1. 3 Индукционный нагрев трубопроводов и его закономерности

1. 3. 1 Понятие индукционного нагрева

Индукционный нагрев металлических изделий осуществляется с помощью специального устройства, называемого индуктором. Простейшим видом индуктора является кольцевой виток, согнутый из медной шины или трубки. При пропускании переменного тока через индуктор вокруг его провода возникает магнитное поле, напряженность которого периодически изменяется во времени по величине и направлению.

Напряженность магнитного поля, следовательно, и плотность магнитного потока - индукция - будет наибольшей внутри витка индуктора вблизи провода.

Если поместить внутрь индуктора металлический цилиндр, то переменный магнитный поток вызовет появление в нем индуктированного тока. Индуктированный ток вследствие эффекта близости будет сконцентрирован под проводом индуктора, и путь его будет иметь кольцевую форму. Чем выше частота тока, тем в более тонком слое протекает ток в цилиндре, то есть тем сильнее проявляется поверхностный эффект (Рисунок 3).

Ток, индуктированный в поверхностных слоях цилиндра, вызывает его нагрев, причем температура поверхности и глубина нагрева зависят от подводимой к индуктору мощности, частоты и времени нагрева. С другой стороны, ширина полосы нагрева, ее форма и равномерность нагрева поверхности зависят от формы индуктора.

Таким образом, с помощью индуктора электромагнитная энергия, а следовательно, и выделение теплоты концентрируются в заданной области, индуктированный ток сосредоточивается в полосе, ширина которой близка к ширине индуктора. Соответственно этому и ширина нагретой полосы также мало отличается от ширины индуктора.

Поверхностный нагрев металла индуктированными токами высокой частоты используется для поверхностного подогрева стальных деталей.

В практике встречаются детали самой разнообразной, часто очень сложной формы. Соответственно и конструкции индукторов. Однако существуют общие основные принципы, которыми необходимо руководствоваться при их конструировании.

Любой индуктор (Рисунок 4) состоит из следующих основных частей: индуктирующего провода, создающего магнитное поле, необходимое для индуцирования тока в нагреваемой детали; токоподводящих шин; колодок, служащих для соединения индуктора с понижающим трансформатором; устройства

для подачи воды, охлаждающей индуктор.

Основной частью индуктора является индуктирующий провод, конструкция которого в значительной мере определяет результат закалки. Остальные части носят вспомогательный характер, и их конструирование обычно затруднений не

вызывает [2].

Рисунок 3 – Схема индукционного нагрева труб

Рисунок 4 –Конструкция подогревающего индуктора

1. 3. 2 Анализ свойств индукционного нагрева труб

Сложность электромагнитных процессов в устройствах индукционного нагрева определяется следующими факторами:

1. Электромагнитные поля распределены в многосвязной си­стеме, содержащей проводящие и непроводящие, магнитные и не­магнитные среды. В общем случае поля пространственно трех­мерны.

2. Электрофизические свойства материалов могут зависеть от интенсивности поля (для ферромагнетиков) и от времени вследствие нагрева или перемещения тел. Часто необходимо совместное реше­ние нелинейных электромагнитной и тепловой задач.

3. Размеры проводящих тел соизмеримы с длиной волны в их материале.

4. Внешние воздействия (токи и напряжения), прикладываемые к обмоткам (входам ЭМС), часто зависят от параметров самой си­стемы. Если система линейна, то возможен расчет при поочередной подаче произвольных (например, единичных) воздействий на входы системы с последующим определением параметров эквивалентного ей многополюсника и решением цепной задачи. Для нелинейной ЭМС необходимо совместное решение уравнений ЭМ-поля и урав­нений схемы питания, включая источник.

Компактное описание и расчет ЭМ-процессов в общем виде не представляется возможным, и требуется ряд допущений, коррект­ность которых зависит от конкретной электромагнитной системы.

Допущениями, достаточно общими для всех устройств, являются следующие:

1. Поле принимается квазистационарным. Под этим понимается отсутствие запаздывания электромагнитной волны в воздухе (но не в металле). В иной формулировке длина ЭМ-волны в воздухе много больше максимального геометрического размера системы (напри­мер, длины провода индуктора). Это допущение позволяет пре­небречь токами смещения по сравнению с токами в проводниках.

2. Расчет установившихся ЭМ-процессов можно проводить для величин, меняющихся по гармоническому закону. При этом ошибка в определении интегральных и распределенных энергетических параметров невелика. Это позволяет широко использовать симво­лический метод для расчета ЭМ-полей в нелинейных ферромагнит­ных средах.

3. Потери на гистерезис при нагреве ферромагнитных тел много меньше, чем на вихревые токи. Поэтому можно считать зависи­мость μ (Н) однозначной, а саму проницаемость — действительной величиной.

4. Потери на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе не оказывают заметного влияния на ЭМ-поле вне его, и их можно учи­тывать отдельно при расчете теплового режима магнитопровода.

Частные допущения, зависящие от вида ЭМ-системы, будут вво­диться по ходу изложения. Для эффективного расчета УИН необ­ходимо ясное представление о физических процессах, происходя­щих в них.

Широко распространено описание ЭМ-системы на основе замены ее системой индуктивно связанных контуров, обладающее просто­той и наглядностью. Пусть в многовитковый цилиндрический ин­дуктор помещен тонкостенный полый цилиндр (Рисунок 5, а).

Магнитное поле, создаваемое током обмотки, проходит парал­лельно по воздушному зазору, металлу трубы и ее полости и затем замыкается по пространству вне индуктора. Магнитный поток, сцепленный с загрузкой, индуцирует в ней вихревой ток i₂, под действием которого в стенке выделяется активная мощность.

Картина силовых линий магнитного поля носит качественный характер, так как напряженности поля в разных точках не совпа­дают по фазе и в течение периода тока картина мгновенных значе­ний сильно меняется. Можно считать, что приводимые линии со­ответствуют усредненным значениям напряженности.

Заменяя обмотку индуктора и цилиндр тонкими соленоидами с индуктивностями L₂, получаем два индуктивно связанных контура (Рисунок 5, б).

Чтобы учесть потери энергии в трубе, вторич­ную обмотку замыкаем на ее собственное активное сопротивление r_2С. Так как ток i₂ по толщине тонкостенного цилиндра распреде­лен почти равномерно, в качестве r_2С следует взять сопротивление, вычисленное для кругового постоянного тока.

В рассматриваемом случае такая схема замещения в виде воз­душного трансформатора обеспечивает правильность расчета напряженностей поля, токов и мощностей. Однако в более общем случае ее применение требует дополнительных условий или вообще невозможно. Если цилиндрическая система содержит массивное немагнитное тело, то ток в нем распределен неравномерно и замена его одним контуром неприемлема. Выходом является разбиение (дискретизация) такого тела по радиусу и длине на кольцевые эле­менты, являющиеся трубками тока, в пределах которых плотность тока примерно постоянна. На этом приеме основан интегральный метод расчета цилиндрических и плоских систем с немагнитными телами. Для массивных тел более сложной формы (напри­мер, призм) заранее выделить трубки вихревого тока уже нельзя, и схема рисунка 5, б дает лишь качественное описание процесса. Если же в ЭМ-системе содержатся ферромагнитные тела, то такая схема замещения не может использоваться, так как в ней не учи­тываются токи намагниченности. Кроме того, схема не позволяет объяснить механизм передачи электромагнитной энергии от источ­ника к нагреваемому телу.

Полное описание электромагнитного процесса можно дать лишь на основе распространения ЭМ-энергии в системе и ее проникно­вения в проводящие тела [5].

б)

Рисунок 5 - Индукционная система (а) и ее схема замещения в виде двух связанных цепей (б)