Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

PRŮMYSLOVÉ PECE studijní opora

Adéla Macháčková

Lenka Mrňková

Ostrava 2013

Recenzent: Doc. Ing. Zuzana Klečková, CSc.

Název: Průmyslové pece

Autor: Doc. Ing. Adéla Macháčková, Ph.D., Ing. Lenka Mrňková

Vydání: první, 2013

Počet stran: 100

Studijní materiály pro studijní program Metalurgické inženýrství na Fakultě metalurgie a

materiálového inženýrství. Jazyková korektura: nebyla provedena.

Studijní opora vznikla v rámci projektu OP VK: Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na

Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava

Číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0304

© Adéla Macháčková, Lenka Mrňková

© VŠB – Technická univerzita Ostrava

ISBN 978-80-248-3372-9

POKYNY KE STUDIU

Průmyslové pece

Pro předmět Průmyslové pece 1. semestru studijního programu Metalurgické

inženýrství, jste obdrželi 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, jež jsou základem pro technologické zásady ohřevu materiálů, režimy

a návrhy ohřevu materiálu, základní výpočty doby ohřevu. Seznámíte se s různými topnými

systémy používanými v průmyslových pecích. Naučíte se orientovat v žárovzdorných

vyzdívkách pecí, ve výměnících tepla, v měření teplot, tlaku, průtoku médií, v analýze

spalinových složek. Získáte ucelený přehled průmyslových pecí, jejich využití, 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 využití.

- Student bude schopen orientovat se v problematice přenosu tepla, technologii ohřevu

materiálu, žárovzdorných materiálech, výměnících tepla a měření základních veličin.

výstupy dovedností:

- Student své znalosti může uplatnit při návrzích průmyslových pecí.

- Student bude umět aplikovat teoretické poznatky v technické praxi, zvl. v provozech

s průmyslovými pecemi různého charakteru a využití.

Pro koho je předmět určen

Předmět je zařazen do magisterského studia oborů Moderní metalurgické technologie,

Tepelná technika a průmyslová keramika studijního programu Metalurgické inženýrství, ale

může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, pokud splňuje požadované

prerekvizity.

Studijní opora se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované

látky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit,

proto jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná

struktura.

Při studiu každé kapitoly doporučujeme následující postup:

Studijní opora je vytvořena z logicky navazujících celků, proto je vhodné studovat

problematiku postupně a krok za krokem, protože jednotlivé části zahrnují znalosti předešlých

kapitol. Čas, uvedený na začátku kapitoly je orientační a záleží na individuálních učebních

schopnostech každého 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 již na přednáškách, resp. cvičeních, kde studenti

mohou klást své dotazy. V případě dalších dotazů a potřeb se student může dostavit na

konzultaci daných témat s vyučujícím. Na konzultaci je možné se přihlásit prostřednictvím

e-mailu uvedeného níže. 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 obdržení zápočtu. Student

bude seznámen s podmínkami a průběhem zkoušky.

Jakékoliv další informace k výuce se můžete dotázat garanta předmětu, jímž je

doc. Ing. Adéla Macháčková, Ph.D. a také prostřednictvím e-mailu:

adela.machackova@vsb.cz

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, možno říci jako opakovací.

Motto:

1. Celková energie ve vesmíru je konstantní.

2. Energie nemůže být nikdy zničena.

3. Energie se může přeměňovat různými způsoby. Podle platného II. termodynamického

zákona se energie přenáší z těles s vyšší teplotou k tělesům s teplotou nižší prostřednictvím

těchto typů sdílení tepla: vedení (kondukce), konvekce, radiace (záření).

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 důležitých rovnicích,

které se používají 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 převážně v pevných látkách a rovněž také kapalných

látkách, které nejsou v pohybu.

Základem vedení tepla je vznik teplotního pole. Teplotní pole vzniká tehdy, když

v materiálu je přítomen rozdíl teplot. Vznikající teplotní pole se šíří všemi směry – tedy

v jednotlivých osách – x, y, z. Teplotní pole může a nemusí být závislé na čase. Mohou však

nastat různé varianty. Obecně je popsáno teplotní pole následujícím matematickým výrazem

)C(τ,,, zyxft

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 může měnit všemi směry. Nárůst (pokles) teploty je dán gradientem teploty,

což je vektor, kolmý k izotermě a směřující na stranu nárůstu (poklesu) teploty,

tz

t

y

t

x

tt

grad (K.m

-1), kde je Hamiltonův operátor (m

-1).

Množství tepla přenesené přes izotermický povrch za čas je tepelný tok P. Tepelný tok

vztažený na jednotku izotermické plochy (na 1 m2) je nazýván hustota tepelného toku q

(W.m-2

). Vzájemný vztah je

)W(SqP

Množství tepla Q, procházející izotermickou plochou je dáno jednoduchým součinem

tepelného toku P a času τ, tedy

)J(ττ SqPQ

Základní zákony sdílení tepla vedením

První Fouriérův zákon – hustota tepelného toku je úměrná zápornému gradientu teploty

)mW(λgradλ 2

z

t

y

t

x

ttq

Znaménko mínus souvisí s tím, že 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 množství tepla, které projde za jednotku

času (1 s) jednotkovou plochou izotermického povrchu (1 m2), přičemž v tělese je jednotkový

teplotní gradient (1 K), tedy

11 KmWgrad

λ

St

Q

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, že materiál je homogenní a izotropní, fyzikální vlastnosti materiálu

jsou konstantní, vnitřní objemové zdroje v materiálu jsou rovnoměrně rozděleny a za

předpokladu, že děj probíhá za konstantního tlaku.

Finální tvar druhého Fouriérova zákona po složitém odvození je následující

)sK( 1

p

V2

c

qta

t

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

pca , jednotkou je m

2.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 než nekovy.

Druhý Fouriérův zákon můžeme rovněž napsat v těchto (zjednodušených) tvarech:

)sK( 1

p

V2

c

qta

t

základní tvar,

)sK( 12

ta

t

sdílení tepla vedením je bez vnitřních objemových zdrojů

)mK(0 2V2

qta

Poissonova rovnice pro stacionární vedení tepla

s vnitřními objemovými zdroji,

)mK(0 22 t Laplaceova rovnice pro stacionární vedení tepla bez

vnitřních objemových zdrojů.

K řešení Druhého Fouriérova zákona neboli parciální diferenciální rovnici druhého

řádu se používají 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 snažíme vždy 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 rozložení 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.

Rozložení teploty na povrchu tpov je funkcí souřadnic a času.

,,,pov zyxft

2. povrchová podmínka (Neumannova) – Je známa hustota tepelného toku na povrchu

tělesa. Rozložení hustoty tepelného toku q na povrchu tělesa je funkcí souřadnic a času.

,,, zyxfq

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.

okpovc ttq

4. povrchová podmínka - Kontakt dvou těles. Dvě různá tělesa jsou v dokonalém

kontaktu a jejich styčné povrchy mají stejnou teplotu.

212

21

1 ... ttx

t

x

t

5. povrchová podmínka - Fázová přeměna. Platí při změně skupenství látky (např.

tuhnutí – přeměna kapalné látky v pevnou látku).

l

x

t

x

t 22

11 ,

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

tekutinapovrchkonkonvekce ttn

tq

,

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

).K(W.m 12

tekutinapovrch

kon

n

t

tt

.

Součinitel přestupu tepla konvekcí je množství 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

)1(zyx ξ,ξ,ξPo,Fo,Pr,Gr,Re,fNu ,

kde ξx, ξy, ξz jsou bezrozměrné souřadnice.

Význam jednotlivých kritérií je v následující tabulce.

kritérium značka vzorec text

Nusseltovo Nu

lNu

kon Sdílení tepla konvekcí.

Reynoldsovo Re

lvRe

Poměr sil setrvačných a vazkých.

Grashoffovo Gr 2

3

lTgGr

Přirozená konvekce skutečné (vazké)

tekutiny.

Prandtlovo Pr a

Pr

Sdílení tepla v tekutinách.

Fouriérovo Fo 2l

aFo

Rychlost šíření tepla v tělese.

Bezrozměrný čas.

Pomerancevovo Po T

lqPo

2

V Teplotní pole s vnitřním objemovým

zdrojem.

Kriteriální rovnice jsou pak aplikovány na jednotlivé děje pro přirozenou, nebo nucenou

konvekci. Takovými ději může 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, že záření se může 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 použít kvantovou (korpuskulární)

teorii (interakce světla s látkou, laser, apod.). Světlo je elektromagnetické vlnění v rozmezí

vlnových délek 390 až 760 nm.

Množství vysálané energie závisí na teplotě tělesa. Těleso, které při dané teplotě

vyzařuje (pohlcuje) na každé vlnové délce maximálně možné množství sálavé energie se

nazývá černé těleso. Protože černé těleso ve skutečnosti neexistuje, byl zaveden pojem

šedého tělesa. Záření šedého tělesa při stejné teplotě a v rozsahu vlnových délek je menší než

záření černého tělesa.

Mezi základní zákony pro sdílení tepla zářením platí:

Planckův zákon: „Intenzita vyzařování černého tělesa je závislá na vlnové délce. Pro

každou teplotu existuje maximum vyzářené energie při určité vlnové délce“. Intenzita

vyzařování černého tělesa

)mW(

1λ

3

Tλ5

1λ0,

2

c

e

cE , Km104388,1,mW107412,3 2

2

216

1 cc ,

Wienův posunovací zákon: S rostoucí teplotou se maximum vyzářené energie

posouvá ke kratším vlnovým délkám“. Intenzita vyzařování černého tělesa

)mW(10286,1 355

maxλ,,0

TE .

Stefanův – Boltzmannův zákon: „Intenzita vyzařování černého tělesa je úměrná

čtvrté mocnině termodynamické teploty“. Intenzita vyzařování černého tělesa

)W.m( 24

0

TE

)KmW(1067,515104388,1

π107415,3

15

π 428

42

416

4

2

4

1

c

c ,

Pro šedá tělesa platí

)W.m(100

2

4

00

TCEE .

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.

)1(4

0 T

E

E

EA

Zářivý tok mezi dvěma tělesy, které mají rozdílné teploty povrchů, rozdílné plochy

povrchů a rozdílné emisivity.

)W(100100

111 112

4

2

4

1

21

012 S

TTCP

.

Vzorec pro složenou emisivitu má tvar

111

1

21

n

.

Základní rovnice hydromechaniky

Hydrostatika se zabývá rovnováhou sil působících na tekutinu v klidu. Tato rovnováha

nastane tehdy, když se částice vůči sobě nepohybují, to znamená, že 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 používaných v mechanice tekutin je v této tabulce

Název rovnice Rovnováha sil Výsledná rovnice

Eulerova rovnice hydrostatiky. 0pm FF 0grad1

pa

Eulerova rovnice hydrodynamiky. spm FFF

d

dgrad

1 vpa

Rovnice kontinuity. ----

Ustálené proudění

m. QkonstvS

V. QkonstvS

Navierova – Stokesova rovnice. stmp dddd FFFF

d

dgrad

1 2 vvpa

Bernoulliho rovnice. smp ddd FFF

.konst2

2

v

pgh ,

konst.2

2

g

v

g

ph

,

Základní vztahy v termomechanice

1. zákon termodynamiky (platí obecně pro ideální i reálný plyn).

Princip zachování energie: Množství 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 kde:

pro plyn o hmotnosti m: p.V = m.r.T

pro jeden kmol plynu: p.Vm = R.T kde: R = 8314 J.kmol-1

.K-1

pro látkové množství n : 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 váží stavové veličiny

v rovnovážném 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 až 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 můžeme 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 množství předaného tepla. Tento diagram slouží k tomu,

že umožňuje posuzovat účinnost tepelných oběhů. Tepelný oběh je sled termodynamických

změn jdoucích za sebou tak, že se pracovní látka vrátí do původního stavu. Nejznámějším

pracovním oběhem je Carnotův cyklus.

2. zákon termodynamiky

„není možné sestrojit periodicky pracující stroj, který by trvale odebíral teplot z tepelného

zásobníku a konal tomuto teplu ekvivalentní práci.“

Nebo

„Teplo nemůže samovolně přecházet z tělesa o teplotě nižší na těleso o teplotě vyšší“.

II. zákon termodynamiky omezuje platnost I. zákona termodynamiky tím, že upřesňuje, že

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 využíváme 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.

2. TERMOFYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI MATERIÁLŮ

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,

m3), ve spalinách dochází ke kondenzaci vodní páry. Pro plynná paliva se spalné teplo

vypočítá ze spalných tepel a objemových podílů jednotlivých složek, což lze obecně napsat

jako:

(kJ.m

-3)

- objemové zlomky jednotlivých složek 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 může 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, jejichž složení je dáno objemovými podíly, se počítá ze spalných

tepel nebo výhřevností jednotlivých plynů, což lze obecně vyjádřit rovnicí:

(kJ.m

-3)

V následující tabulce jsou uvedeny hodnoty spalného tepla a výhřevnosti pro různé plyny.

Plyn Chemické

označení

Spalné teplo Qs

(MJ∙m-3

)

Výhřevnost Qi

(MJ∙m-3

)

Oxid uhelnatý CO 12,64 12,64

Vodík H2 12,77 10,76

Methan CH4 39,85 35,8

Ethan C2H6 70,42 64,35

Propan C3H8 101,82 93,57

Butan C4H10 134,02 123,55

Pentan C5H12 150,72 140,93

Ethylen C2H4 64,02 59,02

Propylen C3H6 94,37 88,22

Butylen C4H8 114,51 107,01

Acetylen C2H2 58,99 56,94

Benzol C6H6 146,29 140,38

Sulfan H2S 25,71 23,7

Entalpie – termodynamická veličina závisející na vnitřní energii a součinu tlaku

a objemu. Pro tepelně technické výpočty se používá entalpie ve funkční závislosti měrné

tepelné kapacity cp a teploty t.

(J.kg

-1; J

.m

-3)

Měrná tepelná kapacita - je množství 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 , a měrná tepelná kapacita při stálém

objemu, značená . 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 složení látky. Určuje se měřením hustoty tepelného toku, gradientu teploty a poté ze

vztahu:

(W.m

-1.K

-1)

Součinitel tepelné vodivosti je tedy množství 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. Jelikož černé těleso vyzařuje

maximální množství energie, je jeho emisivita rovna 1. Existují však pouze tělesa šedá, které

se mohou hodnotě 1 pouze blížit. Šedá tělesa část záření pohlcují a část ho odráží. 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 přibližují. Závisí na povrchu materiálu a je funkcí teploty.

Součinitel tepelné vodivosti vyjadřuje množství 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 množství 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 používá 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?

3. SDÍLENÍ TEPLA V PRACOVNÍM PROSTORU PECE

Tepelná práce pece je souhrn všech procesů výměny tepla, probíhajících v pecním

prostoru. Dělí se na užitečnou, která znamená předání tepla zpracovávanému materiálu

a neužitečnou, 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 množství 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 nižšími

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, jejíž

analytické řešení není v obecném případě možné.

Při odvozování se vychází z následujících zjednodušujících předpokladů:

zkoumaný proces je stacionární

zanedbává se vliv plamene

teplota spalin je ve všech bodech uvažovaného objemu stejná, totéž platí pro

povrchové body ohřívaného materiálu a pecního zdiva

poměrná pohltivost spalin je ve všech směrech stejná

Nejvyšší teplotu v peci mají spaliny, jež 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 dosaženo co nejmenších ztrát a druhým úkolem je

zintenzivňování přenosu tepla mezi spalinami a ohřívaným materiálem, což vede ke zkrácení

doby ohřevu. Výměnu tepla v pecní prostoru zobrazuje obr. 3.1.

Pro výsledné množství 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 položky, ale představujeme si,

že 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,

že teplota pece je velmi blízká teplotě zdiva.

V praxi můžeme za teplotu pece považovat teplotu měřenou termočlánkem, jehož

tepelný spoj je poněkud vysunut z vyzdívky do pecního prostoru.

Pec si představujeme jako ekvivalentní černé těleso a množství tepla pohlcené

povrchem vsázky.

(W)

Rovnice nezahrnuje množství tepla, předané na vsázku konvekcí. Ve výpočtech se

konvekce zohledňuje korekčním faktorem, kterým dělíme pravou stranu rovnice.

Přesnějších výsledků dosáhneme použitím zonální metody, která spočívá v rozložení

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, jehož 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 uvažovat buď jako tenké

(přibližné výpočty) nebo jako tlusté (přesné výpočty). Totéž těleso se může v závislosti na

intenzitě vnějšího přestupu tepla chovat jednou jako „tenké“, jindy jako „tlusté“.

K rozdělení těles na tenká a tlustá se také používá 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 používáme pro rozdělení těles na tenká a tlustá. Popište jejich výpočet.

31. O jaké těleso se jedná v případě, že nelze zanedbat teplotní rozdíl mezi povrchem a

středem materiálu?

32. Co je to zonální metoda a na co se používá?

33. S rostoucí teplotou se význam radiace zvyšuje nebo snižuje?

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 režimy 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, že 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 použitím 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 obdržíme vztah

(°C)

Přesnějších výsledků výpočtů dosáhneme rozdělením doby ohřevu na několik časových

intervalů, pro které vždy 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,

přičemž 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 použít i

v případě složitějších průběhů teploty pece. Celková doba ohřevu se musí rozdělit na menší

úseky, v nichž se teplotní křivka nahradí úsečkami. Výpočet musí být proveden po částech.

Ohřev tlustých těles

Výpočet ohřevu tlustých těles je mnohem složitější než 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 můžeme 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 vždy důležitá 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 než s konstantní teplotou po průřezu na počátku ohřevu se setkáváme s

nerovnoměrným rozdělením teploty.

Fyzikální podstata procesů nestacionárního vedení tepla je taková, že v případě

konstantní povrchové podmínky (např. teplota povrchu, rychlost ohřevu, tepelný tok), se v

určitém okamžiku od počátku ohřevu projeví v rozdělení teplot po průřezu tělesa jistá

pravidelnost. Totéž platí i pro změnu teploty libovolného tělesa v závislosti na čase. Přitom

teplotní pole už 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 nejsložitější, 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)

Režim ohřevu kovů

Režim ohřevu závisí na konstrukci pece, na druhu, tvaru a rozměrech ocelových ingotů

nebo předvalků a na technologických požadavcích provozu. Při volbě režimu 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.

Režim 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), leží-li

volně. Není nutné dbát na tepelná pnutí a na vyrovnávání teplot po průřezu.

dvoufázový ohřev – nejčastěji se skládá z předehřívací a ohřívací fáze. Používá se pro

uhlíkové a legované ocelové předvalky, větší množství drobných těles nebo svazky

plechů a trubek. Obvykle není nebezpečné tepelné pnutí.

třífázový ohřev – předehřívací, ohřívací a vyrovnávací pásmo. Používá 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 rozložení materiálu v peci, určuje se z tabulky

Součinitel χ zobrazující vliv rozložení materiálu v peci v následující tabulce

36. Jaké znáte režimy ohřevu kovů?

37. Na čem závisí volba režimu 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.

Otázky ke kapitole 4

5. TECHNOLOGICKÉ ZÁSADY OHŘEVU MATERIÁLU

Ohřev je často se vyskytující a velmi důležitý pochod, který předchází mechanickému

zpracování kovu za tepla nebo tvoří součást tepelného zpracování. Na kvalitě ohřevu závisí

kvalita konečného výrobku i hospodárnost provozu. Nejdůležitější činitelé v technologii

ohřevu kovů patří: dovolená rychlost ohřevu, konečná teplota kovu, způsob uložení materiálu

v peci a teplotní a tepelný režim 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 uložení 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, protože

deformační odpor klesá a snižuje se i spotřeba energie na její zpracování. Dále je možné snížit

úběry, snížit nebezpečí lomu a zvýšit životnost 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 než vnitřní a proto mají snahu se více roztáhnout. Vnitřní vrstvy mají nižší teplotu, než

je průměrná teplota kovu.

Tepelná pnutí vznikají v kovu tehdy, jsou-li v něm teplotní rozdíly a kov je zároveň

v elastické oblasti (pružném stavu). Pokud tepelná pnutí nepřevyšují mez pružnosti, tak po

vrovnání teplotního rozdílu tepelná pnutí zmizí. To je případ pružného (elastického) pnutí.

Pokud v některém místě nastane plastická deformace (překročení meze pružnosti), 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 snižují 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.

Uložení materiálu v pecním prostoru

Uložení 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, že

uložení 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 žárovzdorné materiály a způsobují růst

půdní nístěje.

Rezivění je oxidace oceli při pokojové teplotě. Pokud se teplota zvýší na 200 až 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 železem s jeho příměsemi, při níž se tvoří okuje. Okuje jsou tedy

směs oxidů železa v různém stupni oxidace železa a jeho příměsí. Při oxidaci vznikají 3 oxidy

železa:

wüstit – oxid železnatý FeO,

magnetit – oxid železnato – železitý Fe3O4,

hematit – oxid železitý 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

složek přes vrstvu okují a krystalochemické přeměny spojené se změnou složení. Zároveň

probíhá i difúze v opačném směru, a to difúze atomů kovu vrstvou okují na povrchu kovu.

Jako celek se okuje svým složením blíží Fe3O4 a tedy průměrný obsah Fe v okujích je

73 – 76 %. Na proces oxidace železa 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), což je hmotnost okují

k hmotnosti předvalku nebo ingotu nebo v hmotnostním množství 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, složení pecní atmosféry, chemické složení oceli).

Vliv teploty a doby ohřevu – okuje se začínají tvořit při teplotách nad 600 až 650 °C,

přičemž do teplot 900 °C je proces pomalý. Nad touto teplotou se projevuje rychlejší

nárůst vrstvy okují. Při teplotách 1275 až 1300 °C dochází ke skokovému nárůstu

oxidace v souvislosti s tavením okují, které způsobuje neustálé obnažování

nezoxidovaného kovu.

Vliv pecní atmosféry – pecní atmosféra je dána chemickým složením 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

níže zobrazuje, které pecní plyny působí na železo, sloučeniny železa s uhlíkem

a oxidy železa oxidačně, redukčně a neutrálně a které jsou nauhličující

a oduhličující.

Účinek plynů na železo, jeho sloučeninu s uhlíkem a oxidy železa zobrazuje tato tabulka

O2 CO2 CO H2 CH4 H2O N2

Čisté železo O O A N A O N

Nauhličené

železo (Fe3C) O, E O, E N E N O, E N

Oxid železa

(FeO, Fe3O4) N N R R R N N

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

Vliv chemického složení kovu a dalších činitelů – u nízkouhlíkových ocelí vznikají

pórovité vrstvy okují, které jen slabě lnou k povrchu oceli a tím umožňují další

pronikání kyslíku k nezoxidované oceli. U ocelí s vyšším obsahem uhlíku dochází

k nižšímu opalu a to z důvodu, že 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 používané při tepelném zpracování dělíme podle účinku na povrchu

materiálu na:

ochranné – zabraňují průběhu nežádoucích reakcí (oxidace, oduhličení, nauhličení),

aktivní – vyvolávají žádanou chemickou reakci v materiálu (nauhličení, oduhličení,

nitridace).

Vznikají mimo pracovní prostor pece (obvykle ve vyvíječích) a podle výrobní technologie

je můžeme zařadit do několika skupin.

Exotermické atmosféry

Získávají se spalováním zemního plynu, propanu, butanu, benzinu, topného oleje

a koksárenského plynu. Při malém množství vzduchu vzniká atmosféra bohatá, při velkém

množství 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 žíhání ocelí s obsahem uhlíku nad 0,4 %, protože je

oduhličují. Z tohoto důvodu jsou upravovány na mono-atmosféry, které obsahují převážně N2,

H2 a CO. Exo-atmosféry dělíme podle rosného bodu na:

EXO I s rosným bodem 20 až 25 °C,

EXO II s rosným bodem -8 až 0 °C,

EXO III s rosným bodem -50 až -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 snižuje 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 než plyn získaný ze čpavku nebo než

mono-plyn z exotermického spalování.

Vodíková atmosféra je velmi účinná, ale drahá. Směs vodíku se vzduchem je vznětlivá

a výbušná. Je několik možností 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, že vsázka je ohřívána v těch fázích, kdy je to

přípustné a to maximální dovolenou rychlostí ohřevu. K zintenzivnění rychlosti ohřevu je

možné využít sálavý přenos tepla, kdy se zvýší teplotní spád mezi spalinami, resp. i pecním

zdivem a povrchem ohřívaného materiálu nebo lze využít konvekční sdílení tepla a to

zvýšením rychlosti proudění spalin kolem vsázky nebo lze použít 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 běžnými ocelemi. Vliv na jakost

ohřevu legovaných a výšeuhlíkových ocelí má teplota a rovnoměrnost ohřevu.

Režim rychloohřevu lze u libovolně tvarovaných předvalků z různých druhů oceli rozdělit

na:

dvoufázový režim – vhodný pro tenká tělesa z libovolných ocelí, pro tlustá tělesa

z měkkých ocelí. První fáze probíhá při tpec = konst., přičemž tpec je maximálně

přípustná teplota pece (daná možnostmi pecního zařízení). Druhá fáze je při tp = konst.,

kdy je teplota povrchu ohřívaného předvalku konstantní.

třífázový a čtyřfázový režim – vhodné použití pro tlustá tělesa ze středně

a výšeuhlíkových ocelí a legovaných ocelí. Třífázový režim se od dvoufázového

odlišuje přidáním předřazené ohřívací fáze s omezenou rychlostí ohřevu. Tato fáze

probíhá při konstantním tepelném toku. Čtyřfázový režim je volen tam, kde to dovolí

podmínky pecního zařízení a při tomto režimu se přidává předehřívací fáze

s podmínkou tpec = konst., kde je nastavena maximální teplota pece.

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 uložení materiálu v peci.

49. Popište dvoufázový režim rychloohřevu.

50. Jak se vyrábí dusíková atmosféra?

51. Na jakých činitelích závisí propal kovu?

52. Co jsou to okuje?

53. Které y želez vznikají při oxidaci kovu?

Otázky ke kapitole 5

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 využití u jednotlivých topných systémů.

Výklad

Odporové teplo

Elektrická vodivost kovů je dána počtem volných elektronů, jejich pohyblivostí a

střední volnou drahou, což je dráha, kterou průměrně urazí elektron mezi srážkami. Elektrická

vodivost vzniká jako důsledek pohybu volných elektronů v krystalové mříži kladných iontů.

Při pohybu elektronů v kovu elektrony neustále narážejí na kovovou mříž iontů a tím se jejich

pohyb brzdí, tak vzniká elektrický odpor.

Elektrický odpor je závislý na teplotě, obsahu nečistot, deformaci, nedokonalostech

mřížky apod. Malý měrný elektrický odpor mají čisté kovy, protože mají pravidelnou

krystalovou mřížku. Vlivem příměsí a legujících prvků, případně nečistot však měrný tepelný

odpor vzrůstá. Je to důsledek porušení pravidelnosti mřížky.

Odporové materiály

Odporové materiály jsou charakterizovány technickými a ekonomickými požadavky:

velký měrný tepelný odpor,

malý teplotní součinitel odporu,

malý součinitel teplotní roztažnosti,

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 použití:

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 použitého 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 využívá pro tyto technické aplikace: ohřev drátů, plechů, nýtů, tyčového

materiálu a v pecích s přímým odporovým ohřevem na výrobu grafitu a karbidu křemíku,

který může být stacionární nebo nestacionární. Ohřívaný materiál je z běžné konstrukční

oceli, austenitické oceli nebo čistého železa.

Přímý odporový ohřev má vysokou účinnost, která dosahuje až 70 – 85 %. Přímý

odporový ohřev lze využít i pro ohřev kapalin – elektrolytů, do této skupiny řadíme přípravu

teplé užitkové 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) – používají se pro sušení vinutí elektrických strojů a

přístrojů před vlastní impregnací, různých nátěrů, materiálů včetně potravin,

se středními teplotami (do 1050 °C) – používají se k tepelnému zpracování kovů

(žíhání, kalení, popouštění),

s vysokými teplotami ( do 1350 °C) – pro kalení speciálních ocelí, tavení kovů

s nižším 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 uložení materiálu:

na pevných podložkách (kolejnice, etáže, 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 může 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, než 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 železného jádra a se železným 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 umožňuje řešení takových ohřevů, které ani dielektrickým ohřevem

nebylo možné realizovat.

Používané tepelné procesy kladou stále větší nároky na přesné dávkování energie.

Největší předností mikrovlnného ohřevu je možnost provádět jednotlivé tepelné procesy

s přesně definovaným množstvím tepla.

Použití mikrovlnného ohřevu:

potravinářský průmysl,

dřevařský a papírenský průmysl,

elektrotechnický průmysl,

zemědělství, lékařství.

Plazmový ohřev

Plazma je považována 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, protože 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 až 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 využívá 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 nejběžněji používaný 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 využívány při:

nanášení materiálů,

svařování,

řezání,

tavení materiálů, chemických reakcích.

Elektronový ohřev

Princip vzniku tepla:

rozžhavený 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.

54. Jak vzniká elektrická vodivost kovů?

55. Na čem závisí elektrický odpor?

56. Jakými technickými požadavky jsou charakterizovány odporové materiály?

57. Rozdělte odporové materiály podle druhu použití a podle druhu použitého materiálu či

slitiny.

58. Jaká je podmínky pro průtok proudu plynem a kdy je jí dosaženo?

59. Vyjmenujte tři elektrické výboje a popište, kdy vznikají.

60. Kde lze využít mikrovlnný ohřev?

61. Při jakých činnostech využijeme plazmový hořák?

62. Charakterizujte plazmu.

63. Jaké materiály se používají v dielektrických zařízeních?

Otázky ke kapitole 6

7. ŽÁROVZDORNÉ MATERIÁLY PRO PECNÍ SYSTÉMY

Žárovzdorná vyzdívka plní dva úkoly. Prvním z nich je vymezení prostoru pro průběh

technologických pochodů a oddělení jej od okolního prostředí a druhým je snížení tepelných

ztrát pece. Technologické pochody v pecích probíhají při vysokých teplotách. Vyzdívka pece

se zpravidla provádí jako vícevrstvá z různých materiálů. Na žárovzdorný 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 žárovzdorných materiálů,

rozdělit jednotlivé materiály, popsat jejich vlastnosti a použití,

vyjmenovat výhody a nevýhody základních žárovzdorných materiálů.

Výklad

Základní vlastnosti žárovzdorných materiálů

Znalost základních vlastností žárovzdorných materiálů se využívá při jejich výrobě,

hodnocení jakosti, navrhování vyzdívek apod. Dále umožňuje orientovat se v rozsáhlé

skupině materiálů používaných pro vyzdívky pecí a tepelných zařízení a umožňuje správné

určení jejich použití, jak z hlediska technického, energetického tak i ekonomického. Základní

vlastnosti jsou definovány v normách, které určují zkušební postupy.

Chemické složení. Určuje hmotnostní podíl jednotlivých složek, 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 roztažnost. 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 žáru. Přestavují nevratné rozměrové změny tvarových žárovzdorných

výrobků způsobené působením vysokých teplot. Udávají se v procentech lineárního smrštění

(záporná hodnota) nebo nárůstu (kladná hodnota). Tyto změny v žáru je nutné brát v úvahu

při konstrukci vyzdívky, jsou charakteristické pro jednotlivé druhy žárovzdorných materiálů.

Pevnost v tlaku. Důležitá vlastnost pro projektování vyzdívek pecí. Podle pevnosti v tlaku se

hodnotí i odolnost proti působení bodového zatížení, nárazům, otěru apod. U tvarových

žárovzdorných materiálů je pevnost v tlaku 10 – 50 MPa, u materiálů z karbidu křemíku až 75

MPa a u speciálních materiálů dosahuje až 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 dosažené síly, kterou vydrží zkušební těleso při zkoušce

tahem a počátečního průřezu. Znalost této veličiny je důležitá 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 houževnatost) 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 sníží na 2/3 pevnosti vzorků, u kterých

neproběhla teplotní změna.

Žárovzdornost. Schopnost nezatíženého materiálu odolávat působení vysokých teplot, aniž

by se roztavil. Při vysokých teplotách se v materiálu vytvoří tavenina, s jejím zvyšujícím se

množstvím a snižováním viskozity dochází k narušování soudržnosti materiálu a jeho

deformaci.

Odolnost proti deformaci v žáru při zatížení. 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 žáru při zatížení. 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 žárovzdorných materiálů. Je ovlivněna chemickým a

mineralogickým složením 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 žárovzdorných materiálů a vzduchu na teplotě

Měrná tepelná kapacita. Je množství 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 žárovzdorných materiálů

Rozdělení lze provést dle různých hledisek:

podle chemicko-mineralogického složení,

podle pórovitosti,

podle formy, ve které se používají: 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 žárovzdorné 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

složek.

Křemičité materiály

Křemičité materiály s obsahem SiO2 vyšším než 93 % se nazývají dinasy. Dinasové

materiály s přísadami mají obsah SiO2 nižší, 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 křemenné sklo

Vedlejší modifikace: α, β α, β, γ α, β

Obr. 7. 5 Hlavní přeměny SiO2

Jednotlivé modifikace se liší uspořádáním atomové mřížky. Přeměny hlavních

modifikací jsou obtížné, 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 roztažnost nad teplotu 600 °C,

pevnost v tlaku (vyšší než u šamotu),

vysoká odolnost proti deformaci v žáru při zatížení,

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 roztažnosti.

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 železa.

Dinasozirkon – kyselý žárovzdorný materiál. Obsahuje 50 % SiO2 a 48 % ZrO2. Má

vyšší měrnou tepelnou vodivost a nízkou teplotní roztažnost.

Dinas s karbidem křemíku – vyšší pevnost v tlaku a odolnost proti otěru. Používá se

v koksovacích komorách – na vyzdívky stěn a podlah.

Využití dinasu: koksárenské baterie, ohřívače větru, elektrické obloukové pece, indukční

tavící pece, hlubinné pece.

Hlinitokřemičité materiály

Oxidy Al2O3 a SiO2 jsou základními žárovzdornými složkami. Na jejich vzájemném

poměru závisí chemická povaha žárovzdorného materiálu ale i charakteristické vlastnosti

jednotlivých skupin hlinitokřemičitých materiálů. Jsou nejčastěji používanou skupinou

žárovzdorných materiálů, používají 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 nižší žárovzdornost, odolnost proti deformaci

a nižší odolnost proti náhlým teplotním změnám než obyčejný šamot. Používají se u

koksárenských baterií pro vyzdívku kanálů a mřížoví regenerátorů.

Šamotové materiály

Šamoty patří mezi nejrozšířenější materiály pro stavbu pecí. Žárovzdornost a odolnost

proti deformaci v žáru u šamotů závisí na jejich chemickém složení. 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 nižších

teplotách.

Přednosti šamotu:

odolnost proti změnám teplot v celém rozsahu použití,

Nevýhody:

malá odolnost proti působení strusek, úletu apod.,

při vyšších teplotách (nad 1400 °C) dochází k vyššímu opotřebení vyzdívky.

Materiály s nižší objemovou hmotností, pevností v tlaku a měrnou tepelnou vodivostí

nazýváme lehčené šamoty. Označují se normovaným označením nebo obchodním názvem.

Využití 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, žárovzdornost, 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 než šamoty a dinasy.

Magnezit – žárovzdornou složkou magnezitu je periklas MgO. Zvyšováním obsahu

MgO materiály dosahují vyšší odolnost proti deformaci.

Magnezitchrom – v závislosti na množství chromové rudy jsou materiály označovány

jako magnezitchrom nebo chrommagnezit. Magnezitchrom je odolný proti působení

vysokých teplot a chemický, účinkům pecní atmosféry, má nižší teplotní roztažnost

než chrommagnezit.

Chrommagnezit – vyznačuje se vysokou odolností proti náhlým změnám teplot.

Chromit – je vyráběn z chromové rudy s přísadou magnezitu. Odolný proti změnám

teplot. Používá se pro přechodové vrstvy mezi zásaditými a kyselými vrstvami.

Hořečnatovápenaté materiály

Hlavními složkami 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

Žárovzdornými složkami jsou oxidy MgO a SiO2, případně i Cr2O3. Mají vysokou

odolnost proti náhlým změnám teplot, nejsou odolná proti působení zásaditých strusek.

Zirkoničité materiály

Základní složkou jsou ZrO2 a SiO2 nebo Al2O3. Zirkoničité materiály se využívají 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. Žárovzdornost se pohybuje

v rozmezí 1750 – 1820 °C. Jsou objemově stálé a odolné proti působení strusek a roztavených

kovů.

Uhlíkaté materiály

Žárovzdornou složkou je uhlík ve formě grafitu nebo tuhy. Jsou vysoce žárovzdorné,

odolné proti náhlým změnám teplot a mají malou délkovou teplotní roztažnost.

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 žárovzdornost nad 1850 °C. Využívají se

na výrobu trubek rekuperátorů, ochranných trubic termočlánků.

Speciální žárovzdorné materiály

Jsou vyráběny z oxidů, boridů, silicidů, karbidů a sulfidů o vysoké čistotě. Používají se

v laboratorních a technických zařízeních s vysokými pracovními teplotami (jaderné reaktory,

tavení kovů, výroba trysek reaktivních motorů).

Netvarové materiály

Mezi ostatní materiály patří žárovzdorné netvarové výrobky – keramické směsi, které

se používají k vytváření vyzdívek a jejich částí, tvarovek, při zdění, úpravě povrchu zdiva

apod. Do této skupiny materiálů zahrnujeme žárobetony, výrobky s chemickým pojivem,

výrobky s keramickým pojivem, lehčené materiály a vláknité materiály.

Výrobky z anorganických vláken – mají tvar desek nebo rohoží, jejichž základní složkou

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 žárovzdorné i nežárovzdorné.

Lehčené materiály – využívají se ve vyzdívkách pecí jako izolační nebo konstrukčně-

izolační materiály. Vyznačují se vyšší pórovitostí a nižší objemovou hmotností. Nejčastěji se

na jejich výrobu používá hlinitokřemičitých a křemičitých lehčených materiálů.

Žárobetony – jsou druhy betonu pro teploty použití nad 200 °C, u nichž při delším působení

vyšších teplot přechází hydraulická vazba na vazbu keramickou. Při vyšších teplotách dochází

ke slinování žárobetonu a monolit získává charakter vypáleného keramického výrobku (dojde

ke vzrůstu pevnosti v tlaku). Skládá se z hydraulického pojiva, kameniva a přísad. Kameniva

tvoří hlavní složku žárobetonu a jsou to přírodní nebo umělé sypké materiály.

Shrnutí pojmů kapitoly 7

Na začátku kapitoly jsou vyjmenovány a stručně charakterizovány základní vlastnosti

žárovzdorných materiálů. Nejznámějšími vlastnostmi jsou chemické složení, hustota,

nasákavost, zdánlivá

a skutečná pórovitost, zdánlivá hustota, měrná tepelná vodivost, měrná tepelná

kapacita

a objemová hmotnost.

Mezi další důležité vlastnosti patří teplotní délková roztažnost, 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 žárovzdorných tvarových výrobků, které jsou způsobeny

působením vysokých teplot, nazýváme trvalé změny v žáru. Jsou udávány v procentech

lineárního smrštění a výsledná hodnota může být kladná nebo záporná.

Pevnosti jsou neméně důležitou vlastností. Rozlišujeme pevnost v tahu, což je poměr

největší dosažené síly, kterou vydrží zkušební těleso při zkoušce tahem a počátečního

průřezu. Znalost této hodnoty se používá 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 zatížení, nárazům, otěru apod.

Odolnost proti náhlým změnám teplot je schopnost keramického materiálu odolávat

náhlým změnám teploty při prudkém ochlazení ohřátého tělesa.

Hlavní vlastností žárovzdorných materiálů je žárovzdornost. Je to schopnost materiálu

odolávat působení vysokých teplot, aniž by se roztavil.

Další vlastností, která charakterizuje odolnost materiálu proti vysokým teplotám je

odolnost proti deformaci v žáru při zatížení. Vyjadřuje se teplotou deformace a teplotou

rozrušení.

Skutečná odolnost proti deformaci a tečení v žáru při zatížení. Tato vlastnost

charakterizuje teplota, při které nastává definovaná deformace zkušebního vzorku při

rovnoměrně rostoucí teplotě.

Otázky ke kapitole 7

64. Vyjmenujete základní vlastnosti žárovzdorných materiálů.

65. Podle jakých hledisek rozdělujeme žárovzdorné materiály?

66. Co je to žárovzdornost?

67. Jak se nazývají křemičité materiály s obsahem SiO2 vyšším než 93 %?

68. Jaké jsou výhody a nevýhody použití dinasu?

69. Vyjmenujte hlavní modifikace SiO2.

70. Jaké přísady se přidávají do dinasu ke zlepšení jeho vlastností?

71. Z čeho jsou vyráběny speciální žárovzdorné materiály?

72. Co jsou to žárobetony?

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 používají speciální žárovzdorné materiály?

77. Co víte o šamotových materiálech?

78. Vysvětlete pevnost v tlaku, tahu a ohybu.

79. Vysvětlete pojem teplotní délková roztažnost.

8. VÝMĚNÍKY TEPLA

Čím větší je teplota spalin odcházejících z pracovního prostoru pece a čím nižší je

tepelná účinnost pece, tím větší je množství 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.

Výměníky tepla dělíme na dvě základní skupiny:

rekuperátory – teplo se předává z proudu spalin na ohřívané médium složeným

přestupem tepla přes dělící stěnu,

regenerátory – využívají akumulace tepla v žárovzdorném materiálu.

Předehřevem spalovacích složek je možné 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),

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

Lskut – skutečné množství spalovacího vzduchu na jednotku paliva (m3.

kg-1

; m3.

m-3

),

Vvsp – množství vlhkých spalin z jednotky paliva (m

3.kg

-1; m

3.m

-3).

Z rovnice vyplývá, že 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 až tt (J.m

-3.K

-1)

S využitím rekuperace tepla lze spalovat i paliva, která jsou ke své adiabatické spalné

teplotě v některých případech nepoužitelná (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 možné 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 zkříženým proudem, s mnohonásobně zkříženým proudem.

Stručný přehled jednotlivých rekuperátorů podle způsobu sdílení tepla:

Konvekční rekuperátory

Jehlované rekuperátory (žebrované)

Nesmí být v kanálu, kde jsou příliš prašné spaliny, jinak se žebra zalepí.

Rekuperátory z rovných trubek

Lepší těsnost, trubky mohou být uloženy vodorovně i svisle.

Plamencový rekuperátor

Pro spaliny znečištěné pevnými částečkami úletu (spaliny proudí uvnitř trubek), jejich výhoda

je možnost čištění.

Smyčkové rekuperátory

Trubky jsou spojené do tvaru U, každá smyčka může volně dilatovat.

Radiační rekuperátory

Válcový rekuperátor

Kombinace souproudu a protiproudu, možnost použít i velmi znečištěné spaliny.

Trubkový rekuperátor

Ve vnějším plášti je trubková klec, lepší přenos tepla a možnost použití i pro větší tlaky.

Radiačně – konvekční rekuperátory

Schackův rekuperátor

Vysoký součinitel prostupu tepla, možnost dosažení 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 – množství 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, že Ksp a Kvz jednoznačně charakterizují u konkrétního

rekuperátoru průběh spalin i vzduchu. Např. u souproudu,

Ksp < Kvz, teplota spalin bude klesat rychleji, než poroste teplota vzduchu,

Ksp > Kvz bude naopak,

Kvz = Ksp snížení 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 použitý 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 obdržíme

(°C)

(°C)

U kovových materiálů je možno 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, že teplota stěny je vždy menší než teplota spalin a větší než teplota

vzduchu v daném místě. U rekuperátorů je vždy snaha o dosažení co nejnižší teploty stěny

(opatření ke zvýšení αvz).

Hydraulický výpočet

Cílem je určení tlakových ztrát na straně obou médií. Patří mezi nejdůležitější hodnoty

charakterizující daný typ výměníku. Čím vyšší je rychlost proudícího média, tím větší je

součinitel prostupu tepla. S rychlostí rostou i hydraulické ztráty, což zvyšuje provozní

náklady. Celková tlaková ztráta ve výměníku se určí ze vztahu:

[Pa]

Ztráty tlaku třením ( a ztráty místními odpory ( se stanovují stejně jako

v předmětu Sdílení tepla a proudění.

Tlaková ztráta v důsledku neizotermického proudění ( a tlaková ztráta způsobená

geometrickým vztlakem ( ) může 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 každé vysoké peci patří 3 – 5 ohřívačů.

Využití větru ve VP:

dodávka kyslíku pro spalování koksu

udržování 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 každou skupinu

uveďte hlavní zástupce.

85. Stručně popište ohřívače vysokopecního větru.

86. Jaké výhody má předehřev spalovacích složek?

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 důležité především pro technologické účely. Měření nabývá na

významu především v době, kdy k hlavním úkolům hutí patří automatizace výrobních

pochodů a snižování nákladů na provoz.

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 založeno na termoelektrickém jevu (Seebeck, r.

1821). Termočlánek je tvořen dvojicí elektricky vodivých drátů různého chemického složení.

Je-li spoj těchto drátů (teplý konec termočlánku) zahřát na vyšší teplotu, než 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.

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.

Obr. 9.1 Princip termočlánku

Termočlánek Fe-konst

Kladná větev je tvořena čistým železem, záporná konstantanem. Je vhodný pro měření

nízkých až středních teplot, spolehlivě pracuje do 600 °C. Není vhodné vlhké prostředí,

protože 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, což je

jeho výhoda oproti předešlému typu. Horní hranice je kolem 300 °C. Tento typ je vhodný i

pro měření velmi nízkých teplot, až – 200 °C.

Termočlánek NiCr-Ni

Kladná větev je z NiCr, záporná je tvořena Ni. Použitelný je do 1000 °C. Od teploty 500

°C je Ni větev citlivá na plyny obsahující síru. 3kodlivě působí na termočlánek směsi plynů,

v nichž klesne obsah kyslíku pod 1 %. Takto nízký obsah kyslíku neumožňuje vytvořit na

povrchu drátů ochrannou oxidovou vrstvu a vzniká tzv. zelený mor – dochází ke snižování

životnosti termočlánku, ale i ke změnám termoelektrického napětí.

Termočlánek NiCr –konst

Tento typ dává vyšší termočlánkové napětí než předchozí typ, lze ho použít do teploty

700 °C.

Termočlánek PtRh-Pt

Termočlánky z drahých a ušlechtilých kovů se používají 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

může být obsaženo i ve druhé větvi. Legované dráty mají vyšší teplotní odolnost.

Nejdůležitější částí termočlánkového obvodu je měrný konec (teplý spoj) termočlánku.

Měrné konce mohou být zhotoveny různými způsoby. Nejčastěji se oba dráty pájí pájkou,

jejíž bod tavení je výše, než bude maximální měřená teplota. Obě větve je nutné vzájemně

elektricky izolovat. Pro ochranu termočlánků se používají ochranné trubice z různých

materiálů a různého provedení.

Konstrukce termočlánků

Plášťové termočlánky

Termočlánkové dráty jsou vyrobeny z běžných termočlánkových materiálů, ale

s podstatně menším průměrem. Dráty jsou uloženy 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 než u běžných termočlánků. Kvůli

malému průměru drátů je obtížná výroba měrného spoje.

Trubkové termočlánky

Byly vyvinuty proto, aby bylo dosaženo dlouhé životnosti a krátké odezvy. Používají 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. Umožňuje měření

v úzkých štěrbinách.

Dotykové termočlánky

Slouží k měření povrchové teploty materiálu. Používá 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 používá

jako ruční přenosné zařízení, pro kontrolní účely.

Ponorné termočlánky

Tyto termočlánky vznikly jako reakce na problémy při měření teploty roztavené oceli

v ocelářských pecích. Protože teploty jsou vyšší než 1600 °C a dále na termočlánek působí

agresivní účinky některých prvků obsažených v oceli a ve strusce.

Je schopen po krátkou dobu měřit teplotu oceli. Vzhledem k nízké životnosti měřícího

konce byly vyvinuty různé konstrukční varianty umožňující výměnu teplého konce

termočlánku.

Odporové teploměry

Měření teploty odporovými teploměry je založeno na změně ohmického odporu vodičů

s teplotou. Používají se v rozsahu teplot cca – 250 do 850 °C. Na materiály, z nichž 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 tažení za studena,

dobrá reprodukovatelnost, aby byla možná náhrada poškozených čidel.

Nejčastěji se pro měření používá platinových vodičů. Platina odolává vyšším teplotám,

není náchylná ke korozi a chemickému napadení. Dalším materiálem je nikl. Je vhodný pro

nižší 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 použít

pro teploty od – 100 do + 350 °C. Jako základní materiál se používají oxidy kovů

zpracovávané do tvaru perliček, tyčinek, kotoučků nebo jiných speciálních tvarů. Používají se

pro měření povrchových teplot a vkládají se do skleněných nebo kovových ochranných

trubiček.

Dilatační teploměry

Pracují na základě roztažnosti tuhých, kapalných nebo plynných látek.

Bimetalické teploměry

Jsou používány při tepelné ochraně elektromotorů, transformátorů a jiných

silnoproudých zařízení. Jsou tvořeny dvouvrstvým kovovým páskem, kde jedna vrstva má

výrazně rozdílný součinitel roztažnosti od druhé vrstvy. Při zahřátí pásku dochází k rozdílné

dilataci obou vrstev, vzniká ohybové namáhání pásku a důsledkem je ohyb celého pásku.

Využití deformace pak signalizuje dosažení mezních teplotních stavů.

Tlakové teploměry

Jsou založeny na změně tlaku s teplotou při konstantním objemu náplně. Rozlišujeme

tlakové teploměry kapalinové, plynové a parní. Jako náplně lze využít 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. Každý objekt zahřátý na teplotu vyšší, než je teplota jeho

okolí, vyzařuje elektromagnetické záření o určitých vlnových délkách. Tělesa zahřátá na nižší

teploty se neprojevují viditelným zářením, protože 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 používají tam, kde se jedná o měření vysokých

teplot v obtížných podmínkách nebo je třeba měřit teplotu pohybujícího se materiálu.

Obr. 9.2 Zobrazení různých druhů elektromagnetických vln s vyznačením viditelného záření

Nežádoucím 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 využívají pro měření teploty:

Radiační pyrometry

Reagují téměř na celé spektrum vysílaného záření, to znamená, že snímají celkovou

energii záření.

Spektrální pyrometry

Reagují pouze na jednu vlnovou délku (na velmi úzké pásmo vlnových délek).

Barvové pyrometry

Měří energii na dvou (až třech) vlnových délkách a pro stanovení teploty je rozhodující

poměr těchto energií.

Měření tlaku

Patří k nejběžnějším provozním měřením. Při měření tlaku obvykle srovnáváme měřený

tlak s tlakem vzduchu na zemském povrchu. Je-li měřený tlak vyšší než tlak vzduchu,

mluvíme o přetlaku, je-li menší, jde o podtlak.

Kapalinové snímače tlaku

Jsou založeny na rovnováze měřeného tlaku a silového účinku sloupce kapaliny. Jsou

vhodné pro měření malých tlaků a diferenčních tlaků. Jako kapalinové náplně se používají

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). Používá se při kontrolních měřeních, při

cejchování, při seřizování regulačních obvodů nebo při nastavování tlakových režimů 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

Slouží 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, jehož dřík je

opatřen mechanickým převodem pro převod pohybu plováku na ukazatel.

Pístový manometr

Velmi přesný tlakoměrný přístroj schopný měřit tlaky až 10 MPa s přesností lepší než

0,5 %. V měřící komoře je ochranná vrstva oleje, která chrání píst před nežádoucím účinkem

měřeného média. Používá se pro kontrolní účely v cejchovnách a pro přesná provozní měření.

Deformační snímače tlaku

Základem deformačních manometrů je pružný element, který je schopný pružné

deformace při zatížení působícím tlakem. Jednotlivé deformační manometry se liší konstrukcí

a uložením deformačního členu.

Bourdonův manometr

Jako deformační element se používá tzv. Bourdonovy trubice, stočené do kruhového

tvaru. Průřez trubice a tloušťka stěn závisí na velikosti mřeného tlaku. Při účinku vnitřního

přetlaku se snaží 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

Pružný člen je tvořen kruhovou membránou, upnutou mezi dvě příruby. Měří přetlaky,

podtlaky i diferenční tlaky.

Krabicový manometr

Jako pružný element má plochý disk, jehož dna jsou tvořena membránami. Používají 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 používají v jednotkách pneumatické regulace.

Měření průtoku

Množství energií různého druhu, které jsou přiváděny k hutním agregátům, se musí

neustále sledovat. To proto, aby bylo možné provádět jejich regulaci.

Při měření průtoku je nutné rozlišovat dva základní způsoby měření. Buď se měří

protékající množství (množství, které v určitém okamžiku protéká potrubím) nebo se měří

celkové proteklé množství za časovou jednotku (spotřeba).

Měření průtoku pomocí diferenčních tlaků

Pro měření lze využít rozdílu statických tlaků v zúženém profilu potrubí (clonkové a

Venturiho měřiče), rozdílu dynamického a statického tlaku (Prandtlova trubice) nebo změny

v rozložení a rozdílu statických tlaků při proudění látky zakřiveným potrubím (kolenové

průtokoměry).

Clonkové průtokoměry a dýzy

Měření je založeno na změně statického tlaku měřené látky při proudění zúženým

průřezem potrubí. Při průtoku dochází v oblasti clonky ke zmenšení průtočného průřezu a

následkem toho nastává zvýšení průtočné rychlosti a snížení statického tlaku proudící látky.

Významný vliv na přesnost měření může 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

Umožňuje 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 možnost použití pro měření stávajících potrubních kolen.

Objemové měřiče průtoku

Jsou založeny na statickém silovém účinku měřeného média. Objemové měřiče

s nespojitým cyklem umožňují velmi přesné měření množství, ale hlavní nevýhodou je

přerušovaný průtok měřeného média. Objemové měřiče se spojitým cyklem pracují tak, že

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, že zachovávají těsnost ve stykových plochách. Přesnost

měření závisí na netěsnostech rotorů.

Průtokoměr s krouživým pístem

Používá 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 založeny na dynamickém silovém účinku proudícího média na rotující element

měřiče. Frekvence otáčení rotujícího elementu je úměrná střední rychlosti proudění, a tím i

průtočnému množství.

Předností rychlostních měřičů průtoku je vysoká přesnost, možnost konstrukce měřičů

pro velký rozsah měřených množství, malá tlaková ztráta a dlouhodobé uchování parametrů

měřiče.

Nevýhodou je velká citlivost na mechanické nečistoty obsažené v plynu nebo

kapalinách. Je nutné používat filtry, které je třeba kontrolovat a čistit.

Indukční průtokoměry

Jsou založeny na Faradayově indukčním zákonu. Tento zákon říká, že v elektrickém

vodiči pohybujícím se kolmo na silokřivky magnetického pole se indukuje elektrické napětí.

U indukčních průtokoměrů se považuje 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 může 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. Využívají se

v čistírnách odpadních vod a v kalovém hospodářství.

Analyzátory plynů a spalin

Bez dokonalé chemické analýzy není možné 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 složky plynu ve spalinách, odpadních plynech a jiných plynných směsí se

označuje jako koncentrace.

Analyzátory založené na tepelné vodivosti plynu

Měření se provádí tak, že se porovnává tepelná vodivost měřeného plynu s tepelnou

vodivostí srovnávacího plynu. Za srovnávací plyn se nejčastěji volí vzduch. Analyzátory

využívající tepelné vodivosti se používají především pro měření obsahu H2 a CO2, popřípadě

SO2.

Analyzátory založené na spalném teple

Využívají rozdílného spalného tepla plynů. V hutních provozech se tento analyzátor

používá pro analýzu vysokopecního plynu.

Analyzátory pro určení obsahu kyslíku

Jsou založeny na magnetických vlastnostech kyslíku. Látky je možné 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

Využívá metody založené 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 používá pro měření obsahu CO, CO2, CH4 a CnHm. každá 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 používá U trubice?

93. Lze zvýšit citlivost sklopného manometru, popřípadě jak?

94. Uveďte nevýhody použití Prandtlovy trubice.

95. Vyjmenujte objemové měřiče průtoku.

96. Na jakém zákoně je založen 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, jehož hlavním cílem je vytvoření optimálních podmínek

pro průběh určitého technologického procesu. Důležitý je tvar pracovního prostoru pece.

Hospodárnost provozu ovlivňuje využití odpadního tepla spalin.

Výklad

Pro rozdělení průmyslových pecí se používají 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, žíhání, popouštění,

vypalovací – k výpalu výrobků (pece pro výpal žárovzdorných 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)

Čas ke studiu: 15 hodin

Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět

rozdělit průmyslové pece podle různých kritérií,

určit tepelný a teplotní režim pece,

vypočítat účinnost a výkonnost pece,

popsat vysokou pec, kuplovnu, konvertor a obloukovou pec.

bez vnějšího zdroje – využívají 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,

průběžné – buď horizontální (strkací, krokové) nebo vertikální (věžové), vsázka

se pohybuje od sázecího okna k oknu vytahovacímu,

karuselové – vsázka se pohybuje spolu s nístějí, která má tvar mezikruží,

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 leží 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 využití tepla odpadních spalin:

rekuperativní – využití rekuperátoru k předehřevu spalovacího vzduchu nebo plynu,

regenerativní – využití 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 režim, účinnost a výkonnost.

Teplotní režim

Pod tímto pojmem si představíme teplotu pece jako funkci času. Teplota pece je závislá

na spalné teplotě paliva, na množství tepla pohlcovaného stěnami pece a vsázkou, na tvaru

pracovního prostoru a velikosti ostatních tepelných ztrát. Teoretické stanovení teploty pece je

velmi obtížné, 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, což může vést i k nepříznivým jevům tj. vyšší propal,

natavení povrchu u ohřevu, nerovnoměrnost ohřevu apod. Nižší teplota pece způsobuje

prodloužení celého procesu a vyšší energetické ztráty.

Tepelný režim

Tepelný režim můžeme definovat jako funkční závislost tepelného příkonu na čase.

Tepelný příkon je množství tepla přivedené za jednotku času do pece. Největší možné

množství přivedeného tepla do prostoru pece se nazývá maximální příkon. U nestacionárně

pracujících pecí je tepelný režim 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 možné se setkat s ukazatelem nazývaným jako měrné tepelné zatížení

(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 používá 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 slouží k analýze tepelné práce provozované pece, při ní se provádí

rozbor položek příjmu a výdeje tepla. Poměr užitečně spotřebovaného tepla (Qu) k příkonu

pece se nazývá účinnost pece.

(%)

U ohřívacích pecí se do položky 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 množství energie, spotřebované na jednotku výroby.

(J∙kg-1

)

Vysoká pec

Největší tavící agregát, ve kterém se z oxidů železa redukčními pochody získává surové

železo.

Do VP se sází kovonosná vsázka (železná ruda, aglomerát, pelety). Struskotvorné

přísady a koks. Ke spalování paliva je do pece foukán předehřátý vzduch (vysokopecní vítr)

z Cowperů, může být někdy obohacován kyslíkem.

Hlavním produktem výroby je surové železo, 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

žárovzdorným 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, kuželová zužující část sedlo. Spodní část je nístěj, může být

válcového nebo mírně kónického tvaru, zdola je uzavřena dnem. V horní části nístěje jsou

umístěny výfučny dmýchající ohřátý vzduch. Surové železo a struska se vypouští odpichovým

otvorem, který je umístěn 0,5 – 2 m nad úrovní nístěje. Množství odpichových otvorů záleží

na bohatosti vsázky.

Před účinky vysokých teplot je třeba vyzdívku a plášť pece chladit. Používá 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. Používají 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 železa. Jako palivo se používá 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 rozžhaveného koksu. V nístějovém

pásmu už 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 železa a dalších přísad. K ohřevu a

tavení vsázky se využívá tepla vzniklého oxidací prvků v surovém železe (uhlíku, křemíku,

manganu, fosforu). Jako okysličovadlo se používá 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 železa.

a) Vzduchové konvertory

Dnes se již nepoužívají.

b) Kyslíkové konvertory

Jako oxidační plyn se používá technicky čistý kyslík s obsahem 99,5 % O2, čímž se

snižuje objem plynů dmýchaných do konvertoru, a tím klesá množství tepla, potřebné k jejich

ohřevu. Přebytečná energie je využita k roztavení a ohřátí šrotu a pevných oxidačních přísad

(železná 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, ložisky, sklápěcím zařízením

s pohonem a stojanem. Plášť je z ocelového plechu. Jsou vyzdívány žárovzdorným

materiálem ve více vrstvách. Základem používaných materiálů je magnezit nebo dolomit

s vazbou keramickou nebo na bázi dehtu. Nejčastější způsob opravy vyzdívky je torketování,

tj. nanášení žárovzdorného materiálu s pojivem pod tlakem na opravované místo vyzdívky.

Konvertory OBM

Byly vyvinuty pro zpracovávání fosfornatých surových želez, které v konvertoru LD

byly obtížně zpracovatelné. Trysky jsou u spodního dmýchání ve dně tvořeny dvěma

soustřednými trubkami. Vnitřní trubkou se přivádí kyslík, mezikružím 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 používá

v blízkosti trysek, kde je vyzdívka namáhána velkými výkyvy teplot.

Hlavní přednosti pochodu OBM ve srovnání s procesem LD:

nižší obsah železa ve strusce a nižší úlet zvýšení výtěžku železa ze vsázky,

nižší obsah dusíku a kyslíku v oceli menší spotřeba legujících a desoxidačních

přísad (Mn, Al,…),

lepší odsíření oceli při stejné bazicitě strusky menší spotřeba vápna,

nižší investiční náklady,

možnost použití neupraveného ocelového odpadu s větší hmotností jednotlivých kusů.

Proces OBM má i nevýhody ve srovnání s pochodem LD:

vyšší obsah vodíku v oceli,

nižší podíl ocelového odpadu ve vsázce (o 2 – 5 %),

nižší životnost vyzdívky (především dna).

Obloukové pece

Elektrická energie se mění na tepelnou v elektrickém oblouku, od něhož 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 může dojít buď nárazem, nebo vlivem elektromagnetického vlnění.

K ionizaci plynu v oblouku dochází srážkami elektronů s neutrálními atomy.

Oblouková pec je složena z vlastní pece s vyzdívkou, mechanismem sklápění, elektrod

s držáky, posuvným mechanisme a elektrickým příslušenstvím. Pracovní prostor je tvořen

dnem, stěnami a klenbou. Elektrody se umisťují svisle a jsou uchyceny v držácích,

pohybujících se po nosných sloupech.

Výhoda elektrických obloukových pecí je v tom, že na rozdíl od kyslíkových

konvertorů nejsou závislé na výrobě surového železa. 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 nižší výrobnost i produktivita

práce, ve srovnání s kyslíkovými konvertory a také použití 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 režim pece.

102. Popište vsázku do vysoké pece.

103. Jak se vyzdívají kuplovny?

104. Uveďte vedlejší produkty při výrobě surového železa 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 běžně používají v metalurgických,

nebo strojírenských a dalších provozech,

popsat jednotlivé typy pecí – jejich výhody a nevýhody, vhodnosti

použití,

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 využívají způsob indukčního ohřevu uvedeného dříve. Indukční pece jsou

rozděleny na:

Pece s železným jádrem – kanálkové pece.

Pece bez železného jádra – kelímkové pece.

Indukční pece se využívají 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 železným jádrem

Indukční pece s železným jádrem je zařízení, jehož základem je transformátor

s uzavřeným železným 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 používají pro tavení barevných kovů – mědi a jejich slitin, niklu, hliníku,

případně litiny, nicméně i pro výrobu oceli – vakuování oceli, nebo se může předehřívat

surové železo před dalším zpracováním (např. v kyslíkovém konvertoru) Výhody indukčních

pecí s železným jádrem jsou následující:

Nedochází k nauhličení roztavené lázně (jak k tomu dochází u obloukových pecí,

které využívají pro tavení elektrody),

Vsázka se víří, tudíž dochází k dokonalejšímu promíchávání materiálů - lepší

homogenita.

Indukční pece s železným jádrem jsou napájeny z jednofázového generátoru s nízkým

kmitočtem (5 až 10 Hz). Pecní cívka se připojuje na fázové nebo sdružené napětí. Při procesu

hladina tavící se vsázky není vodorovná, ale je šikmá (vyšší) na vnějším okraji žlábku. 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 nežádoucímu 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 znemožňují správný chod pece. Z tohoto důvodu se

konstruují indukční pece s železným 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 uložena 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 - žárovzdorná 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 až 30 % kapacity pece.

Elektromagnetické energie, která vzniká při činnosti indukční pece s železným jádrem

se přeměňuje v tepelnou energii v kanálku. Ostatní vsázce se předává teplo konvekcí a

vedením.

Pece jsou vyzděny vyzdívkou, jež zamezuje snižování životnosti pece. Vyzdívka pece je

tlustá, protože se tím snižují tepelné ztráty a zlepší pracovní podmínky pece – například

vsázka zůstane déle teplá při výpadku proudu po několik hodin. Správná vyzdívka prodlužuje

životnost pece o několik měsíců. Vyzdívka kanálku kolem induktoru je naopak co nejtenčí,

aby se nesnižovala elektrická účinnost pece. Kanálek je velmi namáhanou částí pece, proto

životnost vyzdívky je menší, než životnost vyzdívky celé pece. Proto se kanálky konstruují

odnímatelné, aby mohlo dojít k výměně vyzdívky.

Indukční pece s železným jádrem mají dobrou elektrickou účinnost (zhruba 85 až 95 %)

a malé ztráty propalem (pod 1 %). Celková účinnost indukčních pecí kanálkových pecí je

v rozmezí 70 až 80 %.

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

Indukční pece bez železného jádra

Indukční pece bez železného jádra nazýváme pecemi kelímkovými. Kelímek ze

žárovzdorného keramického materiálu je umístěn uvnitř válcového induktoru. Pec nemá

železné jádro, magnetické siločáry se uzavírají vzduchem, energie v procesu se ztrácí a tím je

účinnost pece nižší.

Indukční kelímková pec s nevodivým kelímkem

Tato indukční pec může být provedena ve třech variantách

s vodivým stínicím pláštěm,

bez stínícího pláště,

se železným 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 až 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 nižší teploty tavení – např. pro hliník a jeho slitiny je kelímek z ocelelolitiny. Pro vyšší

teploty tavení se používají grafitové kelímky – směs šamotu a grafitu.

Mezi kelímkem a cívkou je keramická izolační vrstva, která zmenšuje ztrátový tepelný

tok ze žhavého 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 železným jádrem je o cca 5 % vyšší, než u pece se stínícím pláštěm.

každé zvýšení účinnosti vede ke úspoře elektrické energie, zvláště u velkých pecí

s nepřetržitým provozem. Provedení indukční kelímkové pece se železným jádrem je

technicky „dokonalejším“ řešením, nicméně výrobně je tato pec dražší. Její provoz je rovněž

nákladnější zvláště pokud dojde k protavení kelímku, které může 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 nižší tepotu, než tavenina až o 200 K, protože se ohřívá až od kovu.

2. Nízká životnost vyzdívky.

3. Vyšší náklady na elektrické vybavení agregátu.

4. Nižší výkonnost pece.

Elektronové pece

Elektronové pece používáme 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 mřížky, srážejí se s atomy i volnými elektrony. Hloubka průniku je pak

kolem 10-6

až 10-7

m. 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. Může se stát, že elektron může opustit kov, aniž by mu předal

veškerou svou původní energii. Poměr mezi množstvím odražených (sekundárních) elektronů

a množstvím prvotních (primárních) elektronů definuje koeficient odrazu kN. Hodnota

koeficientu se pohybuje v rozmezí 0,2 až 0,5; je funkcí atomového čísla daného kovu.

Energie odražených elektronů je řádově srovnatelná s energií elektronů prvotních.

Protože však některé elektrony nepředají veškerou svou energii zavádí se tzv. střední hodnota

energie odražených elektronů EOD a součinitel kE, který je rovněž funkcí atomového čísla

jednotlivých kovů a nepřevyšuje hodnotu 0,35 až 0,45.

Celkové energetické ztráty v důsledku odrazu elektronů se pro kovy s atomovým číslem

menším než 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 žhavená, její životnost je 10 až 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 umožňuje 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 používány 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) může 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

používá 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 využíváno 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., že dosahujeme vysoké čistoty,

Tavení je kontrolovatelné a regulovatelné, zvláště je regulovatelný přísun vsázky,

Tavení lze udržovat 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 až 95 %), elektronového děla (96 až 98 %) a přeměny

kinetické energie elektronů v energii tepelnou (80 až 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 požadavky, ale rovněž s požadavky energetickými. Tepelná

účinnost pece není vyšší než 15 %, takže celková účinnost se pohybuje v rozmezí 8 až 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 až 10

4 K) a vysokoteplotní plazmu

(teplota 105 až 10

8 K). Zařízení pro přeměnu elektrické energie v energii tepelnou pro

nízkopotenciální plazmu se nazývají plazmové hořáky (plazmatrony). Plazmový hořák

využívá 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 může 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 požadavku ochranných a technologických atmosfér

(oxidační, redukční, neutrální).

Typy plazmových hořáků:

S nezávislým elektrickým obloukem – taví i elektricky nevodivé materiály,

Se závislým elektrickým obloukem – nejčastěji využívané v metalurgii.

Tělo hořáku musí být intenzivně kontinuálně chlazeno vodou, elektrody jsou wolframové.

Technické aplikace plazmových hořáků. Tyto hořáky lze použít rovněž v těchto oblastech.

Nanášení materiálu – přídavný materiál je přiváděn ve formě drátu, nebo prášku. Prášky jsou

nanášeny na kovové plochy. Používají 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 může být argon, nebo dvouatomové plyny.

Svařování – dopadne-li plasma na materiál, dochází ke slučování atomů za současného

uvolňování velkého množství 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, čímž vznikají malá pnutí a

deformace v materiálu.

Řezání – je analogické svařování materiálu. Rozdíl je v tom, že 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 používá dusík, který je

veden spirálově kolem oblouku. Oblouk se více koncentruje a stabilizuje. Tepelné namáhání

materiálu je menší, než při klasickém řezání (dělení) materiálu. Šířka řezu je malá a odpadá

přídavek materiálu na dodatečné opracování.

Chemické reakce, které probíhají běžně při atmosferickém tlaku je možné využívat

plazmových ohřevů tam, kde je požadovaná vysoká teplota. Využívá 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 žárovzdornou 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 rozžhaveným kovem měděnou tryskou, která je navíc chlazena vodou. V nístěji

pece je umístěna chlazená elektroda (anoda). Pecní prostor je utěsněn pískovým uzávěrem,

aby bylo možné 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 %, přičemž

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 použity

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:

Použití libovolné pracovní atmosféry,

Nejsou používány elektrody pro přetavování,

Menší vypařování kovu,

Vysoká a snadno regulovatelná teplota

Rychlé tavení, vysoká koncentrace energie

Nevýhody plazmových pecí:

Nízká životnost plazmových hořáků,

Nebezpečí proniknutí chladicí vody do prostoru pece při zapálení trysky.

Ohřívací pece

Ohřívací pece se využívají 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 nižší 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

každý materiál má své technologické podmínky ohřevu v kontextu s konstrukcí ohřívací pece

s jeho následným využitím.

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 vždy 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 žádoucí, aby součinitel zastínění nístěje byl v rozmezí 35 až 45 %. Je-li

součinitel menší než 35 % není kapacita pece plně využita a její měrná výkonnost je nízká. Při

součiniteli vyšším než 45 % se ingoty ohřívají nerovnoměrně, zvláště po průřezu ingotu.

Velikost nístějové plochy se obecně ohybuje v rozmezí 15 až 30 m2, velikost vsázky 60

až 150 t s příkonem až 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, protože klesá měrná spotřeba tepla na její ohřev přímo v peci.

Režimy hlubinné pece:

Teplotní a tepelný režim hlubinné pece je proměnný, nestacionární. Průběhy teplot –

pece, povrchu ingotu a centra ingotu, příkon pece. Pece využívají dvojfázový ohřev materiálu.

V první fázi – přivádí se maximální množství tepla, teplota pece roste. Druhá fáze je fáze

vyrovnávací, teplota pece se nemění, postupně se snižuje 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 prodlužuje. Stejně tak, příliš vysoká hodnota příkonu

je nevyhovující, protože 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 až 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 sníženým příkonem, aby nedocházelo

k pnutím. Nad teplotu cca 600 % °C je ocel v plastickém stavu, nemůže dojít k porušení

materiálu a rychlost ohřevu se zvyšuje.

Při ohřevu materiálu v hlubinné peci dochází k oxidaci, které může dosáhnout až 2 %.

Vzniklé okuje odpadávají na nístěje pece a musejí být odstraňovány. Pokud není nístěj

pravidelně čištěna od okují, pak se pracuje s nárůsem půdy až do výšky 1,2 m. Pak se pec

odstaví a okuje (struska) se odstraní. Nístěj se rovněž vyzděna žárovzdorným materiálem,

která s okuji nereaguje. V nístěji je pec, kde jsou okuje (struska) odstraněny průběžně pod

pec.

Vyzdívka hlubinné pece:

Nístěj se vyzdívá magnezitem, chrómmagnezitem, nebo korundem. Stěny pece jsou

dinasové, přechod mezi dinasem a magneziem tvoří šamot. Žárovzdorná vyzdívka je dvou až

třídílná. Pod pracovní vrstvou se nachází vrstva šamotová a pod ní izolace z lehčeného

šamotu. Nejvíce tepelně a mechanicky namáhanou částí pece je víko, jehož životnost je

výrazně nižší než u samotné pece. Víko je vyzděno šamotem. Těsnění mezi víkem a stěnami

je provedeno žlábkem s křemičitým pískem. V současnosti lze nalézt i jiné typy vyzdívky –

žárobeton s pojivem hydraulickým, nebo chemickým, vláknité materiály apod. Zdivo je

potřeba udržovat.

Obr. 11.5 Hlubinná pec s odporovým ohřevem

Komorové pece

Komorové pece se užívají 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 až 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 vyjíždí z pece po

kolejnicích, slouží ke snadnějšímu sázení i tažení vsázky. Znamená to, že pece

s výjezdnou nístějí mohou mít větší půdorysné rozměry, délka je až 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 než

150 až 250 kg . m-2

. h-1

.

Spaliny mají v celém pracovním prostoru pece přibližně stejnou teplotu. Nelze proto

dostatečně využít při ohřevu jejich entalpie a teplota odpadních spalin je vysoká. Z toho

vyplývá, že tepelná účinnost komorových pecí je nízká (10 – 30%/), zvláště, není-li využito

předehřevu spalovacích složek. Spaliny odvádějí až 65% z celkového množství přivedeného

chemického tepla.

Rozdělení podle tepelného režimu:

Jedná se o pece, které pracují stacionárně nebo nestacionárně. Stacionární pece ohřívají

větší množství 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

žárobetonem.

Režim 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 uložen na podložky, takže spaliny mohou proudit kolem vsázky, proto

necháváme mezery 100 až 200 mm.

Strkací pece

Strkací pece se využívají ve válcovnách pro ohřev sochorů a bram do hmotnosti 40 tun.

Pece mohou sloužit 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, že pec je jako protiproudý výměník tepla – předání tepla je pak

nejvyšší, účinnost pecí je 40 až 60 %.

Teplotní režim pecí:

Strkací pec pracuje s konstantním tepelný i teplotním režimem, 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 využití 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

důležitá. Při nižší hodnotě se snižuje celkový součinitel přestupu tepla na vsázku a prodlužuje

se doba setrvání materiálu v peci v této zóně.

Ohřívací zóna – jejím úkolem je rychlý ohřev povrchu předvalků na požadovanou teplotu

ohřevu. Teplota spalin v této zóně převyšuje teplotu ohřevu o cca 150 K, teplota pece v této

zóně může být až 1400 °C.

Při výstupu z ohřívací zóny jsou předvalky ohřáty nerovnoměrně, protože 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 obtížných

podmínkách – musí odolat vysokým teplotám v peci, mechanickým nárazům, chemickému

působení okují a pecní atmosféry a musejí být otěruvzdorné. Využívají 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 až 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, protože 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 používá zemní plyn, směsný plyn nebo topný olej. Použije-li se topný olej

je přenos tepla intenzivnější, ale může docházet k místnímu přehřátí vsázky, zvyšuje se

opotřebení vyzdívky, a protože topný olej obsahuje i určité procento síry, zvyšuje se také

opal. Pokud se topný olej použije, 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.

Tažení 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 leží 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 využívány,

neboť mají menší trvanlivost a odolnost vůči okujím. Vyzdívka může být dvouvrstvá, kde

horní vrstva je z kvalitnějšího materiálu. Pro předehřívací část pece se používají materiály

s obsahem oxidu hlinitého kolem 40 %. Pro úseky s vyšší teplotou je to 70 %, nebo je

využíváno chromitu.

Sázení materiálu do pece:

Sázení je boční nebo čelní. Při čelním zavážení se používá tlačky, která přemísťuje

předvalek z roštu na pevné trámce. Nebo se vsázka odebírá přímo z dopravníku pohyblivými

trámci. Čelní sázení umožňuje 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:

možnost 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 údržba,

Větší potřeba chladicí vody.

Karuselové pece

Karuselová pec je ohřívacím zařízením využívané ve válcovnách pro ohřev trub.

Vsázka (trubky) se ukládá na otočnou nístěj ve tvaru mezikruží a postupně prochází

jednotlivými ohřívacími pásmy pece.

Konstrukce karuselové pece:

Odtahy spalin jsou umístěny v blízkosti sázecích dveří. Využívá se protiproudého

systému pohybu vsázky a spalin. Dveře pro vytažení 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 přepážka. 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, režimem ohřevu, způsobem

uložení a rozměry vsázky, typem použitých hořáků. Výška pece je do 2 m. Jednotlivá pásma

jsou oddělena zavěšenými přepážkami.

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 režimu 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 údržbu, dlouhá životnost.

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 až 2000 kJ.kg=1

. Maximální výkon karuselových pecí je cca 150

t.h-1

.

Pece pro tepelné zpracování

U pecí pro tepelné zpracování záleží ne technologii zpracování jednotlivých předvalků.

Tepelné zpracování (žíhání, kalení, popouštění) je charakterizováno teplotou ohřevu, dobou

výdrže na tuto teplotu a způsobem ochlazení materiálu. Jednotlivé fáze ohřevu, výdrže a

ochlazování se mohou několikrát opakovat (mnohofázový ohřev). Při tepelném zpracování se

na materiál rovněž 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

výdrže, která zajistí vyrovnání teplot ve vsázce s proběhnutím modifikačních změn, nebo

difúzních procesů. Vyrovnávací fáze může 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 užívaný jen

pro některé materiály (žíhání otevřené, „černé“). Spalujeme-li nedokonale, pak lze ohřívat

materiál přímo, aniž by došlo ke vzniku okují.

U pecí nepřímým ohřevem je materiál uzavřen v mufli a je tak chráněn před pecní

atmosférou (nežádoucí). Spaliny své teplo předávají nepřímo. Taktéž pece mohou být

vytápěny sálavými trubkami, nebo elektricky odporově. Pak lze použít řízené atmosféry.

Podle teplotního a tepelného režimu dělíme dále pece na pece pracující periodicky nebo

průběžně. U periodicky pracujících pecí se vsázka nepohybuje, teplotní a tepelný režim je

nestacionární.

Poklopové pece

U těchto pecí je vsázka uložena na nepohyblivou nístěj a přikryta ochranným poklopem

ze žárovzdorné oceli. Tímto poklopem můžeme 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 může 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. Používá se šamot,

lehčený šamot. Může být vytvořena ze žárobetonových prefabrikátů. Nevyzdívá se vláknitými

materiály.

Výtěžnost poklopové pece je cca několik tun za hodinu. Výkonnost jde ruku v ruce

s pomalým vyrovnáváním teplot v materiálu.

Průběžné pece

Podle konstrukčního uspořádání dělíme průběžné pece na pece horizontální a vertikální.

Horizontální pecemi se pás (materiál/vsázka) protahuje ve vodorovném směru, po opěrných

válečcích. Ve věžových průběžných pecích se pás pohybuje střídavě nahoru a dolů, směr mění

vratné válečky.

Srovnání průběžných a poklopových pecí. Průběžné 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

běžet nepřetržitě. Konec jednoho pásu se spojuje s počátkem pásu druhého. Spoje mezi pásy

se svaří. Ve výstupní části je smyčkové zařízení, dělicí nůžky a dvě navíječky pásů.

Počet jednotlivých sekcí pecní části se volí podle typu tepelného zpracování. Obvykle

se volí sekce (pásma) – ohřívací, udržovací, 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.

Věžové pece:

Tyto pece obsahují taktéž sálavé trubky, jsou uloženy horizontálně.

Udržovací sekce pece pro černé žíhání je shodná se sekcí ohřívací. Výkon hořáků

v udržovací sekci je menší. Pokud je v této části řízená atmosféra, používá se elektrické

odporové vytápění.

Sekce řízeného chlazení zajišťuje pokles teploty dle požadavků 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 používají vodou chlazené panely umístěné u horizontálních

pecí místo stěn pece, u vertikálních pecí pak mezi jednotlivými chody pásu.

Pece pro dielektrický ohřev

Zařízení, které používají 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 překližek

Příkladem může být dýha z bukového dřeva o velikosti 1 x 2 m, které se natírají umělou

pryskyřicí a vkládají do lisu ve vrstvě až 40 cm vysoké. Do střední roviny vrstvy se vkládá

elektroda vysokofrekvenčního napětí Uef. Obě čelisti lisu představují druhé elektrody a jsou

uzemněné. Vrstvy překližek po obou stranách střední elektrody (žhavé) 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 množství 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 množství tepla Qc = 141 000 kJ t. j. práce 39,2 kWh. Při

vysokofrekvenčním výkonu 100 kW je toto množství tepla vyvinuto za čas τ = 23,2 min.

Po této době je možné hotové vysušené a vytvrzené překližky vyjmout z lisu.

b) Předehřívání plastických hmot, zpracovávaní termosetů

Dielektrického zařízení lze s výhodou použít 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 již 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, snižuje 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 využívající dielektrický ohřev pro sušení dřeva

Pece pro mikrovlnný ohřev

Mikrovlnný ohřev se úspěšně uplatňuje v mnoha průmyslových odvětvích. V

potravinářském a farmaceutickém průmyslu umožňuje modernizaci a využívání 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 použití

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 využívá např. při

ohřevu granulátů plastů před vytlačovacími lisy, při předehřívání pryže před vulkanizací a při

vytvrzování výrobků ze skleněných vláken. Při výrobě epoxidových vysokonapěťových

izolátorů se při mikrovlnném ohřevu na teplotu 80 až 100 °C zkracuje formovací proces o 15

až 45 %. Při mikrovlnném ohřevu keramických materiálů se doba sintrace zkracuje o 5 až 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 umožňují optimální kombinaci

s konvenčními způsoby ohřevu.

Konstrukční uspořádání:

Mikrovlnné pásové sušičky se vyrábějí pro výkony 8 až 150 kW, délku dopravního pásu

5 až 30 m a šířku pásu 0,2 až 1 m. Maximální sušicí teploty jsou 230 °C. Přívod mikrovlnné

energie je ze čtyř stran, takže je zaručeno homogenní ohřátí sušeného materiálu. Jako zdroje

mikrovlnného záření se obvykle používají 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 umožňují požadované 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 železného jádra?

109. Jaký typ vsázky používáme 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 využít plazmových hořáků (mimo oblast metalurgie).

118. Vyjmenujte výhody a nevýhody plazmových pecí. Svá tvrzení odůvodněte.

119. Jaké je nejčastější využití hlubinné pece?

120. Popište konstrukci hlubinné pece.

121. Jak můžeme ovlivnit množství propalu v hlubinné peci?

122. Pro jaké účely se využívá komorová pec?

123. Vysvětlete rozdíly v konstrukci a využití 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 režimu ohřevu vsázky u pecí pro tepelné zpracování.

127. Vysvětlete způsob ohřevu vsázky u poklopových pecí a průběžných pecí.

128. Jakým způsobem a čím jsou vytápěny ohřívací pece?

129. Každá průmyslová pec má vyzdívku – vyjmenujte nejčastěji používané žárovzdorné

materiály pro jednotlivé průmyslové pece.

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

Použitá 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 90-7078-

006-1.

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