ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY
ELEKTROTEPELNÁ TECHNIKA Vařiče Vypracoval: Otakar Zavřel Václav Laxa Ostatní členové měřícího týmu: Jan Kokeisl Jakub Loquenz
Cvičení Středa 4+5 Datum měření
Datum vypracování 7.11.2007 13.11.2007
Školní rok
Semestr 2007/2008
Ročník 1
1 NMgr
1. Úvod Pro všechny výrobní procesy je nezbytná mechanická práce a technologické teplo. Obě tyto energie mají ve výrobě význam stejný a základní. V poslední době, kdy stále větším tempem probíhá vědecko technický rozvoj, se celosvětově stále více technologických procesů převádí z tepla palivového na teplo elektrické. Elektrické teplo podstatně zvyšuje produktivitu práce, jakost výrobků, zhodnocuje materiály a suroviny, snižuje výrobní náklady a výrazně zlepšuje pracovní a životní prostředí. Odpadají exhalace. První elektrotepelná zařízení byla poměrně jednoduchá zařízení odporová a oblouková. Dnes elektrotepelná zařízení tvoří rozsáhlý vědní a technický obor se širokou problematikou. Vyplívá to již jen z jejich rozdělení podle principu přeměny elektrické energie na teplo. Rozdělujeme na odporová, indukční, dielektrická, oblouková, plazmová, elektronová a laserová zařízení. V tomto referátu se budeme zabývat těmito druhy ohřevů:
1.1.
Odporový ohřev:
V odporových zařízeních se mění energie elektrická v tepelnou podle Joulova zákona. Podle vzniku a působení tepla se odporová zařízení rozdělují do dvou základních skupin, a to na zařízení s přímým a nepřímým odporovým ohřevem. V zařízeních pro přímý odporový ohřev vzniká teplo průchodem proudu elektricky vodivou pevnou vsázkou nebo elektrolytem. V zařízeních s nepřímým odporovým ohřevem vzniká teplo v topných článcích umístěných přímo v pecním prostoru. Lité vařičové desky mají povrchové teploty od 300°C asi do 500°C a teplo z nich se přenáší do varné nádoby vedením. Z toho důvodu je nutné, aby mezi plochou desky a nádobou nebyla vzduchová mezera a tak se nezhoršoval přestup tepla a účinnost ohřevu. V zařízeních s nepřímým odporovým ohřevem vzniká teplo v topných článcích umístěných přímo v pecním prostoru.
1.2.
Indukční ohřev:
Indukční ohřev je možný jen u materiálů elektricky vodivých. V předmětu z vodivého materiálu, který je vložen do střídavého magnetického pole, se indukují vířivé proudy. Tyto proudy předmět zahřívají. Teplo se dopravuje střídavým magnetickým polem a vzniká přímo vsázce. Vznik tepla přímo vsázce, patří k největším výhodám indukčního ohřevu.
1.3.
Mikrovlnný ohřev:
Mikrovlnný ohřev je zvláštním druhem dielektrického ohřevu. Používá se vlnění frekvence řádově gigahertzů. Frekvence se generují ve speciálních elektronkách – magnetronech.
2. Úkol měření: Změřte tepelnou účinnost různých elektrických vařičů a mikrovlnné trouby. Zpracujte výsledky a do grafů zakreslete závislosti teploty vody na době ohřevu.
2.1.
Měření účinnosti vařičů:
Měření účinnosti jednotlivých typů vařičů se provádí proto, aby byla stanovena správnost jejich použití při krátkodobém nebo dlouhodobém používání. Z tohoto hlediska se rozlišují také dva druhy účinností vařičů, a to: 1. účinnost vařiče ze studeného stavu desky. 2. účinnost vařiče při ohřáté desce. Při měření účinnosti ze studeného stavu desky se ohřívá v nádobě naměřené množství vody z teploty 20°C na teplotu 95°C. Pomocí wattmetru je měřen přivedený příkon vařiče, který se spolu s teplotou ohřívané vody odečítá v minutových intervalech. V tomto případě bude v účinnosti zahrnuta i energie spotřebovaná na ohřátí vlastního vařiče a její hodnota se určí jako poměr množství energie přivedené ohřívané vodě k celkové energii spotřebované vařičem podle vztahu:
η=
Qv G ⋅ c ⋅ (ν k − ν 0 ) = Qel P ⋅t
G…hmota ohřívané vody [kg] c…specifické teplo vody [J/kg °C] ν0, νk…počáteční a konečná teplota vody [°C] P…střední hodnota změřeného příkonu vařiče [W] t…doba ohřevu [sec]
2.2.
Měření účinnosti mikrovlnné trouby:
Cílem druhé části je stanovit účinnost mikrovlnné trouby pro různé směsi (voda, voda – sůl, voda – cukr). Účinnost mikrovlnné trouby se stanoví dle vztahu:
η=
QV m ⋅ c ⋅ (υ K − υ 0 ) = Qel udaj − elektrometru
3. Postup měření: 3.1.
Vařiče a rychlovazná konvice
Do nádob s teploměrem napustíme 0,7l studené vody. Po každé minutě ohřívání odečítáme teplotu vody a příkon spotřebiče až do okamžiku, kdy voda dosahuje teploty 95 °C (v případě indukčního vařiče a rychlovazné konvice odečítáme po půl minutě). Dále jednorázově odečteme napětí v síti a proud odebíraný spotřebičem. Vypočteme účinnosti vařičů a graficky znázorníme teplotu vody na době ohřevu.
3.2.
Mikrovlnný ohřev
V tomto úkolu stanovujeme účinnost mikrovlnné trouby při ohřevu 570g studené vody, 500g vody v kombinaci s 70g cukru a také 500g vody s příměsí 70g soli. Po 1:45 min čas. intervalu zjišťujeme rozdíl teplot tekutiny a odečítáme stav elektroměru oproti počáteční hodnotě. Pro každou směs pak určujeme účinnost ohřevu.
4. Schéma zapojení:
5. Naměřené a vypočtené hodnoty 5.1. U=220V
I=7,6A
čas [min] teplota [°C]
η=
0:30 28
Pteoret.=1672 W 1:00 41
1:30 55
2:00 68
Pwattmetr=1657,2 W 2:30 81
3:00 94
3:13 97
QV G ⋅ c ⋅ (υ K − υ 0 ) 0,7 ⋅ 4180 ⋅ (97 − 20 ) 225302 = = 0,7044 = 70,44% = = 1657,2 ⋅ 193 319839,6 Qel Pwattmetr t
5.2. U=220V čas [min] teplota [°C]
η=
Indukční vařič
Odporový vařič I=6,2A 1:00 22
2:00 24,5
Pteoret.=1364 W 3:00 32
4:00 40
5:00 48,5
PElektroměr=1343,3 W 6:00 60
7:00 71
QV G ⋅ c ⋅ (υ K − υ 0 ) 0,7 ⋅ 4180 ⋅ (96 − 22 ) 216524 = = 0,2984 = 29,84% = = 1343,3 ⋅ 540 725382 Qel Pelektr .t
8:00 83
9:00 96
5.3. U=219V
Rychlovarná konvice I=8,9A
čas [min] teplota [°C]
η=
Pteoret.=1949,1 W 0:30 25
1:00 44
1:30 60
PElektroměr=1976 W 2:00 84
2:26 97
QV G ⋅ c ⋅ (υ K − υ 0 ) 0,7 ⋅ 4180 ⋅ (97 − 20 ) 225302 = = 0,7810 = 78,10% = = 1976 ⋅ 146 288496 Qel Pelektr .t
5.4.
Mikrovlnná trouba
5.4.1. čistá voda Qel=45Wh Æ 1kWh=3,6MJ Î E=162 kJ
η=
QV m ⋅ c ⋅ (υ K − υ 0 ) 0,570 ⋅ 4180 ⋅ (46 − 20) 61947,6 = = = = 0,382 = 38,2% Qel E 162000 162000 5.4.2. voda + 70g cukru
Qel=56Wh Æ 1kWh=3,6MJ Î E=201,6 kJ
η=
QV m ⋅ c ⋅ (υ K − υ 0 ) 0,570 ⋅ 4180 ⋅ (47,5 − 20) 65521,5 = = = = 0,325 = 32,5% Qel E 201600 201600 5.4.3. voda + 70g soli
Qel=110Wh Æ 1kWh=3,6MJ Î E=396 kJ
η=
QV m ⋅ c ⋅ (υ K − υ 0 ) 0,570 ⋅ 4180 ⋅ (41 − 20) 61947,6 = = = = 0,126 = 12,6% Qel E 396000 396000
Závislost teploty vody na době ohřevu 120 100
T [°C]
80 60 40 20 0 0:00
1:12
2:24
3:36
4:48
6:00
t [min] Indukční vařič
Odporový vařič
Rychlovarná konvice
7:12
8:24
9:36
6. Závěr Ze zkoumaných spotřebičů má nejvyšší účinnost rychlovarná konvice (78,1%), následuje indukční vařič (70,44%) a mikrovlnná trouba (38,2%). Nejnižší účinnost má podle našeho měření odporový vařič (29,9%) – lze však předpokládat, že jsme při měření dopustili chyby, jelikož obecně lze mikrovlnou troubu považovat za nejméně účinnou. Sůl obsažená ve vodě zvyšuje její vodivé schopnosti a značná část tepla dodaného mikrovlnnou troubou byla tedy vedena do skleněné nádoby (roztok pak vykazoval nejnižší teplotu v porovnání s další kombinací – voda+cukr a samotná voda).
7. Použité přístroje -
Mikrovlnná trouba Odporový vařič Indukční vařič Rychlovazná konvice Ampérmetr Voltmetr Wattmetr Elektroměr Teploměr Stopky
