Назначение, принцип работы и основные элементы индукционной тигельной печи. Вычисление геометрических размеров системы "индуктор-металл". Определение полезной энергии и тепловых потерь. Расчет электрических параметров. Составление энергетического баланса.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

Введение

1. Описание тигельной индукционной печи. Принцип работы

2. Определение геометрических размеров системы «индуктор-металл»

3. Тепловой расчет

3.1 Определение полезной энергии

3.2 Определение тепловых потерь

3.2.1 Тепловые потери через стенку тигля

3.2.2 Расчет тепловых потерь излучением с зеркала ванны жидкого металла

3.2.3 Расчет тепловых потерь через свод тигля

3.2.4 Тепловые потери через под тигля

3.2.5 Расчет суммарных тепловых потерь

3.2.6 Определение активной мощности, выделяемой в металле

4. Электрический расчет

4.1 Обоснование рабочей частоты тока

4.2 Расчет электрических параметров

4.3 Расчет конденсаторной батареи

5. Составление энергетического баланса

Заключение

Литература

Введение

Индукционные плавильные печи имеют индуктор - катушку, подключаемую к сети переменного тока. При протекании по катушке тока в окружающем ее пространстве возникает переменное электромагнитное поле. При воздействии переменного поля на металлические тела последние нагреваются. Скорость нагрева зависит от теплофизических свойств нагреваемого металла и параметров магнитного и электрического поля.

Основной физической характеристикой магнитного поля является магнитная индукция В, Тл. Характеристикой магнитного поля служит также напряженность Н магнитного поля (А/м). Магнитная индукция и напряженность поля связаны между собой соотношением:

;

где - магнитная проницаемость вещества.

₀- абсолютная магнитная проницаемость, равная .

Количество энергии, передаваемое магнитным полем, связано с магнитным потоком. В однородном магнитном поле магнитный поток равен произведению магнитной индукции на площадь:

Вокруг прямолинейного проводника при протекании по нему переменного электрического тока возникает изменяющееся во времени (по величине и направлению) магнитное поле. Силовые линии этого поля представляют собой концентрические окружности, центр которых расположен на оси проводника. Наиболее плотно силовые линии магнитного поля расположены около проводника. Здесь магнитное поле имеет наибольшую напряженность. Напряженность магнитного поля в пространстве вокруг проводника:

где I- сила тока в проводнике, А;

R- расстояние от оси проводника, м.

При значительном расстоянии между двумя прямолинейными проводниками их магнитные поля практически не взаимодействуют между собой. Однако, если расстояние между проводниками мало, их магнитные поля влияют друг на друга. Если вектора магнитной индукции полей имеют одинаковое направление, то взаимодействие полей приводит к увеличению магнитной индукции суммарного поля. Если направление векторов противоположно, то результатом взаимодействия полей будет уменьшение магнитной индукции поля.

Изменение магнитного поля всегда сопровождается появлением электрического поля. Интенсивность электрического поля Е. Силовые линии электрического поля расположены в плоскости, перпендикулярной к силовым линиям магнитного поля. Силовые линии электрического поля замкнутые, т.е. возникающее электрическое поле является вихревым. Такое поле вызывает в теле движение электронов по замкнутым траекториям и приводит к возникновению электродвижущей силы. В контуре, расположенном в проводящей среде, ЭДС вызывает электрический ток. ЭДС не зависит от рода вещества и его физического состояния, а зависит от магнитного потока и скорости его изменения.

Значение наведенного в теле электрического напряжения:

где f- частота тока, питающего индуктор, Гц;

Ф- максимальное значение магнитного потока, Вб.

Таким образом, если в переменное магнитное поле поместить предмет, то в нем возникают вихревое электрическое поле. Возникающий электрический ток называют вихревым, или током Фуко.

Вихревые токи нагревают тело. Массивные тела имеют небольшое электрическое сопротивление, поэтому вихревые токи в них могут быть очень большими.

Переменный ток в отличие от постоянного распределяется по сечению проводника неравномерно. Чем больше частота тока, диаметр проводника, его электрическая проводимость и магнитная проницаемость, тем более неравномерно распределяется ток по сечению. При очень высоких частотах и больших диаметрах проводника практически весь ток проходит только в тонком поверхностном слое проводника. Для упрощения расчетов считают, что в проводнике ток течет лишь в поверхностном слое толщиной . Глубину проникания тока определяют по формуле:

где - удельное электросопротивление нагреваемого тела,

- магнитная проницаемость нагреваемого тела;

f- частота тока, питающего индуктор, Гц.

Величина электрического тока зависит от электрического сопротивления проводника, поэтому важно знать размеры площади проводника.

1. Описание тигельной индукционной печи. Принцип работы

В индукционных тигельных печах плавят чугун, сталь, медь, бронзу, алюминий и т.д.

Принцип действия тигельной печи состоит в том, что расплавляемый металл помещают в пространство, пронизываемое переменным магнитным потоком. И как описывалось выше: под действием возникающей ЭДС в металле течёт ток, металл нагревается и плавится.

Внутри индуктора расположен тигель из огнеупорного материала. Внутреннее пространство тигля заполняется расплавленным металлом. Тигель защищает индуктор от воздействия жидкого металла. Толщина стенки тигля, т.е. расстояние между индуктором и жидким металлом, влияет на электрические параметры печи: чем толще стенка, тем больше количество магнитных силовых линий, пронизывающих катушку, не участвует в нагреве металла и тем, следовательно, меньше cos? печи. У тигельных печей cos?=0,005…0,2.

При протекании электрического тока по индуктору энергия из сети расходуется на создание магнитного поля. Часть энергии поля затрачивается на нагрев металлических тел, находящихся в том поле, а остальная часть возвращается обратно в электрическую сеть. С точки зрения рационального использования электрической сети целесообразно потреблять из сети столько энергии, сколько её необходимо для осуществления нагрева. Однако работа индукционной печи невозможно без создания магнитного поля, поэтому количество энергии, подводимой к индуктору, всегда больше количества энергии, расходуемой на нагрев.

Принято количество энергии, взятой из электрической сети, называть полной мощностью S, часть энергии, израсходованной на нагрев,- активной мощностью P, а часть энергии, возвращаемой в сеть - реактивной (индуктивной) мощностью Q. Полную мощность измеряют в вольт-амперах или киловольт-амперах .Реактивную мощность измеряют в вольт-амперах реактивных или киловольт-амперах реактивных.

Полная, активная и реактивная мощности связаны между собой соотношением .

Графическая зависимость между S, P, Q показана на рисунке:

Рисунок 1. Определение коэффициента мощности печи

Активная и реактивная мощности представляют собой катеты, а полная мощность - гипотенузу прямоугольного треугольника. Угол между P и S обозначен ?. Отношение активной мощности к полной P/S= cos?. Понятие cos? широко используется в технике. По значению cos? судят о загрузке электросети. Чем выше cos?, тем рациональнее используется сеть.

При cos?=1 в тепловую энергию преобразуется вся энергия, отбираемая из сети. При низких значениях cos? в тепловую энергию может быть преобразована только небольшая часть энергии, отбираемой из сети. Ясно, что при cos?=0 вся энергия, отбираемая из сети, вначале превращается в энергию магнитного поля, а затем вновь вращается в сеть. В этом случае происходит лишь загрузка сети, а полезное превращение энергии в теплоту отсутствует.

Повысить cos? индукционной печи по отношению к питающей электрической сети можно подключением параллельно индуктору конденсаторов рисунок 2. При достаточном количестве конденсаторов, т.е. когда мощность конденсаторов Qc, будет равна индуктивной мощности печи Q, cos?=1 рисунок 2а, что позволяет значительно уменьшить силу тока в проводящей электрической сети при сохранении в печном контуре прежней силы тока. По контуру, включающему индуктор и конденсаторную батарею, происходит ток большой силы. Поэтому для соединения индуктора с конденсаторной батареей используют шины и кабель большого сечения.

Магнитный поток, создаваемый индуктором, проходит по замкнутым линиям как внутри его, так и снаружи. В зависимости от прохождения магнитного потока с внешней стороны индуктора различают открытую, экранированную и закрытую конструкции печей.

При закрытой конструкции магнитный поток с внешней стороны индуктора проходит по радиально расположенным пакетам трансформаторной стали - магнитопроводам. Магнитная проницаемость трансформаторной стали во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, поэтому практически весь магнитный поток проходит по маг...