Энерготехнологические установки

МИ НИ С Т ЕРС Т ВО НА УКИ  И  ВЫС ШЕГО ОБРА З ОВА НИ Я РФ
№ 4327
Университет науки и технологий МИСИС
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ
Кафедра энергетики и энергоэффективности горной промышленности
Г
.И. Бабокин
ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 
УСТАНОВКИ
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским  
советом университета
Москва 2023

УДК 621.3(07) 
 
Б12
Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук, проф. Д.М. Шпрехер  
(Тульский государственный университет)
Бабокин, Геннадий Иванович.
Б12  
Энерготехнологические установки  : учеб. пособие  / 
Г.И.  Бабокин.  – Москва  : Издательский Дом НИТУ 
«МИСиС», 2023. – 220 с.
ISBN 978-5-907560-55-0
Содержит информацию о  принципах действия, устройстве, основных технических параметрах и характеристиках электротехнологических установок: электротермических; электрохимических; 
электрокинетических; сварочных. Рассмотрено основное электрооборудование и автоматика электротехнологических установок. Даются энергетические балансы электротермических установок и методы повышения их энергоэффективности.
Предназначено для  студентов, обучающихся по  направлению 
подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Управление энергоресурсами предприятий», и может быть 
полезно работникам промышленности, занимающимся эксплуатацией электротехнологических установок.
УДК 621.3(07)
Бабокин Г.И., 2023
ISBN 978-5-907560-55-0
Университет МИСИС, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ
Список используемых сокращений..................................... 7
Введение.
........................................................................ 8
ГЛАВА  1.  Классификация электротехнологических 
установок. Основы теплопередачи и теплообмена............... 10
1.1.  Классификация электротехнологических  
установок.................................................................. 10
1.1.1.  Классификация электротермических  
установок............................................................... 11
1.1.2.  Классификация электрохимических  
установок............................................................... 15
1.1.3.  Классификация электрофизических  
установок............................................................... 16
1.1.4.  Классификация электрокинетических  
установок............................................................... 18
1.1.5.  Классификация электросварочных  
установок............................................................... 20
1.2.  Основы теплопередачи и теплообмена..................... 21
1.2.1.  Понятие о теплообмене.
................................... 21
1.2.2.  Передача тепла теплопроводностью.................. 23
1.2.3.  Конвективный теплообмен.............................. 25
1.2.4.  Теплообмен излучением.................................. 27
1.3.  Динамика нагрева и охлаждения однородного тела 
(изделия)................................................................... 30
1.3.1.  Вывод формулы нагрева и охлаждения тела....... 30
1.3.2.  Переходный процесс нагрева тела.
.................... 33
1.3.3.  Переходный процесс охлаждения тела.............. 34
Контрольные вопросы и задания................................... 36
ГЛАВА  2.  Электротермические установки нагрева 
сопротивлением............................................................. 38
2.1.  Электрические печи сопротивления.
....................... 38
2.1.1.  Принцип и технологические схемы нагрева 
сопротивлением.
...................................................... 38
2.1.2.  Нагревательные элементы и футеровка 
электропечей сопротивления..................................... 41
2.1.3.  Классификация электрических печей 
сопротивления........................................................ 44
3

2.1.4.  Электрическая тигельная печь сопротивления 
для плавки металлов................................................ 46
2.1.5.  Электрические печи сопротивления 
для термической обработки и сушки материалов 
и изделий............................................................... 49
2.1.6.  Электрооборудование и автоматика  
электрических печей сопротивления.......................... 57
2.1.7.  Электрооборудование и автоматика  
электрической печи сопротивления с непрерывным 
регулированием температуры.
................................... 66
2.1.8.  Энергетический баланс электрической печи 
сопротивления периодического действия.................... 71
2.1.9.  Повышение энергетической эффективности 
электрических печей сопротивления.......................... 79
2.2.  Электрические системы отопления......................... 82
2.2.1.  Введение в классификацию электрических  
систем отопления.
.................................................... 82
2.2.2.  Конвективные приборы систем электрического 
отопления.
.............................................................. 86
2.2.3.  Устройство и технические характеристики 
электрического котла............................................... 90
2.2.4.  Конвективное отопление здания  
с электрическим котлом........................................... 93
2.2.5.  Система отопления здания с инфракрасным 
нагревателем.
.......................................................... 96
2.2.6.  Применение тепловых насосов для отопления 
зданий..................................................................100
Контрольные вопросы и задания..................................105
ГЛАВА  3.  Дуговые сталеплавильные печи......................106
3.1.  Классификация дуговых сталеплавильных печей....106
3.2.  Принцип действия дуговой сталеплавильной печи 
косвенного действия.
..................................................107
3.3.  Принцип действия дуговой сталеплавильной печи 
прямого действия......................................................109
3.4.  Принцип действия дуговой рудно-термической  
печи.........................................................................110
3.5.  Условия зажигания и вольтамперная  
характеристика электрической дуги.
............................112
4

3.6.  Условия горения дуги при питании от источника 
переменного напряжения и схема замещения цепи дуги....115
3.7.  Условия устойчивого горения электрической  
дуги.........................................................................118
3.8.  Регулирование мощности электрической дуги  
дуговой сталеплавильной печи....................................120
3.9.  Режимы работы и электропотребления дуговой 
сталеплавильной печи................................................122
3.10.  Электрооборудование и автоматика дуговой 
сталеплавильной печи................................................126
3.11.  Электрические и рабочие характеристики  
дуговой сталеплавильной печи....................................132
3.12.  Энергетический баланс дуговой  
сталеплавильной печи................................................137
3.13.  Повышение энергоэффективности дуговых 
сталеплавильных печей..............................................142
Контрольные вопросы и задания..................................150
ГЛАВА  4.  Индукционные электротехнологические 
установки....................................................................151
4.1.  Классификация индукционных 
электротехнологических установок..............................151
4.2.  Индукционные плавильные печи..........................152
4.2.1.  Индукционные канальные печи (ИКП).
............152
4.2.2.  Индукционная тигельная плавильная печь.......154
4.3.  Индукционные нагревательные и закалочные 
установки.................................................................159
4.4.  Электрооборудование и автоматика  
индукционной канальной печи....................................162
4.5.  Электрооборудование и автоматика  
высокочастотной тигельной печи нагревательных 
и закалочных установок.............................................164
4.6.  Энергетический баланс индукционной плавильной 
печи.........................................................................169
4.7.  Расчетно-экспериментальный энергетический  
баланс индукционной плавильной печи........................172
4.8.  Повышение энергоэффективности индукционных 
плавильных печей.....................................................174
Контрольные вопросы и задания..................................178
5

ГЛАВА  5.  Установки лучевого и диэлектрического  
нагрева........................................................................180
5.1.  Установки лучевого нагрева.................................180
5.2.  Установки диэлектрического нагрева.
....................184
Контрольные вопросы и задания..................................186
ГЛАВА  6.  Электрохимические и электрофизические 
установки....................................................................187
6.1.  Электролизные установки....................................187
6.2.  Электрооборудование электролизных  
производств..............................................................192
6.3.  Электрохимическая обработка материалов.............195
6.4.  Электроэрозионные установки..............................198
Контрольные вопросы и задания..................................201
ГЛАВА  7.  Электрокинетические установки.
....................203
7.1.  Электрические фильтры......................................203
7.2.  Установки для разделения сыпучих смесей.
............207
7.3.  Установки для разделения эмульсий и суспензий....208
7.4.  Опреснительные установки..................................210
7.5.  Установки электростатической окраски.................211
Контрольные вопросы и задания..................................212
ГЛАВА  8.  Электросварочные установки.........................213
Контрольные вопросы и задания..................................217
Заключение.................................................................218
Библиографический список.
...........................................219
6

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ 
СОКРАЩЕНИЙ
ЭТУ – электротехнологические установки
ДСП – дуговые сталеплавильные печи
РТП – рудотермические печи
ВДП – вакуумные дуговые печи
ЭШП – печи электрошлакового переплава
ЭЛУ – электронно-лучевые установки
ЭЭ – электрическая энергия
ТЭ – тепловая энергия
НЭ – нагревательный элемент
НО – нагреваемый объект
ЭПС – электрическая печь сопротивления
ТЭН – трубчатый электронагреватель
КПД – коэффициент полезного действия
КИП – контрольно-измерительные приборы
ГВС – горячее водоснабжение
ТЭЦ – теплоэлектроцентраль
ИК – инфракрасный
ТН – тепловой насос
ВАХ – вольт-амперные характеристики
ТКГ – топливно-кислородные горелки
ИКП – индукционные канальные печи
ИТП – индукционные тигельные печи
ИНУ – индукционные нагревательные установки
ИЗУ – индукционные закалочные установки
ЭЭО – электроэрозионная обработка
МЭП – межэлектродное пространство
ЭИТ – электронно-ионная технология
7

ВВЕДЕНИЕ
Электротехнологии и  электротехнологические установки 
преобразуют электрическую энергию в  другие виды энергии 
для выполнения определенного технологического процесса.
Бурному развитию электротехнологии способствует быстроразвивающаяся электроэнергетика, создание новых источников 
электрической энергии, сооружение линий электропередачи, 
передающих электроэнергию на  дальние расстояния, а  также 
преимущество электрической энергии перед другими видами 
энергии, заключающееся в следующем: технически просто реализуется способность к преобразованию в другие виды энергии; 
возможность экономической передачи на  дальние расстояния; 
экологичность при передаче и применении; простота распределения по  объектам и  установкам внутри предприятия и  высокий уровень автоматизации процессов по ее применению.
Электротехнологические установки (ЭТУ) широко применяются в  металлургической, машиностроительной, химической и других отраслях промышленности, сельском хозяйстве 
и бытовой технике.
Область применения ЭТУ: плавка металлов и нагрев металлических изделий; закалка металлических изделий; получение 
особо чистых металлов; нанесение металлических покрытий 
на изделие; электрохимическая и электрофизическая обработка изделий; магнитно-импульсная, электромагнитная, электрогидравлическая штамповка изделий; выделение из газового 
потока твердых тел или жидких частиц – электрогазоочистка; 
разделение многокомпонентных систем на  составные части  – 
электросепарация; нанесение твердых или  жидких покрытий 
на изделия – электроокраска и др. Более того, получение высококачественных сталей, жароупорных металлов и сплавов, полупроводниковых материалов, особо чистых материалов – все 
то, что определяет технический прогресс, может быть достигнуто только посредством электротехнологических процессов.
Большинство электротехнологических процессов являются 
энергоемкими, например при плавке стали в дуговых сталеплавильных печах удельный расход электроэнергии составляет 
450  кВт⋅ч/т, а  при  плавке руды в  рудотермических печах  – 
8

3000 кВт⋅ч/т. Поэтому ЭТУ являются наиболее существенными потребителями электроэнергии в промышленности. В связи с этим при рассмотрении процессов в ЭТУ важно изучить их 
принципы действия, устройство, особенности электропотребления, энергетический баланс и направления повышения их 
энергоэффективности.
9

ГЛАВА  1.   
Классификация электротехнологических 
установок. Основы теплопередачи 
и теплообмена
1.1.  Классификация 
электротехнологических установок
Электротехнологические процессы включают следующие 
технологические процессы и методы обработки материалов:
• электротермические процессы, в  которых используется 
превращение электрической энергии в тепловую для нагрева 
материалов и изделий в целях изменения их свойств или формы, для их плавления и испарения;
• электрохимические процессы и методы обработки и получения материалов разложением химических соединений и 
их разделением в жидкой среде под действием электрического 
поля (электролиз, гальванотехника, анодная электрохимическая обработка);
• электрофизические процессы и методы обработки, при 
которых для воздействия на материалы используется превращение электрической энергии как  в  механическую, так и  в 
тепловую (электроэрозионная, ультразвуковая, магнитоимпульсная, электровзрывная);
• электрокинетические аэрозольные процессы, при  которых энергия электрического поля используется для сообщения 
электрического заряда взвешенным в газовом потоке мелким 
частицам вещества с  целью перемещения их  под  действием 
поля в нужном направлении;
• электросварочные процессы, в  которых получаемая из 
электрической энергии тепловая энергия используется для нагрева тел и прочного их соединения в месте сварки.
Электротехнологические установки (ЭТУ)  – это технический комплекс или  агрегаты, в  которых происходит превращение электрической энергии (ЭЭ) в другие виды энергии с одновременным осуществлением технологических процессов, в 
результате которых происходит изменение вещества.
10