NAGRZEWANIE INDUKCYJNE

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

Rys. 6.1. Piec indukcyjny Kjellina ilustrujący zasadę nagrzewania induk­cyjnego

1 — wzbudnik, 2 — ciekły metal, 3 — rdzeń, 4 — pierścieniowa rynna ceramiczna, 5 — pokrywa

Moc czynna zamieniana na ciepło

a po uwzględnieniu prawa Ohma

lub

gdzie
- gęstość objętościowa mocy wydzielanej w ośrodku, np. w nagrze­wanym wsadzie - jest określona wzorem

i jest poszukiwaną wielkością wchodzącą do równania Fouriera-Kirchhoffa, którego rozwią­zanie umożliwia znalezienie pola temperatury.

Równanie to w wersji uproszczonej ma postać:

Przy czym iloczyn ciepła właściwego i gęstości wsadu cρ decyduje o zdolno­ści do gromadzenia ciepła, t jest temperaturą wsadu i zależy od współrzęd­nych geometrycznych oraz czasu τ.

Indukcyjny układ grzejny tworzą następujące elementy:

- wzbudnik, czyli odpowiednio ukształtowany przewodnik lub zespół prze­wod­ników zasilany ze źródła pola elektromagnetycznego (odpowiednik pierwotnego uzwojenia w transformatorze,

- poddawany nagrzewaniu wsad (uzwojenie wtórne),

- ewentualne wyposażenia służące polepszeniu sprzężenia magnetycznego wzbudnika ze wsadem (magnetowody - rdzenie lub boczniki magne­tyczne, koncentratory).

Magnetowody są stosowane zwłaszcza przy małych i średnich częstot­liwościach trasując drogę strumienia magnetycznego. Boczniki magnetyczne to rdze­nie otwarte umieszczone w stosunku do wzbudnika i wsadu w sposób zmniejszający stru­mień rozproszenia. Koncentratory służą do kierowania strumienia magnetycznego na określony fragment powierzchni wsadu przy jego lokalnym nagrzewaniu. Schematy trzech układów z magnetowodami są pokazane na rys. 6.2b, d, f.

Rys. 6.2. Podstawowe konfiguracje indukcyjnych układów grzejnych:

a) wsad we wnętrzu wzbudnika;b) wsad we wnętrzu wzbudnika z bocznikami magnetycznymi; c) wsad na zewnątrz wzbudnika; d) wsad na zewnątrz wzbudnika z rdzeniem zamkniętym; e) wsad poza wzbudnikiem; f) wsad poza wzbudnikiem, z rdzeniem ze szczeliną

1 - wzbudnik, 2 - wsad, 3 - magnetowód

Rys. 6.3. Przykłady indukcyjnych układów grzejnych: a) i b) z polem po­dłużnym;

c) z polem poprzecznym

1 - wzbudnik, 2 - wsad, 3 - magnetowód

Jedną z podstawowych wielkości charakteryzujących nagrzewanie induk­cyjne jest głębokość wnikania. Przy padaniu fali płaskiej na półprzestrzeń przewodzącą (przypadek, w któ­rym nie następuje odbicie fali od po­wierzchni wsadu przeciwległej do tej, przez która fala wnika wielkość na zdefiniowana jest następująco:

gdzie:
(
- przenikalność magne­tyczna względna).

Rys. 6.4. Głębokość wnikania prądów wirowych dla wybranych materiałów

1 - grafit przy 1000⁰C, 2 - żelazo przy 850⁰C (μ_2r = 1), 3 - miedź przy 1000⁰C, 4 - mosiądz przy 20⁰C, aluminium przy 20⁰C, 6 - miedź przy 20⁰C, żelazo przy 20⁰C (μ_2r = 100)

W odległości
od powierzchni wnikania fali do odbiornika (wsadu) amp­litudy
maleją e-razy. Oznacza to, że głębokość wnika­nia fali harmonicznej można zdefiniować jako taką odległość od po­wierzchni wnikania, w której zarówno amplitudy jak i wartości skuteczne natężenia pola magnetycznego, elektrycznego oraz gęstości prądu maleją do 0,368 wartości maksymalnej występującej na powierzchni wni­kania fali (rys. 6.5).

Rys. 6.5. Rozkład podstawowych wielkości elektromagnetycznych w pół­przestrzeni przewodzącej przy pada­niu na jej powierzchnię fali pła­skiej w odniesieniu do wartości maksymalnych (tzn. dla x = 0); ob­szar zakreskowany oznacza, że identyczną moc grzejną jak w ukła­dzie rzeczywistym można uzyskać przy przepływie prądu o stałej gę­stości
w warstwie o grubości
;
i
-amplitudy natężenia pola magnetycznego i elektrycz­nego,
- amplituda gęstości prądu,
- gęstość objętościowa mocy czynnej,
- współrzędna względna (odniesiona do głęboko­ści wnikania
)

Częstotliwość tych prądów we wsadzie jest oczywiście taka sama jak często­tliwość fali wnikającej, inna jest natomiast jej długość. Przy częstotliwości zmian fali f = 50 Hz jej długość w powietrzu
6000 km natomiast po wniknięciu do metalu zmniejsza się do wartości
. Na przykład dla Cu w temperaturze 20°C, przy f = 50 Hz,
6,3 cm.

Wskutek nierównomiernego rozkładu mocy grzejnej, rozkład temperatury we wsadzie, w początkowym stadium nagrzewania, jest zbliżony do rozkładu mocy elektrycznej. Później wskutek zjawiska przewodzenia ciepła, a w przypadku wsadu płynnego także konwekcji, pole temperatury zmienia się w stosunku do początkowego, a zwykle ulega ujednorodnieniu, co może być zjawiskiem pożądanym, lecz nie zawsze. Jeśli nie zależy nam wytworzeniu jednorodnego pola temperatury, co prawie zawsze występuje, np. przy zjawisku hartowania powierzchniowego, proces nagrzewania należy przerwać dostatecznie szybko, czyli w fazie która widoczna jest na następujących rysunkach.

Rys.6.6. Rozkład temperatury we wsadzie cylindrycznym w początkowej fazie nagrzewania wysoką częstotliwością

Rys.6.8. Nagrzewanie indukcyjne zębów koła zębatego we wzbudniku jednozwojowym

Warto wiedzieć, że nagrzewanie indukcyjne może być skuteczne tylko pod pewnymi warunkami. Jego sprawność elektryczna zależy w bardzo dużym stopniu od konstrukcji wzbudnika. Jeśli jest on wielozwojowy, odstępy miedzy zwojami powinny być jak najmniejsze i przede wszystkim szczelina miedzy wsadem i wzbudnikiem powinna być jak najmniejsza. Oczywiście na sprawność wpływ mają także parametry elektryczne wzbudnika i wsadu oraz częstotliwość. Przykładowe przebiegi sprawności elektrycznej dla wsadów nieskończenie długich umieszczonych we wzbudnikach cylindrycznych także nieskończenie długich przedstawiony jest na rys. 6.9.

Rys. 6.9. Sprawność elektryczna indukcyjnego układu grzejnego przy nagrzewaniu

1 - stali węglowej w temp. 600°C przy μ₂ = 40, 2 - stali nierdzewnej w temp. 800°C przy μ₂ = 1, 3 - miedzi w temp. 1100°C, 4 - aluminium w temp. 20°C, 5 - miedzi w temp. 20°C

Z rysunku tego wynika, że poniżej pewnej średnicy wsadu odniesionej do głębokości wnikania sprawność jest zbyt mała. I tak nie można nagrzać igły we wzbudniku o średnicy 5 cm, a z powodzeniem uda się to przy wsadzie z tego samego materiału o średnicy wielokrotnie większej (oczywiście przy tej samej częstotliwości). Dla wszystkich zastosowań nagrzewania indukcyjnego sformułowane więc zostały warunki zapewniające odpowiednią sprawność.

Urządzenia indukcyjne i ich zastosowania

Często stosowanym kryterium wyróżniającym te urządzenia jest częstotli­wość. Na jego podstawie wyróżnia się urządzenia częstotliwości zmniejszo­nej w stosunku do częstotliwości sieciowej, przy czym dolną granicą jest na ogół wartość 16 2/3 Hz, urządzenia częstotliwości sieciowej (50 lub 60 Hz), zwiększonej (50 Hz
l0 kHz) i wielkiej (10 kHz
27,12 MHz).

Źródła zasilania

Przy tak szerokim (jak wyżej podany) zakresie częstotliwości istnieje ko­nieczność stosowania bardzo zróżnicowanych źródeł zasilania zwłaszcza, że ich moce jednostkowe wynoszą od kilku watów do kilkudziesięciu megawa­tów i nie ma prze­szkód by obszar ten rozszerzyć.

Jeśli przyjąć za podstawę podziału źródeł zasilania zasadę ich działania (ro­zu­mianą bardzo ogólnie), wyróżnić można: przemienniki statyczne budo­wane z wykorzys­taniem tyrystorów bądź tranzystorów, generatory lam­powe i tranzystorowe, generatory maszynowe, przekształtniki transforma­torowe i magnetyczne mnożniki częstotliwości.

Przy pracy z częstotliwościami mniejszymi niż 50 Hz stosuje się tyrystorowe przemienniki statyczne. Są one stosowane rzadko, ponieważ częstotliwość 50 Hz jest z reguły wartością wystarczająco małą by zrealizować proces przy dobrej sprawności. Jeśli istnieje taka potrzeba to zwykle wybiera się f = 16 2/3 Hz.

Urządzenia o częstotliwości roboczej 50 Hz bardzo rzadko zasila się wprost z sieci. Wynika to z potrzeby regulacji wielkości elektrycznych znamionują­cych urządzenie (moc, napięcie, prąd), często także z konieczności przyłą­czenia odbiorników jednofazowych do sieci trójfazowej. Elemen­tami po­średniczącymi między siecią i piecem względnie nagrzewnicą są różne ro­dzaje transformatorów regulowanych (z odczepami, autotransformatory, regulatory indukcyjne, transduktory). Przy większych mocach stosuje się kaskadę transformator obniżający - transformator regulacyjny. W użyciu są też tyrystorowe regulatory prądu zmiennego.

W obszarze częstotliwości 150 ÷ 450 Hz są stosowane magnetyczne mnoż­niki częstotliwości pozwalające na zwielokrotnienie częstotliwości sieciowej 2 ÷ 35 razy, a także niecałkowitą liczbę razy. Spotyka się układy hybrydowe magnetyczno - półprzewodnikowe. W technice nagrzewa­nia indukcyjnego konkurencyjne są jednak mnożniki pracujące przy 3 ÷ 9 krotnym zwielo­krotnieniu częstotliwości sieciowej. Ich moce sięgają 7 MW przy sprawności 95%.

Częstotliwości większe niż 150 Hz mogą być osiągane jeszcze dwoma innymi sposobami. Pierwszy z nich polega na użyciu przetwornic maszynowych, przy czym ich częstotliwości maksymalne nie są większe niż 10 kHz. Drugi sposób gene­racji częstotliwości większych niż 150 Hz odbywa się przy uży­ciu przekształtników tyrystorowych. Tyrystory konwencjonalne umożli­wiają uzyskiwanie częstotliwości do 10 kHz. Tyrystory specjalizowane (w tym elektrostatyczne SITh), a także pracujące w tzw. układach sekwencyj­nych - do ok. 200 kHz.

Znacznie szerszy zakres częstotliwości możliwy jest do uzyskania przy uży­ciu przemienników tranzystorowych (4÷1000 kHz). Są one budowane głów­nie przy wykorzystaniu tranzystorów unipolarnych o strukturze wieloemi­terowej MOSFET (
600 kHz), tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką IGBT (
150 kHz) oraz tranzystorów elektrostatycznych SIT (
l MHz).

Lampowe generatory mocy pokrywają najszersze pasmo częstotliwości wy­korzystywa­nych w urządzeniach indukcyjnych (4 kHz ÷27 MHz), przy mo­cach przekraczających l MW. Ze względu na ich znacznie mniejszą spraw­ność w porównaniu z przemien­nikami półprzewodnikowymi nie można wy­kluczyć faktu, że będą one systematycznie traciły na znaczeniu.

Buduje się także generatory tranzystorowe o mocach nie przekraczających kilku kilowatów i częstotliwościach wykorzystywanych zwykle w technice nagrzewania poje­mnościowego, np. 27,12 MHz.

Rys. 6.10. Schemat obwodów głównych przemiennika częstotliwości z tran­zystorami MOSFET

1 - transformator zasilający, 2 - wyłącznik główny, 3 - dławik, 4 - tranzystory falownika, 5 -kondensatory obwodu rezonansowego, 6 - transformator dopasowujący, 7 - wzbudnik

Rys. 6.11. Lampowy generator mocy w układzie równoległym Meissnera

1 i 2 - dławiki i kondensatory filtra przeciwzakłóceniowego, 3 - sterownik tyrystorowy,

4 - transformator podwyższający, 5 - prostownik. 6 - filtr dolnoprzepustowy, 7 - lampa genera­cyjna, 8 - obwód drgający, 9 - trans­formator dopasowujący, 10 - wzbudnik

Nagrzewnice indukcyjne

Nagrzewnice indukcyjne w obróbce plastycznej.

Jedną z wielu grup procesów technologicznych, w których urządzenia in­dukcyj­ne znalazły liczne zastosowania jest obróbka plastyczna metali i to zarówno żelaznych, jak i nieżelaznych. Chodzi tu o nagrzewanie wlewków, prętów, blach, rur w procesach kucia, tłoczenia, wyciskania, walcowania, ciągnienia. W procesach tych podstawowym wymaganiem jest maksymalne wyrównanie temperatury wsadu, co sprawia, że najczęś­ciej korzysta się ze źródeł o częstotliwości zmniejszonej, sieciowej lub zwiększonej, czyli nie przekraczającej 10 kHz. Tylko przy nagrzewaniu wsadów o niewielkiej śred­nicy lub grubości z metali nieżelaznych dobrze przewodzących, korzy­sta się z wielkiej częstotliwości. Całkowite czasy nagrzewania mogą być w tych procesach stosunkowo długie, co przyczynia się do ujednorodnienia pola temperatury we wsadzie lub tej jego części, która poddawana jest ob­róbce plastycznej. Stąd też nagrzewnice stosowane w tych procesach na­zywa się skrośnymi zaś sama technikę - nagrzewaniem skrośnym.

Rys. 6.12. Schemat urządzenia indukcyjnego z nagrzewnicą skrośną.

1 - prostownik, 2 - przemiennik częstotliwości, 3 - wzbudnik z baterią kondensatorów,

4 - wsad, 5 - odcięty kęs, 6 - pirometr, 7 - urządzenie do cięcia, 8 - rolka transportowa,

9 - napęd wsadu, 10 - podajnik rolkowy, 11 - magazyn wsadu

Rys. 6.13. Sprawność nagrzewnicy indukcyjnej skrośnej.

η_e - sprawność elektryczna układu wzbudnik - wsad, η_c - sprawność cieplna nagrzewnicy, η_elt - sprawność elektrotermiczna nagrzewnicy

Tablica 6.1. Optymalne częstotliwości przy nagrzewaniu

wsadów cylindrycznych z metali kolorowych

Częstotliwość robocza f	Optymalny zakres średnic wsadu d2
		mosiądz w temp. 800°C	miedź w temp. 850°C. aluminium i jego stopy w temp. 500°C
Hz	mm	mm
50 500 2000 5000 10000 450 ·10^3 1000·10^3	110.0 37.0÷440 18.0÷210 11.0÷130 9.0÷100 1.0÷15 0.8÷12	52.00 16.00÷820 8.00÷410 5.00÷260 3.50÷180 0.50÷26 0.35÷18

Niżej przedstawiono kilka przykładów zastosowań nagrzewania indukcyjnego w procesach obróbki plastycznej,

Rys. 6.14. Pięciomodułowe urządzenie przelotowe z nagrzewnicami indukcyjnymi

skro­śnymi

Rys. 6.15. Jednomodułowa przelotowa nagrzewnica indukcyjna skrośna

W rozwiązaniu z rys. 6.14 miedzy wzbudnikiem i wsadem znajduje się izo­lacja cieplna o niewielkiej grubości, natomiast układ z rys. 6.15 jest bez izolacji. Z uwagi na bardzo wielką szybkość nagrzewania straty cieplne są niewielkie, a izolacja, jeśli jest, zazwyczaj zabezpiecza wzbudnik przed przegrzaniem.

Przykładowe rozkłady temperatury we wsadzie cylindrycznym nagrzewa­nym indukcyjnie skrośnie przedstawia rys. 6.16 zaś rys. 6.17 zużycie wła­ściwe energii w procesach nagrzewania indukcyjnego przed obróbką pla­styczną różnych materiałów.

Rys.6.16. Rozkłady temperatur w stalowym wsadzie cylindrycznym pełnym o średnicy 0.1 m nagrzewanym indukcyjnie przy częstotliwościach 1 i 10 kHz

Rys.6.17. Zużycie właściwe energii w procesie nagrzewania indukcyjnego

przed obróbką plastyczną

Oczywiście indukcyjnie przed obróbka plastyczną można nagrzewać także fragmenty wsadów. Na rys. 6.18 i 6.19 przedstawione są takie przykłady. Nagrzewanie selektywne jest jedną z istotnych zalet tej metody i przyczynia się do obniżenia zużycia energii.

Rys. 6.18. Nagrzewanie końcówki pręta we wzbudniku dwupętlicowym (a) oraz koń­cówki rury (widok w chwilę po wysunięciu ze wzbudnika cylindrycznego); (b)

Rys.6.19. Lokalne nagrzewanie rury przed gięciem

Rys. 6.20. Wzbudniki z magnetowodami: a) z bocznikami magnetycznymi do nagrzewania wsadów masyw­nych w polu podłużnym. b) z rdze­niem otwartym do nagrzewania krawędzi taśm i blach w polu po­rzecznym. c) z rdzeniem ze szczeliną do nagrzewania blach i taśm w polu poprzecznym

1 - magnetowód. 2 - wzbudnik. 3 — wsad

Nagrzewnice indukcyjne w obróbce cieplnej

Nagrzewnice indukcyjne w procesach obróbki cieplnej stosowane są głów­nie do har­towania, odpuszczania, ulepszania cieplnego oraz wyżarzania. Wszystkie te procesy ma­ją na celu polepszenie właściwości materiałów.

Rys. 6.22. Przykłady metod hartowania indukcyjnego

1 - wzbud­nik, 2 - hartowana warstwa wsadu, 3 - wsad, 4 - natryskiwacz, s - skok,

p - przesuw, n - kierunek obrotów, v - kierunek ruchu

Rys. 6.23. Wzbudniki do nagrzewania powierzchni cylindrycznych i płaskich

Rys.5.20. Różne rodzaje wzbudników stosowane w procesach hartowania

Rys. 6.24. Zależność gęstości powierzchniowej mocy czynnej od głębokości hartowania przy różnych częstotliwościach, temperaturach po­wierzchni wsadu oraz czasach nagrzewania

Rys. 6.25. Przykład hartowania w przelocie

Rys.6.26. Hartowanie przelotowe z natryskiem wodnym i wynik hartowania

a) b)

Rys.6.27. Hartowanie przelotowe wałka (a) i zahartowane bijaki młotków (b)

Nagrzewnice indukcyjne w procesach lutowania, zgrzewania, wyżarzania oraz innych technikach

Częstotliwość zasilania wzbudników przeznaczonych do lutowania elemen­tów masywnych o obszernej strefie lutowania - 2 ÷10 kHz. Przy łączeniu niewielkich ele­mentów o małych strefach lutowania stosuje się częstotliwo­ści o wartościach 0,25 ÷ 3,39 MHz . W zależności od wymiarów elementów lutowanych, niezbędne moce na­grzewnic zawierają się w przedziale 0,5 ÷ 5,0 kW przy lutach miękkich i w przedziale 3÷30 kW przy lutach twardych.

Rys. 6.28. Rozmieszczenie wzbudników i lutów przy lutowaniu różnych elementów metodą spoczynkową: a), b), c) wzbudnik pierścieniowy jednozwojowy z przylutowaną rurką z wodą chłodzącą; d), e), f) wzbudnik z chłodzeniem bezpośrednim

1,2- elementy lutowane; 3 - lut; 4 - wzbudnik

a) b)

Rys.6.29. Lutowanie szyn miedzianych przy użyciu wzbudnika pętlicowego (a) i pła­skiego z koncentratorem magnetycznym (b)

Rys. 6.30. Zgrzewanie indukcyjne (spawanie) ciągłe rur

1 - rura, 2 - walce dociskowe, 3 — wzbudnik, 4 - tory prądów, 5 - miejsce zgrzewania (spawania)

Rys.6.31. Zgrzewanie (spawanie) indukcyjne rur

Wyżarzanie jest procesem polegającym na powolnym nagrzewaniu wsadu me­talowego do określonej temperatury, przetrzymywaniu go w tej tempe­raturze, a następnie prawie zawsze powolnym studzeniu. We wszystkich odmianach tego procesu ważne jest wytworzenie w obrabianym wsadzie lub w obrabianym obszarze wsadu pola temperatury o niewielkich gradientach. W tej grupie procesów na­grzewanie indukcyjne bardzo duże znaczenie ma przy obróbce spawów rur i zbiorników. Jako wzbudników używa się często ela­stycznych izolowanych kabli chłodzonych wodą, które umieszcza się bezpo­średnio na spoinach. Do zasilania stosuje się mobilne zasilacze o mo­cach od kilkudziesięciu do kilkuset kilowatów i częstotliwościach roboczych rzadko większych niż 10 kHz (rys.6.32).

Rys.6.32. Zakładanie dzielonego wzbudnika do wyżarzania spoin rur (a) oraz wielkoga­barytowy wzbudnik do wyżarzania spawów na elementach cylindrycznych (b)

Piece indukcyjne kanałowe

Rozwiązania kon­strukcyjne pieców kanałowych mają cechy zbieżne z trans­formatorami. Elektryczny ob­wód pierwotny pieca tworzy jeden lub kilka wzbudników, obwód wtórny - nagrzewany metal znajdujący się w jednym lub kilku kanałach wykonanych z ceramicznego mate­riału ogniotrwałego oraz w zbiorniku wyłożonym także materiałem ogniotrwałym.

Rys. 6.33. Piec indukcyjny kanałowy

1 - zbiornik pieca, 2 - wyłożenie og­niotrwałe zbiornika,

3 - wzbudnik, 4 - obudowa modułu indukcyjnego, 5 - osłona wzbudnika, 6 - wyłożenie ogniotrwałe kanału, 7 - kanał,

8 - rdzeń, 9 - izolacja cieplna

Pole przepływu metalu w kanale ma złożony charakter i zwłaszcza w mo­dułach indukcyjnych dużej mocy (1÷6 MW). Rozwiąza­niem pożądanym jest zapewnienie tzw. przepływu tranzytowego o wartości 1÷3 m/s, zależ­nego od rodzaju nagrzewanego metalu.

Piece indukcyjne kanałowe są jednostkami o bardzo zróżnicowanych pa­ramet­rach. Do przegrzewania żeliwa buduje się piece o maksymalnych po­jemnościach 1650 Mg i mocach 15 MW. Maksymalne pojemności pieców do topienia są przeważnie mniejsze przy większych mocach jednostkowych. Są to jednak wartości rzę­du kilkudziesięciu megagramów, a w przypadku że­liwa - 125 Mg, przy mocach rzędu kilku megawatów - dla największych jednostek do topienia stopów żelaza.

Piece indukcyjne kanałowe przeznaczone są do topienia (piece topielne), do podgrzewania i korekty składu chemicznego, do przetrzymywania w stanie nagrzanym oraz do dozowania ciekłych metali nieżelaznych i żelaznych.

Piece indukcyjne tyglowe

Zasady działania pieców indukcyjnych tyglowych (eksploatowanych przy częstotliwo­ści sieciowej, zwiększonej oraz wielkiej) są zbliżone do zasad odnoszących się do na­grzewnic indukcyjnych nieprzelotowych do wsadów cylindrycznych.

Rys. 6.36. Piec induk­cyjny tyglowy

1 - izolacja cieplna, 2 - wyłożenie ognio­trwałe, 3 - menisk kąpieli me­talowej, 4 - wzbudnik, 5 - linie przepływu metalu w tyglu, 6 - lej spustowy

Zastosowania. Piece tyglowe stosowane są głównie do topienia, podgrzewa­nia, korekty składu i przetrzymywanie metali żelaznych i nieżelaznych. Rzadziej używa się ich do topienia niemetali, np. szkła i to przeważnie przy użyciu tygli przewodzących, w których topi się także metale szlachetne i magnez.

Tablica 6.5. Wielkości charakteryzujące przemysłowe piece indukcyjne tyglowe do topienia metali¹⁾

Rodzaj topionego metalu	Maksymalna temperatura wsadu ^0C	Pojemność Tygla Mg	Moc znamionowa pieca kW	Przelotność Mg/h	Zużycie właściwe Energii kW·h/Mg
Stal Żeliwo Miedź Mosiądz (60% Cu) Aluminium	1600 1500 1200 1000 750	0.5÷150 0.5÷60 0.5÷70 0.5÷70 0.2÷25	90÷40000 90÷20000 150÷12000 150÷12000 80÷6000	0.1÷70 0.1÷35 0.3÷30 0.5÷40 0.1÷12	650÷550 600÷520 500÷340 320÷240 650÷480
1) Piece przeznaczone wyłącznie do pracy zbiornikowej (podgrzewanie, przetrzymywanie) mają moce wielokrotnie mniejsze niż piece do topienia oraz do pracy uniwersalnej.

Urządzenia do indukcyjnego topienia beztyglowego

Rys. 6.90. Przykłady urządzeń do indukcyjnego topienia beztyglowego:

a) topienie lewitacyjne (wzbudnik dwuczęściowy i jego połącze­nie); przetapianie strefowe; c) wyciąganie monokryształów

Przy wyciąganiu monokryształów (głównie materiałów półprzewodniko­wych o średnicach do 150 mm) metodą Czochralskiego (rys. 6.90c), wzbud­niki są zasilane ze źródeł wielkiej częstotliwości (1,5 ÷3,0 MHz) przy mo­cach do 100 kW.

Rys.6.91. Topienie indukcyjne w warunkach lewitacji

Rys.6.92. Topienie indukcyjne w warunkach lewitacji

W celu otwarcia kolejnych plików, wejść do „Lewitacja film”

Kuchnie indukcyjne

Spośród 12 metod przemian energii elektrycznej w ciepło, nagrzewanie indukcyjne zalicza się do tej kategorii, która wykorzystywana jest zarówno w przemyśle jak i poza nim, a w szczególności w gospodarstwie domowym. Urządzeniem, które reprezentuje metodę indukcyjną w tym obszarze jest kuchnia indukcyjna, której pierwsze modele ukazały się w 1984 roku.

Zasada jej działania polega na pośrednim nagrzewaniu wsadu, którym jest przygotowywana kompletna potrawa bądź dowolne jej składniki umieszczone w nagrzewanym indukcyjnie naczyniu, a w istocie jego fragmencie, którym jest dno.

Indukcyjny układ grzejny na bazie którego skonstruowana jest kuchnia indukcyjna jest dwuelementowy, ponieważ oprócz elementu nagrzewanego zawiera także wzbudnik. Teoretycznie układ ten mógłby także zawierać trzeci element (magnetowód) ale z uwagi na używaną częstotliwość nie jest on stosowany. Oczywiście układ grzejny wyposażony jest we wszystkie inne elementy wyposażenia, niezbędne do prawidłowej pracy kuchni, a w szczególności w zasilacz oraz układy pomiarowe, sterujące i zabezpieczające.

Rys.6.93. Schemat układu grzejnego kuchni indukcyjnej

1-naczynie (z nagrzewanym bezpośrednio dnem), 2-płyta ceramiczna separująca naczynie i wzbudnik (stanowi jednocześnie blat kuchni), 3-wzbudnik

Istotnymi wielkościami, które stanowią punkt wyjścia przy konstrukcji układu grzejnego kuchni indukcyjnej oraz doborze naczyń jakie mogą być stosowane przy korzystaniu z niej są dwie wielkości, a mianowicie głębokość wnikania w dno oraz sprawność elektryczna związana z głębokością wnikania oraz z grubością dna naczynia.

Teoretycznie naczynie mogłoby być wykonane z dowolnego materiału przewodzącego, a więc także z miedzi lub z aluminium, jednak stosuje się wyłącznie materiał ferromagnetyczny, ponieważ zapobiega to rozpraszaniu pola (pomijając kwestie związane z rezystywnością, która powinna być duża). Ferromagnetyk ma tę jeszcze właściwość, że koncentruje pole w dnie naczynia, co jest korzystne zarówno w sensie sprawnościowym oraz ogranicza oddziaływania pola na otoczenie. Ważny jest też fakt przemagnesowywania odpowiedzialny za wytwarzanie się 1/3 całkowitego ciepła (reszta powstaje w wyniki przepływu prądów wirowych).

Większość kuchni indukcyjnych wyposażona jest w automatykę wyłączającą zasilanie po zdjęciu naczynia. Istotnie ogranicza to nagrzewanie się płyty ceramicznej od ciepła zgromadzonego w naczyniu. Zasadą eksploatacji kuchni indukcyjnych jest zresztą zdejmowanie naczynia z płyty po skończeniu procesu grzejnego. Czynnik ten sprawia, że często mówi się, iż mamy do czynienia z zimną płytą ceramiczną, co istotnie wyróżnia ten typ kuchni spośród innych kuchni elektrycznych (rezystancyjnych, promiennikowych), które nie odznaczają się tą cechą.

Wzbudnik umieszczony pod ceramiczną płytą stanowiącą blat kuchni wytwarza zmienne pole magnetyczne, które przenika przez niego i obejmuje swym działaniem ferromagnetyczne dno naczynia. Z przedstawionej zasady nagrzewania wynika, że nie wszystkie naczynia nadają się do tego celu.

Dobrą ilustracją efektywności nagrzewania indukcyjnego są przedstawione na rys.6.94 obrazy termowizyjne dotyczące dwóch rodzajów kuchni.

Rys.6.94. Porównanie gotowania na gazie i na kuchni indukcyjnej

Nietypowe rozwiązania mają wzbudniki, które w większości urządzeń indukcyjnych wykonywane są z rurek miedzianych o specjalnym przekroju dostosowanym także do częstotliwości prądu zasilającego. W przypadku kuchni indukcyjnych przedział stosowanych częstotliwości to 20 do 100 kHz (najczęściej 25 do 50 kHz), a wzbudniki wykonane są ze specjalnej licy miedzianej zwiniętej w płaski jednowarstwowy okrąg o średnicy dostosowanej do średnicy naczyń (rys.6.95). Lica ta wykonana jest z dużej ilości miedzianych cienkich i elastycznych drutów. W środkowej wolnej od zwojów części usytuowany jest czujnik temperatury. Wzbudnik nie jest więc chłodzony wodą mimo, że przenosi moce rzędu kilku kilowatów.

Rys.6.95. Wzbudnik kuchni indukcyjnej

Jeśli chodzi o układ zasilania wzbudnika, to jest on zlokalizowany obok wzbudnika. Jest nim falownik tranzystorowy (falownik prądu) pracujący na czterech tranzystorach IGBT (są przymocowane do aluminiowych radiatorów). Do chłodzenia elementów elektroniki stosowany jest wentylator. Wzbudnik tworzy z kondensatorami obwód rezonansowy. Napięcie stałe jest regulowane za pośrednictwem sterowanego prostownika co w efekcie przekłada się na możliwość regulacji mocy. Dodatkowa możliwość regulacji mocy przewidziana jest także poprzez sterowanie impulsowe wzbudzenia w obwodzie rezonansowym.

Elektryczne kuchnie indukcyjne, to jedne z najbezpieczniejszych urządzeń, jakie możemy umieścić w swojej kuchni. Dopóki nie postawimy na polu indukcyjnym naczynia ze stali magnetycznej, dopóty nic się nie dzieje. Gdy na płycie położymy widelec, to urządzenie nie zadziała. Gotując, można położyć obok naczynia kostki lodu, które nie rozpuszczą się pod wpływem ciepła z płyty. Kuchnie indukcyjne wyposażone są w układ rozpoznawania naczynia i w system pomiaru temperatury. Gdybyśmy, przygotowując jakąś potrawę, zapomnieli o niej, pola grzejne po przekroczeniu określonego czasu (dostosowanego do ich mocy) wyłączą się automatycznie. Wielką zaletą tych płyt jest to, że nie poparzymy się kładąc rękę na płycie.

Elektryczna płyta indukcyjna wizualnie nie różni się od innych płyt ceramicznych. Różnica polega na sposobie grzania. Indukcyjne płyty ceramiczne są jeszcze nowością. Ich zaletą jest przede wszystkim 25% -owa oszczędność energii w porównaniu z kuchniami promiennikowymi, skrócony czas gotowania (o 30%). Szybko uzyskiwana, precyzyjnie dozowana wysoka temperatura, skraca czas gotowania warzyw i dań smażonych, co pozwala zachować więcej witamin i składników odżywczych w potrawach. Oznacza to, że kuchnia indukcyjna nie tylko oszczędza czas.

Czas gotowania 1 litra wody:

Kuchnia rezystancyjna (żeliwna): 9.50 min.
Kuchnia promiennikowa: 9 min.
Kuchnia gazowa: 8.18 min.
Kuchnia indukcyjna: 4.46 min.

Oczywiście kuchnia indukcyjna ma też wady. Po pierwsze wymaga specjalnych naczyń z dnem ferromagnetycznym. Oznacza to, że niektóre naczynia stalowe oraz aluminiowe nie mogą być używane. Podobnie jak naczynia ceramiczne oraz szklane. Oznacza to zwykle konieczność zakupu nowych naczyń.

Kolejna wada to generacja szumów pochodzących od wentylatora oraz od drgań naczynia o częstotliwości równej częstotliwości zasilania (najniższe częstotliwości leżą poniżej górnej granicy słyszalności (20 KHz).

Osoby mające zainstalowany rozrusznik serca muszą być świadome, że kuchnia indukcyjna pracuje w warunkach dużego natężenia pola magnetycznego, co w pewnych okolicznościach może być niebezpieczne.

Warto się również zastanowić nad natężeniem pola elektrycznego i magnetycznego w pobliżu kuchni indukcyjnej. Wartości natężeń tych pól większości urządzeń powszechnego użytku są tak małe, że przy normalnych od nich odległościach nie należy oczekiwać żadnego negatywnego wpływu na zdrowie. W odległości powyżej 30 cm nie należy też oczekiwać żadnego wpływu na funkcjonowanie stymulatorów pracy serca. Jako wartości dopuszczalne przyjmuje się natężenie pola elektrycznego 5 kV/m. W pobliżu kołdry bądź poduszki elektrycznej natężenia tego pola wynosi 0.1 tej wartości. Bojler elektryczny wytwarza w odległości 30 cm natężenie o wartości 0.3 kV/m. Urządzenia stereo w tej samej odległości generują pole elektryczne o natężeniu 0.1…0.2 kV/m.

Jeśli chodzi o pole magnetyczne to powstaje ono jedynie w warunkach przepływu prądu. Wartości natężenia strumienia magnetycznego urządzeń domowych leżą poniżej dopuszczalnej wartości, która wynosi w odległości 30 cm 100 mikrotesla. W przypadku kuchni indukcyjnej po zdjęciu naczynia z płyty dopływ prądu do wzbudnika jest automatycznie wyłączany. Gdy naczynie stoi na płycie strumień magnetyczny jest przez nie absorbowany. Oczywiście naczynie powinno być dopasowane do wzbudnika i wówczas także podczas pracy kuchni w jej otoczeniu pole nie jest rozpraszane. W przypadku stosowania nie dopasowanych pod względem średnicy naczyń do wzbudników lub naczyń nie wyposażonych w dno z ferromagnetyka mogą w najbliższym sąsiedztwie kuchni wystąpić wyraźnie wyższe natężenia pola. Ma to miejsce także wtedy gdy naczynie nie jest centrycznie ustawione w stosunku do wzbudnika. Można się wtedy liczyć z natężeniami rzędu 6.25 mikrotesli (w odległości 10…20 cm), co oznacza zbliżanie się do niebezpiecznej granicy, a niekiedy jej przekroczenie. Aby więc przy częstotliwościach stosowanych w kuchniach indukcyjnych nie przekraczać dopuszczalnych wartości natężenia pola magnetycznego, należy używać właściwych naczyń o średnicach dostosowanych do średnicy wzbudnika oraz ustawiać je zawsze centrycznie. Osoby z rozrusznikami powinny zachowywać jednak ostrożność.

Na zakończenie przykład potwierdzający, że w rzeczywistości nagrzewa się naczynie, a płyta pozostaje zimna w jego otoczeniu.

Rys.6.96. Przykład pola temperatur w kuchni indukcyjnej

34

Rys.6.7. Nagrzewanie indukcyjne brzegu otworu w stalowej płycie

a)

b)

Rys.6.21. Porównanie nagrzewania indukcyjnego skrośnego cylindra w jednozwojowym wzbudniku z bocznikiem i bez bocznika magnetycznego.

b)

a)

Rys.6.34. Schemat zasilania jednomodułowego pieca kanałowego

1 - transformator z automatycznym przełączaniem zaczepów, 2 - wyłącznik główny, 3 - aparatura pomiarowo -kontrolna, 4 - układ symetryzacji,

5 -bateria kondensatorów, 6 - wzbudnik pieca

Rys. 6.35. Piec jedno­kanałowy o zmiennym przekroju kanału

1 - tygiel ceramiczny,

2- kanał, 3- wymurówka

Rys. 6.37. Indukcyjny piec tyglowy z bocznikami magnetycznymi

1 - hydraulicznie otwierana pokrywa, 2 - wzbudnik chłodzony wodą, 3 - zaciski przyłą­czeniowe, 4 - obudowa ze stali walcowanej na gorąco, 5 - elementy usztywniające wzbudnik i utrzymujące odstępy międzyzwojowe, 6 - otwarta przestrzeń pod piecem ułatwiająca odprowadzanie wilgoci oraz gromadząca metal przy przeciekach, 7 - Blok ceramiczny wykorzystywany opcjonalnie do wypychania wymurówki podczas jej wy­miany, 8 - Układ chłodzenia (także w części górnej) wyrównujący temperaturę w płasz­czyźnie wzbudnika, 9 - szczeliny międzyzwojowe umożliwiające m.in. odprowadzania wilgoci z wymurówki, 10 - okno inspekcyjne, 11 - śruby dystansowe utrzymujące nie­zbędne odstępy między obudową i bocznikami magnetycznymi, 12 - boczniki magne­tyczne pokrywające 50% powierzchni bocznej pieca, 13 - płyta dociskowa stabilizująca wzbudnik

---