Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
УИН.docx
Скачиваний:
16
Добавлен:
22.06.2019
Размер:
3.24 Mб
Скачать

Cодержание

1 Изучение поверхностного эффекта 3

2 Выбор частоты источника питания для получения максимального электрического и теплового КПД индукционного нагревателя 9

3 Выбор рациональной частоты источника питания для нагрева полых цилиндров наружным индуктором 11

4 Исследование нагрева полого цилиндра внутренним индуктором с сердечником 16

5 Исследование поперечного (краевого) эффекта в загрузке прямоугольного поперечного сечения 19

6 Исследование продольного (концевого) эффекта в цилиндрическом нагревателе 23

13 Индукционный нагрев плоских изделий в поперечном магнитном поле 39

14 Моделирование комбинированного нагрева индукционным и печным методом 41

Список использованных источников 44

1 Изучение поверхностного эффекта 3

2 Выбор частоты источника питания для получения максимального электрического и теплового КПД индукционного нагревателя 8

3 Выбор рациональной частоты источника питания для нагрева полых цилиндров наружным индуктором 10

4 Исследование нагрева полого цилиндра внутренним индуктором с сердечником 15

5Исследование поперечного (краевого) эффекта в загрузке прямоугольного поперечного сечения 19

6 Исследование продольного (концевого) эффекта в цилиндрическом нагревателе 23

7 Проектирование системы для индукционной термообработки цилиндрической детали 26

8 Исследование электродинамических усилий в цилиндрическом индукционном нагревателе 28

9 Проектирование линии индукционного нагрева с несколькими индукторами и частотами питания 30

10 Согласование интегральных параметров индукционного нагревателя одновременного действия с параметрами источника питания 32

11 Проектирование индукционного нагревателя стальной заготовки квадратного сечения 34

12 Моделирование процесса непрерывного нагрева цилиндрической и плоской поверхности 38

13 Индукционный нагрев плоских изделий в поперечном магнитном поле 40

14 Моделирование комбинированного нагрева индукционны и печным методом 42

Список использованных источников 44

1 Изучение поверхностного эффекта

Цель: исследованиезависимости глубины проникновения тока от частоты, оценка степени выраженности поверхностного эффекта.

Составим модель индукционной системы для нагрева сплошного прямоугольного тела из немагнитной стали в индукторе продольного магнитного поля частотой 1000 Гц .Затем исследуем значение глубины проникновения тока и других параметров. Данные задачи приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры индукционной системы

Заготовка

XInt., см

XExt., см

Длина, см

Ширина, см

Материал

T, °C

0

5

50

10

StainlessSteel

20

Индуктор

X1, см

W,

витков

Длина, см

Ширина,

см

ТрубкаT×A×d, см

6

44

60

12

1×1×0,15

0,8

Теплоизоляция

Layer 1

Layer 2

Chamotte 0,2 см

Chamotte 0,2 см

Процесс

Pind, кВт

t, с

Охлаждение

Стадия

Tmed, °C

50

1

Natural

1 – heating

20

Рисунок 1 – Эскиз индуктора и профиль трубки

Параметры охлаждения индуктора: Температура воды на входе – 20 °C; температура воды на выходе – 40 °C; расход воды – 11 лт/мин; число секций – 2; давление – 0.156 Мпа.

На частоте 1000 Гц при мощности индуктора 50 кВт, мощность, выделяемая в заготовке, составляет 34 кВт, электрический КПД при этом 0.68. Ниже приведены рассчитанные интегральные параметры при данной частоте.

Таблица 2 – Интегральные характеристики процесса нагрева прямоугольной заготовки.

Заготовка

Мощность, Вт

34144

Индуктор

Мощность, Вт

Напряжение, В

Ток, А

Полное

Сопротивление, Ом

Коэффициент

мощности

50000

165,72

798,93

0,207

0,378

Генератор

Мощность, Вт

Напряжение, В

Ток, А

Полное сопротивление, Ом

Коэффициент

мощности

50000

165,72

301,73

0,549

0,99

КПД

Тепловой

Электрический

Полный

0,99

0.68

0.68

Рассмотрим распределение температуры в заготовке в течение процесса нагрева. Из рисунка 2 видно, что за время равное 1 секунде, поверхность заготовки прогревается практически до 27 °C, внутренняя часть заготовки при этом прогреться не успевает.

Рисунок 2 – Распределение температуры в заготовке в разные моменты времени при нагреве на частоте 1000 Гц

В процессе нагрева удельнаямощность в заготовке растет (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Изменение удельной мощности в процессе нагрева при частоте 1000 Гц

Для того чтобы определить глубину проникновения тока в заготовку, можно воспользоваться графиком зависимости плотности тока от радиуса заготовки (рисунок 4). Плотность тока на расстоянии глубины проникновения падает в е ≈ 2,718 раз по сравнению с плотностью тока на поверхности заготовки. Следовательно, из известной нам по графику плотности тока на поверхности равной 620 А/см2, можем получить значение глубины проникновения следующим образом:

Для этого значения плотности тока по рисунку 4 соответствует радиус заготовки примерно 3,645 см. Отсюда глубина проникновения Δ=5-3,645=1,355 см

В программе ELTA возможно вывести график глубины проникновения от времени (рисунок 5). По кривой для времени нагрева 1 секунда, глубина проникновения тока равна практически 1,357 см, что соответствует значению, найденному по графику плотности тока. Из рисунка 5 также видно, что глубина проникновения тока во время процесса незначительно растет.

Рисунок 4 – Плотность электрического тока по радиусу заготовки

Рисунок 5 – Глубина проникновения тока при частоте 1000 Гц

При индукционном нагреве с заданной частотой, сопротивление стальной заготовки с повышением температуры увеличивается, относительная магнитная проницаемость при этом остается постоянной. Как видно из формулы 1, глубина проникновения пропорциональная корню квадратному из электрического сопротивления заготовки, соответственно при нагреве она также будет увеличиваться, но незначительно.

(1)

где ρ – удельное электрическое сопротивление, Ом∙м; μ – относительная магнитная проницаемость; fчастота питающего тока, Гц.

Считается, что практически вся мощность (86,5%) сосредоточена в поверхностном слое Δ. Это видно из рисунка 2, где температура на глубине 3,5 см не превышает 21 °C, тогда как на поверхности температура составляет практически 27 °C. Из-за того, что процесс нагрева очень короткий, тепло посредством теплопроводности не успевает передаться во внутренние слои материала, поэтому в середине заготовки температура остается неизменной.

Исследуем глубину проникновения тока в заготовку при разных частотах тока в индукторе, при тех же параметрах процесса.

В таблице 3 сведены результаты расчета. По рассчитанным данным построен график зависимости глубины проникновения от частоты, изображенный на рисунке 4.

Расчеты показали, что при повышении частоты тока уменьшается глубина проникновения, это и подтверждается формулой (1). Считается, что при отношении толщины заготовки к глубине проникновения 2X2/2>3…7поверхностный эффект ярко выражен, в нашем случае во всем диапазоне исследуемых частот, это неравенство выполняется, причем, чем выше частота, тем больше выражен поверхностный эффект. Удельный расход энергии растет с увеличением частоты, но при достижении 4000 Гц и последующем увеличении значительно не изменяется

Таблица 3 – Результаты исследования процесса нагрева прямоугольной заготовки при разных частотах.

Параметр

Результат

f, Гц

50

500

1000

2500

4000

10 000

66 000

440000

2, см

2,419

1,905

1,357

0,857

0,678

0,431

0,169

0,066

2X2/2

4,133

5,249

7,369

11,669

14,749

23,202

59,172

151,515

Q, кВт·ч/т

0.12

0.21

0.24

0.26

0.27

0.27

0.27

0.27

Рисунок 6 – График зависимости глубины проникновения тока от частоты