EPÄSUORA VASTUSKUUMENNUS

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikka BL20A0800 Sähkölämpötekniikka EPÄSUORA VASTUSKUUMENNUS Lappeenrannassa 14.04.2014 0400441 Matti Huhtinen Ente 2 0386471 Ville Tapalinen Ente 2

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelma Matti Huhtinen Ville Tapalinen Epäsuora vastuskuumennus Seminaarityö 2014 12 sivua Tarkastaja: Tutkijaopettaja, TkT Janne Nerg Hakusanat: epäsuora vastuskuumennus, uuni, vastuselementti Tässä seminaarityössä tarkastellaan epäsuoraan vastuskuumennukseen käytettäviä laitteita. Työssä paneudutaan lähinnä epäsuoran vastuskuumennuksen sovelluksiin kotitalouksissa ja teollisuudessa. Lisäksi esitämme käyttökohteista muutamia kuvia.

SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO... 2 2 EPÄSUORAN VASTUSKUUMENNUKSEN KÄYTTÖ KOTITALOUKSISSA... 3 2.1 Keittiö... 3 2.2 Kodin työkalut... 3 2.3 Talon lämmitys... 4 2.4 Mukavuustekijät... 5 3 EPÄSUORAN VASTUSKUUMENNUKSEN KÄYTTÖ TEOLLISUUDESSA... 6 3.1 Jään poisto tuulimyllyn lavoista... 6 3.2 Lasiuunit... 6 3.3 Metallien lämpökäsittely... 6 3.4 Metallien sulatus... 7 3.5 Kumin vulkanointi... 8 3.6 Elintarviketeollisuus... 9 4 YHTEENVETO... 10 LÄHTEET... 11

2 1 JOHDANTO Tämä seminaarityö on osa sähkölämpötekniikan kurssia. Työn tavoitteena on tutustuttaa opiskelijat erilaisiin sähkölämpötekniikoihin. Valitsimme aiheeksemme epäsuoran vastuskuumennuksen, koska pidämme aihetta mielenkiintoisena, aiheesta on helppo kirjoittaa ja siitä löytyy paljon materiaalia. Ensin työssä tarkastellaan epäsuoran vastuskuumennuksen sovelluksia kotitalouksissa ja sitten teollisuudessa. Kotitalouden laitteet ovat erittäin yksinkertaisia, joten siitä syystä johtuen esitys on pelkistetty. Teollisuuden laitteista taas kerromme yksityiskohtaisemmin. Esittelemme erilaisia tapoja miten epäsuoraa vastuskuumennusta hyödynnetään laitteissa. Epäsuoran vastuskuumennuksen käyttölaajuus yllätti myös itse harjoitustyön tekijätkin.

3 2 EPÄSUORAN VASTUSKUUMENNUKSEN KÄYTTÖ KOTITALOUKSISSA Epäsuoran vastuskuumennuksen sovelluksia löytyy jo pelkästään kotitalouksissa lukemattomia määriä. Seuraavaksi esitämme sovelluksia liittyen keittiöntiloihin, työkaluihin, talon lämmitykseen ja muihin erilaisiin mukavuustekijöihin, joissa epäsuora vastuskuumennus on oleellinen. Jokaisessa alaotsikossa on lyhyt kuvaus laitteista. 2.1 Keittiö Keittiössä epäsuoraan vastuskuumennukseen perustuvia oleellisia laitteita ovat pääasiassa uuni, uunin liesi, kahvinkeitin, rasvakeitin, vedenkeitin. Kaikissa laitteissa, paitsi uunissa lämmitys perustuu johtumiseen. Esimerkiksi kahvinkeittimessä oleva kahvipannu lämpenee (max 80 C), kun pannun alla oleva liesi kuumenee sähkön vaikutuksesta. Ainoastaan uunin lämmitys perustuu konvektioon ja säteilyyn. Kypsennettävä ruoka ei ole kosketuksissa lämmitettävän pinnan kanssa. Uunin käyttölämpötila on normaalisti 100-300 C. 2.2 Kodin työkalut Kodin työkaluissa epäsuoraan vastuskuumennukseen perustuvia laitteita ovat kolvi ja kuumailmanpuhallin. Kolvissa kolvin kärki lämpiää, jolloin kolvissa voidaan juottaa esimerkiksi sähköisten piirien komponentteja yhteen. Vastus sijaitsee kolvin kärjessä. Kuumailmapuhaltimessa laite puhaltaa ilmaa lämmenneen vastuksen läpi, jolloin itse puhallettava ilma lämpiää samalla. Kolvin ja kuumailmapuhaltimen käyttölämpötilat vaihtelevat 200-400 C.

4 2.3 Talon lämmitys Talon lämmitykseen perustuvia laitteita ovat patterit, lämminvesivaraajat, lattialämmitys, lämmityselementit, vesiputkien jäätymisen esto ja lämminilmapuhaltimet. Pattereissa vastus lämmittää pattereiden sisällä olevaa nestettä. Neste siirtää lämmön huoneilmaan. Lämpö siirtyy säteilemällä ja konvektiolla. Lattialämmityksessä lattian alla on vastuslinja, jotka lämpiävät sähkön tehohäviöllä (ks. kuva 1). Vastuksissa syntyvä lämpö siirtyy lattiaan johtumalla ja sitä kautta huoneilmaan konvektiolla. Lattialämmityksessä lämpöä säädetään termostaatilla. Termostaatti mittaa joko lattian lämpötilaa tai huoneilman lämpötilaa. (rakentaja 2007) Kuva 1: Lattialämmityksen asennus ennen betonivalua (rakentaja, 2007) (Costella, 2014) Kuva 2: Sähköinen lämminvesivaraaja Lämminvesivaraajassa vastus lämmittää käyttövettä (ks. kuva 2). Toiminta perustuu veden lämpötilakerrostumaan, jonka avulla saadaan mahdollisimman korkea lämpöteho. Varaaja ladataan (ja se kannattaa ladata) yöllä täyteen, jolloin lämpötila ylä- ja alaosassa on sama. Lämpötilakerrostuma muodostuu päivän aikana, kun varaajan kuumaa vettä käytetään ja lämmitysvastukset eivät ole toiminnassa. Kun lämpötila laskee alle mitoitetun tason, termostaatti käynnistyy ja ylävastukset alkavat tuottaa lämpöä. Tämä lämpö siirtyy veteen johtumalla. (WebDia 2003) Kotitalouksissa voidaan käyttää vastuskuumennusta myös esimerkiksi vesiputkien jäätymisen estoon. Vesiputkien ympärille asennetaan lämpösuojaputki, johon on kierretty johtoa, mitkä

5 lämpiävät sähkön tehohäviöllä. Alla on esitetty esimerkki lämpösuojaputkesta (ks. Kuva 3). Esimerkissämme lämpösuojaputken lämmitysteho on noin 10 W/m, ja siinä on valmiina pistotulpalla varustettu kytkentäjohto. Kyseisen putken nimellisteho 60 W. Kuva 3: lämpösuojaputki (taloon.fi,2014) Lämminilmapuhaltimet perustuvat samaan periaatteeseen kuin kuumailmapuhaltimet. Lämminilmapuhaltimia käytetään lähinnä kotitalouksissa energiakustannusten minimoimiseksi. 2.4 Mukavuustekijät Epäsuoraa vastuskuumennusta voidaan käyttää myös mukavuustekijänä esimerkiksi sähkökiukaat, autossa takalasinlämmitin ja istuinlämmitin. Toisin kuin edellä mainitut, kiuas vaatii kolmivaiheisen 400 voltin jännitteen. Sähkökiukaan teho on normaalisti 2-40 kw (Harvia, 2013). Takalasinlämmitin perustuu laminoitavaan lämmityselementtiin ja istuinlämmitin lämmittää penkkiä johtamalla lämpöä kuljettajaan (ks. Kuva 4). Kuva 4: Istuinlämmitin kuvattuna lämpökameralla

6 3 EPÄSUORAN VASTUSKUUMENNUKSEN KÄYTTÖ TEOLLISUUDESSA Kappaleessa käsittelemme epäsuoran vastuskuumennukseen perustuvia laitteita teollisuudessa. Kappaleessa käsitellään jään poistoa tuulimyllyn lavoista, lasiuuneja, metallien lämpökäsittelyä ja sulatusta, kumin vulkanointia ja elintarvikkeiden käsittelyä. 3.1 Jään poisto tuulimyllyn lavoista Tuulimyllyn lapoihin voi muodostua jäätä, joka heikentää lapojen aerodynaamisia ominaisuuksia. Lisäksi ne voivat aiheuttaa epätasapainoa, jos jäätä pääsee kertymään johonkin tiettyyn kohtaan. Tämä lyhentää turbiinin elinikää ja heikentyneet aerodynaamiset ominaisuudet voivat aiheuttaa tuotannon vähenemistä. Ongelma voidaan ratkaista laminoitavilla lämmityselementeillä. (Stenvall, 2013) 3.2 Lasiuunit Lasin raaka-aineet sulatetaan uunissa, joka on yleisemmin kaasu- tai öljykäyttöinen, mutta voi olla myös sähköinen. Lasi lämmitetään ensin sulaan muotoon, jonka jälkeen se hitaasti jäähdytetään työstölämpötilaan. Työstölämpötila on yleensä noin 1000 1200 ºC. Jäähdytyksen tulee tapahtua hitaasti, jottei lasiin muodostu jännityksiä epätasaisen jäähtymisen takia. Uunin rakenne riippuu pitkälti siitä, onko prosessi jatkuvatoiminen vai ei. (Pihkala, 2002) 3.3 Metallien lämpökäsittely Metallien ominaisuuksiin voidaan suuresti vaikuttaa erilaisten lämpökäsittelyjen avulla. Näihin voidaan käyttää mm. sähköuuneja. Karkaisussa terästä lämmitetään noin 750 950 ºC lämpötilaan, jonka jälkeen se jäähdytetään hyvin nopeasti. Nopeasta muutoksesta johtuen teräksen kiderakenne muuttuu ja teräksestä saadaan lujempaa. (Niemi, 2010,s.8-9)

7 Karkaisun jälkeen teräs lämmitetään uudestaan tällä kertaa alempaan lämpötilaan, jonka jälkeen sen annetaan rauhassa jäähtyä. Tätä kutsutaan päästöksi. Sen tarkoituksena on lisätä teräksen sitkeyttä, mutta samanaikaisesti lujuus heikkenee. Karkaisussa saadun lujuuden ja päästössä saadun sitkeyden suhteeseen voidaan vaikuttaa säätämällä päästölämpötilaa. Alhaisempi päästölämpötila tarkoittaa teräkselle suurempaa lujuutta ja pienempää sitkeyttä. Käsittelyä sanotaan nuorrutukseksi, jos sen päästölämpötila on korkea. (Niemi, 2010,s.12) Pehmeäksi hehkutuksessa materiaalia hehkutetaan useita tunteja ja annetaan sen jälkeen jäähtyä hitaasti. Tarkoituksena on alentaa materiaalin lujuutta, jotta sen työstäminen olisi helpompaa. Hehkutuslämpötilat riippuvat materiaalista ja sen laadusta. (Niemi, 2010, s. 16) Metalleihin jääneitä jännityksiä voidaan poistaa hehkuttamalla metallia useita tunteja ja antamalla sen rauhassa jäähtyä. Teräksen tapauksessa tämä tapahtuu noin 200-350 ºC:ssa. Jännityksiä voi syntyä nopean jäähtymisen, työstön tai hitsauksen seurauksena. (Niemi, 2010, s. 32) Jatkuvatoimisilla uuneilla lämmitettävät kappaleet kulkevat kuljettimella uuniin. Materiaalivirta on nimensä mukaisesti jatkuva ja prosessi on hyvin automatisoitu. Yleensä lämmitettävät kappaleet eivät ole isoja. Panosuuneihin lämmitettävä materiaali lastataan erä kerrallaan ja poistetaan käsittelyn päätyttyä. (Niemi, 2010 s. 38-40) 3.4 Metallien sulatus Sähkökäyttöisillä uuneilla voidaan sulattaa esimerkiksi alumiinia, messinkiä ja pronssia. Maksimilämpötilat liikkuvat noin 1300 ºC tienoilla. Esimerkiksi Nabertherm valmistaa sähköuuneja, joiden avulla voidaan sulattaa pronssia. Uunit täytetään päältä ja ne ovat yleensä varustettu nostureilla, joilla sula-aines kaadetaan kourua pitkin ulos säiliöstä. Nabertherm:in mallistossa tehot riippuvat lämmitettävän panoksen koon mukaan 16 kw:sta 140 kw:iin. (Nabertherm, 2014)

8 Kuva 5: Nabertherm KC 150/14 3.5 Kumin vulkanointi Muovien valmistuksessa vulkanointi on yksi osa valmistusprosessia. Sen avulla raakakumista saadaan tehtyä kestävämpää ja kovempaa. Ennen vulkanointia raakakumit ovat yleensä hyvin suuriviskositeettisia nesteitä. Vulkanoinnissa pyritään siis saamaan kumista pysyvä rakenne, joka pitää muotonsa hyvin. Tämä tapahtuu lämmityksen ja kemiallisten reaktioiden avulla. Lämpötilat riippuvat hyvin paljon käytetyistä materiaaleista ja kiihdyttävistä aineista. Vulkanointia tehdään yleensä 20 250 ºC lämpötiloissa. Vulkanointiin käytetään esimerkiksi rikkiä. Rikki reagoi lämmön vaikutuksesta raakakumin kanssa muodostaen verkottuneen rakenteen, joka parantaa kumin ominaisuuksia. (Tampereen teknillinen yliopisto, 2010) Vulkanointi voidaan suorittaa mm. autoklaaveissa, muoteilla, suolahauteessa, leijukerroksessa tai mattokoneella. Autoklaavit ovat lieriön muotoisia säiliöitä, joissa on lämmitysvastukset säiliön sisällä. Yleensä niihin on yhdistetty puhallin, joka kierrättää sisällä olevaa ilmaa. Autoklaaveja käytetään suurien kappaleiden vulkanointiin. (Tampereen teknillinen yliopisto, 2010) Mattokoneella vulkanisoidaan muovilevyjä kiilaamalla ne teräshihnan ja kuuman rummun väliin. Muottivulkanoinnissa lämmitysvastukset kuumentavat muotteja. Muotteihin sijoitetaan raaka-aine

9 ja ne puristetaan yhteen. Kumi hakeutuu muotin mukaiseen muotoon ja vulkanisoituu lämmön vaikutuksesta. Puristusaika riippuu käytetyistä raaka-aineista ja kiihdyttävistä kemiallisista aineista. (Tampereen teknillinen yliopisto, 2010) 3.6 Elintarviketeollisuus Elintarviketeollisuudessa epäsuoraa vastuskuumennusta käytetään elintarvikkeiden valmistukseen ja sterilisointiin. Homogenointi on prosessi, jossa maidon rasva saadaan sekoittumaan tasaisesti maitoon. Tämä estää rasvan kerääntymisen maidon pinnalle. Homogenointi tapahtuu lämmittämällä maito noin 60 ºC:een ja johtamalla maito ohuiden rakojen läpi. Korkeassa paineessa ja lämpötilassa rasvakeskittymät pilkkoutuvat pienemmiksi mennessään rakojen välistä. ( Maito ja terveys ry, 2007) Pastöroinnissa elintarvike lämmitetään noin 80 asteeseen muutamaksi minuutiksi, jolloin mahdolliset taudinaiheuttajat kuolevat. Pastörointia käytetään esim. maidon ja mehun valmistuksessa. Sähkökäyttöisiä pastörointi laitteita käytetään, kun prosessoitavan elintarvikkeen määrä on noin 200 300 l/h. (mehupuristin, 2014) Elintarviketeollisuudessa käytetään myös kiertoilmauuneja, mitkä ovat tuttuja myös kotitalouksissa. Kiertoilmauuneissa ilma kiertää hallitusti, jolloin saadaan aikaan tasainen lämpiäminen uunin joka osassa. Elintarviketeollisuudessa käytetään myös kotitalouksille tuntemattomampia kiertoarinauuneja. Esimerkissämme Metos myy kiertoarinauunia mallinimellä PS520. Uuni käyttää 400 V jännitettä. Kiertoarinauuneja on erityyppisiä, mutta toteutustapa on sama. Metoksen mallissa kuumentaminen perustuu kuumailmapuhallustekniikkaan. Kiertoarinauuneissa saavutetaan tarkka paistoaika- ja lämpötilakontrolli. Lämpötilan säätö riippuu uunista, tavallisimmin 100 400 C. Arinauunissa on tavallisesti rata, mitä pitkin ruoka kulkee. (Metos, 2014)

10 4 YHTEENVETO Työn tekeminen oli mielenkiintoista ja mukavaa. On yllättävää, että miten paljon epäsuoraa vastuskuumennusta omaavaa tekniikkaa käytämme tietämättämme arkipäivän askareissa. Epäsuora vastuskuumennus on vanha keksintö (1800-luvun lopulta) ja ei ihmekään, että siihen perustuvia käyttömenetelmiä on useita. Työn laajuus oli sopiva kahdelle hengelle. Toinen keskittyi työnulkoasun ja kotitalouksien menetelmiin, kun taas toinen keskittyi teollisuuden menetelmiin. Työhön kuului vielä itse seminaariesitys.

11 LÄHTEET Costella, 2014. Lämminvesivaraaja [tuotesivu] [viitattu maaliskuussa 2014] Saatavissa: http://costella.fi/index.php?id=32&gclid=cjkj-7wqv70cfuhecgod7nqaow Harvia, 2014. Sähkökiukaat [tuotesivu] [viitattu maaliskuussa 2014] Saatavissa: http://www.harvia.fi/content/fi/39/10148/s%c3%a4hk%c3%b6kiukaat.html LUT, 2006. Sähkölämpötekniikka, luentomateriaali. [viitattu maaliskuussa 2014] Saatavissa: Aineisto yliopiston sisäisessä käytössä, vaatii tunnuksen ja salasanan Maito ja terveys ry, 2007. Maitotietoa: tietoa maidosta ja ravitsemuksesta. [www-dokumentti] [viitattu huhtikuussa 2014] Saatavissa: http://www.maitojaterveys.fi/www/fi/liitetiedostot/maitotietoa_a5_36_net.pdf. Metos, 2014. Kiertoarinauuni [tuotesivusto,www-sivu] [viitattu Huhtikuussa 2014] Saatavissa: http://www.metos.com/page.asp?pageid=prods&languageid=fi&groupid=64&prodid=4147240&tit le=kiertoarinauuni%20metos%20ps520-1%20400v3n~&#.u0u_0fmixqm Nabertherm, 2014. Tuoteseloste. [www-dokumentti] [Viitattu 19.03.2014] Saatavissa: http://www.nabertherm.com/produkte/giesserei/giesserei_englisch.pdf Pihkala Juhani, 2002. Lasin valmistus. Prosessitekniikan kokonaisprosessien verkko-oppimateriaali. [www-dokumentti] [Viitattu 19.03.2014] Saatavissa: http://prosessitekniikka.kpedu.fi/index-kpkp.htm Rakentaja, 2007. Sähköisen lattialämmityksen käyttöohje [www-sivut] [viitattu maaliskuussa 2014] Saatavissa: http://www.rakentaja.fi/artikkelit/1462/sahkoisen_lattialammityksen_kayttoohje.htm#.uynhp4uhu DU Stenvall Juha, 2013. TUULIVOIMALAN LAPOJEN HUOLLOT JA TARKASTUKSET, Diplomityö [www-dokumentti] [Viitattu 19.03.2014] Saatavissa: http://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/93811/nbnfi-fe201311217386.pdf?sequence=3.

12 taloon.com, 2014. Lämpösuojaputki Uponor Mantle [tuotesivusto] [viitattu maaliskuussa 2014] Saatavissa: http://www.taloon.com/lamposuojaputki-uponor-mantle-25-40-90-l-5m/lvi- 1844012/dp Tampereen teknillinen yliopisto, 2010. Polymeerimateriaalien perusteet osa 1, Luentokalvo [oppimateriaali, www-dokumentti]. [Viitattu 26.03.2014] Saatavissa: https://www.tut.fi/ms/muo/polyko/materiaalit/tty/perus/polymeerimateriaalien_perusteet_osa1.pd f. WebDia, 2003. sähkölämpö [WWW-pohjainen taloteknisten järjestelmien käytön, huollon ja vian etsinnän tukipalvelu] [viitattu maaliskuussa 2014] Saatavissa: http://www.rte.vtt.fi/webdia/sahkolampo/opastus/faq.asp?viite1=sf63