Mieczysław

Hering

podstawy

elektrotermii

cz.II

WNT

Wydawnictwa Naukowo-Techniczne

Warszawa

Opiniodawca
prof. dr hab. inż. Tadeusz Skoczkowski
Redaktorzy:
inż. Lech Oleksiak (rozdz. 6÷10), Irena Puchalska (rozdz. 11÷13)
Okładkę i strony tytułowe projektowała
Justyna Delathoure
Redaktor techniczny
Anna Szeląg
Korekta
Irena Puchalska
Skład i łamanie
Anna Szeląg

621.365

W drugiej części książki omówiono osiem metod elektrotermicznych, a mianowicie: indukcyjną,
pojemnościową, mikrofalową, plazmową, elektronową, laserową, jarzeniową i ultradźwiękową. Wraz z
czterema metodami (rezystancyjną, promiennikową, elektrodową i łukową) zawartymi w części
pierwszej „Podstawy elektrotermii” obejmują cały obszar elektrotermii, odpowiadający współczesnemu
pojmowaniu tego działu elektrotechniki. W książce podano podstawy teoretyczne omawianych
przemian, budowę urządzeń elektrotermicznych i ich charakterystyki techniczne oraz zastosowania.
Książka jest przeznaczona dla studentów oraz dla inżynierów różnych specjalności
zainteresowanych celowymi przemianami energii elektrycznej w ciepło zarówno w warunkach braku
alternatywy dla takich przemian, jak i przy ich konkurencyjności wobec przemian paliwowych.


Książka dotowana przez Ministerstwo Edukacji Narodowej


English title and summary of the book, see p. 431.
Deutschen Titel und die Zusammenfassung des Buches, sieh S. 432.


© Copyright by Wydawnictwa Naukowo-Techniczne
Warszawa 1998


All Rights Reserved
Printed in Poland

Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany
za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających
i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich.

Adres poczty elektronicznej:

[e-mail]

Strona WWW:www.wnt.com.pl

ISBN 83-204-1384-2 całość
ISBN 83-204-2319-8 część II

WNT Warszawa 1998. Wyd. I
Ark.wyd. 29,0. Ark.druk. 27,0. Symbol En/82719/MEN
Drukarnia Naukowo-Techniczna

SPIS TREŚCI

6.

6.1.
6.1.1.
6.1.2.
6.1.3.
6.1.4.
6.2.
6.2.1.
6.2.2.
6.2.3.
6.2.4.

7.

7.1.
7.2.
7.2.1.
7.2.2.
7.3.

8.

8.1.
8.2.
8.2.1.
8.2.2.

PRZEDMOWA........................................................................................

WAŻNIEJSZE OZNACZENIA l JEDNOSTKI MIAR.......................

NAGRZEWANIE INDUKCYJNE.........................................................

Zasady nagrzewania indukcyjnego....................................................................................
Rys historyczny.................................................................................................................
Podstawy teoretyczne metody...........................................................................................
Schematy zastępcze indukcyjnych układów grzejnych i ich parametry elektryczne........
Charakterystyka problemów termokinetycznych..............................................................
Urządzenia indukcyjne i ich zastosowania........................................................................
Klasyfikacja.......................................................................................................................
Źródła zasilania.................................................................................................................
Nagrzewnice indukcyjne - elementy wyposażenia, zastosowania....................................
Piece indukcyjne - elementy wyposażenia, zastosowania.................................................

NAGRZEWANIE POJEMNOŚCIOWE................................................

Zasady nagrzewania pojemnościowego.............................................................................
Urządzenia pojemnościowe i ich zastosowania.................................................................
Źródła zasilania i układy dopasowujące............................................................................
Nagrzewnice i piece pojemnościowe - elementy wyposażenia, zastosowania..................
Ochrona przed oddziaływaniem pól elektromagnetycznych wytwarzanych
przez urządzenia pojemnościowe.......................................................................................

NAGRZEWANIE MIKROFALOWE....................................................

Zasady nagrzewania mikrofalowego.................................................................................
Urządzenia mikrofalowe i ich zastosowania.....................................................................

Podstawowe człony urządzeń............................................................................................

Zastosowania przemysłowe...............................................................................................

9

11

13

13
13
14
60
78
83
83
84

109
139

166

166
183
183
190

204

206

206
211
211
219

5

Spis treści
_________________________________________________________________________________

8.2.3. Zastosowania w gospodarstwie domowym.......................................................................

223

8.3. Biologiczne skutki oddziaływania pól elektromagnetycznych

o

częstotliwości 10 MHz ÷300 GHz................................................................................

224

9.

NAGRZEWANIE PLAZMOWE............................................................ 229

9.1.

Zasady nagrzewania plazmowego.....................................................................................

229

9.1.1. Plazma i jej właściwości...................................................................................................

229

9.1.2. Mechanizmy nagrzewania plazmowego...........................................................................

232

9.2. Generacja

strumienia

plazmy niskotemperaturowej.........................................................

237

9.2.1. Plazmotrony

łukowe.........................................................................................................

237

9.2.2. Plazmotrony

indukcyjne...................................................................................................

262

9.2.3. Plazmotrony

pojemnościowe............................................................................................

267

9.2.4. Plazmotrony

mikrofalowe.................................................................................................

268

9.3. Urządzenia plazmowe i ich zastosowania.........................................................................

271

9.3.1. Metalurgia plazmowa.......................................................................................................

271

9.3.2. Plazmochemia....................................................................................................................

275

9.3.3. Plazmowe natryskiwanie powłok......................................................................................

281

9.3.4. Techniki plazmowe w ochronie środowiska.....................................................................

284

9.3.5. Inne zastosowania plazmy.................................................................................................

286

10.

NAGRZEWANIE ELEKTRONOWE................................................... 289

10.1.

Zasady nagrzewania elektronowego..................................................................................

289

10.1.1. Wiązka elektronowa i jej właściwości..............................................................................

289

10.1.2. Elektronowiązkowe procesy cieplne.................................................................................

295

10.2. Generatory

wiązek elektronowych....................................................................................

298

10.2.1. Wyrzutnie elektronowe.....................................................................................................

298

10.2.2. Zasilacze wyrzutni elektronowych....................................................................................

305

10.2.3. Układy próżniowe.............................................................................................................

308

10.3. Urządzenia elektronowiązkowe i ich zastosowania termiczne.........................................

309

10.3.1. Topienie i rafinacja metali.................................................................................................

309

10.3.2. Obróbka cieplna.................................................................................................................

316

10.3.3. Rafinacja strefowa.............................................................................................................

324

10.3.4. Mikroobróbka materiałów................................................................................................. 325
10.3.5. Naparowywanie.................................................................................................................

327

10.3.6. Inne zastosowania urządzeń elektronowiązkowych..........................................................

329

11.

NAGRZEWANIE LASEROWE............................................................. 331

11.1.

Zasady nagrzewania laserowego....................................................................................... 331

11.1.1. Laser jako źródło energii................................................................................................... 331
11.1.2. Charakterystyka laserów technologicznych...................................................................... 340
11.1.3. Oddziaływanie promieniowania laserowego na materię................................................... 347
11.2. Urządzenia laserowe i ich zastosowania termiczne........................................................... 353
11.2.1. Inżynieria powierzchni...................................................................................................... 353
11.2.2. Ciecie................................................................................................................................. 359
11.2.3. Drążenie............................................................................................................................. 362
11.2.4. Mikroobróbka.................................................................................................................... 364

6

Spis treści

__________________________________________________________________________________

11.2.5. Aplikacje

medyczne........................................................................................................... 366

11.2.6.

Inne zastosowania laserów................................................................................................. 367

12. NAGRZEWANIE

JARZENIOWE.........................................................

268

12.1. Wyładowanie jarzeniowe w inżynierii powierzchni........................................................... 368
12.2.

Technologie i urządzenia jarzeniowe................................................................................. 375

12.2.1.

Technologie i urządzenia dyfuzyjne plazmowe................................................................. 375

12.2.2.

Technologie i urządzenia PA CVD.................................................................................... 383

12.2.3.

Technologie i urządzenia PA PVD.................................................................................... 388

12.2.4.

Technologie i urządzenia do polimeryzacji plazmowej..................................................... 394

13 NAGRZEWANIE

ULTRADŹWIĘKOWE............................................ 398

13.1

Zasady nagrzewania ultradźwiękowego............................................................................ 398

13.2 Wytwarzanie

ultradźwięków............................................................................................. 400

13.3 Zastosowania

ultradźwięków............................................................................................ 406

LITERATURA......................................................................................... 409

SKOROWIDZ.......................................................................................... 424

7

PRZEDMOWA

Autor oddaje do rąk Czytelników część II „Podstaw elektrotermii", obejmującą 8 metod
elektrotermicznych, a mianowicie: indukcyjną, pojemnościową, mikrofalową, plazmową,
elektronową, laserową, jarzeniową i ultradźwiękową. Łącznie z czterema metodami zawartymi
w części I, a mianowicie: rezystancyjną, promiennikową, elektrodową i łukową, „Podstawy
elektrotermii" obejmują obszar elektrotermii odpowiadający współczesnemu pojmowaniu tego
działu elektrotechniki.

Do niedawna większość sposobów nagrzewania zawartych w części II tego podręcznika

zaliczana była do tzw. „nowych metod elektrotermicznych" i pod takim tytułem funkcjonowały
one w wykładach uniwersyteckich większości uczelni. Z całą pewnością wiele technik
elektrotermicznych, w których wykorzystuje się, w szczególności ciepło generowane przy
użyciu mikrofal, plazmę zimną, wysokoenergetyczne wiązki elektronowe i laserowe oraz
wyładowania jarzeniowe, nadal zasługuje na miano nowych, lecz postęp jaki został dokonany
w tej dziedzinie uzasadniał konieczność ich wyodrębnienia i usystematyzowania. Taka
potrzeba wynikała także z interdyscyplinarności wielu tych technik, co z natury rzeczy
wymagało wyeksponowania treści, najbliższych problematyce dotyczącej przemiany energii
elektrycznej na ciepło do celów użytkowych.

Książka zawiera podstawy: teorii przemian elektrotermicznych, konstrukcji urządzeń

elektrotermicznych i technologii elektrotermicznych. Tego rodzaju ujęcie, w odniesieniu do
ośmiu prezentowanych tu działów elektrotermii, wydaje się być bardziej celowe niż w
odniesieniu do czterech działów zawartych w części I. Wynika to przede wszystkim z
niesłychanie daleko posuniętej specjalizacji technologicznej wielu urządzeń, które bazując na
tej samej metodzie przemiany energii elektrycznej na ciepło różnią się niezmiernie pod
względem konstrukcyjnym.

Książka jest kierowana do przede wszystkim do studentów wydziałów elektrycznych,

mechanicznych, metalurgicznych, chemicznych, inżynierii materiałowej oraz inżynierów i
techników zawodowo związanych z elektrotermią.

W celu zapewnienia spójności z częścią I, kolejne rozdziały otrzymały numerację od

6÷13 zaś cytowane pozycje bibliograficzne - [355]÷[730]. Oznacza to, że

9

Przedmowa
____________________________________________________________________

w przypadku odwołań do pozycji bibliograficznych oznaczonych numerami mniejszymi niż
[355], ich dane znajdzie Czytelnik w części I.

Dziękuję opiniodawcy książki prof. dr hab. Tadeuszowi Skoczkowskiemu za cenne

uwagi oraz sugestie zmian, które przyczyniły się do ulepszenia tekstu, prof. dr hab. Romanowi
Barlikowi, prof. dr hab. Tadeuszowi Burakowskiemu, oraz dr inż. Ryszardowi Niewiedziałowi
- pierwszym Czytelnikom wybranych rozdziałów, zawartych w niniejszej części - za
specjalistyczną ocenę i korektę ich treści. Szczególne podziękowania należne są kierownikowi
Redakcji Elektrotechniki mgr inż. Annie Ciszek za mobilizację do przygotowania książki, a
także za pokonanie wszystkich problemów formalnych i finansowych jakie wiązały się z jej
wydaniem.

Warszawa, październik 1997 r. Mieczysław Hering

10

WAŻNIEJSZE OZNACZENIA
l JEDNOSTKI MIAR

a - dyfuzyjność cieplna, m

2

·s

-1

A - absorpcyjność, l
B - indukcja magnetyczna, T
c - ciepło właściwe, W·s·kg

-1

·K

-1

C - pojemność elektryczna, F
d - średnica, odległość, m
D - indukcja elektryczna, C·m

2

e - zużycie właściwe energii, kW·h·Mg

-1

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

-1

f- częstotliwość, Hz
F - powierzchnia, m

2

F - współczynnik kształtu, 1
g - grubość, m
g - przelotność, wydajność, Mg·h

-1

H - natężenie pola magnetycznego, A·m

-1

i - prąd, A
/ - prąd, A
/ - natężenie fali akustycznej, W·m

-2

j - jednostka urojona,

1

j

−

=

, 1

J - gęstość prądu, A·m

-2

J - funkcja Bessela, 1
k - współczynnik pochłaniania, 1
/ - długość, wysokość, m
L - indukcyjność, H
L - obwód, m
m - masa, pojemność, kg
p - gęstość powierzchniowa mocy czynnej, W·m

-2

p - gęstość objętościowa mocy czynnej (zwykle z indeksem V), W·m

-3

p - ciśnienie, N·m

-2

P - moc elektryczna czynna, strumień cieplny, moc cieplna, W
r - promień, m
q - gęstość powierzchniowa mocy biernej, V·A·m

-2

11

Ważniejsze oznaczenia i jednostki miar

___________________________________________________________________

Q - moc bierna, var
Q - dobroć, 1
R - promień, m
R - rezystancja, Ω
R - jaskrawość energetyczna (z indeksem e), W·m

-2

·sr

-1

R - refleksyjność, 1
S - moc pozorna, V·A
S - gęstość powierzchniowa mocy pola elektromagnetycznego, V·A·m

-2

t - temperatura, °C
T - temperatura termodynamiczna, K
u - napięcie, V
U - napięcie, V
ν - prędkość, m·s

-1

V - objętość, m

3

V - potencjał, V
w - gęstość zwojów we wzbudniku, m

-1

w - promień wiązki, m
X – reaktancja, Ω
Z - impedancja, Ω
γ - konduktywność, Ω·m
Γ - tamowność jednostkowa, m

-1

δ - głębokość wnikania, m
∆- głębokość hartowania, m
ε - przenikalność elektryczna, F·m

-1

η - sprawność, 1
λ - długość fali, m
µ - przenikalność magnetyczna, H·m

-1

v - częstotliwość, Hz
p - masa właściwa, kg·m

-3

p - rezystywność, Ω·m

τ - czas, s
ω - pulsacja, s

-1

Indeksy dolne

c - cieplna (sprawność)
e - elektryczna (sprawność)
m - amplituda
o - próżni
r - wartość względna
r - wartość równoważna
V

-

objętościowa (moc)

w - wewnętrzny (promień)
Z - zewnętrzny (promień)
O - na powierzchni
1 - dotyczy wzbudnika
1 - dla pierwszej harmonicznej (po lewej stronie oznaczenia)
2 - dotyczy wsadu

12