ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Индукционный нагрев

В течение последних 30 лет индукционный нагрев развивался быст­рее других электротермических процессов. Это объясняется большими технологическими и экономическими преимуществами индукционного на­грева, касающимися требуемой энергии, качества продукции, производст­венной гибкости и общей эффективности.

Основные положения

При индукционном нагреве имеют место два вида преобразования энергии. Энергия источника питания преобразуется в энергию магнитного поля, которая, поглощаясь электрически проводящей загрузкой, превраща­ется в тепловую энергию и вызывает нагрев. Процесс основан на двух хо­рошо известных физических явлениях - электромагнитной индукции и эффекте Джоуля. Первое описывается уравнениями Максвелла, второе - уравнением теплопроводности.

Обязательным элементом индукционной нагревательной установки является индуктор, по которому протекает первичный переменный ток. Индуктор охватывает нагреваемый материал полностью или частично. В результате этого загрузка взаимодействует с созданным током магнитным потоком Ф. Переменный во времени поток индуктирует в нагреваемом ма­териале ЭДС

d0

e =-------------------------------------------------

dt (7.4)

и электрический ток соответственно. Этот вторичный, или наведенный, ток, протекающий в противоположном по отношению к первичному току индуктора направлении, генерирует мощность плотностью р в соответст­вии с законом Джоуля:

Н. И. Данилов, Я. М. Щелоков Основы энергосбережения__________________________________ Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

s 2

Р = — , (7.5)

к

где к - проводимость материала и S - плотность тока. Выделение удельной мощности p приводит к повышению температуры загрузки.

Наложение первичного и вторичного электромагнитных полей при­водит к неравномерному распределению обоих токов. Первичный ток в ка­тушке и вихревые токи в загрузке сконцентрированы друг против друга (эффект близости) и у поверхностей тел (скин-эффект). Последнее наибо­лее важно для индукционного нагрева и зависит от нескольких параметров. Мерой проявления скин-эффекта является глубина проникновения тока 8, определяемая как

5 = pf • (76)

где ц - магнитная проницаемость материала. Глубина проникновения сильно зависит от частоты f первичного тока. Кроме того, свойства ферро­магнитного материала изменяются при изменении температуры и интен­сивности магнитного поля, так что глубина проникновения тока 8 зависит также и от этих параметров.

Большое влияние глубины проникновения тока на процесс нагрева может быть показано на примере нагрева однородного полубесконечного плоского тела. Распределение всех компонентов электромагнитного поля, включая плотность тока, изменяется по экспоненциальному закону. Следо­вательно, распределение плотности мощности может быть записано как

2 х -8

Рх = Рое 8 , (7.7)

где рх - плотность мощности на расстоянии х от поверхности тела; р0 - ее

Рис. 7.13. Экспоненциальные кривые плотно­стей тока и мощности

Для того чтобы получить удобное упрощение, полагают, что весь наведен­ный ток распределен равномерно в поверхностном слое толщиной 8. Это допущение может быть распространено на цилиндрические тела, диаметр которых в несколько раз превышает глубину проникновения. В этом слу­чае возможна грубая оценка требуемой мощности и распределения ее плотности.

Для создания хорошо работающей установки необходимо выявить путем моделирования индукционных процессов ее наилучшие параметры. В этом контексте очень важно определить электрический коэффициент по­лезного действия, который в случае цилиндрического тела может быть найден как

_ Pw _ ___________________________________ 1

Пе Pw + P D ■ l р, (7.8)

w 1 Л і г си

1 +-------------------------------------- — ■ -------------

d ■ h ■ F(-) VPr 'Р' fcu

где Pw - мощность в загрузке и Pt - мощность потерь в индукторе, D и l

172

современных электротехнологий

описывают геометрию индуктора, d и h - геометрию загрузки, pcu - удель­ное сопротивление материала индуктора, fcu - коэффициент заполнения индуктора и F(d/8) - поправочный коэффициент, зависящий от относи­тельных размеров поперечного сечения загрузки. Кривая на рис. 7.14 на­глядно показывает связь между электрическим коэффициентом полезного действия и d/8.

В зависимости от частоты тока отношение между диаметром загруз­ки d и глубиной проникновения 8 изменяется, что сильно влияет на про­цесс нагрева. Если 8 очень мала по сравнению с диаметром загрузки d, электрический коэффициент полезного действия весьма высок, но энергия выделяется только у поверхности загрузки. Этот тип нагрева удобен, на­пример, для поверхностной закалки. Благодаря яркому скин-эффекту меж­ду индуктором и загрузкой существует хорошая связь и электрический ко­эффициент полезного действия высок.

С увеличением глубины проникновения или с понижением частоты коэффициент полезного действия уменьшается. При этом распределение температуры по сечению загрузки становится более равномерным (рис. 7.15). Оптимальное отношение d/8 при нагреве сплошного материала,

современных электротехнологии

Электри­ческий коэффи­циент полезного

действия - это

только одна со-

ставляющая

полного КПД

нике питания (инверторе или согласующем трансформаторе), шинах и конденсаторах должны быть суммированы и учтены как КПД системы пи­тания ns.

Тепловые потери с поверхности горячей загрузки влияют на тепло­вой КПД nth. С учетом всех описанных потерь полный КПД п индукцион­ной установки записывается как

(7.11)

С точки зрения энергосбережения необходимо оптимизировать пол­ный КПД установки.

Применения индукционного нагрева

Как было упомянуто выше, индукционный нагрев предоставляет широкие возможности для осуществления термических процессов. Кроме высокой плотности энергии и быстрого нагрева вследствие выделения теп­ла внутри загрузки он имеет и другие преимущества. Очень интересным с точки зрения качества изделий, потерь металла и стоимости процесса яв­ляется более низкое образование окалины при индукционном нагреве по

современных электротехнологий

сравнению с пламенным. В зависимости от геометрии индуктора возможен селективный нагрев с гибким управлением и более низким потреблением энергии по сравнению с другими методами. Для индукционного нагрева используется широкий диапазон частот: 50 Гц (промышленная частота), 50 Гц - 10 кГц (средние частоты), более 10 кГц (высокие частоты) в зави­симости от рода и размеров загрузки и цели нагрева.

Индукционный нагрев в температурном диапазоне ниже точки плав­ления материалов широко применяется в процессах четырех классов. Важ­нейший из них - нагрев под обработку давлением - ковку (рис. 7.17), про­катку или экструзию. Вторичный ток должен быть распределен по попе­речному сечению как можно более равномерно, чтобы нагреть весь мате­риал (d/5 = 3...4). При всех трех методах нагрева: периодическом, методи­ческом и непрерывном, с целью оптимизации процесса, применяется авто-

матизация. Короткое время нагрева с малым образованием окалины обес­печивает чистоту обработки, что снижает себестоимость изделий. В до­полнение к описанным процессам нагрева в продольном магнитном поле в последние годы повышенный интерес вызывает нагрев в поперечном маг­нитном поле. В этом случае индукторы размещаются по обе стороны пло­ской загрузки так, что она не охватывается первичным током. Основное

направление магнитного потока перпендикулярно поверхности загрузки.

современных электротехнологий

Эта технология наиболее эффективна при нагреве лент и листов. Она по­зволяет применять более низкую частоту при той же удельной мощности, что и при нагреве в продольном магнитном поле.

Второй важной областью применения индукционного нагрева явля­ется термообработка, например поверхностная закалка, отжиг и пайка. По­верхностный нагрев требует хорошей магнитной связи между индуктором и загрузкой, повышающей эффективность процесса. Хорошая связь озна­чает точное согласование индуктора с загрузкой, позволяющее, кроме того, локализовать нагрев. Выбор соответствующей формы индуктора обеспе­чивает как хорошую связь, так и точный нагрев. В промышленности при­меняется как непрерывный, так и периодический нагрев. Для процессов термообработки используются средние и высокие частоты (от килогерца до мегагерца).

Третьей областью применения является нагрев с последующим раз­делением или соединением материала, т. е. под такие процессы, как сварка, пайка, разрыв. Непрерывная сварка шовных труб является примером тако­го применения. Сформованная из ленты трубная заготовка с продольной щелью охватывается одновитковым индуктором, который индуктирует в ней вторичный ток. Этот ток течет по боковым кромкам заготовки, замы­каясь через точку их схождения. Джоулево тепло, вызванное вторичным током, нагревает кромки, которые соединяются с помощью обжимных

Направление подачи

Сварной шов Точка сваривания

Сжимающие ролики Индуцированный ток

БОЛ ЬШОИ ППОТНОС7И Индуктор

индуцироеанныи ток ниткой плотности Магиигопровод

Рис. 7.18. Принцип непрерывной сварки труб

современных электротехнологий

валков (рис. 7.18).

В четвертый класс могут быть объединены разнообразные индукци­онные нагреватели для специальных применений, например нагрева кот­лов, спекания материалов или зонной плавки полупроводников. Последняя является широко распространенным методом выращивания монокристал­лов кремния. Вертикальный стержень поликристаллического кремния ох­ватывается индуктором, который вызывает его расплавление в определен­ной области. При перемещении этой расплавленной зоны вверх под нею выращивается монокристалл кремния.

Экономика

Высокая эффективность процесса нагрева равносильна энергосбере­жению и автоматически ведет к экономичности технологии. Как было упомянуто выше, для повышения эффективности процессов индукционно­го нагрева необходимо принимать во внимание множество факторов. Ва­жен правильный выбор частоты в соответствии с размерами загрузки и за­дачей нагрева. В этом контексте следует отметить, что генерирование час­тот в среднем и высокочастотном диапазонах (более 10 кГц) приводит к большим затратам. Точное согласование и хорошая связь между индукто­ром и загрузкой обеспечивают более высокий электрический КПД. Для получения коэффициента мощности cos ф, близкого к единице, и снижения дорогой и неэффективной реактивной мощности необходимы конденсато­ры. Эта компенсация обеспечивает более высокий общий КПД. Более эко­номичное и рациональное использование электрической энергии достига­ется также за счет уменьшения электрических потерь в индукторе. Один из методов, используемых в промышленности, состоит в применении много­слойных индукторов, имеющих более низкое электрическое сопротивле­ние. Кроме того, можно моделировать процессы нагрева с помощью чис­ленных программ на компьютерах для определения потенциальной воз­можности достижения лучших параметров установок, условий нагрева и

178

современных электротехнологий

снижения энергопотребления. Это очень важно как при модернизации уже существующих индукционных нагревателей, так и при проектировании новых установок.

При создании новой нагревательной установки прежде всего необхо­димо решить, какая технология нагрева, электрическая или пламенная, предпочтительна с позиций экономики, экологии и качества изделия. По­сле принятия решения в пользу индукционной нагревательной установки она должна быть оптимизирована описанными выше методами. Исследо­вания показывают, что потребление энергии, С02-эмиссия и стоимость мо­гут быть снижены при использовании электрического нагрева вместо пла­менного.

Как пример, камерная газовая печь сравнивалась с кузнечным ин - аукционным нагревателем. Общая (совокупная) энергия, требуемая для всего процесса нагрева, учитывалась путем анализа каждого этапа процес­са. Вычисления были основаны на данных по преобразованию энергии на немецких электростанциях. В результате этих расчетов было установлено, что конечная энергия, необходимая для технологии индукционного нагре­ва, составляет половину потребности технологии пламенного нагрева (рис. 7.19).

Н. И. Данилов, Я. М. Щелоков Основы энергосбережения__________________________________ Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

Рис. 7.19. Сравнение необходимой конечной энергии для нагрева материа­ла различными технологиями для последующей кузнечной обработки:

□ нагрев □ окалина

Для пламенного нагрева очень высока доля энергии, необходимой для возмещения потерь металла (окалина). Кроме того, для пламенного на­грева должно использоваться большее количество сырья из-за более силь­ного окисления материала. Потребность в первичной энергии для индук­ционного нагрева иногда может быть несколько выше, чем для традици­онных технологий, но множество преимуществ компенсируют этот недос­таток.

Другой пример снижения энергопотребления и C02-эмиссии дает сравнение различных технологий нагрева кромок стальных полос (рис. 7.20).

современных электротехнологий

Благодаря эффективности индукционного нагрева при его примене­нии необходимая конечная энергия снижается на 80 % по сравнению с по­казателями роликовой печи камерного типа и на 73 % - газовой пламенной печи. Балансы требуемой первичной энергии и С02-эмиссии также оказы­ваются очень благоприятными для индукционного процесса, и, таким об­разом, этой технологии должно быть отдано предпочтение. Становится яс­но, что при использовании электротехнологий возможна значительная экономия.