1

1
WSTĘP

1.1. Podstawowe definicje

Elektrotermia jest działem nauki i techniki zajmującym się przemianami energii
elektrycznej w ciepło do celów użytkowych [325].

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

1. Wstęp
___________________________________________________________________________

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.

Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na jeszcze jedną kwestię terminologiczną

polegającą na utożsamianiu określeń urządzenia elektrotermicznego i jego członu grzejnego.
Ma to miejsce w przypadkach, gdy człon grzejny jest elementem wyraźnie dominującym, a
jego wyposażenie niezbyt rozbudowane. Tego rodzaju praktyka językowa (używanie
wyłącznie nazwy członu podstawowego nawet gdy chodzi o całe urządzenie) jest niemal
powszechna i w niniejszej książce także można się z nią spotkać.

1.2. Systemy klasyfikacyjne
w elektrotermii

W użyciu jest wiele systemów klasyfikacyjnych i jest raczej normą niż odstępstwem od
zasady równoczesne korzystanie z kilku systemów. Odnoszą się one do metod nagrzewania,
konstrukcji urządzeń, technologii realizowanych w tych urządzeniach itd. Sprawa klasyfikacji
jest nie tylko ważna z punktu widzenia porządkowego i dydaktycznego, lecz także
terminologicznego. Te względy zadecydowały o tym, że w dalszym ciągu przedstawiono
klasyfikacje oparte na wyraźnie określonych kryteriach. Umożliwi to czytelnikowi m.in.
zrozumienie, a jeśli zajdzie potrzeba zdefiniowanie licznych pojęć, którym nie zawsze w
literaturze naukowo-technicznej przypisuje się tę samą treść. Przyjęte klasyfikacje oparte
zostały na następujących kryteriach:

sposobu nagrzewania,
metody nagrzewania,
cyklu nagrzewania,
obszaru zastosowań,
technologii,
konstrukcji urządzenia,
charakteru urządzenia,
częstotliwości roboczych,
środowiska wsadu,
kinetyki wsadu.

12

1.2. Systemy klasyfikacyjne w elektrotermii
__________________________________________________________________________

Kryterium sposobu nagrzewania (1) umożliwia wyodrębnienie:

1.1. nagrzewania bezpośredniego,
1.2. nagrzewania pośredniego.

Nagrzewanie elektryczne bezpośrednie jest to nagrzewanie elektryczne znamienne

tym, że przemiana energii w ciepło odbywa się w obszarze nagrzewanym (wsadzie), w
którym rozprzestrzenia się ono zgodnie z prawami termokinetyki.

Nagrzewanie elektryczne pośrednie jest to nagrzewanie elektryczne znamienne tym,

że przemiana energii w ciepło dokonuje się poza obszarem nagrzewanym (wsadem), a do
obszaru tego jest dostarczane zgodnie z prawami termokinetyki.

Według tego samego kryterium wyróżnia się dwa rodzaje urządzeń elektroter-

micznych: bezpośrednie i pośrednie, których działanie opiera się odpowiednio na
nagrzewaniu elektrycznym bezpośrednim i pośrednim.

Z powyższych definicji wynika, że proces nagrzewania nie wymaga przekształcenia

energii elektrycznej wprost w energię cieplną i niekoniecznie konwersja ta musi zachodzić
we wsadzie. O nagrzewaniu elektrycznym mówimy także wtedy gdy podwyższenie energii
cieplnej wsadu (obszaru) nastąpiło w wyniku bezpośredniego oddziaływania nie prądu
elektrycznego, lecz np. drgań mechanicznych, oczywiście wytworzonych kosztem energii
elektrycznej. Oznacza to także, że energia pobrana ze źródła (najczęściej z sieci) może być
bezpośrednio zamieniana na ciepło we wsadzie bądź poza wsadem (obszarem nagrzewanym).
W tym drugim przypadku ciepło dociera do wsadu przez kondukcję, konwekcję i radiację.
Poszczególne formy ruchu ciepła mogą występować przy tym samoistnie lub w dowolnych
kombinacjach. Energia pobrana - przed ostateczną zamianą na ciepło - może ulegać
przekształceniom. Mogą to być przekształcenia z jednej postaci w inną postać energii
elektrycznej ale także przekształcenie do postaci nieelektrycznej pod warunkiem, że
ostatecznym efektem będzie wytworzenie ciepła użytkowego.

Kryterium metody nagrzewania (2) prowadzi do klasyfikacji najbardziej

uniwersalnej. Została ona także przyjęta za podstawową przy opracowywaniu niniejszej
książki. Według tego kryterium wyodrębnia się obecnie 12 metod nagrzewania, a
mianowicie:
2.1. rezystancyjną,
2.2. promiennikową,
2.3. elektrodową,
2.4. łukową,
2.5. indukcyjną,
2.6. pojemnościową,
2.7. mikrofalową,

1.Wstęp

2.8. plazmową
2.9. elektronową,
2.10. fotonową
2.11. jonową,
2.12. ultradźwiękową.

Odpowiednio wyróżnia się 12 rodzajów urządzeń poczynając od rezystancyjnych, a

kończąc na ultradźwiękowych o działaniach opartych na wymienionych metodach
nagrzewania. Bliższe określenie pojęć wynikających z tej klasyfikacji przedstawione zostanie
we właściwych rozdziałach książki. Należy jednak w tym miejscu stwierdzić,  że kryterium
„metody nagrzewania", a tym samym oparta na nim klasyfikacja są dyskusyjne. Spotyka się
opracowania, w których następujące metody nagrzewania:

- rezystancyjna, promiennikowa i elektrodowa,
- łukowa i plazmowa,
- pojemnościowa i mikrofalowa,

traktowane są  łącznie [54], [55], [274]. Za rozdzielnym ich traktowaniem przemawiają
różnice w sposobie doprowadzania energii do wsadu, w budowie urządzeń, a niekiedy także
w rodzaju ośrodka przemiany. Nie bez znaczenia są też elementy tradycji, która ukształtowała
przedstawiony podział, a wobec braku zdecydowanych argumentów przemawiających za
zmianą tej klasyfikacji, jej utrzymanie wydaje się być uzasadnione.

Różne metody nagrzewania realizuje się samodzielnie lub w sposób skojarzony. W

tym drugim przypadku do ich opisu używa się określeń dwuprzymiotnikowych np.:
nagrzewanie indukcyjno-plazmowe, nagrzewanie łukowo-gazowe.

Kryterium cyklu nagrzewania (3) pozwala na wyodrębnienie nagrzewania:

3.1. przerywanego,
3.2. okresowego,
3.3. ciągłego.

Według tego samego kryterium dzieli się urządzenia na przeznaczone do pracy

przerywanej, okresowej i ciągłej.
Kryterium obszaru zastosowań (4) jest podstawą wyróżnienia urządzeń przeznaczonych do
pracy w:

4.1. przemyśle,
4.2. rolnictwie,
4.3. transporcie,
4.4. budownictwie,

1.2. Systemy klasyfikacyjne w elektrotermii
_________________________________________________________________

4.5. medycynie,
4.6. w gospodarce komunalno-bytowej i rzemiośle (tzw. elektryczne narzędzia i przyrządy

grzejne powszechnego użytku

Rangę szczególną przypisuje się elektrotermicznym urządzeniom przemysłowym. Wiąże

się to zarówno z bardzo wielkimi mocami odbiorników tego rodzaju, z różnorodnością
stosowanych w przemyśle technologii elektrotermicznych, ze złożonością urządzeń, jak i ze
znaczeniem gospodarczym tej gałęzi elektrotermii.

W gospodarce komunalno-bytowej i rzemiośle w użyciu są bardzo duże ilości urządzeń

elektrotermicznych i elektrycznych urządzeń grzejnych, lecz ich moce na ogół nie są zbyt
wielkie, a ponadto ich działanie oparte jest w przeważającej mierze na zasadach nagrzewania
rezystancyjnego. Być może te właśnie elementy spowodowały,  że problematykę tzw.
„elektrotermii bytowej" (grupa 4.6 urządzeń) traktuje się jako drugorzędną. Jeśli się jednak
weźmie pod uwagę  łączną moc odbiorników tej kategorii (np. łączna moc żelazek
elektrycznych w Polsce równa jest w przybliżeniu 1/3 mocy szczytowej krajowego systemu
elektroenergetycznego) oraz łączną zużywaną przez nie energię, to trzeba stwierdzić, że i ten
dział elektrotermii wart jest zainteresowania.

Kryterium technologii (5) prowadzi do bardzo obszernej listy klasyfikacyjnej, która

nie jest zamknięta. Najważniejsze elementy tej listy to nagrzewanie związane z:

5.1. obróbką cieplną,
5.2. obróbką plastyczną,
5.3. topieniem,
5.4. cięciem,
5.5. drążeniem,
5.6. suszeniem,
5.7. spawaniem,
5.8. zgrzewaniem,
5.9. spajaniem,
5.10. lutowaniem,
5.11. klejeniem,
5.12. ogrzewaniem.

Urządzenia przeznaczone do realizacji jednej z wymienionych technologii nie zawsze

nazywane są jednowyrazowymi terminami o charakterze uniwersalnym, w sposób
jednoznacznie informujący o ich przeznaczeniu (np. urządzenia do obróbki cieplnej). W
użyciu są terminy (np. lutowanie) nie mające charakteru uniwersalnego,

Wg M. Mazura elektrycznymi narzędziami grzejnymi są urządzenia bezkomorowe, które – oprócz wytwarzania

ciepła – spełniają zadania narzędzia i na ogół wymagają poruszania nimi przy użytkowaniu. Elektrycznymi
przyrządami grzejnymi są urządzenia bezkomorowe przenośne, których zadaniem jest wyłącznie wytwarzanie
ciepła i które nie wymagają poruszania nimi przy użytkowaniu [209].

1. Wstęp
___________________________________________________________________________

ponieważ niektóre metody lutowania realizowane są w urządzeniach nie nazywanych
lutownicami. Są także kategorie urządzeń, którym przypisuje się terminy uniwersalne (np.
zgrzewarki, spawarki, ogrzewacze). Terminy te wiążą się z wszystkimi możliwymi
odmianami odpowiadających im technologii.

Komentarza i zdefiniowania wymagają terminy ogrzewanie i ogrzewacz. Dla potrzeb

elektrotermii próbę bliższego ich określenia podjął M. Mazur w r. 1953 [209]. Rozwój
urządzeń elektrotermicznych i istotne zmiany w obszarze ich zastosowań spowodowały
wieloznaczne pojmowanie tych pojęć. Zachodzi więc konieczność ich zaktualizowania. W
niniejszej książce „ogrzewanie" i „ogrzewacz" będą rozumiane następująco:

- Ogrzewanie elektryczne jest to nagrzewanie zapewniające organizmom żywym,
pomieszczeniom, obiektom, przedmiotom, materiałom właściwy stan cieplny będący jednym
z czynników korygujących warunki klimatyczne.
- Ogrzewacz elektryczny jest to urządzenie elektrotermiczne przeznaczone do zapewnienia
organizmom żywym, pomieszczeniom, obiektom, przedmiotom, materiałom właściwego
stanu cieplnego jako jednego z czynników korygujących warunki klimatyczne.

Kryterium konstrukcji urządzenia (6) jest jednym z podstawowych kryteriów i

umożliwia podział wszystkich urządzeń elektrotermicznych w sposób następujący:

6.1. urządzenia elektrotermiczne komorowe,
6.2. urządzenia elektrotermiczne bezkomorowe.

Urządzenie elektrotermiczne komorowe jest to urządzenie, którego człon

podstawowy, czyli grzejny, zawiera komorę przeznaczoną do umieszczenia w niej wsadu w
celu jego nagrzania.

Zasadniczym przeznaczeniem komory, czyli przestrzeni otoczonej ścianami, jest nie

tylko podniesienie sprawności procesu grzejnego przez zmniejszenie strat cieplnych, lecz
także utrzymanie wymaganego środowiska wsadu (atmosfery sztucznej, próżni technicznej,
cieczy, złoża fluidalnego) oraz właściwych parametrów tego środowiska.

Członami grzejnymi tych urządzeń są piece, cieplarki, suszarki, warniki, parniki,

szereg przyrządów grzejnych powszechnego użytku zawierających komory itd. Człony
grzejne są niekiedy jedynymi członami urządzenia elektrotermicznego komorowego, które
może zawierać ponadto człony zasilające, generatory atmosfer, wanny hartownicze,
przedsionki itd.

Urządzenie elektrotermiczne bezkomorowe jest to urządzenie, którego człon

podstawowy, czyli grzejny, umożliwia nagrzewanie wsadu bez umieszczania go w komorze.

Członami grzejnymi takich urządzeń są nagrzewnice, różne rodzaje narzędzi

grzejnych powszechnego użytku, ogrzewacze. I w tych przypadkach człon grzejny bywa
często jedynym członem urządzenia. Jeżeli człony takie stanowią wyposażenie

1.2. Systemy klasyfikacyjne w elektrotermii
___________________________________________________________________________

urządzeń nie zaliczanych do elektrotermicznych, to można je włączyć do elektrycznych
urządzeń grzejnych bezkomorowych.

Kryterium charakteru urządzenia (7) umożliwia klasyfikację, która miała istotne

znaczenie raczej w przeszłości. Na jego podstawie wyróżnia się urządzenia:

7.1. elektroniczne,
7.2. nieelektroniczne.

Podział ten ma na celu wyodrębnienie urządzeń, w których stosuje się przetwarzanie

energii przy użyciu członów energoelektronicznych (generatory lampowe, przekształtniki
półprzewodnikowe). Rozwój przyrządów półprzewodnikowych spowodował, że układy
energoelektroniczne są stosowane obecnie w układach zasilania praktycznie wszystkich
rodzajów urządzeń elektrotermicznych. W tej sytuacji próba wyodrębnienia tzw.
elektronicznych urządzeń grzejnych nie eliminuje żadnego rodzaju urządzenia
elektrotermicznego spośród 12 sklasyfikowanych na podstawie kryterium sposobu
nagrzewania, a co najwyżej eliminuje pewne ich kategorie.

Kryterium częstotliwości roboczych (8) umożliwia wyróżnienie nagrzewań i

urządzeń o następujących częstotliwościach zmian wartości wielkości fizycznej od-
powiedzialnej za wytworzenie ciepła:

Rys. 1.1. Podział metod nagrzewania oparty na kryterium częstotliwości roboczych

1. Wstęp
___________________________________________________________________________

8.1. zerowej,
8.2. zmniejszonej (małej) (0 Hz < f < 50 Hz),
8.3. sieciowej (50 Hz),
8.4. zwiększonej (średniej) (50 Hz < f

≤ 10 kHz),

8.5. wielkiej (10 kHz < f

≤ 300 GHz).

8.6. bardzo wielkiej (300 GHz < f

≤ 300 EHz); 1 EHz = 10

Hz.

Podział ten wiąże się z ograniczeniami w przydziale częstotliwości dla prze-

mysłowych urządzeń elektrotermicznych oraz z problematyką bezpieczeństwa i higieny pracy
w polach elektrycznych, elektromagnetycznych i ultradźwiękowych wywołanych ich
działaniem [169]. Ograniczenia w przydziale częstotliwości wynikają z możliwości zakłóceń
innych odbiorników i z wymagań technologicznych oraz ekonomicznych. Dotyczą one
częstotliwości zawartych w przedziale 0,01

÷248000 MHz, wykorzystywanych do celów

przemysłowych i pozaprzemysłowych. Narzucone przez przepisy ograniczenia wymagają
pracy w ściśle określonych pasmach częstotliwości, co dotyczy f

≥ 3,39 MHz, a także

nieprzekraczania natężenia pola elektrycznego oraz ciśnienia pola akustycznego (w
przypadku nagrzewania ultradźwiękowego) w określonej odległości od źródła [255], [261].
Rysunek 1.1 ilustruje usytuowanie poszczególnych metod nagrzewania w paśmie
częstotliwości.

Kryterium środowiska wsadu (9) prowadzi do podziału rodzajów nagrzewania i

urządzeń znamiennych ośrodkiem, w którym odbywa się proces grzejny. Wyróżnia się
nagrzewanie w:
9.1. atmosferze naturalnej,
9.2. atmosferze sztucznej,
9.3. próżni technicznej,
9.4. cieczy,
9.5. złożu fluidalnym.

Kryterium kinetyki wsadu (10). Zgrubny podział nagrzewań i urządzeń według tego

kryterium sprowadza się do dwóch ich rodzajów:

1.1. nieprzelotowego,

1.2. przelotowego.

Przy nagrzewaniu nieprzelotowym wsad zajmuje w urządzeniu stałą przestrzeń, przy
przelotowym wsad ulega przemieszczaniu.

Układ książki jest oparty na kryterium metody nagrzewania - jako podstawowym. Nie

oznacza to całkowitej rezygnacji z wykorzystania innych klasyfikacji. W pełni pomocne
okazały się kryteria sposobu nagrzewania i konstrukcji urządzenia zwłaszcza, że ich użycie
prowadzi do podziału na dwie kategorie wszystkich rodzajów nagrzewania (bezpośrednie,
pośrednie) i dwie kategorie urządzeń (komorowe i bezkomorowe).

18