Za posledních 30 let se indukční ohřev vyvíjel rychleji než jiné elektrotermické procesy. To je způsobeno velkými technologickými a ekonomickými výhodami indukčního ohřevu z hlediska potřebné energie, kvality produktu, flexibility výroby a celkové účinnosti.
U indukčního ohřevu probíhají dva typy přeměny energie. Energie z napájecího zdroje se přeměňuje na energii magnetického pole, které se po pohlcení elektricky vodivou zátěží přemění na tepelnou energii a způsobí ohřev. Proces je založen na dvou dobře známých fyzikálních jevech – elektromagnetické indukci a Jouleově jevu. První je popsána Maxwellovými rovnicemi, druhá rovnicí tepla.
Povinným prvkem instalace indukčního ohřevu je induktor, kterým protéká primární střídavý proud. Induktor zcela nebo částečně pokrývá ohřátý materiál. V důsledku toho zátěž interaguje s magnetickým tokem F vytvořeným proudem. Časově se měnící tok indukuje emf v ohřívaném materiálu
a elektrický proud, resp. Tento sekundární neboli indukovaný proud, tekoucí v opačném směru než primární induktorový proud, generuje výkon s hustotou p podle Jouleova zákona:
N.I. Danilov, Ya.M. Shchelokov Základy úspory energie
Kapitola 7. Možnosti úspory energie
kde κ je vodivost materiálu a S je proudová hustota. Uvolnění měrného výkonu p vede ke zvýšení zatěžovací teploty.
Superpozice primárního a sekundárního elektromagnetického pole vede k nerovnoměrnému rozložení obou proudů. Primární proud v cívce a vířivé proudy v zátěži jsou koncentrovány proti sobě (efekt blízkosti) a v blízkosti povrchů těles (efekt kůže). Ten je pro indukční ohřev nejdůležitější a závisí na několika parametrech.
Mírou projevu kožního efektu je aktuální hloubka průniku δ, definovaná jako
kde μ je magnetická permeabilita materiálu. Hloubka průniku silně závisí na frekvenci f primárního proudu. Vlastnosti feromagnetického materiálu se navíc mění se změnami teploty a intenzity.
síla magnetického pole, takže na těchto parametrech závisí i hloubka průniku proudu δ.
Velký vliv hloubky průniku proudu na proces ohřevu lze ilustrovat na příkladu ohřevu homogenního polonekonečného plochého tělesa. Rozložení všech složek elektromagnetického pole včetně proudové hustoty se mění podle exponenciálního zákona. Rozdělení hustoty výkonu lze tedy zapsat jako
kde px je hustota výkonu ve vzdálenosti x od povrchu těla; p 0 – ona
N.I. Danilov, Ya.M. Shchelokov Základy úspory energie
Kapitola 7. Možnosti úspory energie
povrchová úroveň. Asi 63 % indukovaného proudu protéká povrchovou vrstvou o tloušťce δ a 86 % energie se přeměňuje na teplo
Rýže. 7.13. Exponenciální křivky hustoty proudu a výkonu
Aby se dosáhlo vhodného zjednodušení, předpokládá se, že všechny indukované
Proudový proud je distribuován rovnoměrně v povrchové vrstvě o tloušťce δ. Tento předpoklad lze rozšířit i na válcová tělesa, jejichž průměr je několikanásobně větší než hloubka průniku. V tomto případě je možný hrubý odhad potřebného výkonu a jeho rozložení hustoty.
Pro vytvoření dobře fungující instalace je nutné identifikovat její nejlepší parametry modelováním indukčních procesů. V této souvislosti je velmi důležité stanovit elektrickou účinnost, kterou lze v případě válcového tělesa nalézt jako
kde Pw je výkon v zátěži a Pi je ztrátový výkon v induktoru, D a l
N.I. Danilov, Ya.M. Shchelokov Základy úspory energie
Kapitola 7. Možnosti úspory energie
popište geometrii induktoru, d a h – geometrii zátěže, p cu – měrný odpor materiálu induktoru, f cu – faktor plnění induktoru a F(d/ δ ) – korekční faktor závislý na relativní rozměry průřezu zatížení. Křivka na Obr. 7.14 jasně ukazuje vztah mezi elektrickou účinností a d/ δ.
Rýže. 7.14. Korekční faktor F (d/ δ )
V závislosti na frekvenci proudu, poměru mezi průměrem zátěže
ki d a hloubka průniku δ se mění, což značně ovlivňuje
proces zahřívání. Pokud je δ velmi malé ve srovnání s průměrem zátěže d, je elektrická účinnost velmi vysoká, ale energie se uvolňuje pouze na povrchu zátěže. Tento typ ohřevu je vhodný například pro povrchové kalení. Díky silnému kožnímu efektu existuje dobrá vazba mezi induktorem a zátěží a elektrická účinnost je vysoká.
S rostoucí hloubkou průniku nebo klesající frekvencí účinnost klesá. V tomto případě se rozložení teploty v průřezu zatížení stává rovnoměrnější
(obr. 7.15). Optimální poměr d/δ při ohřevu pevného materiálu,
N.I. Danilov, Ya.M. Shchelokov Základy úspory energie
Kapitola 7. Možnosti úspory energie
například pro kování nebo žíhání je 3,5 jako přijatelný kompromis mezi elektrickou účinností a rovnoměrností ohřevu (obr. 7.16).
Rýže. 7.15. Rozložení teploty ve válcové náplni (indukční ohřev)
N.I. Danilov, Ya.M. Shchelokov Základy úspory energie
Kapitola 7. Možnosti úspory energie
Elektrická účinnost je pouze jedním aspektem
součást celkové účinnosti indukční instalace. Elektrické ztráty ve zdroji
Zdroj energie (střídač nebo přizpůsobovací transformátor), přípojnice a kondenzátory musí být sečteny a zohledněny jako účinnost energetického systému η s.
Tepelné ztráty z povrchu horkého nákladu ovlivňují teplo
účinnost vytí η th . Při zohlednění všech popsaných ztrát je celková účinnost η indukční instalace zapsána jako
η = η s η th η e .
Z hlediska úspory energie je nutné optimalizovat celkovou účinnost instalace.
Aplikace indukčního ohřevu
Jak bylo uvedeno výše, indukční ohřev poskytuje dostatek příležitostí pro tepelné procesy. Kromě vysoké hustoty energie a rychlého ohřevu díky teplu vznikajícímu uvnitř zátěže má i další výhody. Velmi zajímavá z hlediska kvality produktu, ztrát kovu a procesních nákladů je nižší tvorba okují při indukčním ohřevu.
N.I. Danilov, Ya.M. Shchelokov Základy úspory energie
Kapitola 7. Možnosti úspory energie
ve srovnání s ohnivým. V závislosti na geometrii induktoru je možný selektivní ohřev s flexibilní regulací a nižší spotřebou energie ve srovnání s jinými metodami. Pro indukční ohřev se používá široký rozsah frekvencí: 50 Hz (průmyslová frekvence), 50 Hz – 10 kHz (střední frekvence), více než 10 kHz (vysoké frekvence), v závislosti na typu a velikosti zátěže a účelu vytápění.
Indukční ohřev v teplotním rozsahu pod bodem tání materiálů je široce používán ve čtyřech třídách procesů. Nejdůležitější z nich je ohřev pod tlakem – kování (obr. 7.17), válcování nebo vytlačování. Sekundární proud musí být rozložen po průřezu co nejrovnoměrněji, aby se zahřál celý materiál ( d /δ = 3. 4). Se všemi třemi způsoby ohřevu: periodickým, metodickým a kontinuálním, za účelem optimalizace procesu, automatický
Rýže. 7.17. Indukční ohřívač Forge
matizace. Krátká doba ohřevu s malou tvorbou vodního kamene zajišťuje čisté zpracování, což snižuje náklady na produkty. Kromě popsaných zahřívacích procesů v podélném magnetickém poli je v posledních letech zvýšený zájem o zahřívání v příčném magnetickém poli. V tomto případě jsou tlumivky umístěny na obou stranách ploché zátěže tak, aby nebyla pokryta primárním proudem. Hlavní směr magnetického toku je kolmý k ložné ploše.
N.I. Danilov, Ya.M. Shchelokov Základy úspory energie
Kapitola 7. Možnosti úspory energie
Tato technologie je nejúčinnější při nahřívání pásků a plechů. Umožňuje použití nižší frekvence při stejné hustotě výkonu jako při ohřevu v podélném magnetickém poli.
Druhou důležitou aplikací indukčního ohřevu je tepelné zpracování, jako je povrchové kalení, žíhání a pájení. Povrchový ohřev vyžaduje dobrou magnetickou vazbu mezi induktorem a zátěží, což zvyšuje účinnost procesu. Dobrá vazba znamená přesné přizpůsobení induktoru zátěži, což také umožňuje lokalizovat ohřev. Výběr vhodného tvaru induktoru zajišťuje jak dobrou vazbu, tak přesné zahřívání. V průmyslu se používá kontinuální i periodický ohřev. Procesy tepelného zpracování využívají střední a vysoké frekvence (kilohertz až megahertz).
Třetí oblastí použití je ohřev s následným oddělováním nebo spojováním materiálu, tedy pro procesy jako je svařování, pájení, trhání. Kontinuální svařování švových trubek je příkladem takové aplikace. Trubkový polotovar s podélnou štěrbinou vytvořenou z pásky je pokryt jednootáčkovou induktorem, který v něm indukuje sekundární proud. Tento proud teče podél bočních okrajů obrobku a uzavírá se jejich konvergenčním bodem. Joulovo teplo způsobené sekundárním proudem ohřívá hrany, které jsou spojeny krimpováním
Rýže. 7.18. Princip kontinuálního svařování trubek
N.I. Danilov, Ya.M. Shchelokov Základy úspory energie
Kapitola 7. Možnosti úspory energie
Čtvrtá třída může zahrnovat různé indukční ohřívače pro speciální aplikace, jako jsou topné kotle, slinovací materiály nebo zónové tavení polovodičů. Posledně jmenovaný je široce používanou metodou pro pěstování monokrystalů křemíku. Vertikální tyč polykrystalického křemíku je obklopena induktorem, který způsobuje její roztavení v určité oblasti. Jak se tato roztavená zóna pohybuje nahoru, vyrůstá pod ní jediný krystal křemíku.
Vysoká účinnost procesu ohřevu odpovídá úsporám energie a automaticky vede k ekonomické technologii. Jak bylo uvedeno výše, pro zlepšení účinnosti procesů indukčního ohřevu je třeba vzít v úvahu mnoho faktorů. Je důležité zvolit správnou frekvenci podle velikosti náplně a topného úkolu. V této souvislosti je třeba poznamenat, že generování frekvencí ve středních a vysokých frekvencích (nad 10 kHz) má za následek vysoké náklady. Přesné přizpůsobení a dobrá vazba mezi induktorem a zátěží poskytuje vyšší elektrickou účinnost. Pro získání účiníku cos φ blízkého jednotce a snížení drahého a neefektivního jalového výkonu jsou zapotřebí kondenzátory. Tato kompenzace má za následek vyšší celkovou účinnost. Ekonomičtější a racionálnější využití elektrické energie je také dosaženo snížením elektrických ztrát v induktoru. Jednou z metod používaných v průmyslu je použití vícevrstvých induktorů, které mají nižší elektrický odpor. Kromě toho lze procesy vytápění simulovat pomocí numerických programů na počítačích, aby se určil potenciál pro dosažení lepších parametrů zařízení, podmínek vytápění a
N.I. Danilov, Ya.M. Shchelokov Základy úspory energie
Kapitola 7. Možnosti úspory energie
snížení spotřeby energie. To je velmi důležité jak při modernizaci stávajících indukčních ohřívačů, tak při navrhování nových instalací.
Při vytváření nového topného zařízení je nejprve nutné rozhodnout, která technologie vytápění, zda elektrická nebo plamenová, je výhodnější z hlediska ekonomiky, ekologie a kvality produktu. Jakmile bylo rozhodnuto ve prospěch indukčního ohřívacího systému, musí být optimalizován pomocí výše popsaných metod. Výzkum ukazuje, že spotřebu energie, emise CO 2 a náklady lze snížit použitím elektrického ohřevu místo ohřevu plamenem.
Jako příklad byla porovnána komorová plynová pec s kovářským indukčním ohřívačem. Celková (kumulativní) energie potřebná pro celý proces ohřevu byla vzata v úvahu analýzou každé fáze procesu. Výpočty vycházely z údajů o přeměně energie z německých elektráren. V důsledku těchto výpočtů bylo zjištěno, že konečná energie potřebná pro technologii indukčního ohřevu je poloviční než u technologie ohřevu plamenem
N.I. Danilov, Ya.M. Shchelokov Základy úspory energie
Kapitola 7. Možnosti úspory energie
Rýže. 7.19. Porovnání potřebné konečné energie pro ohřev materiálu pomocí různých technologií pro následné kování:
U ohřevu plamenem je podíl energie potřebné k nahrazení ztrát kovů (vodního kamene) velmi vysoký. Pro ohřev plamenem je navíc nutné použít více surovin z důvodu větší oxidace materiálu. Potřeba primární energie pro indukční ohřev může být někdy o něco vyšší než u tradičních technologií, ale mnoho výhod tuto nevýhodu kompenzuje.
Dalším příkladem snižování spotřeby energie a emisí CO 2 je srovnání různých technologií ohřevu okrajů ocelových pásů
Indukční ohřev, ohřev vodivých (převážně kovových) těles a ionizovaných plynů v důsledku uvolňování tepla vířivými (indukčními) proudy buzenými střídavým elektromagnetickým polem. Zajišťuje bezkontaktní způsob přenosu energie ze zdroje elektromagnetického pole (induktoru) do zahřátého tělesa s její přeměnou na teplo přímo v tělese. Nejúčinnější způsob vytápění.
Při indukčním ohřevu závisí teplo uvolněné v zahřívaném tělese (podle Joule-Lenzova zákona) na jeho velikosti a fyzikálních vlastnostech, frekvenci a síle magnetického pole. Charakteristickým rysem indukčního ohřevu je nerovnoměrné rozložení výkonu v ohřívaném tělese, způsobené ztrátou energie pole a útlumem elektromagnetické vlny. Takový útlum je charakterizován ekvivalentní hloubkou δ e delta_ δ e (m), tj. hloubkou povrchové vrstvy plochého tělesa, ve které se uvolní 86,5 % výkonu elektromagnetické vlny: δ e ≈ 500 ρ / ( μ r ⋅ f ) delta_ přibližně 500 sqrt cdot f)> δ e ≈ 500 ρ / ( μ r ⋅ f )
Indukční ohřev se používá:
v instalacích indukčního ohřevu – pro ohřev obrobků pro zpracování plastů (hlubokým nebo indukčním ohřevem) a dílů pro chemicko-tepelné zpracování (lokální nebo povrchový indukční ohřev), včetně povrchového kalení vysokofrekvenčními proudy;
v indukčních pecích – pro tavení železných a neželezných kovů a slitin, dále zónové tavení, bleskové tavení, k výrobě nízkoteplotního plazmatu získaného v plazmovém hořáku. Induktor (hlavní konstrukční prvek indukčních instalací a pecí) vytváří střídavé magnetické pole (napětí 10 5 – 10 6 A/m).
Ohřívaný materiál může být ve formě pevného masivního tělesa (v indukčních ohřívacích zařízeních), kapalného tělesa (v indukčních tavicích pecích) a ionizovaného plynu (v mikrovlnných plazmochemických zařízeních). První průmyslová indukční pec pro ohřev tekuté oceli (do 80 kg) v otevřeném horizontálním prstencovém kanálu byla uvedena do provozu ve Švédsku v roce 1900, v SSSR se takové pece začaly stavět ve 1930. letech XNUMX. století.
Indukční topné systémy
V instalacích indukčního ohřevu se používají hlavně 2 typy induktorů.
kruhový nebo čtvercový průřez pro ohřev obrobků po celé délce;
štěrbinový a oválný průřez pro lokální ohřev konců dlouhých obrobků;
s příčným magnetickým polem (pro plošný materiál);
s uzavřeným magnetickým obvodem (pro kroužkové polotovary).
jednootáčkový (pro vnější válcové plochy);
smyčka, cikcak a ve formě ploché spirály (pro rovné povrchy);
prstencový solenoid (pro vnitřní válcové plochy).
Otvory v induktoru nebo pomocí rozprašovacího zařízení se na povrch součásti, která má být vytvrzena, přivádí chladicí kapalina (voda, olej, různé emulze).
Indukční tavicí pece
Indukční tavicí pece mohou být kanálové, pracující na průmyslové frekvenci, s kapacitou do 150 tun a výkonem do 4,0 MV ⋅ cdot ⋅ A, a kelímkové – s kapacitou při průměrné frekvenci do 25 tun a na průmyslové frekvence (s kapalnou náplní) do 60 tun .
1. V kanálové peci se teplota kovu v lázni (šachtě) zvyšuje v důsledku přenosu tepla z tekutého kovu umístěného v kanálu. Jeden nebo více vertikálních nebo horizontálních kanálů (pravoúhlého nebo kruhového průřezu) umístěných v žáruvzdorné vyzdívce – tzv. ohniště, obaluje uzavřený magnetický obvod s víceotáčkovou válcovou tlumivkou. V kanálu intenzivně cirkuluje tekutý kov s vyšší teplotou pod vlivem elektromagnetických sil a volné tepelné konvekce a ústím kanálu vstupuje do lázně (doly).
Indukční kanálové pece se používají především v neželezné metalurgii pro kontinuální technologické procesy jako tavicí jednotky a mísiče.
2. V kelímkové peci je kov umístěn v žáruvzdorném kelímku umístěném uvnitř válcového víceotáčkového induktoru. Samostatné otevřené magnetické obvody fungují jako feromagnetické stínění, které chrání plášť pece před elektromagnetickými vlnami vytvářenými induktorem. Energie se vynakládá na ohřev kovu a intenzivní míchání. V kelímku dochází k dvouokruhové cirkulaci kovu s tvorbou konvexního menisku (5–15 % hloubky kovu na výšku), což ztěžuje vytvoření vrstvy strusky a omezuje měrný výkon (ne více než 300 kW/t). Kelímkové pece jsou výbušné (vzhledem k nízké životnosti vyzdívky kelímku), jsou vybaveny indikátorem stavu vyzdívky.
Indukční kelímkové pece jsou široce používány při výrobě oceli:
pro periodické práce při přetavování legovaných ocelí;
pro tavení vysoce kvalitních ocelí – vakuové a indukčně-plazmové pece;
pro tavení zejména čistých kovů a slitin – pece s vodou chlazeným („studeným“) kelímkem ve formě elektricky izolovaných trubkových úseků (tzv. sekční kelímek).
A. V. Jegorov. První publikace: Velká ruská encyklopedie, 2008.
Publikováno 1. září 2022 ve 15:01 (GMT+3). Poslední aktualizace 1. září 2022 v 15:01 (GMT+3). Zpětná vazba
