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 SzelÄ…g
Korekta
Irena Puchalska
Skład i łamanie
Anna SzelÄ…g
621.365
W drugiej części książki omówiono osiem metod elektrotermicznych, a mianowicie: indukcyjną,
pojemnościową, mikrofalową, plazmową, elektronową, laserową, jarzeniową i ultradz
więkową. 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 TREÅšCI
PRZEDMOWA........................................................................................ 9
WAŻNIEJSZE OZNACZENIA l JEDNOSTKI MIAR....................... 11
6. NAGRZEWANIE INDUKCYJNE......................................................... 13
6.1. Zasady nagrzewania indukcyjnego.................................................................................... 13
6.1.1. Rys historyczny................................................................................................................. 13
6.1.2. Podstawy teoretyczne metody........................................................................................... 14
6.1.3. Schematy zastępcze indukcyjnych układów grzejnych i ich parametry elektryczne........ 60
6.1.4. Charakterystyka problemów termokinetycznych.............................................................. 78
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania........................................................................ 83
6.2.1. Klasyfikacja....................................................................................................................... 83
6.2.2. y
ródła zasilania................................................................................................................. 84
6.2.3. Nagrzewnice indukcyjne - elementy wyposażenia, zastosowania.................................... 109
6.2.4. Piece indukcyjne - elementy wyposażenia, zastosowania................................................. 139
7. NAGRZEWANIE POJEMNOÅšCIOWE................................................ 166
7.1. Zasady nagrzewania pojemnościowego............................................................................. 166
7.2. Urządzenia pojemnościowe i ich zastosowania................................................................. 183
7.2.1. y
ródła zasilania i układy dopasowujące............................................................................ 183
7.2.2. Nagrzewnice i piece pojemnościowe - elementy wyposażenia, zastosowania.................. 190
7.3. Ochrona przed oddziaływaniem pól elektromagnetycznych wytwarzanych
przez urządzenia pojemnościowe....................................................................................... 204
8. NAGRZEWANIE MIKROFALOWE.................................................... 206
8.1. Zasady nagrzewania mikrofalowego................................................................................. 206
8.2. UrzÄ…dzenia mikrofalowe i ich zastosowania..................................................................... 211
8.2.1. Podstawowe człony urządzeń............................................................................................ 211
8.2.2. Zastosowania przemysłowe............................................................................................... 219
5
Spis treści
_________________________________________________________________________________
8.2.3. Zastosowania w gospodarstwie domowym....................................................................... 223
8.3. Biologiczne skutki oddziaływania pól elektromagnetycznych
o czÄ™stotliwoÅ›ci 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 Å‚ukowe......................................................................................................... 237
9.2.2. Plazmotrony indukcyjne................................................................................................... 262
9.2.3. Plazmotrony pojemnościowe............................................................................................ 267
9.2.4. Plazmotrony mikrofalowe................................................................................................. 268
9.3. UrzÄ…dzenia 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. ElektronowiÄ…zkowe procesy cieplne................................................................................. 295
10.2. Generatory wiÄ…zek elektronowych.................................................................................... 298
10.2.1. Wyrzutnie elektronowe..................................................................................................... 298
10.2.2. Zasilacze wyrzutni elektronowych.................................................................................... 305
10.2.3. Układy próżniowe............................................................................................................. 308
10.3. UrzÄ…dzenia elektronowiÄ…zkowe 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 z
ródło energii................................................................................................... 331
11.1.2. Charakterystyka laserów technologicznych...................................................................... 340
11.1.3. Oddziaływanie promieniowania laserowego na materię................................................... 347
11.2. UrzÄ…dzenia 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 urzÄ…dzenia jarzeniowe................................................................................. 375
12.2.1. Technologie i urzÄ…dzenia dyfuzyjne plazmowe................................................................. 375
12.2.2. Technologie i urzÄ…dzenia PA CVD.................................................................................... 383
12.2.3. Technologie i urzÄ…dzenia PA PVD.................................................................................... 388
12.2.4. Technologie i urzÄ…dzenia do polimeryzacji plazmowej..................................................... 394
13 NAGRZEWANIE ULTRADy
WI
KOWE............................................ 398
13.1 Zasady nagrzewania ultradz
więkowego............................................................................ 398
13.2 Wytwarzanie ultradz
więków............................................................................................. 400
13.3 Zastosowania ultradz
więków............................................................................................ 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,
elektronowÄ…, laserowÄ…, jarzeniowÄ… i ultradz
więkową. A
Ä…cznie 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 zaÅ› 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, paz
dziernik 1997 r. Mieczysław Hering
10
WAŻNIEJSZE OZNACZENIA
l JEDNOSTKI MIAR
a - dyfuzyjność cieplna, m2·s-1
A - absorpcyjność, l
B - indukcja magnetyczna, T
c - ciepÅ‚o wÅ‚aÅ›ciwe, W·s·kg-1·K-1
C - pojemność elektryczna, F
d - średnica, odległość, m
D - indukcja elektryczna, C·m2
e - zużycie wÅ‚aÅ›ciwe energii, kW·h·Mg-1
E - energia, kW·h
E - natężenie pola elektrycznego, V·m-1
f- częstotliwość, Hz
F - powierzchnia, m2
F - współczynnik kształtu, 1
g - grubość, m
g - przelotność, wydajność, Mg·h-1
H - natężenie pola magnetycznego, A·m-1
i - prÄ…d, A
/ - prÄ…d, A
/ - natężenie fali akustycznej, W·m-2
j - jednostka urojona, j = - 1 , 1
J - gÄ™stość prÄ…du, 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 - gÄ™stość powierzchniowa mocy czynnej, W·m-2
p - gÄ™stość objÄ™toÅ›ciowa mocy czynnej (zwykle z indeksem V), W·m-3
p - ciÅ›nienie, N·m-2
P - moc elektryczna czynna, strumień cieplny, moc cieplna, W
r - promień, m
q - gÄ™stość 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, &!
R - jaskrawość energetyczna (z indeksem e), W·m-2·sr-1
R - refleksyjność, 1
S - moc pozorna, V·A
S - gÄ™stość powierzchniowa mocy pola elektromagnetycznego, V·A·m-2
t - temperatura, °C
T - temperatura termodynamiczna, K
u - napięcie, V
U - napięcie, V
½ - prÄ™dkość, m·s-1
V - objętość, m3
V - potencjał, V
w - gęstość zwojów we wzbudniku, m-1
w - promień wiązki, m
X  reaktancja, &!
Z - impedancja, &!
Å‚ - konduktywność, &!·m
“ - tamowność jednostkowa, m-1
´ - gÅ‚Ä™bokość wnikania, m
"- głębokość hartowania, m
µ - przenikalność elektryczna, F·m-1
· - sprawność, 1
 - długość fali, m
µ - przenikalność magnetyczna, H·m-1
v - częstotliwość, Hz
p - masa wÅ‚aÅ›ciwa, kg·m-3
p - rezystywność, &!·m
Ä - czas, s
É - 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