Wyznaczanie sprawności nagrzewania wsadów w

ĆWICZENIE 4
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:
(1)
Praca ta jest dostarczana z zewnątrz (ze źródła prądu) i zostaje zamieniona na
ciepło lub wykorzystana jako praca mechaniczna.
Ilość ciepła Qp wydzielającego się w czasie tej przemiany określa prawo Joule’a:
(2)
gdzie: q = I t, I – natężenie prądu, Pśr – 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
ĆWICZENIE 4
grzejnika, która z kolei oddaje pewną ilość tej energii do otoczenia. Ilość ciepła Q
pobrana przez wodę jest więc mniejsza od ciepła Qp wydzielanego przez prąd.
Wyrażenie określające stosunek ciepła Q pobranego od ciepła Qp 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 mw wody o temperaturze pokojowej T0 do temperatury końcowej T
(ΔT = T – T0), to woda pobierze ciepło Q opisane równaniem:
(4)
gdzie cw – ciepło właściwe wody.
Z równania (2) znajdujemy ilość ciepła Joule’a Qp, wydzielonego w grzejniku, a
następnie, mając zmierzoną ilość ciepła Q pobranego przez wodę, można na
podstawie równania (3) obliczyć sprawność cieplną η grzejnika:
(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
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'aLenza. 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
3
ĆWICZENIE 4
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
ĆWICZENIE 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
1. Na wadze laboratoryjnej ważymy najpierw pustą zlewkę plastikową (mz), a
następnie napełnioną wodą do wartości około 400ml (mzw). Z odjęcia wartości
mzw i mz znajdujemy masę wody (mw = mzw – mz) i zapisujemy w tabeli 1.
2. Mierzymy temperaturę początkową wody T0.
3. 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 Pśr).
4. Po upływie określonego czasu wyłączamy badane urządzenie i ponownie
mierzymy temperaturę wody, jako temperaturę końcową procesu grzania T.
5. Wszystkie pomiary powtarzamy dla badanych urządzeń:
 oporowy czajnik bezprzewodowy;
 kuchenka mikrofalowa – 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 mikrofalowa – 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 indukcyjna - wykonujemy pomiar dla dwóch różnych czasów (60s i
120s) oraz różnej mocy 1000W i 1800W.
Wszystkie urządzenia zasilamy napięciem sieciowym poprzez miernik poboru mocy.
5
ĆWICZENIE 4
Tabela 1. Wyniki pomiarów.
Urządzenie
mzw
[g]
mz
[g]
mw
[kg]
T0
[C]
T
[C]
ΔT
[K]
P
[W]
Pśr
[kW]
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
Czajnik
bezprzewodowy
Kuchenka
mikrofalowa
(mikrofale)
Kuchenka
mikrofalowa
(grill)
Kuchenka
indukcyjna
(moc ustawiana
1000W)
Kuchenka
indukcyjna
(moc ustawiana
1800W)
t
[s]
60
60
120
60
120
60
120
60
120
6. Obliczamy ciepło Qp doprowadzone do urządzenia ze wzoru (2).
7. Korzystając ze wzoru (4) obliczamy ilość ciepła pobranego przez wodę,
przyjmując ciepło właściwe wody cw = 4,19 kJ/(kg·K).
8. Następnie obliczamy sprawność grzejnika elektrycznego ze wzoru (6).
9. Rachunek błędów
logarytmicznej.
pomiarowych
przeprowadzamy
6
metodą
pochodnej
ĆWICZENIE 4
Obliczenie błędu ciepła ΔQp doprowadzonego do urządzenia:
(7)
Obliczenie błędu ilość ciepła pobranej przez wodę ΔQ:
(8)
Obliczenie błędu sprawności Δη:
Gdzie:
ΔPśr – 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 2.
Tabela 2. Opracowanie wyników.
Urządzenie
Czas
[s]
Czajnik
bezprzewodowy
Kuchenka
mikrofalowa
(mikrofale)
60
Kuchenka
mikrofalowa
(grill)
Kuchenka
indukcyjna
(moc ustawiana 1000W)
Kuchenka
indukcyjna
(moc ustawiana 1800W)
Q
[kJ]
ΔQ
[kJ]
Qp
[kJ]
ΔQp
[kJ]
η
[%]
Δη
[%]
60
120
60
120
60
120
60
120
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