Ziemskie konwersje energii

Zaspokojenie rosnących potrzeb energetycznych ludzkości jest jednym z podstawo­wych warunków istnienia i rozwoju cywilizacji ziemskiej. Energia jest niezbędna do przeprowadzania przemian energii wewnętrznych i zewnętrznych ciał tworzących ziemską materię ożywioną (trwanie życia) jak i nieożywioną (produkcja materialna). Rozróżnia się cztery podstawowe formy energii użytecznej, wykorzystywanej bezpośrednio przez człowieka. Są to: energie chemiczne (energie wiązań chemicznych) zawarte w żywności oraz w materiałach i produktach niekonsumpcyjnych, energia mechaniczna, ciepło i światło. W celu zaspokojenia potrzeb energetycznych człowiek wykorzystuje dostępne mu źródła energii pierwotnych, do których zaliczyć można źródła konwencjonalne (kopalne paliwa organiczne, przepływy cieków wodnych, biomasa) oraz niekonwencjonalne (paliwa nuklearne, promieniowanie słoneczne, ruch powietrza, pływy i falowanie mórz, ciepło wnętrza ziemi, biogaz, ciepło oceanów i in.)

Na Ziemi człowiek dysponuje zasobami energii nieodnawialnej (zakumulowanej) i odnawialnej. Do zasobów nieodnawialnych zaliczyć można energię kinetyczną ruchu obrotowego Ziemi i energię grawitacyjną, energię geotermiczną (ciepło wnętrza Ziemi), energię zawartą w paliwach nuklearnych (np. uran i tor) i energię chemiczną zawartą w paliwach organicznych (węgiel kamienny i brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny, metan). Energie kinetyczną, grawitacyjną, geotermiczną i nuklearną Ziemia pozyskała w czasie swojego powstawania. Natomiast źródłem energii chemicznej był - związany z życiem - proces fotosyntezy, przebiegający szczególnie intensywnie przez ostatnich kilkaset milionów lat. Źródłem ziemskiej energii odnawialnej jest Słońce i - w minimalnej części - Księżyc. Można przyjąć, że Ziemia wraz z przestrzenią kosmiczną, Słońcem i Księżycem tworzy układ termodynamiczny, znajdujący się w stanie stacjonarnym (stanie równowagi); ilość energii wymienianej pomiędzy tymi ciałami (w dostatecznie krótkim okresie czasu) nie

ulega zmianom. Energie te są w minimalnej części pochodzenia grawitacyjnego, a przede wszystkim - elektromagnetycznego. Znaczy to, że Ziemia wypromieniowuje prawie tyle samo energii elektromagnetycznej ile jej otrzymuje z zewnątrz, a pomijalne wartości w bilansie osiągają energie grawitacyjne oraz energie nieodnawialne, występujące samoistnie (kinetyczna, grawitacyjna, geotermiczna) jak i związane z działalnością wytwórczą człowieka (nuklearna, chemiczna)

Słońce można traktować jako olbrzymi reaktor termojądrowy o mocy 37O-10²¹ kW. Około 99% mocy słonecznego promieniowania temperaturowego wysyłanego w przestrzeń przypada na fale o długościach od 280 do 5000nm, a więc na fale optyczne z zakresu promienio­wania nadfioletowego (10÷380nm), widzialnego (380÷760nm) i podczerwonego (760H÷10⁶nm)). Przyjmuje się, że temperatura powierzchni Słońca wynosi 6000K. W kierunku Ziemi (kula ziemska wraz z atmosferą) wysyłany jest strumień promienisty (moc promienista) o wartości P=178⋅10¹² kW, Gęstość strumienia promienistego q, padającego na płaszczyznę poziomą znajdującą się na granicy atmosfery, osiąga wartość około l,4kW/m². Część strumienia P (głównie promieniowanie najkrótsze) zostaje odbita w przestrzeń kosmiczną przez zewnętrzne warstwy atmosfery. Górne warstwy atmosfery ziemskiej pochłaniają następną część strumienia P, nagrzewają się i na powrót wysyłają w przestrzeń strumień promienisty w zakresie średnio-: i długofalowej podczerwieni. Do dolnych warstw atmosfery i na powierzchnię kuli ziemskiej dociera moc o wartości około 121⋅10¹² kW. Moc ta służy konwersjom energii na Ziemi, po czym jest prawie w całości wypromieniowywana (średnio- i długofalowe promieniowanie podczerwone) w przestrzeń kosmiczną. Z moc ta zostaje wykorzystywane w procesie akumulacji i rozładowania ciepła w dolnych częściach atmosfery i na powierzchni kuli ziemskiej (lądy i morza), a także potrzebna jest do przeprowadzenia cyklu hydrologicznego (pobór ciepła parowania i energii potrzebnej do unoszenia cząstek pary wodnej czy wywołania ruchów konwekcyj­nych w oceanach, a oddawanie ciepła skraplania i ciepła tarcia wywołanego unoszeniem cząstek pary, opadami, przepływami powierzchniowymi cieków wodnych i konwekcyj­nym ruchem wody w oceanach itp. Obecne zapotrzebowanie świata na moc pierwotną Pp i moc bezpośrednią pb wynoszą Pp=1,4⋅10¹⁰ kW, a Pb=1,0⋅10¹⁰ kW. Obecne zapotrzebowanie na energię całego naszego świata to 0,01% mocy dostarczenia do ziemi ze słońca

Źródłem energii odnawialnej są również siły grawitacyjne Księżyca, powodujące przypływy i odpływy mórz. Energia ta zostaje zamieniona na skutek tarcia na energię cieplną. Z ziemskich energii nieodnawialnych energia geotermiczna ma postać ciepła, natomiast energia sił grawitacji i kinetyczna ruchu obrotowego Ziemi jest przyczyną powstawania odpowiednio pływów i prądów morskich i zamieniana dalej, na skutek tarcia, na energię cieplną (spowalnianie obrotów Ziemi). Energie: nuklearna i chemiczna są przetwarzane na energię cieplną, odpowiednio w jądrowych procesach rozszczepiania i procesach spalania. W znakomitej swej większości formy energii pierwotnych, wykorzystywane przez człowieka, podlegają. W znakomitej swej większości formy energii pierwotnych, wykorzystywane przez człowieka, podlegają. akumulacjom, zagęszczeniom czy dalszym przemianom, zanim staną się energiami użytecznymi. Jedną z pośrednich form energii w tym łańcuchu przemian jest energia elektryczna.

W energetyce, pod pojęciem energia elektryczna rozumie się zazwyczaj energię elektromagnetyczną wytwarzaną metodami przemysłowymi w elektrowniach, a przesyłaną i rozdzielaną za pośrednictwem systemu elektroenergetycznego. Energia elektryczna jest najbardziej uniwersalną postacią energii o znacznej gęstości, wygodną do transportu na duże odległości i dystrybucji do poszczególnych odbiorników. Może być ona łatwo przetwarzana na inne użytkowe formy energii, przy czym parametry energii elektrycznej (natężenie pola elektrycznego (napięcie) i magnetycznego (natężenie prądu), częstotliwość) bez trudności można dostosowywać do potrzeb odbiorników. Energia elektryczna (ale nie zawsze jej wytwarzanie) jest prawie zupełnie nieszkodliwa dla środowiska naturalnego, a urządzenia nią zasilane mogą być szybko uruchamiane i zatrzymywane i są łatwe do sterowania i automatyzacji. Jedynym ale poważnym jej mankamentem jest brak praktycznych możliwości jej magazynowania. Do wytwarzania energii elektrycznej służą generatory elektromechaniczne. Energie pierwotne, w zależności od swoich form, są albo bezpośrednio zamieniane na energię elektryczną (np. energia mechaniczna), albo przetwarzane na nią za pośrednictwem energii mechanicznej (np. ciepło), albo też przetwarzane w łańcuchu przemian: energia chemiczna czy energia nuklearna - ciepło - energia mechaniczna - energia elektryczna. Podstawowe, użytkowe formy energii na które przetwarza się energię elektryczną to: energia mechaniczną chemiczną ciepło i światło. Przemiany energii elektrycznej na użytkowe formy energii realizuje się w takich odbiornikach energii elektrycznej jak np.: silniki elektryczne, elektrolizery. nagrzewnice czy piece elektryczne, lampy elektryczne.

Widmo fal elektromagnetycznych wykorzystywanych w elektrotermii

W różnych urządzeniach elektrotermicznych nośnikiem energii bądź na całej drodze od źródła do wsadu, bądź na części tej drogi jest energia fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach (różnych długościach fal). Promieniowanie elektromagnetyczne powstaje wtedy, gdy następują zmiany w czasie elektrycznych i magnetycznych momentów dipolowych cząstek czy układów cząstek naładowanych. Tak więc źródłem przemiennego pola elektromagnetycznego mogą być, zmieniające się w czasie w rozpatrywanym układzie: rozkład ładunku elektrycznego (promieniowanie dipola elektrycznego) i gęstość prądu elektrycznego (promieniowanie dipola magnetycznego). Fale elektromagnetyczne mogą być wytwarzane w sposób naturalny lub sztuczny, wymagający udziału człowieka. Fale te różnią się między sobą m.in. częstotliwościami, ale posiadają dwie cechy wspólne: mają charakter elektromagnetyczny (występują ciągle wzajemne przemiany pola elektrycznego i magnetycznego) oraz rozchodzą się w próżni z prędkością c≈3⋅10⁸ m/s. Różnice między falami elektromagnetycznymi o różnych częstotliwościach uwydatniają się szczególnie wyraźnie w wytwarzaniu i wykrywaniu (detekcji) promieniowania elektromagnetycznego. Stąd właśnie pochodzi idea podziału całego widma fal elektromagnetycznych na szereg zakresów o umownych i zachodzących na siebie granicach. Granice dotyczą w zasadzie częstotliwości f lub ewentual­nie długości fal λ w próżni (długość fali zależy od właściwości ośrodka).

Widmo fal elektromagnetycznych :

A - fale częstotliwości akustycznych; B - fale radiowe; C - mikrofale; D - promieniowanie

podczerwone; E - promieniowanie widzialne; F - promieniowanie ultrafioletowe; G -

promieniowanie rentgenowskie; H - promieniowanie gamma i kosmiczne

W elektrotermii, do wywołania efektu cieplnego we wsadzie, wykorzystywana jest min. energia zawarta w stałym polu elektromagnetycznym (polu elektrycznym prądów stałych) czy energia promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwościach od ok. kilku Hz do ok. 5⋅l0¹⁶ Hz (promieniowanie ultrafioletowe). Zakresy częstotliwości i długości fal w próżni pola elektromagnetycznego wykorzystywane do nagrzewania wsadów

1 - urządzenia prądu stałego: oporowe, elektrodowe, łukowe, plazmowe, jonowe, elektronowe, 2 - urządzenia częstotliwości sieciowej: oporowe, elektrodowe, łukowe, plazmowe, indukcyjne, 3 - urządzenia indukcyjne małej i średniej częstotliwości, 4 -urządzenia ultradźwiękowe, 5 - urządzenia indukcyjne i płazmowe wielkiej częstotli­wości, 6 - urządzenia pojemnościowe i plazmowe, 7 - urządzenia mikrofalowe i plazmowe, 8 - urządzenia fotonowe oraz urządzenia: oporowe, łukowe, plazmowe i jonowe o pośrednim i radiacyjnym sposobie nagrzewania wsadów.

Elektrotermiczne straty cieplne urządzeń elektrycznych

• moc słońca jest 10 tys. razy większa niż wykorzystywane przez nas moce

• w kanale elektromagnetycznym występują straty cieplne

Rozpływ monochromatycznych energii elektromagnetyczne

A₂

A₁ A₃ A₅

A₄

A₁ – całkowita energia

A₂ – energia elektromagnetyczna występująca poza głównym torem przepływu energii (tracona) przez urządzenia np. (układ regulacyjny)

A₃ – energia elektromagnetyczna głównym torze przepływu energii przez urządzenie elektryczne

A₄ – energia elektromagnetyczna głównego toru elektromagnetycznego urządzenia która jest bezpowrotnie i w sposób nieunikniony tracona

A – energia elektromagnetyczna wypromieniowana poza urządzenie

A – energia elektromagnetycznych strat cieplnych

A₅ – energia elektromagnetyczna na wejściu toru elektromagnetycznego urządzenia przeznaczona do dalszego przesyłu

1. Generacja elektromagnetycznych strat cieplnych w strukturze ciał materialnych występują ładunki elektryczne dwojakiego rodzaju:

• ładunki swobodne (elektrony i jony) przemieszczają się w ciałach materialnych na odległości makroskopowe

• związane (elektrony związane), których ruch ograniczony jest do odległości makroskopowych

Ładunki te wchodzą w skład różnych części urządzeń elektrycznych działaniu sił pola elektrycznego F_e i magnetycznego F_m zgodnie ze wzorem Lorentza

Siły F_e są przyczyną ruchu ładunków, które w procesie zderzeń i/lub tarcia wewnętrznego pokazują część swojej energii kinetycznej cząstkom struktury tworzących ciało materialne. Wzrost E_k tworzących ciało jest równoznaczny ze wzrostem temperaturowym. Tak więc elektryczne straty cieplne w różnych urządzeniach elektrycznych powoduje wzrost ich temperatury . Tak więc występujące w elektrotechnice ograniczenia mocowe wszystkich urządzeń elektrycznych są ograniczeniami termicznymi związanymi z elektrycznymi stratami cieplnymi. Dopuszczalne moce urządzenia są determinowane przez straty cieplne. Każde urządzenie elektryczne o zaprojektowanej konstrukcji musi być tak zbilansowane cieplnie, aby przy danych warunkach oddawania mocy cieplnej i przy obciążeniu go w złożonym czasie daną mocą elektromagnetyczną nie została przekroczona temperatura dopuszczalna jego najbardziej cieplnie zagrożonych części.

Elektrotermia jest działem wiedzy zajmującym się przemianami energii elektrycznej (energii elektromagnetycznej wytwarzanej metodami przemysłowymi w elektrowniach) na energię cieplną użytkową, urządzeniami do ich wywoływania oraz ich zastosowaniami technicznymi. Z punktu widzenia zjawisk elektrycznych elektrotermia jest powiązana z elektryką, a z punktu widzenia zjawisk cieplnych - z termo techniką. Zużywanie dużych ilości energii elektrycznej i zamiana jej na ciepło wiąże elektrotermię z energetyką, a w szczególności z elektroenergetyką. Natomiast wykorzystywanie energii cieplnej w technice wiąże elektrotermię z technologią Elektrotermia jest dziedziną interdyscyplinarną. Ze względu na to, że energia użytkowa ma postać ciepła, integralną częścią elektrotermii jest termokinetyka, czyli nauka o ruchu ciepła i formach jego przepływu.

Elektrotermię dzieli się zwykle na elektrotermię przemysłową i elektrotermię bytową.

• Elektrotermia przemysłowa obejmuje zagadnienia elektrotermiczne występujące w hutnictwie i metalurgii, w obróbkach cieplnych, cieplno-chemicznych czy cieplno-fizycznych, suszarnictwie, łączeniu, rozdzielaniu, drążeniu, wycinaniu materiałów, itd. Do elektrotermii przemysłowej można zaliczyć też (czasami zalicza się) zagadnienia elektrotermiczne występujące np. w budownictwie, rolnictwie, transporcie czy medycynie.

• Elektrotermia bytowa natomiast zajmuje się zagadnieniami związanymi z konstruowa­niem i eksploatowaniem grzejników popularnych (tzw. elektrycznych urządzeń i przyrządów grzejnych powszechnego użytku), stosowanych w gospodarstwie domowym.

Ranga niezwykle rozbudowanej elektrotermii przemysłowej jest o wiele wyższa niż elektrotermii bytowej. Wszelkie ciała stanowiące obiekt zastosowania przemian elektrotermicznych (lub szerzej - elektroenergotermicznych) przyjęto określać jako wsad. Natomiast każde ciało, w którym następuje przemiana elektrotermiczna to przetwornik elektrotermiczny (elektroenergotermiczny).

1. Płomieniowy a elektrotermiczny sposób wytwarzania ciepła

Wytworzenie i doprowadzenie energii cieplnej (ciepła) jest i było niezbędne do przeprowadzenia większości ważniejszych procesów technologicznych w wytwórczej działalności człowieka, a także do zapewnienia komfortu cieplnego organizmom żywym. Elektrotermiczny sposób wytwarzania ciepła jest konkurencyjny w stosunku do płomieniowego (paliwowego) sposobu wytwarzania ciepła. Do niedawnego jeszcze czasu, podstawowym sposobem doprowadzenia energii cieplnej do procesów technologicznych czy procesów ogrzewczych, było bezpośrednie spalanie w określonym miejscu paliw organicznych, takich jak biomasa, węgiel, gaz czy ropa. Taki sposób wytwarzania i dostarczania ciepła nazywa się grzaniem płomieniowym (paliwowym). Trwa on w wielkiej obfitości do chwili obecnej. Elektrotermiczny sposób wytwarzania ciepła w dużej części zastąpił sposób płomieniowy, a w niektórych nowszych procesach technologicznych stal się sposobem jak na razie jedynym i niezastąpionym. W przemysłach krajów wysoko rozwiniętych około 30÷50% (i więcej) energii elektrycznej zużywane jest na cele elektrotermiczne. Celowość wprowadzenia do powszechnego użytku elektrotermicznych metod nagrzewania w miejsce przede wszystkim płomieniowych (czy innych), była przede wszystkim potrzeba przeprowadzenia pewnych procesów technologicznych, niemożliwych do zrealizowania z zastosowaniem metod płomieniowych. Do takich procesów należą np. te, w których występuje konieczność: nagrzewania objętościowego, nagrzewania selektywnego, stosowania dużych gęstości powierzchniowych mocy cieplnej, skupianie mocy w bardzo małej objętości czy na bardzo malej powierzchni (mikro- czy nanometry kwadratowe), nagrzewania w próżni, nagrzewania bez wprowadzania chemicznych zanieczyszczeń czy z kontrolowaną dyfuzją pierwiastków i in.

Ponadto wpływ na rozwój metod elektrotermicznych miały i mają zmieniające się relacje pomiędzy kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi przemian energotermicznych, uwzględniające np.: ceny surowców energetycznych, koszty budowy urządzeń (powiązani3 z transportem surowców i energii),wydajność, ochronę środowiska itd.

Maksymalne gęstości powierzchniowe mocy uzyskiwane z różnych źródeł

Źródło promieniowania	Gęstość powierzchniowa mocy[W/cm^2l
Promieniowanie słoneczne na powierzchni kuli ziemskiej	0,1
Promieniowanie słoneczne skupione w ognisku soczewki	10^2
Palnik spawalniczy	10^4
Nagrzewnica indukcyjna powierzchniowa	2⋅10^4
Łuk elektryczny	10^5
Plazmotron	5⋅10^5
Laser o pracy ciągłej	10^8
Wyrzutnia elektronów	10^9
Laser o pracy impulsowej	10^15

Należy jednak zaznaczyć, że metody płomieniowe, ze względu na zwykle mniejsze koszty wytwarzania ciepła, będą w dalszym ciągu i w dużej skali wykorzystywane do grzania rozproszonego (np. ogrzewanie pomieszczeń), pod warunkiem stosowania paliw organicznych o mało toksycznych produktach spalania (np. gaz, olej opałowy) czy nagrzewania bez specjalnych wymagań technologicznych, co do chemicznej czystości energii, jej dawkowania czy intensywności nagrzewania.

Podziały stosowane w elektrotermii

Przedmiotem zainteresowań elektrotermii jest zmiana energii elektromagnetycznej na energię cieplną użyteczną służącą do

• nagrzewania wsadów w celu przeprowadzenia ich obróbek cieplnych

• procesów ogrzewania służące korekcji warunków termicznych w pomieszczeniach

Urządzenia elektrotermiczne są nadzwyczaj różnorodne, co do swojej konstrukcji, wielkości, zasady działania, sposobu przenoszenia ciepła, umieszczenia, ruchu i środowi­ska wsadu, rodzaju zasilania, wartości temperatury, czasu działania i in.

Podziały stosowane w elektrotermii dotyczące rodzaju nagrzewań i rodzaju urządzeń elektrotermicznych wzajemnie się przeplatają i przeprowadzane są w oparciu o różne kryterium klasyfikacji

1. Według kryterium konstrukcji urządzenia. Elektryczne urządzenia grzejne można podzielić na komorowe i bezkomorowe. Urządzenia komorowe - w przeciwieństwie do

Urządzeń bezkomorowych - posiadają komorę grzejną, czyli przestrzeń ograniczoną ścianami utrudniającymi odpływ ciepła do otoczenia.

1. Wśród urządzeń bezkomorowych wyróżnia się:

1. elektryczne narzędzia grzejne, które oprócz wytwarzania ciepła spełniają rolę narzę­dzia i na ogół wymagają poruszania nimi przy użytkowaniu (np. lutownica, żelazko, lokówka),

2. elektryczne przyrządy grzejne, które są urządzeniami przenośnymi lub łatwo demontowalnymi i nie wymagają poruszania nimi przy użytkowaniu, a których jedynym
   zadaniem jest wytwarzanie ciepła (np. ogrzewacze wnętrzowe, grzałki, warniki),

3. nagrzewnice elektryczne, które są urządzeniami grzejnymi nieprzenośnymi (np.
   hartownice indukcyjne, nagrzewnice oporowe bezpośrednie, nagrzewnice fotonowe czy elektronowe).

   1. Do urządzeń komorowych zalicza się:

4. piece elektryczne, które są przeznaczone do procesów technologicznych polegających
   na przemianie stanu skupienia wsadu (np. piece wytopowe) lub na przemianie jego struktury (np. piece do nawęglania, piece hartownicze), bądź też na reakcjach che­micznych (np. piece do spalania),

5. suszarki elektryczne, które są przeznaczone do procesów suszenia polegających na odparowaniu i usunięciu ze wsadu jego ciekłych składników (np. wody rozpusz­czalnika),

6. cieplarki elektryczne, w których wysokość temperatury jest czynnikiem

wpływa­jącym na procesy biologiczne (np. wylęganie, kiełkowanie, sterylizacja).

1. Podstawowym kryterium podziału urządzeń I nagrzewań stosowanych w elektrotermii, według których dzieli się omawia całą elektrotermię jest tzw. kryterium metody elektrotermicznej, wyróżnia się 11 metod nagrzewania: oporowe elektrodowe, łukowe, indukcyjne, pojemnościowe, mikrofalowe, elektronowe, plazmowe, jarzeniowe (jonowe), ultradźwiękowe, fotonowe (laserowe)

2. W zależności od tego, czy energia dostarczana do wsadu jest już energią cieplną (w tym energią elektromagnetycznego promieniowania cieplnego), czy też innym (najczęściej monochromatyczną energią elektromagnetyczną) rodzajem energii, która dopiero we wsadzie jest zamieniana na energię cieplną, rozróżnia się Kryterium rodzaju energii docierającej do wsadu, z której wynika podział na

1. nagrzewanie bezpośrednie - wsad jest zarazem przetwornikiem elektrotermicznym lub ogólniej - energotermicznym. Przy grzaniu bezpośrednim eliminuje się zewnętrzne źródła ciepła, które występują przy grzaniu pośrednim. Źródła te - zgodnie z prawem przepływu ciepła od miejsc o temperaturze wyższej do miejsc o temperaturze niższej - muszą mieć wyższą temperaturę niż wsad, co w wielu przypadkach stwarza trudności, zwłaszcza materiałowe

monochromatyczna

energia elektromagnetyczna

1. nagrzewanie pośrednie polega na wytworzeniu ciepła w przetworniku elektro­termicznym, skąd ciepło może przenosić się do wsadu następującymi drogami (przebiegi termokinetyczne): radiacyjną (promiennikową), konwekcyjną (unoszenia) lub kondukcyjną (przewodzenia)

monochromatyczna ciepło

energia elektromagnetyczna

1. Kryterium rozkładu gęstości objętościowej mocy wydzielanej we wsadzie podczas procesu nagrzewania rozróżnia się grzanie objętościowe i grzanie selektywne.

1. W grzaniu objętościowym - niemożliwym do zrealizowania przy wykorzystaniu płomie­niowego sposobu wytwarzania ciepła - moc cieplna wydziela się w całej objętości wsadu.

2. nagrzewaniu selektywnym (powierzchniowym, warstwowym czy punktowym), źródła mocy cieplnej wsadu są rozłożone na jego powierzchniach, w określonych jego warstwach czy punktach. Grzanie bezpośrednie może być grzaniem objętościowym jak i selektywnym, natomiast grzanie pośrednie jest prawie zawsze grzaniem selektywnym, dotyczącym powierzchni czy części powierzchni wsadu

1. Kryterium końcowego rozkładu temperatury w nagrzewanym wsadzie pozwala wyróżnić nagrzewanie skrośne i selektywne wsadu. O nagrzaniu skrośnym - w przeciwieństwie do nagrzania selektywnego - mówimy wtedy, jeżeli celem grzania jest uzyskanie jednakowej temperatu­ry w całej objętości wsadu. Nagrzanie skrośne wsadu można osiągnąć stosując grzanie objętościowe bądź selektywne.

2. Przyjmując za kryterium klasyfikacji wartość częstotliwości pola elektromagnetycz­nego, którego energia zamieniana jest w przetworniku elektrotermicznym (wsadzie) na ciepło, wyróżnia się grzania częstotliwościami:

1. zerową (f=0Hz, tzn. prądem stałym),

2. zmniejszoną (małą) (0Hz<f<50Hz),

3. sieciową (f=50(60)Hz),

4. średnią (zwiększoną) (50Hz<f<10⁴Hz),

5. wielką (10⁴Hz<f<3-10¹¹Hz)

6. bardzo wielką (3-10¹¹Hz<f<3-10²⁰Hz). Wśród grzań częstotliwościami: wielką i bardzo wielką, wyróżnia się grzania: mikrofalowe (3 • 10⁸ Hz<f<3 • 10¹¹Hz) i częstotliwościami układów molekularnych (częstotliwościami optycznymi)

(3 • 10¹¹Hz <f<3 • 10¹⁶Hz).

1. Kryterium technologii, według którego można m.in. wyróżnić grzania wykorzystywane przy: obróbce cieplnej, cieplno-chemicznej i cieplno-fizycznej, topieniu, drążeniu, rozdzielaniu (cięciu, nacinaniu, perforacji), łączeniu (spawaniu, zgrzewaniu, lutowaniu, spajaniu, klejeniu), suszeniu czy ogrzewaniu.

2. Kryterium kinetyki wsadu pozwala wyróżnić grzania: nieprzelotowe i przelotowe, kryterium środowiska wsadu - grzania: próżniowe, cieczowe, fluidalne, w atmosferze naturalnej czy sztucznej, kryterium prowadzenia cyklu grzania - grzania: przerywane, okresowe, ciągłe lub impulsowe i ciągłe

3. Kryterium środowiska wsadu – nagrzewanie próżniowe, cieczowe, fluidalne w atmosferze naturalnej lub sztucznej (technologicznej)

4. Kryterium prowadzenia cyklu nagrzewania – nagrzewanie przerywane, okresowe i ciągłe lub nagrzewanie impulsowe i ciągłe

5. Kryterium szybkości obciążenia temperatury wsadu wyróżnia się

1. stygnięcie (spadek temp. naturalny odpływ ciepła do otoczenia

2. stygnięcie spowolnione (obniżenie temp. wsadu przez utrudnienie odpływu ciepła do otoczenia i/lub kontrolne dogrzewanie wsadu)

3. studzenie – przyspieszone obniżenie temp. wsadu

Przyjmowane najczęściej podstawowe kryterium klasyfikacji grzań i urządzeń elektrotermicznych to kryterium metody elektrotermicznej, a wynikający z niego podział poszerza się zazwyczaj: w przypadku grzań - o podziały wynikające z kryteriów sposobu (rodzaju) nagrzewania (bezpośredni i pośredni) i rodzaju (sposobu) nagrzewania pośredniego (kondukcyjny, konwekcyjny i radiacyjny). W przypadku urządzeń - o podziały wynikające z kryterium konstrukcji urządzenia elektrotermicznego

Bilans Energetyczny urządzenia elektrotermicznego

Podstawą bilansowania energii w urządzeniach elektrotermicznych jest zasada zachowania energii. Zgodnie z nią suma energii urządzenia i otoczenia pozostaje stała. Moce i energie elektromagnetyczne (elektryczne) biorące udział w bilansie energii, są mocami i energiami czynnymi. W każdym urządzeniu elektrotermicznym występują 2 rodzaje energii

• Monochromatyczna energia elektryczna

• Energia cieplna

W bilansie tym poszczególne wielkości P oznaczają (na wykładzie oznaczenie Q):

P_ce całkowita moc elektromagnetyczna (moc elektryczna) dopływająca do urządzenia elektrotermicznego,

P_w - moc elektromagnetyczna - zużywana poza głównym torem elektrotermicznym -

Zasilająca podające czy dosuwające układy napędowe, układy regulacyjne, sterujące i sygnalizacyjne,

P_e - moc elektromagnetyczna dostarczana do głównego toru elektrycznego urządzenia a

Przeznaczona - po ewentualnych dalszych przemianach - na procesy grzejne.

P_se - moc strat elektromagnetycznych w głównym torze elektrycznym (straty w układach

Pomiarowych, przewodach, prostownikach, transformatorach, kondensatorach, dławikach, lampach i in.),

P_de=P_g - moc elektromagnetyczna doprowadzona do przetwornika elektrotermicznego i

Zamieniona w nim na moc cieplną,

P_sc - moc strat cieplnych - będąca częścią mocy cieplnej P_g - oddawana do otoczenia z

Różnych części urządzenia elektrotermicznego i ze wsadu,

P_a - moc cieplna akumulacyjna - będąca częścią mocy cieplnej P_g - zakumulowana w

Różnych częściach urządzenia elektrotermicznego z wyjątkiem wsadu,

P_u - moc cieplna użyteczna powodująca wzrost energii wewnętrznej (np. podgrzewanie,

Zmiana stanu skupienia) wsadu. Moc P_sc może mieć charakter mocy traconej (np. akumulowanie ciepła w ogniotrwałych i

Termoizolacyjnych obudowach komór grzejnych), lub, wraz z mocą P_sc, charakter mocy użytecznej (np. ogrzewanie pomieszczenia przy pomocy pieca akumulacyjnego). Równanie bilansu mocy urządzenia elektrotermicznego przedstawionego na rysunku ma postać:

(P₁) + (P₂) = (P_a) + (-P_ce+P_w+P_se+P_sc+P_u) = O a po przekształceniach

Pce=Pw+Pse+Psc+Pa+Pu

Na sprawność elektrotermiczną (sprawność przemiany elektrotermicznej)

Będą składały się następujące sprawności cząstkowe występujące w głównym torze elektrotermicznym urządzenia:

• sprawność elektryczna

• Sprawność cieplna

czyli

Szczegółowa analiza pracy urządzenia elektrotermicznego o skomplikowanej budowie czy realizującego skomplikowane przemiany elektrotermiczne (np. urządzenia pojemnościowe, indukcyjne, łukowe i in.) czy elektroenergotermiczne (np. urządzenia plazmowe, fotonowe, ultradźwiękowe i in.), wymaga dalszego rozbicia sprawności elektrycznej, cieplnej czy innej na sprawności cząstkowe, występujące na poszczególnych etapach konwersji energii elektromagnetycznej, cieplnej czy innej. Sprawność całkowitą urządzenia elektrotermicznego opisuje wzór

1. Materiały ogniotrwałe i izolujące stosowane w urządzeniach elektrotermicznych

W urządzeniach elektrotermicznych ma się do czynienia ze znacznie podwyższoną -w stosunku do otoczenia - temperaturą. Ze względu na konieczność przeprowadzania pewnych procesów technologicznych (np. grzanie, topienie i in.) w urządzeniach elektrotermicznych w wysokich temperaturach, niektóre części tych urządzeń muszą być wykonane z:

1. Materiałów, które w tych temperaturach charakteryzują się sztywnością postaci, a
   ponadto posiadają dostatecznie dużą wytrzymałość mechaniczną i odporność na
   działanie czynników chemicznych (np. materiały ogniotrwałe),

2. Materiałów, które ograniczają odpływ ciepła do otoczenia czy odizolują cieplnie
   pewne mniej odporne, na działanie wysokich temperatur, części urządzenia elektro­
   termicznego (np. materiały termoizolacyjne).

Ponadto, ze względu na potrzebę odizolowania elektrycznego części będących pod napięciem od siebie, wsadu czy obudów urządzeń elektrotermicznych, wśród różnych materiałów pracujących w wysokich temperaturach, wyróżnić można materiały elektroizolacyjne.

Najbliższymi spełnienia wyżej wymienionych wymagań są tworzywa wykonane z materiałów ceramicznych, w odróżnieniu od tworzyw wykonanych np. z metali, polimerów czy związków organicznych. W skład większości materiałów ceramicznych mogą wchodzić głównie takie związki nieorganiczne jak: SiO₂, AI₂O₃, Cr₂O₃, ZrO₂, (domieszki: Fe2C>3, K2O, Na20) oraz ewentualnie SiC czy węgiel lub grafit. Ostateczne własności materiałom ceramicznym nadaje się drogą działania wysokiej temperatury (wypalanie), powodującej ich spiekanie czy stopienie. Materiały te charakteryzują się występowaniem w nich związków czy mieszanin związków będących w różnych fazach krystalicznych (polikrystalicznych) czy w fazach szklistych. Większość materiałów ceramicznych odznacza się nieciągłą budową wewnętrzną wskutek występo­wania w nich drobnych pustek wewnętrznych, tak zwanych porów.

1. Materiały ogniotrwałe

Cechą szczególną materiałów ogniotrwałych jest ich odporność na działanie wysokich temperatur. Miarą odporności na działanie wysokiej temperatury jest tak zwana ogniotrwałość zwykła, którą należy traktować jako przybliżoną temperaturę topnienia. Ogniotrwałość zwykłą definiuje się jako temperaturę, w której stożek o określonych odpowiednią normą wymiarach, wykonany z badanego materiału, zegnie się w ten sposób pod wpływem temperatury i własnej masy, że dotknie podstawki, na której jest umieszczo­ny. Wartość ogniotrwałości zwykłej otrzymuje się mnożąc numer stożka pirometrycznego przez 10. Na przykład ogniotrwałość 150sP oznacza temperaturę zgięcia stożka równą ok. 1500°C.

Ze względu na to, że materiały ogniotrwałe muszą pracować w urządzeniach elektrotermicznych jako materiały konstrukcyjne, powinny posiadać dostateczną wytrzymałość mechaniczną w wysokich temperaturach. Miarą ich maksymalnego poziomu temperatury pracy może być ogniotrwałość pod obciążeniem tj. temperatura, oznaczona symbolem t_0,6, w której próbka o kształcie walca o wysokości i średnicy

Równej 50mm zaczyna mięknąć, przy obciążeniu wynoszącym 2kG/cm-.

Różnica między wartościami ogniotrwałości zwykłej i ogniotrwałości pod ob­ciążeniem zależna jest od składu fazowego poszczególnych materiałów ogniotrwałych i może wahać się od kilkudziesięciu do kilkuset stopni.

Pełną ocenę jakości materiałów ogniotrwałych przeprowadza się w oparciu o ich właściwości chemiczne, fizyczne czy technologiczne, a do zwykle pożądanych właściwo­ści materiałów ogniotrwałych należą m.in.:

1. Duża odporność na temperaturę (wysoka ogniotrwałość zwykła),

2. Duża odporność na znaczne gradienty temperatury i gwałtowne zmiany temperatur,
   zapobiegająca pękaniu materiałów,

3. Możliwie mała przewodność cieplna,

4. Małe ciepło właściwe i mały ciężar właściwy zmniejszające straty na akumulację
   cieplną,

5. Mały współczynnik rozszerzalności czy kurczliwości cieplnej,

6. Duża wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie,

7. Duża twardość a mała ścieralność i łamliwość, duża odporność na pełzanie,

8. Mała porowatość, skurczliwość wtórna przy wypalaniu czy wiązaniu chemicznym

9. Duża odporność na korozję chemiczną stałych ciekłych gazowych czynników

Ze względu na technologię wytwarzania, wyroby ogniotrwałe dzieli się na: formowane z mas o różnych konsystencjach, formowane na gorąco w wysokich temperaturach, topione i odlewane do form, wycinane z naturalnych skał. Największą grupę produkowanych obecnie wyrobów ogniotrwałych stanowią wyroby o kształcie prostek, formowane (na zimno) z mas o różnych konsystencjach i wypalane. Wśród nieformowanych materiałów ogniotrwałych wyróżnić można:

1. Mieliwa i kruszywa będące rozdrobnionymi materiałami ceramicznymi,

2. Zaprawy (do łączenia wyrobów ogniotrwałych) i masy (do natapiania, ubijania czy
   natryskiwania),

- betony ogniotrwałe (temperatury pracy 1200^-1800°C) i żaroodporne (temperatury

pracy 800-h1200°C)

Najbardziej ogólna klasyfikacja oparta jest na laiku różnych kryteriach, wśród których najbardziej podstawo­we znaczenie ma kryterium biorące pod uwagę skład chemiczno-mineralny różnych materiałów ogniotrwałych, z uwzględnieniem ich odporności chemicznej na działanie czynników kwaśnych (materiały kwaśne), zasadowych (materiały zasadowe) czy kwaśno-zasadowych (materiały obojętne).

Według tego kryterium materiały ogniotrwałe dzieli się na następujące typy i grupy. I. Materiały kwaśne

1. Materiały krzemionkowe zawierają powyżej 85% (najczęściej ok. 95%) krzemionki

SiCb. Wyroby krzemionkowe charakteryzują się ogniotrwałością zwykłą t_sp= 1650+1750°C, a ogniotrwałością pod obciążeniem to g = 1600+1700°C.

2.. Materiały glinokrzemianowe zawierają jako główne składniki SiCb i co najmniej15%

AI2O3 . Wśród materiałów glinokrzemianowych wyróżnia się materiały:

1. kwarcowo-szamotowe (Al₂O3<30%, SiO₂ - 65+85%), t_sP>1650°C, tą₆>1350°C,

2. szamotowe (A1₂O₃ - 20-45%), t_sP>1650+1750°C, t₀₆>1250+1450^oC,

3. kaolinowe (AI2O3 ok. 45%), t₀ 6>1450°C,

4. szamotowo-mulitowe (AI2O3 - 45+72%), tą6>1550+1650°C,

5. mulitowe (A1₂O₃ ok. 72%),

6. wysokoglinowo-korundowe (AI9O3 -72+90%), t_o6>155O+165O°C,

-korundowe (AbO3>90%), t>1650°C.

II. Materiały zasadowe (MgO>35%)

1. Materiały magnezjowe (85%), tg 6>1500-rl650°C,

2. Magnezytowo-wapienne (MgO, CaO)

Magnezytowo-krzemianowe (MgO, S1O2), tg g>1550+1700°C,

III. Materiały obojętne

1. Spinelowe (magnezytowo-spinelowe) (MgO, O2O3), tg 6>1500+1650°C, wśród

2. Węglowe (O85%),

3. Grafitowo-szamotowe (C -15+60%),

4 Z węglika krzemu (SiC>85%), tą₆>1700^oC,

5. Tlenkowe (SiO₂, ZrO2, ThO2, AI₂O₃, MgO, CaO),

6. Ze związków beztlenowych (azotki, borki, węgliki, krzemki).

1. Materiały termoizolacyjne

W urządzeniach elektrotermicznych istnieje często potrzeba ograniczenia strat cieplnych czy odizolowania cieplne pewnych części, których występuje wysoka temperatura.

Najistotniejszą własnością materiałów termoizolacyjnych jest ich możliwie mała wartość przewodności cieplnej właściwej. Osiągnięcie małej wartości przewodności cieplnej materiałów ceramicznych, jest nadanie im maksymalnie porowatej struktury.

Materiały termoizolacyjne stosowane w urządzeniach elektrotermicznych mają postać prostek, kształtek, zasypek, papierów, tektur, mat czy sznurów, a dopuszczalne

temperatury ich stosowania wynoszą np. dla waty szklanej czy azbestu - ok.500°C, dla wat żużlowych - ok.700°C, dla wyrobów diatomitowych czy perlitowych - ok.900°C, dla wyrobów szamotowych - ok.l000-Hl300°C, dla wyrobów krzemionkowych czy kaolinowych - ok. 1450°C, dla wyrobów z korundu globularnego - ok. 1700°C.

Wyroby termoizolacyjne można ze względu na wartość gęstości pozornej q na

1. wyroby zwarte q=2-3 g/m3

2. porowate q=0,8-1,4 – otrzymane metodą wypalających się dodatków (dodanie do wyrobów przed wypaleniem sproszkowanych domieszek palnych takich jak trociny, węgiel, koks) czy z ziemi okrzemowej

3. porowate 0,3-0,8 otrzymane metodą pianową (dodaniu do wyrobów przed wypaleniem piany o dostatecznej trwałości, uzyskanego z mydła kalafonicznego czy kleju stolarskiego

4. wyroby włókniste 0,05-0,2

W oparciu o kryterium składu chemicznego ogniotrwałe wyroby termoizolacyjne dzieli się na krzemionkowe, szamotowe, kaolinowe, czy korundowe a ich dopuszczalne temp. Pracy limitowane są wartościami kurczliwości wtórnych, które w temp. pracy nie powinny przekraczać 1%

1. Materiały elektroizolacyjne

Materiały elektroizolacyjne, stosowane w torze cieplnym urządzeń elektrotermicz­nych, powinny posiadać w podwyższonych temperaturach: możliwie małą konduktywność (dużą rezystywność) i dostateczną wytrzymałość na przebicia oraz wystarczającą odporność mechaniczną. Ponadto materiały te nie powinny reagować chemicznie z ewentualnie stykającymi się z nimi oporowymi przewodami grzejnymi, co może być przyczyną obniżenia trwałości tych przewodów. Ogniotrwałymi materiałami elektroizolacyjnymi mogą być różne materiały ogniotrwałe z wyjątkiem materiałów w skład których wchodzi węgiel (C) czy karborund (SiC), a wartości ich rezystywności zależne są od:

- temperatury pracy,

-składu chemicznego,

Wraz ze wzrastającą temperaturą rezystywności materiałów elektroizolacyjnych maleją wykładniczo, osiągając w temperaturze 1000°C wartości rzędu 10⁴ 10⁵Ωcm, a w temperaturach 1300-1500°C wartości rzędu 1000.

Do najczęściej stosowanych w urządzeniach elektrotermicznych tworzyw elektroizo­lacyjnych zaliczyć należy ogniotrwałe wyroby glinokrzemianowe (szamotowe, kaolinowe, szamotowo-mulitowe, mulitowe) oraz glinokrzemianowo-magnezowe (steatyt, fosferyt, kordieryt). Wyroby te mają postać małych (glinokrzemtany magnezu) czy średnich lub dużych kształtek i współpracują z oporowymi przetwornikami elektrotermicznymi, a także dostarczane są w postaci mas służących do ubijania czy zalewania tych przestrzeni urządzeń grzejnych, które powinny posiadać własności elektroizolacyjne. W przypadku temperatur wyższych niż ok. 1600°C funkcje materiałów elektroizolacyjnych spełniają wyroby produkowane z czystych tlenków: aluminium, magnezu, berylu i innych. Do materiałów elcktroizolacyjnych nieogniotrwalych zalicza się miki, będące minerałami glinokrzemianowymi pochodzenia wulkanicznego, oraz mikanity, otrzymy­wane przez sprasowanie płytek miki z odpowiednim lepiszczem. Temperatur, ich stosowania sięgają ok. 1000°C, a wytrzymałości dielektryczne, w tej temperaturze - ok. 50 kV/mm. Ponadto, w niskotemperaturowych urządzeniach grzejnych, jako materiały ełektroizolacyjne stosuje się: różnego rodzaju tworzywa sztuczne, włókna szklane, papiery, papiery azbestowe, gumy, kauczuki i inne.

Procesy cieplne w układach elektrotermicznych

W układach elektrotermicznych mamy do czynienia z przetwarzaniem monochromatycznej energii elektromagnetycznej na energię cieplną i rozprzestrzenianiem się wytworzonej energii cieplnej i można między innymi wyróżnić:

• procesy termogeneracyjne polegające na wytwarzaniu ciepła kosztem energii dopro­wadzonej do układu

• procesy termodynamiczne polegające na zmianach termodynamicznych parametrów stanu układu (ciśnienia objętości, temperatury) i związane z tymi zmianami przeka­zywanie energii (ciepła i pracy) pomiędzy układami półzamkniętymi czy wewnątrz nich

Wśród procesów termodynamicznych wyróżnia się procesy termokinetyczne, polegające na wymianie (przekazywaniu, przepływie) ciepła wewnątrz układów lub pomiędzy nimi

Zmiany energii cieplnej układów

Procesom termokinetycznym towarzyszą zjawiska związane z przyrostem lub ubytkiem energii cieplnej układów. Przyrost lub ubytek energii układu polegać może na pobieraniu lub oddawaniu ciepła w powiązaniu:

• ze wzrostem lub maleniem temperatury układu (procesy termoakumulacyjne),

• z przemianami fazowymi zachodzącymi w układzie

W procesach termoakumulacyjnych - związanych z obsadzaniem wyższych poziomów energetycznych przez ratujące i drgające cząsteczki i jony czy atomy, a w wyższych temperaturach dodatkowo przez elektrony w atomach (wzbudzenie atomu) -przyrosty lub ubytki ilości ciepła zawartego w elementach układu, zdeterminowane są przez różnice temperatur każdego z elementów. Wielkością charakteryzującą zdolność materii do akumulowania ciepła jest pojemność cieplna , gdzie : dQ_a - elementarna ilość ciepła pochłoniętego lub oddanego przez element układu, dt - zmiana temperatury elementu, wywołana wymianą elementarnej ilości ciepła. Pojemność cieplna zależy od rodzaju substancji, z której jest zbudowany element ciała, od jego gęstości i temperatury bezwzględnej oraz od warunków przebiegu procesu. Pojemność cieplna odniesiona do elementarnej objętości tworzy wielkość k zwaną akumulacyjnością cieplną, tzn , Natomiast akumulacyjność ciepła odniesienia do gęstości ρ elementu tworzy wielkość

Dla elementów ciał stałych i cieczy można przyjmować, że zarówno akumulacyj­ność jak i ciepło właściwe jest jedynie funkcją temperatury elementu, a nie zależy od pozostałych warunków (zmiana objętości czy ciśnienia), w jakich ciepło jest przekazywane do czy od ciała. Ciepło ilości ciepła ciała można obliczyć .

Jeżeli ciało jest jednorodne, a temperatura wszystkich jego elementów zmieniła się o , to wzór przybierze postać

Wśród przemian fazowych i towarzyszących im zmianom energii cieplnej układów, największe znaczenie mają te przemiany, które polegają na zmianie stanów skupienia materii (przemiany fazowe pierwszego rodzaju). Zaliczyć do nich można - zachodzące w obu kierunkach - przemiany: ciała stałego w ciecz (topnienie albo krzepnięcie i krystali­zacja), cieczy w gaz lub w parę (parowanie i wrzenie albo skraplanie i kondensacja) i gazu w plazmę (dysocjacja, jonizacja). Przemianom ciało stałe ⇔ ciecz ⇔ gaz, podczas których zachodzą dostrzegalne zmiany struktury substancji, towarzyszy pochłanianie lub wydzielanie tzw. ciepła utajonego Q_f zmiana objętości i zmiany wartości makroskopowych parametrów substancji. Ilość ciepła wymienianego podczas tych przemian odnosi się do jednostki masy substancji tzn. ⇔

W zależności od rodzaju procesu, wielkość c_u nazywana jest ciepłem topnienia,

krzepnięcia, parowania, skraplania czy dysocjacji. Ciepło utajone Q_f , wymieniane

podczas całkowitej przemiany fazowej ciała o masie m, wyznacza się na podstawie wzoru.

Przemiany fazowe pierwszego rodzaju występują w różnych urządzeniach elektrotermicznych, realizujących różne technologie. Wymieniane podczas tych przemian ciepło stanowi istotny składnik bilansów energetycznych tych urządzeń.

Przemianami fazowymi drugiego rodzaju nazywa się te przemiany, podczas których nie jest wymieniane ciepło ani nie zachodzą zmiany objętości, natomiast przy określonym ciśnieniu i temperaturze występuje skokowa zmiana niektórych właściwości fizycznych (np. temperatury Curie dla ciał ferromagnetycznych czy ferroelektrycznych, punkty przejścia pomiędzy fazami krystalicznymi metali

Termokinetyka

Termokinetyka – nauka o ruchu ciepła i o formach jego przepływu. Zadania z dziedziny termokinetyki polegają głównie na poszukiwaniu - stałego lub zmiennego w czasie - rozkładu temperatur w poszczególnych częściach rozpatrywanego układu termokinetycznego, jak i wyznaczaniu ilości ciepła przekazywanego między tymi częściami lub na zewnątrz czy do wewnątrz tego układu.

Formy ruchu ciepła

• wypadkowy przepływ od ciała o wyższej temp. do ciała o niższej

• każde ciało nagrzane powyżej zera bezwzględnego wypromieniowuje energie

Wymiana ciepła w procesach termokinetycznych może być realizowana za pomocą trzech istotnie różnych pod względem fizycznym sposobów, obejmujących: a

• Przewodzenie ciepła (kondukcja) jest to wymiana ciepła między bezpośrednio stykającymi się częściami jednego ciała lub różnych ciał, polegająca na przekazywaniu energii kinetycznej mikroskopowego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów, elektronów). Przewodzenie ciepła występuje zarówno w ciałach stałych jak i płynnych (cieczach i gazach). W przypadku elektrycznych nieprzewodników czy półprzewodników samoistnych będących ciałami stałymi, istotne znaczenie na przebieg procesu ma ruch drgający atomów czy cząsteczek, w przypadku półprzewodników domieszkowych i przewodników stałych czy płynnych - ruch swobodnych elektronów (dziur), a w przypadku płynów -ruch dyfuzyjny cząsteczek

• Unoszenie ciepła (konwekcja) polega na przekazywaniu energii w wyniku makroskopowego ruchu substancji, w związku, z czym może ono zachodzić tylko w płynach. Unoszeniu ciepła zawsze towarzyszy kondukcja, a w przypadku płynów przenikliwych dla promie­niowania temperaturowego - także radiacja. Konwekcja może występować w przestrze­niach ograniczonych jak i nieograniczonych. Może to być konwekcja naturalna, spowodowana różnicą temperatur (a więc różnicą gęstości i ciśnień) płynu lub konwekcja wymuszona spowodowana działaniem sił (ciśnień) pochodzenia zewnętrznego

• Promieniowaniem ciepła (radiacja) nazywa się przekazywanie energii pomiędzy ciałami lub częściami tego samego ciała, za pośrednictwem promieniowania elektromagnetycznego temperaturowego. Promieniowanie to, zgodnie z prawem Plancka, może obejmować cały zakres długości fal elektromagnetycznych od zera do nieskończoności. Jednak w przypadku zastosowań elektrotermicznych, w których temperatury ciał zawierają się w granicach od temperatur otoczenia do temperatur sięgających 20000K, znaczące ilości energii promienistej przekazywane są w zakresie fal optycznych (podczerwień, promieniowanie widzialne i nadfioletowe). Jeżeli ilość energii wypromieniowanej przez ciało lub jego część jest różna od ilości energii promienistej pochłoniętej, powstaje wymiana (przekazywanie) energii promienistej pomiędzy ciałami lub częściami tego samego ciała. Wymiana energii promienistej może zachodzić tylko wtedy, gdy ciała czy części ciał są rozdzielone ośrodkiem całkowicie lub częściowo przenikliwym dla promieniowania temperaturowego

Pole temperatury i przewodzenie ciepła

Polem temperatury nazywa się przestrzeń, w której każdemu punktowi przy­porządkowana jest temperatura. Temperatura punktu stanowi miarę średniej energii kinetycznej zawartych w nim cząstek. Miejsca geometryczne punktów pola o tej samej temperaturze tworzą w przestrzeni powierzchnie izotermiczne. Każdemu punktowi pola temperatury można przyporządkować wektor gradientu temperatury, który w układzie współrzędnych prostokątnych równy jest

W przypadku, gdy temperatura w jakimkolwiek punkcie pola zależy nie tylko od współrzędnych geometrycznych tego punktu, ale także od czasu τ, tzn. t=f(x,y,z,τ), to pole nazywa się niestacjonarnym. Dla pola stacjonarnego t=f(x,y,z). Jeżeli w polu temperatury znajdują się źródła ciepła, to pole jest nazywane źródłowym. Pole nie zawierające źródeł ciepła nazywa się bezźródłowym. Szczególnym przypadkiem pola temperatury jest pole izotermiczne o jednakowych temperaturach wszystkich swoich punktów, tzn. pole, w którym we wszystkich punktach grad t=0.

Dla kondukcyjnego pola izotropowego relację pomiędzy q i grad t opisuje prawo Fouriera q=-λgrad t, gdzie λ - przewodność cieplna właściwa, a miarą wektora q jest skalar

Równanie Fouriera jest wyjściowym (ogólnym) do badania rozkładów temp. w dowolnych polach (zarówno źródłowych jak i astacjonarnych), występujących w niejednorodnych ale izotropowych i nieporuszjących się ośrodkach. Dla układu współrzędnych prostokątnych i w przypadku ośrodków jednorodnych tak więc

(**), gdzie a dyfuzyjność cieplna

Równanie przekształca się w przypadków

• stanów stacjonarnych w równanie Poissona

• w przypadku ośrodków bezźródłowych w tzw. równanie Fouriera dla ośrodków bezźródłowych

• w przypadku ośrodków bezźródłowych znajdujących się w stanach stacjonarnych w równanie Laplace’a

Po to, aby spośród wielu rozwiązań spełniających równanie (**) otrzymać rozwiązanie odpowiadające badanemu zjawisku cieplnemu, należy określić warunki jednoznaczności rozwiązania, do których można zaliczyć

1. warunki geometryczne określające kształt i wymiary ciała,

1. warunki fizyczne określające własności fizyczne substancji, z której zbudowane jest ciało,

1. rozkład w czasie i przestrzeni gęstości objętościowych strumieni cieplnych,

2. warunki początkowe określające rozkład temperatury w chwili początkowej,

1. warunki brzegowe określające warunki wymiany ciepła na powierzchniach zewnę­trznych ciała

Warunki początkowe i brzegowe zwane są łącznie warunkami granicznymi.

Ze względu na zastosowania, szczególne znaczenie mają następujące cztery warunki brzegowe, opisujące formę wymiany ciepła między badanym obszarem a otoczeniem:

1. Warunki brzegowe pierwszego rodzaju, zwane warunkami Dirichleta, określone są
   przez rozkład temperatury t₁ na powierzchni S ciała w każdej chwili czasu, tzn. t₁=f(S,τ)

2. Warunki brzegowe drugiego rodzaju, zwane warunkami Neumanna, określają rozkład gęstości strumieni ciepła qj na powierzchni S ciała w każdej chwili, tzn. q₁=f(S,τ)

3. Warunki brzegowe trzeciego rodzaju, zwane warunkami Fouriera polegają na podaniu
   w każdej chwili czasu: rozkładu współczynników α_r i α_k lub współczynnika a przej­mowania ciepła na powierzchni ciała, temperatury t_f płynu otaczającego ciało i temperatury t₂ powierzchni czy objętości wymieniających z tym ciałem energię promienistą

4. Warunki brzegowe czwartego rodzaju określają w każdej chwili rozkład na powierzchnię styku dwóch ciał, jednakowych co do wartości: temperatur i gęstości strumieni cieplnych przewodzenia elementów styku dwóch ciał, tzn. t₁=t₂ czyli

Konwekcyjne przejmowanie ciepła

Unoszeniu ciepła w płynie zawsze towarzyszy kondukcja. Dzieje się tak prawie zawsze (z wyjątkiem bardzo dużych prędkości przepływu płynu) podczas przepływu płynu lepkiego wzdłuż powierzchni ciała stałego, przy której występuje warstwa płynu o ruchu wyłącznie laminarnym (kierunkowo uporządkowanym). Istnienie warstwy przyściennej oznacza, że przepływ ciepła między płynem a powierzchnią ciała stałego odbywa się przez konwekcję i przez przewodzenie. Taką formę ruchu ciepła nazywa się przejmowa­niem ciepła przez konwekcję. W przypadku płynów przenikliwych dla promieniowania temperaturowego, dodatkowo może wystąpić wymiana ciepła na drodze radiacji.

Gęstość konwekcyjnego strumienia przejmowania ciepła na powierzchni ciała stałego opisuje prawo Newtona , gdzie α_k – współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję. Wielkość q_k musi być równa, co do wartości gęstości strumienia cieplnego przekazywanego kondukcyjnie przez warstwę przyścienną płynu, a opisanej przez prawo Fouriera , i wynika, że Po uzupełnieniu tych równań równaniami różniczkowymi ciągłości strugi, wyprowadzonymi z prawa zachowania masy i przyjęciu warunku granicznego opisanego powyższym wyrażeniem, okazuje się, że α_k jest funkcją bardzo wielu zmiennych , gdzie ρ - gęstość, λ - przewodność cieplna właściwa, c - ciepło właściwe, p - ciśnienie, β - współczynnik rozszerzalności objętościowej, µ. - lepkość dynamiczna, l₁...l_n – wymiary liniowe, v - prędkość, g - przyspieszenie ziemskie, τ - czas. Zakres zmienności α_k jest bardzo duży i wynosi jak 1:100000. Z tego względu zastosowanie metod matematycznych do ilościowej analizy przejmowania ciepła przez konwekcję ma ograniczone zastosowanie. Bardzo pomocną natomiast w analizie przejmowania ciepła okazała się, w powiązaniu z badaniami empirycznymi, teoria podobieństwa zjawisk fizycznych. Na podstawie teorii podobieństwa można otrzymać dla zjawisk przejmowania ciepła przez konwekcję m.in. następujące liczby kryterialne

• liczbę Nusselta łączącą ruch ciepła w strumieniu płynu z wnikaniem ciepła do ściany

• liczbę Reynoldsa określającą stosunek sił bezwładności do sił tarcia wewnętrznego płynu

• liczbę Grashofa charakter. stosunek sił wyporu do sił tarcia wewnętrznego płynu

• liczbę Prandtla charakteryzującą podobieństwo rodzaju płynu

• liczbę Fouriera charakteryzujący nieustalony ruch ciepła w płynie

• liczby Strouhala (s) i A obrazujący nieustalony charakter przepływu płynu ,

Aby ruch ciepła na drodze przejmowania przez konwekcję w układach podobnych geometrycznie był podobny, to szukana (nieokreślająca) liczbę Nu musi być funkcją następujących, określających liczb podobieństwa cieplnego i podobieństwa mechanicznego:

• dla konwekcji swobodnej Nu≈f(Gr,Pr,Fo,A)

• dla konwekcji wymuszonej Nu≈f(Gr,Pr,Fo,S)

w przypadku rozpatrywania stanów ustalonych przepływu ciepła i płynu, równania uproszczą się do postaci:

• dla konwekcji swobodnej Nu≈f(Gr,Pr)

• dla konwekcji wymuszonej Nu≈f(Re,Pr)

Z analizy wymiarowej i z badań doświadczalnych wynika, że przebiegi powyższych funkcji można przybliżać równaniami wykładniczymi o postaciach: , , to znaczy i

Gdzie α_k – współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję; 1 – wymiar liniowy równy np.: średnicy kuli, średnicy walca czy szerokości taśmy przy poprzecznym przepływie płynu, wysokości walca czy ściany przy przepływie wzdłużnym płynu, średnicy wewnętrznej rury, itp.; λ - przewodność cieplna właściwa; β -współczynnik rozszerzalności objętościowej; g – przyspieszenie ziemskie; Δt - różnica temperatur (Δt=t₁-t_f); v_f - lepkość kinematyczna; c - ciepło właściwe; µ - lepkość dynamiczną, v - prędkość.

Radiacyjna wymiana ciepła

Promienista wymiana energii pomiędzy ciałami może być w najogólniejszym przypadku zależna od temperatur bezwzględnych ciał, ich własności promienistych i wzajemnych usytuowań w przestrzeni. Większość ciał promieniuje i odbija promieniowanie selektywnie i "nielambertowsko" oraz posiada nieizotermiczne powierzchnie czy objętości. Ponadto, ciała te mogą być częściowo przeźroczyste dla promieniowania, mogą posiadać nieregularne kształty i być nieregularnie rozmieszczone w przestrzeni, która z kolei może niejednorodnie i nieselektywnie pochłaniać i emitować promieniowanie. Wszystko to powoduje, że rzeczywiste procesy radiacyjnej wymiany ciepła są niezwykle skomplikowane i praktycznie nierozwiązywalne bez przyjęcie pewnych założeń upraszczających. Dodatkową trudnością, stojącą na drodze ewentualne­go wykorzystania do obliczeń, wyprowadzonych w sposób ścisły, wzorów opisujących zjawisko radiacyjnej wymiany ciepła, jest nieznajomość realnych (np. kierunkowych czy monochromatycznych) własności promiennych poszczególnych ciał, biorących udział w wymianie ciepła.

W przypadku, gdy jedna z trzech powierzchni będzie posiadać temp. ok. i absorpcyjność a=1, powstanie wymiana między dwoma powierzchniami w układzie otwartym. Moce wymieniane między nimi będą równe i , przy czym zastępcze współczynniki konfiguracji i opisują wzory w zależności od rodzajów układów (otwarty lub zamknięty), własności promieniowych powierzchni (doskonale czarne lub częściowo refleksyjne) i kształtu powierzchni (wklęsła, wypukła lub płaska)

np. gdy powierzchnie wklęsłe tworzą układ zamknięty, tzn. gdy obowiązuje prawo zamkniętości

, a

1. Metody elektrotermiczne i sposoby pośredniego grzania wsadów

Ze względu na możliwe odmienne zasady i sposoby grzania różnych wsadów i związane z tym odmienne konstrukcje grup urządzeń elektrotermicznych, przyjęło się wyróżniać do chwili obecnej jedenaście głównych metod elektrotermicznych. Metody te, wprowadzane do praktyki przemysłowej na przestrzeni dziesięcioleci, mają nazwy wynikające albo z rodzaju energii dostarczonej do przetwornika elektrotermicznego (mikrofale, ultradźwięki, fotony) czy sposobu przeniesienia tej energii do przetwornika (indukcja elektromagnetyczna, elektrody, elektrony, jony), albo z wielkości elektromagne­tycznej charakteryzującej przetwornik (opór, pojemność) czy nazwy przetwornika (plazma, dielektryk, wyładowanie łukowe czy jarzeniowe). Energia wykorzystywana do przemiany elektrotermicznej może być energią zawartą wyłącznie w polu elektrycznym źródła (zasilanie napięciem stałym) lub, w większym lub mniejszym stopniu, w jego polach: elektrycznym i magnetycznym (w polu elektromagnetycznym)

1. Metoda oporowa polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu elektronowego prądu przewodzenia przez ciało stałe lub ewentualnie ciecz, połączone galwanicznie (metalicznie, stykowo) z obwodem, wzdłuż którego przenosi się energia pola elektryczne­go lub elektromagnetycznego o częstotliwości 50Hz. W metodzie tej realizowany jest pośredni i bezpośredni sposób nagrzewania.

Przemiany energii w metodzie oporowej:

1. nagrzewanie bezpośrednie;

2. nagrzewanie pośrednie

I - przetwornik elektrotermiczny, II - wsad, 1 - energia elektromagnetyczna, 2 - energia elektryczna, 3 – ciepło

1. Metoda elektrodowa polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu jonowego lub jonowo-elektronowego prądu przewodzenia przez ciecz, połączoną przy pomocy elektrod z obwodem, wzdłuż którego przenosi się energia pola elektrycznego lub elektromagnetycznego o częstotliwości 50Hz

Przemiany energii w metodzie elektrodowej:

1. nagrzewanie bezpośrednie;

2. nagrzewanie pośrednie

I - przetwornik elektrotermiczny, II - wsad, 1 - energia elektromagnetyczna, 2 - energia elektryczna, 3 - ciepło

1. Metoda indukcyjna polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu indukowane­go prądu przewodzenia (prądów wirowych) przez ciało stałe lub ciecz, sprzężone indukcyjnie z obwodem przenoszącym energię pól elektromagnetycznych o częstotliwo­ściach od kilku (kilkunastu) Hz do kilkudziesięciu MHz.

Przemiany energii w metodzie indukcyjnej:

1. nagrzewanie bezpośrednie;

2. nagrzewanie pośrednie

I - przetwornik elektrotermiczny, II - wsad, 1 - energia elektromagnetyczną 3 - ciepło

1. Metoda pojemnościowa (dielektryczna) polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu prądu przesunięcia (i ewentualnie prądu przewodzenia) przez ciało stałe lub ciecz, sprzężone pojemnościowo z obwodem przez umieszczenie ich w kondensatorze, będącym częścią składową obwodu wzdłuż którego przenosi się energia pól elektromagne­tycznych o częstotliwościach rzędu kilku do kilkudziesięciu MHz

Przemiany energii w metodzie pojemnościowej: a) nagrzewanie bezpośrednie

I - przetwornik elektrotermiczny, II – wsad, 1 – energia elektromagnetyczna

1. Metoda łukowa polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu prądu przewo­dzenia w obszarze wyładowania łukowego zachodzącego w próżni lub w środowisku gazowym o ciśnieniu atmosferycznym (w plazmie), przy czym obszar wyładowania łukowego jest połączony przy pomocy elektrod z obwodem, wzdłuż którego przenosi się energia pola elektrycznego czy elektromagnetycznego o częstotliwości 50Hz

Rys.3.8. Przemiany energii w metodzie łukowej:

1. nagrzewanie bezpośrednie;

2. nagrzewanie pośrednie

I - przetwornik elektrotermiczny, II - wsad, III - przetwornik elektrokinetyczny,

IV - przetwornik kinetycznotermiczny,

1 - energia elektromagnetyczna, 2 - energia elektryczna, 3 - ciepło, 4 - energia kinetyczna cząstek naładowanych, 5 - energia dysocjacji termicznej cząsteczek i jonizacji cząstek

1. Metoda plazmowa polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu:

prądu przewodzenia w plazmie o ciśnieniu wyższym niż atmosferyczne, spowodowanym wymuszonym przepływem gazu, przy czym obszar plazmy jest sprzężony elek­tromagnetycznie (indukcyjnie, pojemnościowo czy mikrofalowo) z obwodem lub falowodem (plazma mikrofalowa), wzdłuż których przenosi się energia pól elektro­magnetycznych o częstotliwościach rzędu kilku do kilku tysięcy MHz ­

• prądu przewodzenia w obszarze wyładowania łukowego zachodzącego w środowisku
  gazowym (w plazmie) o ciśnieniu wyższym niż atmosferyczne, spowodowanym
  wymuszonym przepływem gazu, przy czym obszar wyładowania łukowego
  połączony jest przy pomocy elektrod z obwodem wzdłuż którego przenosi się energia
  pola elektrycznego lub elektromagnetycznego o częstotliwości 50Hz

1. Metoda mikrofalowa polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu prądu przesunięcia (i ewentualnie prądu przewodzenia) przez ciało stałe lub ciecz, poddane działaniu promieniowania mikrofalowego o częstotliwości od kilkuset MHz do kilkuset

GHz, do których energia elektromagnetyczna przenosi się dzięki umieszczeniu ich we wnęce rezonansowej, falowodzie czy naprzeciw otwartego końca falowodu.

Przemiany energii w metodzie mikrofalowej: a) nagrzewanie bezpośrednie I - przetwornik elektrotermiczny, II - wsad, 1 - energia elektromagnetyczna

1. Metoda elektronowa polega na wytworzeniu ciepła w ciele stałym lub cieczy pod wpływem uderzających o nie rozpędzonych w próżni elektronów tworzących prąd konwekcyjny, których źródłem jest nagrzana (elektrotermicznie) katoda, a które są przyspieszane w obszarze międzyelektrodowym, połączonym z obwodem, wzdłuż którego przenosi się energia elektryczna

Przemiany energii w metodzie elektronowej: a) nagrzewanie bezpośrednie

II - wsad, III - przetwornik elektrokinetyczny, IV - przetwornik kinetycznotermiczny,

2 - energia elektryczna, 4 - energia kinetyczna elektronów

1. Metoda fotonowa polega na wytworzeniu ciepła w ciele stałym lub cieczy poddanych działaniu spójnego, monochromatycznego i mało rozbieżnego fluorescencyjnego promieniowania elektromagnetycznego: mikrofalowego (masery), podczerwonego (irasery), świetlnego (lasery) czy ultrafioletowego (UV-lasery), wytworzonego przez kwantowe wzmacniacze promieniowania

Przemiany energii w metodzie fotonowej: a) nagrzewanie bezpośrednie

I - przetwornik elektrotermiczny, II - wsad, 7 - energia elektromagnetyczna wymuszonej emisji atomów i cząsteczek

1. Metoda ultradźwiękowa polega na wytworzeniu ciepła w ciele starym poddanym działaniu energii fal mechanicznych o częstotliwościach akustycznych, wytwarzanych w przetwornikach elektromechanicznych (elektroultradźwiękowych), które połączone są z

obwodem wzdłuż którego przenosi się energia elektromagnetyczna o częstotliwościach akustycznych

Przemiany energii w metodzie ultradźwiękowej: a) nagrzewanie bezpośrednie

II - wsad, Ul - przetwornik elektromechaniczny, IV - przetwornik mechanicznotermiczny,

1 - energia elektromagnetyczna, 6 - energia kinetyczna ciała makroskopowego, F - siła

1. Metoda jarzeniowa (jonowa) polega na wytworzeniu ciepła w obszarze wyładowania jarzeniowego na skutek przepływu prądu przewodzenia oraz w ciele starym (wsadzie) pod wpływem uderzających o nie rozpędzonych jonów dodatnich tworzących prąd konwek­cyjny, których źródłem jest dozowany do odpompowanej przestrzeni międzyelektrodowej gaz, a które są przyspieszane w obszarze międzyelektrodowym, połączonym z obwodem wzdłuż którego przenosi się energia elektryczna

Przemiany energii w metodzie jarzeniowej: a), b) nagrzewanie pośrednie i bezpośrednie

I - przetwornik elektrotermiczny, II - wsad, III - przetwornik elektrokinetyczny,

IV - przetwornik kinetycznotermiczny, 2 - energia elektryczna, 3 - ciepło,

4 - energia kinetyczna jonów

Niektóre z wymienionych wyżej głównych metod elektrotermicznych w rzeczywi­stych procesach wzajemnie się przeplatają, tworząc mieszane metody elektrotermiczne, jak np: oporowo-łukowa, lukowo-oporowa, elektrodowo-oporowa (rezystancyjna), jonowo-oporowa i in. W pewnych szczególnych przypadkach ma się natomiast do czynienia ze skojarzonymi metodami elektrotermiczno-płomieniowymi (np. metody: elektrodowo-płomieniowa, łukowo-płomieniowa