1. Ziemskie energie pierwotne i użyteczne, słoneczna energia elektromagnetyczna:
Można wyróżnić energie:
▪ odnawialne, które są energiami pozaziemskimi, dostarczonymi do Ziemi w sposób ciągły:
ruchu obrotowego Ziemi (prądy morskie),
ziemskiej energii grawitacyjnej,
energii cieplnej zakumulowanej w Ziemi,
energia wiązań chemicznych – w kopalnych paliwach organicznych (węgle, torf, gaz ziemny),
energia jądrowa zawarta w atomach głównie takich pierwiastków jak : 235uran, 238uran i tor.
▪ nieodnawialne, zakumulowane na Ziemi:
energie grawitacyjne Słońca i Księżyca (pływy morskie),
energię elektromagnetyczną temperaturowego promieniowania elektromagnetycznego Słońca.
Ziemskie energie pierwotne docierające do odbiorników nazywa się energiami bezpośrednimi.
W odbiornikach energie bezpośrednie przetwarzane są na energie użyteczne. Wśród energii użytecznych zużywanych bezpośrednio przez ludzi wyróżniamy:
energię mechaniczną,
energię chemiczną,
energię cieplną,
energię świetlną.
2. Bilans mocowy Ziemi, elektromagnetyczny kanał przepływu energii.
Ziemia wypromieniowuje prawie tyle samo energii elektromagnetycznej ile jej otrzymuje
z zewnątrz. Słońce można traktować jako reaktor termojądrowy o mocy 3,827*1023 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 (760nm÷106nm). Przyjmuje się, że temperatura powierzchni Słońca wynosi 6000K. W kierunku Ziemi wysyłany jest strumień promienisty o wartości Pz = 1,8⋅1014 kW. Część strumienia Pz zostaje odbita w przestrzeń kosmiczną. Górne warstwy atmosfery ziemskiej pochłaniają następną część strumienia P, nagrzewają się i na powrót wysyłają w przestrzeń strumień promienisty. Na powierzchnię kuli ziemskiej dociera moc o wartości około Pkz = 1,21⋅1014 kW. Moc ta jest prawie w całości wypromieniowywana w przestrzeń kosmiczną.
3. Elektrotermia, definicja, główny podział, jej miejsce w elektrotechnice:
Elektrotermia jest działem wiedzy zajmującym się przemianami energii elektrycznej (energii elektromagnetycznej wytwarzanej metodami przemysłowymi w elektrowniach) na energię cieplną użytkową (użyteczną) oraz urządzeniami do wywoływania tych przemian i ich zastosowaniami technicznymi.
Podział elektrotermii:
przemysłowa – obejmuje zagadnienia związane z przemysłowymi obróbkami cieplnymi, cieplno-chemicznymi i cieplno-fizycznymi różnych materiałów i wyrobów produkcyjnych,
bytowa – związana jest z elektrycznymi urządzeniami i przyrządami grzejnymi powszechnego użytku.
Miejsce w elektrotechnice: 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 mocą elektromagnetyczną – nie została przekroczona temperatura dopuszczalna jego najbardziej cieplnie zagrożonych części (punktów). Przez temperaturę dopuszczalną rozumie się wartość temperatury, powyżej której dana część urządzenia może ulec przyspieszonej lub gwałtownej degradacji i przestać spełniać swoją elektromagnetyczną, mechaniczną, cieplną, chemiczną czy świetlną funkcję.
4. Zakres widma fal elektromagnetycznych stosowanych w elektrotechnice:
0 - 105Hz – fale częstotliwości akustycznych: urządzenia prądu stałego, częstotliwości sieciowej, indukcyjne małej i średniej częstotliwości, ultradźwiękowe,
105 - 1010 Hz – fale radiowe: urządzenia indukcyjne i plazmowe wielkiej częstotliwości, pojemnościowe, mikrofalowe,
1011 - 1015 Hz – urządzenia fotonowe oraz urządzenia: oporowe, łukowe, plazmowe i jonowe
o pośrednim i radiacyjnym sposobie nagrzewania wsadów.
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 plazmowe 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.
5. Elektryczne straty ciepła a elektryczna generacja ciepła użytecznego:
Elektromagnetyczne straty cieplne urządzeń elektrycznych:
Rozpływ energii w torze elektromagnetycznym urządzeń elektrycznych:
A1 - całkowita energia ( mechaniczna, chemiczna, elektryczna) na wejściu toru elektromagnetycznego urządzenia,
A2 - energia elektromagnetyczna występująca poza głównym torem przepływu energii, pobierana (tracona) przez urządzenie na zasilanie układów niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania urządzenia, np. układów: regulacyjnych, sygnalizacyjnych, sterujących, chłodzących, itp.
A3 - energia elektromagnetyczna występująca w głównym torze przepływu energii przez urządzenie elektryczne,
A4 - część energii elektromagnetycznej głównego toru elektromagnetycznego urządzenia, która jest bezpowrotnie i w sposób nieunikniony tracona,
A’4 - monochromatyczna energia elektromagnetyczna wypromieniowywana poza urządzenie elektryczne, zakłócająca pracę innych urządzeń lub bytowanie organizmów żywych,
A’’4 - energia strat cieplnych generowana w urządzeniu elektrycznym do otoczenia na różnych drogach termokinetycznych,
A5 - energia elektromagnetyczna na wyjściu toru elektromagnetycznego.
6. Kryteria i podziały stosowane w elektrotermii, przetwornik elektrotermiczny i wsad:
Elektrotermia jest działem wiedzy zajmującym się przemianami energii elektrycznej (energii elektromagnetycznej wytwarzanej metodami przemysłowymi w elektrowniach) na energię cieplną użytkową (użyteczną) oraz urządzeniami do wywoływania tych przemian i ich zastosowaniami technicznymi.
Podział elektrotermii:
przemysłowa – obejmuje zagadnienia związane z przemysłowymi obróbkami cieplnymi, cieplno -chemicznymi i cieplno-fizycznymi różnych materiałów i wyrobów produkcyjnych,
bytowa – związana jest z elektrycznymi urządzeniami i przyrządami grzejnymi powszechnego użytku.
▪ Przetwornik elektrotermiczny – służy do wytworzenia ciepła w przypadku nagrzewania pośredniego,
z niego ciepło jest przenoszone do wsadu na drogach termokinetycznych, musi mieć wyższą temperaturę niż wsad. Nie występuje przy nagrzewaniu bezpośrednim.
▪ Wsad – przez to pojęcie określa się wszelkie ciała stanowiące obiekt zastosowania przemian elektrotermicznych.
7. Ciepło w technice, płomieniowy a elektrotermiczny sposób wytwarzania ciepła:
▪ Energia cieplna jest niezbędna do:
przeprowadzania większości ważniejszych procesów technologicznych w wytwórczej
działalności człowieka,
zapewnienia komfortu cieplnego organizmom żywym, a w tym głównie człowiekowi.
▪ Płomieniowe (paliwowe) wytwarzanie ciepła – pozyskanie paliw chemicznych, ich transport
i bezpośrednie spalanie w wybranym miejscu w celu generacji ciepła (służącego ogrzewaniu lub procesom technologicznym):
niskie koszty wytwarzania ciepła,
nagrzewania „rozproszone” (np. ogrzewanie pomieszczeń),
nagrzewanie bez specjalnych wymagań technologicznych co do chemicznej „czystości’ energii cieplnej, jej dawkowania lub intensywności nagrzewania, pod warunkiem wykorzystania paliw
o mało toksycznych produktach spalania.
▪ Elektrotermiczny sposób wytwarzania ciepła – obejmuje wytworzenie energii elektrycznej z ziemskich energii pierwotnych, przesyłanie jej do określonych miejsc i jej zamianę na energię cieplną. Motorem stymulującym rozwój elektrotermicznych metod nagrzewania była (i jest) przede wszystkim potrzeba przeprowadzania pewnych (nowoczesnych) procesów technologicznych, niemożliwych do zrealizowania przy wykorzystaniu płomieniowych metod nagrzewania. Do takich procesów należą np. te, w których występuje koniczność:
nagrzewania objętościowego,
przeprowadzania odpowiednich nagrzewań selektywnych,
stosowania dużych gęstości mocy cieplnych,
uzyskiwanie wysokich wartości temperatur (do około 20000K),
skupianie mocy w bardzo małej objętości lub na bardzo malej powierzchni (µm2 lub nm2),
nagrzewania w próżni,
nagrzewania bez wprowadzania chemicznych zanieczyszczeń lub ze ściśle kontrolowaną dyfuzją pierwiastków.
Maksymalne gęstości powierzchniowe mocy uzyskiwane z różnych źródeł:
Źródło energii cieplnej | Gęstość powierzchniowa mocy q [W/cm2] |
---|---|
Promieniowanie słoneczne na pow. kuli ziemskiej | 0,1 |
Promieniowanie słoneczne skupione soczewką | 102 |
Acetylenowo-tlenowy palnik spawalniczy | 104 |
Nagrzewnica indukcyjna powierzchniowa | 2*104 |
Łuk elektryczny | 105 |
Plazmotron | 5*105 |
Laser o pracy ciągłej | 108 |
Wiązka skupionych elektronów | 109 |
Laser w pracy impulsowej | 1015 |
8. Podziały i kryteria stosowane w elektrotermii:
▪ Kryterium konstrukcji:
Urządzenia komorowe:
piece elektryczne, które są przeznaczone do przeprowadzania procesów technologicznych, polegających np. na: przemianie stanu skupienia wsadu (np. piece wytopowe), przemianie jego struktury (np. piece: hartownicze, rafinacyjne, nawęglające) lub na reakcjach chemicznych (np. piece do spalania),
suszarki elektryczne, przeznaczone do procesów polegających na odparowaniu i usunięciu ze wsadu jego ciekłych składników (np. wody, rozpuszczalnika),
cieplarki elektryczne, w których wartość temperatury jest czynnikiem wpływającym na procesy biologiczne takie np. jak: sterylizacja, pasteryzacja, wylęganie, kiełkowanie.
Urządzenia bezkomorowe:
elektryczne narzędzia grzejne (np. żelazko, lokówka, lutownica),
elektryczne przyrządy grzejne (akumulacyjne ogrzewacze wnętrzowe, grzałki),
nagrzewnice elektryczne (np. hartownice indukcyjne, kuchenki mikrofalowe).
▪ Kryterium metody elektrotermicznej – urządzenia i metody:
oporowe, elektrodowe, łukowe, indukcyjne, pojemnościowe, mikrofalowe, elektronowe, plazmowe, fotonowe, jarzeniowe, ultradźwiękowe.
▪ Kryterium rodzaju energii docierającej do wsadu:
nagrzewania bezpośrednie – wsad jest przetwornikiem elektrotermicznym (eliminacja zewnętrznych źródeł ciepła),
nagrzewania pośredniego – wytworzenie ciepła w przetworniku elektrotermicznym, skąd ciepło przenoszone jest do wsadu poprzez konwekcję, kondukcja lub radiację.
▪ Kryterium rozkładu gęstości objętościowej mocy wydzielanej we wsadzie:
nagrzewanie objętościowe – niemożliwe do zrealizowania przy wykorzystaniu płomieniowego sposobu wytwarzania ciepła, moc cieplna wydziela się w całej objętości wsadu,
nagrzewanie selektywne – źródła mocy cieplnej wsadu są rozłożone na jego powierzchniach, w określonych warstwach.
▪ Kryterium końcowego rozkładu temperatury w nagrzewanym wsadzie:
nagrzanie skrośne stosuje się wtedy, gdy celem nagrzewania jest uzyskanie jednakowej temperatury w całej objętości wsadu lub w całych przekrojach wybranych części wsadu. Uzyskuje się to poprzez zastosowanie nagrzewania objętościowego lub selektywnego.
nagrzanie selektywne – źródła mocy cieplnej wsadu są rozłożone na jego powierzchniach,
w określonych warstwach. Stosowane w celu nagrzania wyznaczonych części wsadu.
▪ Kryterium częstotliwości pola elektromagnetycznego:
zerową (f = 0Hz),
zmniejszoną (małą) (0Hz<f<50Hz),
sieciową (f = 50 lub 60Hz),
zwiększoną (średnią) (50Hz<f<104Hz),
wielką (104Hz<f<3*108Hz),
mikrofalową (3*108Hz<f<3*1011Hz),
optyczną (3*1011Hz<f<3*1016Hz).
▪ Kryterium technologii:
Wykorzystywane przy: obróbce cieplnej, cieplno – chemicznej i cieplno – fizycznej, topieniu, drążeniu, rozdzielaniu, łączeniu, suszeniu czy ogrzewaniu materiałów elektrotermicznych.
▪ Kryterium kinetyki wsadu:
nagrzewanie nieprzelotowe,
nagrzewanie przelotowe.
▪ Kryterium środowiska wsadu:
Wyróżnia się nagrzewania: próżniowe, cieczowe, fluidalne, w atmosferze naturalnej lub sztucznej (ochronnej, technologicznej).
▪ Kryterium drogi termokinetycznej nagrzewania pośredniego:
Wyróżnia się nagrzewania: kondukcyjne, konwekcyjne, radiacyjne oraz mieszane: konwekcyjno – radiacyjne lub kondukcyjno – konwekcyjno – radiacyjne.
9. Bilans energetyczny urządzeń elektrotermicznych
- całkowita energia elektromagnetyczna doprowadzona do urządzenia,
- energia elektromagnetyczna występująca poza głównym torem elektrotermicznym,
- energia elektromagnetyczna przeznaczona na procesy grzejne,
- energia strat elektromagnetycznych,
- energia elektromagnetyczna zamieniona na energię cieplną w przetworniku,
- energia strat cieplnych,
- energia cieplna akumulacyjna,
- energia cieplna użyteczna powodująca wzrost energii wewnętrznej wsadu
Podstawą bilansowania energii w urządzeniach elektrotermicznych jest zasada zachowania energii. Suma energii urządzenia i otoczenia pozostaje stała. Moce i energie te są mocami i energiami czynnymi. W każdym urządzeniu elektrotermicznym występują 2 rodzaje energii – monochromatyczna elektryczna oraz cieplna.
10. Materiały ogniotrwale, termoizolacyjne i elektroizolacyjne stosowane w elektrotermii:
▪ Materiały ogniotrwałe – materiały ceramiczne o odporności na działanie wysokich temperatur, ogniotrwałości zwykłej – temperaturze mięknięcia wyrobu ogniotrwałego o kształcie stożka (pirometrycznego) o odpowiednich wymiarach, pod wpływem własnego ciężaru większej niż 1500 ºC.
▪ Podział temperaturowy:
ogniotrwałe (1500 ºC < tzw<1770ºC),
wysokoogniotrwałe (1770 ºC < tzw<2000ºC),
najwyższej ogniotrwałości (tzw>2000ºC).
▪ Podział rodzajowy:
wyroby ogniotrwałe,
materiały ogniotrwałe nieformowane.
▪ Kryterium składu chemiczno - mineralnego:
materiały kwaśne: krzemionkowe – powyżej 85% krzemionki SiO2, glinokrzemianowe – zawierają oprócz SiO2 około 15% Al2O3, cyrkonowe – zawierają 30% – 85% ZrO3,
zasadowe: zawierają powyżej 35% MgO: magnezjowe (>85% 3MgO), magnezytowo – wapienne i magnezytowo – krzemianowe,
obojętne: kwaśno – zasadowe.
▪ Materiały termoizolacyjne – możliwie mała przewodność cieplna właściwa, wykonane z materiałów ceramicznych rozdrobnionych (o strukturze zwartej lub mikroporowatej) lub włóknistych.
▪ Materiały elektroizolacyjne – specjalnie oczyszczone materiały ogniotrwałe, powinny posiadać:
możliwie małą konduktywność γ,
dostateczną wytrzymałość na elektryczne przebicia,
wystarczającą odporność mechaniczną,
wystarczająca odporność na reagowanie chemiczne z przetwornikami elektrotermicznymi.
11. Prądy polaryzacji i konwekcji:
Prąd polaryzacji (przesunięcia) – W przeciwieństwie do prądu elektrycznego nie polega on na przepływie ładunków, jednak pomimo tego również wywołuje wirowe pole magnetyczne. Polega on na ruchu ładunków związanych.
Prąd konwekcji – jest to bezzderzeniowy, uporządkowany ruch ładunków swobodnych, który nie jest powodowany różnicą potencjałów. Przykładem takiego prądu może być: prąd związany z ruchem konwekcyjnym jonów w cieczy, bądź dyfuzją lekkich jonów.
12. Definicje metod elektrotermicznych
Metoda oporowa – polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu elektronowego prądu przewodzenia przez ciało stałe lub ewentualnie (po stopieniu ciała stałego) ciecz, połączone metalicznie (stykowo, galwanicznie) z obwodem, wzdłuż którego przenosi się energia pola elektromagnetycznego stacjonarnego lub przemiennego o częstotliwości 50Hz.
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 elektromagnetycznego stacjonarnego lub przemiennego o częstotliwości 50Hz.
Metoda indukcyjna – polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu indukowanego prądu przewodzenia (prądów wirowych) przez ciało stałe lub ciecz, sprzężone indukcyjnie z obwodem wzdłuż którego przenosi się energia pola elektromagnetycznego przemiennego o częstotliwości od kilku (kilkunastu) Hz do kilkudziesięciu MHz.
Metoda pojemnościowa (dielektryczna) – polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu prądu przesunięcia (polaryzacji) (i ewentualnie prądu przewodzenia) przez ciało stałe lub ciecz, sprzężone pojemnościowo z obwodem poprzez umieszczenie ich w kondensatorze, będącym częścią składową obwodu wzdłuż którego przenosi się energia pola elektromagnetycznego przemiennego o częstotliwości od kilku do kilkudziesięciu MHz.
Metoda łukowa – polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu prądu przewodzenia przez obszar wyładowania łukowego (przez plazmę), występującego w gazie o ciśnieniu atmosferycznym lub w próżni, przy czym obszar wyładowania łukowego jest połączony przy pomocy elektrod z obwodem, wzdłuż którego przenosi się energia pola elektromagnetycznego stacjonarnego lub przemiennego o częstotliwości 50Hz.
Metoda mikrofalowa – polega na wytworzeniu ciepła na skutek przepływu prądu przesunięcia (polaryzacji) (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 lub naprzeciw otwartego końca falowodu.
Metoda fotonowa (laserowa) – polega na wytworzeniu ciepła w ciele stałym lub cieczy poddanych działaniu spójnego, monochromatycznego i mało rozbieżnego fluoroscencyjnego promieniowania elektromagnetycznego: mikrofalowego (masery), podczerwonego (irrasery), świetlnego (lasery) lub ultrafioletowego (UV - lasery), wytworzonego w kwantowych wzmacniaczach promieniowania.
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 stacjonarnego pola elektromagnetycznego.
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 z obwodem lub falowodem (energia pola od kilku do kilku tysięcy MHz).
Metoda ultradźwiękowa – polega na wytworzeniu ciepła w ciele starym poddanym działaniu energii fal mechanicznych o częstotliwościach akustycznych, wytwarzanych w przetwornikach elektromechanicznych (elektro ultradźwiękowych), które połączone są z obwodem (energia pola odpowiada częstotliwościom akustycznym).
Metoda jarzeniowa (jonowa) – polega na wytworzeniu ciepła w obszarze wyładowania jarzeniowego na skutek przepływu prądu przewodzenia oraz we wsadzie pod wpływem uderzających o nie rozpędzonych jonów dodatnich tworzących prąd konwekcyjny.
13. Termokinetyka i formy ruchu ciepła:
Termokinetyka – nauka o ruchu ciepła i o formach jego przepływu.
Główne formy (drogi) przepływu ciepła:
przewodzenie (kondukcja) – przekazywanie energii kinetycznej mikroskopowego ruchu cząstek, zachodzi wewnątrz struktury jednego ciała lub na granicy styku różnych ciał;
unoszenie (konwekcja) – przekazywanie energii cieplnej w wyniku makroskopowych ruchów zachodzących w substancji, tylko ciecze lub gazy, zawsze towarzyszy mu kondukcja, czasami też radiacja,
promieniowanie (radiacja) – przekazywanie energii pomiędzy ciałami lub częściami tego samego ciała za pośrednictwem elektromagnetycznego promieniowania temperaturowego.
14. Temperatura i jej pomiary. Przyrządy do pomiaru temperatury i ich podział:
Temperatura – jedna z podstawowych wielkości fizycznych w termodynamice. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ
i jest miarą tej energii. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej. Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał.
Pomiary temperatury:
pomiar dotykowy (stykowy) – czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego temperaturę mierzymy.
pomiar bezdotykowy (bezstykowy) – poprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało (promieniowanie cieplne) np. długości fali, ilości emitowanej energii przez obiekt.
Przyrządy do pomiaru temperatury:
Termometry |
---|
Stykowe |
Nieelektryczne:
|