1tom339

13. ELEKTROTERMIA 680

13. ELEKTROTERMIA 680

Moc czynna fazowa pieca

Rys. 13.30. Charakterystyki robocze uradzenia do wytwarzania żelazokrzemochromu i żelazokrzemu U₂ — napięcie fazowe wtórne transformatora piecowego, U_w — napięcie fazowe odbiornika (wanny). / prąd elektrody. P_u — moc czynna fazowa urządzenia, S moc pozorna urządzenia, t)_e — sprawność elektryczna urządzenia, cosę> — współczynnik mocy urządzenia

(13.37)

J__ge_

3 365-24X^2

przy czym: g — wydajność urządzenia, Mg/rok; e — zużycie właściwe energii, kW • h/Mg; K_l = 0,80-0,95 — współczynnik wykorzystania czasu kalendarzowego; K₂ = 0,65-h -^0,85 — współczynnik wykorzystania maksymalnej mocy.

Przykładowe charakterystyki robocze urządzenia przedstawiono na rys. 13.30.

13.8. Nagrzewanie indukcyjne

13.8.1. Podstawy metody

Nagrzewanie indukcyjne jest to nagrzewanie elektryczne oparte na generacji ciepła przy przepływie prądów wirowych wywołanych zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej w elementach sprzężonych magnetycznie.

Metodę wykorzystuje się głównie w procesach nagrzewania bezpośredniego, ale są znane także jej zastosowania do nagrzewania pośredniego, np. nieprzewodników.

Rys. 13.31. Konfiguracje częściej spotykanych indukcyjnych układów grzejnych ze wsadem: a) we wnętrzu wzbudnika; b) we wnętrzu wzbudnika z bocznikami magnetycznymi; c) na zewnątrz wzbudnika; d) na zewnątrz wzbudnika 2 rdzeniem zamkniętym; e) poza wzbudnikiem; f) poza wzbudnikiem z rdzeniem ze szczeliną 1 — wzbudnik, 2 — wsad, 3 — magnetowód

Umożliwia ona precyzyjne dozowanie energii w ściśle określonych obszarach, dzięki czemu istotnie obniża się energochłonność procesów. Sprzyja temu możliwość uzyskiwania gęstości mocy ok. 35 kW/cm², czyli 35-krotnie większych aniżeli przy nagrzewaniu płomieniowym i szybkości nagrzewania sięgających 150000 K/s [13.10], W zależności od częstotliwości roboczej (16 2/3 Hz do ok. 27 MHz), gęstości objętościowej mocy, czasu nagrzewania oraz wymiarów w'sadu jest możliwe nagrzewanie powierzchniowe, skrośne oraz topienie.

Układ grzejny tw'orzą wzbudnik i wsad, które mogą być uzupełnione różnymi rodzajami magnetowodów, polepszającymi ich sprzężenie magnetyczne. Są to zazwyczaj rdzenie magnetyczne zamknięte lub otwarte, boczniki magnetyczne oraz koncentratory (rys. 13.31).

Gęstość objętościowa mocy we wsadzie

(13.38)

przy czym J — gęstość prądu w' nagrzewanym ośrodku o konduktywności y. Rozkład gęstości J jest nierównomierny, co wiąże się ze zjawiskiem naskórkowości. Gęstość prądu w funkcji odległości od powierzchni w'sadu stosunkowo łatwo określić w>ówczas, gdy fala elektromagnetyczna pada na półprzestrzeń przewodzącą. Jest to przypadek odległy od rzeczywistości, a mimo to stanowi on dobrą ilustrację zjawiska. Jeśli wprowadzić indeksy 2 dla wsadu, zaś indeksy 1 dla wzbudników, to gęstość prądu we wsadzie wyraża wzór

(13.39)

J₂(x) = J₂,₀e-^

przy czym: J₂₀ — gęstość prądu na powierzchni, a ó₂    tzw. yłębokość wnikania, czyli taka

odległość od powierzchni wsadu, przy której J₂₀ jest e-razy mniejsza aniżeli na powierzchni. A więc J₂(S₂) = J₂ 0e^_f «0,368J_{2 0}.

Gęstość objętościowa mocy przy x = d₂ jest e²-razy mniejsza aniżeli przy x = 0, czyli jest równa 0,135 p_V2 0. Gdyby założyć, że w warstwie wsadu o grubości d₂ gęstość prądu jest równomierna, to wytwarzaną w niej moc, równą_mocy wytwarzanej w całej półprzestrzeni, można byłoby osiągnąć przy ,/₂ = J₂.o/\/2 (rys. 13.32a). Głębokość wnikania jest określona zależnością

(13.40)

gdzie: co = 2%f — pulsacja fali elektromagnetycznej; p_2r - p₂/p₀ — przenikalność magnetyczna względna wsadu; y₂ — konduktywność wsadu.

Na rysunku 13.32b przedstawiono zależność <5, od częstotliwości/oraz od przenikal-ności magnetycznej względnej p_2r różnych materiałów.

W warstwie o grubości 2<5₂ wydziela się 98,16% całkowitej mocy, zaś przy 3<5₂ już 99,75%, czyli praktycznie cała moc. Podobnie jest gdy wymiar charakterystyczny wsadu rzeczywistego, tzn. grubość płyty, jest ponad 3 razy większy od d₂. W innych układach trzeba się liczyć z takimi zjawiskami jak odbicie fali od powierzchni przeciwległej do tej, przez którą ona wnika, z innymi rozkładami niż wykładniczy rozkład gęstości prądu przy nagrzewaniu cylindrów (pada na nie fala cylindryczna) itp.

Przy padaniu fali cylindrycznej na powierzchnię boczną wsadu cylindrycznego pełnego o promieniu r₂ (podłużne pole elektromagnetyczne), gęstość powierzchniowa mocy pozornej wnikającej do wsadu (w V • A/m²)

(13.41)

przy czym: p_{2 0} oraz q_{2 0} — składowe czynne i bierne tej mocy; F_r2 i F_xl — współczynniki