Применение индукционного нагрева




Лекция №20

Индукционный нагрев

План лекции

1. Основы индукционного нагрева

2. Коэффициент полезного действия и коэффициент мощности при индукционном нагреве

3. Режимы индукционного нагрева

 

1.Основы индукционного нагрева

 

В установках индукционного нагрева при пропускании через индуктор переменного электрического тока возникает переменное магнитное поле, изменяющееся во времени. Материал, подлежащий нагреву, размещается внутри индуктора или рядом с ним. Изменяющийся во времени поток вектора магнитной индукции пронизывает нагреваемый материал и индуктирует электрическое поле, линии которого замкнуты в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля, т.е. электрическое поле носит вихревой характер. В соответствии с законом Ома под действием электрического поля возникают вихревые токи проводимости, вызывающие нагрев материала в соответствии с законом Ленца-Джоуля.

Рассмотренные превращения энергии электромагнитного поля в отличие от нагрева методом сопротивлении позволяют передать электрическую энергию индуктора в нагреваемый материал бесконтактно, а также выделить теплоту непосредственно в нагреваемом предмете. Чтобы уяснить особенности электромагнитных процессов при индукционном нагреве и выявить факторы, определяющие распространение электромагнитного поля в проводящей среде, разберемся что происходит при падении плоской электромагнитной волны на однородное металлическое тело.

Электромагнитная волна несет энергию, определяемую вектором плотности потока мощности или вектором Пойнтинга. В комплексной форме вектор Пойнтинга

Ŝ = [ Ė Ĥ ]

где Ė – комплекс амплитуды напряженности электрического поля;

Ĥ – сопряженный комплекс амплитуды магнитного поля.

Вектор Ŝ, Вт/м2 или Дж/(с⋅м2), плотности потока мощности при синусоидальном изменении векторов Ė и Ĥ является средним значением потока энергии в секунду (мощности) через единицу площади, перпендикулярной направлению распространению волны.

При проникновении в проводящую среду электромагнитная волна ослабляется по экспоненциальному закону

Е = Е0 е-Z/Z0

Н = H0 е-Z/Z0

где Е и Н – амплитуды напряженности электрического и магнитного полей в глубине проводящего материала;

Е0 и H0 – амплитуды напряженности электрического и магнитного полей на поверхности проводящего материала;

z – расстояние от поверхности проводника, м;

z0 – эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля, м.

Эквивалентная глубина проникновения z0 электромагнитной волны определяется выражением

z0 = 503

На расстоянии z0 от поверхности амплитуды Е и Н уменьшаются до следующих значений:

Е = Е0 е-1 = 0,37 Е0

Н = Н0 е-1 = 0,37 Н0

т.е. амплитуда волны уменьшается в е = 2,718 раза, или затухает до 37% своего начального значения (рис. 1).

Плотность S потока мощности, переносимая плоской электромагнитной волной, убывает по мере проникновения волны вглубь нагреваемого материала по закону

S = S0 е -2Z/Z0,

где S0 – плотность потока мощности на поверхности проводника.

Причиной затухания электромагнитной волны является превращение энергии электромагнитного поля в теплоту по закону Ленца-Джоуля, вследствие чего и происходит индукционный нагрев металла.

Плотность потока мощности на глубине z0 уменьшается до значения

S = S0 е-2 = 0,14 S0,

т.е. в слое толщиной z0 поглощается и выделяется в виде теплоты 86% всей энергии, прошедшей через поверхностный слой проводника (см. рис.1).

Действительная часть комплекса вектора плотности потока мощности Ŝ определяет плотность потока активной мощности, выделяющейся в виде теплоты

Re Ŝ = P = 2⋅ 10-3 (I w)2 (*)

где I – сила тока в индукторе, А;

w – число витков, приходящееся на 1 м длины индуктора;

– удельное электрическое сопротивление, Ом⋅м, и относительная магнитная проницаемость металла;

– частота тока, Гц;

– коэффициент поглощения мощности.

Рис. 1. График распространении электромагнитного поля в проводящей среде

z – расстояние от поверхности проводника, м;

z0 – эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля, м.

 

Мнимая часть комплекса является плотностью потока реактивной мощности, характеризующей скорость превращения энергии электромагнитного поля из электрической формы в магнитную и обратно:

Jm Ŝ = Q = 2⋅ 10-3 (I w)2 (**)

В практике индукционного нагрева имеет место падение электромагнитной волны на металлические тела различной формы. Поэтому в формуле (*) и (**) вводятся поправочные коэффициенты, учитывающие геометрические размеры нагреваемой детали и глубину проникновения электромагнитной энергии. Потоки мощности через боковую поверхность металлического цилиндра диаметром DМ, высотой 1 м и периметром

П = π DМ для активной мощности

Pм = 2⋅ 10-3 (I w)2 ⋅ Kр,

для реактивной мощности

Q = 2⋅ 10-3 (I w)2 ⋅ KQ,

где Kр и KQ – поправочные коэффициенты активной и реактивной мощностей, учитывающие кривизну металлического цилиндра и зависящие от его относительного диаметра D/z0.

Графики для определения поправочных коэффициентов Kр и KQ при расчете потоков активной и реактивной мощностей, проходящих через наружную поверхность металлического цилиндра, приведены на рисунке 2.

 

Рис.2. К определению поправочных Рис. 3. Зависимость ρ и μr стали

коэффициентов Kр и KQ: от температуры

D – диаметр нагреваемой детали;

z0 – глубина проникновения электрического тока

При нагреве немагнитных (цветных) металлов, для которых = 1, изменяется их удельное сопротивление, а при нагреве ферромагнитных металлов (сталей) изменяется и относительная магнитная проницаемость. В последнем случае удельное сопротивление возрастает при повышении температуры до точки магнитных превращений (730… 760° С) – точки Кюри, а затем его рост замедляется (рис. 3). При нагреве до 800°С удельное сопротивление стали возрастает в несколько раз. Ее магнитная проницаемость при нагреве до

650… 750° С уменьшается незначительно, а при переходе через точку Кюри резко падает до единицы.

Глубина проникновения тока в сталь при температуре магнитных превращений изменяется скачком. В действительности удельное сопротивление и магнитная проницаемость во время нагрева зависят от температуры, а магнитная проницаемость еще и от напряженности магнитного поля. Следовательно, при нагреве изменяются коэффициент и мощность, поглощаемая металлом.

 

2. Коэффициент полезного действия и коэффициент мощности при индукционном нагреве

 

Электромагнитная энергия, подводимая к индуктору, расходуется на полезный нагрев детали, компенсацию тепловых потерь с ее поверхности, а также на нагрев провода индуктора током, протекающим по нему. Отношение энергии Q1, затраченной на нагрев детали, ко всей энергии, подведенной к индуктору, называется его полным к.п.д.:

ηи = ηт ηэ = Q1 / (Q1 + Q2 + Q3),

где ηит , ηэ - полный, термический и электрический к.п.д. индуктора;

Q1 – полезно расходуемая на нагрев детали теплота, Дж;

Q2 – тепловые потери, Дж;

Q3 – теплота, выделяющаяся в проводе индуктора, Дж.

Термический к.п.д., характеризующий тепловые потери с поверхности детали,

ηт = Q1 / (Q1 + Q2).

Термический к.п.д. растет с увеличением толщины тепловой изоляции нагреваемой детали. Тепловые потери возрастают с увеличением температуры поверхности детали и времени нагрева.

Электрический к.п.д., характеризующий совершенство передачи энергии из индуктора в деталь, представляет собой отношение электромагнитной энергии, поступающей в деталь, ко всей энергии, подводимой к индуктору:

ηэ = (Q1 + Q2) / (Q1 + Q2 + Q3).

Если энергию Q1 ,Q2, Q3 отнести к единице времени, то можно записать

ηэ = Р2 / Р,

где Р2 – мощность, передаваемая в деталь, Вт;

Р – мощность, подведенная к индуктору, Вт.

Система индуктор – деталь представляет собой воздушный трансформатор, у которого первичной обмоткой является индуктор, а вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – нагреваемый металл. Индукционный нагреватель и схема его замещения показаны на рис. 4. Напряжение на индукторе, В,

)2

 

Здесь I1 - ток в индукторе, А;

R1 и x1 - активное и индуктивное сопротивления первичной цепи (индуктора), Ом;

R2′ и x2 ′ - активное и индуктивное сопротивление вторичной цепи, Ом, приведенные к току индуктора.

 

Рис. 4. Индукционное нагревательное устройство (а) и схемы его замещения

(б и в):

1 – индуктор; 2 – нагреваемый металлический цилиндр; I – сила тока; U1, R1 и x1 - напряжение, активное и индуктивное сопротивления индуктора;

 

В практических расчетах пользуются зависимостью

вводя в нее поправочные коэффициенты – функции Берча, зависящие от отношения r/z0 (рис.).

 

 

Тогда

F(r/ (*)

С известным приближением можно считать, что напряженность магнитного поля у поверхности заготовки и проводников индуктора одинакова (в действительности у поверхности индуктора она выше). При таком допущении активную мощность, выделяемую в индукторе (мощность потерь), можно определять по формуле, аналогичной (*). Обозначим величины, относящиеся к изделию и индуктору, соответственно индексами «а» и «и», имеем

Принимая высоту изделия и индуктора одинаковой, возьмем отношение полных мощностей Ра и Ри, которые пропорциональны в этом случае радиусам ra и rи, где rи – внутренний радиус цилиндрического индуктора:

 

Применение индукционного нагрева

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 ВЧ металлизации, при пайке твердыми припоями и др.

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



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-02-10 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: