Индукционный и диэлектрический электронагрев основан на выделении тепловой энергии непосредственно в нагреваемом теле, помещенном в переменное электромагнитное поле.
Методом индукционного нагрева можно нагревать металлические тела. При этом полезно используется магнитная составляющая переменного электромагнитного поля. Методом диэлектрического нагрева греют полупроводниковые тела и диэлектрики, используя электрическую составляющую высокочастотного поля.
Индукционный нагрев основан на передаче электрической энергии металлическому телу, помещенному в поле высокой частоты, по закону электромагнитной индукции и превращения ее в тепловую в соответствии с законом Джоуля—Ленца при протекании в теле наведенных вихревых токов.
Индукционный нагрев можно получить в магнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создаются специальными устройствами — индукторами (индукционными нагревателями), питаемыми от индивидуальных генераторов токов высокой частоты или непосредственно от сети. Индуктор представляет собой первичную обмотку воздушного трансформатора (без сердечника), вторичной обмоткой которого служит нагреваемое тело.
Излучаемая индуктором электромагнитная волна падает на металлическую деталь и, поглощаясь в нем, вызывает нагрев. Мощность потока энергии через единицу поверхности тела (Вт/м2)
(17.28)
а плотность вихревых токов убывает по закону
(17.29)
где Inn — си, [а тока (А) и число витков индуктора; р — удельное сопротивление (Ом-м) и относительная магнитная проницаемость детали; f — частота, Гц; F—функция, зависящая от геометрии и размеров детали и частоты тока; г — расстояние от поверхности в глубь проводника, м.
Значение (м)
(17.30)
называется глубиной проникновения поля (или тока) в проводящую среду. Она представляет собой расстояние от поверхности в глубь тела, на котором амплитуда плотности тока убывает в е=2,72 раза, и где выделяется около 86% всей тепловой энергии.
Отсюда видно, что с увеличением частоты глубина проникновения тока в проводник уменьшается, что в конечном итоге приводит к интенсивному поверхностному нагреву.
В ферромагнитных материалах, имеющих высокую магнитную проницаемость, поверхностный эффект распределения тока в проводнике проявляется наиболее сильно. Например, при температуре 600°С глубина проникновения тока в углеродистую сталь на частоте 50 Гц составляет 24,9 см, а на частоте 10 кГц—1,95 см. Явление поверхностного эффекта полезно используется в технике индукционного нагрева.
Расчетная удельная мощность (Вт/см2), определяемая через электрические параметры и геометрические размеры цилиндрического индуктора,
(17.31)
где а — воздушный зазор между индуктором и нагребаемой деталью, м; I — развернутая длина индуктирующего проводника, м; UK—напряжение на индукторе, В.
Эту зависимость можно использовать для расчета геометрических размеров индуктора при заданной удельной мощности индукционного нагрева.
Главными преимуществами индукционного нагрева являются: компактность и высокая готовность установки к работе, высокое качество нагрева и санитарные условия труда, высокие температуры и удельные мощности нагрева.
Рис. 17.4. Индукторы для нагрева цилиндрических (а) и плоских (б) деталей;
И — индуктор; Д — деталь.
Индукционный нагрев применяют для сквозного нагрева металлических заготовок под горячую обработку (штамповку, высадку), для поверхностной закалки, цементации, науглероживания, сварки и пайки деталей, плавки металлов, пастеризации молока, нагрева воды, воздуха и т. д.
Конструктивное оформление индукторов зависит от формы нагреваемых тел, целей и условий нагрева (рис. 17.4). Эффективность нагрева тем выше, чем ближе форма индуктора повторяет форму нагреваемой поверхности и чем меньше расстояние между ними.
Основными параметрами, характеризующими режимы индукционного нагрева, являются частота тока и к. п. д. Достаточно высокий к. п. д. может быть получен при определенном соотношении между размерами тела и частотой тока. В практике индукционного нагрева частоту выбирают по эмпирическим зависимостям.
Частота (Гц) при сквозном нагреве стальных цилиндрических, заготовок диаметром d (мм)
(17.32)
а при нагреве деталей под поверхностную закалку на глубину х (мм)
(17.33)
В последнем случае оптимальная удельная мощность (Вт/см2) от глубины закалки детали определяется как
(17.34)
где коэффициент К= (400 ... 1000) Вт-мм/см2— для режимов с регулируемой начальной мощностью.
К.п.д. индуктора увеличивается с уменьшением воздушного зазора и удельного сопротивления индуктора. Поэтому индукторы выполняют из массивных медных трубок, охлаждаемых проточной водой, или шин. К. п. д. индукторов находится в пределах 0,4... 0,8. Напряжение на индукторе при поверхностной закалке находится в пределах 50...100 В, а при сквозном нагреве 100...250 В. Теоретически коэффициент мощности индуктора не может превышать 0,707, а практически находится в пределах 0,1...0,5. Для его повышения на вход индуктора подключают конденсаторные батареи. Мощность индуктора в течение нагрева ферромагнитных материалов не постоянна. Вначале из-за возрастания удельного сопротивления стали и температуры мощность увеличивается и достигает максимального значения (1,2... 1,5) Р, а затем вследствие потери сталью магнитных свойств падает до минимальной, что требует настройки параметров на оптимальный режим нагрева.
Установки индукционного нагрева включают в себя индуктор, высокочастотный генератор и аппаратуру управления.
Сравнительно простые по устройству индукционные нагреватели промышленной частоты, питаемые сетевым напряжением, выполняют в виде многослойных обмоток с проводами в термостойкой изоляции. Однако такое устройство индуктора понижает допустимую температуру нагрева и надежность, ухудшает к.п.д., cosф и увеличивает расход цветных металлов. В сельском хозяйстве эти нагреватели можно использовать для низкотемпературного поверхностного электронагрева пищевых продуктов, воды, воздуха, пола в животноводческих помещениях и т. д.
Диэлектрический нагрев основан на явлении поляризации диэлектриков и полупроводников, помещенных в электрическом поле рабочего конденсатора (диэлектрического нагревателя).
При воздействии на материал переменного электрического поля происходит непрерывное смещение зарядов и связанных с ними
молекул (поляризация). На перемещение заряженных частиц затрачивается энергия и в материале возникают токи смещения и проводимости, в результате которых происходит выделение теплоты.
Таким образом, в реальных диэлектриках и полупроводниках колебание молекул связано с потерей энергии электрического поля, вызывающей нагрев материала. Поэтому полный ток смещения j за счет электрических потерь в диэлектрике опережает напряженность поля Е в диэлектрике на угол
(рис. 17.5). Угол 6= (90—ф) называется углом диэлектрических потерь, при этом cosф=sin (90-^ф) =sin6. Так как угол б мал, то можно принять
Активную мощность, поглощаемую единицей объема диэлектрика, можно определить из векторной диаграммы
(17.35)
Учитывая, что плотность тока смещения
и заменив ш=2nf (где f — частота, Гц), ea=e0e=8,85-10~12еФ/м (ео — диэлектрическая проницаемость вакуума) и, подставив эти значения в формулу (17.35), получим значение удельной мощности диэлектрического нагрева (Вт/м3)
Рис. 17.5. Векторная диаграмма реального диэлектрика.
где Е—напряженность электрического поля, кВ/м.
Мощность диэлектрического нагрева повышается с ростом частоты и напряженности электрического поля.
Для диэлектрического нагрева разрешен ряд частот: средневолновый (440...760 кГц), коротковолновый (5,28...27,12 МГц) и сверхвысокий диапазон (433... 2375 МГц). Выделенные частоты ограничиваются, кроме того, пределами вариации (от 1 до 5% в соответствующих диапазонах), что связано с требованиями снижения уровня поля радиопомех.
При диэлектрическом нагреве и сушке различных материалов напряженность поля обычно не превышает 1,5...2 кВ/см.
Произведение ctg6 называется фактором потерь материала. Эта величина зависит от температуры и влажности материала, а также от частоты поля.
Средние значения фактора потерь для некоторых сельскохозяйственных продуктов при температуре 20°С и частоте 2375 МГц следующие: для картофеля—15,3; моркови—18,8; свеклы—12,4; жира говяжьего — 0,5; мяса сырого — 18 и т. д.
Обычно с повышением температуры и влажности значение фактора потерь сельскохозяйственных материалов и продуктов повышается.
Особенностью и преимуществом диэлектрического нагрева является одновременный прогрев материала по всему объему. Поэтому он наиболее полезен для быстрого нагрева материалов с плохой теплопроводностью, которых в сельскохозяйственном производстве большинство. Диэлектрический нагрев применим для сушки семян, чая, кормов, пастеризации и стерилизации молока, соков, консервов и подогрева пресс-порошка перед прессованием пластмассовых изделий, дезинсекции зерна и т. д.
Допустимая скорость нагрева или сушки материала ограничивается технологическими требованиями к качеству тепловой обработки (отсутствие трещин, высокие посевные качества семян и т. д.).
При известных удельной мощности ДР (кВт/м3), напряжении на рабочем конденсаторе UK (кВ), площади пластины F (см2) и расстоянии между пластинами I (см) полезная мощность (кВт) диэлектрического нагрева
Установки диэлектрического нагрева включают в себя рабочий конденсатор (камеру нагрева), высокочастотный генератор и аппаратуру управления.
Генераторы токов высокой частоты (ТВЧ). Для индукционного нагрева металлов применяют электромашинные, статические и ламповые генераторы ТВЧ.
Электромашинные генераторы (преобразователи) выпускают на частоты от 500 до 8000 Гц мощностью от 30 до 1500 кВт. Эти агрегаты двухмашинные (трехфазный асинхронный двигатель сочленен с однофазным генератором повышенной частоты). К. п. д. электромашинных генераторов составляет 70... 80%.
Для снижения напряжения высокой частоты электромашинных преобразователей применяют однофазные закалочные трансформаторы с коэффициентом трансформации от 2’до 5.
Статические генераторы ТВЧ преобразуют ток промышленной частоты и переменный ток заданной частоты при помощи трансформаторов и вентильных элементов: ионных (тиратронов, игнитронов и т. д.) или полупроводниковых (диодов и тиристоров).
Их выпускают с частотой 500... 1000 Гц и выходной мощностью до 630 кВт.
Преимуществом статических преобразователей над электромашинными является повышенная надежность из-за отсутствия вращающихся частей, высокий к.п.д. (90...95%), легкое согласование с нагрузкой.
Ламповые генераторы применяют для индукционного и диэлектрического нагрева.
Для индукционного нагрева выпускают ламповые генераторы с частотой 200... 1000 кГц, а для диэлектрического от 500 кГц и выше.
Нагревательные ламповые генераторы ТВЧ выполняются, как правило, с самовозбуждением (автогенераторы). Схемы этих генераторов принципиально не отличаются от радиотехнических, но более просты по устройству.
Ламповые генераторы для индукционного нагрева выпускают мощностью от 1,0 до 250 кВт и имеют единую индексацию: ВЧИ (высокочастотные индукционные).
Для диэлектрического нагрева применяют только ламповые генераторы ТВЧ.
Ламповые генераторы для диэлектрического нагрева принципиально не отличаются от описанных ранее. Эти генераторы обычно выполняются по более сложным многоконтурным схемам, а, учитывая более высокую частоту и заметное влияние межэлектродных емкостей, обратные связи выполняют индуктивными. Рабочим конденсатором при этом служит конденсатор анодного контура.
Промышленные установки диэлектрического нагрева имеют индексацию ВЧД (высокочастотные диэлектрические) и выпускаются мощностью от 0,16 до 630 кВт.
Для сверхвысоких частот (СВЧ) используют специальные электронные приборы — магнетроны, в которых генерирование СВЧ (колебаний выше 50... 100 МГц) осуществляется модуляцией электронного потока не по амплитуде, как у генераторных ламп, а по скорости.
Рис. 17.6. Анодный блок магнетрона.
В магнетронах используется движение электронов во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях, создаваемых в кольцевом зазоре между катодом и анодом. Анодный блок магнетрона (рис. 17.6) помещается между полюсами электромагнита, который создает в кольцевом зазоре магнитное поле, направленное по оси магнетрона, а между анодом и катодом подается анодное напряжение, создающее радиальное электрическое поле.
В результате этого вырванные из катода электроны под действием магнитного поля отклоняются от радиальной траектории и, пролетая мимо щелей объемных резонаторов анода, возбуждают в них СВЧ-колебания.
Энергию из магнетрона выводят при помощи индуктивной петли (помещенной в один или чаще два соседних резонатора) и коаксильного кабеля.
Нагрев диэлектриков и полупроводников токами СВЧ осуществляется в волноводах круглого или прямоугольного сечения, объемных резонаторах, либо непосредственно излучением электромагнитной волны на объект нагрева.
Простота устройства магнетронов в сочетании с высокой интенсивностью объемного нагрева открывают большие перспективы применения токов СВЧ в сельском хозяйстве.
