ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В УСТРОЙСТВАХ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА из "Теория и расчет устройств индукционного нагрева " Под действием этой ЭДС возникает ток г, вызывающий нагрев тела в соответствии с законом Джоуля—Ленца. [c.6] Вихревые токи создают собственные магнитные поля (поля реакции), которые, складываясь со сторонним полем (полем возбуждения), образуют результирующее поле, изменение которого и должно учитываться в (1.1). Одновременно вихревые токи, взаимодействуя друг с другом и с исходным полем, создают электродинамические усилия (ЭДУ), приводящие при наличии соответствующих степеней свободы к перемещению тел или их вибрации. [c.6] Вихревые токи за счет индукции движения возникают, например, в электромагнитных тормозах, широко используемых в электроприводах. Известны основанные на этом принципе устройства для натяжения быстро движуш,ейся ленты. Натяжение создается за счет взаимодействия вихревых токов в ленте с создающим их полем постоянных магнитов, расположенных над лентой. Для промышленного нагрева индукция движения почти не используется из-за необходимости в больших скоростях вращения нагреваемого тела или источника поля при значительных крутящих моментах, из-за неравномерности нагрева и т. п. Имеется опыт успешного применения индукции движения для нагрева тел простой формы, например дисков [10]. Неподвижный диск помещается в поле постоянных магнитов или электромагнитов, приводимых во вращение электродвигателем. Отпадает необходимость в конденсаторной батарее и преобразователе частоты устройство имеет хороший КПД. Теория процессов нагрева за счет индукции движения в настоящей книге не рассматривается. [c.7] Устройства индукционного нагрева, основанные на изменении поля возбуждения во времени, не имеют вращающихся частей и состоят в общем случае из нагреваемого тела, индуктирующей обмотки, тепловой изоляции, магнитопроводов, конструктивных и дополнительных элементов, служащих для крепления и перемещения изделия, подачи охлаждающей воды, обеспечения требуемого распределения температурного поля, создания защитной атмосферы и т. д. [c.7] Устройства индукционного нагрева, обеспечивающие проведение технологического процесса, являются частью всей индукционной установки, в которую входят также источник питания (трансформатор промышленной частоты, машинный или тиристорный преобразователь средней частоты или ламповый генератор), схема питания и согласования (токопроводы, конденсаторы, согласующие трансформаторы, регуляторы), система контроля и управления. [c.7] Для дальнейшего изложения целесообразно выделить понятие электромагнитной системы, в которой электрическая энергия из цепей питания преобразуется в энергию электромагнитного поля и затем в тепловую энергию. [c.7] Классификация индукционных устройств может проводиться по назначению, частотному диапазону, геометрической форме системы и режиму работы. [c.8] Индукционный нагрев является одним из наиболее сложных электротермических процессов и в строгой постановке требует рассмотрения взаимосвязанных явлений разной физической природы (рис. 1.1). Основными процессами являются электромагнитные и тепловые, причем тепловые процессы включают в себя процессы теплопередачи внутри нагреваемого тела и внешнего теплообмена, в том числе теплообмена с охлаждающей средой при термообработке. В результате нагрева и структурных превращений возникают внутренние термические и структурные напряжения. Они могут вызывать трещины в процессе нагрева или снижение прочностных свойств термообработанных деталей. В ходе нагрева происходят преднамеренно создаваемые или сопутствующие физико-химические процессы. К первым относятся процессы химико-термической обработки, гомогенизации, снятия напряжений и т. д. Ко вторым относятся процессы роста зерна, поверхностного обезуглероживания, окисления и т. п. [c.8] Электродинамические силы создают вибрации, приводящие к повреждению электрической и тепловой изоляции, нарушению целостности паяных соединений, шуму. [c.8] Если нагреваемый материал находится в жидком состоянии или в виде ионизированного газа (плазмы), то под действием электродинамических усилий возникают газо- и гидродинамические явления, которые могут оказать существенное влияние на технологический процесс. [c.8] В настоящее время проводятся активные работы по совместному исследованию двух или нескольких процессов методами математического моделирования с целью оптимизации конструкций и режимов работы индукционных устройств. Наиболее распространенными являются электротепловые модели, которым в настоящей работе будет уделено основное внимание. [c.9] По назначению индукционные устройства можно разделить на плавильные, нагревательные и специальные [2]. [c.9] Плавильные устройства обладают рядом особенностей, связанных с наличием материала в жидкой фазе. Существенную роль в них играет движение расплава под действием электродинамических и конвективных сил, что приводит к выравниванию температурного поля за счет теплопереноса, изменению формы расплава и другим специфическим эффектам [4, И ]. Требования к расчету и проектированию плавильных устройств существенно отличаются от требований к нагревательным устройствам и в данной книге не рассматриваются. Однако значительная часть методов электромагнитных расчетов может быть применена и к плавильным устройствам при известной конфигурации расплава. [c.9] Нагревательные устройства служат для прямого или косвенного нагрева материалов в твердом, жидком или газообразном состоянии. При прямом индукционном нагреве теплота выделяется за счет поглощения энергии электромагнитного поля непосредственно нагреваемым (рабочим) телом. При косвенном нагреве теплота выделяется в промежуточном нагревателе, от которого передается нагреваемым телам. [c.9] К устройствам прямого нагрева относится подавляющее большинство нагревателей металлических изделий под термическую обработку (поверхностную и объемную закалку, отжиг, отпуск) и пластическую деформацию (прокатку, штамповку, прессование, волочение, гибку и т. п.). Для них характерна передача больших удельных мощностей, создание требуемого, часто неравномерного, температурного поля, малая тепловая инерция, достижимость практически любых температур. Эти качества и определяют в основном преимущества индукционного нагрева перед другими способами. [c.9] В устройствах косвенного нагрева температуры и удельные мощности ограничены теплоотдачей от промежуточного нагревателя и его жаростойкостью и обычно невелики. Однако с помощью этих устройств можно получать высокую равномерность нагрева (индукционные термостаты), нагревать непроводящие материалы, получать высокие энергетические показатели процесса (КПД и коэффициент мощности). К этому типу относится довольно многочисленная группа устройств для обогрева технологического оборудования химических реакторов, трубопроводов, экструдеров и т. д. [121. [c.9] Задачи проектирования устройств прямого и косвенного нагрева существенно различаются. При прямом нагреве материал, форма и размеры нагреваемых тел заданы и, как правило, не могут быть изменены. Проектирование таких устройств сводится к синтезу конструкции индукторов и режима нагрева. При косвенном нагреве существует возможность выбора конструкции и материала промежуточного нагревателя, что расширяет возможности проектирования. Так, при температуре нагрева ниже точки Кюри и использовании двухслойных материалов возможно создание индукционных устройств с коэффициентом мощности более 0,8, что позволяет отказаться от компенсирующих конденсаторов. [c.10] Существуют индукционные устройства, в которых часть энергии выделяется в самом нагреваемом теле, а часть передается в виде теплоты от промежуточного нагревателя. Примером могут служить печи с полупрозрачным тиглем или экраном. [c.10] К специальным можно отнести устройства для сварки и пайки [2, 3, 13], индукционные плазмотроны, устройства для магнитной импульсной обработки, литья в электромагнитный кристаллизатор и т. п. Для них характерно многообразие параметров процесса и воздействий электромагнитного поля. Так, при сварке и пайке часть материалов находится в жидкой фазе во всех перечисленных случаях, кроме термического действия поля, существенную роль играют электродинамические силы. Теория и расчет специальных устройств, базируясь на общих положениях теории индукционного нагрева, должны быть дополнены разделами, учитывающими их специфику. [c.10] Вернуться к основной статье