Раздел 5. Индукционный и диэлектрический нагрев
Особенности индукционного нагрева и его основные физические закономерности
Индукционный нагрев металлов основан на законах электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла и Ленца-Джоуля. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. ЭДС индукции определяет скорость изменения магнитного потока, а сама зависимость представляет собой интегральную форму закона электромагнитной индукции:
. (5.1)
Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту по закону Ленца-Джоуля.
Электромагнитная волна несет энергию, определяемую вектором плотности потока мощности или вектором Пойнтинга. В комплексной форме ‘njn Пойнтинга:
, (5.2)
где Ė - комплекс амплитуды напряженности электрического поля, Н*-сопряженный комплекс амплитуды магнитного поля.
Вектор Ś (Вт/м2 или Дж/с·м2), плотности потока мощности при синусоидальном изменении векторов Ė и Н* является средним значением потока энергии в секунду (мощности) через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны.
При проникновении в проводящую среду электромагнитная волна ослабляется по экспоненциальному закону:
, (5.3)
, (5.4)
где Е и Н - амплитуды напряженности электрического и магнитного полей в глубине проводящего материала; Е0 и Н0 - амплитуды напряженности электрического и магнитного полей на поверхности проводящего материала; z - расстояние от поверхности проводника, м; z0 - эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля, м.
Рис. 5.1. График распространения электромагнитного поля и проводящей средой
Эквивалентная глубина проникновения z0 электромагнитной волны определяется выражением (3.8). На расстоянии z0 от поверхности амплитуды Е и Н уменьшаются до следующих значений:
, (5.5)
, (5.6)
то есть амплитуда волны уменьшается в е = 2.718 раза или затухает до 37% своего начального значения (рис. 5.1).
Плотность S потока мощности, переносимая плоской электромагнитной волной, убывает по мере проникновения волны вглубь нагреваемого материала по закону:
, (5.7)
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:
. (5.8)
то есть в слое толщиной z0 поглощается и выделяется в виде теплоты 86% всей энергии, прошедшей через поверхностный слой проводника (см. рисунок 5.1).
Действительная часть комплекса вектора плотности потока мощности Ś определяет плотность потока активной мощности, выделяющейся в виде теплоты:
, (5.9)
где I - сила тока в индукторе, А; w - число витков, приходящееся на 1 м длины индуктора; ρ и μr - удельное электрическое сопротивление, Ом∙м, и относительная магнитная проницаемость металла; f - частота тока, Гц; - коэффициент поглощения мощности.
Мнимая часть комплекса является плотностью потока реактивной мощности, характеризующей скорость превращения энергии электромагнитного поля из электрической формы в магнитную и обратно:
. (5.10)
В практике индукционного нагрева имеет место падение электромагнитной волны на металлические тела различной формы. Поэтому в формуле (5.9) и (5.10) 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:
, (7.10)
для реактивной мощности
, (7.11)
где Кр и KQ - коэффициенты активной и реактивной мощностей, учитывающие кривизну металлического цилиндра и зависящие от его относительного диаметра D/z0.
Графики для определения поправочных коэффициентов Кр и КQ при расчете потоков активной и реактивной мощностей, проходящих через наружную поверхность металлического цилиндра, приведены на рисунке 5.2.
При нагреве немагнитных (цветных) металлов, для которых μ=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 ºС) – точки Кюри, а затем его рост замедляется. На рисунке 5.3. показана зависимость удельного сопротивления стали от температуры. 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.
Рис. 5.2. К определению поправочных коэффициентов КР и КQ:
D – диаметр нагреваемой детали; z0 – глубина проникновения электрического тока
Рис. 5.3. Зависимость ρ и μ, стали от температуры
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 изменяется коэффициент и мощность, поглощаемая металлом.
В заключении можно подчеркнуть, что индукционный нагрев – нагрев токопроводящих тел в электромагнитном поле за счёт индуктирования в них вихревых токов. При этом электрическая энергия преобразуется трижды. Сначала при помощи индуктора она преобразуется в энергию переменного магнитного поля, которая в теле, помещённом в индуктор, превращается в энергию электрического поля. И, наконец, под действием электрического поля его энергия превращается в тепловую. Передача энергии происходит бесконтактно. Индукционный нагрев в рассматриваемом случае является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.
Уже было отмечено, что плотность тока по сечению нагреваемого проводящего тела не одинакова. Наибольшего значения она достигает на поверхности, а по мере приближения к центру убывает. Следует напомнить ещё раз, что это явление называется поверхностным эффектом. В слое толщиной x=z0 выделяется 87% тепловой энергии, на расстоянии x=z0 от поверхности мощность снижается в 7,4 раза, а плотность тока – в 2,7 раза. На интенсивность и характер нагрева значительно влияют частота тока f, напряжённость электрического поля Е и напряжённость магнитного поля Н. Изменяя частоту тока, можно получить необходимый по технологии характер нагрева и его интенсивность.
В зависимости от используемых частот установки индукционного нагрева подразделяют на: низкочастотные (50Гц); среднечастотные (до 10 кГц); высокочастотные (свыше 10 кГц).
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|