Электротехнологические установки (стр. 9 из 32)

4.3. Индукционные нагревательные установки

Индукционные нагревательные установки широко применяются в различных технологических процессах в машиностроительной и других отраслях промышленности. Их подразделяют на два основных типа: установки сквозного и поверхностного нагрева.

Индукционные установки сквозного нагрева применяются для нагрева заготовок под последующую пластическую деформацию: ковку, штамповку, прессовку, прокатку и т. д.

По сравнению с другими видами нагрева (в пламенных печах и печах резис- торного нагрева) индукционный нагрев имеет малый угар металла и меньший брак из-за попадания окалины в обрабатываемое изделие.

В зависимости от геометрических параметров нагреваемых деталей и их материала источники питания индукционных установок выполняют на частоту 5010 000 Гц. Для установок сквозного нагрева выбор рабочей частоты производят таким образом, чтобы выделение теплоты происходило в слое достаточной толщины по сечению детали при отсутствии большого градиента температуры между поверхностью и слоем определенной толщины. При этом будет меньше перегрев поверхности заготовки и выше КПД установки.

Нагрев считают глубинным, если соблюдается условие

_

r₀√2/Δ_э.гoр = 3÷5,

где r₀ - радиус нагреваемой заготовки; Δ_э.гoр - глубина проникновения тока в металл горячей заготовки. Необходимая частота для сквозного нагрева цилиндрических стальных заготовок ориентировочно может быть определена по соотношению

f = 3*10⁴/d²₀,

где d₀ - диаметр нагреваемой заготовки, см.

По режиму работу установки сквозного нагрева подразделяют на установки периодического и непрерывного действия. В установках периодического действия

Рис. 4.10. Схемы индукционных нагревательных установок непрерывного действия:

а, в, г - в продольном; б, д - в поперечном магнитном поле; 1 - индуктор; 2 - нагреваемое изделие; 3 - теплоизоляция; 4 - механизм перемещения заготовки; 5 - магнитопровод

В установках непрерывного действия одновременно находится несколько заготовок, расположенных в продольном или поперечном магнитном поле (рис.

4.10). В процессе нагрева они перемещаются по длине индуктора, нагреваясь до заданной температуры. В нагревателях непрерывного действия полнее используется мощность источника питания, поскольку средняя мощность, потребляемая ими от источника питания, выше, чем средняя мощность, потребляемая нагревателем периодического действия.

Индукционные нагреватели непрерывного действия имеют более высокий КПД источника питания и производительность их выше, чем установок периодического действия. Применяется питание нескольких нагревателей от одного источника, а также подключение нескольких генераторов к одному нагревателю, состоящему из нескольких секций (рис. 4.10, в, секции А, В, С). Конструкция индуктора для сквозного нагрева зависит от формы и размеров деталей. Индукторы выполняют круглого, овального, квадратного или прямоугольного сечения. Для нагрева концов заготовок индукторы выполняют щелевыми или петлевыми (рис. 4.10, г, д).

Индукционный поверхностный нагрев сопровождается проявлением поверхностного эффекта и эффекта близости.

Индукционные установки поверхностного нагрева применяются для нагрева деталей под последующую термохимическую обработку (закалка, цементация, азотирование и т. п.).

Индукционная закалка заключается в быстром нагреве поверхности изделия с последующим быстрым охлаждением на воздухе, в воде или масле. При этом поверхность приобретает высокую твердость и способность хорошо работать на трение, а «сырая» (мягкая) сердцевина обеспечивает высокую сопротивляемость ударным нагрузкам. При таком нагреве удается во много раз уменьшить объем нагреваемого металла (по сравнению со сквозным нагревом) и значительно сократить расход электроэнергии.

Рис. 4.11. Технологические схемы поверхностного индукционного нагрева:

1 - индуктор: 2 - нагреваемое изделие; 3 - нагретый слой изделия

Необходимость поддержания высокого электрического и теплового КПД системы индуктор - нагреваемое тело определяет исключительно большое количество форм и размеров индукторов.

Схемы некоторых индукторов для поверхностного нагрева показаны на рис. 4.11, а-в.

Индукторы характеризуются удельной поверхностной мощностью (Вт/м²), которая зависит от частоты тока, глубины прогрева, размеров нагреваемых изделий и изменяется в очень широких пределах.

Рис. 4.12. Схема индукционного нагревателя:

d₁ - внутренний диаметр индуктора; d₂ - диаметр детали; d₃ - внутренний

диаметр огнеупорного цилиндра; d₄ - внутренний диаметр теплоизолирующего цилиндра; l₁ - длина индуктора; l₂ - общая длина садки

Выбор основных геометрических соотношений индуктора, т. е. его внутреннего диаметра и длины, а также размеров его теплоизоляции производят следующим образом (рис. 4.12). Внутренний диаметр огнеупорного цилиндра определяют из соотношений

d₃ = (1,1 - 1,2)d₂; d₃ – d₂ > 5 см.

Между индуктором и огнеупорным цилиндром проложен слой теплоизолирующего материала (2-5 мм), что снижает тепловые потери и защищает электрическую изоляцию индуктора.

Оптимальная частота f_опт, необходимая для нагрева на заданную

глубину Δ_опт,

f_опт = ρ/(πμΔ²_э),

где ρ - удельное электрическое сопротивление нагреваемого материала, Ом*м.

Для поверхностного нагрева сталей под закалку (μ = 1)

fопт = 4/Δ2э

Выбор оптимальной частоты для нагрева металла осуществляют по максимальному значению общего КПД, соответствующему минимальному удельному расходу энергии.

Чем больше р нагреваемого изделия, тем выше η_э. Так, при нагреве стали предельный η_э = 0,7÷0,8, а при нагреве цветных металлов могут быть случаи, когда он только несколько выше 0,5.

Коэффициент мощности системы индуктор-садка и реактивная мощность конденсаторной батареи. Индукционные установки имеют, как правило, низкий естественный коэффициент мощности, причем значения его изменяются в довольно широких пределах в зависимости от частоты тока, зазора между индуктором и изделием, магнитной проницаемости, удельного сопротивления и размеров нагреваемых изделий.

4.4. Физические основы диэлектрического нагрева

Использование электрического тока, проходящего через диэлектрики и полупроводники в переменном электрическом поле, является основой диэлектри- ческого нагрева, который имеет преимущества перед другими способами нагрева. Это быстрота, равномерность и высокая производительность. С энергетической точки зрения такой нагрев является наиболее эффективным, поскольку при его осуществлении вся энергия вносится в массу нагреваемого материала. По технологическим признакам установки высокочастотного диэлектрического нагрева подразделяют на три вида.

Установки первого вида используются в процессах промышленной обработ- ки крупных изделий, требующих быстрого нагрева в однородном электрическом поле: сушка волокон шерсти или хлопка, целлюлозы и лесоматериалов, обжиг крупных электроизоляторов и фарфоровых изделий, производство звуко- и теплоизоляционных материалов, сварка пластмасс и полимерных пленок. Установки второго вида применяются для нагрева протяженных плоских изделий: сушка текстильного волокна, рисунков на тканях, бумаги, фотопленки, химических и фармацевтических препаратов, полимеризации клеев, нагрев каучука, пастеризация и т. д.

В установках третьего вида проводятся процессы, не требующие быстрого и однородного нагрева: размораживание продуктов, разогрев и быстрое приго- товление блюд, обжиг простых керамических изделий, сушка грибов, чая и т. п. Использование высококачественного нагрева позволяет повысить качество продукции, ускорить технологические процессы и получить при массовом производстве большую экономию, несмотря на высокую стоимость оборудования. Частицы диэлектрика, помещенного в электрическое поле, испытывают механическое воздействие, смещающее положительно заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно - в другую. В результате центры электрического действия положительных и отрицательных частиц не совпадают и во внешнем пространстве такая молекула воспринимается как диполь, т. е. как система двух равных, но противоположных зарядов +q и –q, смещенных друг относительно друга на расстояние l (рис. 4.13, а). Такой диэлектрик, имеющий ориентированные в одном направлении диполи, называют поляризованным. Произведение заряда частицы на смещение l называют электрическим моментом диполя m = gl (Кл*м), который связан с напряженностью электрического поля Е соотношением m = αЕ, где α - мера упругой деформации молекулы или атома - их поляризуемость.

Рис. 4.13. Виды поляризации диэлектрика в электрическом поле:

а - поляризация атомов; б - ориентационнаяполяризация

Различают несколько видов поляризации.

Электронная поляризация атомов вызвана смещением электронного облака относительно ядра атома и приобретением последним индуцированного дипольного момента (рис. 4.13,а). Время собственных колебаний электронов составляет 10^-14-10^-15 с, за это же время устанавливается электронная поляризация. Ионная поляризация молекул вызвана упругим смещением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической решеткой (ионы Na⁺ и Сl^- в поваренной соли).