ЭТУ_Куликова_2014

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.

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. (рисунок 8.1). Индукторы могут иметь сложную форму (рисунок 8.2), 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.

181

Применение индукционного нагрева. Установки индукционного нагрева весьма распространены на ремонтных заводах и предприятиях «Сельхозтехники».

В ремонтном производстве токи средней и высокой частоты применяются для сквозного и поверхностного нагрева деталей из чугуна и стали под закалку, перед горячей деформацией (ковкой, штамповкой), при восстановлении деталей методами наплавки и высокочастотной металлизации, при пайке твердыми припоями и др.

Особое место занимает поверхностная закалка деталей. Возможность концентрации мощности в заданном месте детали позволяет получать сочетание наружного закаленного слоя с пластичностью глубинных слоев, что значительно повышает износостойкость и устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам.

Достоинства поверхностной закалки при помощи индукционного нагрева заключаются в следующем:

1) возможность закаливать детали и инструмент на любую необходимую толщину, при необходимости обрабатывая только рабочие поверхности;

2) значительное ускорение процесса закаливания, что обеспечивает высокую производительность установок и снижает стоимость термообработки;

3)обычно меньший по сравнению с другими способами нагрева удельный расход энергии вследствие избирательности нагрева (только на заданную глубину) и быстротечности процесса;

4)высокое качество закаливания и уменьшение брака;

5)возможность организации поточности производства и автоматизации процессов;

6)высокая культура производства, улучшение санитарногигиенических условий труда.

Установки индукционного нагрева выбирают по следующим основным параметрам: назначению, номинальной костельной мощности, рабочей частоте. Выпускаемые промышленностью установки имеют стандартную шкалу мощностей со следующими ступенями:0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0 кВт и далее при умножении этих чисел на 10, 100 и 1000.

Установки для индукционного нагрева имеют мощности от 1,0 до 1000 кВт, в том числе с ламповыми генераторами до 250 кВт, а выше — с машинными генераторами. Рабочую частоту, определяемую расчетом, уточняют по шкале частот, разрешенных для применения в электротермии.

Высокочастотные установки для индукционного нагрева имеют единую индексацию: ВЧИ (высокочастотные индукционные).

После букв через тире обозначается в числителе колебательная мощность (кВт), в знаменателе — частота (МГц). После цифр пишутся буквы, обозначающие технологическое назначение. Например: ВЧИ- 40/0,44-ЗП — высокочастотная установка индукционного нагрева,

182

колебательная мощность 40 кВт, частота 440 кГц; буквы ЗП — для закалки поверхностей (НС — для сквозного нагрева, СТ — сварки труб и т. п.).

8.4 Диэлектрический нагрев

Особенности диэлектрического нагрева. Токи высокой частоты (ТВЧ) значительно расширили технологические возможности и области применения электрического нагрева в различных отраслях народного хозяйства, медицине, биологии, быту, научных исследованиях. Особенно велико значение ТВЧ для нагрева электрически не проводящих и плохо проводящих материалов — диэлектриков и полупроводников.

Диэлектрический нагрев осуществляется в высокочастотном электрическом поле.

Нагрев токами высокой частоты наиболее целесообразен для материалов с плохой теплопроводностью. В сельскохозяйственном производстве к ним относится большинство продуктов и кормов, подлежащих сушке: зерно, хмель, чай, табак, концкорма, — а также пищевые жидкости: молоко, фруктовые соки и др.

При обычных (внешних) способах подвода тепла процесс сушки или тепловой обработки затягивается. Длительное пребывание продуктов в температурном поле отрицательно влияет на их качества, возрастают потери тепла, производительность установок невысока.

При нагреве в поле конденсатора тепло выделяется одновременно по всему объему однородного по электрофизическим свойствам материала, вследствие чего продолжительность нагрева резко сокращается. В процессах сушки быстрый нагрев внутренних слоев материала приводит к созданию градиентов температуры и давления, направленных к наружной поверхности тела, что способствует быстрому удалению излишней влаги. Если материал неоднороден, становится возможным избирательный нагрев отдельных компонентов, имеющих различную спектральную чувствительность к ТВЧ, Интенсивность нагрева практически ограничивается лишь технологическими условиями и целостностью материала.

Интенсивный нагрев диэлектриков возможен лишь в электрическом поле высокой частоты. Нагрев в поле конденсатора (собственно диэлектрический нагрев) осуществляется на частотах от 0,5 до 100 МГц. Область более высоких частот, от 100 до 300 МГц, составляют токи сверхвысокой частоты (СВЧ). Нагрев токами СВЧ (волнами дециметрового и сантиметрового диапазона) осуществляется в объемных резонаторах или путем направленного излучения электромагнитной энергии. Этот вид диэлектрического нагрева имеет свои особенности как по принципу генерирования токов СВЧ, так и по характеру нагрева. На этих частотах уже заметно проявляется поверхностный эффект вследствие затухания электромагнитной волны в диэлектрике.

183

Основные особенности высокочастотного нагрева диэлектриков состоят в следующем.

1.Нагрев токами высокой частоты является прямым нагревом – электрическая энергия преобразуется в тепло непосредственно в полупроводниках или диэлектриках, помещенных в быстропеременное электрическое поле. Во многих случаях это позволяет коренным образом изменять технологию процессов, повышать качество продукции и производительность труда. Примерами этому могут служить опыт применения ТВЧ для сушки зерна и других сельскохозяйственных продуктов и кормов, пастеризация и стерилизация молока и др. При ВЧ нагреве расход электроэнергии непосредственно на изменение теплосодержания материалов наименьшей по сравнению с другими способами, а к. п. д. выше, хотя общий расход электроэнергии с учетом потерь в генераторах и вспомогательных устройствах нередко оказывается больше.

2.Токи высокой частоты позволяют осуществлять избирательный нагрев благодаря возможности концентрации мощности в нужном направлении и использованию спектральной чувствительности неоднородных по физическим свойствам материалов. Это свойство используется в процессах сушки, дезинсекции зерна, замаривания коконов тутового шелкопряда и др.

3.При ВЧ нагреве достигается высокая концентрация мощности в единице объема нагреваемой среды, что позволяет значительно интенсифицировать производственные процессы. Появляется возможность использовать механические воздействия, - возникающие в материалах при быстром неравномерном нагреве, например при диэлектрическом разрушении камней, вспучивании материалов органического происхождения и др. Кроме того, ВЧ нагрев диэлектриков позволяет снизить отходы продукции, осуществить поточность и широкую автоматизацию производства.

В сельском хозяйстве диэлектрический нагрев имеет большие возможности применения для сушки зерна, семян трав, овощей, фруктов, чая, хлопка, дезинсекции зерна, замаривания шелковичных коконов. Не менее важно применение ТВЧ для пастеризации, стерилизации молока и молочных продуктов, фруктовых и ягодных соков, в процессах консервирования.

К недостаткам диэлектрического нагрева следует отнести высокую стоимость оборудования, более высокий (во многих случаях) удельный расход электроэнергии, необходимость в квалифицированном обслуживающем персонале. Поэтому его применение экономически целесообразно там, где это ведет к коренному усовершенствованию технологии процессов и где высокие капитальные и эксплуатационные затраты компенсируются повышением качества и увеличением выхода продукции, значительным ростом производительности труда.

184

К установкам диэлектрического нагрева предъявляются следующие основные требования:

1) обеспечить заданные технологические условия (по температурным режимам, скорости нагрева и т. п.);

2)полностью сохранить материал и его качества, не допускать электрического пробоя материала;

3)возможность согласования электрических параметров нагрузки с параметрами источника питания;

4)обеспечить устойчивый режим работы в конденсаторе без

искрения;

5)максимальное значение к. п. д.

8.5.Расчет индукционных нагревателей на промышленной частоте

Расчет нагревателей типа «многовитковый индуктор в ферромагнитной трубе» можно проводить по упрощенной методике, предложенной В.Т. Якимцевым и Б.Т. Посельских. Методика основана на математической обработке экспериментальных данных, полученных для труб с внутренним диаметром dтр= 0,015; 0,02 и 0,025 м.

При температуре нагрева трубы до Тп=373 К тепловой поток, приходящийся на 1 м длины нагревателя, определяется по выражению

Фl k2 T k1 (В/м), (8.3)

где T – перепад температур между окружающей средой и трубой, К. Напряжение, которое необходимо приложить к отрезку нагревателя

длиной в 1 м, находят по формуле

185

Длина нагревателя, подключаемого на фазное напряжение UФ

нагреваемое изделие (рис. 8.1).

Нагреваемые цилиндры (трубы), имеющие длину в 5 и более раз превышающую диаметр, можно рассчитывать по следующей упрощенной методике. Реактивным сопротивлением индуктора пренебрегают ввиду его малости по сравнению с сопротивлением нагреваемого ферромагнитного цилиндра. Расчет проводят на 1 м длины системы «индуктор – нагреваемый цилиндр».

Величины, относящиеся к нагреваемому цилиндру, обозначаются индексом 2, а к индуктору – индексом 1.

Используя заданные технологические условия, по формулам (5.17) –

где Pp – расчетная мощность установки, Вт;

А2 – площадь поверхности нагреваемого цилиндра (трубы), м2.

При низкотемпературном нагреве трубопроводов диаметром 20...1000 мм удельный поверхностный тепловой поток не должен превышать

(0,1...0,2)104 Вт/м2 .

Активное и реактивное сопротивления нагреваемого цилиндра

где R2 и X 2 – функции (рис. 12.4);

A2l – площадь поверхности нагреваемого цилиндра длинной 1 м, м2; l2 – длина цилиндра, l2=1 м;

2 – удельное электрическое сопротивление материала цилиндра, Ом

м;

f– частота тока, Гц;

r 2 – относительная магнитная проницаемость ферромагнитного

материала, определяемая в зависимости от удельной поверхностной мощности (8.3).

186

Рисунок 8.4 – Зависимость μr2 относительной магнитной проницаемости стали от удельной поверхностной мощности для удельного сопротивления стали: 1 – ρст=2·10-7 Ом·м; 2 – ρст=8·10-7 Ом·м

8.6. Расчет индукционных нагревателей на повышенных и высоких частотах

Целью расчета является определение параметров индукционного нагревателя, электрических и энергетических характеристик индуктора. Расчет состоят из двух частей: тепловой и электрической.

Тепловой расчет. При этом расчете определяют мощность нагревательного устройства, тепловые потери, частоту тока, время нагрева

итермический КПД индуктора. При сквозном нагреве ферромагнитного материала до температуры свыше точки магнитных превращений (1470…1570 К) мощность, потребляемая индуктором при нагреве, изменяется по сложному закону, что обусловлено изменением физических свойств нагреваемого материала в процессе нагрева. Поэтому расчет проводят по трем этапам, соответствующим холодному, промежуточному

игорячему режимам нагрева. Однако точный расчет довольно сложен.

Впрактических расчетах можно пользоваться упрощенной методикой, обеспечивавшей достаточную точность. Так, если напряжение на зажимах индуктора периодического действия U=const ,то расчет проводят по мощности горячего режима.

Частота тока во многом определяет экономичность индукционного нагрева.

Оптимальная частота тока при сквозном нагреве стальных цилиндрических заготовок диаметром d2 определяется по формуле

С достаточной для практических расчетов точностью время нагрева при перепаде температуры между поверхностью и осью заготовки ТП 100 К можно определить по приближённой зависимости

проникновения тока в металл заготовки на заключительной стадии

где ФПОЛ – средний за время нагрева полезный тепловой поток, определяется по формуле (5.18), Вт;

ФПОТ –тепловой поток, теряемый заготовкой или теплоизолирующей

футеровкой за счет конвекции, излучения и теплопроводности, Вт. Тепловые потери с поверхности нагреваемой заготовки определяются

ее конечной температурой, временем нагрева, геометрическими параметрами, а при наличии теплоизоляционной футеровки качеством тепловой изоляции.

Вследствие того, что время на поверхностную закалку при значительной удельной мощности составляет единицы иди доли секунд, закалочные индукторы выполняют без тепловой изоляции. При этом часть тепловой энергии теряется на излучение и конвекции.

Тепловой поток, теряемый заготовкой по причине излучения, определяется по формуле

где н – коэффициент теплового излучения поверхности нагреваемой

заготовки (таблица 8.2);0 –постоянная Стефана-Больцмана, 0 5,67 108 Вт/м2∙К4);

l2 и d2 – длина и диаметр нагреваемой заготовки, м;

ТП и Тос – температура поверхности заготовки и окружающей среды,

К.

189

Таблица 8.2. - Коэффициент теплового излучения некоторых материалов

При ТП 1073 К тепловые конвективные потери становятся значительно меньше тепловых потерь излучением и в расчетах их не учитывает.

При сквозном нагреве его продолжительность достигает десятков и сотен секунд, поэтому тепловые потери сопоставимы с выделяющейся мощностью в нагреваемом материале. Чтобы уменьшить тепловые потери, в индукторах применяют теплоизолирующую изоляцию из шамота, асбеста, жаростойкого бетона и других материалов. При однослойной теплоизоляции из бетона или шамота нагреве заготовки TП 1570 К тепловые потери с одного метра можно приближенно определить по формуле

где dфб – внутренний диаметр теплоизолирующей футеровки, м.

По расчетным значениям полезного теплового потока и тепловых потерь термический КПД индуктора определяется по выражению:

зависимости от диаметра заготовки (рисунок 8.5.).

Электрический расчет заключается в определении конструктивных параметров индуктора, его электрических и энергетических характеристик.

где h3 – зазор между нагреваемой заготовкой и внутренней поверхностью футеровки, h3 =(5…20)10-3 м.

Толщина теплоизолирующей футеровки по условиям механической прочности не должна быть меньше 10 мм.

190