gH4zNnoHVd

I1w = I1 .

w

Напряжение на многовитковом индукторе:

U1w = U1w .

Полная мощность, подводимая к многовитковому индуктору S1w:

S1w = U1w I1w .

Коэффициент мощности PF многовиткового индуктора с нагрузкой:

= P PF 1a .

S1w

Электрический КПД индуктора с нагрузкой η1w:

2.2.3 Выбор высокочастотного источника питания Источник питания плавильной установки – ламповый или транзистор-

ный генератор должен иметь рабочую частоту, определенную в расчетах с учетом необходимой степени проявления поверхностного эффекта нагрева для выбранного материала при заданной температуре и рассчитанных размерах ванны расплава.

По результатам проектирования печи в пояснительной записке к курсовому проекту необходимо предоставить эскиз печи и её 3D-модель, созданную в пакетах Компас-3D, AutoCAD, SolidWorks, также данные материалы должны быть сданы преподавателю в электронном виде (файл проекта).

21

2.4 Согласование индуктора с источником питания

После выполнения электрических расчетов многовиткового индуктора необходимо согласовать работу индукционной печи с холодным тиглем и высокочастотного генератора.

Индуктивность индуктора с учётом расплава и холодного тигля равна:

LC

енного в резонанс, х1э – эквивалентное реактивное сопротивление индуктора.

В начале необходимо определить оптимальную емкость конденсатор-

ной батареи Cкб:

Высокочастотный генератор снабжается конденсаторной батареей, состоящей из нескольких десятков или сотен конденсаторов. Один или несколько из них могут быть переменной ёмкости. Эти конденсаторы необходимы для регулирования емкости конденсаторной батареи в процессе плавки с целью стабилизации частоты тока индуктора. Расчётная емкость конденса-

торной батареи Cкб должна укладываться в середину допустимого диапазона регулирования емкости штатной конденсаторной батареи. Например, если конденсаторная батарея имеет неизменную емкость 5000 пФ и переменную ёмкость 1000 пФ, то необходимо выполнить расчёт таким образом, чтобы емкость Cкб была близка к значению 5500 пФ.

Обычно на высоких частотах регулирование ёмкости конденсаторной батареи производится при помощи переменного вакуумного конденсатора. Выбор вакуумных конденсаторов обусловлен достаточно высокой рабочей частотой и высокими рабочими напряжениями, а также электрическими свойствами самих конденсаторов.

Если расчётная емкость конденсаторной батареи меньше/больше значения, необходимого для обеспечения нужной резонансной частоты колебательного контура, то необходимо увеличить/уменьшить число витков индуктора. Увеличение/уменьшение числа витков индуктора приведёт к изменению его индуктивности. После выбора геометрических параметров индукто-

22

ра и его индуктивности необходимо выполнить перерасчет его электрических параметров.

После определения емкости конденсаторной батареи и индуктивности индуктора, опираясь на формулы (2.1) и (2.2) необходимо вычислить диапазон регулирования резонансной частоты колебательного контура, т. е. мини-

мально возможное значение частоты тока индуктора fmin и максимальное fmax. Рабочая частота тока должна входить в разрешенный диапазон частот.

В случае использования для построения конденсаторной батареи вакуумных конденсаторов, которые практически не имеют потерь проводимости, одним из основных параметров согласования является их согласование по току.

Ток, протекающий через конденсаторную батарею:

Iкб = Uкб , xкб

где Uкб – напряжение на конденсаторной батарее; xкб = 1 / ω × Скб – реактивное сопротивление конденсаторной батареи. Далее, опираясь на схему включения конденсаторов, необходимо определить ток, протекающий по каждому из конденсаторов. После определения тока, протекающего через каждый конденсатор, необходимо сравнить полученное значение тока с номинальным током каждого из конденсаторов, представленным в паспорте. Номинальный ток должен превышать реальный ток более чем в 2 раза.

Кроме того, проверяется работа каждого конденсатора на номинальное напряжение, указанное в его паспорте. Оно должно быть больше рабочего напряжения на 20 … 30 %.

Колебательная мощность выбирается большей или равной номинальной мощности, необходимой для работы печи из ряда выпускаемых промышленных генераторов.

2.5 Расчет системы охлаждения Характерной особенностью плавильных устройств с холодными тиглями

является система водяного охлаждения, к которой предъявляются повышенные требования. В частности, система должна обеспечить работу тигля даже в условиях безгарнисажной плавки и при значительных перегревах расплава.

В стационарном тепловом состоянии соотношение между лучистыми потерями с поверхности расплава и потерями теплопроводностью через гар-

23

нисаж к воде зависит от температуры расплава, площади поверхности расплава и площади внутренней поверхности ванны. Потери теплопроводностью составляют большую часть и снимаются охлаждающей водой. Лучистые потери, в зависимости от конструкции тигля, либо рассеиваются в окружающем пространстве, либо падают на стенки тигля и также должны быть сняты водой.

Цель расчета и конструирования системы охлаждения состоит в обеспечении условий для снятия выделяющегося в тигле тепла при заданном давлении воды в напорной системе при начальной температуре t1 и допустимом повышении температуры на выходе воды t1 при допустимом повышении температуры стенки тигля t2.

2.5.1 Расчет системы охлаждения индуктора Индуктор нагревается током, проходящим по нему, и теплом, теряе-

мым через зазоры между секциями холодного тигля. В дальнейшем для расчёта системы охлаждения индуктора будет учитываться только мощность электрических потерь в индукторе P1e.

Исходными данными для расчёта являются:

1.Электрические потери в индукторе P1e.

2.Кинематическая вязкость воды μ ' .

3.Температура воды на входе t1.

4.Максимальная температура воды на выходе t2.

5.Коэффициент шероховатости первого рода kш.

6.Удельная теплоёмкость воды cv.

7.Толщина стенки трубки индуктора ∆b1.

Значения кинематической вязкости воды μ ' в зависимости от темпера-

туры определяются по графику, представленному на рисунке 2.5. Значение

μ ' определяют для средней температуры:

t = (t1 + t2 ) .

2

Расход воды, требуемый для охлаждения индуктора:

W1 = Sb1v1 ,

где v1 – скорость охлаждающей воды; Sb1 – площадь отверстия трубки индуктора, по которому течет вода:

24

Минимальный расход воды необходимый для отвода мощности P1e находят из выражения:

Проверка на турбулентность осуществляется на основе критерия Рейнольдса Re1:

= v1Dg1

Re1 μ ,

'

где Dg1 – гидравлический эквивалент диаметра:

Dg1 = 4Sb1 ,

Fb1

где Fb1 – внутренний периметр трубки индуктора.

Рис. 2.5 – Зависимость кинематической вязкости от температуры

Для индуктора из круглой трубки получим, что гидравлический диаметр Dg1 равен диаметру отверстия трубки индуктора.

25

Критерий Рейнольдса характеризует соотношение силы инерции и силы внутреннего трения жидкости. Эти силы действуют на поток жидкости в двух противоположных направлениях. Если вязкостные силы внутреннего трения стремятся упорядочить течение жидкости и противостоять нарушению простых форм руслового потока, то инерционные силы, наоборот, усиливают неупорядоченность движения.

Поэтому проникающие в поток возмущения попадают под влияние двух противоположно направленных сил, одна из которых стремится их усилить, а другая – подавить. В зависимости от соотношения этих сил устанавливается ламинарный или турбулентный режим течения. С преобладанием сил внутреннего трения значение критерия Рейнольдса уменьшается, и, наоборот, с увеличением — возрастает. При некотором определенном значении Re, которое принято называть критическим, ламинарный режим нарушается и движение становится турбулентным. Критическое значение Re зависит от конкретных условий и определяется опытным путем. Для случая движения жидкости по прямой круглой трубе Reкp = 2300. При значениях критерия Рейнольдса меньших, чем 2300, обеспечивается устойчивый ламинарный режим движения жидкости. Ламинарный струйно-параллельный поток обусловливает молекулярный механизм взаимодействия движущейся жидкости со стенкой трубы. В условиях турбулентного режима перемещение жидкости наблюдается во всех направлениях, в том числе перпендикулярном стенке. Это порождает молярный механизм переноса, при котором интенсивность всех явлений резко возрастает.

Если критерий Re < 2300, то расход воды W1 необходимо увеличить до обеспечения Re > 2300.

Перепад давления по длине трубки ∆p1, Па:

первого рода kш; l1 – длина трубки индуктора. Шероховатость первого рода, так называемая зернистая шероховатость – худший вид шероховатости. Для дальнейших расчетов принимается, что kш = 3.

Длина трубки индуктора:

26

При питании индуктора водой от городского водопровода перепад давления не должен превышать ∆p1н = 2·105 Па.

В случае превышения давления ∆p1 > ∆p1н необходимо поделить индуктор по охлаждению на несколько секций ns1:

2.5.2 Расчет системы охлаждения холодного тигля Исходными данными для расчёта являются:

1.Электрические потери в боковых секциях холодного тигля P3e.

2.Потери мощности от расплава через гарнисаж в боковую стенку холодного тигля Pбок.

3.Потери излучением с поверхности ванны расплава Pизл.

4.Кинематическая вязкость воды μ ' .

5.Температура воды на входе t1.

6.Максимальная температура воды на выходе t2.

7.Коэффициент шероховатости первого рода kш.

8.Удельная теплоёмкость воды cv.

9.Толщина стенки трубки холодного тигля ∆b3.

Расход воды, требуемый для охлаждения индуктора:

W3 = Sb3v3 ,

где v3 – скорость охлаждающей воды; Sb3 – площадь отверстия трубки индуктора, по которому течет вода:

Минимальный расход воды необходимый для отвода мощности от боковых стенок холодного тигля находят из выражения:

где считается, что вся мощность излучения Pизл поглощается боковыми стенками холодного тигля.

27

Проверка на турбулентность осуществляется на основе критерия Рейнольдса Re3:

При расчёте общей длины трубок тигля принимается, что высота одной секции тигля a3 равна:

a3 = 2a2 .

Тогда общая длина трубок тигля равна: l3 = a3n3 .

В случае превышения давления ∆p3 > ∆p1н необходимо поделить холодный тигель по охлаждению на несколько секций ns3:

Результаты расчета системы охлаждения заносятся в таблицу 2.5.

28

Таблица 2.5

Результаты расчета охлаждения холодного тигля и индуктора

2.6 Описание конструкции установки Спроектированная установка для индукционной плавки в холодном

тигле состоит из печи с холодным тиглем и индуктором, помещенным в специальный шкаф, изготовленный из немагнитного материала и источника питания, которым является ламповый или транзисторный генератор.

Шкаф экранирует помещение, в котором находится тигель с индуктором, от излучения и служит для размещения вспомогательного оборудования и снабжен системой вентиляции.

29

Список литературы

Васильев А. С. Ламповые генераторы для высокочастотного нагрева. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979.

Высокочастотная электротермия. М.- Л.: Машиностроение, 1965 Донской А. В., Рамм Г. С., Вигдорович Ю. Б. Электротермические установки ЭТУ с ламповыми генераторами. Л., 1975.

Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей: справ. книга. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.

Петров Ю. Б. Индукционная плавка окислов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983 Петров Ю. Б. , Канаев И. А. Индукционные печи для плавки оксидов. Л.: Политехника, 1991.

Петров Ю. Б., Ратников Д. Г. Холодные тигли. М.: Металлургия, 1972. Слухоцкий А. Е., Рыскин С. Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974.

30