Wyznaczanie sprawności nagrzewania wsadów w różnych urządzeniach elektrotermicznych Obowiązkowa znajomość zagadnień Charakterystyka metod i urządzeń elektrotermicznych, zapoznać się ze sposobami regulacji wartości temperatury wsadu oraz wartości średniej mocy grzejnej dostarczonej do wsadu. Zadania do wykonania I. Zapoznanie się z metodami i urządzeniami elektrotermicznymi. II. Zapoznanie się z parametrami elektromagnetycznymi i cieplnymi wpływającymi na wartość ciepła użytecznego zakumulowanego w wodzie, nagrzewanej z wykorzystaniem różnych metod elektrotermicznych. III. Określenie i porównanie wartości sprawności całkowitej nagrzewania wody w urządzeniach: oporowych, indukcyjnych, mikrofalowych i promiennikowych. IV. Zestawienie wyników i obliczenia. Wiadomości wprowadzające Podtrzymywanie stałego natężenia prądu i stałego napięcia na końcach przewodnika, przez który płynie prąd, wymaga stałego dopływu energii. Energia ta zużywana jest na ciągłe odnawianie pola elektrycznego. Jeżeli weźmiemy pod uwagę przewodnik, pomiędzy którego końcami panuje napięcie U, a przez przewodnik w ciągu pewnego czasu t przepłynie ładunek q, to pole elektryczne, przesuwając ten ładunek, wykona pracę: Praca ta jest dostarczana z zewnątrz (ze źródła prądu) i zostaje zamieniona na ciepło lub wykorzystana jako praca mechaniczna. Ilość ciepła Q p wydzielającego się w czasie tej przemiany określa prawo Joule a: (1) gdzie: q = I t, I natężenie prądu, P śr moc średnia pobierana przez urządzenie, t czas jego przepływu. Jeżeli na uformowanym w postaci spirali grzejnej przewodniku ustawimy naczynie z wodą, to nie całe ciepło otrzymane w wyniku zamiany energii elektrycznej grzejnik oddaje wodzie. Część ciepła pobierana jest przez obudowę 1 (2)
grzejnika, która z kolei oddaje pewną ilość tej energii do otoczenia. Ilość ciepła Q pobrana przez wodę jest więc mniejsza od ciepła Q p wydzielanego przez prąd. Wyrażenie określające stosunek ciepła Q pobranego od ciepła Q p wydzielanego przez prąd nazywamy sprawnością lub wydajnością grzejnika: (3) Sprawność można łatwo wyznaczyć poprzez ogrzewanie wody w naczyniu od temperatury pokojowej do określonej temperatury końcowej np. wrzenia. Jeżeli ogrzejemy masę m w wody o temperaturze pokojowej T 0 do temperatury końcowej T (ΔT = T T 0 ), to woda pobierze ciepło Q opisane równaniem: gdzie c w ciepło właściwe wody. Z równania (2) znajdujemy ilość ciepła Joule a Q p, wydzielonego w grzejniku, a następnie, mając zmierzoną ilość ciepła Q pobranego przez wodę, można na podstawie równania (3) obliczyć sprawność cieplną η grzejnika: (4) (5) Jeżeli sprawność chcemy wyrazić w procentach, wówczas: (6) Elektrotermia jest działem nauki i techniki zajmującym się przemianami energii elektrycznej w ciepło do celów użytkowych. Zawarte w tej definicji ograniczenie obszaru elektrotermii wyłącza z jej pola widzenia przemiany niezamierzone, stanowiące efekt uboczny, co wiąże się ze stratami cieplnymi. Nagrzewanie elektryczne jest to technika wytwarzania i wykorzystywania ciepła z energii elektrycznej. Problematyka nagrzewania elektrycznego nie ogranicza się więc do technik wytwarzania ciepła z energii elektrycznej, lecz obejmuje także zagadnienia wykorzystywania tego ciepła we wszystkich obszarach działalności człowieka. Urządzenie elektrotermiczne jest to zespół środków technicznych przeznaczonych do przekształcania energii elektrycznej w ciepło oraz do wykorzystania go w procesach grzejnych. Środkami tymi są człony zasilające, przekształcające, grzejne, załadunku i transportu wsadu, pomiarowe, regulacyjne oraz inne wyposażenie elektryczne i nieelektryczne ułatwiające lub polepszające pracę urządzenia elektrotermicznego. 2
3 ĆWICZENIE 4 Człony przekształcające służą do przetwarzania energii elektrycznej na taką jej postać, która sprzyja uzyskaniu wymaganego stanu cieplnego, np. określonego pola temperatury, stanu skupienia wsadu itp. Człony grzejne to podstawowe elementy urządzeń elektrotermicznych i w nich dokonuje się przemiana energii elektrycznej w ciepło. Nagrzewanie rezystancyjne (oporowe) jest to nagrzewanie elektryczne wykorzystujące efekt Joule'a w ośrodku przewodzącym stałym, połączonym galwanicznie ze źródłem energii. W nagrzewaniu rezystancyjnym wykorzystuje się prąd przewodzenia polegający na przemieszczaniu się elektronów swobodnych w ośrodku przewodzącym pod wpływem pola elektrycznego. Energia niesiona przez elektrony w czasie przepływu prądu przewodzenia ujawnia się pod postacią energii cieplnej. Może to być wynikiem trzech zjawisk: Peltiera, Thompsona oraz Joule'a- Lenza. Dwa pierwsze zaliczają się do procesów odwracalnych i w elektrotermii mają znaczenie podrzędne, ponieważ towarzyszące im zjawiska cieplne, są na ogół pomijalne. Nagrzewanie promiennikowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na zjawisku promieniowania temperaturowego i luminescencyjnego emitowanego przez specjalnie do tego celu zbudowane źródła promieniowania. Promieniowanie temperaturowe i luminescencyjne wiąże się z przemianą energii cieplnej w energię promieniowania w źródle promieniowania, z jej przesyłem za pośrednictwem fal elektromagnetycznych do odbiornika, a następnie z absorbcją i przemianą w energię cieplną w odbiorniku promieniowania. Tej dwukrotnej konwersji energii towarzyszy jeszcze jedna, a mianowicie przemiana energii elektrycznej w cieplną w źródle promieniowania. Źródło to może emitować wyłącznie promieniowanie temperaturowe, temperaturowe i luminescencyjne bądź wyłącznie luminescencyjne (przypadek rzadko spotykany). Nagrzewanie promiennikowe jest więc formą nagrzewania pośredniego. Źródłem energii jest promiennik elektryczny specjalnie wykorzystywany w celu emisji i kierowania w żądanym kierunku tego promieniowania. Jest to promieniowanie podczerwone lub z dominującym jego udziałem względnie nadfioletowe z udziałem innych zakresów widma. Promienniki przekazują energię do otoczenia nie tylko przez radiację, lecz także częściowo przez kondukcję i konwekcję, przy czym udział radiacji w tej wymianie - na zasadzie umowy - nie powinien być mniejszy od 50%. Jeśli chodzi o promienniki nadfioletu, to bezpośrednio wykorzystuje się nietermiczne oddziaływanie tego zakresu promieniowania, przy czym ciepło jest czynnikiem zawsze towarzyszącym, lecz niekoniecznie niezbędnym. Wyjaśnienia wymaga również potraktowanie nagrzewania promiennikowego jako wyodrębnionego działu elektrotermii zwłaszcza, że wielu autorów dział ten włącza do nagrzewania rezystancyjnego. Za jego wyodrębnieniem przemawiają zarówno istotnie odmienne rozwiązania konstrukcyjne znacznej części urządzeń promiennikowych w porównaniu z rezystancyjnymi jak i konieczność zaliczenia do źródeł promieniowania także lamp wyładowczych, a więc promienników działających na innej zasadzie aniżeli przetworniki rezystancyjne. Powszechnie utożsamia się też nagrzewanie promiennikowe z nagrzewaniem
podczerwienią. Jest to pogląd jedynie częściowo słuszny, bowiem promieniowanie widzialne, które często ma znaczący udział w całkowitej mocy emitowanej przez promiennik też może być absorbowane przez wsad i zamienione na ciepło. Z kolei żarówki zaliczane do źródeł światła w rzeczywistości emitują większą moc w zakresie podczerwieni i dlatego bywają niekiedy używane w charakterze promienników podczerwieni. Nagrzewanie indukcyjne jest to nagrzewanie elektryczne polegające na generacji ciepła przy przepływie prądów wirowych wywołanych zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej w elementach sprzężonych magnetycznie. W 36 lat po sformułowaniu przez Faradaya praw indukcji, S. Ferranti zaproponował konstrukcję pieca elektrycznego, w czym prawa te okazały się pomocne (1887 r.). Idea Ferrantiego polegała na potraktowaniu wtórnego uzwojenia transformatora jako wsadu poddawanego topieniu po umieszczeniu go w rynnie ceramicznej. Uzwojenie pierwotne układu tego rodzaju, czyli tzw. wzbudnik, było podzielone i umieszczone pod i nad rynną z metalem. Rozwiązanie Ferrantiego zostało ulepszone przez A. Colby'ego (1890 r.) oraz F. Kjellina (1899 r.), którego często uważa się za twórcę pierwszego pieca indukcyjnego nazywanego piecem Kjellina. W roku 1918 W. Rohn buduje indukcyjny piec próżniowy. Wszystkie te piece należały do kategorii rdzeniowych, tzn. zapewniających sprzężenie magnetyczne wzbudnika ze wsadem za pośrednictwem rdzenia, tak jak w transformatorach. Wiadomo, że efekt przenoszenia energii ze wzbudnika do wsadu zwiększa się przy wzroście częstotliwości, co umożliwia zmniejszenie wymiarów rdzenia lub całkowitą z niego rezygnację. Mając to na uwadze, E. Northrup patentuje w 1916 r. pierwszy piec bezrdzeniowy. Jego pełną teorię opracował W. Esmarch 10 lat później. Jednocześnie z pracami dotyczącymi wykorzystania zjawiska indukcji elektromagnetycznej do topienia, rozwijano badania nad nagrzewaniem wsadów bez zmiany ich stanu skupienia. Pierwsze zastosowania przemysłowe z tego zakresu dotyczyły nagrzewania w procesie wytwarzania obręczy kół i są przypisywane Dewey owi (1889 r.). W roku 1926 V.P. Wołogdin wprowadza tę technikę do hartowania powierzchniowego wsadów prądami wielkiej częstotliwości wykorzystując zjawisko naskórkowości. W roku 1932 stosując patenty F. Denneena i W. Dunna rozwiązano zagadnienie hartowania powierzchniowego prądami średniej częstotliwości łożysk wałów korbowych. Największy jednak rozwój techniki nagrzewania indukcyjnego w procesach topienia, obróbki cieplnej powierzchniowej, objętościowej (skrośnej) oraz w wielu innych dziedzinach przypada na lata po II wojnie światowej. Nowymi impulsami w tym dziale elektrotermii stały się wynalazki z zakresu energoelektroniki, a zwłaszcza tyrystory i tranzystory dużej mocy stosowane do budowy wysokosprawnych źródeł energii o częstotliwościach dostosowanych do wymagań procesu technologicznego. Nagrzewanie mikrofalowe jest to nagrzewanie elektryczne związane z efektem polaryzacji w ośrodkach dielektrycznych i półprzewodnikowych, do których energia elektromagnetyczna wielkiej częstotliwości doprowadzana jest falowodem. 4
Nagrzewanie mikrofalowe stanowi rozwinięcie nagrzewania pojemnościowego, jednak różnice między tymi metodami są na tyle istotne, że są one traktowane rozłącznie. Istota tych różnic jest zawarta już w definicjach obu metod. Otóż w przypadku nagrzewania mikrofalowego za efekty cieplne jest odpowiedzialne wyłącznie zjawisko polaryzacji i odmienny jest sposób doprowadzania energii. Pierwsze zastosowanie mikrofal do celów grzejnych należy przypisać Amerykaninowi Pery Spencerowi, który zbudował piec mikrofalowy już w 1945 r., czyli w 5 lat po wynalezieniu magnetronu wielownękowego. Z zakresu częstotliwości mikrofalowych (0,3-300 GHz) wydzielono siedem pasm dla mikrofalowych urządzeń grzejnych. Najbardziej rozpowszechnione są urządzenia pracujące w paśmie II, a to głównie z uwagi na niskie koszty generatorów pracujących z tą częstotliwością, które są produkowane w bardzo dużych seriach. Wykonanie ćwiczenia i opracowanie wyników Na wadze laboratoryjnej ważymy najpierw pustą zlewkę plastikową (m z ), a następnie napełnioną wodą do wartości około 400ml (m zw ). Z odjęcia wartości m zw i m z znajdujemy masę wody (m w = m zw m z ) i zapisujemy w tabeli Mierzymy temperaturę początkową wody T 0. Włączamy zasilanie badanego urządzenia na określony czas, w którym odczytujemy pięciokrotnie wartość pobieranej mocy P przez badane urządzenie (do obliczenia sprawności należy obliczyć wartość średnią pobranej mocy P śr ). Po upływie określonego czasu wyłączamy badane urządzenie i ponownie mierzymy temperaturę wody, jako temperaturę końcową procesu grzania T. Wszystkie pomiary powtarzamy dla badanych urządzeń: oporowy czajnik bezprzewodowy; kuchenka nagrzewanie mikrofalami; Aby ustawić nagrzewanie mikrofalami nacisnąć kilka razy przycisk MICRO/GRIL do uzyskania komunikatu na wyświetlaczu P10 i później naciskamy przycisk 1 Min", dla 2 minut nacisnąć 2 razy przycisk 1 Min", następnie przycisk Start/Reset. kuchenka nagrzewanie promiennikowe; Ustawić grzanie tylko grilem. Aby ustawić nagrzewanie grilem nacisnąć kilka razy przycisk MICRO/GRIL do uzyskania komunikatu na wyświetlaczu G1 i później naciskamy przycisk 1 Min, dla 2 minut nacisnąć 2 razy przycisk 1 Min", następnie przycisk Start/Reset.. kuchenka - wykonujemy pomiar dla dwóch różnych czasów (s i s) oraz różnej mocy 1000W i 1800W. Wszystkie urządzenia zasilamy napięciem sieciowym poprzez miernik poboru mocy. 5
Urządzenie Czajnik bezprzewodowy (mikrofale) (grill) (moc ustawiana 1000W) (moc ustawiana 1800W) m zw [g] m z [g] Tabela Wyniki pomiarów. m w T 0 T [kg] [ C] [ C] ΔT [K] P [W] P śr [kw] t [s] 6. Obliczamy ciepło Q p doprowadzone do urządzenia ze wzoru (2). 7. Korzystając ze wzoru (4) obliczamy ilość ciepła pobranego przez wodę, przyjmując ciepło właściwe wody c w = 4,19 kj/(kg K). 8. Następnie obliczamy sprawność grzejnika elektrycznego ze wzoru (6). 9. Rachunek błędów pomiarowych przeprowadzamy metodą pochodnej logarytmicznej. 6
Obliczenie błędu ciepła ΔQ p doprowadzonego do urządzenia: ĆWICZENIE 4 (7) Obliczenie błędu ilość ciepła pobranej przez wodę ΔQ: (8) Obliczenie błędu sprawności Δη: Gdzie: ΔP śr dokładność pomiaru mocy; Δt dokładność pomiaru czasu (dokładność stopera); Δm stanowi dokładność pomiaru masy (dokładność wagi); Δ(ΔT) dokładność pomiaru temperatury (dokładność termometru). Obliczone wartości z punktów 6 9 zapisujemy w tabeli Urządzenie Czajnik bezprzewodowy (mikrofale) (grill) (moc ustawiana 1000W) (moc ustawiana 1800W) Tabela Opracowanie wyników. Czas Q ΔQ Q p ΔQ p [s] [kj] [kj] [kj] [kj] η [%] Δη [%] 10. Opisz na podstawie wykonanych pomiarów i obliczeń jak zmienia się sprawność w zależności od: rodzaju urządzenia, czasu nagrzewania wsadu; mocy jaką pobiera badane urządzenie z sieci energetycznej. 7 Uniwersytet Rolniczy Wydział leśny Katedra Mechanizacji Prac Leśnych Laboratorium Fizyki instrukcja do ćwiczeń Rok akademicki 2014/2015