Индукционные печи и котлы: принципы действия, чертежи, как сделать самостоятельно. Индукционные печи нагрева нефти


Индукционные нагреватели: тигельная печь, котел своими руками

Индукционная печь изобретена давно, еще в 1887 г, С. Фарранти. Первая промышленная установка заработала в 1890 г. на фирме Benedicks Bultfabrik. Долгое время индукционные печи и в индустрии были экзотикой, но не вследствие дороговизны электричества, тогда оно было не дороже теперешнего. В процессах, происходящих в индукционных печах, было еще много непонятного, а элементная база электроники не позволяла создавать эффективные схемы управления ими.

В индукционно-печной сфере переворот произошел буквально на глазах в наши дни, благодаря появлению, во-первых, микроконтроллеров, вычислительная мощность которых превышает таковую персональных компьютеров десятилетней давности. Во-вторых, благодаря… мобильной связи. Ее развитие потребовало появления в продаже недорогих транзисторов, способных отдавать мощность в несколько кВт на высоких частотах. Они, в свою очередь, были созданы на основе полупроводниковых гетероструктур, за исследования которых российский физик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.

В конечном итоге, индукционные печки не только совершенно преобразились в промышленности, но и широко вошли в быт. Интерес к предмету породил массу самоделок, которые, в принципе, могли бы быть полезными. Но большинство авторов конструкций и идей (описаний которых в источниках много больше, чем работоспособных изделий) плоховато представляют себе как основы физики индукционного нагрева, так и потенциальную опасность неграмотно выполненных конструкций. Настоящая статья призвана прояснить некоторые наиболее смутные моменты. Материал построен на рассмотрении конкретных конструкций:

  1. Промышленной канальной печи для плавки металла, и возможности ее создания самостоятельно.
  2. Тигельных печей индукционного типа, самых простых в исполнении и наиболее популярных среди самодельщиков.
  3. Индукционных водогрейных котлов, стремительно вытесняющих бойлеры с ТЭНами.
  4. Бытовых варочных индукционных приборов, конкурирующих с газовыми плитами и по ряду параметров превосходящих микроволновки.

Примечание: все рассматриваемые устройства основаны на магнитной индукции, создаваемой катушкой индуктивности (индуктором), поэтому и называются индукционными. В них можно плавить/нагревать только электропроводящие материалы, металлы и т.п. Есть еще электроиндукционные емкостные печи, основанные на электрической индукции в диэлектрике между обкладками конденсатора, они применяются для «нежного» плавления и электротермообработки пластиков. Но распространены они гораздо меньше индукторных, рассмотрение их требует отдельного разговора, поэтому пока оставим.

Принцип действия

Принцип работы индукционной печи иллюстрирует рис. справа. В сущности она – электрический трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой:

Принцип действия индукционной печи

  • Генератор переменного напряжения G создает в индукторе L (heating coil) переменный ток I1.
  • Конденсатор С совместно с L образуют колебательный контур, настроенный на рабочую частоту, это в большинстве случаев повышает техпараметры установки.
  • Если генератор G автоколебательный, то С часто исключают из схемы, используя вместо него собственную емкость индуктора. Она у описанных ниже высокочастотных индукторов составляет несколько десятков пикофарад, что как раз соответствует рабочему диапазону частот.
  • Индуктор в соответствии с уравнениями Максвелла создает в окружающем пространстве переменное магнитное поле с напряженностью H. Магнитное поле индуктора может как замыкаться через отдельный ферромагнитный сердечник, так и существовать в свободном пространстве.
  • Магнитное поле, пронизывая помещенную в индуктор заготовку (или плавильную шихту) W, создает в ней магнитный поток Ф.
  • Ф, если W электропроводящая, индуцирует в ней вторичный ток I2, то тем же уравнениям Максвелла.
  • Если Ф достаточно массивна и цельная, то I2 замыкается внутри W, образуя вихревой ток, или ток Фуко.
  • Вихревые токи по закону Джоуля-Ленца отдает полученную им через индуктор и магнитное поле от генератора энергию, нагревая заготовку (шихту).

Электромагнитное взаимодействие с точки зрения физики достаточно сильно и обладает довольно высоким дальнодействием. Поэтому, несмотря на многоступенчатое преобразование энергии, индукционная печь способна показать в воздухе или вакууме КПД до 100%.

Примечание: в среде из неидеального диэлектрика с диэлектрической проницаемостью >1 потенциально достижимый КПД индукционных печей падает, а в среде с магнитной проницаемостью >1 добиться высокого КПД проще.

Канальная печь

Канальная индукционная плавильная печь – первая из примененных в промышленности. Она и конструктивно похожа на трансформатор, см. рис. справа:

Канальная индукционная печь

  1. Первичная обмотка, питаемая током промышленной (50/60 Гц) или повышенной (400 Гц) частоты, выполнена из медной, охлаждаемой изнутри жидким теплоносителем, трубки;
  2. Вторичная короткозамкнутая обмотка – расплав;
  3. Кольцеобразный тигель из жаростойкого диэлектрика, в котором помещается расплав;
  4. Наборный из пластин трансформаторной стали магнитопровод.

Канальные печи используются для переплавки дюраля, цветных спецсплавов, получения высококачественного чугуна. Промышленные канальные печи требуют затравки расплавом, иначе «вторичка» не замкнется накоротко и нагрева не будет. Или между крошками шихты возникнут дуговые разряды, и вся плавка просто взорвется. Поэтому перед пуском печи в тигель наливают немного расплава, а переплавленную порцию выливают не до конца. Металлурги говорят, что канальная печь имеет остаточную емкость.

Канальную печь на мощность до 2-3 кВт можно сделать и самому из сварочного трансформатора промышленной частоты. В такой печи можно расплавить до 300-400 г цинка, бронзы, латуни или меди. Можно переплавлять дюраль, только отливке нужно по остывании дать состариться, от нескольких часов до 2-х недель, в зависимости от состава сплава, чтобы набрала прочность, вязкость и упругость.

Примечание: дюраль вообще был изобретен случайно. Разработчики, обозлившись, что легировать алюминий никак не удается, бросили в лаборатории очередной «никакой» образец и ушли в загул с горя. Протрезвились, вернулись – а никакой изменил цвет. Проверили – а он набрал прочность едва ли не стали, оставшись легким, как алюминий.

«Первичку» трансформатора оставляют штатной, она уже рассчитана на работу в режиме КЗ вторички сварочной дугой. «Вторичку» снимают (ее потом можно поставить обратно и использовать трансформатор по прямому назначению), а вместо нее надевают кольцевой тигель. Но пытаться переделать в канальную печь сварочный ВЧ-инвертор опасно! Его ферритовый сердечник перегреется и разлетится в куски из-за того, что диэлектрическая проницаемость феррита >>1, см. выше.

Проблема остаточной емкости в маломощной печке отпадает: в шихту для затравки кладут проволочку из того же металла, согнутую в кольцо и со скрученными концами. Диаметр проволоки – от 1 мм/кВт мощности печи.

Но появляется проблема кольцевого тигля: единственный подходящий для малого тигля материал – электрофарфор. В домашних условиях обработать его самому невозможно, а где взять покупной подходящий? Прочие огнеупоры не годятся вследствие высоких диэлектрических потерь в них или пористости и малой механической прочности. Поэтому, хотя канальная печь дает плавку высочайшего качества, не требует электроники, а ее КПД уже при мощности 1 кВт превышает 90%, у самодельщиков они не в ходу.

Под обычный тигель

Устройство тигельной индукционной печи

Остаточная емкость раздражала металлургов – сплавы-то плавились дорогие. Поэтому, как только в 20-х годах прошлого века появились достаточно мощные радиолампы, тут же родилась идея: выкинуть на (не будем повторять профессиональные идиомы суровых мужиков) магнитопровод, а обычный тигель засунуть прямо в индуктор, см. рис.

На промышленной частоте так не сделаешь, магнитное поле низкой частоты без концентрирующего его магнитопровода расползется (это т. наз. поле рассеяния) и отдаст свою энергию куда угодно, только не в расплав. Компенсировать поле рассеяния можно повышением частоты до высокой: если диаметр индуктора соизмерим с длиной волны рабочей частоты, а вся система – в электромагнитном резонансе, то до 75% и более энергии ее электромагнитного поля будет сосредоточено внутри «бессердечной» катушки. КПД выйдет соответственный.

Однако уже в лабораториях выяснилось, что авторы идеи проглядели очевидное обстоятельство: расплав в индукторе, хотя бы и диамагнитный, но электропроводящий, за счет собственного магнитного поля от вихревых токов изменяет индуктивность нагревательной катушки. Начальную частоту понадобилось устанавливать под холодную шихту и менять по мере ее плавления. Причем в пределах тем больших, чем больше заготовка: если для 200 г стали можно обойтись диапазоном в 2-30 МГц, то для болванки с железнодорожную цистерну начальная частота будет около 30-40 Гц, а рабочая – до нескольких кГц.

Подходящую автоматику на лампах сделать сложно, «тянуть» частоту за болванкой – нужен высококвалифицированный оператор. Кроме того, на низких частотах сильнейшим образом проявляет себя поле рассеяния. Расплав, который в такой печи еще и сердечник катушки, до некоторой степени собирает магнитное поле возле нее, но все равно, для получения приемлемого КПД понадобилось окружать всю печь мощным ферромагнитным экраном.

Тем не менее, благодаря своим выдающимся достоинствам и уникальным качествам (см. далее) тигельные индукционные печи широко применяются и в промышленности, и самодельщиками. Поэтому остановимся подробнее на том, как правильно сделать такую своими руками.

Немного теории

При конструировании самодельной «индукционки» нужно твердо помнить: минимум потребляемой мощности не соответствует максимуму КПД, и наоборот. Минимальную мощность от сети печка возьмет при работе на основной резонансной частоте, Поз. 1 на рис. Болванка/шихта при этом (и на более низких, дорезонансных частотах) работает как один короткозамкнутый виток, а в расплаве наблюдается всего одна конвективная ячейка.

Режимы работы тигельной индукционной печи

В режиме основного резонанса в печке на 2-3 кВт можно расплавить до 0,5 кг стали, но разогрев шихты/заготовки займет до часа и более. Соответственно, общее потребление электричества от сети будет большим, а общий КПД – низким. На дорезонансных частотах – еще ниже.

Вследствие этого индукционные печи для плавки металла работают чаще всего на 2-й, 3-й и др. высших гармониках (Поз. 2 на рис.) Требуемая для разогрева/расплавления мощность при этом возрастает; для того же полкило стали на 2-й понадобится 7-8 кВт, на 3-ей 10-12 кВт. Но прогрев происходит очень быстро, за минуты или доли минут. Поэтому и КПД выходит высокий: печка не успевает «съесть» много, как расплав уже можно лить.

У печей на гармониках есть важнейшее, даже уникальное достоинство: в расплаве возникает несколько конвективных ячеек, мгновенно и тщательно его перемешивающих. Поэтому можно вести плавку в режиме т. наз. быстрой шихты, получая сплавы, которые в любых других плавильных печах выплавить принципиально невозможно.

Если же «задрать» частоту в 5-6 и более раз выше основной, то КПД несколько (ненамного) падает, но проявляется еще одно замечательное свойство индукционки на гармониках: поверхностный нагрев вследствие скин-эффекта, вытесняющего ЭМП к поверхности заготовки, Поз. 3 на рис. Для плавки этот режим используется редко, но для разогрева заготовок под поверхностную цементацию и закалку – милое дело. Современная техника без такого способа термообработки была бы просто невозможна.

О левитации в индукторе

А теперь проделаем фокус: накрутим первые 1-3 витка индуктора, затем перегнем трубку/шину на 180 градусов, и остальную обмотку навьем в обратном направлении (Поз 4 на рис.) Подключим к генератору, введем в индуктор тигель в шихтой, дадим ток. Дождемся расплавления, уберем тигель. Расплав в индукторе соберется в сферу, которая там останется висеть, пока не выключим генератор. Тогда – упадет вниз.

Эффект электромагнитной левитации расплава используют для очистки металлов путем зонной плавки, для получение высокоточных металлических шариков и микросфер, и т.п. Но для надлежащего результата плавку нужно вести в высоком вакууме, поэтому здесь о левитации в индукторе упомянуто только для сведения.

Зачем индуктор дома?

Как видим, даже маломощная индукционная печка для квартирной проводки и лимитов потребления мощновата. Для чего же стоит ее делать?

Индукционный нагрев для закалки

Во-первых, для очистки и разделения драгоценных, цветных и редких металлов. Берем, к примеру, старый советский радиоразъем с позолоченными контактами; золота/серебра на плакировку тогда не жалели. Кладем контакты в узкий высокий тигелек, суем в индуктор, плавим на основном резонансе (выражаясь профессионально, на нулевой моде). По расплавлении постепенно снижаем частоту и мощность, давая застыть болванке в течение 15 мин – получаса.

По остывании разбиваем тигелек, и что видим? Латунный столбик с ясно различимым золотым кончиком, который остается только отрезать. Без ртути, цианидов и прочих убийственных реагентов. Нагревом расплава извне любым способом этого не добиться, конвекция в нем не даст.

Индуктор для отпусковой индукционной печи

Ну, золото-золотом, а сейчас и черный металлолом на дороге не валяется. Но вот необходимость равномерного, или точно дозированного по поверхности/объему/температуре нагрева металлических деталей для качественной закалки у самодельщика или ИП-индивидуала всегда найдется. И тут опять выручит печка-индуктор, причем расход электричества будет посильным для семейного бюджета: ведь основная доля энергии нагрева приходится на скрытую теплоту плавления металла. А меняя мощность, частоту и расположение детали в индукторе, можно нагреть именно нужное место именно как надо, см. рис. выше.

Наконец, сделав индуктор специальной формы (см. рис. слева), можно отпустить закаленную деталь в нужном месте, на нарушая цементации с закалкой на конце/концах. Затем, где надо – гнем, плющим, а остальное остается твердым, вязким, упругим. В конце можно снова разогреть, где отпускали, и опять закалить.

Приступаем к печке: что нужно знать обязательно

Электромагнитное поле (ЭМП) воздействует на человеческий организм, хотя бы прогревая его во всем объеме, как мясо в микроволновке. Поэтому, работая с индукционной печью в качестве конструктора, мастера или эксплуатанта, нужно четко уяснить себе суть следующих понятий:

ППЭ – плотность потока энергии электромагнитного поля. Определяет общее физиологическое воздействие ЭМП на организм независимо от частоты излучения, т.к. ППЭ ЭМП одной и той же напряженности растет с ростом частоты излучения. По санитарным нормам разных стран допустимое значение ППЭ от 1 до 30 мВт на 1 кв. м. поверхности тела при постоянном (свыше 1 часа в сутки) воздействии и втрое-впятеро больше при однократном кратковременном, до 20 мин.

Примечание: особняком стоят США, у них допустимая ППЭ – 1000 мВт (!) на кв. м. тела. Фактически, американцы считают началом физиологического воздействия внешние его проявления, когда человеку уже становится плохо, а долговременные последствия облучения ЭМП полностью игнорируют.

ППЭ при удалении от точечного источника излучения падает по квадрату расстояния. Однослойная экранировка оцинковкой или мелкоячеистой оцинкованной сеткой снижает ППЭ в 30-50 раз. Вблизи катушки по ее оси ППЭ будет в 2-3 раза выше, чем сбоку.

Поясним на примере. Есть индуктор на 2 кВт и 30 МГц с КПД в 75%. Следовательно, наружу из него уйдет 0,5 кВт или 500 Вт. На расстоянии в 1 м от него (площадь сферы радиусом 1 м – 12,57 кв. м.) на 1 кв. м. придется 500/12,57=39,77 Вт, а на человека – около 15 Вт, это очень много. Индуктор нужно располагать вертикально, перед включением печи надевать на него заземленный экранирующий колпак, следить за процессом издали, а по его окончании немедленно выключать печь. На частоте в 1 МГц ППЭ упадет в 900 раз, и с экранированным индуктором можно работать без особых предосторожностей.

СВЧ – сверхвысокие частоты. В радиэлектронике СВЧ считают с т.наз. Q-диапазона, но по физиологии СВЧ начинается примерно со 120 МГц. Причина – электроиндукционный нагрев плазмы клеток и резонансные явления в органических молекулах. СВЧ обладает специфически направленным биологическим действием с долговременными последствиями. Достаточно получить 10-30 мВт в течение получаса, чтобы подорвать здоровье и/или репродуктивную способность. Индивидуальная восприимчивость к СВЧ крайне изменчива; работая с ним, нужно регулярно проходить специальную медкомиссию.

Пресечь СВЧ-излучение очень трудно, оно, как говорят профи, «сифонит» сквозь малейшую щелочку в экране или при малейшем нарушении качества заземления. Эффективная борьба с СВЧ-излучением аппаратуры возможна только на уровне его конструирования высококлассными специалистами.

К счастью, диапазон частот, в котором работают индукционные печи, до СВЧ не простирается. Но при неумелом конструировании или пользовании печь может войти в режим, при котором появляется паразитное СВЧ. Разумеется, этого следует всячески избегать.

Компоненты печи

Индуктор

Важнейшая часть индукционной печи – ее нагревательная катушка, индуктор. Для самодельных печей на мощность до 3 кВт пойдет индуктор из голой медной трубки диаметром 10 мм или медной же голой шины сечением не менее 10 кв. мм. Внутренний диаметр индуктора – 80-150 мм, количество витков – 8-10. Витки не должны соприкасаться, расстояние между ними – 5-7 мм. Также никакая часть индуктора не должна касаться его экрана; минимальный зазор – 50 мм. Поэтому для прохождения выводов катушки к генератору нужно предусмотреть окно в экране, не мешающее его снимать/ставить.

Индукторы промышленных печей охлаждают водой или антифризом, но на мощности до 3 кВт описанный выше индуктор при работе его в продолжении до 20-30 мин принудительного охлаждения не требует. Однако он сам при этом сильно нагревается, а окалина на меди резко снижает КПД печи вплоть до потери ею работоспособности. Сделать самому индуктор с жидкостным охлаждением невозможно, поэтому его придется время от времени менять. Применять принудительное воздушное охлаждение нельзя: пластиковый или металлический корпус вентилятора вблизи катушки «притянут» к себе ЭМП, перегреются, а КПД печи упадет.

Примечание: для сравнения – индуктор для плавильной печи на 150 кг стали согнут из медной трубы 40 мм наружным диаметром и 30 внутренним. Число витков – 7, диаметр катушки по внутри 400 мм, высота тоже 400 мм. Для его раскачки на нулевой моде нужно 15-20 кВт при наличии замкнутого контура охлаждения дистиллированной водой.

Генератор

Вторая главная часть печи – генератор переменного тока. Сделать индукционную печь, не владея основами радиоэлектроники хотя бы на уровне радиолюбителя средней квалификации, не стоит и пытаться. Эксплуатировать – тоже, ведь, если печка не под компьютерным управлением, настроить ее в режим можно, только чувствуя схему.

Схема генератора для индукционной печи, дающая паразитное СВЧ

При выборе схемы генератора следует всячески избегать решений, дающих жесткий спектр тока. В качестве антипримера приводим довольно распространенную схему на тиристорном ключе, см. рис. выше. Доступный специалисту расчет по прилагаемой к ней автором осциллограмме показывает, что ППЭ на частотах свыше 120 МГц от индуктора, запитанного таким образом, превышает 1 Вт/кв. м. на расстоянии 2,5 м от установки. Убийственная простота, ничего не скажешь.

Схема лампового генератора для индукционной печи

В качестве ностальгического курьеза приводим еще схему древнего лампового генератора, см. рис. справа. Такие делали советские радиолюбители еще в 50-х годах, рис. справа. Настройка в режим – воздушным конденсатором переменной емкости С, с зазором между пластинами не менее 3 мм. Работает только на нулевой моде. Индикатор настройки – неоновая лампочка Л. Особенность схемы – очень мягкий, «ламповый» спектр излучения, так что пользоваться этим генератором можно без особых мер предосторожности. Но – увы! – ламп для него сейчас не найдешь, а при мощности в индукторе около 500 Вт энергопотребление от сети – более 2 кВт.

Примечание: указанная на схеме частота 27,12 МГц не оптимальна, она выбрана из соображений электромагнитной совместимости. В СССР она была свободной («мусорной») частотой, для работы на которой разрешения не требовалось, лишь бы устройство помех никому не давало. А вообще-то С можно перестраивать генератор в довольно широком диапазоне.

Самодельная тигельная индукционная печь 50-х годов.

На следующем рис. слева – простейший генератор с самовозбуждением. L2 – индуктор; L1 – катушка обратной связи, 2 витка эмалированного провода диаметром 1,2-1,5 мм; L3 – болванка или шихта. В качестве контурной емкости используется собственная емкость индуктора, поэтому эта схема не требует настройки, она автоматически входит в режим нулевой моды. Спектр мягкий, но при неправильной фазировке L1 мгновенно сгорает транзистор, т.к. он оказывается в активном режиме с КЗ по постоянному току в цепи коллектора.

Схема простейшего генератора для индукционной печи

Также транзистор может сгореть просто от изменения наружной температуры или саморазогрева кристалла – каких-либо мер по стабилизации его режима не предусмотрено. В общем, если у вас завалялись где-то старые КТ825 или им подобные, то начинать эксперименты по индукционному нагреву можно с этой схемки. Транзистор должен быть установлен на радиатор площадью не менее 400 кв. см. с обдувом от компьютерного или ему подобного вентилятора. Регулировка можности в индукторе, до 0,3 кВт – изменением напряжения питания в пределах 6-24 В. Его источник должен обеспечивать ток не менее 25 А. Мощность рассеивания резисторов базового делителя напряжения не менее 5 Вт.

Генератор-мультивибратор для индукционной печи

Схема на след. рис. справа – мультивибратор с индуктивной нагрузкой на мощных полевых тразисторах (450 B Uk, не менее 25 A Ik). Благодаря применению емкости в цепи колебательного контура дает довольно мягкий спектр, но внемодовый, поэтому пригоден для разогрева деталей до 1 кг для закалки/отпуска. Главный недостаток схемы – дороговизна компонент, мощных полевиков и быстродействующих (граничная частота не менее 200 кГц) высоковольтных диодов в их базовых цепях. Биполярные мощные транзисторы в этой схеме не работают, перегреваются и сгорают. Радиатор здесь такой же, как и в предыдущем случае, но обдува уже не нужно.

Следующая схема уже претендует на звание универсальной, мощностью до 1 кВт. Это – двухтактный генератор с независимым возбуждением и мостовым включением индуктора. Позволяет работать на 2-3 моде или в режиме поверхностного нагрева; частота регулируется переменным резистором R2, а диапазоны частот переключаются конденсаторами С1 и С2, от 10 кГц до 10 МГц. Для первого диапазона (10-30 кГц) емкость конденсаторов С4-С7 должна быть увеличена до 6,8 мкФ.

Схема универсального генератора для индукционной печи

Трансформатор между каскадами – на ферритовом кольце с площадью сечения магнитопровода от 2 кв. см. Обмотки – из эмалированного провода 0,8-1,2 мм. Радиатор транзисторов – 400 кв. см. на четверых с обдувом. Ток в индукторе практически синусоидальный, поэтому спектр излучения мягкий и на всех рабочих частотах дополнительных мер защиты не требуется, при условии работы до 30 мин в день через 2 дня на 3-й.

Видео: самодельный индукционный нагреватель в работе

Индукционные котлы

Индукционные водогрейные котлы, без сомнения, вытеснят бойлеры с ТЭНами везде, где электричество обходится дешевле других видов топлива. Но их неоспоримые достоинства породили и массу самоделок, от которых у специалиста иной раз буквально волосы дыбом встают.

Скажем, такая конструкция: пропиленовую трубу с проточной водой окружает индуктор, а он запитан от сварочного ВЧ-инвертора на 15-25 А. Вариант – из термостойкого пластика делают пустотелый бублик (тор), по патрубкам пропускают через него воду, а для нагрева обматывают шиной, образующий свернутый в кольцо индуктор.

ЭМП передаст свою энергию воде хорошо; та обладает неплохой электропроводностью и аномально высокой (80) диэлектрической проницаемостью. Вспомните, как стреляют в микроволновке оставшиеся на посуде капельки влаги.

Но, во-первых, для полноценного обогрева квартиры или частного дома зимой нужно не менее 20 кВт тепла, при тщательном утеплении снаружи. 25 А при 220 В дают всего 5,5 кВт (а сколько это электричество стоит по нашим тарифам?) при 100% КПД. Ладно, пусть мы в Финляндии, где электричество дешевле газа. Но лимит потребления на жилье – все равно 10 кВт, а за перебор нужно платить по увеличенному тарифу. И квартирная проводка 20 кВт не выдержит, нужно тянуть отдельный фидер от подстанции. Во что такая работа обойдется? Если еще электрикам далеко до перебора мощности по району и они ее разрешат.

Затем, сам теплообменник. Он должен быть или металлическим массивным, тогда будет действовать только индукционный нагрев металла, или из пластика с низкими диэлектрическими потерями (пропилен, между прочим, к таким не относится, годится только дорогой фторопласт), тогда вода непосредственно поглотит энергию ЭМП. Но в любом случае выходит, что индуктор греет весь объем теплообменника, а воде тепло отдает только внутренняя его поверхность.

В итоге, ценой больших трудов с риском для здоровья, получаем бойлер с КПД пещерного костра.

Индукционный котел отопления промышленного изготовления устроен совсем по-иному: просто, но в домашних условиях невыполнимо, см. рис. справа:

Схема индукционного водогрейного котла

  • Массивный медный индуктор подключается непосредственно к сети.
  • Его ЭМП греет также массивный металлический лабиринт-теплообменник из ферромагнитного металла.
  • Лабиринт одновременно изолирует индуктор от воды.

Стоит такой бойлер в несколько раз дороже обычного с ТЭНом, и пригоден для установки только на пластиковые трубы, но взамен дает массу выгод:

  1. Никогда не сгорает – в нем нет раскаленной электроспирали.
  2. Массивный лабиринт надежно экранирует индуктор: ППЭ в непосредственной близости от 30 кВт индукционного бойлера – ноль.
  3. КПД – более чем 99,5%
  4. Абсолютно безопасен: собственная постоянная времени обладающей большой индуктивностью катушки – более 0,5 с, что в 10-30 раз больше времени срабатывания УЗО или автомата. Его еще ускоряет «отдача» от переходного процесса при пробое индуктивности на корпус.
  5. Сам же пробой вследствие «дубовости» конструкции исключительно маловероятен.
  6. Не требует отдельного заземления.
  7. Безразличен к удару молнии; сжечь массивную катушку ей не под силу.
  8. Большая поверхность лабиринта обеспечивает эффективный теплообмен при минимальном температурном градиенте, что почти исключает образование накипи.
  9. Огромная долговечность и простота пользования: индукционный бойлер совместно с гидромагнитной системой (ГМС) и фильтром-отстойником работает без обслуживания не менее 30 лет.

О самодельных котлах для ГВС

Схема индукционного водонагревателя для ГВС

Здесь на рис. приведена схема маломощного индукционного нагревателя для систем ГВС с накопительным баком. В ее основе – любой силовой трансформатор на 0,5-1,5 кВт с первичной обмоткой на 220 В. Очень хорошо подходят сдвоенные трансформаторы от старых ламповых цветных телевизоров – «гробов» на двухстержневом магнитопроводе типа ПЛ.

Вторичную обмотку с таких снимают, первичку перематывают на один стержень, увеличив количество ее витков для работы в режиме, близком к КЗ (короткому замыканию) по вторичке. Сама же вторичная обмотка – вода в U-образном колене из трубы, охватывающем другой стержень. Пластиковая труба или металлическая – на промчастоте все равно, но металлическая должна быть изолирована от остальной системы диэлектрическими вставками, как показано на рис, чтобы вторичный ток замыкался только через воду.

В любом случае такая водогрейка опасна: возможная протечка соседствует с обмоткой под сетевым напряжением. Если уж идти на такой риск, то в магнитопроводе нужно насверлить отверстие под болт-заземлитель, и прежде всего наглухо, в грунт, заземлить трансформатор и бак стальной шиной не менее 1,5 кв. см. (не кв. мм!).

Далее трансформатор (он должен располагаться непосредственно под баком), с подключенным к нему сетевым проводом в двойной изоляции, заземлителем и водогрейным витком заливают в одну «куклу» силиконовым герметиком, как моторчик помпы аквариумного фильтра. Наконец, крайне желательно весь агрегат подключить к сети через быстродействующее электронное УЗО.

Видео: «индукционный» котел на основе бытовой плитки

Индуктор на кухне

Варочная индукционная плита

Индукционные варочные поверхности для кухни стали уже привычными, см. рис. По принципу действия это та же индукционная печка, только в роли короткозамкнутой вторичной обмотки выступает днище любой металлической варочной посудины, см. рис. справа, а не только из ферромагнитного материала, как часто не знаючи пишут. Просто алюминиевая посуда выходит из употребления; медики доказали, что свободный алюминий – канцероген, а медная и оловянная давно уже не в ходу по причине токсичности.

Бытовая индукционная плитка – порождение века высоких технологий, хотя идея ее зародилась одновременно с индукционными плавильными печами. Во-первых, для изоляции индуктора от стряпни понадобился прочный, стойкий, гигиеничный и свободно пропускающий ЭМП диэлектрик. Подходящие стеклокерамические композиты появились в производстве сравнительно недавно, и на долю верхней пластины плиты приходится немалая доля ее стоимости.

Схема кухонной индукционной плиты

Затем, все варочные посудины разные, а их содержимое изменяет их электрические параметры, и режимы приготовления блюд тоже разные. Осторожным подкручиванием ручек до нужной моды тут и специалист не обойдется, нужен высокопроизводительный микроконтроллер. Наконец, ток в индукторе должен быть по санитарным требованиям чистой синусоидой, а его величина и частота должны сложным образом меняться сообразно степени готовности блюда. То есть, генератор должен быть с цифровым формированием выходного тока, управляемым тем самым микроконтроллером.

Делать кухонную индукционную плиту самому нет смысла: на одни только электронные компоненты по розничным ценам денег уйдет больше, чем на готовую хорошую плитку. И управлять этими приборами пока еще сложновато: у кого есть, тот знает, сколько там кнопочек или сенсоров с надписями: «Рагу», «Жаркое» и т.п. Автор этой статьи видал плитку, где значилось отдельно «Борщ флотский» и «Суп претаньер».

Тем не менее, индукционные плиты имеют массу преимуществ перед прочими:

  • Почти нулевая, в отличие от микроволновок, ППЭ, хоть сам на эту плитку садись.
  • Возможность программирования для приготовления самых сложных блюд.
  • Растопка шоколада, вытапливание рыбьего и птичьего жира, приготовление карамели без малейших признаков пригорания.
  • Высокая экономичность как следствие быстрого нагрева и почти полного сосредоточения тепла в варочной посуде.

Разогрев варочной посуды на индукционной плите и газовой конфорке

К последнему пункту: взгляните на рис. справа, там графики разогрева стряпни на индукционной плите и газовой конфорке. Кто знаком с интегрированием, тот сразу поймет, что индуктор на 15-20% экономичнее, а с чугунным «блином» его можно и не сравнивать. Затраты денег на энергоноситель при приготовлении большинства блюд для индукционной плиты сравнимы с газовой, а на тушение и варку густых супов даже меньше. Индуктор пока уступает газу только при выпечке, когда необходим равномерный прогрев со всех сторон.

Видео: неудавшийся индукционный нагреватель из кухонной плиты

В заключение

Итак, индукционные электроприборы для подогрева воды и приготовления пищи лучше покупать готовые, дешевле и проще выйдет. А вот завести самодельную индукционную тигельную печку в домашней мастерской не помешает: станут доступными тонкие способы плавки и термообработки металлов. Нужно только помнить о ППЭ с СВЧ и строго соблюдать правила конструирования, изготовления и эксплуатации.

Обсуждение темы "Индукционная печь"

clubpechnikov.ru

Индукционная электрическая печь - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Индукционная электрическая печь

Cтраница 1

Индукционные электрические печи или установки представляют собой наиболее прогрессивный способ электрического нагрева. Сущность нагрева состоит в том, что в переменное магнитное поле помещается заготовка, в которой индуктируется электродвижущая сила и металл нагревается переменным током.  [1]

Индукционные электрические печи используются для выплавки высококачественных сталей и сплавов со специальными свойствами.  [2]

Индукционные электрические печи или установки представляют собой наиболее прогрессивный способ электрического нагрева. Сущность нагрева состоит в том, что в переменное магнитное поле помещается заготовка, в которой индуктируется электродвижущая сила и металл нагревается переменным током.  [3]

Индукционные электрические печи без сердечника применяют в основном для плавки высококачественных сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов меди, магния, никеля и др. По сравнению с индукционными нагревательными устройствами со стальным сердечником эти печи являются более совершенными и универсальными. Для подключения этих печей к источникам переменного тока с частотой 50 Гц необходимо иметь специальные генераторы ( машинные или электронные), позволяющие преобразовывать ток промышленной частоты в переменный ток повышенной и высокой частоты. К генератору повышенной или высокой частоты подключается обмотка индуктора. Проходящий ток создает переменный магнитный поток, пронизывающий металл шихты ( нагреваемый объект) и наводящий в нем индукционные ( вихревые) токи, нагревающие шихту.  [4]

Индукционная электрическая печь без сердечника ( рис. 7.8) состоит из огнеупорного тигля 1, на внешней поверхности которого располагаются катушки индуктора 2, питаемые от источника переменного тока. При подключении катушек индуктора к источнику питания в металле наводятся индукционные токи, которые нагревают металл. Вследствие взаимодействия токов в индукторе и индукционных токов, возникаемые электродинамические усилия выдавливают металл от периферии к центру, поверхность металла вспучивается, что способствует циркуляции расплавленного металла. Электрическая печь имеет механизмы загрузки и наклона печи, съема крышки, снабженные электрическим приводом. Для повышения коэффициента мощности индукционных печей устанавливаются батареи косинусных конденсаторов. Гц осуществляется от синхронных генераторов.  [5]

В индукционной электрической печи нагрев материала производится за счет индукции, возбуждающей токи внутри заготовки, помещенной в индукторе ( соленоиде), питаемом током промышленной или повышенной ( до 10 кгц) частоты. Схема вакуумной индукционной печи показана на фиг. Преимущество индукционного метода нагрева заключается в возможности нагрева металла с большой скоростью, а также в наличии вихревых токов в расплавленном металле. Давление в период нагрева и расплавления металла - Ю-2 мм рт. ст., в период рафинировки - 10 - 3 мм рт. ст. Этот способ дает очень равномерный нагрев металла. Недостатком индукционных печей является необходимость увеличивать частоту тока по мере уменьшения размеров куска металла.  [6]

В индукционной электрической печи материал нагревается током, возбуждаемым внутри заготовки. При расчете индукционных вакуумных плавильных печей нужно учитывать специфику процесса: тепло выделяется непосредственно в самом металле, который, в свою очередь, нагревает тигель и футеровку печи. Преимущество индукционного метода нагрева заключается в возможности нагрева металла с большой скоростью, а также в наличии вихревых токов в расплавленном металле. Этот способ дает очень равномерный нагрев металла.  [8]

В индукционных электрических печах используется свойство вихревых токов нагревать массивные электропроводящие материалы.  [9]

Реакцию проводят индукционной электрической печи при 1000 С.  [10]

Пресс оборудуется индукционной электрической печью промышленной частоты, в которой обточенные алюминиевые слитки должны нагреваться так, чтобы один конец слитка имел температуру около 500, а другой 400 С; при этом после выгрузки из печи слиток загружается в рабочий цилиндр менее нагретой стороной, обращенной к штоку. Применение неравномерно нагретых слитков облегчает процесс выпрессования оболочек, так как в этом случае, возможно не потребуются герметизация рабочего цилиндра с помощью специальной алюминиевой шайбы и вакуумирование его, как это делается в настоящее время на других алюминиевых прессах. При прессовании неравномерно нагретых слитков воздух должен вытесняться из цилиндра алюминием, который в нижней части слитка будет плотно прилегать к стенке рабочего цилиндра.  [11]

Плавка в дуговых и индукционных электрических печах. Такая плавка является важнейшим способом получения стали высокого качества для производства ответственных деталей машин и инструментов. Она имеет ряд преимуществ перед мартеновской и кислородно-конвертерной.  [12]

Реакцию проводят в индукционной электрической печи при 1000 С.  [13]

Основные данные, характеризующие индукционные электрические печи МГП приведены в габл.  [15]

Страницы:      1    2    3

www.ngpedia.ru

Индукционная печь | Индукционные нагреватели

Для нагрева и плавки железной руды и металлов сталелитейная промышленность применяет различные типы печей для переработки металла. По виду применяемого топлива индукционные печи бывают – пламенные, к ним относятся мартеновские, доменные, шахтные, газовые тигельные, и печи для плавки металла с электрическим нагревом. Электропечи имеют классификацию, которая зависит от метода конвертации электрической энергии в тепловую. Одним из таких методов является плавка металлов в среде индуктивного магнитного поля.

Устройство и принцип работы индукционных печей

Впервые, свойство индуктивного нагрева было описано уравнением Максвелла, а затем разработано на практике английским физиком Майклом Фарадеем. Пионерами постройки индуктивных плавильных печей были англичане, в 1890 году была возведена ИП печь, но из-за отсутствия мощных источников электроэнергии не имели широкого распространения. Вначале ΧΧ века происходит скачок индустрии, появляются мощные генераторы электроэнергии с токами высокой частоты, которые смогли полностью обеспечивать все параметры индукционных печей. Конструкция индукционного нагревателя представляет собой многовитковую катушку цилиндрической формы, которая называется индуктором, через него пропускается электрическое напряжение переменного тока, вследствие чего возникают магнитные поля, возбуждающие вихревые токи. Во внутреннее пространство индуктора помещается сосуд, или емкость, в которой находится металл или руда. Под воздействием магнитного поля и вихревых токов в металле повышается сопротивление, что по всем законам физики вызывает его нагрев и за счет этого происходит процесс плавки. Мощность индукционных плавильных печей зависит от величины подаваемого напряжения и частоты электрического тока. Эта зависимость применяется в типах индукционных печей – нагревательные установки для термической обработки и плавильные печи.

Особенности применения индуктивных нагревателей

Конструктивная схема индуктивных печей имеет свои особенности, которых нет в других конструкциях печей.

  1. Передача электрической энергии к нагреваемому объекту происходит без контакта с электроустановкой.
  2. Выделение тепла происходит непосредственно в месте нагрева, что позволяет максимально использовать энергию образующегося тепла.
  3. Высокая скорость нагрева объекта, помещенного в индуктор.

 Индукционные печи для плавки металлов значительно меньше потребляют электроэнергию. Так как этот метод нагрева происходит непосредственно в среде металла, это позволяет получать их сплавы различных марок и свойств фактически не имеющих примесей и получать отливки равномерные по химическому составу. В индукционных печах можно плавить различные типы металлов, это стали различных марок, высококачественный чугун, цветные металлы.Особенность конструкции ИП нагревателей, это малая масса футеровки индукционной печи по сравнению с массой металла, в связи, с чем снижается тепловая энергия печи, позволяет производить плавку периодически, что исключается в печах других конструкций.

 К недостаткам индукционных печей можно отнести следующие факторы:

  • дорогое и сложное в изготовление электрическое оборудование;
  • наличие «холодных» шлаков, которые затрудняют процесс рафинации металла, этот метод термообработки используется при изготовлении высококачественных сталей.
  • от резкого перепада температур, низкая долговечность футеровки.

 Применение индукционных нагревательных печей позволяет автоматизировать процессы плавки, получать высоко легирующие металлы, обеспечивать хорошие условия труда для обслуживающего персонала. К тому же максимально снижается загрязнение окружающей среды.

Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter

xn--h1afsf5c.xn--p1ai

7.1.3. ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ. История электротехники

7.1.3. ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ

Начальный период. Индукционный нагрев проводников основан на физическом явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1831 г. Теорию индукционного нагрева начали разрабатывать О. Хэвисайд (Англия, 1884 г.), С. Ферранти, С. Томпсон, Ивинг. Их работы явились основой для создания техники индукционного нагрева. Так как при индукционном нагреве теплота выделяется в проводящем теле — слое, равном глубине проникновения электромагнитного поля, то появляются возможности точного управления температурой для обеспечения качественного нагрева при высокой производительности. Другим преимуществом является бесконтактность нагрева.

Индукционные канальные печи с открытым каналом. Одна из первых известных конструкций индукционной канальной печи (ИКП) была предложена С. Ферранти (Италия) в 1887 г. Печь имела керамический канал, а плоские катушки индуктора были размещены над и под этим каналом. В 1890г. Е.А. Колби (США) предложил конструкцию печи, у которой индуктор охватывает круговой канал снаружи.

Первую промышленную печь со стальным сердечником и индуктором, размещенным внутри канала (рис. 7.7), создал в 1900 г. Кьеллин (Швеция). Мощность печи 170 кВт, емкость до 1800 кг, частота 15 Гц. Питание от специального генератора пониженной частоты, что необходимо из-за низкого значения коэффициента мощности. К 1907 г. в эксплуатации находились 14 подобных печей.

Рис. 7.7. Эскиз индукционной печи с открытым каналом, созданной Кьеллииым1 — канал; 2 — индуктор; 3 — магнитопровод

В 1905 г. Рёхелинг-Роденхаузер (Германия) сконструировал многофазные канальные печи (с двумя и тремя индукторами), в которых каналы соединены с ванной, питание от сети 50 Гц. В последующих конструкциях печей использовались также закрытые каналы для плавки цветных металлов. В 1918 г. В. Рон (Германия) построил вакуумную ИКП по типу печи Кьеллина (давление 2–5 мм рт.ст.), что позволило получить металл с лучшими механическими свойствами.

В связи с рядом преимуществ печей с закрытым каналом развитие печей с открытым каналом приостановилось. Однако были продолжены попытки использования таких печей для плавки стали.

В 30-х годах в США для переплава скрапа нержавеющей стали использовалась однофазная ИКП емкостью 6 т с открытым каналом и питанием от генератора мощностью 800 кВт и частотой 8,57 Гц. Печь работала в дуплекс-процессе с дуговой печью. В 40–50-е годы в Италии применялись ИКП с открытым каналом для плавки стали емкостью 4–12 т, изготовленные фирмой «Таглиаферри». В дальнейшем от использования таких печей отказались, так как они уступали по своим характеристикам дуговым и индукционным тигельным сталеплавильным печам.

Индукционные канальные печи с закрытым каналом. С 1916 г. стали разрабатываться вначале опытные, а затем промышленные ИКП с закрытым каналом. Серия ИКП с закрытым каналом разработана фирмой «Аякс — Уатт» (США). Это шахтные однофазные печи с вертикальным каналом для плавки медноцинковых сплавов мощностью 75 и 170 кВ?А и емкостью 300 и 600 кг. Они явились основой для разработок ряда фирм.

В те же годы во Франции были изготовлены шахтные печи с горизонтальной трехфазной индукционной единицей (мощностью 150, 225 и 320 кВт). В Англии фирма «Дженерал электрик лимитед» предложила модификацию печи с двумя каналами на индуктор, при их несимметричном расположении, что вызывает циркуляцию расплава и снижение перегрева.

Печи Э. Русса (Германия) выпускались с двумя и тремя каналами на индуктор (вертикальное и горизонтальное исполнение). Э. Руссом также была предложена конструкция сдвоенной индукционной единицы (ИЕ), подключаемой к двум фазам.

В СССР в 30-е годы ИКП по типу печей фирмы «Аякс — Уатт» стали выпускаться на Московском электрозаводе. В 50-е годы ОКБ «Электропечь» разработало печи для плавки меди и ее сплавов емкостью 0, 4–6,0 т, а затем и 16 т. В 1955 г. на заводе в г. Белая Калитва пущена ИКП для плавки алюминия емкостью 6 т.

В 50-е годы в США и Западной Европе ИКП стали широко применяться в качестве миксеров при плавке чугуна в дуплекс-процессе с вагранкой или дуговой электропечью. Для увеличения мощности и снижения перегрева металла в канале разрабатывались конструкции ИЕ с однонаправленным движением расплава (Норвегия). Тогда же были разработаны отъемные ИЕ. В 70-е годы фирма «Аякс магнетермик» разработала сдвоенные ИЕ, мощность которых в настоящее время достигает 2000 кВт. Подобные разработки в те же годы выполнены и во ВНИИЭТО. В разработках ИКП различных типов активно участвовали Н.В. Веселовский, Э.П. Леонова, М.Я. Столов и др.

В 80-е годы развитие ИКП в нашей стране и за рубежом было направлено на увеличение областей применения и расширение технологических возможностей, например применение ИКП для получения труб из цветных металлов методом вытягивания из расплава.

Индукционные тигельные печи. Так как индукционные тигельные печи (ИТП) малой емкости могут эффективно работать только на частотах выше 50 Гц, то их создание сдерживалось из-за отсутствия соответствующих источников питания — преобразователей частоты. Тем не менее в 1905–1906 гг. ряд фирм и изобретателей предложили и запатентовали ИТП, к ним относятся фирма «Шнейдер — Крезо» (Франция), О. Цандер (Швеция), Герден (Англия). В это же время конструкцию ИТП разработал А.Н. Лодыгин (Россия).

Первую промышленную ИТП с искровым высокочастотным генератором разработал в 1916 г. Э.Ф. Нортруп (США). С 1920 г. эти печи стала выпускать фирма «Аякс электротермию). В это же время ИТП с питанием от вращающегося искрового разрядника разрабатывает Ж. Рибо (Франция). Фирма «Метрополитен — Виккерс» создала ИТП высокой и промышленной частоты. Вместо искровых генераторов использовались машинные преобразователи с частотой до 3000 Гц и мощностью 150 кВ?А.

В.П. Вологдин в 1930–1932 гг. создал промышленные ИТП емкостью 10 и 200 кг с питанием от машинного преобразователя частоты. В 1937 г. он же построил ИТП с питанием от лампового генератора. В 1936 г. А.В. Донской разработал универсальную индукционную печь с ламповым генератором мощностью 60 кВ?А.

В 1938 г. для питания ИТП (мощность 300 кВт, частота 1000 Гц) фирма «Броун — Бовери» использовала инвертор на многоанодном ртутном вентиле. С 60-х годов стали использоваться тиристорные инверторы для питания индукционных установок. С увеличением емкости ИТП стало возможным эффективное применение питания током промышленной частоты.

В 40–60-х годах ОКБ «Электропечь» разработало несколько типов ИТП: повышенной частоты для плавки алюминия емкостью 6 т (1959 г.), чугуна емкостью 1 т (1966 г.). В 1980 г. на заводе в г. Баку изготовлена печь емкостью 60 т для плавки чугуна (разработка ВНИИЭТО по лицензии фирмы «Броун — Бовери»). Большой вклад в разработку ИТП во ВНИИЭТО внесли Э.П. Леонова, В.И. Кризенталь, А.А. Простяков и др.

В 1973 г. фирма «Аякс магнетермик» совместно с исследовательской лабораторией фирмы «Дженерал моторе» разработала и ввела в эксплуатацию горизонтальную тигельную печь непрерывного действия для плавки чугуна емкостью 12 т и мощностью 11 МВт.

Начиная с 50-х годов стали развиваться специальные виды индукционной плавки металлов:

вакуумная в керамическом тигле;

вакуумная в гарнисаже;

вакуумная в холодном тигле;

в электромагнитном тигле;

во взвешенном состоянии;

с использованием комбинированного нагрева.

Вакуумные индукционные печи (ВИП) до 1940 г. применялись только в лабораторных условиях. В 50-х годах некоторые фирмы, в частности «Хереус», стали разрабатывать промышленные ВИП, единичная емкость которых стала быстро возрастать: 1958 г. — 1–3 т, 1961–5 т, 1964–15–27 т, 1970–60 т. В 1947 г. МосЗЭТО изготовил первую вакуумную печь емкостью 50 кг, а с 1949 г. начал серийное производство ВИП емкостью 100 кг. В середине 80-х годов производственное объединение «Сибэлектротерм» по разработкам ВНИИЭТО изготавливало модернизированные ВИП емкостью 160, 600 и 2500 кг для плавки специальных сталей.

Индукционная плавка химически активных сплавов в гарнисажных печах и печах с медным водоохлаждаемым (холодным) тиглем стала применяться в 50-х годах. Печь с порошкообразным гарнисажем была разработана Н.П. Глухановым, Р.П. Жежериным и др. в 1954 г., а печь с монолитным гарнисажем — М.Г. Коганом в 1967 г. Идея индукционной плавки в холодном тигле предложена еще в 1926 г. в Германии фирмой «Сименс — Гальске», но применения не нашла. В 1958 г. В ИМЕТ совместно с ВНИИ токов высокой частоты им. В.П. Вологдина (ВНИ-ИТВЧ) под руководством А.А. Фогеля проведены опыты по индукционной плавке титана в холодном тигле.

Стремление снизить загрязнение металла и тепловые потери в холодном тигле привели к использованию электромагнитных сил для отжатия металла от стенок, т.е. к созданию «электромагнитного тигля» (Л.Л. Тир, ВНИИЭТО, 1962 г.)

Плавка металлов во взвешенном состоянии для получения особо чистых металлов была предложена в Германии (О. Мук) еще в 1923 г., но не получила распространения из-за отсутствия источников питания. В 50-е годы этот метод начал развиваться во многих странах. В СССР много работали в этом направлении сотрудники ВНИИТВЧ под руководством А.А. Фогеля.

Плавильные ИКП и ИТП комбинированного нагрева стали применяться с 50-х годов вначале с использованием мазутных и газовых горелок, например ИКП для переплава алюминиевой стружки (Италия) и ИТП для чугуна (Япония). Позднее получили распространение плазменно-индукционные тигельные печи, например разработанная ВНИИЭТО в 1985 г. серия опытно-промышленных печей емкостью 0,16–1,0 т.

Установки индукционной поверхностной закалки. Первые опыты по индукционной поверхностной закалке проведены в 1925 г. В.П. Вологдиным по инициативе инженера Путиловского завода Н.М. Беляева, которые были признаны неудачными, так как в то время стремились к сквозной закалке. В 30-х годах В.П. Вологдин и Б.Я. Романов возобновили эти работы и в 1935 г. получили патенты на закалку с использованием токов высокой частоты. В 1936 г. В.П. Вологдин и А.А. Фогель получили патент на индуктор для закалки шестерен. В.П. Вологдин и его сотрудники разрабатывали все элементы закалочной установки: вращающийся преобразователь частоты, индукторы и трансформаторы (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Закалочная установка для последовательной закалки

1 — закаливаемое изделие; 2 — индуктор; 3 — закалочный трансформатор; 4 — преобразователь частоты; 5 — конденсатор 

С 1936 г. Г.И. Бабат и М.Г. Лозинский на заводе «Светлана» (Ленинград) исследовали процесс индукционной закалки с использованием высоких частот при питании от лампового генератора. С 1932 г. закалка током средней частоты стала внедряться фирмой ТОККО (США).

В Германии в 1939 г. Г.В. Зойлен осуществил поверхностную закалку коленчатых валов на заводах фирмы АЕГ. В 1943 г. К. Кегель предложил специальную форму индуктирующего провода для закалки зубчатого колеса.

Широкое применение поверхностной закалки началось с конца 40-х годов. За 25 лет с 1947 г. ВНИИТВЧ разработал свыше 300 закалочных устройств, в том числе введены в эксплуатацию автоматическая линия для закалки коленчатых валов и установка для закалки железнодорожных рельсов по всей длине (1965 г.). В 1961 г. пущена первая установка для закалки шестерен из стали пониженной прокаливаемости на автозаводе им. Лихачева (ЗИЛ) (технология разработана К.З. Шепеляковским).

Одним из направлений развития индукционной термообработки в последние годы стали технологии закалки и отпуска труб нефтяного сортамента и газопроводных труб большого диаметра (820–1220 мм), строительных арматурных стержней, а также упрочнения железнодорожных рельсов.

Установки сквозного нагрева. Применение индукционного нагрева металлов для различных целей, кроме плавки, на первом этапе носило поисковый характер. В 1918 г. М.А. Бонч-Бруевич, а затем и В.П. Вологдин применили для нагрева анодов электронных ламп при их вакуумировании (дегазации) токи высокой частоты. В конце 30-х годов в лаборатории завода «Светлана» проводились опыты по использованию индукционного нагрева до температуры 800–900°С при обработке стального вала диаметром 170 и длиной 800 мм на токарном станке. Использовался ламповый генератор мощностью 300 кВт и частотой 100–200 кГц.

С 1946 г. в СССР начались работы по использованию индукционного нагрева при обработке давлением. В 1949 г. введен в эксплуатацию первый кузнечный нагреватель на ЗИЛе (ЗИСе). Эксплуатация первой индукционной кузницы начата на Московском заводе малолитражных автомобилей (МЗМА, позднее АЗЛК) в 1952 г. Интересная двухчастотная установка (60 и 540 Гц) для нагрева стальных заготовок (сечение — квадрат 160x160 мм) под обработку давлением была запущена в Канаде в 1956 г. Подобная же установка разработана в ВНИИТВЧ (1959 г.). Промышленная частота используется при этом для нагрева до точки Кюри.

Для прокатного производства в 1963 г. ВНИИТВЧ изготовил нагреватель слябов (габариты 2,5x0,38x1,2 м) мощностью 2000 кВт на частоту 50 Гц.

В 1969 г. на металлургическом заводе фирмы «Маклаут стил корп.» (США) применен индукционный нагрев стальных слябов массой около 30 т (габариты 7,9x0,3x1,5 м) с использованием шести технологических линий (18 индукторов промышленной частоты общей мощностью 210 МВт).

Индукторы имели специальную форму, обеспечивающую равномерность нагрева сляба. Работы по применению индукционного нагрева в металлургии велись также и во ВНИИЭТО (П.М. Чайкин, С.А. Яицков, А.Э. Эрман).

В конце 80-х годов в СССР индукционный нагрев использовался приблизительно в 60 кузнечных цехах (прежде всего на заводах автотракторной и оборонной промышленности) с общей мощностью индукционных нагревателей до 1 млн. кВт.

Низкотемпературный нагрев на промышленной частоте. В 1927–1930 гг. на одном из уральских оборонных заводов начались работы по индукционному нагреву на промышленной частоте (Н.М. Родигин). В 1939 г. там с успехом работали достаточно мощные индукционные нагревательные установки для термообработки изделий из легированной стали.

В ЦНИИТмаше (В.В. Александров) также проводились работы по применению промышленной частоты для термообработки, нагрева под посадку и т.д. Ряд работ по низкотемпературному нагреву выполнен под руководством А.В. Донского. В НИИжелезобетона (НИИЖБ), Фрунзенском политехническом институте и других организациях в 60–70-х годах проводились работы по термообработке железобетонных изделий с использованием индукционного нагрева на частоте 50 Гц. ВНИИЭТО также разработал ряд промышленных установок низкотемпературного нагрева для подобных целей. Разработки МЭИ (А.Б. Кувалдин) в области индукционного нагрева ферромагнитной стали были использованы в установках для подогрева деталей под наплавку, термообработки стали и железобетона, обогрева химических реакторов, пресс-форм и др. (70–80-е годы).

Высокочастотная зонная плавка полупроводников. Метод зонной плавки был предложен в 1952 г. (В.Г. Пфанн, США). Работы по высокочастотной бестигельной зонной плавке в нашей стране начались в 1956 г., и во ВНИИТВЧ был получен монокристалл кремния диаметром 18 мм. Созданы различные модификации установок типа «Кристалл» с индуктором внутри вакуумной камеры (Ю.Э. Недзвецкий). В 50-е годы изготовление установок для вертикальной бестигельной зонной плавки кремния с индуктором снаружи вакуумной камеры (кварцевой трубы) осуществлялось на заводе «Платиноприбор» (Москва) совместно с Государственным институтом редких металлов (Гиредмет). Начало серийного производства установок «Кристалл» для выращивания монокристаллов кремния относится к 1962 г. (на Таганрогском ЗЭТО). Диаметр получаемых монокристаллов достиг 45 мм (1971 г.), а позднее и свыше 100 мм (1985 г.)

Высокочастотная плавка оксидов. В начале 60-х годов Ф.К. Монфорт (США) провел плавку оксидов в индукционной печи (выращивание монокристаллов ферритов при использовании токов высокой частоты — радиочастот). Тогда же А.Т Чэпмен и Г.В. Кларк (США) предложили технологию переплавления поликристаллического оксидного блока в холодном тигле. В 1965 г. Ж. Рибо (Франция) получил расплавы оксидов урана, тория и циркония при использовании радиочастот. Плавка этих оксидов происходит при высоких температурах (1700–3250 °С), и поэтому требуется большая мощность источника питания.

В СССР технология высокочастотной плавки оксидов разработана в Физическом институте АН СССР (A.M. Прохоров, В.В. Осико). Оборудование разрабатывали ВНИИТВЧ и Ленинградский электротехнический институт (ЛЭТИ) (Ю.Б. Петров, А.С. Васильев, В.И. Добровольская). Созданные ими установки «Кристалл» в 1990 г. имели общую мощность свыше 10 000 кВт, на них производились сотни тонн оксидов высокой степени чистоты в год.

Высокочастотный нагрев плазмы. Явление высокочастотного разряда в газе известно с 80-х годов XIX в. В 1926–1927 гг. Дж.Дж. Томсон (Англия) показал, что безэлектродный разряд в газе создается индуцированными токами, а Дж. Таунсенд (Англия, 1928 г.) объяснял разряд в газе действием электрического поля. Все эти исследования проводились при пониженных давлениях.

В 1940–1941 гг. Г.И. Бабат на заводе «Светлана» при дегазации электронных ламп с использованием высокочастотного нагрева наблюдал плазменный разряд, а затем впервые получил разряд при атмосферном давлении.

В 50-е годы в разных странах проводились работы по высокочастотной плазме (Т.Б. Рид, Ж. Рибо, Г. Баркхофф и др.). В СССР они велись с конца 50-х годов в Ленинградском политехническом институте (А.В. Донской, С.В. Дресвин), МЭИ (М.Я. Смелянский, С.В. Кононов), ВНИТВЧ (И.П. Дашкевич) и др. Исследовались разряды в различных газах, конструкции плазмотронов и технологии с их использованием. Были созданы высокочастотные плазмотроны с кварцевой и с металлической (для мощностей до 100 кВт) водоохлаждаемой (создана в 1963 г.) камерами.

В 80-х годах высокочастотные плазмотроны мощностью до 1000 кВт на частоты 60 кГц — 60 МГц применялись для получения особо чистого кварцевого стекла, пигментного диоксида титана, новых материалов (например, нитридов и карбидов), особо чистых ультрадисперсных порошков и разложения отравляющих веществ.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru

Диссертация на тему «Разработка и исследование индукционных установок косвенного нагрева в технологических комплексах транспортировки нефти» автореферат по специальности ВАК 05.09.10 - Электротехнология

1. Агапкин В.М., Кривошеин Б.Л., Юфин В.А. Тепловой и гидравлический расчеты трубопроводов для нефти и нефтепродуктов. М., Недра, 1981, 256 с.

2. Агапкин В.М., Кривошеин Б.Л. Применение тепловой изоляции при транспорте и хранении нефти и нефтепродуктов. М., изд. ВНИИОЭНГ, 1978.

3. Андреев Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов. М.: Машиностроение, 1983.-231 с.

4. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования.: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1984. -248 с.

5. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. М.: Наука, 1978.-486с.

6. А.А. Базаров, В.А. Данилушкин, А.Н. Крылов. Синтез оптимальных алгоритмов управления процессом непрерывного индукционного нагрева ферромагнитной загрузки. Труды АЭНЧР, №1/2003, стр.88 91.

7. Брахман Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернативы в технике. М.: Радио и связь, 1984. - 288 с.

8. Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел А. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987.-481с.

9. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. М.: Энергия, 1967. — 415с.

10. Геминтерн В.И., Коган Б.М., Методы оптимального проектирования. М.: Энергия, 1980. - 160 с.

11. Губин В.Е. Губин В.В. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. М., Недра, 1982,296 с.

12. Губин В.В., Тонкошнуров Б.А. Исследование нестационарного режима прогрева грунта горячим подземным нефтепроводом. В кн. Трубопроводный транспорт нефта (ВНИИСПТнефть. Тр. Вып. XVIII), 1977.-е. 17-22

13. Данилушкин А.И., Зимин Л.С. Идентификация процесса низкотемпературного индукционного нагрева при обработке полимерных материалов. // Ж-л

14. Вестник Самарского технического университета.» Серия «Технические науки.» №1, 1994, с. 171-177.

15. Данилушкин А.И., Шумаков М.А. Оптимизация нестационарных режимов работы индукционного нагревателя непрерывного действия для нагрева нефтепродуктов. // Ж-л «Вестник Самарского технического университета » Серия «Технические науки.» №13 2001, с. 46-49.

16. Данилушкин А.И. Структурное моделирование процессов и систем управления одного класса объектов индукционного нагрева. // Ж-л «Вестник Самарского государственного технического университета» Серия «Технические науки», Вып.5 1998, с. 120-129.

17. Данилушкин В.А., Осипов О.О. Комплексная система автоматического регулирования режимами индукционного нагрева в линии раскатки колец. Труды молодых исследователей технического университета. Самара, СамГТУ, 2001, с. 82-86.

18. Данилушкин В.А, Калашников С.А., Шумаков М.А. Применение индукционных нагревателей в трубопроводном транспорте высоковязких нефтей. //

19. Ж-л «Вестник Самарского технического университета.» Серия «Технические науки.» №14,2002, с. 178-181.

20. Данилушкин В.А. Калашников С.Н. Индукционный подогрев высоковязких нефтей при транспортировке по трубопроводам // Разработка, эксплуатация и обустройство нефтяных месторождений: Тр. ОАО Гипровостокнефти, Самара, 2002, с. 195-200.

21. В.А. Данилушкин. Оптимизация переходных режимов1 непрерывного индукционного нагревателя с ферромагнитной загрузкой // Электро теплотехнические процессы и установки // Межвузовский научный сборник - Саратов- 2003. стр. 84-88.

22. В.А. Данилушкин, Д.А. Зиннатуллин. Расчет и анализ индукционных нагревателей для транспортировки нефти // Разработка, эксплуатация и обустройство нефтяных месторождений: Тр. ОАО Гипровостокнефти, Вып. 62, Самара, 2003, стр. 115-122.

23. Дегтярев В.Н. Смешение парафинистых нефтей. М., ВНИИОЭНГ,1972.

24. Демидович В.Б. Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности: Автореферат дис. . докт. техн. наук. Спб.,2002. - 32 с.

25. Демирчян К.С., Чегурин В.Л. Машинные расчёты электромагнитных полей. М.: Высшая школа. 1986. - 240 с.

26. Демирчян К.С., Солнышкин Н.И. Расчет трехмерных магнитных полей методом конечных элементов // Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт. 1975. -№ 5.-с. 39-49.

27. Довбыш В.Н. Оптимальное проектирование электротермической установкидля утилизации взрывателей: Автореф. дисс.канд. техн. наук. Самара.,2003. -20 с.

28. Егоров А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. М.: Наука, 1978. 464 с.38а. Заливин Н.Н. Новый метод индукционного нагрева вулканизационных форм.// Химическое и нефтяное машиностроение. 1967. № 3, с. 33-34.

29. Зимин JI.C. Методы оптимального проектирования систем индукционного нагрева. //Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок: Межвузовский сборник научных трудов, 1977. -Вып. 8. с. 142 - 146.

30. Зимин JI.C. Об оптимальном выборе конструктивных характеристик систем индукционного нагрева. // Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок: Межвузовский сборник научных трудов, 1978. Вып. 9. - с.123 - 126.

31. Зимин JI.C. Оптимальное проектирование систем индукционного нагрева в технологических комплексах обработки металла давлением. Автореф. дисс. докт. техн. наук.-Л., 1987. 30 с.

32. Зимин JI.C., Данилушкин А.И., Оптимизация нестационарных режимов непрерывного индукционного нагрева ферромагнитных изделий. / Вопросы проектирования автоматизированных моделирующих и управляющих систем. Куйбышев: КУАИ, 1982, с. 95-99.

33. Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиз-даг, 1981.-417с.

34. Исследование теплообмена и сопротивления при ламинарном течении вяз-копластичных нефтей в трубопроводах/ Н.М. Андреенко, В.Е. Губин, Н.М. Гостев и др. В кн. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов (ВНИИСПТнефть, 198Гг.

35. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М., 1968, 720 с.

36. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970. - 710 с.

37. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи / Пер. с англ. М.: Мир, 1983. -512 е., с ил.

38. Кривошеин Б.Л., Агапкин В.М., Двойрис А.Д. Способы прокладки и эксплуатация трубопроводов в условиях вечной мерзлоты. М., изд. ВНИИОЭНГ, 1975.

39. Куртенер Д.А., Чудновский А.Ф. Расчет и регулирование теплового режима в открытом и защищенном грунте. Л., Гидрометеоиздат, 1969.

40. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитных сталей. М.: Энер-гоатомиздат, 1988. -200с.

41. Ларичев О.И. Объективные модели и субъективные решения. М.: Наука, 1987. - 144 с.

42. Лившиц М.Ю. Теория и алгоритмы оптимального управления термодиффузионными процессами технологической теплофизики по системным критериям качества: Автореф. дис. докт. техн. наук. Самара, 2001. - 46 с.

43. Лыков А.В. Теория теплопроводности. -М.: Высшая школа, 1967 599 с.

44. Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник) М.: Энергия, 1978 -480 с.

45. Маликов Ю.К., Лисиенко В.Г. Численный метод решения задач теплопроводности для двумерных тел сложной формы. //Инженерно-физический журнал, 1981, №3. с.503 - 509.

46. Мельников А.А. Расчет электромагнитных и температурных полей методом конечных элементов. Уч. Пособие / Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики (техн. ун-т) М., 2001. - 76 с.

47. Э. Митчелл, Р. Уэйт. Метод конечных элементов для уравнений с частными производными. -М.: Мир, 1981. -216с.

48. Немков B.C., Демидович В.Б., Руднев В.И. и др. Влияние конструкции и режимов работы индукционных нагревателей на их энергетические показатели // Электротехника. 1986. -№3. - с.23-27.

49. Немков B.C., Казьмин В.Е. Использование цифровых моделей для автоматизированного проектирования индукционных нагревателей стальных заготовок // Изв. Вузов. Электромеханика. 1984. - №9. - с.52-59.

50. Немков B.C., Полеводов П.С. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева. Л.: Машиностроение, 1980.-64 с.

51. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.

52. Никитенко Н.И., Кольчик Ю.Н., Сороковая Н.Н. Метод канонических элементов для моделирования гидродинамики и тепломассообмена в областях произвольной формы. // Инженерно-физический журнал, 2002, №6. с.74-80.

53. Носов П.И. Моделирование и оптимизация режимов нагрева слитков из алюминиевых сплавов в индукционных установках полунепрерывного действия: Автореф. дис. канд. техн. наук. Л., 1982. - 19 с.

54. Ордынцев В.М. Математическое описание объектов автоматизации. «Машиностроение», Москва, 1965. 360 с.

55. Острейко В.Н. Расчет электромагнитных полей в многослойных средах. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1981. 152с.

56. Павлов Н.А. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей. М.-Л.: Энергия, 1978.-120с.

57. Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. -М.: Наука. 2000 336 с.

58. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. -М.: Металлургия, 1993. 279 с.

59. Рапопорт Э.Я. Теория и алгоритм оптимального управления индукционным нагревом металла перед обработкой давлением: Автореф. дисс. доктора техн. наук. М., 1983. -42с.

60. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер с англ. М.: Мир, 1983.-368 с.

61. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1987. 592с.

62. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392с

63. Сидоренко В.Д. Применение индукционного нагрева в машиностроении. -Л.: Машиностроение, 1980. -231с.

64. Синдяков Л.В. Оптимизация энерготехнологических характеристик установившихся режимов работы индукционных установок непрерывного действия для нагрева стальных заготовок: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Л., 1984. -19 с.

65. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. М.: Недра, 2000 - 378 с.

66. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. Л.: Энергия, 1975. 183 с.

67. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, 1981. - 110 с.

68. Справочник по гидравлике / под ред. В.А. Большакова, К.: Высшая школа, 1984.-343 с.

69. Справочник по тегоюобменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Канавец, В.М. Селиверстов., М.: Машиностроение, 1989. 368 с.

70. Теплофизические свойства жидкостей и газов Сб. статей Махачкала: Б.и., 1979.-127с.

71. Теплотехнический справочник: В 2-х т. Под общей редакцией В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева 2-е изд., перераб. М., "Энергия", 1975. - 436с.

72. Тозони О.В., Майергойз И.Д. Расчёт трехмерных электромагнитных полей. -К.: Техника, 1974. 352 с.

73. Трубопроводный транспорт вязких нефтей /Н.К. Надиров, П.И. Тугунов/, Алма-Ата, Наука, 1985. 146с.

74. Трубопроводный транспорт нефти и газа / В.Д. Белоусов, Э.М. Блейхер, А.Г. Немудров и др. М., Недра, 1978. 132с.

75. Трубопроводный транспорт нефти: Сб. науч. трудов/Уфа, ВНИИСПТнефть, 1987. 136с.

76. Трубопроводный транспорт нефти: Сб. науч. трудов/Уфа, ВНИИСПТнефть, 1981г. .-148с.

77. Тугунов П.И. Нестационарные режимы перекачки нефтей и нефтепродуктов. М.: Недра, 1984, - 224 с.

78. Тугунов П.И., Новоселов В.И. Транспортирование вязких нефтей и нефтепродуктов по трубопроводам. М., Недра, 1972. 158 с.

79. Установки индукционного нагрева / Под ред. А. Е. Слухоцкого.- JL: Энерго-издат, 1981.-326 с.

80. Фарамазов С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация. М.:Химия, 1984. - 328с.

81. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х т.: Т.1. Пер. с англ.-М.:Мир, 1991. 504с.

82. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х т.: Т.2. Пер. с англ.-М.:Мир, 1991. 552с.

83. Химические аппараты с индукционным обогревом/ С.А. Горбатков, А.Б. Ку-валдин, В.Е. Минеев, В.Е.Жуковский. М.: Химия, 1985, 65с

84. З.И. Фонарев, Г.И. Иванов, И.И. Еремин. Электроподогрев трубопроводов на нефтебазах. Обзорная информация. Серия "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М., ВНИИОЭНГ, 1982.

85. Фонарев 3. И. Электроподогрев трубопроводов, резервуаров и технологического оборудования в нефтяной промышленности. Д.; Недра, 1984. - 148 с.

86. Шкадов В.Я., Запрянов З.Д. Течение вязкой жидкости. М.: Издательство Московского университета, 1984. - 200 с.

87. Шумаков М.А. Разработка и исследование системы индукционного нагревавязких жидкостей при производстве строительных мастик: Автореф. дисс.канд. техн. наук. Самара., 2003. -20 с.

88. Использование результатов диссертационной работы способствует повышению эффективности и качества учебного процесса.

89. Декан электротехнического факультетзаведующий кафедрой ЭПП д.т.н., профессор

90. Профессор кафедры ЭПП д.т.н., профессор1. В.И. Котенев

www.dissercat.com

принцип работы, схема и отзывы

Благодаря появлению в современном производстве доступных электронних и изоляционных компонентов поле применения индукционного нагрева становится все более широким. Данная технология применяется не только в металургии, но и при разработке бытовой техники.

Принцип индукционного нагрева

В основе работы индукционной печи лежит трансформаторный принцип обмена энергией. Индуктор изготавливается из медной трубки, которая затем закручивается в многовитковую катушку. К первичной цепи индуктора подводится переменный ток, что приводит к формированию вокруг него переменного магнитного поля. Под воздействием магнитного поля в теле, размещенном внутри индуктора, возникает электрическое поле, что впоследствии приводит к процессу нагрева. Мощность, а соответственно, и тепло, выделяемое индукционной тигельной плавильной печью, напрямую зависят от частоты переменного магнитного поля. Следовательно, для эффективной эксплуатации печь нуждается в токах высокой частоты.

Применение индукционных печей

Индукционный нагрев может использоваться для работы с любым материалом: металл, шлак, газ и т. д. Главное преимущество его применения — бесконтактная передача тепла. Также индукционный нагрев позволяет достичь практически любых скоростей нагрева — все зависит от мощности генератора, питающего печь. Тепловые потери при таком нагреве минимальны. Максимальная температура, до которой можно разогреть предмет в печи, ограничивается только стойкостью огнеупорного материала. Процесс бесконтактной передачи тепла к нагреваемому материалу дает возможность производить нагрев в вакуумной среде.

Согласно отзывам металлургов, сфера применения индукционных печей несколько ограничена в связи с имеющимися недостатками. К минусам тигельной печи относятся:

  • высокая цена на электрооборудование;
  • холодные шлаки, осложняющие рафинировочный процесс;
  • пониженная устойчивость футеровки во время температурных скачков между плавками.

Схема тигельной индукционной печи

Индукционная тигельная печь имеет следующую конструкцию.

Главным элементом печи выступает тигель (7), накрытый крышкой (1). Тигель располагается внутри нагревательного индуктора (3), изготовленного в форме многовитковой катушки. Катушка представляет собой медную трубку, внутри которой, с целью охлаждения, постоянно циркулирует вода. Магнитный поток от индуктора проходит по магнитопроводам (4), которые изготовлены из специальной трансформаторной стали. Поворотный узел (2) предусмотрен для наклона печи во время разлива расплавленной жидкости. Печь установлена на меллоконструкции (5). Охлаждение производится с помощью шлангов водяного охлаждения (6). Для обслуживания печи используется вспомогательная площадка (8).

Также схема тигельной печи включает в себя трансформатор, конденсаторы, блок управления и систему откачки газов. Питание тигельной электрической печи производится токами с частотой 50 Гц.

Особенности внутренних элементов конструкции

Чаще всего индуктор выполняется из трубки круглого сечения. Но бывают ситуации, в которых круглая медная трубка не применима. В определенных случаях для конструирования индукционной тигельной печи используют профилированные элементы, благодаря которым уменьшается магнитный поток рассеивания. Трубки индуктора изолируют между собой стеклотканью, пропитанной специальным лаком. Защищенные витки сжимаются блоками, изготовленными из диэлектрического материала. Индуктор и тигель, размещенный внутри катушки, устанавливается на поддон, изготовленный из огнеупорных кирпичей или жаропрочного бетона. В промышленных условиях процесс изготовления тигля происходит прямо в печи. При этом индуктор в собранном состоянии устанавливают на поддон и изолируют асбестом. После этого поддон засыпается огнеупорным порошком, который уплотняется с помощью пневматической установки. Зазор между установленным на днище шаблоном и индуктором заполняется порошками из огнеупорных материалов.

Футеровку зоны над индуктором обеспечивает огнеупорный кирпич. Воротник и сливной желоб также футеруют жаропрочным кирпичом. Работа индукционной тигельной печи происходит в тяжелейших условиях, поэтому к качеству используемых жаропрочных материалов предъявляются повышенные требования. На долговечность футеровки влияет состав огнеупорной массы, режим работы и применяемая частота электрического тока. Как правило, тигель выдерживает до 100 плавок, а затем выходит из строя.

Конструкция наружных элементов

Каркас плавильной тигельной печи представляет собой базу, к которой крепятся все ее элементы. На крупных промышленных устройствах каркас имеет вид сплошного кожуха. Все детали каркаса должны иметь высокую прочность, в связи с влиянием на них электромагнитного поля индуктора. Оболочка при определенных условиях может нагреваться так же, как и материал в печи. Чтобы уменьшить нагрев, каркас рационально изготавливать из неэлектропроводных материалов. Однако, поскольку диэлектрические материалы имеют высокую цену, материалом для каркаса обычно служит сталь. Стальная конструкция разбивается на несколько элементов, которые, в свою очередь, изолируются друг от друга. Для снижения электромагнитного поля вблизи каркаса используются экраны. Защитный экран устанавливается между индуктором и корпусом печи. Экран имеет форму цилиндра и выполняется из алюминия или меди.

Поворотный узел - важный элемент конструкции. Главное требование к механизму поворота - обеспечение наклона для полного слива металла. Механизмы поворота могут использоваться разные. В печах небольшого объема используется ручная или электрическая лебедка. Промышленные печи наклоняют с помощью кран-балки. Печи большого объема могут оборудоваться гидравлическим приводом наклона.

Крышка, которой накрывается тигельная печь для плавки, служит для поддержания температуры внутри агрегата на более высоком уровне. Однако учитывая, что накрывать печь можно только после полного расплавления шихты, применение крышки не является обязательным.

Изготовление печи своими руками

Индукционные печи нашли широкое применение не только в промышленности, но и в быту. Можно найти схемы большого количества самодельных устройств, однако часть из них в лучшем случае просто не заработает, а в худшем — нанесет вред здоровью своего создателя. О таких последствиях предостерегают многие любители. В повседневной жизни метод индукционного нагрева применяется в таких устройствах:

  • канальная печь для плавки металла;
  • тигельная индукционная печь — наиболее простая в конструировании, и в связи с этим наиболее популярная среди энтузиастов, судя по отзывам;
  • водонагревательный котел, работа которого основана на методе индукции;
  • индукционные варочные поверхности, составляющие конкуренцию популярным газовым плитам.

Канальная печь

Данный тип печей применяется для получения чугуна высокого качества, а также при плавке дюраля и цветных спецсплавов. Канальная печь мощностью до 3 кВт изготавливается самостоятельно из сварочного трансформатора, частота которого соответствует промышленной. Такая печь позволяет расплавить болванку бронзы или меди весом до полукилограмма. Канальная печь также позволяет переплавлять дюраль, только обязательно нужно учитывать, что за плавкой должен следовать процесс «состаривания». Время этого процесса может составлять до 2 недель и зависит от состава сплава.

Для изготовления печи первичную обмотку сварочного трансформатора оставляют без изменений, а на место вторичной обмотки помещают тигель кольцевого типа. Лучшим материалом для тигля небольшой канальной печи является электрофарфор. Другие варианты не подойдут из-за низкой прочности и диэлектрических потерь. По отзывам металлургов-любителей, проблема состоит в том, что обработать электрофарфор самостоятельно не представляется возможным, а найти подходящий элемент в продаже очень маловероятно. Именно из-за дефицитного тигля, канальная печь у энтузиастов широкого применения не нашла, хотя данный тип печи и обладает КПД более 90 %.

Тигельная индукционная печь

Изготовленная своими руками тигельная печь используется прежде всего при очистке ценных металлов. К примеру, имея в наличии радиоразъем, изготовленный в Советском Союзе, можно добыть из его контактов определенное количество золота. Используя внешний нагрев, такого результата добиться невозможно.

Кроме золотодобычи, такая печь часто используется с целью равномерного нагрева металла, что требуется для качественной закалки. Меняя положение детали в индукторе и корректируя его мощность, можно добиться заданной температуры на конкретном участке металла. Важно, что использование такой печи будет достаточно бюджетным, ведь практически все энергия направлена на процесс нагрева детали.

Индукционные котлы

Индукционные водонагревательные котлы имеют все шансы в будущем вытеснить обычные бойлеры. Минусом такого водонагревателя пользователи считают высокую цену, но при этом, систематизируя многочисленные отзывы, можно выделить несколько преимуществ:

  • Надежность. В котле нет электроспирали, которая является слабым звеном обычного бойлера.
  • Коэффициент полезного действия почти 100 %.
  • Безопасность. Доступ электричества к корпусу котла невозможен благодаря особенностям конструкции.
  • Устройство не нуждается в специальном заземлении.
  • Устойчив к скачку напряжения в электрической сети.
  • Не образует накипь.
  • Долговечность. Котел способен отработать без обслуживания около 30 лет.

Самодельный водонагревательный котел

Основой такого водонагревателя служит силовой трансформатор мощностью до 1,5 кВт, первичная обмотка которого рассчитана на напряжение 220 В. Отлично подойдет трансформатор от лампового цветного телевизора. Вторичную обмотку следует снять, а количество витков первичной необходимо увеличить.

Умельцы советуют и предостерегают: использование такого самодельного устройства небезопасно, поэтому трансформатор следует заземлить, а сам прибор подключать через быстродействующее УЗО.

Индуктор на кухне

Индукционные кухонные варочные поверхности уже не вызывают удивления и широко применяются в быту. В основе работы устройства лежат те же принципы, что и у индукционной печи, с тем лишь отличием, что вторичную обмотку собой представляет металлическое дно посуды.

Использование таких плит стало возможным благодаря появлению в производстве диэлектрика, который, кроме выполнения задачи изолирования индуктора, должен обладать еще прочностными и гигиеничными характеристиками. Удовлетворяющий всем требованиям материал появился относительно недавно, и его стоимость составляет значительную часть в общей цене плиты.

Пользователи в одни голос утверждают: самостоятельное изготовление индукционной плиты не имеет смысла по двум причинам. Первая — приготовление блюд на такой варочной поверхности требует тонкой настройки для каждого типа пищи. Для необходимой корректировки всех электрических параметров в процессе приготовления потребуется микроконтроллер. Вторая причина — цена электронных деталей, из которых состоит плита. В сумме все элементы обойдутся гораздо дороже, чем стоимость уже готового прибора.

Индукционная кухонная плита имеет такие положительные качества:

  • отсутствие, в отличие от микроволновых печей, стороннего излучения;
  • возможность программирования плиты под свою манеру приготовления пищи;
  • приготовление таких блюд, как карамель, без перегрева и пригорания;
  • экономичность, благодаря рациональному использованию энергии нагрева.

fb.ru

Индукционные печи. Виды. Работа. Применение. Особенности

В металлургической промышленности широко применяются индукционные печи. Такие печи нередко изготавливают самостоятельно. Для этого необходимо знать их принцип работы и конструктивные особенности. Принцип работы таких печей был известен еще два столетия назад.

Индукционные печи способны решать следующие задачи:

  • Плавка металла.
  • Термообработка металлических деталей.
  • Очистка драгоценных металлов.

Такие функции имеются в промышленных печах. Для бытовых условий и обогрева помещения существуют печи специальной конструкции.

Принцип действия

Работа индукционной печи заключается в нагревании материалов путем использования свойств вихревых токов. Чтобы создать такие токи применяется специальный индуктор, который состоит из катушки индуктивности с несколькими витками провода большого поперечного сечения.

К индуктору подводится сеть питания переменного тока. В индукторе переменный ток создает магнитное поле, которое меняется с частотой сети, и пронизывает внутреннее пространство индуктора. При помещении какого-либо материала в это пространство, в нем возникают вихревые токи, осуществляющие его нагревание.

Вода в работающем индукторе нагревается и кипит, а металл начинает плавиться при достижении соответствующей температуры. Условно можно разделить индукционные печи на типы:

  • Печи с магнитопроводом.
  • Без магнитопровода.

Первый тип печей содержит индуктор, заключенный в металл, что создает особый эффект, повышающий плотность магнитного поля, поэтому нагревание осуществляется качественно и быстро. В печах без магнитопровода индуктор находится снаружи.

Виды и особенности печей

Индукционные печи можно разделить на виды, которые обладают своими особенностями работы и отличительными признаками. Одни служат для работ в промышленности, другие применяются в быту, для приготовления пищи.

Вакуумные индукционные печи

Такая печь предназначена для плавки и литья сплавов индукционным методом. Она состоит из герметичной камеры, в которой расположена тигельная индукционная печь с литейной формой.

В вакууме можно обеспечить совершенные металлургические процессы, получать качественные отливки. В настоящее время вакуумное производство перешло на новые технологические процессы из непрерывных цепочек в вакуумной среде, которая дает возможность создавать новые изделия, и уменьшать издержки производства.

Достоинства вакуумной плавки
  • Жидкий металл можно выдерживать в вакууме длительное время.
  • Повышенная дегазация металлов.
  • В процессе плавки можно производить дозагрузку печи и воздействовать на процесс рафинирования и раскисления в любое время.
  • Возможность постоянного контроля и регулировки температуры сплава и его химического состава во время работы.
  • Высокая чистота отливок.
  • Быстрый нагрев и скорость плавки.
  • Повышенная гомогенность сплава из-за качественного перемешивания.
  • Любая форма сырья.
  • Экологическая чистота и экономичность.

Принцип действия вакуумной печи состоит в том, что в тигле, находящемся в вакууме с помощью индуктора высокой частоты плавят твердую шихту и очищают жидкий металл. Вакуум создается путем откачки воздуха насосами. При вакуумной плавке достигается большое снижение водорода и азота.

Канальные индукционные печи

Печи с электромагнитным сердечником (канальные) широко применяются в литейном производстве для цветных и черных металлов в качестве раздаточных печей, миксеров.

1 — Ванна2 — Канал3 — Магнитопровод4 — Первичная катушка

Переменный магнитный поток проходит по магнитопроводу, контуру канала в виде кольца из жидкого металла. В кольце возбуждается электрический ток, который разогревает жидкий металл. Магнитный поток образуется первичной обмоткой, работающей от переменного тока.

Чтобы усилить магнитный поток, используется замкнутый магнитопровод, который выполнен из трансформаторной стали. Пространство печи соединяется двумя отверстиями с каналом, поэтому при наполнении печи жидким металлом создается замкнутый контур. Печь не сможет работать без замкнутого контура. В таких случаях сопротивление контура большое, и в нем течет малый ток, который назвали током холостого хода.

Вследствие перегрева металла и действия магнитного поля, которое стремится вытолкнуть металл из канала, жидкий металл в канале постоянно движется. Так как металл в канале нагрет выше, чем в ванне печи, то металл постоянно поднимается в ванну, из которой поступает металл с меньшей температурой.

Если металл слить ниже допустимой нормы, то жидкий металл будет выбрасываться из канала электродинамической силой. В итоге произойдет самопроизвольное выключение печи и разрыв электрического контура. Чтобы избежать таких случаев печи оставляют некоторое количество металла в жидком виде. Его называют болотом.

Канальные печи разделяют на:

  • Плавильные печи.
  • Миксеры.
  • Раздаточные печи.

Чтобы накопить некоторое количество жидкого металла, усреднения химического состава его и выдержки, используют миксеры. Объем миксера рассчитывают равным не ниже двукратной часовой выработки печи.

Канальные печи разделяют на классы по расположению каналов:

  • Вертикальные.
  • Горизонтальные.

По форме рабочей камеры:

  • Барабанные индукционные печи.
  • Цилиндрические индукционные печи.

Барабанная печь выполнена в виде стального сварного цилиндра с двумя стенками на торцах. Для поворота печи применяются приводные ролики. Чтобы повернуть печь, необходимо включить привод электродвигателя с двумя скоростями и цепной передачей. Двигатель имеет пластинчатые тормоза.

На торцевых стенках есть сифон для заливки металла. Для загрузки присадок и снятия шлаков имеются отверстия. Также для выдачи металла имеется канал. Канальный блок состоит из индуктора печи с V-образными каналами, сделанными в футеровке при помощи шаблонов. При первой же плавки эти шаблоны расплавляются. Обмотка и сердечник охлаждаются воздухом, корпус блока охлаждается водой.

Если канальная печь имеет другую форму, то выдача металла осуществляется с помощью наклона ванны гидроцилиндрами. Иногда металл выдавливают избыточным давлением газа.

Достоинства канальных печей
  • Малый расход электроэнергии вследствие малых потерь тепла ванны.
  • Повышенный электрический КПД индуктора.
  • Малая стоимость.
Недостатки канальных печей
  • Сложность регулировки химического состава металла, так как наличие оставленного жидкого металла в печи создает трудности при переходе от одного состава к другому.
  • Малая скорость движения металла в печи уменьшает возможности технологии плавки.
Конструктивные особенности

Каркас печи изготавливается из листовой стали с низким содержанием углерода толщиной от 30 до 70 мм. Внизу каркаса есть окна с присоединенными индукторами. Индуктор выполнен в виде стального корпуса, первичной катушки, магнитопровода и футеровки. Его корпус сделан разъемным, а части изолированы между собой прокладками для того, чтобы части корпуса не создавали замкнутый контур. В противном случае будет создаваться вихревой ток.

Магнитопровод выполнен из пластин специальной электротехнической стали 0,5 мм. Пластины изолированы между собой для снижения потерь от вихревых токов.

Катушка изготавливается из медного проводника сечением, зависящим от тока нагрузки и метода охлаждения. При воздушном охлаждении допустимый ток 4 ампера на мм2, при охлаждении водой допустимый ток 20 ампер на мм2. Между футеровкой и катушкой монтируют экран, который охлаждается водой. Экран изготовлен из магнитной стали или меди. Для отведения тепла от катушки монтируют вентилятор. Чтобы получить точные размеры канала, применяют шаблон. Он выполнен в виде полой стальной отливки. Шаблон ставится в индуктор до того момента, пока не будет заполнения огнеупорной массой. Он находится в индукторе при разогреве и сушке футеровки.

Для футеровки применяют огнеупорные массы влажного и сухого вида. Влажные массы используют в виде набивных или заливных материалов. Заливные бетоны используют при сложной форме индуктора, если нельзя уплотнить массу по всему объему индуктора.

Такой массой наполняют индуктор и уплотняют вибраторами. Сухие массы уплотняют вибраторами высокой частоты, набивные массы уплотняют пневматическими трамбовками. Если в печи будет выплавляться чугун, то футеровку выполняют из оксида магния. Качество футеровки определяется по температуре охлаждающей воды. Наиболее эффективным методом проверки футеровки является проверка по значению индуктивного и активного сопротивления. Эти измерения проводятся с помощью контрольных приборов.

В электрооборудование печи входит:

  • Трансформатор.
  • Батарея конденсаторов для компенсации потерь электрической энергии.
  • Дроссель для подсоединения 1-фазного индуктора к 3-фазной сети.
  • Щиты управления.
  • Кабели питания.

Чтобы печь нормально функционировала, к питанию подключают трансформатор на 10 киловольт, который имеет на вторичной обмотке 10 ступеней напряжения для регулировки мощности печи.

Набивочные материалы футеровки содержат:

  • 48% сухого кварца.
  • 1,8% кислоты борной, просеянной через мелкое сито с ячейками 0,5 мм.

Массу для футеровки готовят в сухом виде с помощью смесителя, и последующей просевкой через сито. Приготовленная смесь не должна храниться более 15 часов после подготовки.

Футеровку тигля производят с помощью уплотнения вибраторами. Электрические вибраторы используются для футеровки больших печей. Вибраторы погружают в пространство шаблона и производят уплотнение массы через стенки. При уплотнении вибратор передвигают краном и вертикально вращают.

Тигельные индукционные печи

Основными компонентами тигельной печи являются индуктор и генератор. Для изготовления индуктора используется медная трубка в виде намотанных 8-10 витков. Формы индукторов могут выполняться различных видов.

Этот вид печи наиболее распространенный. В конструкции печи нет сердечника. Распространенная форма печи представляет собой цилиндр из огнестойкого материала. Тигель находится в полости индуктора. К нему подводится питание переменного тока.

Преимущества тигельных печей
  1. Энергия выделяется при загрузке материала в печь, поэтому вспомогательные нагревательные элементы не нужны.
  2. Достигается высокая однородность многокомпонентных сплавов.
  3. В печи можно создать реакцию восстановления, окисления, независимо от величины давления.
  4. Высокая производительность печей из-за повышенной удельной мощности на любых частотах.
  5. Перерывы в плавке металла не влияют на эффективность работы, так как для разогрева не требуется много электроэнергии.
  6. Возможность любых настроек и простая эксплуатация с возможностью автоматизации.
  7. Нет местных перегревов, температура выравнивается по всему объему ванны.
  8. Быстрое плавление, позволяющее создать качественные сплавы с хорошей однородностью.
  9. Экологическая безопасность. Внешняя среда не подвергается никакому вредному воздействию печи. Плавка также не оказывает вреда природе.
Недостатки тигельных печей
  1. Малая температура шлаков, применяющихся для обработки зеркала расплава.
  2. Малая стойкость футеровки при резких температурных перепадах.

Несмотря на имеющиеся недостатки, тигельные индукционные печи получили большую популярность на производстве и в других областях.

Индукционные печи для отопления помещения

Чаще всего такая печь устанавливается в помещении кухни. В ее конструкции основной частью является сварочный инвертор. Конструкция печи обычно совмещается с водонагревательным котлом, который дает возможность для отопления всех помещений в здании. Также есть возможность подключения подачи горячей воды в здание.

Эффективность работы такого устройства небольшая, однако, нередко такое оборудование все-таки применяется для отопления дома.

Конструкция нагревающей части индукционного котла подобна трансформатору. Наружный контур – это обмотки своеобразного трансформатора, которые подключаются к сети. Второй контур внутренний – это устройство обмена теплом. В нем происходит циркуляция теплоносителя. При подключении питания катушка создает переменное магнитное поле. В итоге внутри теплообменника индуцируются токи, которые осуществляют его нагревание. Металл нагревает теплоноситель, который обычно состоит из воды.

На таком же принципе основана работа бытовых индукционных плит, в которых в качестве вторичного контура выступает посуда из специального материала. Такая плита намного экономичнее обычных плит из-за отсутствия тепловых потерь.

Водонагреватель котла оснащен устройствами управления, которые дают возможность поддержания температуры теплоносителя на определенном уровне.

Отопление электроэнергией является дорогим удовольствием. Оно не может создать конкуренцию с твердым топливом и газом, дизельным топливом и сжиженным газом. Одним из методов снижения расходов является установка теплоаккумулятора, а также подключение котла в ночное время, так как ночью чаще всего действует льготное начисление за электричество.

Для того, чтобы принять решение об установке индукционного котла для дома, необходимо получить консультацию у профессиональных специалистов по теплотехнике. У индукционного котла практически нет преимуществ перед обычным котлом. Недостатком является высокая стоимость оборудования. Обычные котел с ТЭНами продается уже готовым к установке, а индукционный нагреватель требует дополнительного оборудования и настройки. Поэтому, прежде чем приобрести такой индукционный котел, необходимо произвести тщательный экономический расчет и планировку.

Футеровка индукционных печей

Процесс футеровки необходим для обеспечения защиты корпуса печи от воздействия повышенных температур. Она дает возможность значительно сократить потери тепла, увеличить эффективность плавки металла или нагрева материала.

Для футеровки применяют кварцит, являющийся модификацией кремнезема. К материалам для футеровки предъявляются некоторые требования.

Такой материал должен обеспечить 3 зоны состояний материала:

• Монолитная.• Буферная.• Промежуточная.

Только наличие трех слоев в покрытии способно защитить кожух печи. На футеровку отрицательно влияет неправильная укладка материала, плохое качество материала и тяжелые условия работы печи.

Похожие темы:

 

electrosam.ru