PODSTAWY ELEKTROTERMII
WYKŁADY
Ziemskie energie pierwotne i użyteczne, energia elektromagnetyczna
Można wyróżnić energie:
- odnawialne, które są energiami pozaziemskimi, dostarczonymi do Ziemi w sposób ciągły,
- nieodnawialne, zakumulowane na Ziemi.
Do najważniejszych energii nieodnawialnych oprócz energii: ruchu obrotowego Ziemi (prądy morskie), ziemskiej energii grawitacyjnej i energii cieplnej zakumulowanej w Ziemi, należą:
- energia wiązań chemicznych – zawarta w kopalnych paliwach organicznych (węgle, torf, gaz ziemny),
- energia jądrowa zawarta w atomach głównie takich pierwiastków jak : 235uran, 238uran i tor.
Źródłem wszystkich postaci energii odnawialnych jest Słońce i w minimalnej ilości Księżyc. Zalicza się tu:
- energie grawitacyjne Słońca i Księżyca (pływy morskie),
- energię elektromagnetyczną temperaturowego (głównie) promieniowania elektromagnetycznego Słońca.
Energia ta jest źródłem energii chemicznej tworzonej biomasy (ok. 0,03%) i energii mechanicznej.
Słońce to olbrzymi reaktor termojądrowy. Zgodnie z wzorem Plancka 99% mocy promieniowania termicznego Słońca wysyłane jest w zakresie długości fal elektromagnetycznych od 280 [nm] do 5000 [nm], a więc w zakresie promieniowań: nadfioletowego, widzialnego i podczerwonego. Maksimum promieniowania, zgodnie z prawem przesunięciowym Wiena, przypada na długość fali 560 [nm].
Do Ziemi (kula ziemska wraz z atmosferą) dociera ze Słońca moc promienista [kW] ([kW/m2]), a do kuli ziemskiej (powierzchnia Ziemi): [kW] ([kW/m2]). Ziemia wysyła w kosmos moc [kW] w zakresie długofalowego promieniowania optycznego.
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.
Obecne zapotrzebowanie świata na moc pierwotną (Pp) i moc bezpośrednią (PB) wynosi:
[kW], [kW].
(moc elektrowni: [kW])
Elektrotechnika, jej zakres i nauczanie
Elektrotechnika jest działem wiedzy zajmującej się zastosowaniem zjawisk elektrycznych i magnetycznych do celów praktycznych. Elektrotechnika traktuje o sposobach i urządzeniach służących:
- wytwarzaniu energii elektrycznej (energii elektromagnetycznej o częstotliwości 50/60Hz i 0Hz) z ziemskich energii pierwotnych,
- jej przesyłaniu i amplitudowo – częstotliwościowym przemienianiu oraz przetwarzaniu na energie użyteczne,
- jej przemienianiu na analogowe lub cyfrowe sygnały elektromagnetyczne.
Zaletami energii elektrycznej (elektromagnetycznej 50/60Hz) są:
- duża gęstość,
- łatwość transportu na duże odległości i dystrybucji do poszczególnych odbiorników,
- łatwość jej amplitudowo – częstotliwościowego przemieniania,
- duża szybkość załączania i wyłączania odbiorników i ich sterowania,
- mała szkodliwość dla środowiska naturalnego.
Wady energii elektrycznej:
- brak możliwości magazynowania, co stwarza konieczność jej wytwarzania i przesyłania w sposób ciągły i to w odpowiednich ilościach do zmiennego na nią zapotrzebowania,
- niska sprawność jej wytwarzania z paliw chemicznych i nuklearnych.
Formy energii pierwotnej przydatne do masowego wytwarzania energii elektrycznej:
- energia nuklearna
- energia chemiczna paliw kopalnych
- energia wód i wiatrów
Elektromagnetyczne straty cieplne urządzeń elektrycznych
Rozpływ energii w torze elektromagnetycznym urządzeń elektrycznych:
- całkowita energia ( mechaniczna, chemiczna, elektryczna) na wejściu toru elektromagnetycznego urządzenia,
- 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.
- energia elektromagnetyczna występująca w głównym torze przepływu energii przez urządzenie elektryczne,
- część energii elektromagnetycznej głównego toru elektromagnetycznego urządzenia, która jest bezpowrotnie i w sposób nieunikniony tracona,
- monochromatyczna energia elektromagnetyczna wypromieniowywana poza urządzenie elektryczne, zakłócająca pracę innych urządzeń lub bytowanie organizmów żywych,
- energia strat cieplnych generowana w urządzeniu elektrycznym do otoczenia na różnych drogach termokinetycznych,
- energia elektromagnetyczna na wyjściu toru elektromagnetycznego.
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.
Elektrotermia, jej dziedzina i podział
Elektrotermia jest działem wiedzy zajmującym się przemianami energii elektrycznej ( energii elektromagnetycznej wytwarzanej metodami przemysłowymi w elektrowniach) na energię cieplną użytkową (użyteczną), 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.
Ranga niezwykle rozbudowanej elektrotermii przemysłowej jest o wiele wyższa niż elektrotermii bytowej, zredukowanej do dwóch (oporowa pośrednia i mikrofalowa) z 11 metod elektrotermicznych.
Każde ciało stanowiące obiekt zastosowania przemian elektrotermicznych przyjęło się określać jako wsad. Każde ciało, w którym następuje przemiana elektrotermiczna nazywane jest przetwornikiem elektrotermicznym. Wsad nie zawsze jest przetwornikiem elektrotermicznym, podobnie jak przetwornik elektrotermiczny nie zawsze jest wsadem.
Płomieniowy (paliwowy) 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.
Człowiek przez długi okres swojego istnienia zadowalał się jedynie wykorzystaniem tej energii cieplnej ( a w tym świetlnej), której źródłem było temperaturowe (elektromagnetyczne) promieniowanie Słońca. W pewnym okresie swojej historii gęstości energii cieplnej pochodzącej bezpośrednio ze Słońca okazały się dla człowieka niewystarczające, a jej naturalne fluktuacje dobowe czy roczne – niezadowalające. Człowiek zaprzągł do otrzymywania energii (cieplnej i świetlnej) ziemskie energie pierwotne zawarte w paliwach chemicznych odnawialnych (biomasa) i nieodnawialnych (kopalnych).
Pozyskanie paliw chemicznych, ich transport i bezpośrednie spalanie w wybranym miejscu w celu generacji ciepła (służącego ogrzewaniu lub procesom technologicznym), nazywane jest płomieniowym (paliwowym) sposobem wytwarzania ciepła. Ten sposób wytwarzania ciepła trwa od początku historii człowieka do chwili obecnej, a aż do końca XIX wieku był sposobem jedynym.
Około 100 lat temu, gdy człowiek nauczył się produkować na skalę masową ( z ziemskich energii pierwotnych) energie elektryczną ( elektromagnetyczną), pojawił się elektrotermiczny sposób wytwarzania ciepła. Sposób ten obejmuje wytworzenie energii elektrycznej z (różnych) ziemskich energii pierwotnych, przesyłanie jej do określonych miejsc i jej zamianę na energię cieplną.
Dwa ww. sposoby wytwarzania ciepła użytecznego konkurują ze sobą, a sposób elektrotermiczny w dużej części zastąpił sposób płomieniowy. W niektórych (nowszych) procesach technologicznych sposób elektrotermiczny stał się sposobem jedynym i niezastąpionym.
Dlatego też w przemysłach krajów wysoko rozwiniętych około ( i więcej) produkowanej energii zużywane jest na przemiany elektrotermiczne, służące generacji ciepła użytecznego. Porównanie celowości wprowadzenia do powszechnego użytku elektrotermicznych metod nagrzewania w miejsce metod płomieniowych wymaga wzięcia pod uwagę wielu kryteriów (np. ceny surowców, sprawności przemian, koszty inwestycyjne, jakość produktu, wydajność, automatyzacja procesów, ochrona środowiska, itp.).
Motorem stymulującym rozwój elektrotermicznych metod nagrzewania była (i jest) przed 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 (potrzeba):
- 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 (mikro- lub nanometry kwadratowe),
- 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 powierzchni kuli ziemskiej
0,1
Promieniowanie słoneczne skupione soczewką
102
Acetylenowo-tlenowy palnik spawalniczy
104
Nagrzewnica indukcyjna powierzchniowa
Łuk elektryczny
105
Plazmotron
Laser o pracy ciągłej
108
Wiązka skupionych elektronów
109
Laser w pracy impulsowej
1015
Metody płomieniowe, w porównaniu z metodami elektrotermicznymi, charakteryzują się zwykle mniejszymi kosztami wytwarzania ciepła. Dlatego też będą w dalszym ciągu i w dużej skali wykorzystywane do:
- nagrzewań „rozproszonych” (np. ogrzewanie pomieszczeń),
- nagrzewań bez specjalnych wymagań technologicznych co do chemicznej „czystości’ energii cieplnej, jej dawkowania lub intensywności nagrzewania, pod warunkiem wykorzystania paliw o mało toksycznych produktach spalania.
Podziały stosowane w Elektrotermii
Przedmiotem zainteresowań Elektrotermii jest zamian energii elektromagnetycznej na energię cieplną użyteczną służącą:
- nagrzewaniu wsadów w celu przeprowadzenia ich obróbek cieplnych, cieplno-chemicznych lub cieplno-fizycznych,
- procesom ogrzewania (termin „bytowo – techniczny”), służącym korekcji warunków termicznych w pomieszczeniach.
Nagrzewanie wsadów odbywa się w urządzeniach elektrotermicznych (w elektrycznych urządzeniach grzejnych). Urządzenia elektrotermiczne są nadzwyczaj różnorodne co do swojej np.: konstrukcji, wielkości, zasady działania, sposobu przenoszenia ciepła, rodzaju zasilania, umieszczenia, ruchu i środowiska wsadu, itp., itd.
Podziały stosowane w Elektrotermii, dotyczące rodzajów nagrzewań i rodzajów urządzeń elektrotermicznych wzajemnie się przeplatają i przeprowadzanie są w oparciu o różne kryteria klasyfikacji.
Według kryterium konstrukcji urządzenia (lub kryterium umiejscowienia nagrzewania) urządzenia elektrotermiczne (lub nagrzewania) dzieli się na:
- komorowe, w których wsad znajduję się w komorze grzejnej, czyli w przestrzeni ograniczonej ścianami utrudniającymi odpływ ciepła do otoczenia,
- bezkomorowe, w których brak jest komory grzejnej.
Urządzenia komorowe dzieli się z kolei na:
- 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.
Wśród urządzeń bezkomorowych wyróżnia się natomiast:
- elektryczne narzędzia grzejne, które oprócz wytwarzania ciepła spełniają rolę mechanicznego narzędzia i wymagają poruszania nim przy użytkowaniu (np. żelazko, lokówka, lutownica),
...