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 SzelÄ…g
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 sÄ… 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 TREÅšCI
PRZEDMOWA..................................................................................................... 7
WAŻNIEJSZE OZNACZENIA I JEDNOSTKI MIAR..................................... 9
1. WST
P...................................................................................................... 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 dotyczÄ…ce nagrzewania promiennikowego......................................... 150
3.2. UrzÄ…dzenia promiennikowe i ich zastosowania................................................................. 153
5
Spis treści
_______________________________________________________________________
3.2.1. Techniczne z
ródła promieniowania...................................................................................
153
3.2.2. UrzÄ…dzenia promiennikowe atmosferowe.......................................................................... 164
3.2.3. Urządzenia promiennikowe próżniowe.............................................................................. 171
4. NAGRZEWANIE ELEKTRODOWE..................................................... 180
4.1. Ogólna charakterystyka metody......................................................................................... 180
4.2. UrzÄ…dzenia elektrodowe i ich zastosowania....................................................................... 181
4.2.1. UrzÄ…dzenia 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. UrzÄ…dzenia do przetapiania metali..................................................................................... 208
5. NAGRZEWANIE A
UKOWE................................................................... 216
5.1. Zasady nagrzewania Å‚ukowego.......................................................................................... 216
5.1.1. Rys historyczny................................................................................................................. 216
5.1.2. Przemiana energii elektrycznej w ciepło łuku elektrycznego............................................ 217
5.1.3. Charakterystyki Å‚uku wielkoprÄ…dowego ........................................................................... 220
5.2. Technologie Å‚ukowe i urzÄ…dzenia do ich realizacji............................................................ 234
5.2.1. Główne procesy technologiczne........................................................................................ 234
5.2.2. UrzÄ…dzenia Å‚ukowe z piecami wytopowymi prÄ…du 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. UrzÄ…dzenia Å‚ukowe w systemie elektroenergetycznym...................................................... 307
5.2.7. Kompleksowa automatyzacja procesów wytwarzania stali................................................ 316
5.3. Technologie Å‚ukowo-rezystancyjno-elektrodowe i urzÄ…dzenia do ich realizacji................ 321
5.3.1. Główne procesy technologiczne........................................................................................ 321
5.3.2. UrzÄ…dzenia Å‚ukowo-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 póz
niej. 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 ultradz
więkowego.
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, paz
dziernik 1990 r. Mieczysław Hering
8
WAŻNIEJSZE OZNACZENIA
l JEDNOSTKI MIAR
a - dyfuzyjność cieplna, m2·s-1
A - absorpcyjność, 1
b - szerokość taśmy grzejnej, cm
c - ciepÅ‚o wÅ‚aÅ›ciwe, W·s·kg-1·K-1
d - średnica, m
D - średnica, m
e - napięcie zwarcia, %
e - zużycie wÅ‚aÅ›ciwe energii elektrycznej, kW·h·Mg-1
E - energia elektryczna, kW·h
E - natężenie pola elektrycznego, V·m-1
f - częstotliwość, Hz
F - powierzchnia, m2
g - wydajność. Mg·h-1
g - grubość taśmy grzejnej, mm
G - konduktancja, S
H - szerokość fali, cm
i - prÄ…d, A
I - prÄ…d, A
j - jednostka urojona, j = - 1
J - gÄ™stość prÄ…du, A·m-2
J - funkcja Bessela, 1
l - długość, m
L - czas opóz
nienia, 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 - gÄ™stość strumienia cieplnego, W·m-2
Q - energia cieplna, W·s
Q - Å‚adunek elektryczny, A·s
Q - moc bierna, var
9
Ważniejsze oznaczenia i jednostki miar
__________________________________________________________________________
r - promień, m
R - promień, m
R - rezystancja, &!
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, m3
w - długość zwoju skrętki grzejnej, cm
X - reaktancja, &!
Z - impedancja, &!
Ä… - współczynnik przejmowania ciepÅ‚a W·m-2·K-1
ł - konduktywność, &!-1m-1
´ - gÅ‚Ä™bokość wnikania, wymiar charakterystyczny, m
µ - emisyjność caÅ‚kowita, 1
µ - przenikalność elektryczna, F·m-1
· - sprawność, 1
Ń - temperatura kryterialna (względna), 1
 - długość fali, m
 - przewodność cieplna wÅ‚aÅ›ciwa, W·m-1·K-1
µ - przenikalność magnetyczna, H·m-1
Á - masa wÅ‚aÅ›ciwa, kg·m-3
Á - rezystywność, &!·m
Ä - czas, s
É - współczynnik konfiguracji, 1
É - 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)
Å‚ - Å‚uku
m - wartość średnia
n - wartość znamionowa
o - jałowa (moc), osi (temperatura)
p - poczÄ…tkowa (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)
 - monochromatyczny
10