Автоматическое регулирование температурного режима

 

В печах сопротивления в подавляющем большинстве случаев применяется простейший вид регулирования температуры – двухпозиционное регулирование, при котором исполнительный элемент

 системы регулирования – контактор имеет лишь два крайних положения: «включено» и «выключено». Во включенном состоянии температура печи растет, так как ее мощность всегда выбирается с запасом, и соответствующая ей установившаяся температура значительно превосходит ее рабочую температуру. В выключенном состоянии температура, печи снижается по экспоненциальной кривой. Для идеализированного случая, когда в системе регулятор–печь отсутствует динамическое запаздывание, работа двухпозиционного регулятора показана на рис. 2.36, на котором в верхней части дана зависимость температуры печи от времени, а в нижней – соответствующее изменение ее мощности.

 

 

Рис. 2.36. Идеализированная схема работы двухпозиционного регулятора температуры

 

При разогреве печи вначале ее мощность будет постоянной и равной номинальной, поэтому ее температура будет расти до точки 1, когда она достигнет значения t_зад + ∆t₁, где |+ ∆t| + |− ∆t₂| – зона нечувствительности регулятора. В этот момент регулятор сработает, контактор отключит печь и ее мощность упадет до нуля. Вследствие этого температура печи начнет уменьшаться по кривой 1–2 до тех пор, пока не будет достигнута нижняя граница зоны нечувствительности t_зад − ∆t₂. В этот момент произойдет новое включение печи, и ее температура вновь начнет увеличиваться.

Таким образом, процесс регулирования температуры печи по двухпозиционному принципу заключается в ее изменении по пилообразной кривой около заданного значения в пределах интервалов +∆t₁, −∆t₂, определяемых зоной нечувствительности регулятора. Средняя мощность печи зависит от соотношения интервалов времени ее включенного состояния ∆τ₁ и выключенного состояния ∆τ₂. По мере прогрева печи и загрузки кривая нагрева печи будет идти круче, а кривая остывания печи – положе, поэтому отношение периодов цикла ∆τ₁ и ∆τ₂ будет уменьшаться, а следовательно, будет падать и средняя мощность P_сp. При двухпозиционном регулировании средняя мощность печи все время приводится в соответствие с мощностью, необходимой для поддержания постоянной температуры в пределах около 0,1–0,2°С.

Контрольные вопросы

 

Принцип действия печей сопротивления

Классификация ЭПС

Конструкция нагревательных элементов

Циклы работы печей

Автоматическое регулирование температуры ЭПС: двухпозиционное регулирование

 

2.3. Индукционный нагрев

2.3.1. Физические основы индукционного нагрева

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 один короткозамкнутый виток (рис. 2.37.).

 

 

Рис. 2.37. Принципиальная схема индукционного нагрева:
1 — индуктор; 2 — магнитный поток в нагреваемом теле; 3 — нагреваемое тело; 4 — наведенный ток; 5 – воздушный зазор

 

Переменный магнитный поток Ф (2), создаваемый первичной обмоткой —индуктором 1, пропорционален его МДС и обратно пропорционален сопротивлению магнитной цепи. Возникающая в нагреваемом теле ЭДС E =4,44Фwf·10^-8 В при известном значении сопротивления нагреваемого тела обеспечивает возникновение в нем

вихревого тока I (4) и выделение соответствующей мощности

 

P=I²r = E²r/z².                                                           (2.31)

 

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, пропорциональная вводимой мощности, неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева, расплава, испарения материалов и 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 (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты). 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 требуются 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 изоляцию 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 напряженность магнитного поля в полости одинакова во всех его точках. Поток энергии (квар) внутрь полости индуктора через его поверхность на единицу длины составляет

 

,                                              (2.32)

 

где – квадрат ампер-витков индуктора; f – частота тока;  – площадь поперечного сечения полости индуктора.

Отсюда следует, что мощность в полости индуктора чисто реактивная и идет на создание переменного магнитного поля.

Потери в многовитковом индукторе, создаваемые поглощением электромагнитной энергии на 1 м его длины,

 

 ;                         (2.33)

 

 .                       (2.34)

 

Здесь D_a = 2R_a – «активный» диаметр индуктора (для индуктора снаружи нагреваемого тела D_a = D_B = 2R_a, для индуктора, помещенного в полость цилиндра, D_a = D_H = 2R_н); ρ_и — удельное сопротивление материала индуктора; F_и, G_и — комплексы, образованные из функции Бесселя, приведены в виде таблиц и графиков в справочной литературе. Потери мощности в зазоре между индуктором и нагреваемым телом зависят от взаимных размеров сопрягающихся деталей. Если в полости индуктора находится нагреваемый металлический цилиндр, то потери в зазоре

 

 .                   (2.35)

 

При нахождении индуктора в полости нагреваемого цилиндра потери энергии в зазоре

 

 .             (2.36)

 

Здесь d₀, d_B D_B и D_H — характерные размеры нагреваемого тела и индуктора.

Энергия, вводимая в нагреваемое тело, определяется в инженерных расчетах через значение мощности, выделяющейся в металлическом цилиндре на 1 м его длины. Для активной мощности

 

 ;                                    (2.37)

 

и реактивной мощности

 

 ;                                   (2.38)

 

где ρ – удельное сопротивление нагреваемого материала; µ –магнитная проницаемость; f – частота поля;  – ампер-витки индуктора; F_0ц, G_0ц – сложные комплексы, образованные из функции Бесселя, определяются по таблицам и графикам.

При нагреве металлической плиты активная и реактивная составляющие мощности соответственно

 

 ;                                         (2.39)

 

 .                                      (2.40)

 

Эти зависимости показывают, что регулирование мощности при индукционном нагреве может осуществляться за счет изменения числа витков индуктора тока намагничивания и его частоты. При нагреве до высоких температур, когда заметным становится изменение удельного сопротивления р, необходимо регулирование напряженности магнитного поля или частоты.

Электрический КПД системы индуктор – металлический цилиндр определяется из соотношения полезной активной мощности P_1,0, выделяющейся в металле, и активных потерь в индукторе P_и1,0 :

 

η_э=1/(1+ P_и1,0 / P_1,0 ).                                                                  (2.41)

 

Максимальное значение КПД составляет 0,70—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% (при больших зазорах). Эффективность нагрева тем выше, чем меньше соотношение ρ_и /ρµ), поэтому индукционный нагрев сплошных металлических цилиндров из хорошо проводящих материалов меди или алюминия неэкономичен.

При определении коэффициента мощности системы необходимо учитывать активные и реактивные мощности, выделяющиеся не только в нагреваемом теле, но и в индукторе и особенно в зазоре:

 

,                                              (2.42)

 

Чем больше зазор между индуктором и нагреваемым цилиндром, тем больше реактивная мощность и тем ниже cosφ. 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 Δ_э меньше потока на поверхности в е² раз и составляет 0,136Р₀, где Р₀ — поток энергии на поверхности.

В слое металла толщиной Δ_э поглощается 86,4% энергии, прошедшей через поверхность тела. Используя соотношение µ_а=µµ₀ и ω=2πf где µ – относительная магнитная проницаемость нагреваемого металла; µ₀ – магнитная постоянная, равная 0,4 π 10^-6 Гн/м, глубина проникновения

 

Δ_э = 503  ,                                                                       (2.43)

 

Отсюда следует, что глубина нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления и понижается с ростом частоты тока. Кроме того, эта формула позволяет определить необходимую частоту тока для нагрева тела на заданную глубину. Для ферромагнитных материалов, когда с ростом температуры увеличивается ρ, а при достижении точки Кюри значение µ падает от 50—100 до 1, глубина проникновения тока резко увеличивается, однако поглощаемая мощность при этом уменьшается.

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.

Сжимающее усилие

 

 ,                         (2.44)

 

где z – координата.

Для немагнитного или любого расплавленного металла, когда µ= 1,

 

 .                        (2.45)

Сжимающее усилие при прочих условиях обратно пропорционально глубине проникновения  и прямо пропорционально магнитной проницаемости µ. Максимальное значение сжимающих усилий находится в точках, наиболее удаленных от индуктора, с уменьшением частоты р_сж возрастает.

Указанные свойства системы приводят к деформации нагретых тел и перемещению расплава и плазмы.

Кроме этого, 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.

Рассмотренные элементы системы индукционного нагрева могут иметь следующее техническое исполнение. Витковое напряжение (напряжение между смежными витками) 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 хладагентом, а изделие нагревается до высокой температуры, 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 (металлы), жидком (расплавы металлов и неметаллов) 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.