyjádření těchto závislostí při průchodu kolmo rovinnou stěnou podává Fourierův vztah: q& =

Q& dt = −λ S dx


strana 23

U elektrických pecí se provádí tepelná izolace ze dvou až tří vrstev z různých materiálů. Máme-li nyní počítat průchod tepla takovou složenou stěnou, postupujeme stejně, jako kdyby šlo o tři oddělené stěny, z nichž první bude mít teplotu na vnitřním povrchu t1 , na vnějším povrchu t 2 , druhá na vnitřním t 2 a na vnějším t 3 , třetí na vnitřním t 3 a na vnějším t 4 . Teplo, které prošlo první vrstvou, musí projít i druhou a třetí vrstvou a plocha všech tří vrstev bude rovněž stejná. Jejich tloušťky jsou δ 1 , δ 2 , δ 3 a každá z vrstev má svou příslušnou tepelnou vodivost (viz obr. 3.6). Přivedeme-li na levou stranu tepelný tok Q& = 1000 W , pak tento tok musí projít v ustáleném stavu beze změny každou ze tří vrstev. Musí tedy platit:

t −t t −t t −t Q& = − λ1 S 2 1 = −λ2 S 3 2 = −λ3 S 4 3

δ1

δ2

δ3

Když z každé z těchto tří rovnic vyjádříme teplotní diferenci a tyto rovnice sečteme, vyeliminujeme neznámé teploty t 2 a t 3 a dostaneme: Q& =

t1 − t 4

δ δ1 δ + 2 + 3 λ1 S λ 2 S λ3 S

Tento vztah jsme mohli ovšem zapsat okamžitě, kdybychom použili koncept analogie s Ohmovým zákonem. Podíváme-li se na obr. 3.6 na zakreslenou síť sériových odporů, pak lze psát pro tepelný tok Q& : Q& =

t1 − t 4 t1 − t 4 = δ δ1 δ R1 + R2 + R3 + 2 + 3 λ1 S λ 2 S λ3 S

Obr. 3.6 – Šíření tepla vyzdívkou

Obecně pak platí pro stěnu složenou z n vrstev:

t −t Q& = 1 n n +1 ∑ Ri i =1

Prouděním se teplo šíří v kapalinách a plynech. Pro vyjádření celkového účinku konvekce se používá tzv. Newtonův ochlazovací zákon ve tvaru: Q& = α S (t w − t ∞ )

Do tohoto vzorce dosazujeme tepelný tok Q& [W], styčnou plochu S kapaliny

strana 24


s pevnou stěnou [m 2 ], součinitel přestupu tepla α [Wm-2K-1], teplotu stěny t w a teplotu v dáli od stěny t ∞ [°C]. Součinitel přestupu tepla α závisí na mnoha činitelích, zejména na teplotě a rychlosti proudění. Sáláním se šíří teplo na rozdíl od prvních dvou způsobů vzduchem i vzduchoprázdnem téměř beze ztrát. Pevné látky, kapaliny a některé plyny emitují tepelnou energii jako výsledek skutečnosti, že mají svou teplotu. Ideální tepelný zářič, kterému říkáme černé těleso nebo také černý povrch, emituje tepelné záření v množství, které je úměrné 4-té mocnině absolutní teploty povrchu či tělesa podle vztahu, který je nazýván Stefan-Boltzmannův zákon: E0 = σ ⋅ T 4

V tomto vzorci značí E 0 [W/m²] zářivost černého tělesa, T [K] teplotu, 4 σ [W/m²K ] Stefan-Boltzmannova konstanta. Teplo se prakticky nešíří jen jedním z uvedených způsobů, ale většinou současně dvěma nebo všemi třemi způsoby. Při nižších teplotách však převládá šíření tepla vedením a prouděním, při teplotách vyšších sáláním. Při teplotách přes 500 °C lze většinou s dostatečnou přesností uvažovat jen přestup tepla sáláním a ostatní dva způsoby zanedbat. Nízké konstanty sálání hliníkových plechů se využívá pro tepelnou izolaci. Vložíme-li volně do mezery dvě stěny s velkým součinitelem sálání (např. mezi ocelový plášť a vyzdívku) hliníkovou folii, zmenší se ztráty sáláním až o 80 %, jak lze snadno vypočítat dosazením do Stefan-Boltzmannovy rovnice. 3.4

3.4 Použití elektrického tepla v průmyslu Elektřiny jako zdroje tepla se užívá v průmyslu stále ve větším měřítku. Všude tam, kde je nutné přesné dodržení pracovní teploty a její snadná regulace, přechází se od jiných zdrojů tepla k teplu elektrickému. S výhodou se využívá možnosti programového řízení teploty u elektrických pecí. Elektrický ohřev však umožňuje provádět tepelné zpracování zejména kovů, které by jiným tepelným zdrojem nebylo vůbec proveditelné (např. indukční povrchový ohřev a kalení) nebo jen s velkými energetickými ztrátami. Elektrického tepla se zejména používá v těžkém průmyslu, zvláště v hutnických a kovozpracujících závodech, ale uplatňuje se významně i v ostatních průmyslových odvětvích a na neposledním místě také v lékařství a v domácnostech. Nejčastěji vzniká teplo proudu topnými odpory, odkud prouděním nebo sáláním sdílí materiálu. V takovém případě nepřímém odporovém ohřevu. Obr. 3.7 – Nepřímý odporový ohřev

průchodem se vedením, ohřívanému mluvíme o


strana 25

Přímý odporový ohřev nastává tehdy, ohřívá-li se tepelně zpracovaný materiál přímo průchodem elektrického proudu. Jako příklad lze uvést výrobu hliníku termickou elektrolýzou v elektrických vanových pecích, výrobu siliciumkarbidu (tj. karborunda), sklářské pece, elektrodové kotle, kde se voda ohřívá průchodem proudu mezi elektrodami, a mnoho dalších příkladů.

Obr. 3.8 – Přímý odporový ohřev

Tepla elektrického oblouku se také s výhodou používá jak pro tavbu, zejména pro tavbu elektrooceli, tak i k svařování a řezání kovů. O přímém obloukovém ohřevu mluvíme tehdy, je-li vsázka přímo jednou elektrodou a oblouk hoří mezi elektrodou (případně více elektrodami) a vsázkou, přičemž se vsázka ohřívá také průchodem proudu.

Obr. 3.9 – Přímý obloukový ohřev

Nepřímý obloukový ohřev nastává tehdy, hoří-li oblouk jen mezi elektrodami a vsázka se ohřívá jen sálavým teplem. V tomto případě procházejí elektrody víkem nebo stěnami pece nikoli kolmo k vsázce, ale vzájemně značně skloněné tak, aby vlivem elektrodynamických sil byl hořící elektrický oblouk vyfukován směrem k tavenině a zmenšilo se tak tepelné namáhání klenby pece. V obloukových pecích se dosahuje nejvyšších teplot, které by se jinými tepelnými zdroji jen velmi obtížně získávali.

Obr. 3.10 – Nepřímý obloukový ohřev

strana 26


Hysterezních a vířivých ztrát ve vodivých materiálech se využívá při indukčním ohřevu. Podle výšky použitého kmitočtu střídavého proudu mluvíme pak o ohřevu nízkofrekvenčním, středofrekvenčním nebo vysokofrekvenčním. Nízkofrekvenčního ohřevu se používá k tavení speciálních ocelí i k tavení barevných kovů. Charakteristickým znakem tohoto druhu pecí je železné jádro, které tvoří magnetickou vazbu mezi primárním vinutím a žlábkem taveniny, což je vlastně sekundární vinutí spojené nakrátko. Tyto pece pracují se síťovým kmitočtem (50 Hz).

Obr. 3.11 – Nízkofrekvenční ohřev

Druhou skupinu indukčních pecí tvoří pece středofrekvenční. Provádějí se většinou jako kelímkové a používá se jich k tavení speciálních slitin, zvláště při laboratorních zkouškách a ve všech ostatních případech, kdy se vyžaduje naprostá homogenita taveniny. Vlivem vířivých proudů dochází totiž v tavenině k intenzivnímu promíchávání. Menší jednotky bývají napájeny střídavým proudem o kmitočtu až 20 kHz, u větších se používá kmitočtu nižšího, většinou kolem 1 až 2 kHz. Zdrojem napájecího proudu bývají většinou rotační generátory, pro menší výkony se však také používá elektronických generátorů s tyratrony.

Obr. 3.12 – Středofrekvenční ohřev

Třetí skupinu indukčního ohřevu tvoří vysokofrekvenční povrchový ohřev, kterého se používá zejména k vysokofrekvenčnímu povrchovému kalení, neboť vysokým kmitočtem (řádově 100 kHz) používaným při tomto druhu tepelného


strana 27

zpracování ocelí se ohřeje jen tenká povrchová vrstva velkou rychlostí na kalicí teplotu, zatím co jádro zůstane studené, a tedy houževnaté. Jako zdroje proudu pro vysokofrekvenční ohřev se používá téměř výhradně elektronkových generátorů. Polovodiče a izolanty lze hospodárně ohřívat dielektrickým ohřevem, přičemž se používá střídavých proudů o kmitočtech řádově 100 MHz. Infračervený ohřev počítáme k nepřímému ohřevu odporovému, neboť infračervené paprsky vysílané speciálně konstruovaným zářičem nejsou nic jiného než tepelná energie, která se sáláním odvádí z topného odporu zářiče. Sestavme si pro přehlednost ještě jednou stručně všechny zdroje elektrického tepla, používané v průmyslu: a) odporový ohřev b) obloukový ohřev c) indukční ohřev

– přímý – nepřímý – přímý – nepřímý – nízkofrekvenční – středofrekvenční – vysokofrekvenční

d) dielektrický Schematicky jsou jednotlivé druhy elektrického ohřevu znázorněny na obr. 3.7 až 3.12.

3.5 Topné odpory Na materiálech pro topné odpory se vyžaduje co největší měrný odpor, malý teplotní odporový součinitel, odolnost proti atmosférám, jež se v pecích vyskytují, a hlavně odolnost proti vysokým teplotám. Nejčastěji používaným materiálem je chromnikl, kde jsou jednotlivé kovy zastoupeny v různém poměru. Nejpoužívanější poměr bývá 80 % Ni a 20 % Cr. Drátů z této slitiny se používá pro topné odpory elektrických pecí odporových a pro většinu domácích elektrotepelných spotřebičů. Lze jich použít až do teploty 1100 °C. Měrný odpor při 20 °C je 1,09 [Ω⋅mm2/m]. Přidáním železa získáme levnější materiál s přibližně stejným měrným odporem, avšak s větším vzrůstem odporu s teplotou. Obsah železa bývá i přes 50 %. Je použitelný asi do 1000 °C. Měrný odpor materiálů této skupiny se pohybuje mezi 0,89 a 1,11 [Ω⋅mm2/m]. Vysokým teplotám dobře vzdorují slitiny chrom-hliníkželezo. Do této skupiny patří materiál švédské firmy Kanthal. Firma Kanthal (člen skupiny SANDVIK) je světově uznávaný přední výrobce v oblasti elektrického topení. Kompletní výrobní program firmy zahrnuje v podstatě celou škálu elektrických odporových materiálů, vyráběných na bázi slitin. Kanthal má velký měrný odpor (1,1 až 1,4 [Ω⋅mm²/m]) a malý teplotní odporový součinitel. Za provozních teplot však má poměrně malou mechanickou pevnost, což vyžaduje speciální uložení topných odporů, jež nelze řešit jako samonosné. Životnost Kanthalu značně zmenšují přechody přes rekrystalizační teplotu, kdy je tento materiál značně křehký. Tento materiál umožnil výrazně zvýšit teplotu topných článků ve srovnání s užívanou slitinou Ni-Cr.

3.5

strana 28


Pro volbu druhu a materiálu článku je důležitý druh vsázky, resp. atmosféra pece, avšak rozhoduje maximální trvalá pracovní teplota. a) Teploty do 1100 °C – Pro tento rozsah teplot je možné použít kovové slitiny. Jejich hlavní předností je vznik ochranné vrstvy CrO2 na povrchu, dobrá svařitelnost a formovatelnost. Používanými jsou následovní soustavy: Ni + Cr + Fe (79,7 % + 20 % + 0,3 %) Ni + Cr + Fe (60 % + 20 % + 20 %) Cr + Al + Fe (30 % + 4 % + zvyšok %) b) Teploty do 1500 °C – Pro tento teplotní rozsah jsou vhodné články na báze karbidu křemíku (karborundu) obchodní názvy: SILIT, CRUSILIT, GLOBAR. c) Teploty do 1700 °C – Používají se články na báze MoSi2(disilicid molybdenu) a SiO2. Obchodní názvy KANTHAL SUPER. d) Teploty 1800 – 2000 °C. Pro uvedený pracovní rozsah se používají molybdenové anebo wolframové články. Podmínkou je ve všeobecnosti redukční atmosféra v peci (v opačném případě dochází k úbytku materiálu rozprášením). e) Teploty do 2500 °C, resp. 3000 °C – Pro tyto teplotní (většinou výzkumnoexperimentálně) podmínky se používají grafitové tyče a trubice, resp. uhlík připravený specielními postupy. 3.6

3.6 Uložení topných článků v pecích V elektrických pecích vznikají při tepelném zpracování materiálu výpary, které napadají topné odpory. Tak např. chromniklové odpory jsou rozrušovány sloučeninami síry, zejména SO2, kanthal nemá přijít do styku se svítiplynem, kyanem a jeho sloučeninami a s parami roztavených kovů, zejména zinku, mědi, olova a jejich slitin. V takových případech se topné odpory provádějí ve formě uzavřených topných článků (viz obr. 3.13). Vlastní topná spirála je několikrát provlečena žlábkovanou válcovitou tvárnicí a celek je vložen do žárovzdorné ocelové trubky. Výhodou uzavřených topných článků je nižší povrchová teplota topného článku při stejném příkonu, což má velký význam při sušení výrobků s lehce vznětlivými ředidly. Také mechanická pevnost u uzavřených topných článků je větší a články se tak snadno nepoškodí menšími nárazy. Obsluha pecí s uzavřenými topnými články je bezpečnější, neboť nemůže dojít ani ke zkratům ani k úrazům elektřinou, dotkne-li se např. vsázka topného článku. Také může být v některých případech větší měrné povrchové zatížení topného odporu, neboť jednak je odpor dobře mechanicky upevněn Obr. 3.13 – Uzavřený topný článek


strana 29

a není nutno přihlížet k zmenšené mechanické pevnosti odporového materiálu při vyšší teplotě, jednak může být u uzavřených článků v některých případech i lepší odvod tepla. Výrobně jsou však uzavřené topné články dražší a u velkých pecí na tepelné zpracování kovů se proto většinou používá topných odporů buď volně zavěšených na stěnách pece na keramických nebo ocelových praporcích (viz obr. 3.14), nebo odporů do žlábků tvárnic ve stěnách.

Obr. 3.14 – Meandr výhřevního pásu stěny

Keramické praporce k zavěšení topných odporů se provádějí tak, aby se styk topného odporu s keramikou uskutečnil na co nejmenší ploše, aby nenastávalo místní přehřátí topného odporu v místě styku s keramikou (viz obr. 3.15).

Obr. 3.15 – Meandr výhřevního pásu stěny

strana 30


U praporců ze žárovzdorné oceli toto nebezpečí není, avšak jejich nevýhodou je, že způsobují částečné tepelné zkraty (tepelné mosty), a tak zvětšují tepelné ztráty pece. Vyžaduje-li se velká rovnoměrnost teploty, umisťují se topné odpory nejen do stěn pece, ale i do stropu, podlahy a dveří (např. u komorových pecí na vypalování keramiky).

Obr. 3.16 – Uložení topného pásu ve stropě a v podlaze

Topné odpory se provádějí buď z odporového drátu kruhového průřezu stočeného do šroubovice, nebo u větších jednotek z pásových vodičů obdélníkového průřezu meandrovitě vinutých. Toto tvarování se kvůli menšímu pnutí provádí za tepla. V peci bývá meandr prostorově uspořádán tak, aby nemohlo nastat přehřátí topného odporu tím, že by na sebe dvě rovnoběžné stěny pásu sálaly. Různé způsoby uložení topných odporů v peci jsou na obr. 3.17.

Obr. 3.17 – Různé způsoby uložení topných odporů v peci


V praxi se však v jedné peci používá buď pásu nebo spirály. Kombinace obou se neprovádí.

Obr. 3.18 – Uložení topné spirály a) v drážkách stěny, b) v drážkách stropu, c) v drážkách podlahy

Obr. 3.19 – Zavěšení topných spirál na keramických trubkách a tyčkách

Pro teploty vyšší než 1350 °C, kdy již nelze použít kovových topných odporů, byly vyvinuty topné tyče z nekovových odporových materiálů, které mají i při těchto vysokých teplotách značnou životnost. Topné odpory z nekovových odporových materiálů se provádějí ve formě kulatých tyčí různého průměru i délky.

Obr. 3.20 – Tvary nekovových topných tyčí

strana 31

strana 32

3.7


3.7 Těsnění elektrických pecí Pohyblivé části elektrotepelných zařízení (např. dveře a víka elektrických pecí, rotující prstenec u kolotočových, točnových, rotačních pecí a pod.) je nutno dobře utěsnit, neboť zvláště netěsnostmi těchto částí pece vznikají poměrně značné tepelné ztráty. Kromě přesného opracování dosedacích ploch se někdy přitlačují dveře sázecích otvorů, opatřených tupým lemem, na poddajnou vložku z olova nebo jiného těsnicího materiálu, který vydrží náležitou teplotu. Jindy se spodní hrana dveří, pohybujících se ve vodících lištách ve svislém směru, opatřuje plechovým nožem, který se při dosednutí dveří ponoří do jemně mletého těsnicího prášku. Podle výšky teploty se používá různých druhů těsnicích prášků, jako např. jemně mleté chromové rudy, korundového prášku apod. K těsnění při nízkých pracovních teplotách, zejména k utěsnění ochranného ovzduší, používá se též kapalinového těsnění. Těsnící kapalinou bývá nejčastěji voda nebo olej. Víka vakuových pecí bývají utěsněna gumovým dutým prstencem, kterým protéká chladící voda. V některých případech se používá k těsnění elektrických pecí také různých umělých hmot, zejména tvrzených pryskyřic apod.

3.8

3.8 Elektrické pece komorové V průmyslových závodech se ponejvíce setkáváme s nejběžnějším typem elektrické pece, s elektrickou pecí komorovou. Komorová pec se skládá ze železné kostry pevně svařené z úhelníků a jiných profilových želez a z vlastního pláště pece, který je vytvořen tabulemi plechu různé tloušťky od 0,8 mm do 4 mm, přivařenými ke kostře. Spodní část železné konstrukce tvoří podstavec pece a vlastní pracovní prostor pece je umístěn tak vysoko, aby obsluhující měl pohodlný přístup ke vstupnímu otvoru do pece a rovněž aby manipulace se zbožím určeným k tepelnému zpracování byla co nepohodlnější. Vnitřní stěny pece, tedy i podlahu a strop, tvoří keramické tvárnice, přizpůsobené tak, aby mohly nést topné články vytvořené spirálami z odporového drátu nebo vlnovkami z odporových pásů. Mezi tvárnicemi nesoucími topné články a mezi vnějším plechovým pláštěm pece je uložena keramická teplená izolace v jedné, dvou nebo i více vrstvách. Tloušťka této tepelné izolace musí být taková, aby únik tepla při provozu byl co nejmenší, tj. aby provoz pece byl s hlediska spotřeby elektrické energie co nejhospodárnější. Topné odporové články, kterým v souhrnu říkáme též topení pece, bývají rozděleny tak, aby je bylo možno napájet rovnoměrně z trojfázové sítě. Začátky jednotlivých částí topení jsou zesílenými svorníky vyvedeny na zadní stěnu pece. Průchod svorníků musí být dokonale izolován proti všem kovovým částem pece. Plechovým pláštěm pece jsou vyvedeny porcelánovými průchodkami, které jsou přišroubovány k plášti pece. Těleso průchodky prochází až do tepelné izolace přiléhající k plášti pece a pokud jsou poškozeny, musíme je vyměnit, aby nedošlo k dotyku svorníku s uzemněnou částí pece. V otvoru průchodky je okolo svorníků vtlačena azbestová šňůrka jako tepelná izolace. Od svorníků vyčnívajících z průchodek je svedeno propojení dostatečně dimenzovaným kabelem na svorkovnici připevněnou na dolní části zadní stěny. Všechny tyto vývody i svorkovnice jsou chráněny plechovým krytem, jehož vnitřní stěny se doporučuje polepit pomocí vodního skla tabulemi azbestové lepenky, aby nedošlo ke zkratu při náhodné deformaci krytu. Topné články jsou zpravidla rozčleněny tak, že podlaha a strop jsou


napájeny ze dvou fází a boky pece, jejichž příkon odpovídá přibližně jedné třetině celého příkonu, jsou napájeny ze třetí fáze. Vývody jednotlivých částí topení, které mají být zapojeny do série, do hvězdy nebo do trojúhelníka, jsou propojeny přímo na zadní stěně pece pod krytem a jen ty svorníky, na které se přivádí napětí, jsou propojeny se svorkovnicí. Žárovzdorné tvárnice, v nichž jsou umístěny topné články, musí být na sobě usazeny s respektováním nutné dilatační mezery, která zabrání jejich popraskání při provozu pece. Tytéž spáry nutno zachovat i v dalších vrstvách tepelné izolace. Tyto dilatační spáry jsou nejen při stavbě nové pece, ale i při výměně vyzdívky velmi důležité, protože zaručují dostatečnou možnost pohybu při změně jejího objemu vlivem střídajících se teplot. Strop pece, zpravidla též uzpůsobený k nesení topných odporů, bývá rovný, přeložený, klenutý nebo zavěšený pomocí keramických nosníků na konstrukci z profilového železa. Většina komorových pecí mívá ve stropě kruhový otvor opatřený komínkem s mechanickým uzávěrem nebo jen s poklopem, kterým se vyvádějí z pece výpary, vznikající při tepelném zpracování zboží. Dveře komorových pecí se otvírají u menších typů pákovou soustavou s rukojetí nebo s pedálem a jsou pro pohodlnější obsluhu opatřeny protizávažím. U větších typů se dveře vysunují svislým směrem pomocí řetězů vedených přes kladky ovládané ručním kolem. Na společném hřídeli jsou zavěšena dvě protizávaží, pohybující se na bocích pece. Dveře samy jsou vedeny pomocí čepů ve vodicích lištách, které jsou upraveny tak, aby dveře byly v nejnižší poloze přitlačovány vlastní vahou k vstupnímu otvoru do pece. Dveře jsou ovšem dobře tepelně izolovány tím, že jsou vyzděny vhodně volenými tvárnicemi. Vnější plocha vyzdívky dveří je vybroušena do roviny, aby dobře přiléhala ke konstrukci pece okolo vstupního otvoru, aby se tak pokud možno nejvíce zamezilo nežádoucímu unikání tepla. Někdy bývá po obvodu vnitřní plochy dveří vedena drážka, v níž je umístěna azbestová tepelná izolace. Tato izolace však při provozu velmi trpí a musí se často obnovovat. Je-li porušena nebo dokonce odstraněna, znamená to nedokonalé těsnění dveří, únik tepla, nehospodárný provoz pece, po případě i zbytečné prodlužování jednotlivých tepelných pochodů. Tam, kde se na komorovou pec kladou zvláště velké požadavky, bývají dveře přitahovány k přední stěně pece pomocí přítažných šroubů ovládaných ručním kolem. Dveře pece jsou opatřeny dveřním dotykem, který zaručuje odpojení topných článků od napětí při otevření pece a při manipulaci se zbožím určeným k tepelnému zpracování, aby nedošlo ke zkratu nebo úrazu při náhodném styku vkládaného kovu s topným článkem. Ty části topení, které jsou uloženy v podlaze pece, jsou od prostoru pece odděleny kovovou žárovzdornou deskou, zhotovenou z plechu nebo i litou. Tato deska musí být z legované oceli, jež netvoří okuje. Okuje by totiž mohly způsobit zkrat spodních částí topení na podlahu pece. Nemůžeme ji proto nahradit obyčejným ocelovým plechem. Zadní stěnou nebo stropem je do pece zaveden pyrometr, který ve spojení s regulátorem teploty měří a udržuje na regulátoru teploty nastavenou teplotu pracovního prostoru pece. Poněkud odlišný způsob provedení mají komorové pece určené pro nižší teploty než 700 °C. U těchto pecí je obava, že by nedošlo k rovnoměrnému rozložení teploty v celém prostoru pece, a proto je jejich pracovní prostor ohraničen plechovým válcem z legované oceli, oddělujícím jej od topných článků, které jsou opět uloženy v drážkách žárovzdorných tvárnic. Na zadní stěně pece je umístěn ventilátor, poháněný motorem uloženým ve stojanu pece. Ventilátor pohání vnitřní atmosféru

strana 33

strana 34


uzavřené pece z prostoru mezi stěnami válce a topnými spirálami do pracovního prostoru pece. Tímto trvalým umělým oběhem vnitřní atmosféry je zaručena rovnoměrnost teploty ve všech částech užitečného prostoru pece i při nízkých teplotách. Nucený oběh vzduchu lze vestavěním ventilátoru provádět téměř ve všech druzích pecí do teplot 700 °C. Má význam nejen pro pravidelné rozložení teploty v celém pracovním prostoru pece, ale i pro urychlení ohřevu předmětů s lesklým povrchem s malým součinitelem sálání. V takových případech se výkonnost pece zavedením nuceného oběhu vzduchu zvětší až pětinásobně. Hřídel ventilátoru je vystaven značnému teplu a musí být ve svém ložisku pečlivě mazán.

Obr. 3.21 – Elektrická komorová pec

4 Rozbor problematiky výsuvného otevírání dveří

4

strana 35

ROZBOR PROBLEMATIKY VÝSUVNÉHO OTEVÍRÁNÍ DVEŘÍ

4

V této diplomové práci se zaobírám zpracováním otevírání dveří standardních kalicích pecí, u kterých je reálná šance, že toto řešení půjde do výroby. Konkrétně jsou to typy pecí PK 35/12 a PK 225/12, které patří mezi pece odporové s nepřímým ohřevem. Pece jsou určeny pro ohřev a tepelné zpracování kovových materiálů do maximální teploty 1280 °C. Jejich uplatnění je dáno velikostí vnitřního prostoru a technickým vybavením. Přehled vyráběných pecí a jejich základní parametry uvádí tabulka 4.1. Tab. 4.1 Vnitřní Vnitřní Vnější rozměry Příkon Napětí Kalicí pece PK T max rozměry objem (šxvxh) (šxvxh) označení °C l mm mm kW V PK 17/12 1280 17 940x880x980 250x200x350 7,25 400 PK 35/12 1280 40 960x920x1200 290x250x550 11,0 400 PK 55/12 1280 55 1080x920x1220 400x250x550 13,0 400 PK 105/12 1280 105 1170x1020x1240 500x350x600 21,0 400 PK 225/12 1280 225 1320x1180x1440 600x500x750 29,0 400 PK 540/12 1280 540 1320x1300x2200 600x600x1500 50,0 400 PK 1000/12 1280 1000 2000x1400x2750 900x600x1800 70,0 400

4.1 Původní řešení otevírání dveří

4.1

Původně byly pece standardně zpracované s otevíráním dveří nahoru pomocí plynových tlačných pružin (obr. 4.1). Tyto pružiny mají dobré uplatnění tam, kde je požadován plynulý a zároveň tlumený pohyb při otevírání vík a krytů. Plynová pružina je tvořena válcem, který je natlakován dusíkem, výsuvnou pístnicí, pístem a dokonalým těsněním, které musí umožnit hladký výsuv pístnice za vnitřního tlaku až 300 barů. Nevhodnou manipulací ze strany obsluhy docházelo k nežádoucím vlivům a následnému porušování v důsledku čeho se stávali pružiny nefunkční. Jedná se o tyto nežádoucí vlivy: –

plynové pružiny nesmějí být během své funkce vystaveny radiálním silám, ohybu nebo vzpříčení – pístnici je třeba chránit před účinky rázů, poškrábáním a nečistotou, obzvlášť barevnými nátěry, protože poškození povrchu pístnice ničí těsnící systém – válec nesmí být zdeformován – pružiny nesmějí být přehřívány (teplota prostředí -30 ºC až +80 ºC)

Proto muselo dojít k jinému řešení otevírání dveří a to k řešení pomocí protizávaží.

Obr. 4.1 – Plynová tlačná pružina

strana 36


Na obrázcích 4.2 a 4.3 je vidět původní mechanismus otevírání dveří. U všech pecí jsou dveře otevírané směrem nahoru na pantografech. Součástí pantografu byli dvě plynové pružiny vyvažující hmotnost dveří a fixující otevřené dveře v krajní poloze. Pružiny byli uchyceny na bocích pece.

Na této peci se zamýšlí dveře otevírané směrem dolů s protizávažím. Dolní poloha dveří musí být zvolená tak, aby horní hrana dveří byla ve stejné výšce jako zakládací hrana pece.

Obr. 4.2 – Pec PK 35/12 s plynovými pružinami

U této pece budou dveře otevírané nahoru opět pomocí protizávaží. Horní poloha musí odkrývat celý prostor pece pro založení vsázky.

Obr. 4.3 – Pec PK 225/12 s plynovými pružinami


strana 37

4.2 Konstrukce pecí PK

4.2

Rám: Každá pec má rám, svařený z „L“ profilů, do nichž jsou vloženy „U“ plechy umožňující lepší odvětrávání vnějšího pláště pece. Rám je vyroben z konstrukční oceli 11 373 a povrchová úprava rámu je provedena červenou barvou RAL 3020. Dveře, zvedací mechanismus, držák regulátoru, zadní čelo, stropní kryt a otočný stolek mají barvu černou RAL 9005. Všechny typy jsou opatřeny 100 mm vysokými nohami na kterých pec stojí. Ty umožňují v případě požadavku zákazníka instalaci pece na pracovní stůl nebo do univerzálních patek umožňujících připevnění pece k podlaze. Výška stojanu je u jednotlivých modelů různá, tak aby výška nakládací hrany pece byla vždy 900 mm od podlahy. Jiné rozměry stojanu lze dodat jako doplněk na přání zákazníka za příplatek. Všechny typy mají standardně montovaný otočný stolek pro manipulaci se vsázkou na pravé straně pece.

Obr. 4.4 – Kalicí pec s pracovním stolem

Dveře: Dveře mají svařený rám z „U“ plechů, umožňujících větrání vnějšího pláště dveří. Otevírají se směrem nahoru, případně dolu na pantografech. Měření a regulace: Pece jsou standardně osazeny regulátorem INDUSTRY (viz obr. 4.5) a termočlánkem typu „S“ (umístěným v pravém horním rohu komory při pohledu zepředu). Pece jsou vybaveny bezkontaktními polovodičovými spínacími relé SSR.

Obr. 4.5 – Regulátor INDUSTRY

strana 38


Topení: Pro všechny objemy jsou pece konstruovány na 1280 ºC. Topení se skládá ze spirál z materiálu Kanthal A1 umístěných na keramických trubkách na bocích vnitřního prostoru pece podle obr. 4.6. Trubky jsou umístěny v žárobetonových držácích jak ukazuje obr. 4.7. Spirály ve dně jsou uloženy v žárobetonové tvarovce a jsou kryty SiC deskou.

Obr. 4.6 – Vnitřní prostor pece

Obr. 4.7 – Uložení topných spirál v peci

Izolace pece: Dno PK17 ÷ 55 je sestaveno z: – Deska Silcal 1000/40mm – dvě vrstvy – Cihla LAC25 nf1-76 – jedna vrstva Dno PK 105 ÷ 1000 je sestaveno z: – Cihla LAC25 nf1-76 – dvě vrstvy Ostatní izolace: – Cihla LAC25 nf1-76 – boční a zadní stěny – Promatect H 12 mm – přední, boční a zadní stěna – Izoblok U modul Sibral 200x305x305 – Rohož Sibral 130 – strop – Tvarovka držáku spirál - žárobeton – Tvarovka pro uložení spirál ve dně – žárobeton – Boční vedení a ochrana spirál – žárobeton – Krycí deska dna pece – SiC deska – Boční krycí deska spirál – SiC tvarovka – Přední portál pece - žárobeton Izolace dveří: – Cihla LAC25 nf1-76 – Papír Sibral 3mm – Těsnící provazec 4HR 30 – min na 1100°C Manipulace: Pece jsou vybaveny čtyřmi závěsnými oky v rozích rámu. Rovněž mohou být nakládány vysokozdvižným nebo paletovacím vozíkem.

5 Mechanismus otevírání dveří s protizávažím

5

strana 39

MECHANISMUS OTEVÍRÁNÍ DVEŘÍ S PROTIZÁVAŽÍM

Pro zjištění velikostí přítlačných a ovládacích sil a pro správnou funkčnost navrhnutých konstrukcí je sestaven výpočet podle schématu na obr. 5.1.

l2

Fz

γ β l1 Fd Obr. 5.1 – Schéma mechanismu otevírání dveří s protizávažím

Ze schématu vyplývají následovní vztahy: 1) Moment vyvolaný hmotností dveří M d = Fdr ⋅ l1 Fdr = Fd ⋅ cos ( β − α ) kde:

Md [N.mm] Fdr [N] l1 [mm] Fd [N] α [º] β [º]

je moment vyvolaný hmotností dveří, - radiální složka síly Fd, - délka ramene od dveří k ose otáčení, - síla od hmotnosti dveří, - úhel natáčení, - úhel sklonu ramene l1.

2) Moment vyvolaný hmotností protizávaží

M z = Fzr ⋅ l 2 Fzr = Fz ⋅ cos (γ − α ) kde:

Mz Fzr l2 Fz α γ

[N.mm] [N] [mm] [N] [º] [º]

je moment vyvolaný hmotností protizávaží, - radiální složka síly Fz, - délka ramene od protizávaží k ose otáčení, - síla od hmotnosti protizávaží, - úhel natáčení, - úhel sklonu ramene l2.

5

strana 40


3) Moment vyvolaný ovládací sílou ruky M r = Fr ⋅ l 3 Z momentové rovnováhy k ose otáčení Mz − Md + Mr = 0 pak

Fr = kde:

Mr [N.mm] Fr [N] l3 [mm]

Md − Mz l3

je moment vyvolaný ovládací sílou ruky, - ovládací síla ruky, - délka ramene od rukojeti k ose otáčení.

Z výše uvedených vztahů pak po dosazení známých hodnot dostanu hodnoty ovládacích a přítlačných sil. Známé hodnoty jsou získané z prvotní konstrukce a pomocí takto sestaveného výpočtu jsou následně přepočteny a upraveny tak, aby funkčnost konstrukce byla správná. Podstatné jsou výsledné hodnoty ovládací síly Fr v krajních polohách. Výpočet je řešen v případě pece PK 225/12 z polohy zavřené do polohy otevřené v krocích po 5°. U pece PK 35/12 je výpočet proveden z polohy otevřené do polohy zavřené, protože u této pece je smysl otevírání opačný jako u pece PK 225/12. Výpočty jsou prezentovány ve formě tabulek 5.1 a 5.2. Pro přehlednost jsou ovládací síly zpracovány do grafů (viz. graf 5.1 a 5.2). 5.1

5.1 Vypočtené hodnoty pece PK 35/12 Dáno:

- hmotnost dveří pece PK 35/12 - gravitační zrychlení

md = 26,7 kg g = 9,81 m.s-2

Síla od hmotnosti dveří pece PK 35/12 Fd = m d ⋅ g = 26,7 kg ⋅ 9,81 m.s −2 = 261,927 N

kde:

Fd [N] md [kg] g [m.s-2]

je síla od hmotnosti dveří pece PK 35/12, - hmotnost dveří pece PK 35/12, - gravitační zrychlení.

Tab. 5.1 0 5 10 15 20 25 4,91 4,91 4,91 4,91 4,91 4,91 l1 [mm] 700 700 700 700 700 700 Fd [N] 261,927 261,927 261,927 261,927 261,927 261,927 Fdr [N] 260,966 261,927 260,894 257,876 252,895 245,989 Md [Nmm] 182676,1 183348,7 182625,9 180513,2 177026,7 172192,9 α [°] β [°]


strana 41

α [°] γ [°]

0 5 10 15 20 25 35,87 35,87 35,87 35,87 35,87 35,87 l2 [mm] 854,95 854,95 854,95 854,95 854,95 854,95 Fz [N] 250,155 250,155 250,155 250,155 250,155 250,155 Fzr [N] 202,713 214,716 225,086 233,743 240,620 245,666 Mz [Nmm] 173309,3 183571,8 192437,3 199838,2 205718,3 210032,7 930 930 930 930 930 930 l3 [mm] Fr [N] 10,07185 -0,23996 -10,5499 -20,7796 -30,8512 -40,6879 20

10

0

síla Fr [N]

0

5

10

15

20

25

-10

ovládací síla -20

-30

-40

-50

úhel natáčení α [°C] Graf 5.1 – Závislost ovládací síly na úhlu natáčení pro pec PK 35/12

5.2 Vypočtené hodnoty pece PK 225/12 Dáno:

- hmotnost dveří pece PK 225/12 md = 88,1 kg - gravitační zrychlení g = 9,81 m.s-2

Síla od hmotnosti dveří PK 225/12 Fd = m d ⋅ g = 88,1 kg ⋅ 9,81 m.s −2 = 864,261 N

kde:

Fd [N] md [kg] g [m.s-2]

je síla od hmotnosti dveří pece PK 225/12, - hmotnost dveří pece PK 225/12, - gravitační zrychlení.

5.2

strana 42


α [°] β [°] l1 [mm] Fd [N] Fdr [N] Md [Nmm]

0 5 37,68 37,68 796,55 796,55 864,261 864,261 684,008 727,448 544846,6 579448,6

Tab. 5.2 10 15 20 25 37,68 37,68 37,68 37,68 796,55 796,55 796,55 796,55 864,261 864,261 864,261 864,261 765,351 797,430 823,439 843,183 609640,6 635192,9 655911 671637,2

α [°] β [°]

30 35 40 45 50 55 37,68 37,68 37,68 37,68 37,68 37,68 l1 [mm] 796,55 796,55 796,55 796,55 796,55 796,55 Fd [N] 864,261 864,261 864,261 864,261 864,261 864,261 Fdr [N] 856,508 863,316 863,553 857,217 844,358 825,073 Md [Nmm] 682251,8 687674,1 687862,8 682816,4 672573,4 657211,7 α [°] γ [°] l2 [mm] Fz [N] Fzr [N] Mz [Nmm]

0 5 10 15 20 25 48,47 48,47 48,47 48,47 48,47 48,47 878 878 878 878 878 878 776,952 776,952 776,952 776,952 776,952 776,952 515,1286 563,861 608,3021 648,1137 682,9927 712,6738 452282,9 495070 534089,3 569043,8 599667,6 625727,6

α [°] γ [°]

30 35 40 45 50 55 48,47 48,47 48,47 48,47 48,47 48,47 l2 [mm] 878 878 878 878 878 878 Fz [N] 776,952 776,952 776,952 776,952 776,952 776,952 Fzr [N] 736,9309 755,5796 768,4779 775,5276 776,675 771,9115 Mz [Nmm] 647025,4 663398,9 674723,6 680913,2 681920,7 677738,3 l3 [mm] Fr [N] l3 [mm] Fr [N]

1022 1022 1022 1022 1022 1022 90,57118 82,56227 73,92501 64,72513 55,03266 44,92136 1022 34,46818

1022 23,75267

1022 12,8564

1022 1022 1022 1,862273 -9,14602 -20,0847


strana 43

100

80

síla Fr [N]

60

40

ovládací síla 20

0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

-20

-40

úhel natáčení α [°C] Graf 5.2 – Závislost ovládací síly na úhlu natáčení pro pec PK 225/12

5.3 Výsledné řešení otevírání dveří s protizávažím Z vypočtených hodnot je zhotovena výkresová dokumentace (viz příloha diplomové práce). Podle této výkresové dokumentace jsou zhotoveny 3D modely (viz obr. 5.2 a 5.3) v programe Autodesk Inventor 6. U obou pecí se mechanismus otevírání dveří skládá z hlavních a pomocných ramen. Hlavní ramena jsou nosná protože jsou na nich upevněny dveře i protizávaží. Všechna ramena se vyrábí z trubek čtvercového nebo obdélníkového průřezu. Pec PK 35/12 je otevíraná pomocí mechanismu s protizávažím směrem dolů. V otevřené poloze je horní hrana dveří ve stejné výšce jako zakládací hrana pece. V původním řešení byly dveře v zavřené poloze trochu zasunuté dovnitř pece. U tohoto řešení to nebylo vzhledem k daným požadavkům otevírání možné a tak muselo dojít k přestavení vyzdívky. Vyzdívka se doplnila o výztuž, která je po úpravě zarovno s čelní rovinou rámu pece. Protizávaží tvoří tzv. vana na kterou je z vrchu přišroubovaný pomocí křídlatých matic kryt vany. Vana se naplní litinovým granulátem tak, aby byl mechanismus správně vyvážený. V otevřené poloze musí být moment, který tvoří síla od dveří, větší jako moment od síly protizávaží a to takový, aby udržel dveře bezpečně otevřené. Na přesné určení krajní otevřené polohy slouží dorazy nacházející se na bocích pece. Naopak, při poloze zavřené musí být moment od protizávaží co největší aby vyvodil maximální možnou přítlačnou sílu. Ovládací síla musí být tak veliká, aby obsluha bez větší námahy mohla při otevírání resp. zavírání dveří s pecí snadno manipulovat. Výrobní nepřesnosti, které by se mohly projevit při montáži ramen jsou odstraněny seřizovatelností polohy protizávaží a držáků dveří.

5.3

strana 44


Obr. 5.2 – 3D model pece PK 35/12 s protizávažím

Pec PK 225/12 se otevírá směrem nahoru tak, jako to bylo na původním řešení. Dveře jsou v zavřené poloze zasunuty dovnitř pece, aby dosedaly k vyzdívce pece. Aby se dveře daly pomocí mechanismu otevírání s protizávažím otevřít, musí být samotná konstrukce řešena tak, že horní hrana dveří se začne vyklápět rychleji než spodní část dveří, čím se dveře otevřou a nehrozí žádná kolize. Protizávaží je vyráběno stejným způsobem jaký je popsán u předešlé pece. To samé platí i pro plnění vany protizávaží a montáž ramen. Oproti peci PK 35/12 však platí pro velikosti momentů v krajních polohách úplně opačné kriterium. V poloze otevřené musí být moment od protizávaží větší jako moment vyvolaný tíhou dveří a to takový, aby nedošlo k samovolnému zavření pece a naopak, když budou dveře zavřené, tak moment vyvolaný tíhou dveří musí vyvodit co největší přípustnou přítlačnou sílu.

Obr. 5.3 – 3D model pece PK 225/12 s protizávažím


strana 45

Dveře pece PK 225/12 jsou pro lepší těsnost opatřeny těsnícím rámem, který je svařený z L profilů. Po obvodě rámu je aplikován grafitový provazec (viz obr. 5.4).

Obr. 5.4 – Těsnící rám dveří PK 225/12

5.4 Kontrolní výpočty hlavních ramen a čepů pantografů Pro kontrolu bezpečnosti navrhnutého mechanismu je sestaven analytický výpočet, který je proveden rovněž metodou MKP. Výpočet je realizován pro mezní stav ramen, když je protizávaží v nejkrajnější poloze. Hlavní ramena jsou počítaná ve vodorovné poloze, kdy jsou momenty od dveří a protizávaží maximální (viz. obr. 5.5).

Obr. 5.5 – Schéma zatížení hlavního ramene

Z podmínky v ose z Fz − Foz + Fd = 0 dostaneme Foz = Fz + Fd kde:

Fz [N] Fd [N] Foz [N]

je síla od hmotnosti protizávaží, síla od hmotnosti dveří, reakční síla od sil Fz a Fd.

5.4

strana 46


Ramena jsou převedena na případ vetknutého nosníku podle obr. 5.6 a jednotlivě jsou pak spočteny průhyby na koncích a maximální napětí.

Obr. 5.6 – Vetknutý nosník

Při výpočtu průhybů se vychází z diferenciální rovnice průhybové čáry

w′′ = − kde:

w [mm] Mo [N.mm] E [MPa] JY [mm4]

Mo E ⋅ JY

je průhyb, ohybový moment, modul pružnosti v tahu;pro ocel E =2,1.105 MPa, osový kvadratický moment.

Do této rovnice dosadím moment který vznikne v myšleném řezu (l - x) M o ( x ) = − F .(l − x ) Po integraci dostaneme průhyb nosníku v délce x w′′(x ) =

F .(l − x ) E.J Y

⎛ x2 ⎜ F .⎜ l.x − l 2 1 w′( x ) = F (l − x )dx = ⎝ ∫ E.J Y 0 E. J Y

⎞ ⎟⎟ ⎠ +C

1

⎛ x2 x3 ⎞ ⎜⎜ l F − ⎟⎟ l ⎡ ⎛ ⎤ 2 6 ⎠ 1 x2 ⎞ ⎝ ⎟ ⎜ w( x ) = F . l . x + C dx = + C1 .x + C 2 − ⎢ ⎥ 1 E.J Y ∫0 ⎣ ⎜⎝ 2 ⎟⎠ E.J Y ⎦ Integrační konstanty C1 a C2 určím z okrajových podmínek x=0 x=0

w′ = 0 w=0

⇒ ⇒

C1 = 0 C2 = 0


strana 47

pak pro x = l dostanu maximální průhyb wmax =

F .l 3 3.E.J Y

K dosazení do vzorce je potřeba ještě vypočíst osové kvadratické momenty JY. Kvůli zaoblení hran profilů jsou pro přesnost výpočtů tyto kvadratické momenty vypočítané v programu Autocad. Spočítají se profily obdélníkových (PK 35/12) a čtvercových (PK 225/12) průřezů a pak se od sebe odečtou (viz obr. 5.7 a 5.8). Pec PK 35/12: Vnější kvádr: X: -15.0 ÷ 15.0 Y: -25.0 ÷ 25.0 Těžiště: X: 0.0 Y: 0.0 Hlavní momenty a X-Y směry z těžiště: I: 109759.1853 podél [0.0 -1.0] J: 304510.8064 podél [1.0 0.0] Vnitřní kvádr: X: -12.0 ÷ 12.0 Y: -22.0 ÷ 22.0 Těžiště: X: 0.0 Y: 0.0 Hlavní momenty a X-Y směry z těžiště: I: 50568.9181 podél [0.0 -1.0] J: 169960.8944 podél [1.0 0.0]

Obr. 5.7 – Průřez profilu ramene pece PK 35/12

J Y = J Y1 − J Y2 = 304510,8064 mm 4 − 169960,8944 mm 4 = 134549,912 mm 4 Pec PK 225/12: Vnější kvádr: X: -25.0 ÷ 25.0 Y: -25.0 ÷ 25.0 Těžiště: X: 0.0 Y: 0.0 Hlavní momenty a X-Y směry z těžiště: I: 512844.1397 podél [1.0 0.0] J: 512844.1397 podél [0.0 1.0] Vnitřní kvádr: X: -22.0 ÷ 22.0 Y: -22.0 ÷ 22.0 Těžiště: X: 0.0 Y: 0.0 Hlavní momenty a X-Y směry z těžiště: I: 311934.2278 podél [1.0 0.0] J: 311934.2278 podél [0.0 1.0]

Obr. 5.8 – Průřez profilu ramene pece PK 225/12

J Y = J Y1 − J Y2 = 512844,1397 mm 4 − 311934,2278 mm 4 = 200909,9119 mm 4

strana 48


Z vypočtených osových kvadratických momentů a ze známých hodnot můžeme teď dosadit do odvozeného vzorce pro maximální průhyb a vypočítat hodnoty průhybů jednotlivých ramen. Počítáme z polovičními velikostmi sil protože každá pec má dvě hlavní ramena. Dáno:

PK 35/12

- síla od hmotnosti dveří - síla od hmotnosti protizávaží - délka ramene od dveří k ose otáčení - délka ramene od protizávaží k ose otáčení

Fd = 131 N Fz = 125 N l1 = 670 mm l2 = 920 mm

PK 225/12 Fd = 432 N Fz = 388,5 N l1 = 729,5 mm l2 = 959 mm

1) Průhyby ramene pece PK 35/12 Fd .l13 131 N .670 3 mm wd = = = 0,4648 mm 3.E.J Y 3.2,1.10 5 MPa .134549,912 mm 4 wz = kde:

wd [mm] wz [mm]

Fz .l 23 125 N .920 3 mm = = 1,1483 mm 3.E.J Y 3.2,1.10 5 MPa .134549,912 mm 4 je průhyb od síly Fd, průhyb od síly Fz.

Pro kontrolu jsou tyto průhyby spočteny i metodou MKP v programu COSMOS Design STAR na obr. 5.9 a 5.10.

Obr. 5.9 – Průhyby hlavního ramene pece PK 35/12


2) Průhyby ramene pece PK 225/12

kde:

wd =

Fd .l13 432 N .792,5 3 mm = = 1,6988 mm 3.E.J Y 3.2,1.10 5 MPa .200909,9119 mm 4

wz =

Fz .l 23 388,5 N .959 3 mm = = 2,7071 mm 3.E.J Y 3.2,1.10 5 MPa .200909,9119 mm 4

wd [mm] wz [mm]

je průhyb od síly Fd, průhyb od síly Fz.

Obr. 5.10 – Průhyby hlavního ramene pece PK 225/12

Vypočtené výsledky u obou ramen si téměř odpovídají. Jejich malé odchylky jsou způsobeny tím, že analytické řešení je počítané zjednodušeně zatímco metoda MKP řeší úlohu prostorově. Dále jsou počítané napětí v místě maximálního ohybového momentu

σ=

kde:

σ Mo Wo Fz l2 JY h σDo

[MPa] [N.mm] [mm3] [N] [mm] [mm4] [mm] [mm]

M o Fz ⋅ l 2 = ≤ σ Do JY Wo h

je napětí, ohybový moment, průřezový modul v ohybu. síla od hmotnosti protizávaží, délka ramene od protizávaží k ose otáčení. osový kvadratický moment, vzdálenost okrajového vlákna. dovolené napětí v ohybu; pro ocel 11 373 σDo = 170 MPa.

strana 49

strana 50


3) Napětí ramene pece PK 35/12

σ=

M o Fz ⋅ l 2 125 N .920 mm = = = 21,367 MPa < 170 MPa JY Wo 134549,912 mm 4 h 25 mm

Obr. 5.11 – Napěťová analýza hlavního ramene pece PK 35/12

4) Napětí ramene pece PK 225/12

σ=

M o Fz ⋅ l 2 388,5 N .959 mm = = = 46,3605 MPa < 170 MPa JY Wo 200909,9119 mm 4 h 25 mm

Obr. 5.12 – Napěťová analýza hlavního ramene pece PK 225/12


strana 51

Metodou MKP vyšla maximální napětí v místě uložení loží ramen, které jsou k ramenu přivařeny. Tato místa jsou tedy upravena technologicky a ve výpočtu nejsou zohledněny. Z pohledu výpočtů mají význam napětí na povrchu ramen. Ty se zase mírně liší oproti analyticky vypočteným hodnotám a je to způsobeno ze stejných důvodů jako u předešlých výpočtů. Nejvíc zatíženým a tedy i nejkritičtějším místem jsou čepy pantografů (viz obr. 5.13) na kterých celý mechanismus otevírání dveří drží a kolem kterých se otáčí. Proto jsou tyto čepy kontrolovány na ohyb.

Obr. 5.13 – Čep pantografu

Napětí v ohybu

σo =

Foz ⋅

π ⋅d

l 2 ≤σ Do 3

32 kde:

σo Foz l d σDo

[MPa] [N] [mm] [mm] [mm]

je napětí v ohybu, reakční síla od sil Fz a Fd, délka čepu, průměr čepu, dovolené napětí v ohybu; pro ocel 11 373 σDo = 170 MPa.

Dáno: - reakční síla od sil Fz a Fd - průměr čepu

PK 35/12

PK 225/12

Foz = 256 N d = 20 mm

Foz = 820,5 N d = 20 mm

5) Kontrola čepu na ohyb pro pec PK 35/12 30,5 mm l 256 N . 2 = 2 σo = = 4,97 MPa < 170 MPa π ⋅d3 π .20 3 mm 32 32 Foz ⋅

strana 52


Obr. 5.14 – Napětí v ohybu pro čep pece PK 35/12

6) Kontrola čepu na ohyb pro pec PK 225/12 50,5 mm l 820,5 N . 2 = 2 σo = = 26,38 MPa < 170 MPa π ⋅d3 π .20 3 mm 32 32 Foz ⋅

Obr. 5.15 – Napětí v ohybu pro čep pece PK 225/12


strana 53

Vypočtené hodnoty napětí pro kontrolu čepů na ohyb vyšla téměř stejně jako hodnoty vypočtené metodou konečných prvků. Z hlediska bezpečnosti jsou vyhovující.

5.5 Porovnání stávajícího řešení s řešením původním

5.5

Pro porovnání, které řešení je lepší byly zjištěny u jednotlivých pecí velikosti ovládacích a přítlačných sil. Z předešlého výpočtu geometrie pantografu už známe velikosti ovládacích sil a musíme je tedy vypočítat jen pro původně navržené pece. Všechny výpočty řešíme pro případ když jsou dveře zavřené. U výpočtů vycházíme z rovnováhy momentů k ose otáčení ΣMo = 0. V případě původního řešení otevírání dveří pomocí plynových pružin z výpočtu odpadává moment od protizávaží. Dané hodnoty pro pece s protizávažím: - síla od hmotnosti dveří - síla od hmotnosti protizávaží - radiální složka síly Fz - ovládací síla ruky - délka ramene od dveří k ose otáčení - délka ramene od protizávaží k ose otáčení Dané hodnoty pro pece s plynovými pružinami: - síla od hmotnosti dveří - délka ramene od dveří k ose otáčení - délka ramene od rukojeti k ose otáčení - úhel sklonu ramene

PK 35/12 Fd = 131 N Fz = 125 N Fzr = 245,6 N Fr = 40,6879 N l1 = 670 mm l2 = 920 mm

PK 225/12 Fd = 432 N Fz = 388,5 N Fzr = 515,1286 N Fr = 90,5712 N l1 = 729,5 mm l2 = 959 mm

PK 35/12 Fd = 131 N l1 = 300 mm l3 = 530 mm β = 61,24 º

PK 225/12 Fd = 432 N l1 = 380 mm l3 = 650 mm β = 67,47 º

Ovládací síla původní pece PK 35/12:

Fr = kde:

Fr Fd β l1 l3

Fd ⋅ cos β ⋅ l1 261,927 N ⋅ cos 61,24° ⋅ 300 mm = = 71,3 N 530 mm l3

[N] [N] [º] [mm] [mm]

je ovládací síla ruky původní pece PK 35/12, - síla od hmotnosti dveří pece PK 35/12, - úhel sklonu ramene, - délka ramene od dveří k ose otáčení, - délka ramene od rukojeti k ose otáčení.

Přítlačné síly pecí PK 35/12: - původní řešení Fdr = Fd ⋅ cos β = 261,927 N ⋅ cos 61,24° = 126,02 N kde:

Fdr [N] Fd [N] β [º]

je radiální složka síly Fd, - síla od hmotnosti dveří pece PK 35/12, - úhel sklonu ramene.

strana 54


- nové řešení

Fdr = kde:

Fdr Fzr l1 l2

[N] [N] [mm] [mm]

Fzr ⋅ l 2 245,6 N ⋅ 564,95 mm = = 299,965 N 700 mm l1 je radiální složka síly Fd, - radiální složka síly Fz, - délka ramene od dveří k ose otáčení, - délka ramene od protizávaží k ose otáčení.

Obr. 5.16 – Původní a nové řešení pece PK 35/12

Z vypočtených výsledků vyplývá, že u předešlých pecí bylo zapotřebí vyvodit na otevření dveří pece větší ovládací sílu a dosažená přítlačná síla byla oproti novému řešení jen poloviční. Z tohoto pohledu se jeví nové řešení otevírání dveří pomocí protizávaží jako lepší. Také je zde menší pravděpodobnost nějakého vážnějšího poškození, které by znemožnilo provoz pece. Ovládací síla původní pece PK 225/12:

Fr = kde:

Fr Fd β l1 l3

Fd ⋅ cos β ⋅ l1 864,261 N ⋅ cos 67,47° ⋅ 380 mm = = 193,599 N 650 mm l3

[N] [N] [º] [mm] [mm]

je ovládací síla ruky původní pece PK 225/12, - síla od hmotnosti dveří pece PK 225/12, - úhel sklonu ramene, - délka ramene od dveří k ose otáčení, - délka ramene od rukojeti k ose otáčení.

Přítlačné síly pecí PK 225/12: - původní řešení Fdr = Fd ⋅ cos β = 864,261 N ⋅ cos 67,47° = 331,15 N kde:

Fdr [N] Fd [N] β [º]

je radiální složka síly Fd, - síla od hmotnosti dveří pece PK 225/12, - úhel sklonu ramene.


strana 55

- nové řešení

Fdr = kde:

Fdr Fzr l1 l2

[N] [N] [mm] [mm]

Fzr ⋅ l 2 515,1286 N ⋅ 878 mm = = 567,8 N 796,55 mm l1 je radiální složka síly Fd, - radiální složka síly Fz, - délka ramene od dveří k ose otáčení, - délka ramene od protizávaží k ose otáčení.

Obr. 5.17 – Původní a nové řešení pece PK 225/12

U této pece vychází výsledky podobně jako u předešlé pece. V případě ovládacích sil je u původního řešení velikost ovládací síly výrazně vyšší. Velikost přítlačné síly je téměř dvojnásobní. Obdobně jako u pece PK 35/12 se i pro pec PK 225/12 jeví nové řešení jako lepší.

5.6 Použití stávajícího řešení pro jiné typy pecí PK Pro jiné typy pecí PK je taky možné aplikovat řešení otevírání dveří s protizávažím, které bylo popsáno v podkapitole 5.3. Vždy se vychází s prvotní konstrukce, s které se získají počáteční hodnoty. Pak lze využít výpočtů z kapitoly 5. Po dosazení do výpočtů se získají hodnoty ovládacích a přítlačných sil a taky se zjistí hmotnost protizávaží. Tyto hodnoty se pak podle potřeby mohou upravovat tak, aby byla zaručena správná funkčnost daného mechanismu, která se zjišťuje v krajních polohách. V krajní otevřené poloze musí být velikosti momentů vyvolaných tíhou dveří a tíhou protizávaží takové, aby nedošlo k samovolnému zavření dveří. V poloze zavřené musí být pak tyto momenty takové, aby vyvodili co největší přítlačnou sílu. Když jsou podle těchto kritérií získané správné hodnoty, tak se z vyšlých výsledků může vyhotovit příslušná konstrukce.

5.6

strana 56

5.7


5.7 Návrh jiných možností řešení otevírání dveří Jedním z možných řešení je nahrazení plynových pružin hydraulickým nebo pneumatickým pohonem. Pro lineární pohyb je jejich realizace jednoduchá a mají velmi dobrou řiditelnost sil a rychlostí. Prvky hydrauliky a pneumatiky jsou bezpečné proti přetížení. Pneumatický pohon je necitlivý na kolísání teploty, bez nebezpečí výbuchu. Při vysoké vlhkosti vzduchu, nízké teplotě okolí a expanzi hrozí nebezpečí zamrzání. Hydraulický pohon je na kolísání teploty citlivý a při netěsnostech hrozí znečišťování a nebezpečí požáru. Zapotřebí jsou další přídavná zařízení a to v případě hydrauliky se jedná o hydraulický agregát a v případě pneumatiky o kompresor. Z hlediska ceny energie je ve srovnání s energii elektrickou jejich cena vysoká. Z těchto důvodů se jeví toto řešení jako ne příliš vhodné. Jako velmi vhodné řešení je použití lineárních šroubových pohonů. Jsou to kompaktní konstrukce pohonů, ve kterých se rotační pohyb elektromotoru převádí pomocí reduktoru a šroubu na lineární pohyb. Pohony dosahují značnou sílu v tlaku i v tahu (až 50.000 N), jejich zdvih může být podle provedení až 1500 mm a mají různé rychlosti pohybu. Při jmenovitém zatížení jsou samosvorné. Široký sortiment šroubových pohonů (aktuátorů) nabízí např. italská firma Ognibene (viz obr. 5.18).

Obr. 5.18 – Lineární šroubové pohony (aktuátory)

K dispozici je široká paleta modelů uzpůsobených pro různá použití. Od každého modelu se vyrábí několik typů, které se liší výstupní silou a rychlostí lineárního pohybu. Podle polohy motoru ke šroubu se rozlišují tři základní varianty uspořádání, které jsou znázorněny na obr. 5.19.

Obr. 5.19 – Varianty lineárních pohonů

6 Závěr

6

ZÁVĚR

V předložené diplomové práci byli konstrukčně vyřešeny mechanismy otevírání dveří pomocí protizávaží pro zadané dva typy pecí, které se liší velikostí a směrem pohybu otevírání dveří. Správná funkčnost navržených mechanismů byla ověřena pomocí výpočtů, které vyplývaly z dané geometrie. Pomocí analytické pružnosti a pevnosti byla spočtena hlavní ramena a čepy pantografů. Výsledky byly ověřeny i pomocí metody konečných prvků v programu COSMOS Design STAR. Pro lepší představu výsledné konstrukce jsou v programu Autodesk Inventor 6 vymodelovány 3D modely obou pecí a pomocí vazeb je vytvořena animace pohybu otevírání dveří (viz prezentace). Takto navržené pece byly porovnány s původními. Rozhodujícím kriteriem jsou velikosti ovládacích sil, které je nutno vyvodit na otevření dveří pece a velikosti přítlačných sil působících v zavřené poloze. V obou případech vyšly výsledné hodnoty lepší u pecí řešených pomocí mechanismů otevírání dveří s protizávažím. To znamená, že u nově navržených mechanismů je zapotřebí k otevření dveří menších ovládacích sil a dosahuje se vyšších přítlačných sil. Dalším důležitým kriteriem pro porovnání, které z řešení se jeví jako lepší je, že mechanismy otevírání dveří s protizávažím neobsahují žádný prvek, který by byl náchylný na poškozování. Z těchto důvodů je řešení mechanismu otevírání dveří s protizávažím lepší a výhodnější jednak z hlediska silového, z hlediska poruchovosti a v neposlední řade i z hlediska cenového.

strana 57

6

strana 58

7

7 Seznam použité literatury

7

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

[1] Kvapil, L. - Bedřich, S.: Elektrické odporové pece. 1. vydání. Praha: SNTL – Státní nakladatelství technické literatury , září 1958. 236 s. L25b-B2-3-I/5304. [2] Dolejší, M. - Tomek, V.: Elektrické odporové pece a sušárny. 1. vydání. Praha: SNTL – Státní nakladatelství technické literatury, 1967. 352 s. L13-B3-IV41/22097/VI. [3] Walter, E. a kolektiv.:Technické vzorce. 2. vydání. Bratislava: Alfa – vydavatelství technické a ekonomické literatury, říjen 1987. 432 s. [4] Klepš, Z. - Nožička, J.: Technické tabulky. 2. vydání. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1986. 352 s. L13-C3-IV-51/28857. [5] Vávra, P. – Leinveber, J.: Strojnické tabulky. 2. vydání. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1986. 392 s. L13-C1-II-84/26000 [6] Lac, s.r.o. - Katalog http://www.lac.cz/

8 Přílohy

8

strana 59

PŘÍLOHY

8

Přílohy:

Příloha 1 − Pec PK 35/12 s protizávažím Příloha 2 − Pec PK 225/12 s protizávažím Výkresová dokumentace:

PEC PK 35/12 PANTOGRAF PK 35/12 ČEP PANTOGRAFU SPODNÍ PK 35/12 ČEP PANTOGRAFU PK 35/12 RAMENO POMOCNÉ PK 35/12 RAMENO ZAVÍRÁNÍ PK 35/12 LOŽE RAMENE PK 35/12 PROTIZÁVAŽÍ DVEŘÍ PK 35/12 DVEŘE PK 35/12 MADLO PK 35/12 DORAZ DVEŘÍ PK 35/12 PEC PK 225/12 PANTOGRAF PK 225/12 RÁM DVEŘÍ TĚSNÍCÍ PK 225/12 RAMENO HORNÍ PK 225/12 RAMENO DOLNÍ PK 225/12 LOŽE RAMENE PK 225/12 DVEŘE PK 225/12 ČEP PANTOGRAFU PK 225/12 PROTIZÁVAŽÍ DVEŘÍ PK 225/12 MADLO PK 225/12 DORAZ DVEŘÍ PK 225/12

10000035-000-05 10100035-022-03 10000035-009-00 10000035-010-00 10000035-011-00 10000035-012-00 10000035-013-00 10000035-015-01 10100035-025-01 10000035-036-00 10000035-037-00 10000225-000-03 10000225-002-01 10200225-003-00 10000225-004-02 10000225-005-01 10000225-006-02 10000225-007-01 10000225-010-00 10100225-015-00 10000225-036-00 10000225-037-00

strana 60

8 Přílohy

Příloha 1 − Pec PK 35/12 s protizávažím

8 Přílohy

Příloha 2 − Pec PK 225/12 s protizávažím

strana 61

Návrh výsuvného otevírání dveří s protizávažím (pantograf) pro pece kalicí

Recommend Documents