Тепловое действие электромагнитного поля

Индукционный нагрев проводящих тел — проводников первого и второго рода — основан на поглощении ими электромагнитной энергии, возникновении наведенных вихревых токов, нагревающих тело по закону Джоуля-Ленца. Переменное магнитное поле создается индуктором, который по отношению к нагреваемому телу является первичной обмоткой трансформатора. Нагреваемое тело выполняет роль вторичной обмотки трансформатора, содержащей короткозамкнутый виток.

Переменный магнитный поток Ф создаваемый первичной обмоткой — индуктором, пропорционален его МДС и обратно пропорционален сопротивлению магнитной цепи. Возникающая в нагреваемом теле ЭДС.

Е = 4,44Фwf10^-8

при известном значении сопротивления нагреваемого тела обеспечивает возникновение в нем вихревого тока I и выделение соответствующей мощности.

P = I²r = E²r/z².

Таким образом, индукционный нагрев является прямым нагревом сопротивлением, а включение нагреваемого тела в цепь тока производится за счет магнитной связи. Индукционный нагрев обладает достоинствами прямого нагрева сопротивлением — высокая скорость нагрева, пропорциональна вводимой мощности, неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева, расплава, испарения материалов т получения плазмы.

Режим выделения мощности при индукционном нагреве обладает большим быстродействием и легко поддается автоматизации по требованию технологических процессов, проходящих в открытой атмосфере, в защитных газах и вакууме.

Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов. Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела. Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит кроме других факторов от частоты тока индуктора. Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении. Как и нагрев сопротивлением, индукционный нагрев обеспечивает высокую производительность и хорошие санитарно-гигиенические условия труда, хотя для его осуществления требуется более сложные источники питания и повышенный удельный расход электроэнергии на технологические операции.

Принципиальная схема индукционного нагрева включает в себя индуктор, зазор и нагреваемое тело. Эти элементы определяют эффективность преобразования электрической энергии, получаемой от источника питания в тепловую. Индуктор создает переменный во времени магнитный поток, т. е. электромагнитную волну, падающую на нагреваемое тело. Сам индуктор, находящийся в созданном им электромагнитном поле, тоже поглощает энергию, которая выделяется в нем в виде потерь.

Формы индукторов весьма разнообразны — цилиндрическая, плоская, фасонная. Как правило, индукторы изготовляют из меди — немагнитного металла и охлаждаются водой. В большинстве случаев индукторы имеют много витков и изоляции между витками. При выполнении нагревательных операций индуктор может находиться снаружи нагреваемого тела либо внутри его. В последнем случае внутри индуктора помещают сердечник из листовой трансформаторной стали. Наиболее распространенным является внешнее расположение индуктора на цилиндрическом нагреваемом теле. При прохождении по индуктору переменного тока в соответствии с теорией, напряженность магнитного поля в полости одинакова во всех его точках. Мощность в полости индуктора чисто реактивная и идет на создание переменного магнитного поля.

Регулирование мощности при индукционном нагреве может осуществляться за счет изменения числа витков индуктора тока намагничивания и его частоты. При прочих равных условиях выделяющаяся мощность больше для тел, имеющих высокие удельное сопротивление и магнитную проницаемость. При нагреве до высоких температур, когда заметным становится изменение удельного сопротивления, необходимо регулирование напряженности магнитного поля или частоты.

Электрический КПД системы индуктор — металлический цилиндр определяется из соотношения полезной активной мощности, выделяющейся в металле, и активных потерь в индукторе.

Максимальное значение КПД составляет 0,7−0,881. Для получения высоких КПД частота при уменьшении диаметра цилиндра должна повышаться до некоторого предела, после которого КПД остается неизменным.

Потери энергии в зазоре снижают КПД системы приблизительно на 10%. Индукционный нагрев сплошных металлических цилиндров из хорошо проводящих материалов меди или алюминия неэкономичен.

Магнитное поле, выходя из индуктора, встречает поверхность нагреваемого тела, в которой сразу начинается выделение тепловой энергии. По мере продвижения в глубину тела в механизм проведения тока включаются более глубокие слои, а ток проводимости в это же время создает встречное магнитное поле, препятствующее продвижению внешнего поля. Поэтому индукционный нагрев по своей природе является поверхностным и поток энергии на глубине меньше потока на поверхности. Глубина нагрева тела увеличивается с ростом тока.

Наличие в системе индуктор — нагреваемое тело двух потоков магнитной энергии — прямого и встречного, вызванного наведенными токами, приводит к возникновению механической силы, действующей на каждый элемент нагреваемого тела, называемой электродинамической силой.

В индукционных нагревательных установках имеют место: поверхностный эффект — вытеснение тока к поверхности проводника при увеличении частоты изменения тока; эффект близости — повышение плотности тока на внутренних сторонах двух проводников; катушечный эффект — повышение плотности тока на внутренней стороне кольцевого проводника с током.

Индуктор с точки зрения электротехники представляет собой в большинстве случаев соленоид, имеющий один или несколько добавочных отводов от внутренних витков. Витковое напряжение изменяется в широких пределах от 20−175 В до 400−600 и даже 1000 В. Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч ампер при средней плотности тока порядка 20 А/мм². Потери энергии в индукторах могут достигать 20−30% полезной мощности установки. В силу того что индуктор находится под напряжением и охлаждается хладоагентом, а изделие нагревается до высокой температуре, между индуктором и изделием создается зазор, влияние которого на энергетические характеристики установок мы рассмотрели ранее. В этом зазоре помещается электрическая и огнеупорная изоляция, толщина которой зависит от свойств применяемых материалов. Нагреваемое тело может быть в твердом, жидком и плазменном состояниях. В силу этого индукционный способ нагрева применяется при следующих 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.