МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ №2

Тема: РАСЧЕТ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА.

Выполнил: студент группы ЭТМО-53а

Преподаватель: Самойликов В.К.

Москва 2005

Задание:

В кварцевой реакционной камере производится термическая обработка подложек, размещаемых на вращающемся подложкодержателе, изготовленном из графита. Для нагрева последнего используется индукционный метод.

Выполнить:

• электрический расчёт индукционного нагревательного устройства;

• расчёт системы водоохлаждения индуктора;

• расчёт конденсаторной батареи.

Наименование	Условное обозначение	Размерность	Данные
Внешний диаметр загрузки		мм	260
Высота загрузки		мм	520
Технологический зазор		мм	28
Толщина стенки реакционной камеры		мм	7
Зазор между индуктором и стенкой реактора		мм	29
Коэффициент заполнения индуктора		-	0,80
Расстояние между торцами индуктора и загрузкой		мм	85
Тепловые потери системы «Ин.-Загр.»		кВт	36
Температура охлаждённой волы на входе в индуктор		°С	26
Температура охлаждённой волы на выходе из индуктора		°С	56
Допустимые потери напора воды		кПа	100
Тангенс угла диэлектрических потерь		-	3.05
Коэффициент запаса батареи		-	1,24
Коэффициент неравномерности распределения теплового потока		-	0,38

Дополнительный сведения:

• удельное сопротивление материала индуктора

• удельное сопротивления материала загрузки

• относительная магнитная проницаемость материала загрузки

• напряжение на индукторе

Расчёт индукционного нагревательного устройства

Выбираем минимальное значение частоты питающего тока (с точки зрения эффективности нагрева)

В качестве рабочей частоты выбирают частоту стандартного источника питания, ближайшую к , исходя из условия . Выбираем частоту, ближайшую к и равную 1000 Гц.

Внутренний диаметр индуктора:

Длина (высота) индуктора при симметричном расположении в нём загрузки:

Электрический расчёт нагревателя

Глубина проникновения тока в материал индуктора:

Выбираем толщину стенки трубки индуктора из условия

Активное сопротивление индуктора:

,

где

Внутреннее реактивное сопротивление индуктора:

При соблюдении условия

Глубина проникновения тока в материал загрузки:

=0,055 м

Относительный радиус загрузки:

Активное сопротивление загрузки:

где A= - вспомогательная функция.

Внутреннее реактивное сопротивление загрузки

где B=- вспомогательная функция.

Реактивное сопротивление (воздушного зазора) рассеяния:

Реактивное сопротивление пустого индуктора:

где k= - поправочный коэффициент, учитывающий концевые эффекты короткого индуктора.

Реактивное сопротивление обратного замыкания:

Коэффициент приведения параметров загрузки к току индуктора:

Приведённое активное сопротивление загрузки:

Приведённое реактивное сопротивление загрузки:

Эквивалентные активное, реактивное и полное сопротивления системы индуктор-загрузка, :

Электрический КПД индуктора с загрузкой

Коэффициент мощности индуктора:

Потребляемая мощность в загрузке:

при том, что температурный КПД , тогда

Активная мощность индуктора

Вт

Число витков индуктора при заданном напряжении на индукторе:

витков

Высота (ориентировочная) индуктирующего витка

м

Выбираем стандартную трубку с =0,07м

Уточняем общую высоту индуктора:

м

Активное, реактивное и полное сопротивление системы индуктор-загрузка,:

Величина тока индуктора

А

Линейная плотность тока («настил тока») в индукторе:

Расчёт системы водоохлаждения индуктора

Электрически потери в индукторе:

Вт

Суммарные потери мощности, Вт:

.

Необходимый расход воды :

где , - плотность и удельная теплоёмкость воды соответственно;

Скорость воды в канале охлаждения, :

где - число параллельных ветвей охлаждения индуктора (на первом цикле расчёта можно принять m=1); - площадь поперечного сечения витка индуктора, , обычно принимают 1-1,5 .

Режим течения охлаждающей воды в канале индуктора определяется числом Рейнольдса:

где - кинематическая вязкость воды, ; - гидравлический эквивалент диаметра канала охлаждения, м,

Для труб цилиндрической формы =0,03м, т.е. равен диаметру канала охлаждения.

При турбулентном движении , Па:

где - длина канала охлаждения одного витка индуктора, м; - коэффициент трения для гладких труб, зависящий от числа Re и режима течения:

при ;

при ;

- коэффициент сопротивления потока (воды в трубе) на 360° (выбирается из таблиц); - коэффициент увеличения сопротивления , вызванный шероховатостью внутренней поверхности канала охлаждения. На практике принимают =2 – 3.

.

Мощность, отводимая охлаждающей водой:

где , - температура стенки индуктора и средняя воды соответственно, °С; - площадь внутренней поверхности индуктора; - коэффициент конвективной теплоотдачи от стенок индуктора к охлаждённой воде, ; - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения теплового потока по периметру канала охлаждения (0,5< <1,0).

Коэффициент конвективной теплоотдачи вычисляется по уравнению:

,

где - теплопроводность воды, , определяется по справочным таблицам или графикам; Nu – число Нуссельта (безразмерный коэффициент конвективного теплообмена).

При турбулентном режиме течения:

,

где , - критерий Прандтля, определённый по средней температуре жидкости и температуре стенки соответственно.

Оценим максимальную температуру стенки индуктора:

Проверим соблюдение условия

Расчёт конденсаторной батареи

Реактивная мощность конденсаторной батареи , необходимая для доведения низкого установки до значения :

,

где - коэффициент запаса батареи (=1,1 - 1,3).

.

Необходимое число конденсаторных банок:

,

где - номинальная ёмкость одной банки, Ф, определяемая по таблицам.

Электрические потери в конденсаторной батарее, Вт:

,

где - тангенс угла диэлектрических потерь в конденсаторах, находится в пределах 0,0025 – 0,0045.