PRINCIP FUNKCE INDUKČNÍ TROUBY. PRINCIP INDUKČNÍHO OHŘEVU
Principem indukčního ohřevu je přeměna energie elektromagnetického pole absorbovaného elektricky vodivým ohřívaným předmětem na tepelnou energii.
V instalacích indukčního ohřevu je elektromagnetické pole vytvářeno induktorem, což je víceotáčková válcová cívka (solenoid). Induktorem prochází střídavý elektrický proud, jehož výsledkem je časově proměnlivé střídavé magnetické pole kolem induktoru. Toto je první transformace energie elektromagnetického pole, popsaná první Maxwellovou rovnicí.
Ohřívaný předmět je umístěn uvnitř nebo vedle induktoru. Měnící se (v čase) tok vektoru magnetické indukce vytvářený induktorem proniká ohřívaným předmětem a indukuje elektrické pole. Elektrické čáry tohoto pole jsou umístěny v rovině kolmé ke směru magnetického toku a jsou uzavřené, to znamená, že elektrické pole v ohřívaném předmětu je vírového charakteru. Vlivem elektrického pole podle Ohmova zákona vznikají vodivé proudy (vířivé proudy). Jedná se o druhou transformaci energie elektromagnetického pole, popsanou Maxwellovou druhou rovnicí.
Ve vytápěném objektu se energie indukovaného střídavého elektrického pole nevratně přeměňuje na tepelnou energii. Takový tepelný rozptyl energie, který má za následek zahřívání předmětu, je dán existencí vodivých proudů (vířivých proudů). Jde o třetí přeměnu energie elektromagnetického pole a energetický vztah této přeměny popisuje Lenz-Jouleův zákon.
Popsané transformace energie elektromagnetického pole umožňují:
1) přenést elektrickou energii induktoru na vyhřívaný předmět bez použití kontaktů (na rozdíl od odporových pecí)
2) uvolňovat teplo přímo ve vytápěném objektu (tzv. „pec s vnitřním zdrojem vytápění“ dle terminologie prof. N. V. Okorokova), v důsledku čehož je využití tepelné energie nejdokonalejší a vytápění se výrazně zvyšuje rychlost (ve srovnání s tzv. „pecemi s externím zdrojem vytápění“).
Velikost intenzity elektrického pole ve vyhřívaném předmětu je ovlivněna dvěma faktory: velikostí magnetického toku, tj. počtem magnetických siločar, které pronikají předmětem (nebo spojených s vyhřívaným předmětem), a frekvencí napájecí proud, tj. frekvence změn (v čase) magnetického toku vázaného na vyhřívaný předmět.
To umožňuje vytvořit dva typy instalací indukčního ohřevu, které se liší jak designem, tak provozními vlastnostmi: indukční instalace s jádrem a bez jádra.
Indukční ohřívací zařízení se podle technologického určení dělí na tavicí pece pro tavení kovů a ohřívací zařízení pro tepelné zpracování (kalení, temperování), pro průběžný ohřev obrobků před plastickou deformací (kování, lisování), pro svařování, pájení a navařování. pro produkty chemicko-tepelné úpravy atd.
Podle četnosti změn proudu dodávajícího instalaci indukčního ohřevu se rozlišují:
1) průmyslové frekvenční instalace (50 Hz), napájené ze sítě přímo nebo přes transformátory snižující výkon;
2) vysokofrekvenční instalace (500-10000 Hz), napájené elektrickými stroji nebo polovodičovými frekvenčními měniči;
3) vysokofrekvenční instalace (66 000-440 000 Hz a více), napájené elektronkovými elektronickými generátory.
Jádro indukční topné jednotky
V tavicí peci (obr. 1) je na uzavřeném jádru z elektrooceli (tloušťka plechu 0,5 mm) namontován válcový víceotáčkový induktor z profilované měděné trubky. Kolem induktoru je umístěna žáruvzdorná keramická vyzdívka s úzkým prstencovým kanálem (horizontálním nebo vertikálním), kde se nachází tekutý kov. Nezbytnou podmínkou provozu je uzavřený elektricky vodivý kroužek. Proto je nemožné v takové peci roztavit jednotlivé kusy pevného kovu. Pro spuštění pece musíte do kanálu nalít část tekutého kovu z jiné pece nebo ponechat část tekutého kovu z předchozí taveniny (zbytková kapacita pece).
Obr. 1. Schéma indukční kanálové pece: 1 – indikátor; 2 – kov; 3 – kanál; 4 – magnetický obvod; F je hlavní magnetický tok; F1r a F2r — magnetické svodové toky; U1 a já1 — napětí a proud v obvodu induktoru; já2 – vodivost proudu v kovu
V ocelovém magnetickém jádru indukční kanálové pece je uzavřen velký pracovní magnetický tok a pouze malá část celkového magnetického toku vytvořeného induktorem je uzavřena vzduchem ve formě únikového toku. Proto takové pece úspěšně pracují při průmyslové frekvenci (50 Hz).
V současné době je ve VNIIETO vyvinuto velké množství typů a provedení takových pecí (jednofázové a vícefázové s jedním a několika kanály, s vertikálním a horizontálním uzavřeným kanálem různých tvarů). Tyto pece se používají k tavení neželezných kovů a slitin s relativně nízkým bodem tavení a také k výrobě vysoce kvalitní litiny. Při tavení litiny se pec používá buď jako kotel (směšovač) nebo jako tavicí agregát. Konstrukce a technické charakteristiky moderních kanálových indukčních pecí jsou uvedeny v odborné literatuře.
Indukční topné jednotky bez jádra
V tavicí peci (obr. 2) je roztavený kov v keramickém kelímku umístěném uvnitř válcového víceotáčkového induktoru. Induktor je vyroben z profilované měděné trubky, kterou prochází chladicí voda. Více o konstrukci induktoru se můžete dozvědět zde.
Absence ocelového jádra vede k prudkému zvýšení magnetického svodového toku; počet magnetických siločar propojených s kovem v kelímku bude extrémně malý. Tato okolnost vyžaduje odpovídající zvýšení frekvence změny (v čase) elektromagnetického pole. Pro efektivní provoz indukčních kelímkových pecí je proto nutné dodávat do nich proudy zvýšené a v některých případech i vysoké frekvence z vhodných proudových měničů. Takové pece mají velmi nízký přirozený účiník (cos φ=0,03-0,10). Proto je nutné použít kondenzátory pro kompenzaci jalového (indukčního) výkonu.
V současné době je ve VNIIETO vyvinuto několik typů indukčních kelímkových pecí ve formě odpovídajících velikostních rozsahů (podle kapacity) vysoké, vysoké a průmyslové frekvence pro tavení oceli (typ IST).
Rýže. 2. Schéma konstrukce indukční kelímkové pece: 1 – induktor; 2 – kov; 3 – kelímek (šipky ukazují trajektorii oběhu tekutého kovu v důsledku elektrodynamických jevů)
Výhody kelímkových pecí jsou následující: teplo generované přímo v kovu, vysoká stejnoměrnost kovu v chemickém složení a teplotě, absence zdrojů kontaminace kovu (jiných než vyzdívka kelímku), snadné ovládání a regulace tavícího procesu , hygienické pracovní podmínky. Kromě toho se indukční kelímkové pece vyznačují: vyšší produktivitou díky vysokým specifickým (na jednotku kapacity) topným výkonům; schopnost roztavit pevnou vsázku bez ponechání kovu z předchozího tavení (na rozdíl od kanálových pecí); nízká hmotnost vyzdívky ve srovnání s hmotností kovu, která snižuje akumulaci tepelné energie ve vyzdívky kelímku, snižuje tepelnou setrvačnost pece a činí tavicí pece tohoto typu mimořádně vhodné pro periodickou práci s přestávkami mezi tavbami, např. zejména pro tvarové slévárny strojírenských závodů; kompaktnost pece, která umožňuje jednoduše izolovat pracovní prostor od okolí a provádět tavení ve vakuu nebo v plynném prostředí daného složení. Proto jsou vakuové indukční kelímkové pece (typ ISV) široce používány v metalurgii.
Spolu s výhodami mají indukční kelímkové pece následující nevýhody: přítomnost relativně studených strusek (teplota strusky je nižší než teplota kovu), což ztěžuje provádění rafinačních procesů při tavení vysoce kvalitních ocelí ; složité a drahé elektrické zařízení; nízký odpor vyzdívky při náhlých teplotních výkyvech v důsledku malé tepelné setrvačnosti vyzdívky kelímku a erozivního účinku tekutého kovu při elektrodynamických jevech. Proto se takové pece používají pro přetavování legovaného odpadu, aby se snížilo plýtvání prvky.
Reference:
1. Egorov A.V., Morzhin A.F. Elektrické pece (pro výrobu oceli). M.: „Hutnictví“, 1975, 352 s.
Fenomén elektromagnetické indukce spočívá v tom, že v důsledku časové změny magnetického toku, který proniká uzavřeným vodivým obvodem, vzniká v obvodu elektrický proud. Tento jev objevil britský fyzik Max Faraday v roce 1831.
Vzorec magnetického toku
Zaveďme notaci, kterou potřebujeme k napsání vzorce. Pro označení magnetického toku používáme písmeno Ф, obrysovou plochu – S, velikost vektoru magnetické indukce – B, α je úhel mezi vektorem B → a normálou n → k rovině obrysu.
Magnetický tok, který prochází oblastí uzavřené vodivé smyčky, může být dán následujícím vzorcem:
Obrázek 1 . 20. 1. Magnetický tok uzavřenou smyčkou. Normálový směr n → a vybraný kladný směr l → obcházení obrysu souvisí podle pravého gimletového pravidla.
Jednotkou magnetického toku v SI je 1 weber (V b). Magnetický tok rovný 1 Vb může vzniknout v plochém obvodu o ploše 1 m 2 vlivem magnetického pole s indukcí 1 T, které obvodem proniká v normálním směru.
1 V b = 1 T l m 2
Faradayův zákon
Změna magnetického toku vede ke vzniku indukovaného emf δ a nd ve vodivém obvodu. Je rovna rychlosti, s jakou se magnetický tok mění povrchem ohraničeným obrysem, brané se znaménkem mínus. Toto bylo poprvé experimentálně zjištěno Maxem Faradayem. Své pozorování zapsal ve formě indukovaného vzorce emf, který se nyní nazývá Faradayův zákon:
Díky Lenzovu pravidlu můžeme zdůvodnit, že ve vzorci elektromagnetické indukce jsou δ an d a ∆ Φ ∆ t opačného znaménka.
Pokud se zamyslíte nad fyzikálním významem Lenzova pravidla, pak se jedná o speciální případ Zákona zachování energie.
Příčiny vzniku indukovaného proudu v pohyblivých a stacionárních vodičích
Existují dva důvody, proč může dojít ke změně magnetického toku procházejícího uzavřeným okruhem:
- Změna magnetického toku v důsledku pohybu celého obvodu nebo jeho jednotlivých částí v magnetickém poli, které se v čase nemění;
- Změna magnetického pole se stacionárním obvodem.
Pojďme se na tyto případy podívat podrobněji.
Pohyb obvodu nebo jeho částí v konstantním magnetickém poli
Když se vodiče a volné nosiče náboje pohybují v magnetickém poli, dochází k indukovanému emf. Výskyt δ a n d lze vysvětlit působením Lorentzovy síly na volné náboje v pohybujících se vodičích. Lorentzova síla je zde vnější silou.
Znaménka ve vzorci, která se týká δ a ind a ∆ Φ ∆ t, lze nastavit v závislosti na tom, který směr normály a obrysu je zvolen. V případě volby normálních směrů n → a kladného směru procházení vrstevnice l → vzájemně konzistentních podle pravidla gimletu pravé ruky, lze dospět k Faradayově vzorci.
Za předpokladu, že odpor celého obvodu je R , pak jím bude protékat indukční proud, který se rovná I a n d = δ a n d R. Během doby Δt na odporu R Joulové teplo se uvolní:
∆ Q = RI an d 2 ∆ t = υ 2 B 2 l 2 R ∆ t
Není zde žádný paradox. Jednoduše jsme nebrali v úvahu dopad jiné síly na systém. Vysvětlení je, že když vodičem umístěným v magnetickém poli protéká indukční proud, působí na volné náboje další složka Lorentzovy síly, která je spojena s relativní rychlostí pohybu nábojů po vodiči. Díky této složce se objeví Ampérová síla F A →.
Pro příklad diskutovaný výše je ampérový silový modul roven FA = IBl. Směr ampérové síly je takový, že vykonává negativní mechanickou práci A m e x . Tuto mechanickou práci za určité časové období lze vypočítat pomocí vzorce:
A me x = — F υ ∆ t = — IB l υ ∆ t = — υ 2 B 2 l 2 R ∆ t
Vodič pohybující se v magnetickém poli zažívá magnetické brzdění. To vede k tomu, že celková práce vykonaná Lorentzovou silou je nulová. Joulovo teplo se může uvolňovat buď v důsledku poklesu kinetické energie pohybujícího se vodiče, nebo v důsledku energie, která udržuje rychlost pohybu vodiče v prostoru.
Změna magnetického pole se stacionárním obvodem
Vírové elektrické pole je elektrické pole, které je způsobeno měnícím se magnetickým polem.
Na rozdíl od potenciálního elektrického pole je práce vírového elektrického pole při pohybu jediného kladného náboje po uzavřeném vodivém obvodu rovna δ a n d ve stacionárním vodiči.
Ve stacionárním vodiči se elektrony mohou pohybovat pouze elektrickým polem. A výskyt δ a n d nelze vysvětlit působením Lorentzovy síly.
První, kdo představil koncept vírového elektrického pole, byl anglický fyzik John Maxwell. Stalo se tak v roce 1861.
Ve skutečnosti probíhají jevy indukce v pohyblivých a stacionárních vodičích stejným způsobem. V tomto případě tedy můžeme použít i Faradayův vzorec. Rozdíly se týkají fyzikální příčiny vzniku indukovaného proudu: v pohyblivých vodičích je δ a nd určen Lorentzovou silou, ve stacionárních – vlivem na volné náboje vířivého elektrického pole, které vzniká při změně magnetického pole.
Obrázek 1 . 20. 4. Model elektromagnetické indukce
Obrázek 1 . 20. 5. Faradayův experimentální model
Obrázek 1 . 20. 6. Model alternátoru
