Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ И УСТАНОВКИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА 3.1 Область применения и классификация. Физические основы индукционного метода нагрева 3.1.1 Область применения и классификация Под индукционным нагревом понимают нагрев тел в электромагнитном поле за счет теплового действия электрического тока, протекающего непосредственно по нагреваемому телу и возбуждаемого в нем благодаря явлению электромагнитной индукции. При этом ток в нагреваемом изделии называют индуктированным или наведенным током. Индукционными установками называют электротермические устройства, предназначенные для индукционного нагрева или плавки тех или иных материалов. Под индукционной установкой понимают весь комплекс устройств, обеспечивающих осуществление электротермического процесса (источники питания, устройства автоматики и управления, комплектующее оборудование, токоподводы и т.д.). Под индукционной печью понимают часть индукционной установки, включающую индуктор, каркас, камеру для нагрева или плавки, вакуумную систему, механизмы наклона печи или перемещения нагреваемых изделий и т.д. 150 Индукционной плавильной установкой называют индукционную установку, в которой нагреваемый материал доводиться до плавления. В индукционной нагревательной установке конечная температура нагрева всегда ниже температуры плавления материала. Важнейшим элементом любой индукционной печи является индуктор, представляющий собой проводник или систему проводников определенной конфигурации, подключаемый к внешнему источнику переменного тока и предназначенный для бесконтактного наведения в нагреваемом изделии электрического тока, разогревающего изделие. Индуктор представляет из себя проводник в виде одно- или многовитковой катушки, поперечное сечение которой определяется размером и конфигурацией нагреваемых изделий. Изделия, помещенные в индуктор и подвергаемые нагреву, называют загрузкой. В некоторых случаях загрузку целесообразно нагревать, возбуждая электрический ток не непосредственно в ней, а в каком – либо промежуточном устройстве. Такой вид нагрева загрузки называется косвенным индукционным нагревом, а печь для такого нагрева называется индукционной печью косвенного нагрева. Для компенсации реактивной мощности индуктора используют силовые конденсаторы, представляющие собой отдельный конструктивный узел называемый конденсаторной батареей. Индуктор, соединенный токоподводом с конденсаторной батареей, образует силовой колебательный контур. 3.1.1.1 Преимущества индукционного нагрева Индукционный нагрев основан на преобразовании электрической энергии в тепловую. В электромагнитном поле, создаваемое током индуктора, вносят нагреваемое тело. Благодаря явлению электромагнитной индукции в нем возникает ЭДС, под действием которой в нагреваемом изделии появляется электрический ток, который приводит к разогреву загрузки. Индукционный метод нагрева применяется для нагрева и плавки металлов и сплавов, полупроводниковых материалов, диэлектриков, газов и т.д. Преимущества индукционного нагрева по сравнению с другими методами нагрева заключается в следующем: Передача электроэнергии непосредственно нагреваемое тело позволяет осуществить прямой нагрев материалов и значительно увеличить его скорость по сравнению с печами косвенного нагрева. Максимальный уровень температур может быть высоким и ограничивается только применяемыми огнеупорными материалами. 151 При передаче электроэнергии в нагреваемое тело не нужны контактные устройства, что упрощает конструкцию и позволяет применить индукционный метод в условиях автоматизированного поточного производства, а также осуществлять нагрев в вакууме и защитных средах. Благодаря явлению поверхностного эффекта на высоких частотах максимальная мощность выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия, и тем самым индукционный метод при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхности изделия, позволяя получить ее высокую твердость, при сохранении вязкой сердцевины. В индукционных плавильных печах возникают электродинамические усилия, способствующие циркуляции расплава в общем объеме тигля. Это ускоряет процесс плавки и позволяет получить металл со стабильными и однородными свойствами. 3.1.1.2 Область применения индукционных установок Все индукционные установки делятся на три группы: 1. Установки для индукционного нагрева. 2. Установки для диэлектрического нагрева. 3. Индукционные плавильные установки. На установках для индукционного нагрева выполняют: сквозной нагрев под пластическую деформацию и под термообработку; поверхностную закалку, сварку, пайку и т.д. На установках для диэлектрических нагрева осуществляют сушку древесины; склейку полимеров; подогрев изделий перед формированием; подогрев пищевых продуктов и др. Индукционные плавильные установки делятся на индукционные канальные печи; индукционные тигельные печи; индукционные вакуумные печи; индукционные печи с холодным тиглем и т.д. Наибольшее распространение в промышленности получили канальные и тигельные печи. В зависимости от организации режима нагрева во времени различают индукционные установки: 1. периодического действия, в которых загрузка нагревается от начальной до конечной температуры, оставаясь неподвижной относительно индуктора; 2. полунепрерывного действия; 3. непрерывного действия (методические установки), в которых загрузка нагревается до заданной температуры по мере ее перемещения относительно индуктора. По частоте питающего тока индукционные установки разделяются на: 1. Установки промышленной частоты, питающиеся от сети 50 Гц непосредственно, или через специальные понизительные трансформаторы; 152 2. Установки средней или повышенной частоты (150 – 10000 Гц), питающиеся от электромагнитных или статических преобразователей частоты; 3. Высокочастотные установки, питающиеся от ламповых генераторов, работают на частотах от 20000 Гц до нескольких мегагерц. 3.1.2 Физические основы индукционного нагрева и электроконтактного нагрева Метод индукционного нагрева основан на использовании ряда законов и явлений, таких как: -закон электромагнитной индукции; -поверхностный эффект; -эффект близости; -кольцевой эффект; -эффект паза; -изменение физических свойств нагреваемого тела в процессе нагрева. При реализации электроконтактного нагрева на переменном токе также используются знания о поведении электрических и энергетических характеристик металлических нагревательных изделий разной формы влиянием перечисленных явлений и эффектов. Прежде чем рассматривать эти законы и явления, напомним основные понятия и определения, принимаемые в теории электромагнитного поля. Электромагнитное поле – основной вид материи, отличающийся непрерывным распределением в пространстве, характеризующийся способностью распространения в вакууме со скоростью света, и оказывающий силовое воздействие не заряженные частицы и проводники с током. Всякое электромагнитное явление характеризуется двумя сторонами – электрической и магнитной. Электрическим полем называют одну из сторон электромагнитного поля, обусловленную наличием электрических зарядов или изменением магнитного поля и оказывающую силовое воздействие на неподвижные заряженные частицы. Физическая величина, характеризующая интенсивность электрического поля в какой – либо точке, называется напряженностью электрического поля ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ м Вт Е . Напряженность электрического поля является причиной возникновения электрического тока в загрузке, помещенной в переменное электромагнитное поле. В зависимости от материала загрузки и 153 скорости изменения электромагнитного поля в загрузке появляются ток проводимости, ток переноса или ток электрического смещения. Плотность тока проводимости, преобладающая в электропроводных материалах, определяется законом Ома в дифференциальной форме: Е ⋅ = γ δ , где γ ω = - удельная электрическая проводимость. Магнитным полем называют одну из сторон электромагнитного поля, обусловленную движением заряженных частиц или изменением электрического поля и оказывающую силовое воздействие на движущиеся заряженные частицы или проводник с током. При этом вектор силы перпендикулярен к направлению перемещения заряда или направлению тока в проводнике. Физическая величина, характеризующая интенсивность магнитного поля в каждой точке называется магнитной индукцией В . Она изображается вектором имеющим направление, перпендикулярное к направлению перемещения заряда q или тока i протекающему по проводнику длиной l и к направлению силы F r , действующий не этот заряд: l i F B ⋅ = Поток вектора магнитной индукции через некоторую поверхность S называют магнитным потоком через эту поверхность: dS B S d В Ф S S ⋅ ∫ ⋅ ∫ = ⋅ = β cos где β - угол между направлением вектора B и нормалью к площадке S d . Таким образом магнитная индукция характеризует плотность магнитного потока в данной точке поля. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором B . Магнитный потоком в отличии от магнитной индукции является скаляром. Единицей измерения магнитного потока является Вебер [Вб], а магнитной индукции тесла [Тл]. 2 м Вб Тл = Принцип непрерывности магнитного потока гласит, что линии магнитной индукции не имеют ни начала ни конца – они всюду 154 непрерывны. Математическая запись принципа непрерывности имеет следующий вид: 0 = ∫ ⋅ S S d B магнитный поток сквозь замкнутую поверхность равен нулю. 3.1.2.1 Характеристики электрического поля Напряженность электрического поля Е - физическая величина, характеризующая интенсивность электрического поля в любой точке. Напряженность электрического поля является причиной возникновения электрического тока в телах, находящихся в переменном электромагнитном поле. Напряженность электрического поля - это векторная функция. В зависимости от физических свойств тела и частоты изменения электромагнитного поля в теле появляются ток проводимости, ток переноса или ток электрического смещения. Например, в электропроводящих металлах ток переноса отсутствует, а ток проводимости значительно (на несколько порядков) превосходит ток смещения, при нагреве же диэлектрических материалов отсутствует ток проводимости, а присутствует ток смещения. В изотропной электропроводящей среде (например, металле), имеющей одинаковые физические свойства во всех направлениях, вектор плотности тока проводимости J совпадает по направлению с вектором напряженности электрического поля Е . Для такого случая плотность тока проводимости можно определить по закону Ома в дифференциальной форме: Е J Е = γ = ρ , где γ - удельная электрическая проводимость, 1/(Ом ⋅м); ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом ⋅м; Е - напряженность электрического поля, В/м. 3.1.2.2 Характеристики магнитного поля Магнитная индукция В - физическая величина, характеризующая интенсивность магнитного поля в любой точке. Магнитная индукция – 155 векторная величина. Модуль вектора магнитной индукции В равен отношению модуля силы dF, действующей со стороны магнитного поля на малый элемент проводника с током, к произведению силы тока I на длину элемента dl, если этот элемент ориентирован в пространстве так, что отношение dF/dl максимально: dF B Idl = Направление вектора магнитной индукции определяется в соответствии срис. 3.1. Рис. 3.1 Определение вектора магнитной индукции в проводнике Поток вектора магнитной индукции В через некоторую поверхность S называют магнитным потоком Ф через эту поверхность, который рассчитывается по формуле cosβ S S Ф ВdS В dS = = ∫ ∫ , где β - угол между направлениями вектора магнитной индукции В и нормалью к элементарной площадке dS Расположение векторов В и dS представлено нарис. 3.2. Магнитный поток в отличие от магнитной индукции является скалярной величиной. Единица измерения магнитного потока в Рис. 3.2. Определение магнитного потока Ф через поверхность S dS dS B β S 156 системе СИ - Вебер (Вб), а магнитной индукции - Тесла (Т), равной Вб/м 2 Принцип непрерывности магнитного потока: линии магнитной индукции (магнитные силовые линии)- непрерывны, т.е. замкнуты. Иллюстрация принципа непрерывности приведена нарис. 3.3. Рис. 3.3. Поле магнитной индукции В от проводника с током I Математическая запись принципа непрерывности магнитного потока определяется выражением 0 S В dS = ∫ , т.е. магнитный поток сквозь замкнутую поверхность равен нулю. Примером такой поверхности может служить шар. 3.1.2.3 Закон полного тока I B 157 Рассмотрим виток проводника с током (см. рис. 3.4). Он окружен магнитным полем с замкнутыми магнитными линиями вектора магнитной индукции В . Обходя виток по некоторому замкнутому контуру l, не лежащему в плоскости витка, вычислим линейный интеграл магнитной индукции В вдоль этого контура. Оказывается, что этот интеграл пропорционален силе тока, протекающей в проводнике cosα l l Вdl В dl I = = μ ∫ ∫ , где l - длина контура интегрирования; α - угол между вектором магнитной индукции и линии, касательной к контуру интегрирования; 0 r μ = μ μ - абсолютная магнитная проницаемость среды, окружающей виток; μ r - относительная магнитная проницаемость; 7 0 4 10 − μ = π⋅ - магнитная постоянная, Гн/м. Если контур интегрирования будет охватывать несколько витков с током n I I I ..., , , 2 1 , то линейный интеграл магнитной индукции будет равен ( ) 1 2 3 n l В dl I I I I = μ + + + + ∫ Рис. 3.4. Связь магнитного поля B с электрическим током I произвольного контура Если токи в витках равны I, то линейный интеграл магнитной индукции равен l BdS WI = μ ∫ , где W - число витков. На практике при расчетах магнитных полей часто пользуются не α I e B dl 158 величиной магнитной индукции В , а другой характеристикой - напряженностью магнитного поля Н . Вектор напряженности магнитного поля равен 0 r В В Н = = μ μ μ Размерность напряженности магнитного поля в системе СИ - А/м. С введением напряженности магнитного поля закон полного тока может быть сформулирован следующим образом: линейный интеграл напряженности магнитного поля Н вдоль замкнутого контура l равен электрическому току, охватываемому этим контуром: l Hdl WI = ∫ 3.1.2.4 Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея- Максвелла-Ленца) Закон электромагнитной индукции характеризует возникновение электродвижущей силы в проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, или в замкнутом проводящем контуре вследствие движения контура или изменения самого поля. В 1831 году Майкл Фарадей обнаружил принцип электромагнитной индукции, исследуя влияние изменения тока в одной катушке (W 1 ) на возникновение тока в другой (W 2 ). Иллюстрация данного опыта приведена нарис. 3.5. Рис. 2.5. Иллюстрация опыта Фарадея: 1 - катушка с числом витков W 1 ; 2 - катушка с числом витков W 2 ; 3 - гальванометр; 4 - гальваническая батарея; 5 – ключ Закон электромагнитной индукции гласит: при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего какой-либо контур, в контуре 159 наводится электродвижущая сила (ЭДС) е. Наведенная ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, сцепленного с контуром d Ф e d = − τ , где е, Ф, τ - мгновенные значения ЭДС, магнитного потока и времени. Частные случаи электромагнитной индукции. Взаимная индукция - явление возбуждения ЭДС в одной электрической цепи (или проводящем теле) при изменении электрического тока в другой цепи (или помещении проводника в переменное электромагнитное поле). Самоиндукция - наведение ЭДС в электрической цепи при протекании в ней переменного электрического тока (или наведение ЭДС в проводящем теле, протекающим в нем переменным электрическим током проводимости). Направление индуцированного тока, возникающего вследствие явления электромагнитной индукции, определяется правилом Ленца: индуцированный ток всегда имеет такое направление, при котором его собственное магнитное поле противодействует изменению магнитного поля, вызывающего возникновение индуцированного тока. 3.1.2.5 Закон Джоуля-Ленца Под действием ЭДС происходит перемещение зарядов q. Для перемещения заряда q необходимо затратить энергию Q qU = , где U - разность потенциалов на пути перемещения зарядов. Энергия, затрачиваемая в единицу времени, определяет требуемую мощность q Р U IU = = τ , где τ - время, за которое происходило перемещение зарядов. Если вторичная цепь - нагреваемое металлическое тело, то нас, прежде всего, будет интересовать мощность, выделяемая в металле, которая в общем случае может иметь неравномерное распределение по толщине тела. Получим закон Джоуля-Ленца, характеризующий удельную мощность, 160 выделяемую в элементарном объеме нагреваемого тела. Разность потенциалов на пути dl движения зарядов и силу тока в элементарном сечении dS можно определить по формулам dU Edl = , dI JdS = , тогда мощность, затрачиваемая на перемещение зарядов, будет равна dP dIdU JdSEdl JEdV = = = , т.е. в единице объема мощность равна v dP q EJ dV = = Используя закон Ома в дифференциальной форме E J γ = или J Е ρ = , |