Физические основы индукционного нагрева

Классификация электротермических установок сопротивления.

Понятие «электротермические установки» характеризует электротерми­ческое оборудование в комплексе с элементами сооружений, приспособления­ми и коммуникациями (электрическими, газовыми, водяными, транспортными и др.), обеспечивающими его нормальное функционирование.

Электротермическое оборудование (ЭТО) - это оборудование,

предна­значенное для технологического процесса тепловой обработки с использовани­ем электроэнергии в качестве основного энергоносителя.

Классификация ЭТО показана на блок-схеме (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 Блок-схема. Классификация электротермического оборудования.

Отличительной особенностью электрической печи (электропечи) являет­ся преобразование электрической энергии в тепловую и наличие нагреватель­ной камеры, в которую помещается нагреваемое тело. Понятие «электропечь» может охватывать как собственно печь, так и в некоторых случаях печь со спе­циальным оборудованием, входящим в комплект поставки (трансформаторами, щитами управления и пр.). Под «нагревательной камерой» понимается конст­рукция, образующая замкнутое пространство и обеспечивающая в нем задан­ный тепловой режим. Электротермические устройства - оборудование без нагревательной камеры.

Совокупность конструктивно связанных электропечей, устройств и дру­гого технологического оборудования (трансформирующего, охлаждающего, моечного и др.) называется электротермическими агрегатами. Классификация электротермического оборудования по методу нагрева представлена на блок-схеме (рисунок 3.10).

В ЭТО сопротивления происходит выделение теп­лоты в твердых или жидких телах, включенных непосредственно в электриче­скую цепь, при протекании по ним электрического тока. На рисунке 3.11 приведе­ны схемы нагрева сопротивлением.

Нагрев сопротивлением основан на законе Джоуля - Ленца, по которому при протекании тока в проводнике выделяется тепло, пропорциональное его электрическому сопротивлению, квадрату тока и времени прохождения тока. Ток может протекать по самому нагреваемому телу - прямой нагрев или по специальному нагревателю, от которого выделяемое тепло передается к нагре­ваемому телу теплообменом, такой нагрев называется косвенным.

Рисунок 3.10 Блок-схема. Классификация электротермического оборудования по методу нагрева

При косвенном нагреве различают три вида теплообмена: излучением, конвекцией и теплопроводностью. При высоких температурах определяющее значение имеет нагрев излучением. В нагреве излучением выделяется инфра­красный нагрев, основанный на подборе спектрального состава излучения с учетом свойств материалов избирательно поглощать или пропускать его.

Рисунок 3.11 Схемы нагрева сопротивлением:

а - прямой; б - косвенный; в - конвекцией с калорифером; г - электродный в жидкой среде; д - в жидкой среде с внешним обогревом; е - в псевдокипящем слое, ж - электрошлаковый:

1 - контактная система; 2 - нагреваемое тело; 3 - нагреватель; 4-футеровка; 5- рабочее пространство; 6 - вентилятор; 7 - калорифер; 8 - электрод; 9 -жидкая среда; 10 - мелкие частицы; 11 - решетка; 12 - расходуемый электрод; 13 - слиток; 14 - шлаковая ванна; 15 - водоохлаждаемый кристаллизатор; 16 - жидкая металлическая ванна; 17 – поддон.

В дуговом ЭТО происходит выделение теплоты в элек­трической дуге. Материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена с дугой и электродами. На рисунке 3.12 представлены схемы дугового нагрева.

Рисунок 3.12 Схемы дугового нагрева: сплошными стрелками показана теплопередача излучением; пунктиром - поток газа.

В диэлектрическом ЭТО [8-9] происходит выделение теплоты в ди­электриках и полупроводниках, помещенных в переменное электрическое поле, за счет перемещения электрических зарядов при электрической поляризации.

На рисунке 3.13 представлены схемы диэлектрического нагрева.

Рисунок 3.13. Схемы диэлектрического нагрева:

а - в электрическом поле; б - в электромагнитном поле (сверхвысокочастотном): 1 - электроды; 2 - нагреваемое тело; 3 - волновод; 4 – резонатор

В электронно-лучевом ЭТО – выделение теплоты при бомбардировке нагреваемого тела в вакууме потоком электронов, эмитируемых катодом; в ионном ЭТО – выделение теплоты происходит в нагреваемом теле потоком ионов, образованным электрическим разрядом в вакууме; в лазерном ЭТО происходит выделение теплоты в нагреваемом теле при воздействии на него лазерных лучей, т.е. высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах – оптических квантовых генераторах; в плазменном ЭТО – выделение теплоты, основанном на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле; в сварочном ЭТО – выделение теплоты в нагреваемых телах в целях осуществления неразъемного соединения с обеспечением непосредственной сплошности в месте сварки.

Среди электротермического оборудования важное место занимает группа индукционного ЭТО (рисунок 3.14).

Электротермические устройства, предназначенные для индукционного нагрева или плавки тех или иных материалов, называются индукционными установками.

1 - нагреваемое тело; 2 - магнитопровод; 3 - футеровка; 4 - индуктор; 5 - промежуточный нагреватель; 6 - кварцевая труба; 7 - подвод газа.

Род теплопередачи: сплошные стрелки - излучением; пунктирные - конвекцией. Штрих-пунктирными стрелками обозначен поток ионизированного газа.

Под индукционной установкой понимают весь комплекс устройств, обеспечивающих осуществление электротермического процесса (включая источники питания, устройства автоматики и управления, комплектующее оборудование, токоподводы, некоторые вспомогательные устройства и т.п.)

Рисунок 3.15 Блок-схема. Классификация индукционных установок

Индукционной плавильной установкой называют индукционную установку, в которой нагреваемый металл или сплав доводится до плавления, т.е. меняет свое агрегатное состояние в процессе нагрева.

Индукционной печью называется часть индукционной установки, включающая индуктор, каркас, камеру для плавки, а также механизмы наклона печи, вакуумную систему и т.п.

Рисунок 3.16 Блок-схема. Назначение индукционных нагревательных установок

Рисунок 3.17 Блок-схема. Виды индукционных установок