Физико-технические основы индукционного нагрева

 

Индукционный нагрев (проводников первого и второго рода) основан на поглощении электропроводящими телами электромагнитной энергии с нагревом тела наведенными вихревыми токами (закон Джоуля-Ленца). Переменное магнитное поле создается индуктором, который по отношению к нагреваемому телу является первичной обмоткой трансформатора. Нагреваемое тело исполняет роль вторичной обмотки, трансформатора, содержащей один короткозамкнутый виток (рис.1.16).

 

Рис. 1.16. Принципиальная схема индукционного нагрева: 1 – индуктор; 2 – магнитный поток в нагреваемом теле; 3 – нагреваемое тело; 4 – наведенный ток; D – воздушный зазор

 

Переменный магнитный поток 2, создаваемый первичной обмоткой индуктором 1, пропорционален его магнитодвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению магнитной цепи.

Возникающая ЭДС в нагреваемом теле Е = 4,44×Ф×ω×f 10^-8 (В) при известном значении сопротивления нагреваемого тела обеспечивает возникновение в нем вихревого тока 4 и выделение соответствующей мощности:

(1.14)

Таким образом, индукционный нагрев является прямым нагревом сопротивлением, а включение нагреваемого тела в цепь тока производится за счет магнитной связи. Индукционный нагрев, обладает достоинствами прямого нагрева сопротивлением: высокая скорость нагрева пропорциональная вводимой мощности, неограниченный уровень достигаемых температур, достаточный для нагрева металлов, плавление металлов и неметаллов, перегрев, расплав, испарение материалов и получение плазмы.

Режим выделения мощности при индукционном нагреве обладает большим быстродействием и легко подается автоматизации по требованию технологических процессов, проходящих в открытой атмосфере, в защитных газах в вакууме.

Особенностью индукционного ввода энергия является возможность регулирования пространственного расположения зоны, по которой протекают вихревых токов. Во-первых, вихревые токи 4 протекают в пределах площади, охватываемой индуктором 1, и нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела (рис. 1.16). Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит кроме других факторов от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты). Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому телу зависит от величины зазоре между ними и повышается при его уменьшении.

Как и нагрев сопротивлением, индукционный нагрев обеспечивает высокую производительность и хорошие санитарно-гигиенические условия труда, хотя питания и повышенный удельный расход электроэнергии на технологические операции.

Принципиальная схема индукционного нагрева включает в себя индуктор 1, воздушный зазор D и нагреваемое тело 3. Сам индуктор, находящийся в созданном им электромагнитном поле, тоже поглощает энергию, которая выделяется в нем в виде потерь. Формы индукторов весьма разнообразны и зависят от формы обрабатываемых деталей. Индукторы изготавливаются из меди – немагнитного металла и охлаждаются водой. В большинстве случаев индукторы имеют много витков и изоляцию между ними.

При выполнении нагревательных операций индуктор может находиться снаружи нагреваемого тела либо внутри его. В последнем случае внутри индуктора помещают сердечник, собранный из листовой трансформаторной стали. Наиболее распространенным является внешнее расположение индуктора на цилиндрическом нагреваемом теле. При прохождении по индуктору переменного тока напряженность магнитного поля в полости одинакова во всех его точках. Поток энергии (квар) внутрь полости индуктора через его поверхность на единицу длины составляет

, (1.15)

где (I∙ω_1,0)² – квадрат ампер-витков индуктора; f – частота тока; – площадь поперечного сечения полости индуктора.

Из (1.15) следует, что мощность в полости индуктора чистая реактивная идёт на создание переменного магнитного пола.

Потери в многовитковом индукторе, создаваемом поглощением электромагнитной энергии на одном метре его длины

где D_a = 2×R_a – "активный" диаметр индуктора (для индуктора снаружи нагреваемого тела D_a = D_В = 2×R_a для индуктора, помещенного в полость цилиндра, D_a = D_н = 2∙R_н); ρ_и – удельное сопротивление материала индуктора; F_и, G_и – комплексы, образованные из функций Бесселя, приведенные в виде таблиц и графиков в справочной литературе.

Потери мощности в зазоре между индуктором и нагреваемым телом зависит от взаимных размеров сопрягающихся деталей. Если в полости индуктора находится нагреваемый металлической цилиндр, то потери в зазоре (деталь индуктор) составляют

(1.18)

При нахождении индуктора в полости нагреваемого цилиндра потери энергии в зазоре,

(1.19)

где d_o, d_в, D_в и D_и – характерные размеры нагреваемого тела и индуктора.

Энергия, вводимая в нагреваемое тело, определяется в инженерных расчетах через значение мощности, выделяющейся в металлическом цилиндре на 1м длины. Для активной мощности

(1.20)

и реактивной мощности

(1.20)

где ρ – удельное сопротивление нагреваемого материала; μ – магнитная проницаемость; f – частота поля; (I∙ω_1,0) – ампервитки индуктора; F_оц, G_оц – сложные комплексы, образованные из функции Бесселя, определяются по таблицам и графикам.

При нагреве металлической плиты активная и реактивная составляющие мощности соответственно

(1.22)

(1.23)

Эти зависимости показывают, что регулирование мощности при индукционном нагреве может осуществляться за счет изменения числа витков индуктора, тока намагничивания и его частоты. При прочих равных условиях выделяющаяся мощность больше для тел, имеющих высокое удельное сопротивление и магнитную проницаемость. При нагреве до высоких температур, когда заметно становится изменение удельного сопротивления ρ, необходимо регулирование напряженности магнитного полян частоты.

Электрический КПД системы индуктор – металлический цилиндр определяется из отношения полезной активной мощности Р_1,0 (1.20), выделяющейся в металле, и активных потерь в индукторе Р_{и 1,0} (1.16)

 

(1.24)

 

Максимальное значение КПД составляет 0,70-0,88. Для получения высоких величин КПД частота при уменьшении диаметра цилиндра должна повышаться до некоторого предела после которого КПД остается неизменным.

Потери энергии в зазоре снижают КПД системы приблизительно на 10 % (при больших зазорах). Эффективность нагрева тем выше, чем меньше соотношение , поэтому индукционный нагрев сплошных металлических цилиндров из высоко проводящих материалов меди или алюминия неэкономичен.

При определении коэффициента мощности системы необходимо учитывать активные и реактивные мощности, выделяющиеся не только в нагреваемом теле, но и в индукторе и особенно в зазоре:

(1.25)

Чем больше зазор между индуктором и нагреваемым цилиндром, тем больше реактивная мощность P_{з g,1,0} и тем ниже cosφ. Магнитное поле, выходя из индуктора, встречает поверхность нагреваемого тела, в которой сразу начинается выделение тепловой энергии. По мере продвижения в глубину тела в механизм проведения тока включаются более глубокие слои, а ток проводимости в это же время создает встречное магнитное поле, препятствующее продвижению внешнего поля. Поэтому индукционный нагрев по своей природа является поверхностным, и поток энергии на глубине ∆_э поглощается 86,4% энергии, прошедшей через поверхность тела. Используя соотношение, μ_а = μ×μ₀ и ω = 2 π f, где μ – относительная магнитная проницаемость нагреваемого металла; μ₀ - магнитная постоянная, равная 0,4 π×10^-6 , определяем глубину проникновения

(1.26)

Отсюда следует, что глубина нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления и понижается с ростом частоты тока. Эта формула позволяет определить необходимую частоту тока для нагрева тела на заданную глубину. Для ферромагнитных материалов, когда с ростом температуры увеличивается ρ, а при достижении точки Кюри значение μ падает от 50-100 до I, глубина проникновения тока резко увеличивается, однако, поглощаемая мощность при этом падает.

Наличие в системе индуктор-нагреваемое тело двух потоков магнитной энергии (прямого и встречного, вызванного наведенными токами) приводит к возникновению механических усилий, действующих на каждый элемент за счет электродинамических сил.

Сжимающее усилие определяется по (1.27):

, (1.27)

где z – координата.

Для немагнитного или любого расплавленного металла, когда μ = 1, сжимающее усилие определяется по (1.28):

(1.28)

Сжимаемое усилие при прочих условиях обратно пропорционально глубине проплавления ∆_э и прямо пропорционально магнитной проницаемости μ. Максимальное значение сжимающих усилий находится в точках, наиболее удаленных от индуктора, с уменьшением частоты Р_cж возрастает. Указанные свойства системы приводят к деформации нагретых тел и перемещению расплава и плазмы.

При выводе приведенных формул были приняты некоторые допущения и учитывалось взаимное влияние отдельных факторов друг на друга, которые необходимо предусматривать в инженерных расчетах. Кроме того, в индукционных нагревательных устройствах имеют место: поверхностный эффект – вытеснение тока к поверхности проводника при увеличении частоты изменения тока; эффект близости – повышение плотности тока на внутренних сторонах двух проводников; катушечный эффект – повышение плотности тока на внутренней поверхности.

Индикатор представляет собой в большинстве случаев соленоид, имеющий один или несколько добавочных отводов от внутренних витков. Витковое напряжение (напряжение между смежными витками) изменяется в широких пределах от 20-175 до 400-600 и даже 1000 В. Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч ампер при средней плотности тока порядка 20 . Потери энергии в индукторе могут достигать 20-30 % полезной мощности установки. В силу того, что индуктор находится под напряжением и охлаждается хладагентом, а изделие нагревается до высоких температур, между индуктором и изделием создают зазор, который влияет на энергетические свойства установки. В этом зазоре помещается электрическая и огнеупорная изоляция, толщена которой зависит от свойств применяемых материалов. Нагреваемое тело может быть в твердом (металлы), жидком (расплавы металлов и неметаллов) и плазменном состоянии. Поэтому индукционный способ нагрева применяется при следующих технологических процессах: плавка металлов и неметаллов; поверхностная закалка; нагрев заготовок под пластическую деформацию или термохимическую обработку; сварка, наплавка и пайка; зонная очистка металлов и полупроводников, плавка во взвешенном состоянии; получение монокристаллов из тугоплавких оксидов; получение плазмы.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: