ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7

Раздел 7. Электрооборудование специальных установок

Глава 7.5. Электротермические установки

Установки индукционного и диэлектрического нагрева

7.5.50. Оборудование установок индукционных и диэлектрического нагрева с трансформаторами, двигатель-генераторами, тиристорными и ионными преобразователями или ламповыми генераторами и конденсаторами устанавливается, как правило, в отдельных помещениях или, в обоснованных случаях, непосредственно в цехе в технологическом потоке производства категорий Г и Д по строительным нормам и правилам; строительные конструкции указанных отдельных помещений должны иметь пределы огнестойкости не ниже значений, приведенных в 7.5.22 для внутрицеховых печных (в том числе преобразовательных) подстанций при количестве масла в них менее 10 т.

7.5.51. Для улучшения использования трансформаторов и преобразователей в контурах индукторов должны устанавливаться конденсаторные батареи. Для облегчения настройки в резонанс конденсаторные батареи в установках со стабилизируемой частотой, как правило, следует разделять на две части — постоянно включенную и регулируемую.

7.5.52. Взаимное расположение элементов установок, как правило, должно обеспечивать наименьшую длину токопроводов резонансных контуров в целях уменьшения активного и индуктивного сопротивлений.

7.5.53. Для цепей повышенно-средней частоты, как указано в 7.5.33, рекомендуется применять коаксиальные кабели и токопроводы. Применение кабелей со стальной броней и проводов в стальных трубах для цепей с повышенно-средней частотой до 10 кГц допускается только при обязательном использовании жил одного кабеля или проводов в одной трубе для прямого и обратного направлений тока. Применение кабелей со стальной броней (за исключением специальных кабелей) и проводов в стальных трубах для цепей частотой более 10 кГц не допускается.

Кабели со стальной броней и провода в стальных трубах, применяемые в электрических цепях промышленной, повышенно-средней или пониженной частоты, должны прокладываться так, чтобы броня и трубы не нагревались от внешнего электромагнитного поля.

7.5.54. Для защиты установок от повреждений при «проедании» тигля индукционных печей (любой частоты) и при нарушении изоляции сетей повышенно-средней, высокой или сверхвысокой частоты относительно корпуса (земли) рекомендуется устройство электрической защиты с действием на сигнал или отключение.

7.5.55. Двигатель-генераторы установок частотой 8 кГц и более должны снабжаться ограничителями холостого хода, отключающими возбуждение генератора во время длительных пауз между рабочими циклами, когда останов двигатель-генераторов нецелесообразен.

Для улучшения загрузки по времени генераторов повышенно-средней и высокой частоты рекомендуется применять режим «ожидания» там, где это допускается по условиям технологии.

7.5.56. Установки индукционные и диэлектрического нагрева высокой частоты должны иметь экранирующие устройства для ограничения уровня напряженности электромагнитного поля на рабочих местах до значений, определяемых действующими санитарными нормами.

7.5.57. В сушильных камерах диэлектрического нагрева (высокочастотных сушильных установок) с применением вертикальных сетчатых электродов сетки с обеих сторон проходов должны быть заземлены.

7.5.58. Двери блоков установок индукционных и диэлектрического нагрева высокой частоты должны быть снабжены блокировкой, при которой открывание двери возможно лишь при отключении напряжения всех силовых цепей.

7.5.59. Ширина рабочих мест у щитов управления должна быть не менее 1,2 м, а у нагревательных устройств, плавильных печей, нагревательных индукторов (при индукционном нагреве) и рабочих конденсаторов (при диэлектрическом нагреве) — не менее 0,8 м.

7.5.60. Двигатель-генераторные преобразователи частоты, работающие с уровнем шума выше 80 дБ, должны быть установлены в электромашинных помещениях, которые обеспечивают снижение шума до уровней, допускаемых действующими санитарными нормами.

Для уменьшения вибрации двигатель-генераторов следует применять виброгасящие устройства, обеспечивающие выполнение требования санитарных норм к уровню вибрации.

Источник

Диэлектрический нагрев

Содержание

Описание метода

Диэлектрический нагрев проводится следующим образом. Заготовка из диэлектрического материала (древесина, пластик, керамика) помещается между обкладками конденсатора. На конденсатор от специального мощного генератора подается напряжение высокой частоты (от 5 МГц и выше). Переменное электрическое поле между обкладками конденсатора вызывает поляризацию диэлектрика и появление тока смещения, который разогревает заготовку.

Преимущества

Недостатки

Применение

Установки диэлектрического нагрева

По сравнению с индукционным нагревом, применяемом для разогрева электропроводящих материалов переменным током частотой не более 30 МГц, диэлектрический нагрев проводится на более высоких частотах. В качестве генераторов применяются либо электронные генераторы на лампах (до 300 МГц), либо магнетроны (выше 300 МГц).

На полупроводниках установки диэлектрического нагрева не строятся, так как мощные транзисторы, работающие на высоких частотах, пока не разработаны.

В качестве обкладок конденсатора иногда применяют толстую фольгу, которую расстилают над и под заготовками.

См. также

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Диэлектрический нагрев» в других словарях:

диэлектрический нагрев — Электронагрев неэлектропроводящей загрузки токами смещения при поляризации. [ГОСТ 16382 87] Тематики электротермическое оборудование EN dielectric heating DE dielektrische Erwärmung FR chauffage (par histérésis) diélectrique … Справочник технического переводчика

диэлектрический нагрев — dielektrinis kaitinimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. dielectric heating vok. Dielektrikerhitzung, f; dielektrische Erhitzung, f; dielektrische Heizung, f rus. диэлектрический нагрев, m pranc. chauffage diélectrique, m … Fizikos terminų žodynas

Диэлектрический нагрев — 15. Диэлектрический нагрев D. Dielektrische Erwarmung E. Dielectric heating F. Chauffage (par histeresis) dielectrique Электронагрев неэлектропроводящей загрузки токами смещения при поляризации Источник: ГОСТ 16382 87: Оборудование… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Диэлектрический нагрев — нагрев диэлектриков в переменном электрическом поле. При наложении переменного электрического поля в диэлектриках появляется ток смещения, вызванный их поляризацией, и ток проводимости, обусловленный наличием в диэлектрике свободных… … Большая советская энциклопедия

Нагрев — Нагрев искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала/тела, либо за счёт внутренней энергии, либо за счёт подведения к нему энергии извне. Для подведения энергии извне используется специальное устройство … … Википедия

Индукционный нагрев — нагрев токопроводящих тел за счёт возбуждения в них электрических токов переменным электромагнитным полем. Мощность, выделяющаяся в проводнике при И. н., зависит от размеров и физических свойств проводника (удельного электрического… … Большая советская энциклопедия

Высокочастотный нагрев — нагрев токами высокой частоты (свыше 10 кгц); см. Диэлектрический нагрев, Индукционный нагрев … Большая советская энциклопедия

Индукционный нагрев — (Induction Heating) метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH radio frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов. Содержание 1 Описание метода 2 Применение … Википедия

ГОСТ 16382-87: Оборудование электротермическое. Термины и определения — Терминология ГОСТ 16382 87: Оборудование электротермическое. Термины и определения оригинал документа: 86. Аккумулированная энергия электропечи Тепловая энергия, аккумулированная незагруженной электропечью при разогреве ее от температуры… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Электротермия — (от Электро. и греч. thérme жар, тепло) прикладная наука о процессах преобразования электрической энергии в тепловую; отрасль электротехники, осуществляющая проектирование, изготовление и эксплуатацию электротермических установок;… … Большая советская энциклопедия

Источник

Диэлектрический нагрев

Что такое диэлектрический нагрев

Под диэлектрическим нагревом понимается нагрев диэлектриков и полупроводников в переменном электрическом поле, под действием которого нагреваемый материал поляризуется. Поляризация — это процесс смещения связанных зарядов, приводящий к появлению электрического момента у любого макроскопического элемента объема.

Поляризацию разделяют на упругую и релаксационную: упругая (безынерционная) обусловливает энергию электрического поля, а релаксационная (инерционная)—теплоту, выделяющуюся в нагреваемом материале. При релаксационной поляризации внешним электрическим полем совершается работа по преодолению сил внутренних связей («трения») атомов, молекул, заряженных комплексов. Половина этой работы превращается в теплоту.

Мощность, выделяющуюся в диэлектрике, обычно относят к единице объема и вычисляют по формуле

где γ — комплексно-сопряженная проводимость материала, ЕM — напряженность электрического поля в материале.

Здесь εr — полная комплексная диэлектрическая проницаемость.

Действительная часть ε’, называемая диэлектрической проницаемостью, влияет на количество энергии, которая может быть запасена в материале. Мнимая часть ε», называемая фактором потерь, является мерой энергии (теплоты), рассеиваемой в материале.

Фактор потерь учитывает энергию, выделяющуюся в материале как за счет поляризации, так и за счет токов сквозной проводимости.

В практике расчетов используют величину, называемую тангенсом угла потерь:

Тангенс угла потерь определяет отношение энергии, расходуемой на нагрев, к запасенной энергии электромагнитных колебаний.

С учетом изложенного объемная удельная активная мощность, Вт/м3:

Таким образом, удельная объемная мощность пропорциональна квадрату напряженности электрического поля в нагреваемом материале, частоте и фактору потерь.

Напряженность электрического поля в нагреваемом материале зависит от приложенного напряжения, диэлектрической проницаемости ε’, расположения и формы электродов, образующих поле. Для некоторых наиболее часто встречающихся в практике случаев расположения электродов напряженность электрического поля рассчитывают по формулам, приведенным на рисунке 1.

Рис. 1. К расчету напряженности электрического поля: а — цилиндрический конденсатор, б — плоский однослойный конденсатор, в, г — плоский многослойный конденсатор с расположением слоев материала соответственно поперек и вдоль электрического поля.

Следует отметить, что предельное максимальное значение Ем ограничивается электрической прочностью нагреваемого материала. Напряженность не должна превышать половины пробивной напряженности. Ем для семян зерновых и овощных культур принимается в пределах (5. 10) 103 В/м, для дерева—(5. 40) 103 В/м, поливинил-хлорида — (1. 10) 105 В/м.

Фактор потерь ε» зависит от химического состава и структуры материала, его температуры и влагосодержания, от частоты и напряженности электрического поля в материале.

Особенности диэлектрического нагрева материалов

Диэлектрический нагрев применяют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Основные особенности диэлектрического нагрева состоят в следующем.

1. Теплота выделяется в самом нагреваемом материале, что позволяет в десятки и сотни раз ускорить нагрев (по сравнению с конвективным). Это особенно заметно для материалов с малой теплопроводностью (дерева, зерна, пластмасс и др.).

2. Диэлектрический нагрев селективен: удельная объемная мощность, а следовательно, и температура каждого компонента неоднородного материала различна. Эту особенность в сельском хозяйстве используют, например, при дезинсекции зерна и замаривании шелкопряда,

3. При диэлектрической сушке теплота выделяется внутри материала, а следовательно, температура в центре выше, чем на периферии. Влага внутри материала перемещается от влажного слоя к сухому и от горячего к холодному. Так, при конвективной сушке температура внутри материала ниже, чем на периферии, и поток влаги, обусловленный температурным градиентом, препятствует перемещению влаги к поверхности. Это значительно снижает к. п. д. конвективной сушки. При диэлектрической же сушке потоки влаги, обусловленные разностью температур и влагосодержанием, совпадают. Это — главное достоинство сушки с диэлектрическим нагревом.

4. При нагреве и сушке в электрическом поле высокой частоты уменьшается фактор потерь, а следовательно, и мощность теплового потока. Чтобы поддержать мощность на необходимом уровне, следует изменять частоту или напряжение, подводимое к конденсатору.

Установки для диэлектрического нагрева

Промышленность выпускает как специализированные высокочастотные установки, предназначенные для термообработки одного или нескольких видов изделий, так и установки общего применения. Несмотря на эти различия, все высокочастотные установки имеют одинаковую структурную схему (рис. 2).

Материал нагревают в рабочем конденсаторе высокочастотного устройства 1. Напряжение высокой частоты подводится к рабочему конденсатору через блок промежуточных колебательных контуров 2, предназначенных для регулирования мощности и настройки генератора 3. Ламповый генератор преобразует постоянное напряжение, получаемое от полупроводникового выпрямителя 4, в переменное высокой частоты. При этом в ламповом генераторе расходуется не менее 20. 40 % всей энергии, получаемой от выпрямителя.

Основная часть энергии теряется на аноде лампы, который приходится охлаждать водой. Анод лампы находится под напряжением относительно земли 5. 15 кВ, поэтому система изолированного подвода охлаждающей воды очень сложная. Трансформатор 5 предназначен для повышения сетевого напряжения до 6. 10 кВ и исключения кондуктивной связи генератора с питающей сетью. Блок 6 используют для включения и отключения установки, последовательного выполнения технологических операций, защиты от аварийных режимов.

Установки диэлектрического нагрева отличаются одна от другой мощностью и частотой генератора, конструкцией вспомогательного оборудования, предназначенного для перемещения и удержания обрабатываемого материала, а также для механического воздействия на него.

Рис. 2. Структурная схема высокочастотной установки: 1 — высокочастотное устройство с загрузочным конденсатором, 2 — блок промежуточных колебательных контуров с регулятором мощности, подстроечными емкостями и индуктивностями, 3 — ламповый генератор с анодно-разделительными и сеточными цепями, 4 — полупроводниковый выпрямитель: 5 — повышающий трансформатор, в — блок защиты установки от ненормальных режимов работы.

Промышленность выпускает большое число высокочастотных установок различного назначения. Для термообработки продукции используют серийные высокочастотные генераторы, к которым изготавливают специализированные приспособления.

Выбор генератора для диэлектрического нагрева сводится к определению его мощности и частоты.

Колебательная мощность Рг высокочастотного генератора должна быть больше теплового потока Ф, необходимого для термической обработки материала, на значение потерь в рабочем конденсаторе и блоке промежуточных колебательных контуров:

где ηк — к. п. д. рабочего конденсатора, зависящий от площади теплоотдающей поверхности, коэффициента теплоотдачи и разности температур между материалом и средой ηк =0,8. 0,9, ηэ — электрический к. п. д. колебательного контура ηэ = 0,65. 0,7, ηл — к. п. д., учитывающий потери в высокочастотных соединительных проводах ηл = 0,9. 0,95.

Мощность, потребляемая генератором из сети:

Здесь ηг — к. п. д. генератора ηг = 0,65. 0,85.

Столь малый к. п. д. — существенный фактор, сдерживающий широкое применение диэлектрического нагрева в сельскохозяйственном производстве.

Улучшить энергетические показатели высокочастотных установок можно, используя теплоту, рассеиваемую генератором.

Частоту тока при нагреве диэлектриков и полупроводников выбирают, исходя из требуемого теплового потока Ф. При термообработке сельскохозяйственных продуктов удельный объемный поток ограничивается допустимой скоростью нагрева и сушки. Из баланса мощностей в рабочем конденсаторе имеем

где V — объем нагреваемого материала, м3.

Минимальная частота, при которой технологический процесс протекает с заданной скоростью:

где Emах — максимально допустимая напряженность электрического поля в материале, В/м.

При увеличении частоты уменьшается Ем, а следовательно, и увеличивается надежность технологического процесса. Вместе с тем существуют некоторые ограничения на увеличение частоты. Повышать частоту нецелесообразно, если при этом фактор потерь резко уменьшается. Кроме того, с повышением частоты усложняется согласование параметров нагрузки и генератора. Максимальная частота, Гц, при которой это согласование обеспечивается:

где L и С—минимально возможные эквивалентные значения индуктивности и емкости нагрузочного контура с рабочим конденсатором.

При больших линейных размерах рабочего конденсатора повышение частоты может привести к неравномерному распределению напряжения вдоль электрода, а следовательно, и неравномерному нагреву. Максимально допустимая частота, Гц, по этому условию

где l— наибольший размер обкладки рабочего конденсатора, м.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Индукционный и диэлектрический нагрев. Индукционная плавка в печи. Виды диэлектрических установок.

1.1. Индукционный нагрев

1.1.1. Теоретические основы индукционного нагрева

При известном значении сопротивления r нагреваемого тела ЭДС обеспечивает возникновение в нем вихревого тока I и выделение соответствующей мощности

Индукционный нагрев представляет собой прямой нагрев сопротивлением, включение же нагреваемого тела в цепь вихревого тока осуществляется за счет магнитной связи. Такой нагрев обладает всеми преимуществами прямого нагрева сопротивлением: высокая скорость нагрева, неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева, расплава, испарения материалов и получения плазмы.

Процесс выделения мощности при индукционном нагреве имеет большую скорость, легко может быть автоматизирован и проводится практически в любой среде.

Глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит не только от времени действия электромагнитного поля, но и от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты). Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит также от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении. Как и нагрев сопротивлением, индукционный нагрев дает высокую производительность и комфортные условия труда, однако для него требуются более сложные источники питания и повышенный удельный расход электроэнергии.

Схемное решение индукционного нагрева предусматривает наличие индуктора, зазора и нагреваемого тела. Эти элементы определяют эффективность преобразования электрической энергии в тепловую.

Индуктор создает переменный во времени магнитный поток, т. е. электромагнитную волну, падающую на нагреваемое тело, в котором наводит вихревые токи. Конструкции индукторов разнообразны: цилиндрическая, плоская, фасонная. Индукторы изготовляются из меди (немагнитного металла) и охлаждаются водой. Как правило, индукторы имеют много изолированных друг от друга витков. При выполнении нагревательных операций индуктор может находиться как снаружи нагреваемого тела, так и внутри его. В последнем случае внутри индуктора помещают сердечник из листовой трансформаторной стали. Наиболее распространенным является внешнее расположение индуктора.

При нагреве до высоких температур происходит изменение удельного сопротивления р, в этом случае необходимо регулирование напряженности магнитного поля или частоты.

nэ = 1/(1 + Pи1,0 / P1,0 Л) (1.1)

При расчетах коэффициента мощности системы индукционного нагрева необходимо учитывать как активные, так и реактивные мощности, выделяющиеся в нагреваемом теле, в индукторе и в зазоре. Чем больше зазор между индуктором и нагреваемым цилиндром, тем больше реактивная мощность P3q1,0 и тем ниже коэффициент мощности системы cos ф.

Установлено, что глубина нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления и понижается с ростом частоты тока, что позволяет определить необходимую частоту тока для нагрева тела на заданную глубину. Для ферромагнитных материалов, когда с ростом температуры увеличивается удельное сопротивление нагреваемого материала р, а при достижении точки Кюри значение относительной магнитной проницаемости ц падает от 100-50 до 1, глубина проникновения тока резко увеличивается, а поглощаемая мощность при этом снижается.

С точки зрения основ электротехники, индуктор представляет собой, как правило, соленоид, имеющий один или несколько добавочных отводов от внутренних витков. Витковое напряжение (напряжение между смежными витками) изменяется в пределах от 20-175 до 400-600 В, а иногда и до 1 000 В. Ток индукторов же может составлять от сотен до нескольких тысяч ампер при средней плотности тока порядка 20 А/мм2. Потери энергии в индукторах велики и могут достигать 30 % полезной мощности установки. Так как индуктор находится под напряжением и охлаждается хладагентом, а изделие нагревается до высокой температуры, то между индуктором и изделием создается зазор, влияние которого существенно сказывается на энергетических характеристиках установок. В этом зазоре помещается электрическая и огнеупорная изоляция. Нагреваемое тело может находиться в твердом (металлы), жидком (расплавы металлов и неметаллов) и плазменном состояниях, что позволяет применять индукционный нагрев в различных технологических процессах: плавка металлов и неметаллов; поверхностная закалка; нагрев заготовок под пластическую деформацию или термохимическую обработку; сварка и пайка; зонная очистка металлов и полупроводников, плавка во взвешенном состоянии; получение монокристаллов из тугоплавких оксидов; получение плазмы.

1.1.2. Индукционные плавильные установки

Индукционные плавильные печи бывают двух типов: канальные и тигельные. Конструкции этих печей и определяют их электрические параметры, энергетические характеристики и технологические возможности.

Необходимость получения металлов высокой чистоты из полупроводниковых материалов или сплавов на основе химически активных и тугоплавких металлов, а также особо чистых плавленых огнеупорных материалов привела к созданию установок индукционной плавки, обеспечивающих получение указанных материалов без примесей и при гораздо более высоких температурах, чем в тигельных или канальных индукционных печах. Этим требованиям отвечают индукционная гарнисажная плавка, индукционная струйная плавка, плавка во взвешенном состоянии, зонная плавка в холодном тигле, кристаллизационная плавка.

Индукционные канальные печи.

В данных индукционных печах канал с расплавленным металлом является короткозамкнутым витком вторичной обмотки трансформатора. В нем возможно поглощение до 95 % подведенной к печи электрической энергии. По электротехническим характеристикам канальные печи подобны силовым трансформаторам с распределенной по длине вторичной обмотки нагрузкой. Принципиальная схема индукционной канальной печи (ИКП) приведена на рис. 1.2. С целью уменьшения потока рассеяния Фs первичную w1 и вторичную w2 обмотки располагают на одном стержне магнитопровода М, по которому протекает основной магнитный поток Ф1.

Отличительной особенностью индукционных канальных печей от силовых трансформаторов является следующее:

1) вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и имеет только один виток;

2) при большом потоке рассеяния Фs, вызванного футеровкой ванны печи, ИКП имеет низкий коэффициент мощности.

Схема замещения и векторная диаграмма индукционной канальной печи показаны на рис. 1.3. Схема замещения ИКП соответствует схеме замещения трансформатора в режиме короткого замыкания.

Рис. 1.2. Схема индукционной канальной печи

Рис. 1.3. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) ИКП

В соответствии с векторной диаграммой

В индукционных канальных печах однородный химический состав и одинаковая температура жидкого металла обеспечиваются интенсивным перемешиванием металла, вызываемым взаимодействием магнитного поля индуктора с током в канале, что приводит к возникновению магнитогидродинамических явлений в печах.

По сравнению с футеровкой ванны печи футеровка индукционных единиц имеет более ограниченный срок службы, так как испытывает значительно большую термическую нагрузку. Этим обусловлено применение в ИКП съемных индукционных единиц (рис. 1.5), что позволяет заменить этот элемент без перефутеровки ванны, а порой и без вывода печи из рабочего состояния. Каналы делают в виде колодца, прямоугольных участков и полукольца или только из прямоугольных участков (для облегчения чистки каналов при их «зарастании»). Поэтому сечения каналов бывают круглой, прямоугольной или овальной формы.

Для изготовления магнитопровода применяют листовую трансформаторную сталь и выполняют его разборным для удобства установки и демонтажа катушки-индуктора.

Конструкции ИКП и их характеристики зависят от рода переплавляемых металлов и их назначения. Наибольшее распространение получили три разновидности ИКП: шахтная, барабанная и двухкамерная (рис. 1.6).

Индукционная канальная печь шахтного типа имеет плавильную камеру в форме вертикального цилиндра, в нижней части которого присоединена плавильная единица (рис. 1.6, а). При разливке готового металла печь наклоняют с помощью гидравлического устройства. Главным достоинством печей такого типа является простота изготовления, ремонта и замены футеровки ванны.

Индукционная канальная печь барабанного типа имеет плавильную камеру в виде горизонтального цилиндра. Она устанавливается на цапфах или катках с приводами механизма наклона. Печь имеет несколько индукционных единиц, установленных в нижней части (рис. 1.6, б).

Тепловая энергия в ИКП выделяется в жидком металле в канале и передается в ванну печи благодаря теплопроводности и конвекции. Конвекция обусловлена как разностью температур металла, так и действием электромагнитных сил, которые возникают в металле канала. Из-за ограниченной циркуляции металла его температура в канале может быть на 100-200 К больше температуры в ванне. Это обстоятельство главным образом определяет удельную мощность печей, их производительность и срок службы футеровки канала.

Индукционные тигельные печи.

Отличительной особенностью индукционных тигельных печей является то, что нагреваемые в них электропроводящие тела имеют с индуктором, создающим переменное электромагнитное поле, систему двух индуктивно связанных контуров с электрическим током.

Индукционная тигельная печь (ИТП) (рис. 1.7) состоит: из индуктора 1, подключаемого к источнику переменного тока; расплавляемого металла 2, находящегося внутри огнеупорного тигля 3; внешнего маг- нитопровода 4, применяемого в печах большой емкости для экранирования и уменьшения потерь энергии; токопроводов и устройства для наклона печи при сливе металла.

Современные конструкции тигельных электропечей средней емкости предусматривают возможность изготовления отдельного выемного узла, состоящего из индуктора и тигля, что существенно сокращает времязатраты на их замену.

Плавильные тигельные печи имеют одни и те же конструктивные элементы вне зависимости от частоты питающего тока (от 50 Гц до 400 кГц) при емкости тигля от нескольких килограммов до десятков тонн расплавленного металла.

Неэлектропроводные тигли выполняют из кварцитовых, магнезитовых, циркониевых масс прямо во внутреннем объеме индуктора: они не поглощают энергии электромагнитного поля и являются теплоизоляторами между расплавляемым металлом и охлаждаемыми стенками индуктора.

С целью защиты каркаса печи от нагрева магнитным полем в конструкциях тигельных печей предусматриваются магнитопроводы. Большие печи оснащают устройствами для измерения массы печи вместе с массой расплавляемого материала. Это дает возможность регулировать ход подачи шихты и слива расплава, что повышает точность поддержания режима и упрощает работу по обслуживанию печи.

При плавке металла в ИТП наблюдается активное выделение энергии, главным образом на периферии садки при ее интенсивном перемешивании. Характерной особенностью ИТП в отличие от ИКП является простота выгрузки печи при переходе на другую марку сплава или при длительном простое печи. Также к преимуществам индукционных тигельных печей следует отнести:

а) простоту получения химически чистых металлов и сплавов;

б) возможность плавки в нейтральной среде или вакууме с целью получения металлов высокого качества;

в) повышенный срок службы печи ввиду отсутствия перегрева футеровки.

В индукционных тигельных печах происходит движение расплава в тигле, что обусловлено взаимодействием электромагнитного поля индуктора и наведенного в металле электрического тока. Это обеспечивает возникновение в расплаве двухконтурной циркуляции, в то время как расплав движется вдоль оси вверх (в верхнем контуре) и вниз (в нижнем контуре) по отношению к средней плоскости индуктора. Данная циркуляция в ИТП называется естественной. Скорость перемещения металла при этом пропорциональна напряженности магнитного поля, кроме этого она зависит от частоты тока индуктора, удельной мощности печи, геометрических соотношений тигля и расплава в нем.

Индукционные тигельные печи имеют естественный коэффициент мощности cos фп = 0,3-0,8 и поэтому требуют установки компенсирующих устройств реактивной мощности.

Тигельные электропечи могут работать как с «болотом» (часть расплавленного металла), так и без него. «Болото» по объему, как правило, составляет от 25 до 30 % емкости тигля. При этом в тигель можно загружать шихту любых габаритных размеров: отходы литейного производства, чушки, мелкую стружку и т. д.

Удельные мощности ИТП ограничены скоростью реакций на границах расплава с футеровкой и атмосферой печи. Удельный расход электроэнергии на тонну металла в печи складывается из энергии для нагрева и расплавления металла, тепловых и электрических потерь.

Промышленность выпускает индукционные тигельные печи различной емкостью, мощностью и частотой питающего тока. Так, например, для плавки стали изготавливают печи емкостью от 0,06 до 6 т, мощностью 90-2230 кВт, частотой тока 500-2 400 Гц и производительностью 0,132-3,5 т/ч переплавленной стали.

Индукционная плавка без контакта расплава с футеровкой.

Индукционная струйная плавка предусматривает предварительную подготовку переплавляемого материала в виде чешуек, губки, гранул или порошка прессованием в заготовки-стержни, которые затем перемещают с заданной скоростью через индуктор. Нагрев и расплавление заготовки осуществляются за счет протекания индуцированного тока по боковой поверхности заготовки. Жидкий металл каплями или, при большой мощности индуктора, непрерывной струей стекает в изложницу и образует слиток.

Индукционную плавку во взвешенном состоянии иногда называют «плавкой в электромагнитном тигле». Физические основы данного метода базируются на том, что в индуктор или систему индукторов, создающих переменное электромагнитное поле, помещают переплавляемый металл. При определенных условиях взаимодействия индуцированных в металле токов с электромагнитным полем индуктора появляется состояние парения металла в магнитном поле. Металл стремится расположиться в зоне с наименьшей напряженностью магнитного поля. При высокой мощности, подводимой к индуктору, металл расплавляется в переменном электромагнитном поле и висит в потенциальной яме без внешнего воздействия.

Новые возможности при выращивании высокотемпературных кристаллических веществ открывает индукционная плавка в металлических водоохлаждаемых тиглях, обеспечивая при этом высокую чистоту получаемых материалов.

1.1.3. Индукционные установки для нагрева

Индукционные нагревательные установки нашли широкое применение в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности. Их подразделяют на установки сквозного и поверхностного нагрева [13].

Индукционные установки сквозного нагрева применяются для нагрева заготовок под последующую механическую обработку: ковку, штамповку, прессовку, прокатку и т. д. По сравнению с другими видами нагрева индукционный нагрев имеет малый угар металла и меньший брак из-за отсутствия окалины.

Источники питания индукционных установок изготавливают на частоту 50-10 000 Гц в зависимости от геометрических параметров нагреваемых деталей и их материала. Для установок сквозного нагрева выбор рабочей частоты осуществляют таким образом, чтобы выделение теплоты происходило в слое расчетной толщины по сечению детали. Это дает меньший перегрев поверхности заготовки и больший КПД установки.

Установки сквозного нагрева по режиму работы подразделяют на установки периодического и непрерывного действия. В установках периодического действия нагревают только одну заготовку или ее часть. При нагреве заготовок из магнитного материала потребляемая мощность

меняется: вначале она возрастает, а затем, по достижении точки Кюри, снижается до 60-70 % от начальной. При нагреве заготовок из цветных металлов мощность в конце нагрева увеличивается за счет роста удельного электрического сопротивления материала.

В установках непрерывного действия одновременно может находиться несколько заготовок, располагаемых в продольном или поперечном магнитном поле (рис. 1.10). Во время нагрева они перемещаются по длине индуктора, нагреваясь до заданной температуры. В нагревателях непрерывного действия рациональнее используется мощность источника питания.

Нагреватели непрерывного действия, в сравнении с индукционными установками периодического действия, имеют более высокий КПД источника питания и более высокую производительность. У них возможно питание нескольких нагревателей от одного источника и, наоборот, подключение нескольких генераторов к одному нагревателю, состоящему из нескольких секций (рис. 1.10, в, секции А, В, С).

Конструктивное исполнение индуктора для сквозного нагрева зависит от формы и размеров деталей. Индукторы могут быть круглого, овального, квадратного или прямоугольного сечения. Для нагрева концов деталей индукторы изготавливают щелевыми или петлевыми (рис. 1.10, г, д).

Выбор геометрических размеров индуктора, т. е. внутреннего диаметра, длины и размера его теплоизоляции, производят путем расчетов (рис. 1.11).

Внутренний диаметр огнеупорного цилиндра d3 определяют по формуле

Индуктор защищают от огнеупорного цилиндра укладкой слоя теплоизолирующего материала (2-5 мм): это уменьшает тепловые потери и защищает электрическую изоляцию индуктора.

Для равномерного нагрева деталей в индукторе его длину 11 необходимо выбирать несколько большей длины садки заготовки 12. При несоблюдении этого условия концы деталей могут недогреться, поскольку на концах индуктора магнитное поле значительно слабее и в концевых зонах нагреваемых заготовок имеют место тепловые потери.

Расчетный диаметр индуктора d1 обосновывается поддержанием максимального КПД, а также конструктивными особенностями индуктора, учитывающими, что внутри него будут расположены тепловая и электрическая изоляции, а иногда и специальные направляющие.

Тепловой КПД индуктора при постоянной удельной мощности падает с повышением частоты индукционного тока и с увеличением диаметра нагреваемой заготовки, так как в этом случае глубина проникновения тока в металл уменьшается и для нагрева изделия требуется большее время, что увеличивает тепловые потери.

Индукционные установки поверхностного нагрева предназначены для нагрева деталей под последующую термохимическую обработку (закалка, цементация, азотирование и т. п.). Поверхностный индукционный нагрев сопровождается проявлением поверхностного эффекта и эффекта близости. При поверхностном эффекте ток в нагреваемом изделии распределяется неравномерно. Наибольшая плотность тока наблюдается в поверхностных слоях изделия. Рост плотности тока от центра проводника к его поверхности происходит по экспоненциальному закону.

Из этого следует, что при использовании высокой частоты в поверхностных слоях детали можно получить значительно большие плотности тока, обеспечивающие быстрый нагрев металла на наружной поверхности.

Индукционный нагрев под закалку предусматривает быстрый нагрев поверхности детали с последующим быстрым охлаждением на воздухе или в жидкости. После охлаждения поверхность детали приобретает высокую твердость и износостойкость, а сердцевина обеспечивает высокую сопротивляемость ударным нагрузкам. При таком способе нагрева во много раз уменьшается объем нагреваемого металла по сравнению со сквозным нагревом и существенно сокращается расход электроэнергии. Варианты схем индукторов поверхностного нагрева показаны на рис. 1.12.

Нагрев металлов с низкой теплопроводностью (например, титана и его сплавов) требует больших времязатрат, в результате возрастают тепловые потери и уменьшается тепловой КПД.

При нагреве тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ниобия и др.) до 2100-2300 К тепловые потери увеличиваются многократно, а тепловой КПД может снизиться до 0,5-0,4 и даже ниже.

Исходя из величины коэффициента мощности, зависящей как от частоты тока, так и от диаметра нагреваемых изделий, выбирают реактивную мощность компенсирующей конденсаторной батареи, руководствуясь не только минимальным расходом электроэнергии, но и уменьшением стоимости установки и сокращением производственных площадей.

1.2. Диэлектрический нагрев

1.2.1. Теоретические основы диэлектрического нагрева

Высокочастотный нагрев позволяет повысить качество продукции, ускорить технологические процессы и получить при массовом производстве большую экономию, несмотря на высокую стоимость применяемых установок.

Диэлектрик поляризуется не только в постоянном, но и в переменном электрическом поле. В этом случае направление поляризации меняется с частотой поля, упругие диполи вибрируют, жесткие поворачиваются в прямом и обратном направлениях. Происходит и перемещение зарядов, т. е. через диэлектрик протекает электрический ток. При расположении диэлектрика между обкладками конденсатора, на которые подано напряжение от высокочастотного генератора, электрическая цепь замкнется через этот генератор.

Поляризация вызывает потери энергии ввиду трения между молекулами (потери трения) и перемещения диполей (дипольные потери). Потери энергии выражаются в нагреве диэлектрика или полупроводника, скорость которого определяется частотой изменения поля. Потери при поляризации приводят к запаздыванию смещения молекул по отношению к внешнему полю. С ростом частоты такое отставание увеличивается, пока не достигнет максимума. Дальнейшее повышение частоты приводит к уменьшению поляризации, что ведет к резкому снижению диэлектрической проницаемости вещества.

Выделяющаяся мощность не зависит от теплопроводности диэлектриков и имеет низкие значения. Эта особенность диэлектрического нагрева позволяет значительно ускорить процесс обработки материала по сравнению с нагревом другими способами.

1.2.2. Установки диэлектрического нагрева

Установки высокочастотного диэлектрического нагрева подразделяют на три вида.

Установки первого вида применяются в процессах обработки крупных изделий, требующих быстрого нагрева в однородном электрическом поле: сушка различных волокнистых материалов, целлюлозы и лесоматериалов, обжиг электроизоляторов и фарфоровых изделий, производство звуко- и теплоизоляционных материалов, сварка пластмасс и полимерных материалов.

Установки второго вида применяются для нагрева протяженных плоских изделий: сушка текстильного волокна, рисунков на тканях, бумаги, химических препаратов, полимеризации клеев, нагрев каучука, пастеризация.

В установках третьего вида проводятся следующие процессы: размораживание продуктов, разогрев и быстрое приготовление блюд, обжиг простых керамических изделий, сушка грибов, чая.

Если однородный материал помещен в конденсатор коаксиального типа (рис. 1.16, в), то также Um = UpK, а напряженность электрического

поля Ем в известной точке материала можно найти по формуле

Еm = Upk / [ R ln( R2 / R1) ], (1.13)

В производственной практике установки диэлектрического нагрева широко используются для термообработки пористых резин, изделий перед штамповкой, склеиванием термореактивными клеями, для обработки сельхозпродуктов и т. д.

В процессах сушки, сопровождающихся выделением водяных паров или других летучих веществ, напряженность поля в воздушном зазоре в общем случае не должна превышать 1,0-1,5 кВ/см, однако в некоторых процессах нагрева она может достигать и 5,0 кВ/см.

Установки диэлектрического нагрева по рабочим частотам подразделяют на три диапазона частот: установки средневолнового f = 0,33,0 МГц), коротковолнового f = 3-30 МГц) и метрового f = 30-300 МГц) диапазонов (рис. 1.17).

Средневолновые установки применяются для нагрева материалов с большим фактором потерь: это очень влажные изделия небольших размеров. Генераторы данных установок имеют относительно высокий КПД (0,5-0,6) и изготавливаются мощностью до нескольких сотен киловатт. Нагрев ведется при низких удельных мощностях (р0 = 0,01— 1,0 Вт/см3), длительности нагрева в десятки часов и высоком напряжении на рабочем конденсаторе (10-15 кВ).

Для установок сверхвысокой частоты необходима соизмеримость геометрических размеров колебательных систем с длиной волны используемых колебаний. Колебательная система автогенератора объединена с генераторной лампой в один вакуумированный блок. Нагрев в электромагнитном поле обеспечивается электромагнитным лучом в волноводе. При нагреве тело находится под воздействием электромагнитного луча рупорной антенны, которой заканчивается волновод. Нагрев в волноводе обеспечивается бегущей волной и предназначен для термообработки листовых материалов, жгутов, лент, жидкостей (рис. 1.18). В объемных резонаторах нагревают изделия произвольной формы.

Рис. 1.18. Схема технологического узла установок диэлектрического нагрева

1.3. Электроснабжение установок индукционного и диэлектрического нагрева

Индукционная нагревательная или плавильная установка включает следующие элементы: источник питания; согласующее устройство (согласующий трансформатор, автотрансформатор); конденсаторную батарею для компенсации реактивной мощности; индуктор установки; сеть, связывающую источник питания с индуктором; аппаратуру защиты, регулирования и автоматического управления; механизмы подачи и перемещения нагреваемого материала.

По частоте тока индукционные установки нагрева делят на установки промышленной, повышенной и высокой частоты.

Установки канальных и тигельных печей большой и средней мощности имеют промышленную частоту 50 Гц. Питание их осуществляют от сетей внутризаводского электроснабжения напряжением 220, 380 или 660 В. Установки большой мощности питаются от сетей напряжением 6-10 кВ через высоковольтные печные подстанции.

Эксплуатация канальных индукционных печей регулировки не требует: так как температура жидкого металла в их каналах мала, электрические параметры печи меняются незначительно. Если же в одной и той же печи расплавляются разные металлы или сплавы, то требуется регулировка напряжения на зажимах печи в широких пределах. Тогда печи подключают к сети через специальные печные трансформаторы или автотрансформаторы с секционированными обмотками.

Рассматривая индивидуальное или групповое питание печей, следует отметить, что каждое имеет свои преимущества и недостатки. Так, недостатком группового питания является отсутствие индивидуальной подстройки режима каждой печи при выходе из строя печного трансформатора, что (хотя случается очень редко) ведет к прекращению работы целой группы печей. Однако групповое питание обеспечивает более высокий КПД установки и простоту ее обслуживания.

Питание однофазных индукционных установок промышленной частоты большой мощности от трехфазной сети не всегда возможно, поскольку ведет к неравномерной загрузке фаз по току, что отрицательно сказывается на работе других электроприемников, подключенных к этой питающей системе: несимметрия токов вызывает несимметрию напряжений (рис. 1.19).

Источники питания повышенной частоты.

Индукционные установки повышенной частоты питаются от специальных агрегатов, после преобразования трехфазного тока промышленной частоты в однофазный ток повышенной частоты. Такими агрегатами являются машинные генераторы, статические умножители и тиристорные преобразователи частоты.

В схемах машинных преобразователей частоты индукционного типа магнитная индукция В в любой точке воздушного зазора между ротором и статором изменяется по величине, не изменяя своего направления. Пульсирующий магнитный поток статора создается с помощью вращающегося ротора, имеющего зубчатую поверхность.

Рабочая обмотка переменного тока индукторного генератора укладывается в пазы статора. На нем также располагается питаемая от обособленного источника постоянного тока обмотка возбуждения. С ее помощью создается магнитное поле, силовые линии которого направлены нормально по отношению к зазору. Число зубцов статора в 2 раза больше числа зубцов ротора. При вращении ротора его зубцы создают пульсации магнитной индукции в зазоре. Их частота и частота тока в рабочей обмотке прямо пропорциональны числу зубцов ротора и частоте его вращения. В производстве применяют машинные генераторы с рабочей частотой 0,5-10 кГц.

С появлением трансформаторной стали с малыми потерями и кривой намагничивания, близкой к прямоугольной, стало возможным создание статических умножителей частоты. Принцип получения более высоких частот таким методом обоснован следующим образом. Когда катушка с железным сердечником питается синусоидальным напряжением, то с увеличением магнитного потока вследствие насыщения сердечника форма тока все больше искажается, что вызывает нечетные гармоники. При соединении трех таких катушек в трехфазную систему это дает возможность получения тока утроенной частоты, так как основная волна погашается, а результирующая третьих гармоник в 3 раза больше, чем в каждой из фаз.

Тиристорные преобразователи частоты.

В отличие от машинных генераторов тиристорные преобразователи частоты имеют следующие преимущества: значительно меньшую массу на единицу мощности; лучшую работоспособность при частичных и полных нагрузках; возможность плавного изменения частоты в зависимости от режима работы.

Блок дросселей (реакторов) III предназначен для сглаживания выпрямленного тока, инвертор IV преобразует постоянный ток в однофазный переменный повышенной частоты. В данном решении применен двухтактный инвертор, действие которого основано на поочередном отпирании вентилей моста, в результате чего в нагрузке V будет проходить переменный ток, частота которого равна частоте коммутации управляемых вентилей инвертора. Так, при открывании вентилей В1—В2 ток через нагрузку протекает в направлении 1, а при открывании вентилей В3-В4 — в направлении 2. Блок пуска БП обеспечивает запуск преобразователя в работу.

Источниками питания для индукционного нагрева на высоких частотах (50-11 000 кГц) служат ламповые генераторы. Питание генераторных ламп постоянным током существенно повышает экономические показатели установки. Питание током промышленной частоты обеспечивают только в установках малой мощности. Генераторы мощностью выше 20 кВт изготовляют в виде четырех отдельных блоков. Силовой трансформатор повышает напряжение внутризаводской сети до 6 0009 000 В, выпрямитель, собранный на тиратронах, преобразует переменный ток в постоянный напряжением до 9 000-15 000 В. Генераторный блок может состоять из одной или нескольких трехэлектродных ламп. Он преобразует постоянный ток в ток высокой частоты. Нагрузочный блок имеет трансформатор с индуктором и конденсатором.

Ламповые генераторы высокой частоты изготавливают с независимым возбуждением и с самовозбуждением (автогенераторы). В отличие от генератора с независимым возбуждением в автогенераторе напряжение возбуждения на лампу подается не от постороннего источника, а от своей системы колебательных контуров через обратную связь. В индукционных установках обычно применяют генераторы с самовозбуждением. Поэтому в его схему входят элементы, обеспечивающие возбуждение генератора и управление его работой, а также блок согласования нагрузки с возможностями лампового генератора.

В схеме обратной сеточной связи имеются конденсаторы, резисторы и катушки связи, которые подают напряжение обратной связи на сетку генераторной лампы. Генератор включает также в свой блок катушки регулирования мощности в нагрузке, стабилизаторы напряжения накала и регулятор анодного напряжения, контрольно-измерительную, коммутационную аппаратуру и измерительные приборы.

В случае высокочастотного нагрева диэлектриков используются ламповые генераторы на более высокие частоты (5-300 МГц). Они состоят в основном из тех же узлов, что и генераторы для индукционного нагрева электропроводящих материалов, но, в отличие от последних, нагрузкой в них является рабочий конденсатор, в котором размещается нагреваемый материал. Так как в процессе нагрева емкость Сн (рис. 1.17, б) и активное сопротивление RH изменяются, то меняются эквивалентное сопротивление контура и режим работы генератора.

Для сохранения диапазона частот генератора неизменным во время нагрева материала нужно поддерживать постоянным эквивалентное сопротивление нагрузки, что достигается специальным регулированием. Разработаны различные варианты схем колебательной системы с обеспечением самовозбуждения, их выбор определяется необходимой частотой автоколебаний и условиями ее стабильности.

В одноконтурных схемах для генерирования колебаний с частотой до 1 МГц, как правило, применяется трансформаторная или автотрансформаторная связь.

Рис. 1.21. Схема лампового генератора: 1 — блок питания; 2 — выпрямительный блок; 3 — блок генератора; 4 — нагрузочный блок; Т — силовой трансформатор; В — вентили; Lp — разделительная индуктивность; Ср — разделительная емкость; С1—С3 — емкости колебательного и нагрузочного контуров; LK — короткозамкнутая катушка индуктивности; L1, L2 — индуктивности контуров связи и нагрузочного; L3 — катушка связи; И — индуктор; ЛГ — лампа генераторная

Используемые многоконтурные схемы автогенераторов дают возможность плавно и в широких пределах изменять эквивалентное сопротивление контура практически без снижения его КПД. При этом необходимо учитывать, что они имеют несколько резонансных частот, которые могут вызвать переход генератора с одной частоты на другую, в связи с чем необходимо осуществлять обратную связь от вторичного контура с индуктивной связью между контурами. Плавное изменение сопротивления нагрузки обеспечивается перемещением короткозамкнутой индуктивной катушки (рис. 1.21).

Промышленные установки для диэлектрического нагрева выпускают с унифицированными узлами, с возможностью для совместной работы с различным оборудованием, например прессовым и т. п.

Установки для нагрева материалов, свойства которых изменяются в процессе термообработки, или для включения их в конвейерные линии выпускают без технологических узлов, затем их дорабатывают на месте под конкретно обрабатываемый материал и режимы обработки.

Магнетроны.

В установках СВЧ-нагрева источниками концентрированного электромагнитного излучения являются магнетроны. На рис. 1.22 приведена принципиальная схема многорезонаторного магнетрона. Анодный блок магнетрона 1 — это массивный медный цилиндр с центральным сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями 2, которые служат объемными резонаторами.

Источник