Расчёт индукционных нагревателей на промышленной частоте

В инженерной практике для расчёта индукционных нагревателей применяют графоаналитические методы, основанные на экспериментальных исследованиях.

Рассмотрим пример расчёта нагревателей типа «многовитковый индуктор в ферромагнитной трубе». Для расчёта индукционных нагревателей такого типа можно использовать упрощённую методику. Методика основана на математической обработке экспериментальных данных, полученных для труб диаметром d_тр = 0,015; 0,02; 0,025 м.

При температуре нагрева трубы до Т_п = 373 К тепловой поток, Вт/м, приходящийся на 1 м длины нагревателя, определяют по выражению:

, (5.35)

где ΔТ – перепад температур между окружающей средой и трубой, К.

Напряжение, которое необходимо приложить к отрезку нагревателя длиной в 1 м, В/м, определяют по формуле:

, (5.36)

где k₁ ; k₂ ; k₃ – коэффициенты, зависящие от диаметра трубы d (см. таблицу 5.1).

Таблица 5.1. Значения коэффициентов k₁ ; k₂ ; k₃

Основы диэлектрического нагрева и его особенности

Диэлектрический нагрев используют для нагрева непроводящих материалов (диэлектриков), а также полупроводников и проводников второго рода. Нагрев происходит в высокочастотном электрическом (электромагнитном) поле вследствие поляризации сред и протекания токов сквозной проводимости.

В диэлектриках процессы поляризации сопровождаются движением (смещением) связанных зарядов, которые есть не что иное, как ток электрического смещения. Его плотность определяется скоростью изменения вектора электрической индукции .

. (5.41)

Диэлектрик, подлежащий нагреву, помещают между металлическими обкладками конденсатора, подключенного к источнику переменного тока. Мощность (Вт/м³), выделяемая в единице объема нагреваемого диэлектрика, определяется выражением, известным из курса ТОЭ, при подстановке в которое ε₀=1/4π∙(9∙10⁹) Ф/м:

. (5.42)

Из уравнения (5.42) следует, что диэлектрическая проницаемость ε_r и тангенс угла потерь tgδ – основные характеристики материала, определяющие его нагрев в переменном электрическом поле. Они зависят от частоты f изменения электрического поля, его напряженности, температуры диэлектрика и некоторых других факторов. Характер зависимости ε_r и tgδ от частоты показан на рисунке 5.6.

Рис. 5.6. Зависимость ε_r и tgδ от частоты

При низких частотах смещение зарядов в диэлектрике (поляризация) успевает следовать за изменениями электрического поля, поэтому поглощение энергии незначительно. С повышением частоты скорость смещения зарядов возрастает, поглощение энергии увеличивается, поэтому tgδ на некоторой частоте f₀ достигает максимального значения. При дальнейшем повышении частоты заряды не успевают смещаться, отслеживая изменения электрического поля. Поэтому ε_r уменьшается, поглощение энергии при этом снижается и, следовательно, уменьшается и tgδ. В зависимости от структуры диэлектриков и характера поляризации кривая tgδ может иметь несколько максимумов, а кривая ε_r –ступеней снижения.

Чтобы увеличить объемную плотность мощности, выделяющейся в диэлектрике, т.е. для интенсификации процесса нагрева, используют высокие и сверхвысокие частоты, а также высокие напряженности. Однако с повышением частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны в диэлектрик. Глубину проникновения электромагнитной энергии, определяемую как расстояние z₀ от поверхности диэлектрика, на котором напряженность электрического поля убывает в е раз, находят по формуле:

, (5.43)

где λ - длина волны, соответствующая рабочей частоте.

Так как в большинстве случаев tgδ<<1, то:

. (5.44)

В нашей стране для термообработки в СВЧ-диапазоне наиболее часто используют электромагнитные колебания на частотах 433, 915, 2375 МГц.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: