2.5.7. Установки индукционного нагрева

Установки прямого индукционного нагрева (см. рис. 2.2, г) применяют при ремонте сельскохозяйственной техники для на­грева металлических изделий и заготовок при их обработке давле­нием и термообработке, а также для сварки и наплавки.

В зависимости от используемой частоты различают глубинный и поверхностный индукционный нагревы. При глубинном нагреве происходит индуктирование в нагреваемом изделии тока и нагрев по всему сечению изделия, при поверхностном — только в поверх­ностном слое из-за резко выраженного скин-эффекта (вытеснение переменного тока к поверхности проводника) на повышенных ча­стотах.

Индуктор. Форма индуктора в установках индукционного на­грева определяется формой и размерами нагреваемого изделия, видом нагрева (глубинный или поверхностный). Наиболее рас­пространены выполненные в виде соленоида цилиндрические ин­дукторы из медной трубки круглого или прямоугольного сечения, внутри которой для охлаждения индуктора циркулирует вода. Как правило, маловитковые индукторы получают питание от преобра­зователя частоты (машинного или полупроводникового) через по­нижающий («закалочный») водоохлаждаемый трансформатор.

290

Мощность, подводимая к индуктору, Вт,

/³_и = АЛ:4здЛи/Ли, (2.133)

где АР— удельная поверхностная мощность, Вт/м²; </_изд — диаметр изделия, м; А_и —высота индуктора, Л_и = 1,1...1,2 длины закаливаемой детали, м; т)_и — КПД индуктора, т)_и = 0,65...0,75.

Показатели установок. С целью разгрузки преобразователя час­тоты от реактивной (индуктивной) составляющей тока нагрузки, которая в несколько раз превышает активную составляющую, а также с целью повышения коэффициента мощности и КПД уста­новки параллельно к первичной обмотке понижающего трансфор­матора подключают компенсирующую батарею конденсаторов со­ответствующей емкости.

При сквозном (глубинном) индукционном нагреве стальных круглых изделий для обеспечения высокого КПД установки и ис­ключения оплавления изделия по поверхности частота тока, кГц,

При поверхностном индукционном нагреве стальных изделий под закалку глубина поверхностного прогрева изделия, следова­тельно, и закалки, м:

где р — удельное электрическое сопротивление материала, Ом ■ м; /— частота ин­дукционного нагрева, Гц; ц —абсолютная магнитная проницаемость материала, Г/м.

Единичная мощность типовых ЭНУ индукционного нагрева, используемых в сельском хозяйстве, составляет 40...250 кВт с ти-ристорными или машинными преобразователями частоты при ча­стотах от 0,5 до 8 кГц и ламповыми — при частотах свыше 60 кГц.

Примеры обозначения установок: ВЧИ-40/0,44-ЗП — высоко­частотная индукционная установка колебательной мощностью 40 кВт, с рабочей частотой 440 кГц, для закалки поверхностей (ЗП); ВЧП-100/0,066-НС —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.

Установки косвенного нагрева. В сельскохозяйственном произ­водстве применяют также установки косвенного индукционного на­грева на частоте 50 Гц. При такой частоте сокращается расход энергии и снижаются капитальные затраты, поскольку не требует­ся преобразователь частоты.

19* 291

Схема конструкции на­гревателя такого типа пред­ставляет собой нагреваемые стальные трубы, диаметр которых зависит от мощно­сти установки, и индуктор из проводов или кабелей, расположенных внутри труб и намотанных так, чтобы направление токов в прово­дах или кабелях одной тру­бы были одинаковыми (рис. 2.44).

В целом устройство мож­но рассматривать как транс­форматор, первичной обмоткой которого служит обмотка индук­тора, а трубы выполняют роль магнитопровода, вторичной обмот­ки и нагрузки. Принцип действия индукционного нагревателя этого типа состоит в том, что при протекании переменного тока по обмотке индуктора создается переменное магнитное поле, си­ловые линии которого замыкаются по кольцевому сечению каж­дой из труб. Под действием изменяющегося во времени магнитно­го потока в стенках труб наводятся ЭДС, под влиянием которых возникают вихревые токи, нагревающие трубы.

В указанной конструкции нагревателя ферромагнитные трубы в значительной степени охватывают индуктор, что позволяет по­высить соз ф нагревателя за счет снижения потоков рассеяния и увеличить прочность и надежность устройства. В трубах нагрева­теля выделяется 80...85 % тепловой энергии, в обмотке индукто­ра — 20...15 % при коэффициенте мощности — 0,85...0,93.

Косвенные индукционные нагреватели используют в сельском хозяйстве для следующего технологического обогрева: металли­ческих трубопроводов и емкостей (баков); полов животноводчес­ких и птицеводческих помещений; почвы в парниках и теплицах; воздуха и стен в помещениях; сыпучих строительных и других ма­териалов, боящихся низких температур (сухие растворы, цемент и т. п.).

Пример 1. Рассчитать индукционный нагреватель для нагрева воздуха [15], со­стоящего из многожильного кабеля КВРГ 7 х 2,5, помещенного в стальную трубу 26,8x2,8.

Расчет проводят с помощью номограммы (рис. 2.45), где кривые 2, 4, 6 даны также для расчета нагревателя с индуктором из кабеля АКВПСГ 19x2,5 в трубе 33,5x3,2.

Исходные данные: напряжение сети 1/_с = 380/220 В; температура помещения Г₀=10°С.

Расчет. По известной температуре помещения Го находим разность темпера­тур между жилой кабеля и окружающей средой

292

Рис. 2.45. Номограмма для расчета индукционных нагревателей

По значению Д Т находим допустимое напряжение V на 1 м длины нагревате­ля (по кривой 1): V — 4,8 В/м.

Длина нагревателя на фазу (схема соединения — «треугольник»)

Намагничивающая сила 1м>, где V/ — число витков катушки нагревателя, при V = 4,8 В/м по кривой 3 равна 87 А.

При намагничивающей силе Ы = 87 А удельная мощность Р' по кривой 5 рав­на 52 Вт/м.

Мощность фазы Р_ф = Р'Ь^ = 52 • 79,2 = 4116 Вт.

Мощность трехфазной системы

Предлагаемая методика расчета справедлива для нагревателей, имеющих ин­дукторы из многожильных кабелей с алюминиевыми жилами площадью сечения 2,5 мм² в стальных трубах диаметром 1 дюйм и кабелей с медными жилами пло­щадью сечения 2,5 мм² в стальных трубах 26,8x2,8. Алюминиевый кабель может быть заменен медным, при этом мощность нагревателя незначительно возрастет, медный кабель может быть заменен на алюминиевый, при этом мощность нагре­вателя несколько упадет.