Incalzirea Electrica

1.. INTRODUCERE

Una din cele mai vechi si importatnte utilizari a energiei electromagnetice este Incalzirea electrica.O data cu cresterea productiei de energie electrica s-au dezvoltat si procedeele de incalzire electrica acestea inocuind procedeele de incalzire in diverse ramuri ale industriei.

In industria moderna se utilizeaza intr-o masura din ce in ce mai mare procesele electrotermice.Astfel,cuptoarele electrice sunt folosite in industria alimentara,in industria chimica la elaborarea metalelor si aliajelor,etc.Procesele electrotehnice sunt utilizate si in industria constructiilor de masini,la incalzirea metalelor in vederea tratamentelor termice sau a prelucrarii la cald.Una din procedeele preferate in tot mai multe cazuri este sudarea electrica.

Datorita conditiilor actuale de scadere a energiei electice,principal problema care apare este cea a economiei de energies i a sporirii randamentului pentru asigurarea unei calitati corespunzatoare a produselor.Acestea se pot realiza cunoscand foarte bine fnomenele ce au loc in instalatiile electrotermice.

In lucrare se va vorbi despre incalzirea prin inductie care este una dintre procedeele de baza a incazirii directe din cadrul metodelor electrotehnice de incalzire.

2. Clasificare si domenii de utilizare

La încălzirea electrică prin inducie o bobină-inductorul de încălzire, fiind parcursă de curent electric alternativ, produce un cîmp magnetic variabil în timp, introducînd în inductor un corp conductor din punct de vedere electric (piesă, șarjă topită), cu acesta se vor induce cureni turbionari, care prin efect Joule vor determina încălzirea directă sau topirea corpului.

În sistemul inductor-piesă (șarjă), curenii turbionari sînt refulai spre exterirul condutoarelor – efect pelicular și suportă influena curenilor din cundutoarele învecinate – efect de proximitate.

Avantajele încălzirii prin inducie, în comparaie cu alte metode de încălzire, sunt următoarele:

căldura se dezvoltă în metalul ce urmează a fi înczit cu o densitate mare de putere (>1000 kw/m2), rezultînd o viteză de încălzire mai ridicată (>1000k/s) faă de cea care sa obine în cuptoarele cu încălzire indirectă;

construcia instalaiilor de încălzire este mai simplă, permiînd utilizarea vidului sau a atmosferelor de protecie și automatizarea funcionării în condiii de flux;

condiiile de lucru sînt mult îmbunătăite, poluarea mediului ambiant este redusă.

Ca dezavantaj se menionează faptul că multe dintre aplicaiile înălzirii prin inducie necesită surse de alimentare la o frecvenă diferită de 50Hz, precum și preul ridicat al instalaiei.

Încălzirea prin inducie este utilizată pentru:

topirea, meninerea în stare caldă și supraîncălzirea metalelor în cuptoare cu creuzet sau canal;

încălzirea în profunzime a semifabricatelor, sub formă de blocuri, boluri, bare, table, sîrme, ce urmează a fi prelucrate la cald prin forjare, matriare, presare, laminare, etc..

tratamentul termic superficial al pieselor din oel sau fontă utilizate în construcia de mașini.

Cuptoarele și instalaiile de încălzire prin inducie pot fi alimentate la frecvenă industrială-50Hz-, medie (10010000Hz) sau înaltă (10kHz10MHz).Frecvena joasă (sub 50Hz) este utilizată pentru alimentarea agitatoarelor și a transportoarelor inductive.

3.Teoria încălzirii prin inducție

3.1.Curentii turbionari induși

Dându-se valorile intensităților câmpului magnetic H0 și electric E0 la suprafața unui conductor masiv (fig. 3.1),se pune problema determinării câmpurilor H si E, a curentului I și a densității J în conductor precum și a energiei electromagnetice absorbite de unitatea de suprafața a acestuia în unitatea de timp (puterea superficială) – vectorul densității fluxului de energie (vectorul Poynting) [3.1]:

Calculul acestor mărimi se face pe baza ecuațiilor lui Maxwell pentru câmpul electromagnetic:

Fig. 3.1. Câmpul electromagnetic în corpuri: a) plane, b) cilindrice.

În aceste relații: este inducția magnetică; μ – permeabilitatea magnetică a conductorului;

σ-conductivitatea electrica.

Cu ajutorul formulelor din analiza vectorială aplicate relațiilor (6.2), obținem:

=

se obține ecuația câmpului în interiorul conductorului

în care Δ este operatorul laplacian; pentru câmpul electric, soluția este dată de ecuația

În regim permanent sinusoidal, utilizând reprezentarea în complex simplificat a câmpurilor magnetic și electric,din relația (6.1) rezultă vectorul lui Poynting sub forma complexă:

=

dirijat în sensul axei x (fig 6.1,a) sau r (fig 6.1,b);

Sa este componenta activă, în W/m2, iar Sr component reactivă în var/m2, a puterii absorbite de unitatea de suprafața a conductorului.

Puterea aparentă absorbită de un conductor având suprafața A, este

[VA]

în care: puterea activă P = RI2 [W], și puterea reactivă Q = XI2 [VAr], R și X reprezintă rezistența, respectiv reactanța internă a piesei, iar I valoarea eficace a curentului indus [6.7].

Câmpurile obținute din relațiile(6.4) și (6.5) conduc la expresia vectorului lui Poynting

în care Ho este valoarea eficace a intensității câmpului magnetic la suprafața conductorului în A/m; δ, adâncimea de pătrundere a curenților turbionari în conductor, în m; ρ- rezistivitatea materialului conductorului în Ωm; – funcții ale rezistenței, respectiv reactanței interne a conductorului.

Calculul curenților turbionari este o problemă de mare interes tehnic. De cele mai multe ori pierderile produsede curenții turbionari nu sunt dorite și tehnicienii încearcă să le reducă cât mai mult posibil. Alteori ele pot fi utile prin efectul lor termic, permițând încălzirea mediilor conductoare în zone dorite de tehnicieni. Uneori forțele de natură magneticăproduse de curenții turbionari trebuie luate în considerare la calculul parametrilor unor instalații de conversie electromecanică. Determinarea curenților turbionari necesită calculul câmpului electromagnetic în structuri cu medii conductoare, deci soluționarea unor complicate probleme de regim cvasistaționar.

6.2.2. Adâncimea de pătrundere a curenților turbionari

Adâncimea de pătrundere δ este o mărime caracteristică pătrunderii energiei electromagnetice în conductoare masive și reprezintă distanța de la suprafața corpului, în care, datorită efectului pelicular, densitatea de curent scade de 2,7 ori iar puterea activa de 2 ori (fig 6.2) [6.3]. In acest strat 86,5% din puterea activa de la suprafața Sa0 se transformă în căldură.

Fig. 6.2. Variația densității de curent J și a puterii active pe unitatea de suprafață Sa, cu raportul x/δ

Se poate considera că de-a lungul adâncimii de pătrundere δ, curentul total prin conductor este repartizat cu odensitate constantă, dacă rezistența pe care acesta o întâmpină și deci puterea activă disipată sunt egale cu rezistența și puterea din cazul real [6.1].

Admițând că permeabilitatea magnetică relativă a piesei μr este constantă și intensitatea câmpului magnetic creat de curenții turbionari H2 variază liniar, având valoarea maximă H1, din legea circuitului magnetic rezultă fluxul din piesă

Ф==

unde s-a considerat că inducția magnetică din piesă este paralelă cu câmpul și cu vectorul elementar de suprafață dS.

In piesa cilindrică în care sunt induți curenți turbionari, datorită câmpului magnetic creat de bobina cu N spire, fluxul magnetic variază sinusoidal, cu pulsația ω, care va produce în piesă o cădere de tensiune sinusoidală

Ф

unde este curentul indus în stratul de curenți turbionari, pe adâncimea δ, care se determină din legea circuitului magnetic(pe conturul C cuprinzând numai stratul cu I2)

==

întrucât în spațiul dintre bobină și piesă, câmpul este considerat uniform și egal cu , iar în interiorul piesei câmpul rezultant este nul. Ținând seama de expresia fluxului pe care o introducem în expresia căderii de tensiune, obținem

Relația de calcul a adâncimii de pătrundere δ, se obține după înlocuirea valorilor

si

unde:

ω -este pulsația curentului de frecvență f, în 1/s;

μ – permeabilitatea magnetică absolută a materialului corpului, în H/m;

-permeabilitatea magnetică relativă a piesei;

ρ – rezistivitatea piesei, în Ωm.

După cum reiese din relația (6.9), adâncimea de pătrundere depinde de frecvență, de mărimile fizice ale materialului și de temperatura corpului încălzit. Rezultă că la frecvențe joase curenții turbionari pot circula în aproape întreaga masă a piesei, ceea ce permite încălzirea acesteia în volum (în adâncime), iar la frecvențe ridicate curenții turbionari circulă numai spre suprafața piesei, ceea ce permite încălzirea ei superficială. Se poate arăta însă că pentru o piesă dată și o putere specifică necesară, cu creșterea frecvenței de lucru se impune și creșterea tensiunii de alimentare, ceea ce conduce, la limitarea frecvenței, în primul rând pentru a evita străpungerea izolației inductorului. [6.7].

Rezistivitatea materialelor crește cu temperatura de încălzire. Din punct de vedere al permeabilității magnetice relative, metalele se împart in:

•neferomagnetice, având μr = 1 (OL austenitic, Al, Cu etc);

•feromagnetice, având μr = 10…10.000 în funcție de intensitatea câmpului magnetic; la temperaturi sub punctul Curie (768oC pentru fier și oțeluri moi; 600 – 950oC pentru oțeluri aliate; 721oC pentru oțel având 0,83% C), permeabilitatea magnetică scade, ajungând la valoarea μr = 1.Variația adâncimii de pătrundere în funcție de temperatură, la diferite valori ale fecvenței este dată în figura 6.3 pentru diferite material

Fig. 6.3. Variația adâncimii de pătrundere δ, la metalele feromagnetice (μr = 30) cu temperatura de încălzire, cu modificarea frecvenței