Ziemskie konwersje energii

Rozróżnia się cztery podstawowe formy energii użytecznej: energie chemiczne, mechaniczna, ciepło, światło

Zaboby nieodnawiale: 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

odnawialne: źrodłem jest Słońce i - w minimalnej części - Księżyc; Słońce moc 37O-10²¹ kW. 99% przypada na fale o długościach od 280 do 5000nm, wykorzystujemy 0,01%

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 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: o znacznej gęstości, wygodną do transportu na duże odległości i dystrybucji do poszczególnych odbiorników, łatwo przetwarzana na inne użytkowe formy energii, parametry można dostosowywać do potrzeb odbiorników, jest prawie nieszkodliwa dla środowiska naturalnego, a urządzenia nią zasilane mogą być szybko uruchamiane i zatrzymywane i są łatwe do sterowania i automatyzacji. 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.

Widmo fal elektromagnetycznych wykorzystywanych w elektrotermii

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

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

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'₄ - energia elektromagnetyczna wypromieniowana poza urządzenie

A''₄ - energia elektromagnetycznych strat cieplnych

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

Ładunki swobodne i na nie działają siły nie zależnie od tego czy pole jest stałe czy przemienne.

Przemiana energii powstaje zawsze poprzez ruch (następują zderzenia drgania cząsteczek

Prąd przewodzenia płynie nie zależnie od tego, czy pole jest stałe czy przemienne.

Ruch ładunków związanych - prąd przesunięcia

Tam gdzie istnieje pole elektromagnetyczne i materia (atomy) część energi musi zostać zamieniona na ciepło

Gdy mamy pole, a nie mamy materii - próżnia, wtedy pole nie traci energii

Oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne (jądrowe), słabe

Gdy płyną prądy przewodzenia i przesunięcia, to wiąże się to ze stratami cieplnymi

Straty cieplne są jednym z najważniejszych czynników konstrukcyjnych

Dopuszczalne moce urządzeń elektrycznych związane są z generacją ciepła i możliwością jego oddania

Rozkład temperatury w urządzeniu musi być taki, aby temperatura danego układu nie przekroczyła temperatury dopuszczalnej

za tym wszystkim stoją dwie siły F=F_e+F_m=q_eE+q_e(v x B)

każde urządzenie elektryczne o zaprojektowanej konstrukcji musi być tak zbilansowane cieplnie, aby przy danych warunkach oddawania mocy cieplnej i przy obciążeniu go w założonym czasie daną siłą 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.

Wśród urządzeń bezkomorowych wyróżnia się:

- elektryczne narzędzia grzejne, które oprócz wytwarzania ciepła spełniają rolę narzę­dzia i wymagają poruszania nimi przy użytko,

- elektryczne przyrządy grzejne, które są urządzeniami przenośnymi , a których jedynym zadaniem jest wytwarzanie ciepła

- nagrzewnice elektryczne, które są urządzeniami grzejnymi

Do urządzeń komorowych zalicza się:

-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),

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

- cieplarki elektryczne, w których wysokość temperatury jest czynnikiem wpływającym na procesy biologiczne (np. wylęganie).

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)

- 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

- 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)

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

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

- 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

-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.

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

zerową (f=0Hz, tzn. prądem stałym), zmniejszoną (małą) (0Hz<f<50Hz), sieciową (f=50(60)Hz), średnią (zwiększoną) (50Hz<f<10⁴Hz), wielką (10⁴Hz<f<3-10¹¹Hz) 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).

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.

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

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

Kryterium prowadzenia cyklu nagrzewania - nagrzewanie przerywane, okresowe i ciągłe lub nagrzewanie impulsowe i ciągłe

Kryterium szybkości obciążenia temperatury wsadu wyróżnia się

- stygnięcie (spadek temp. naturalny odpływ ciepła do otoczenia

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

- 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

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

P_w - moc elektromagnetyczna - zużywana poza głównym torem elektrotermicznym - zasilająca 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.

P_sc może mieć charakter mocy traconej (np. akumulowanie ciepła w ogniotrwałych i termoizolacyjnych obudowach komór grzejnych), lub, wraz z P_sc, charakter mocy użytecznej (np. ogrzewanie pomieszczenia

przy pomocy pieca akumulacyjnego). Równanie bilansu mocy urządzenia elektrotermicznego: (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) Bedą składały się następujące sprawności cząstkowe

sprawność elektryczna Sprrawność cieplna reasumując całkowita:

2

---