Mieczysław Hering

podstawy

elektrotermii

cz.I

WNT

Wydawnictwa Naukowo-Techniczne

Warszawa

Opiniodawca
prof. dr hab. inż. Ludwik Michalski
Redaktor:
mgr inż. Anna Ciszek
Przegotowanie do druku
Jadwiga Strzelecka, Anna Szeląg
Opracowanie techniczne
Marta Jaczeń
Okładkę, obwolutę i strony tytułowe projektowała
Justyna Bednarska

621.365

Część pierwsza książki zawiera podstawowe definicje i klasyfikacje odnoszące się do
dwunastu wyodrębnionych działów elektrotermii, spośród których szczegółowo omówiono cztery
działy, mianowicie: nagrzewanie rezystancyjne, promiennikowe, elektrodowe i łukowe. Podano
podstawy teoretyczne tych przemian, budowę urządzeń elektrotermicznych oraz zastosowania.
Książka jest przeznaczona dla studentów oraz dla inżynierów różnych specjalności
zainteresowanych celowymi przemianami energii elektrycznej w ciepło przy braku alternatywy dla
takich przemian oraz gdy są one konkurencyjne dla przemian paliwowych.



Tytuł dotowany przez MinistraEdukacji Narodowej



Deutschen Titel und die Zusammenfassung des Buches, sieh S. 377
English title and summary of the book, see p. 378
.


© Copyright by Wydawnictwa Naukowo-Techniczne
Warszawa 1998





All Rights Reserved
Printed in Poland

ISBN 83-204-1384-2 całość
ISBN 83-204-1566-7 część I

4

SPIS TREŚCI

PRZEDMOWA..................................................................................................... 7

WAŻNIEJSZE OZNACZENIA I JEDNOSTKI MIAR..................................... 9

1. WSTĘP...................................................................................................... 11

1.1. Podstawowe

definicje........................................................................................................ 11

1.2. Systemy

klasyfikacyjne w elektrotermii............................................................................ 12

2. NAGRZEWANIE

REZYSTANCYJNE.................................................. 19

2.1. Zarys

nagrzewania rezystancyjnego.................................................................................. 19

2.1.1. Rys

historyczny................................................................................................................. 19

2.1.2. Przemiana

energii elektrycznej w ciepło w ośrodkach stałych.......................................... 20

2.1.3. Prawo Ohma i Joule’a –Lenza........................................................................................... 20
2.2. Urządzenia rezystancyjne bezpośrednie i ich zastosowania............................................... 22
2.2.1. Układy grzejne................................................................................................................... 22
2.2.2. Urządzenia rezystancyjne bezpośrednie bezkomorowe..................................................... 24
2.2.3. Urządzenia rezystancyjne bezpośrednie komorowe........................................................... 44
2.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie i ich zastosowania.................................................... 49
2.3.1. Układy grzejne................................................................................................................... 49
2.3.2. Elementy grzejne............................................................................................................... 51
2.3.3. Urządzenia rezystancyjne pośrednie bezkomorowe........................................................... 88
2.3.4

.

Urządzenia rezystancyjne pośrednie komorowe

101

3.

NAGRZEWANIE PROMIENNIKOWE................................................. 149

3.1.

Zasady nagrzewnia promiennikowego............................................................................... 149

3.1.1. Ogólna

charakterystyka metody......................................................................................... 149

3.1.2. Podstawowe prawa dotyczące nagrzewania promiennikowego......................................... 150
3.2. Urządzenia promiennikowe i ich zastosowania................................................................. 153

5

Spis treści

_______________________________________________________________________

3.2.1. Techniczne

źródła promieniowania...................................................................................

153
3.2.2. Urządzenia promiennikowe atmosferowe.......................................................................... 164
3.2.3. Urządzenia promiennikowe próżniowe.............................................................................. 171

4. NAGRZEWANIE

ELEKTRODOWE.....................................................

180

4.1. Ogólna

charakterystyka metody......................................................................................... 180

4.2. Urządzenia elektrodowe i ich zastosowania....................................................................... 181
4.2.1. Urządzenia do nagrzewania wody..................................................................................... 181
4.2.2. Urządzenia do obróbki cieplnej metali.............................................................................. 185
4.2.3. Urządzenia do topienia szkła............................................................................................. 190
4.2.4. Urządzenia do wytwarzania metali nieżelaznych.............................................................. 198
4.2.5. Urządzenia do przetapiania metali..................................................................................... 208

5. NAGRZEWANIE

ŁUKOWE................................................................... 216

5.1. Zasady

nagrzewania

łukowego.......................................................................................... 216

5.1.1. Rys

historyczny................................................................................................................. 216

5.1.2. Przemiana

energii elektrycznej w ciepło łuku elektrycznego............................................ 217

5.1.3. Charakterystyki

łuku wielkoprądowego ........................................................................... 220

5.2. Technologie

łukowe i urządzenia do ich realizacji............................................................ 234

5.2.1. Główne procesy technologiczne........................................................................................ 234
5.2.2. Urządzenia łukowe z piecami wytopowymi prądu przemiennego..................................... 245
5.2.3. Urządzenia łukowe z piecami wytopowymi prądu stałego................................................ 294
5.2.4. Urządzenia łukowe do pozapiecowej obróbki stali............................................................ 300
5.2.5. Urządzenia łukowe z piecami próżniowymi...................................................................... 305
5.2.6. Urządzenia łukowe w systemie elektroenergetycznym...................................................... 307
5.2.7. Kompleksowa

automatyzacja

procesów wytwarzania stali................................................ 316

5.3. Technologie

łukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urządzenia do ich realizacji................ 321

5.3.1. Główne procesy technologiczne........................................................................................ 321
5.3.2. Urządzenia łukowo-rezystancyjno-elektrodowe ............................................................... 328

LITERATURA...................................................................................................... 359

SKOROWIDZ....................................................................................................... 372

6

PRZEDMOWA

Elektrotermii w polskiej literaturze technicznej poświęcono wiele książek i śmiało można
powiedzieć, że większość z nich to prace o dużej wartości. Z jednym wyjątkiem dotyczą
one jednak nie całości elektrotermii, lecz pewnych jej działów. Tym wyjątkiem jest książka
M. Mazura „Elektryczne urządzenia grzejne" wydana w roku 1953. Wcześniej T. Schwartz
podjął zadanie opracowania całości elektrotermii, lecz praca ta nie została ukończona i
obejmuje w dwóch tomach nagrzewanie rezystancyjne, elektrodowe i częściowo - łukowe.
Pierwszy tom książki T. Schwartza ukazał się przed 40 laty, drugi - trzy lata później. Z
kolei M. Mazur przedstawił w swojej książce urządzenia działające na zasadach sześciu
przemian elektrotermicznych spośród kilkunastu, które są udziałem techniki współczesnej.

W tej sytuacji pracę niniejszą można traktować jako pierwszą próbę całościowego

ujęcia dwunastu najważniejszych współcześnie działów elektrotermii. Autor ma przy tym
nadzieję, że książka ta powinna zarówno przybliżyć polskiemu czytelnikowi nie zawsze
łatwo dostępne informacje, jak i stworzyć punkt wyjścia do opracowania tematyki, która nie
doczekała się opracowań szczegółowych oraz tematyki, która wymaga zaktualizowania.

Określając oddawaną do rąk czytelnika pracę „próbą" całościowego ujęcia

współczesnej elektrotermii w jednolitej konwencji i zunifikowanej terminologii, autor ma
na myśli nie tylko zagadnienia czysto merytoryczne, lecz także takie, które rozstrzygają o
spójności tego działu nauki i techniki. Przy wielkim zróżnicowaniu problematyki zaliczanej
do elektrotermii, sprawy te nie należą do prostych m.in. dlatego, że normy oraz słowniki
elektrotermiczne są - na ogół - przestarzałe i nie obejmują całego obszaru elektrotermii.

W części pierwszej zamieszczono materiał związany z czterema przemianami

elektrotermicznymi: rezystancyjną, promiennikową, elektrodową i łukową. Część druga
będzie dotyczyła nagrzewania: indukcyjnego, pojemnościowego, mikrofalowego,
plazmowego, elektronowego, fotonowego, jonowego i ultradźwiękowego.

7

Przedmowa
________________________________________________________________________

Książka zawiera podstawy: teorii przemian elektrotermicznych, konstrukcji urządzeń
elektrotermicznych i technologii elektrotermicznych. Tego rodzaju ujęcie tematu wynika z
przeświadczenia autora, że w wielu przypadkach rozdzielenie tych
elementów byłoby sztuczne.

Książka jest kierowana do szerokiego kręgu odbiorców, a więc przede wszystkim

studentów wydziałów elektrycznych, mechanicznych, metalurgicznych i chemicznych oraz
inżynierów i techników związanych zawodowo z elektrotermią. Niektóre jej rozdziały mogą
być interesujące także dla specjalistów spoza wymienionych grup zawodowych.
Przedstawiony w niej stan nauki i techniki sięga początku lat dziewięćdziesiątych. Książka
praktycznie nie zawiera problematyki termokinetycznej oraz pomiarów i regulacji
temperatury w urządzeniach elektrotermicznych, ponieważ działy te rozrosły się w stopniu
wykluczającym ich bezpośrednią integrację z innymi działami elektrotermii. W literaturze
polskiej doczekały się one zresztą znakomitych specjalistycznych opracowań.

Autor dziękuje opiniodawcy książki prof. dr hab. Ludwikowi Michalskiemu za

cenne sugestie, wskazówki i uwagi, dr inż. Romualdowi Janionowi i dr inż. Janowi Kabacie
- pierwszym czytelnikom zawartych w niniejszej części rozdziałów - za uwagi i korektę
tekstu.



Warszawa, październik

1990

r.

Mieczysław Hering

8

WAŻNIEJSZE OZNACZENIA

l JEDNOSTKI MIAR

a - dyfuzyjność cieplna, m

2

·s

-1

A - absorpcyjność, 1
b - szerokość taśmy grzejnej, cm
c - ciepło właściwe, W·s·kg

-1

·K

-1

d - średnica, m
D - średnica, m
e - napięcie zwarcia, %
e - zużycie właściwe energii elektrycznej, kW·h·Mg

-1

E - energia elektryczna, kW·h
E - natężenie pola elektrycznego, V·m

-1

f - częstotliwość, Hz
F - powierzchnia, m

2

g - wydajność. Mg·h

-1

g - grubość taśmy grzejnej, mm
G - konduktancja, S
H - szerokość fali, cm
i - prąd, A
I - prąd, A
j - jednostka urojona,

1

j

−

=

J - gęstość prądu, A·m

-2

J - funkcja Bessela, 1
l - długość, m
L - czas opóźnienia, s
L - długość, m
L - indukcyjność, H
m - masa, kg
N - stała czasowa, s
p - obciążenie powierzchniowe. W·cm

-2

P - moc elektryczna czynna, strumień cieplny, moc cieplna, W
q - gęstość strumienia cieplnego, W·m

-2

Q - energia cieplna, W·s
Q - ładunek elektryczny, A·s
Q - moc bierna, var

9

Ważniejsze oznaczenia i jednostki miar
__________________________________________________________________________

r - promień, m
R - promień, m
R - rezystancja,

Ω

s - moc pozorna jednostkowa, V·A·m

-3

s - skok skrętki, skok fali, cm
S - moc pozorna, V·A
t - temperatura,

°C

T - czas względny, 1
T - temperatura termodynamiczna, K
u - napięcie, V
U - napięcie, V
V - objętość, m

3

w - długość zwoju skrętki grzejnej, cm
X - reaktancja,

Ω

Z - impedancja,

Ω

α - współczynnik przejmowania ciepła W·m

-2

·K

-1

γ - konduktywność, Ω

-1

m

-1

δ - głębokość wnikania, wymiar charakterystyczny, m

ε - emisyjność całkowita, 1

ε - przenikalność elektryczna, F·m

-1

η - sprawność, 1

ϑ - temperatura kryterialna (względna), 1

λ - długość fali, m

λ - przewodność cieplna właściwa, W·m

-1

·K

-1

µ - przenikalność magnetyczna, H·m

-1

ρ - masa właściwa, kg·m

-3

ρ - rezystywność, Ω·m
τ - czas, s

ω - współczynnik konfiguracji, 1

ω - pulsacja, s

-1

Indeksy dolne

a - akumulacyjna (moc)
c - cieplne (straty)
e - elektryczne (straty)
F - powierzchni (temperatura)
g - grzejna (moc), graniczna (temperatura)
k - końcowa (temperatura)
ł - łuku
m - wartość średnia
n - wartość znamionowa
o - jałowa (moc), osi (temperatura)
p - początkowa (temperatura)
r - robocza
s - strat, sieci
t - wartość w temperaturze t
M - użyteczna
U - brzegu układu (temperatura)
V - objętościowa (moc)
z - zewnętrzny (promień), zwarcia (moc)

λ - monochromatyczny

10