pomocne, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA


Typowe urządzenia elektrotermiczne

Elektrotermia

Elektrotermia jest działem nauki i techniki zajmującym się przemianami energii elektrycznej w ciepło do celów użytkowych.

Zawarte w tej definicji ograniczenie obszaru elektrotermii wyłącza z jej pola widzenia przemiany niezamierzone, stanowiące efekt uboczny, co wiąże się ze stratami cieplnymi. Istnieje jeszcze inne ograniczenie o charakterze historycznym, eliminujące z elektrotermii problematykę spawalnictwa elektrycznego oraz zgrzewania rezystancyjnego, a więc problematykę opartą na bezpośrednim przepływie prądu przez elementy zgrzewane. Inne rodzaje zgrzewania, np. prądami wielkiej częstotliwości i ultradźwiękowego, tradycyjnie są włączane do elektrotermii.

Przemiany elektrotermiczne mają charakter autonomiczny lub występują równocześnie z innymi rodzajami przemian energetycznych np. paliw w ciepło bądź energii elektrycznej w inną postać energii. Takie przemiany nazywa się skojarzonymi. Skojarzone mogą być także poszczególne przemiany elektrotermiczne, o ile opierają się na różnych zasadach konwersji energii elektrycznej w ciepło.

Nagrzewanie elektryczne  jest to technika wytwarzania i wykorzystywania ciepła z energii elektrycznej. Problematyka nagrzewania elektrycznego nie ogranicza się więc do technik wytwarzania ciepła z energii elektrycznej, lecz obejmuje także zagadnienia wykorzystywania tego ciepła we wszystkich obszarach działalności człowieka.

Urządzenie elektrotermiczne jest to zespół środków technicznych przeznaczonych do przekształcania energii elektrycznej w ciepło oraz do wykorzystania go w procesach grzejnych. Środkami tymi są człony zasilające, przekształcające, grzejne, załadunku i transportu wsadu, pomiarowe, regulacyjne oraz inne wyposażenie elektryczne i nieelektryczne ułatwiające lub polepszające pracę urządzenia elektrotermicznego. Człony przekształcające służą do przetwarzania energii elektrycznej na taką jej postać, która sprzyja uzyskaniu wymaganego stanu cieplnego, np. określonego pola temperatury, stanu skupienia wsadu itp. Człony grzejne to podstawowe elementy urządzeń elektrotermicznych i w nich dokonuje się przemiana energii elektrycznej w ciepło. Urządzenia elektrotermiczne są jednostkami autonomicznymi - lub jako elementy wyposażenia - wchodzą w skład innych urządzeń i wtedy bywają nazywane elektrycznymi urządzeniami grzejnymi. Nie wyklucza to przypadków, że to samo urządzenie może stanowić jednostkę autonomiczną lub być elementem podstawowym względnie pomocniczym zespołu urządzeń. Stąd też zamienne stosowanie obu tych określeń.

Według kryterium metody nagrzewania wyodrębnia się obecnie 12 metod nagrzewania:

1.Rezystancyjną

Nagrzewanie rezystancyjne (oporowe) jest to nagrzewanie elektryczne wykorzystujące efekt Joule'a w ośrodku przewodzącym stałym, połączonym galwanicznie ze źródłem energii. W nagrzewaniu rezystancyjnym wykorzystuje się prąd przewodzenia polegający na przemieszczaniu się elektronów swobodnych w ośrodku przewodzącym pod wpływem pola elektrycznego. Energia niesiona przez elektrony w czasie przepływu prądu przewodzenia ujawnia się pod postacią energii cieplnej. Może to być wynikiem trzech zjawisk: Peltiera, Thompsona oraz Joule'a-Lenza. Dwa pierwsze zaliczają się do procesów odwracalnych i w elektrotermii majš znaczenie podrzędne, ponieważ towarzyszące im zjawiska cieplne, są na ogół pomijalne. Przy korzystaniu z prądu przemiennego, zjawiska Peltiera i Thompsona nie są w ogóle brane pod uwagę. Moc cieplna wywołaną efektem Joule'a-Lenza jest proporcjonalna do kwadratu prądu w torze

                                   P = RI2

Przy czym R jest rezystancją toru.

Historia rozwoju tej metody nagrzewania wyprzedza zasady, które leżš u jej podstaw. Jak wiadomo prawo Ohma sformułowane zostało w 1827 r. zaś Joule'a-Lenza w 1842 r., a już w 1801 r. L. Tenar przeprowadził doświadczenie polegające na nagrzewaniu prądem elektrycznym drutu platynowego. W sześć lat później Anglik G. Davy skonstruował pierwsze laboratoryjne urządzenie rezystancyjne komorowe z nagrzewaniem bezpośrednim wsadu. Przemysłowe zastosowania tej metody rozpoczęły się w latach 80-tych ubiegłego wieku. Za ich prekursora uważa się Amerykanina A.H. Cowlessa, który zastosował metodę nagrzewania rezystancyjnego bezpośredniego do topienia rud miedziowo-cynkowych (1884). Równocześnie zaczęto wykorzystywać tę metodę do celów bytowych. Pojawiły się pierwsze ogrzewacze, których szerszemu upowszechnieniu przeszkadzała cena energii elektrycznej, wyższa 4-5 krotnie od energii gazowej. Tym nie mniej wyposażono w takie ogrzewacze m.in. wagony powstających wówczas pierwszych kolei podziemnych. W 1881 r. na międzynarodowej wystawie elektrotechnicznej w Paryżu pojawiły się pierwsze narzędzia i przyrządy grzejne powszechnego użytku, szybko rozwijane w latach następnych. Istotne zasługi mają w tym zakresie Lane-Fox, Rosę, Jiillig, Edison, Wilke. W tym też okresie należy upatrywać źródeł tradycji, która ukształtowała zakres nagrzewania rezystancyjnego.

2.Promiennikową

Ogólna charakterystyka metody

Nagrzewanie promiennikowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na zjawisku promieniowania temperaturowego i luminescencyjnego emitowanego przez specjalnie do tego celu zbudowane źródła promieniowania. Promieniowanie temperaturowe i luminescencyjne wiąże się z przemianą energii cieplnej w energię promieniowania w źródle promieniowania (inkadescencja), z jej przesyłem za pośrednictwem fal elektromagnetycznych do odbiornika, a następnie z absorbcją i przemianą w energię cieplną w odbiorniku promieniowania. Tej dwukrotnej konwersji energii towarzyszy jeszcze jedna, a mianowicie przemiana energii elektrycznej w cieplną w źródle promieniowania. Źródło to może emitować wyłącznie promieniowanie temperaturowe, temperaturowe i luminescencyjne bądź wyłącznie luminescencyjne (przypadek rzadko spotykany). Nagrzewanie promiennikowe jest więc formą nagrzewania pośredniego. Źródłem energii jest promiennik elektryczny specjalnie wykorzystywany w celu emisji i kierowania w żądanym kierunku tego promieniowania. Jest to promieniowanie podczerwone lub z dominującym jego udziałem względnie nadfioletowe z udziałem innych zakresów widma. Promienniki przekazują energię do otoczenia nie tylko przez radiację, lecz także częściowo przez kondukcję i konwekcję, przy czym udział radiacji w tej wymianie - na zasadzie umowy - nie powinien być mniejszy od 50%. Jeśli chodzi o promienniki nadfioletu, to bezpośrednio wykorzystuje się nietermiczne oddziaływanie tego zakresu promieniowania, przy czym ciepło jest czynnikiem zawsze towarzyszącym, lecz niekoniecznie niezbędnym. Wyjaśnienia wymaga również potraktowanie nagrzewania promiennikowego jako wyodrębnionego działu elektrotermii zwłaszcza, że wielu autorów dział ten włącza do nagrzewania rezystancyjnego. Za jego wyodrębnieniem przemawiają zarówno istotnie odmienne rozwiązania konstrukcyjne znacznej części urządzeń promiennikowych w porównaniu z rezystancyjnymi jak i konieczność zaliczenia do źródeł promieniowania także lamp wyładowczych, a więc promienników działających na innej zasadzie aniżeli przetworniki rezystancyjne. Powszechnie utożsamia się też nagrzewanie promiennikowe z nagrzewaniem podczerwienią. Jest to pogląd jedynie częściowo słuszny, bowiem promieniowanie widzialne, które często ma znaczący udział w całkowitej mocy emitowanej przez promiennik też może być absorbowane przez wsad i zamienione na ciepło. Z kolei żarówki zaliczane do źródeł światła w rzeczywistości emitują większą moc w zakresie podczerwieni i dlatego bywają niekiedy używane w charakterze promienników podczerwieni.

3.Elektrodową

Ogólna charakterystyka metody

Nagrzewanie elektrodowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na wydzielaniu ciepła przy przepływie prądu przez ośrodek ciekły połączony ze źródłem energii za pośrednictwem elektrod.

Temperatury topnienia ciekłych ośrodków grzejnych zawarte są w "bardzo szerokim przedziale. Jeżeli temperatury te są wyższe od temperatury otoczenia lub gdy ośrodki grzejne w stanie stałym są złymi przewodnikami prądu, niezbędne jest wstępne ich rozgrzanie do temperatury przewodzenia inną metodą grzejną. Najczęściej spotykanymi ośrodkami grzejnymi są: woda, sole, szkło, elektrolity, roztwory wodne, żużle. Celem nagrzewania elektrodowego jest bezpośrednie dostarczenie energii do ośrodka ciekłego lub za jego pośrednictwem do umieszczonych w nim ciał (substancji), nie wykluczając elektrod. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z nagrzewaniem bezpośrednim, w drugim - z pośrednim. Oba te sposoby mogą niekiedy występować równocześnie, co nie zawsze jest pożądane.

Elektrody są elementami pośredniczącymi w przekazywaniu energii elektrycznej do ciekłego ośrodka grzejnego i stykają się z nim bezpośrednio. Styk może mieć charakter konstrukcyjny lub funkcjonalny. Styk konstrukcyjny realizowany jest przez częściowe, a niekiedy całkowite zetknięcie elektrody z ośrodkiem ciekłym, utrzymywanym w zbiorniku. Bywa także realizowany przez wykonanie części względnie całego zbiornika w taki sposób i z takich materiałów, że stanowi on elektrodę. Styk funkcjonalny istnieje tylko wówczas, gdy przepływający ośrodek ciekły zamyka obwód prądowy. Elektrody mogą pełnić wyłącznie rolę doprowadzeń prądowych, mogą być dodatkowo wykorzystywane w charakterze reagenta, a także wsadu poddawanego przeróbce. Konwersja energii elektrycznej w ciepło jest głównie wynikiem efektu Joule'a. W niektórych technologiach efekt ten bywa wspomagany ciepłem pochodzącym z reakcji egzotermicznych. Nagrzewanie elektrodowe jest procesem autonomicznym bądź skojarzonym z towarzyszącymi mu przemianami chemicznymi względnie metalurgicznymi.

Nagrzewanie elektrodowe - w zależności od technologii - realizuje się w sposób ciągły, okresowy lub przerywany. W przypadku używania ciekłych ośrodków grzejnych, nie zachowujących stanu ciekłego w temperaturze otoczenia, korzystniejszym sposobem prowadzenia procesu jest praca ciągła. .Unika się wówczas trudności w fazie rozruchu urządzenia. Człony grzejne tych urządzeń to piece, a w szczególności pewne ich odmiany: kotły i wanny. Do ich zasilania stosuje się napięcie wyłącznie stałe, wyłącznie przemienne o częstotliwościach sięgających 8000Hz, a także w pewnych, przypadkach napięcie zmienne.

W celu bardziej szczegółowego omówienia metody elektrodowej oraz urządzeń budowanych do realizacji tego sposobu nagrzewania posłużymy się kryterium zastosowań. Wybór ten podyktowany jest daleko posuniętą specjalizacją poszczególnych rodzajów urządzeń elektrodowych, uzależnioną przede wszystkim od ich przeznaczenia. Czynnik ten w zasadniczy sposób rozstrzyga też o zróżnicowaniu podstaw teoretycznych metody w każdej kategorii zastosowań w stopniu umożliwiającym tylko niewiele uogólnień. Uogólnienia te ograniczają się do problemów polowych w wannach do nagrzewania szkła i soli.

4.Łukową

Zasady nagrzewania łukowego

Nagrzewanie łukowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na efekcie Joule'a w gazach dopływających swobodnie do przestrzeni wyładowczej. Prace dotyczące wykorzystania łuku elektrycznego do celów technologicznych rozpoczęły się w połowie XIX wieku, kiedy to Francuz Marcel Deprez zbudował pierwsze laboratoryjne urządzenie łukowe do topienia materiałów ogniotrwałych. Spośród badaczy tworzących podwaliny tej metody nagrzewania należy ponadto wymienić:

Ograniczając się do przedstawienia jedynie niektórych badaczy, tworzących w wieku XIX podstawy techniki elektrotermicznej opartej na łuku elektrycznym, warto w tym miejscu wspomnieć o początkach jej rozwoju na ziemiach polskich. Otóż już w r. 1898 uruchomiono w Ząbkowicach urządzenie do wytwarzania karbidu, o gigantycznej, jak na owe czasy, mocy - 1100kW .

Wiek XX wraz ze wzrostem produkcji energii elektrycznej przynosił nowe rozwiązania i rozszerzanie zakresu zastosowania metody łukowej, przy czym główne wysiłki badaczy ukierunkowane były na produkcję stali w piecach łukowych oraz żelazostopów i karbidu w piecach łukowo-rezystancyjnych. W dobie dzisiejszej piec łukowy do produkcji stali jest, obok konwertora tlenowego, podstawowym agregatem metalurgicznym. W skali globalnej w piecach łukowych wytwarzało się w 1987 r. 26,5% stali, przy czym w większej części była to stal wysokiej jakości. Niektóre kraje oparły produkcję tego stopu w bardzo dużym stopniu, a nawet wyłącznie na piecach elektrycznych, wśród których dominują piece łukowe (Dania, Irlandia, Nowa Zelandia w 100%, Wenezuela - 84,9% Hiszpania - 58,4%, Norwegia - 56,9%, Włochy - 51,8%, Szwecja - 49,4%, Argentyna - 46,5%, Turcja - 44,9%, USA - 37,7%, Bułgaria - 35%). Nic też dziwnego, że stalownicze urządzenia łukowe osiągnęły ogromne pojemności i moce. Funkcjonują już urządzenia o mocach 200 MV-A z piecami o pojemnościach 360Mg.

Klasyczne urządzenia i procesy łukowe ulegają na przestrzeni lat 1970-90 daleko idącym przemianom. Wprowadzane są technologie tzw. pozapiecowej obróbki stali, których pewna część oparta jest także na wykorzystaniu ciepła łuku elektrycznego wytwarzanego w kadziach. Nie są też pozbawione podstaw perspektywy eliminacji wielkich pieców oraz oparcia produkcji stali w jeszcze większym stopniu na piecach łukowych, w których przetapiany byłby produkt bezpośredniej redukcji wsadu żelazodajnego, czyli tzw. żelazo gąbczaste o zawartości około 96% Fe, otrzymywane przy użyciu helu pod ciśnieniem 20 MPa w temperaturze rzędu 1000°C, stanowiącego czynnik chłodzący reaktory wysokotemperaturowe (HTR). Projekty tego rodzaju stalowni istnieją już od dawna. Jeśli dodać do tego ciągły wzrost produkcji żelazostopów, będących m.in. składnikami wsadowymi przy produkcji stali jakościowych, to należy uznać metodę łukową w wersji autonomicznej, jak i skojarzonej (łukowo-rezystancyjno-elektrodowej) za technikę o wielkich perspektywach rozwojowych.

5.Indukcyjną

Zasady nagrzewania indukcyjnego

Nagrzewanie indukcyjne jest to nagrzewanie elektryczne polegające na generacji ciepła przy przepływie prądów wirowych wywołanych zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej w elementach sprzężonych magnetycznie.

W 36 lat po sformułowaniu przez Faradaya praw indukcji, S. Ferranti zaproponował konstrukcję pieca elektrycznego, w czym prawa te okazały się pomocne (1887 r.). Idea Ferrantiego polegała na potraktowaniu wtórnego uzwojenia transformatora jako wsadu poddawanego topieniu po umieszczeniu go w rynnie ceramicznej. Uzwojenie pierwotne układu tego rodzaju, czyli tzw. wzbudnik, było podzielone i umieszczone pod i nad rynną z metalem. Rozwiązanie Ferrantiego zostało ulepszone przez A. Colby'ego (1890 r.) oraz F. Kjellina (1899 r.), którego często uważa się za twórcę pierwszego pieca indukcyjnego nazywanego piecem Kjellina. W roku 1918 W. Rohn buduje indukcyjny piec próżniowy. Wszystkie te piece należały do kategorii rdzeniowych, tzn. zapewniających sprzężenie magnetyczne wzbudnika ze wsadem za pośrednictwem rdzenia, tak jak w transformatorach. Wiadomo, że efekt przenoszenia energii ze wzbudnika do wsadu zwiększa się przy wzroście częstotliwości, co umożliwia zmniejszenie wymiarów rdzenia lub całkowitą z niego rezygnację. Mając to na uwadze, E. Northrup patentuje w 1916 r. pierwszy piec bezrdzeniowy. Jego pełną teorię opracował W. Esmarch 10 lat później.

Jednocześnie z pracami dotyczącymi wykorzystania zjawiska indukcji elektromagnetycznej do topienia, rozwijano badania nad nagrzewaniem wsadów bez zmiany ich stanu skupienia. Pierwsze zastosowania przemysłowe z tego zakresu dotyczyły nagrzewania w procesie wytwarzania obręczy kół i są przypisywane Dewey'owi (1889 r.). W roku 1926 V.P. Wołogdin wprowadza tę technikę do hartowania powierzchniowego wsadów prądami wielkiej częstotliwości wykorzystując zjawisko naskórkowości. W roku 1932 - stosując patenty F. Denneena i W. Dunna - rozwiązano zagadnienie hartowania powierzchniowego prądami średniej częstotliwości łożysk wałów korbowych. Największy jednak rozwój techniki nagrzewania indukcyjnego w procesach topienia, obróbki cieplnej powierzchniowej, objętościowej (skrośnej) oraz w wielu innych dziedzinach przypada na lata po II wojnie światowej. Nowymi impulsami w tym dziale elektrotermii stały się wynalazki z zakresu energoelektroniki, a zwłaszcza tyrystory i tranzystory dużej mocy stosowane do budowy wysokosprawnych źródeł energii o częstotliwościach dostosowanych do wymagań procesu technologicznego.

6.Pojemnościową

Zasady nagrzewania pojemnościowego

Nagrzewanie pojemnościowe jest to nagrzewanie elektryczne związane z efektami polaryzacji i przewodnictwa w ośrodkach dielektrycznych i półprzewodnikowych, do których energia elektromagnetyczna wielkiej częstotliwości jest doprowadzana za pośrednictwem elektrod.

Pierwszym badaczem, który dostrzegł i wyjaśnił nagrzewanie się dielektryka w kondensatorze był W. Siemens (1864 r.). Dopiero jednak w 1929 r. opracowane zostały przez P. Debye'a pełne podstawy tej przemiany energii, z wykorzystaniem pojęcia elektrycznego momentu dipolowego dielektryka. Znaczne zasługi w tym zakresie ma także K.W. Wagner, który doszedł do podobnych wniosków końcowych już w 1914 r., posługując się jednak mniej przekonywającym sposobem dowodzenia. Pierwsze praktyczne wykorzystanie efektu polaryzacji należy przypisać R. von Zeyneckowi. W roku 1899 zastosował on prąd o częstotliwości 200 kHz w diatermii. Innym badaczem, który tworzył podstawy nagrzewania pojemnościowego jest A. Esau - twórca lamp nadawczych dużej mocy (1925 r.). Zbudował on zaawansowane technicznie pojemnościowe urządzenia terapeutyczne i pierwsze urządzenia do zastosowań technologicznych (suszenie wyrobów tekstylnych i środków spożywczych, klejenie drewna). Początkowy okres rozwoju tej metody zamyka M. Descarsin (1946 r.), który wprowadzają do nagrzewania materiałów ceramicznych.

Nagrzewanie pojemnościowe, nazywane niekiedy dielektrycznym (termin mniej precyzyjny, wobec stosowania tej metody także do nagrzewania półprzewodników), jest efektem różnych rodzajów polaryzacji. Efekt nagrzewania wzmacniają niekiedy zjawiska przewodnictwa jonowego, elektronowego i dziurowego. Zasadne mogłoby się więc wydawać oddzielne rozważenie “czystej" metody pojemnościowej, związanej wyłącznie z polaryzacją oraz metod nagrzewania skojarzonego, wtedy gdy efektom tym towarzyszy zjawisko Joule'a, np. w ośrodkach stałych bądź ciekłych. Tego rodzaju podejście nie przyjęło się, a kompleksowość ujęcia użytkowych efektów cieplnych polaryzacji i Joule'a pod wspólną nazwę nagrzewania pojemnościowego znalazła swój wyraz w teorii tej metody.

7.Mikrofalową

Zasady nagrzewania mikrofalowego

Nagrzewanie mikrofalowe jest to nagrzewanie elektryczne związane z efektem polaryzacji w ośrodkach dielektrycznych i półprzewodnikowych, do których energia elektromagnetyczna wielkiej częstotliwości doprowadzana jest falowodem.

Nagrzewanie mikrofalowe stanowi rozwinięcie nagrzewania pojemnościowego, jednak różnice między tymi metodami są na tyle istotne, że są one traktowane rozłącznie. Istota tych różnic jest zawarta już w definicjach obu metod. Otóż w przypadku nagrzewania mikrofalowego za efekty cieplne jest odpowiedzialne wyłącznie zjawisko polaryzacji i odmienny jest sposób doprowadzania energii w.cz. Ten drugi czynnik w połączeniu ze znacznie większą częstotliwością sprawia, że konstrukcja urządzeń pojemnościowych i mikrofalowych różni się zasadniczo.

Pierwsze zastosowanie mikrofal do celów grzejnych należy przypisać Amerykaninowi Pery Spencerowi, który zbudował piec mikrofalowy już w 1945 r., czyli w 5 lat po wynalezieniu magnetronu wielownękowego .

Z zakresu częstotliwości mikrofalowych (0,3 - 300 GHz) wydzielono siedem pasm dla mikrofalowych urządzeń grzejnych .Najbardziej rozpowszechnione są urządzenia pracujące w paśmie II, a to głównie z uwagi na niskie koszty generatorów pracujących z tą częstotliwością, które są produkowane w bardzo dużych seriach. Prace nad wykorzystaniem najwyższych częstotliwości, zwłaszcza w technologiach wytwarzania spieków, są jeszcze w stadium badań.

8.Plazmową

Zasady nagrzewania plazmowego

Nagrzewanie plazmowe jest to nagrzewanie elektryczne polegające na wykorzystaniu energii strumienia plazmy niskotemperaturowej.

Wyjaśnienie zasady tej metody nagrzewania wymaga przytoczenia przynajmniej kilku podstawowych informacji o właściwościach plazmy, a zwłaszcza ojej niskotemperaturowej odmianie. Otóż plazmą nazywa się mieszaninę obojętnych elektrycznie cząstek gazowych z równolicznymi ładunkami ujemnymi i dodatnimi o pewnej minimalnej koncentracji, zajmującą obszar o wymiarze liniowym większym od tzw. promienia Debeya.

Plazma według energetycznego kryterium klasyfikacji bywa uważana za czwarty - po stałym, ciekłym i gazowym - stan materii. Każdy z tych stanów charakteryzuje energia wiązania i energia kinetyczna cząstek materii. Dany stan istnieje tylko wtedy, gdy średnia energia kinetyczna cząstek materii jest mniejsza niż energia wiązania charakterystyczna dla tego stanu. Jeśli rozważać dostatecznie liczny zbiór cząstek, to przejście od jednego do drugiego stanu następuje zwykłe stopniowo. W takiej sytuacji jest wykluczone istnienie wyraźnej granicy między kolejnymi stanami zwłaszcza, że w każdym gazie, także o bardzo niskiej temperaturze, może znajdować się nieliczna liczba cząstek naładowanych elektrycznie. Z tego względu umownie przyjęto uważać za stan plazmowy taką mieszaninę neutralnych cząstek gazowych z cząstkami naładowanymi elektrycznie, która ma dostatecznie dużą konduktywność elektryczną. Stan taki jest osiągany już przy niewielkiej koncentracji ładunków elektrycznych (elektronów, jonów ujemnych i dodatnich, uzyskiwanych w wyniku jonizacji atomów oraz tworów wieloatomowych). Wystarcza jedna para elektron-jon na 100000 cząstek neutralnych, by mieszanina taka stała się niezłym przewodnikiem, co uzasadnia zaliczenie jej do plazmy .
 Progowa wartość energii kinetycznej, po przekroczeniu której materia zaczyna przechodzić w stan plazmy, jest rzędu 0,2eV. Jest ona mniejsza od minimalnej wartości energii jonizacji, która charakteryzuje pary cezu (3,88eV). Wartość ta jest związana z istnieniem tzw. jonizacji kumulatywnej (stopniowej, schodkowej), której ulegają wzbudzone atomy pozostające w stanach metastabilnych. Przechodzenie w stan plazmy kończy się, gdy z atomów oderwane zostają ostatnie elektrony zlokalizowane na powłokach najbliższych jądra atomu. Wiąże się to z energią jonizacji o wartości 2 MeV. Oderwanie od atomu pierwszego, najsłabiej z nim związanego elektronu, nazywa się jonizacją jednokrotną. Oderwanie następnych, już znacznie silniej związanych elektronów, nazywa się jonizacją wielokrotną. Po oderwaniu wszystkich elektronów uzyskuje się mieszaninę wolnych jąder i elektronów zwaną nugazem, w której wartości energii wiązania są zawarte w przedziale 2 - 200MeV. Jonizacja nie jest jedyną drogą do wytwarzania plazmy. Może jej towarzyszyć także dysocjacja molekuł, której produktami oprócz molekuł obojętnych są wzbudzone lub zjonizowane atomy oraz jony molekularne. Jony ujemne są zwykle komponentami plazmy występującymi w niewielkiej ilości. Powstawanie jonów ujemnych wiąże Się z paradoksalnym efektem równoważnym zmniejszaniu się koncentracji cząstek naładowanych i w konsekwencji także ze zmniejszaniem się konduktywności elektrycznej plazmy. O wartości konduktywności decyduje bowiem koncentracja elektronów, powstanie zaś ciężkich, mało ruchliwych jonów ujemnych, kosztem liczby elektronów, zmniejsza wartość konduktywności. Wynikająca z definicji plazmy równa ilość ładunków ujemnych i dodatnich w mieszaninie z cząstkami neutralnymi dotyczy pewnego minimalnego obszaru w dostatecznie dużym przedziale czasu. Obszar ten, określony promieniem Debeya, rozumiany jest jako kulista chmura ładunków różnoimiennych, lecz tak rozłożonych, że bliżej środka tej kuli znajdują się ładunki o znaku przeciwnym do ładunku w samym centrum. W ten sposób jest ekranowane pole, jakie ładunek ten wytwarza. Jeśli mówi się o plazmie, zwykle ma się na uwadze obszar znacznie większy od obszaru określonego promieniem Debeya, mimo że już w odległości równej dwukrotnej wartości tego promienia pole ładunku punktowego jest praktycznie całkowicie wytłumione. Promień Debeya charakteryzuje ważną właściwość plazmy, polegającą na osłanianiu się przed wpływem pól zewnętrznych dla utrzymania neutralności wewnątrz obszaru plazmowego.

Zwykle wyróżnia się dwa rodzaje plazmy: niskotemperaturową i wysokotemperaturową. Tę pierwszą znamionuje niewielki stopień koncentracji ładunków elektrycznych i średnie energie kinetyczne jej najlżejszych cząstek, tzn. elektronów, nie przekraczające 20eV. Ten właśnie rodzaj plazmy znajduje zastosowanie w technologiach elektrotermicznych. W plazmie wysokotemperaturowej mamy do czynienia z materią o wysokim stopniu jonizacji oraz z energiami kinetycznymi elektronów większymi niż 20eV.

9.Elektronową

Zasady nagrzewania elektronowego

Nagrzewanie elektronowe jest to nagrzewanie elektryczne polegające na powstawaniu ciepła w wyniku pochłaniania przez wsad energii kinetycznej wiązki elektronowej przyspieszanej w polu elektrycznym . Wiązka elektronowa jest nośnikiem energii o niektórych parametrach nie osiągalnych innymi metodami i dzięki temu jest wykorzystywana na zasadzie wyłączności w pewnej liczbie procesów technologicznych, zwanych elektronowiązkowymi. Istota tych procesów polega na zamianie energii kinetycznej elektronów na ciepło, energię promieniowania rentgenowskiego, energię wzbudzenia, jonizacji, dysocjacji cząstek itp. Udział energii cieplnej w wytworzonych formach energii zmienia się w granicach od kilku do ponad 90% i zależy od gęstości mocy wiązki elektronowej oraz rodzaju materiału, na który ona oddziałuje. Te właśnie procesy - zwane cieplnymi - są interesujące z punktu widzenia elektrotermii. Mechanizm nagrzewania elektronowego polega na przekazywaniu energii kinetycznej elektronów - nazywanych pierwotnymi, które wnikają we wsad na bardzo małą głębokość, ponieważ już w niewielkiej odległości od powierzchni wsadu tracą swoją energię w wyniku zderzeń z materią wsadu. Są to zderzenia sprężyste i niesprężyste. Te pierwsze są zderzeniami z jądrami atomów wsadu i prowadzą do rozpraszania elektronów pierwotnych, natomiast te drugie to zderzenia z elektronami, które nie tylko skutkują zmianą kierunku ruchu elektronów pierwotnych, lecz także zmniejszeniem ich energii. Rozpraszanie wiązki elektronowej jest zagadnieniem bardzo złożonym, obejmującym wiele procesów zależnych m.in. od energii elektronów pierwotnych oraz ich kąta padania, liczb atomowych pierwiastków wsadu, gęstości wsadu. Wskutek licznych zderzeń energia elektronu pierwotnego maleje do wartości niewystarczającej do wzbudzenia czy jonizacji atomu, a tym samym proces penetracji elektronu szybko ulega zakończeniu.

10.Fotonową

Zasady nagrzewania laserowego

Nagrzewanie laserowe jest to nagrzewanie elektryczne polegające na pochłanianiu promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez lasery, których ośrodki aktywne wzbudzane są kosztem energii elektrycznej. W obszarze aplikacji technologicznych i medycznych prawie wyłącznie jest stosowany ten sposób wzbudzania ośrodków aktywnych.

Laser jest generatorem i wzmacniaczem kwantowym spójnej, monochromatycznej i mało rozbieżnej wiązki promieniowania elektromagnetycznego z zakresu od fal y do dalekiej podczerwieni. Początkowo nazywano tak urządzenia emitujące promieniowanie zakresu widzialnego, później także urządzenia pracujące w zakresie nadfioletu (UF--lasery), podczerwieni (IR-lasery) oraz w zakresie promieniowania X (lasery rentgenowskie) i y (grasery). Spośród urządzeń tego rodzaju w zakresie mikrofalowym są używane ponadto masery, które zachowały pierwotnie nadaną im nazwę. Są one wykorzystywane głównie w telekomunikacji.

Historia praktycznych zastosowań laserów do celów termicznych liczy około 25 lat. Stało się to możliwe po skonstruowaniu w 1960 r. przez T.H. Maimana pierwszego generatora i wzmacniacza promieniowania widzialnego nazywanego początkowo maserem optycznym, a następnie laserem rubinowym, generującym promieniowanie widzialne o długości /l = 0,694 u.m. W laserze tym rubin jest tzw. ośrodkiem aktywnym, w którym rozwijana jest akcja laserowa. Od tego czasu zbudowano tysiące różnych laserów z różnymi innymi ośrodkami aktywnymi stałymi, ciekłymi i gazowymi pracującymi zarówno impulsowo, jak i w sposób ciągły, lecz tylko część z nich jest stosowana do celów, w których wykorzystuje się ciepło powstające w wyniku pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez lasery. Większość laserów jest wykorzystywana w łączności, w metrologii, geodezji i kartografii, w optycznym przetwarzaniu informacji, w badaniach środowiska naturalnego i w wielu innych dziedzinach.

Współczesne technologiczne urządzenia laserowe coraz bardziej zaczynają upodabniać się do innych urządzeń elektrotermicznych przede wszystkim pod względem parametrów energetycznych. W komercyjnych urządzeniach laserowych do celów technologicznych generuje się już moce ciągłe o wartościach rzędu kilkudziesięciu kilowatów, przy typowych sprawnościach wynoszących kilkanaście procent, a w najnowszych rozwiązaniach dochodzących do 60%. Moc najpotężniejszych badawczych gazodynamicznych laserów o pracy ciągłej osiągnęła l MW, przy czym jednostkowe ich wersje przemysłowe (m.in. spawanie blach okrętowych) już w 1977 r. osiągnęły moc 100 kW. Oczywiście znacznie większe moce uzyskuje się przy pracy impulsowej. Sięgają one 1000 TW (czas impulsu l ps, energia l kJ - laser z ĆPA uruchomiony w 1996 r. w Lawrence Livermore Laboratory - USA). Sprawia to, że przy możliwości koncentrowania tej mocy na niewielkiej powierzchni urządzenie laserowe zajmuje wyjątkową pozycję w grupie urządzeń do konwersji energii elektrycznej w ciepło. Istnieją ponadto możliwości korzystania z systemów multilaserowych, co jest szczególnie atrakcyjne zwłaszcza w badaniach nad syntezą termojądrową. Wprowadza się także pierwsze wysoko sprawne multilaserowe konstrukcje typu matrycowego przeznaczone do obróbki cieplnej. Zasada działania lasera polega na wykorzystaniu przewidzianego teoretycznie przez A. Einsteina zjawiska emisji wymuszonej, czyli uporządkowanego oddziaływania fotonów ze wzbudzonymi atomami, jonami lub molekułami. Warunkiem powstania takiego oddziaływania jest przede wszystkim równość energii fotonu wzbudzającego z nadwyżką energii wymienionych cząstek w odniesieniu do stanu energetycznego jaki możliwy jest do osiągnięcia po oddaniu tej nadwyżki. W pewnych przypadkach oznacza to bezpośredni, a w innych pośredni powrót tych cząstek do podstawowego stanu energetycznego. Oddziaływanie takie jest więc możliwe po uprzednim podwyższeniu energii tych cząstek, a więc doprowadzenia ich do tzw. stanu wzbudzenia, czyli do inwersji obsadzeń elektronów na orbitach atomów. Uporządkowanemu oddziaływaniu fotonów z atomami, jonami i molekułami, czyli emisji wymuszonej, przeciwstawić trzeba emisję spontaniczną, która zawsze towarzyszy emisji wymuszonej lub występuje samodzielnie, np. pod postacią promieniowania cieplnego. Ten rodzaj promieniowania polega na emisji impulsów, nazywanych ciągami falowymi, które są generowane przez pojedyncze mikroukłady kwantowe (atomy, jony, molekuły), lecz w sposób nieuporządkowany. Każdy taki mikroukład emituje foton w sposób przypadkowy i od siebie niezależny. Ponadto zbiór takich mikroukładów, jaki tworzy ośrodek emitujący promieniowanie cieplne jest źródłem fal o różnej długości.

11.Jonową

Zasady nagrzewania jarzeniowego

Nagrzewanie jarzeniowe jest to nagrzewanie elektryczne polegające na wykorzystaniu niskociśnienieniowego anormalnego wyładowania jarzeniowego jako źródła ciepła oraz aktywatora procesów fizycznych i chemicznych przy wytwarzaniu oraz modyfikacji warstw wierzchnich. Jest to metoda konwersji energii elektrycznej, którą kilka cech czyni podobną do metody plazmowej. Z tych też względów, w wielu dziedzinach nauki i techniki, przyjęło się nazywać ją także metodą plazmową. Warto jednak pamiętać, że właściwości wyładowania jarzeniowego są inne aniżeli znamionujące plazmę równowagową i wobec tego wyodrębnienie zastosowań tego szczególnego rodzaju plazmy, jakim także jest wyładowanie jarzeniowe, znajduje uzasadnienie. Metoda ta jest stosowana prawie wyłącznie w dziedzinie inżynierii powierzchni do wytwarzania warstw wierzchnich o innych niż rdzeń (podłoże) właściwościach. Duża część znanych aplikacji metody dotyczy wytwarzania warstw na podłożu metalowym, lecz wytwarza się je też na półprzewodnikach i dielektrykach. Są to techniki nowe i jak często w takich przypadkach bywa, nie w pełni jeszcze ukształtowane pod względem terminologicznym. Nazywa się je nie tylko plazmowymi, lecz także jonowymi, co może powodować różne ich usytuowanie w systemach klasyfikacyjnych. Realizuje się je zarówno w układach elektrodowych, jak i bezelektrodowych. Wyładowanie jarzeniowe należy do kategorii wyładowań samoistnych, do których zalicza się ponadto wyładowanie Townsenda, część wyładowań ciemnych, wyładowanie koronowe, podnormalne i normalne wyładowanie jarzeniowe oraz łukowe wraz z wyładowaniem w obszarze przejściowym, w którym łuki ulegają rozwinięciu. W obszarze wyładowania jarzeniowego rozkłady napięcia, natężenia pola elektrycznego, gęstości prądu elektronowego i jonowego są nierównomierne. W układach elektrodowych przy zasilaniu prądem stałym oraz impulsowym jednostronnym występuje duży katodowy spadek napięcia wywołany ładunkiem przestrzennym jonów dodatnich zgromadzonych przy katodzie. Spadek napięcia przy anodzie, zależny od ładunku przestrzennego znajdujących się tam elektronów, jest znacznie mniejszy niż przy katodzie. Podczas wyładowania jarzeniowego występują efekty świetlne. Z uwagi na nierównomierny rozkład ładunków przestrzennych i związany z tym nierównomierny rozkład natężenia pola elektrycznego w przestrzeni międzyelektrodowej, jaskrawość świecenia, czyli luminancja, w obszarze wyładowania jest zróżnicowana. Wyładowanie jarzeniowe może się oczywiście odbywać w warunkach zasilania prądem przemiennym. Strefy anodowa i katodowa, a wraz z nimi strefy o małej i dużej luminancji, ulegają wtedy cyklicznym przemieszczeniom i z powodu dużej szybkości tych zmian uzyskuje się efekt równomiernego i ciągłego świecenia gazu w całym obszarze wyładowania. Przy pobudzaniu wielką częstotliwością wyładowanie jarzeniowe wytwarzane jest także w układach charakterystycznych dla nagrzewania indukcyjnego (10 - 50kHz), pojemnościowego (zwykle 13,56MHz) oraz mikrofalowego (np. 2,45GHz). Do celów technologicznych stosuje się przede wszystkim wyładowanie jarzeniowe anormalne, przy gęstościach prądów mniejszych od odpowiadających punktowi G na charakterystyce napięciowo-prądowej. W wyładowaniu jarzeniowym dominują zjawiska jonizacji zderzeniowej objętościowej oraz jonizacji powierzchniowej wywołanej jonami. Przejściu od wyładowania niesamoistnego do samoistnego towarzyszy nagły wzrost natężenia prądu i pojawienie się świecenia gazu.

Plazma utworzona w wyniku wyładowania jarzeniowego zawiera elektrony o średniej energii 1-10 e V, co odpowiada temperaturze l O4 - l O5 K i koncentracji 1015 - 1018 elektronów/m3. Temperatura tych elektronów jest 10 - 100 razy wyższa od temperatury gazu. Możliwe jest więc prowadzenie reakcji chemicznych nawet w temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia (fakt ten wykorzystuje się do wytwarzania np. polimerów plazmowych). Jest to więc plazma nieizotermiczna, utrzymująca się wskutek ciągłego pobierania energii z pola elektrycznego. Wprawdzie elektrony i jony pobierają z pola jednakowe ilości energii, lecz elektrony tracą w zderzeniach z cząstkami gazu znacznie mniejszą jej część niż jony i wskutek tego powstaje podana wyżej różnica temperatur. Jej wartość zależy od ciśnienia. Częstość zderzeń elektronów z jonami i cząstkami neutralnymi gazu oczywiście rośnie w miarę wzrostu ciśnienia, co w konsekwencji prowadzi już poza obszarem charakterystycznym dla nagrzewania jarzeniowego do zrównania się energii poszczególnych składników i wytworzenia plazmy równowagowej .

W typowych warunkach wyładowania jarzeniowego jonizacja nie przekracza kilku procent, a często jej stopień jest znacznie mniejszy. Spośród tworzących plazmę jonów, elektronów, cząstek wzbudzonych, atomów i cząsteczek gazów, jony przenoszą tylko ok. 10% energii. Tym niemniej odgrywają one ważną rolę w tworzeniu się warstwy wierzchniej. W celu intensyfikacji ich oddziaływania tworzy się często warunki umożliwiające bombardowanie nimi obrabianej powierzchni, np. przez wytworzenie na niej potencjału ujemnego. Najprościej realizuje się to w układach stałonapięciowych oraz impulsowych jednostronnych, w których obrabiana powierzchnia stanowi ujemną elektrodę układu elektrodowego. Efekt taki uzyskuje się także w warunkach zasilania napięciem przemiennym nawet o wielkiej i bardzo wielkiej częstotliwości. Wynika to z możliwości wytwarzania na elektrodach stałych potencjałów ujemnych w stosunku do otaczającej plazmy, zwanych potencjałami własnymi. Na ogół układy takie konstruuje się tak, aby ujemny potencjał własny występował tylko na jednej elektrodzie. Znane są jednak układy z ujemnymi potencjałami własnymi o istotnie różnych wartościach na dwóch elektrodach układu dwuelektrodowego. Potencjały własne są wynikiem znacznie większej ruchliwości elektronów w porównaniu z jonami. Ujemny potencjał wytwarza się także na umieszczonym w plazmie wsadzie o dowolnych właściwościach elektrycznych (przewodnik, półprzewodnik, dielektryk) i nie mającym bezpośredniego połączenia z otoczeniem. Do powierzchni takiego wsadu równocześnie docierają cząstki neutralne, jony i elektrony. Chwilowa wartość strumienia tych cząstek zależy od średniej liczby cząstek n przypadających na jednostkowy element objętości oraz od ich średniej prędkości v.

12.Ultradźwiękową

Zasady nagrzewania ultradźwiękowego

Nagrzewanie ultradźwiękowe jest to nagrzewanie elektryczne, polegające na wykorzystaniu zamienianych w ciepło drgań mechanicznych powstających w wyniku absorpcji energii ultradźwiękowej.

Fale ultradźwiękowe (ultradźwięki) są to fale sprężyste o częstotliwościach od 16 kHz do 1GHz. Ich transmisja polega na rozprzestrzenianiu się zaburzeń naprężeń lub ciśnień i związanych z tym zjawiskami drgań mechanicznych cząstek ośrodka. Ultradźwięki rozchodzą się zarówno w gazach, jak i w cieczach oraz ciałach stałych. Przy rozchodzeniu się fal podłużnych w powietrzu c = 340 m/s, w cieczach wynosi ona ok. 1500 m/s, a w ciałach stałych ok. 5000 m/s. Oczywiście prędkość propagacji tych fal w ośrodkach płynnych zależy także od ciśnienia, a we wszystkich ośrodkach ma ona związek z temperaturą. W płynach nielepkich, a do takich zalicza się powietrze, mogą się rozchodzić wyłącznie fale podłużne, gdyż ruch cząstek ośrodka jest równoległy do kierunku rozchodzenia się fali, co wiąże się z odkształcaniem objętości ośrodka. W płynach lepkich i w ciałach stałych może jednak wystąpić także fala poprzeczna wtedy, gdy powstaje odkształcenie postaci ośrodka propagacji. Istota ruchu falowego polega na przemieszczaniu się z określoną prędkością wywołanego w ośrodku zaburzenia od cząstki do cząstki. Fale sprężyste opisuje się równaniami falowymi wykorzystującymi równania ruchu (wyrażającym równowagę sił działających na cząstkę), ciągłości i termodynamiczne. Mimo różnic natury fizycznej fal podłużnych i poprzecznych, rozprzestrzeniających się w ośrodkach izotropowych, opisujące je równania falowe są bardzo podobne (różnica występuje we współczynnikach). Pole akustyczne, inaczej zwane dźwiękowym (czyli przestrzeń wypełniona falami akustycznymi), określa się, rozwiązując takie równania. Pole to można scharakteryzować także za pomocą wielkości energetycznych. Opisują one przenoszenie energii przez falę, co w przypadku zastosowań elektrotermicznych - związanych z tzw. czynnym działaniem ultradźwięków na ośrodki -jest szczególnie przydatne. Energię przenoszoną przez falę w określonym czasie nazywa się mocą akustyczną. Energię przypadającą na jednostkę objętości ośrodka nazywa się gęstością energii akustycznej ey, a energię przechodzącą przez jednostkę prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali - gęstością strumienia energii akustycznej, jej wartość średnią w czasie - natężeniem fali akustycznej Z i wyraża się zwykle w W/cm2.

Natężenie fali akustycznej jest wyróżnikiem pozwalającym klasyfikować wytwarzane w praktyce pola dźwiękowe. Dzielą się one na trzy kategorie:

Elementy grzejne i kable łączeniowe indukcyjne urządzenia elektrotermiczne

o mocy 10 - 100 kW na bazie przekształtników tyrystorowych

ZALETY:

 

ZASTOSOWANIE:

ZASADA DZIAŁANIA:

Urządzenie elektrotermiczne składa się z dwóch części: zasilacza, którym jest tyrystorowa przetwornica częstotliwości prądu oraz części grzewczej lub opcjonalnie, topielnej. Zasilacz chłodzony jest powietrzem o obiegu wymuszonym, natomiast część grzewcza lub topielna chłodzona jest wodą przepływającą przez uzwojenie wzbudnika. Część topielna opróżniana poprzez przechylenie ręczne lub hydrauliczne.

 

DANE TECHNICZNE:

Generator:

Część topielna:

Część grzewcza:

 

OFEROWANE TYPY I ODPOWIADAJĄCE IM MOCE URZĄDZEŃ:

 

ELEMENTY STEROWANIA, ZABEZPIECZEŃ i POMIARÓW


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Materiały kolokwium mini, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
pytanie metalurgia, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
Pytania gr B mini, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
sciaga metalurgia, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
Lab 2, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA, LABORATORIUM
Sciaga Z Metalurgii, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
Materiały kolokwium, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
Pytania gr A, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
PROCES BESSEMERA, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
mini, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
Pytania gr B, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
LAB 1, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA, LABORATORIUM
Materiały kolokwium mini, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
pytanie metalurgia, Studia, ZiIP, Semestr I, METALURGIA
spawy-lab, Studia, ZiIP, SEMESTR V, Spawalnictwo, od pudlo
Filozofia wykład 2, Studia, ZiIP, SEMESTR V, Fizozofia

więcej podobnych podstron