Индукторы (индукционные нагреватели)

Время (по расписанию) 10:20-11:55

Дисциплина: Основы электротехнологий

Лекция. Раздел 2 (из Рабочей Программы).

Тема

Электротехнологии с индукционным нагревом.

Электродуговые технологии

Содержание

2.1 Принципы индукционного нагрева и количественные характеристики

2.2 Промышленные системы и установки с индукционным нагревом

2.2.1  Индукторы (индукционные нагреватели)

2.2.2  Генераторы токов высокой частоты

2.3 Свойства электродуги и способы её применения в промышленности

2.3.1  Применение индукционного нагрева

2.3.2  Энергетические соотношения системы индуктор - изделие

2.3.3  Режимы и оптимальная частота высокочастотного индукционного нагрева

2.3.4  Расчет индукторов

Контрольные вопросы

Тест

 

Принципы индукционного нагрева и количественные характеристики

Индукционный нагрев осуществляется в переменном магнитном поле. Проводники, помещенные в поле, нагреваются вихревыми токами, наводимыми в них по законам электромагнитной индукции.

Интенсивный нагрев можно получить лишь в магнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создаются специальными устройствами - индукторами (индукционными нагревателями), питаемыми от сети или индивидуальных генераторов токов высокой частоты (рис. 2.1). Индуктор является как бы первичной обмоткой воздушного трансформатора, вторичной обмоткой которого служит нагреваемое тело.

В зависимости от применяемых частот установки индукционного нагрева разделяются следующим образом:

а) низкой (промышленной) частоты (50 Гц);

б) средней (повышенной) частоты (до 10 кГц);

в) высокой частоты (свыше 10 кГц).

 

Рис. 2.1 – Индукторы: а – цилиндрический; б - петлевой для нагрева плоских деталей; И- индуктор; Д - деталь. а - И

Деление индукционного нагрева по частотным диапазонам диктуется техническими и технологическими соображениями. Физическая сущность и общие количественные закономерности для всех частот одинаковы и основываются на представлениях, о поглощении проводящей средой энергии электромагнитного поля.

Частота оказывает существенное влияние на интенсивность и характер нагрева. При частоте 50 Гц и напряженности магнитного поля 3000-5000 А/м удельная мощность нагрева не превышает 10 Вт/см², а при высокочастотном (ВЧ) нагреве мощность достигает сотен и тысяч Вт/см². При этом развиваются температуры, достаточные для плавления самых тугоплавких металлов.

Вместе с тем, чем выше частота, тем меньше глубина проникновения токов в металл и, следовательно, тоньше нагреваемый слой, и наоборот. На высоких частотах осуществляют поверхностный нагрев. Снижая частоту и увеличивая тем самым глубину проникновения тока, можно осуществить глубинный или даже сквозной нагрев, одинаковый по всему сечению тела. Таким образом, выбирая частоту, можно получить необходимый по технологическим условиям характер нагрева и его интенсивность. Возможность нагрева изделий практически на любую толщину - одно из основных преимуществ индукционного нагрева, который широко используется для поверхностей закалки деталей и инструмента.

Поверхностное упрочнение после индукционного нагрева значительно повышает износостойкость изделий по сравнению с тепловой обработкой в печах. Индукционный нагрев успешно применяется также для плавки, термической обработки, деформации металлов и в других процессах.

 

Промышленные системы и установки с индукционным нагревом

Индукторы (индукционные нагреватели)

Индуктор - это рабочий орган установки индукционного нагрева. Эффективность нагрева тем выше, чем ближе вид испускаемой индуктором электромагнитной волны к форме нагреваемой поверхности. Вид волны (плоская, цилиндрическая и др.) определяется формой индуктора.

Конструктивное оформление индукторов зависит от формы нагреваемых тел, целей и условий нагрева. Простейший индуктор представляет собой изолированный проводник, помещенный внутрь металлической трубы, вытянутый или свернутый в спираль. При пропускании по проводнику тока промышленной частоты в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. В сельском хозяйстве предпринимались попытки использовать этот принцип для обогрева почвы в закрытом грунте, насестов для птицы и др.

Рис. 2.2– Индуктор для закалки лемехов: а - индуктор; б - лемех.

 

В индукционных водонагревателях и пастеризаторах молока (работы по ним не вышли пока за рамки экспериментальных образцов) индукторы выполняют по типу статоров трехфазных электродвигателей. Внутрь индуктора помещен металлический сосуд цилиндрической формы. Вращающееся (или пульсирующее при однофазном исполнении) магнитное поле, создаваемое индуктором, наводит в стенках сосуда вихревые токи и нагревает их. От стенок тепло передается находящейся в сосуде жидкости.

При индукционной сушке древесины штабель досок перекладывают металлическими сетками и помещают (закатывают на специальной тележке) внутрь цилиндрического индуктора из проводников большого сечения, намотанных на каркас из изоляционного материала. Доски нагреваются от металлических сеток, в которых индуктируются вихревые токи.

Приведенные примеры поясняют принцип установок косвенного индукционного нагрева. К недостаткам таких установок относятся низкие энергетические показатели и малая интенсивность нагрева. Низкочастотный индукционный нагрев достаточно эффективен при прямом нагреве массивных металлических заготовок и определенном соотношении между их размерами и глубиной проникновения токов (см. далее).

Индукторы высокочастотных установок выполняют неизолированными, они состоят из двух основных частей - индуктирующего провода, при помощи которого создается переменное магнитное поле, и токоподводов для подключения индуктирующего провода к источнику электрической энергии.

Конструктивное выполнение индуктора может быть весьма разнообразным. Для нагрева плоских поверхностей используются плоские индукторы, цилиндрических заготовок - цилиндрические (соленоидные) индукторы и т. п. (рис. 2.1). Индукторы могут иметь сложную форму (рис. 2.2), обусловленную необходимостью концентрации электромагнитной энергии в нужном направлении, подвода охлаждающей и закалочной воды и пр.

Для создания полей высокой напряженности по индукторам пропускают большие токи, исчисляемые сотнями и тысячами ампер. В целях снижения потерь индукторы изготавливают с возможно малым активным сопротивлением. Несмотря на это, они все же интенсивно нагреваются как собственным током, так и за счет теплопередачи от заготовок, поэтому их оборудуют принудительным охлаждением. Индукторы обычно выполняют из медных трубок круглого или прямоугольного сечения, внутри которых пропускается проточная вода для охлаждения.