Общие сведения. Индукционный нагрев — нагрев токопроводящих тел в электромагнитном поле за счет

Индукционный нагрев — нагрев токопроводящих тел в электромагнитном поле за счет индуциро­вания в них вихревых токов. При этом электрическая энергия преобразуется трижды. Сначала при помощи: индуктора она преобразуется в энергию переменного магнитного поля, которая в теле, помещенном в индуктор, превращается в энергию электрического поля. И, наконец, под действием электрического поля в нагрева­емом токопроводящем материале начинают двигаться заряды, которые при столкновении с нейтральными ато­мами и молекулами увеличивают их тепловое движение, т. е. энергия электрического поля превращается в теп­ловую.

Плотность тока по сечению нагреваемого проводящего тела неодинако­ва. Наибольшего значения она достигает на поверхно­сти проводника, а по мере приближения к его центру убывает. Это явление названо поверхностным эффектом. В слое толщиной Z = Δ₂ выделяется 87% тепловой энер­гии. На расстоянии Z = Δ₂ от поверхности мощность сни­жается в 7,4 раза, а плотность тока — в 2,7 раза. На интенсивность и характер нагрева значительно влияют частота тока, напряженность электрического и магнит­ного полей. Изменяя частоту тока; можно получить не­обходимый по технологическим условиям характер на­грева и его интенсивность.

Если принять, что в слое толщиной Δ плотность вихревых токов равна плотности поверхности на поверхности тела, а вне этого слоя тока нет, то эффект нагрева будет эквивалентен действию вихревых токов при реальном их распределении. Величина Δ определяется электрофизическими свойствами материала нагреваемого тела и частотой тока

, (9.1)

где ρ – удельное сопротивление, ом∙см;

μ – относительная магнитная проницаемость;

f – частота, Гц.

КПД системы «индуктор — нагреваемое тело» зависит от того, насколько ярко выражен поверхностный эффект, т.е. от величины Δ.

КПД индукционного нагревателя для сравнения с другими видами нагрева желательно производить в комплексе с источником питания. Для нашего случая, согласно схеме лабораторной установки КПД сложится из отношения тепловой мощности, выделившейся в детали, к потребленной мощности от сети.

График для большинства индукционных нагревателей приведен на рисунке 9.1. Как видно, полный КПД такого типа нагрева не превышает 40%. Для современных источников питания, КПД которых может достигать 97%, общий КПД индукционного нагрева сильно зависит от воздушного зазора между индуктором и нагреваемой проводящей поверхностью. Поэтому следует минимизировать это расстояние, но только не в ущерб электрической прочности изоляции.

Рисунок 9.1 Зависимость КПД от диаметра заготовки:

1— термический КПД; 2— элект­рический КПД; 3 — КПД гене­ратора; 4 — общий КПД

Частота тока во многом определяет экономичность индукционного нагрева. Оптимальную частоту тока, Гц, при сквозном нагреве стальных цилиндрических заготовок диаметром d₂, м,

, (9.2)

Если система «индуктор — нагреваемое тело» подвергается воздействию синусоидального напряжения, то она может быть представлена схемой замещения, состоящей из индуктивного и активного сопротивлений (рисунок 9.2).

а б в

Рисунок 9.2 Принципиальная схема системы «индуктор —

нагреваемое тело» - а и схемы замещения: последовательная - б

и параллельная- в: 1 - индуктор; 2 – нагреваемое тело

Параметры R и Х в параллельной схеме замещения связаны с параметрами последовательной схемы соотношениями, которые при x_н>>r_н упрощаются:

R ≈ x_н²/ r_н, (9.3)

где r_н – сопротивление, которой характеризует активную мощность,

выделяемую в индукторе (r_и) и в нагреваемом теле (r_м);

x_н – сопротивление реактивной мощности в зазоре (x_з) и материале

индуктора и нагреваемого тела (х_и и х_м), x_н≈Х.

Соотношение между реактивным и активным сопротивлением системы «индуктор — нагреваемое тело» характеризуется добротностью системы Q_н, или тангенсом угла между напряжением и током индуктора tgφ_н

. (9.4)

Параметры системы «индуктор — нагреваемое тело» в зависимости от типа индукционной установки в процессе нагрева могут либо оставаться практически неизменными, либо значительно меняться. К первому типу относятся нагрева­тели методического действия, в индукторе которых находится одновременно несколько нагреваемых заготовок. При заталкивании в индуктор холодной за­готовки с другого конца индуктора выталкивается горячая заготовка. Параметры системы незначительно меняются по периодическому закону, определяемому тактом выдачи заготовок, причем колебания параметров получаются тем меньше, чем больше заготовок находится в индукторе.

Ко второму типу относятся плавильные печи и нагреватели периодического действия. Изменение электрических параметров системы «индуктор — нагревае­мое тело» вызывается изменением в процессе нагрева удельного сопротивления ρ и магнитной проницаемости μ, а для плавильных установок и изменением гео­метрии нагреваемого тела в результате сваривания и расплавления шихты.

Закалочные установки могут приближаться к первому (большая удельная мощность) или второму (малая удельная мощность) типу.

Температура водоохлаждаемого индуктора меняется незначительно и по­этому можно считать, что глубина проникновения тока в металл индуктора по­стоянна и, следовательно, постоянны сопротивления х_и и r_и (при условии сох­ранения постоянства частоты).

Время нагрева цилиндрической стальной заготовки выбирают по графикам приведенным в специальной литературе в зависимости от принятой частоты тока и диаметра заготовки. При сквозном нагреве его продолжительность до­стигает десятков и сотен се­кунд, поэтому тепловые потери соизмеримы с выделя­ющейся мощностью в нагре­ваемом материале. Чтобы уменьшить тепловые поте­ри, в индукторах применяют теплоизолирующую футеров­ку (теплоизоляция) из ша­мота, асбеста, жаростойко­го бетона и других матери­алов. При однослойной теп­лоизоляции из бетона или шамота и нагреве заготовки до Т_п=1570

В настоящей работе будет исследоваться индукционный нагреватель на частоте 8 кГц.

Расчет заключается в определении основных па­раметров индукционного нагревателя, а также электри­ческих и энергетических характеристик индуктора. Расчет состоит из двух частей: тепловой и электрической.

При тепловом расчете определяют мощ­ность нагревательного устройства, тепловые потери, час­тоту тока, время нагрева и термический к. п. д. индук­тора. При сквозном нагреве ферромагнитного материала до температуры выше точки магнитных превращений (1470... 1570 К) мощность, потребляемая индуктором при нагреве, изменяется по сложному закону.

Чтобы учесть изменения физических свойств нагрева­емого материала, активной и реактивной мощности на зажимах индуктора, нагреватели рассчитывают по трем основным этапам, соответствующим холодному, проме­жуточному и горячему режимам нагрева /3/. Однако точный расчет довольно сложен.

В инженерной практике применяют упрощенные мето­ды, обеспечивающие достаточную точность расчета. Для индукционных нагревателей периодического действия, если напряжение на зажимах индуктора U₁=const, рас­чет проводят по мощности горячего режима.

Энергию, потребленную из сети, можно определить по показаниям приборов – амперметра вольтметра и секундомера согласно выражению:

, (9.5)

где I – ток, А;

U – напряжение, В;

τ – время, с.

Энергию, выделившуюся в нагреваемой заготовке определим расчетным путем, исходя из разности температур, массы и теплоемкости нагреваемой заготовки:

, (9.6)

где С – теплоемкость, кДж/кг·К;

m – масса заготовки, кг;

Т_Н, Т_К – соответственно начальная и конечная температура заготовки.

Коэффициент полезного действия индукционной установки

. (9.7)

В зависимости от используемых частот установки индукционного нагрева подразделяются на: низкочас­тотные (50 Гц), среднечастотные (до 10 кГц) и высоко­частотные (свыше 10 кГц).

Примеры обозначения установок: ВЧИ-40/0,44-ЗП с колебательной мощностью 40 кВт и рабочей частотой 440 кГц, для закалки поверхностей; ВXU1-100/0.066-YC – высокочастотный генератор первой подсерии колебательной мощностью 100 кВт, с рабочей частотой 66 кГц, для сквозного нагрева (НС). Шкала мощностей установок: 1; 4; 6; 10; 25; 40; 60; 100; 160; 200 кВт /1/.

Дата добавления: 2015-12-07