Inducție

CAP. 1 BAZELE TEORETICE ALE ÎNCĂLZIRII PRIN INDUCŢIE

1.1. INTRODUCERE

Încălzirea electrică reprezintă una din cele mai vechi şi mai importante utilizări a energiei electromagnetice. Creşterea producţiei de energie electrică a contribuit la dezvoltarea impetuoasă a procedeelor de încălzire electrică, aceasta luând locul altor procedee de încălzire în numeroase ramuri ale industriei. S-a ajuns ca energia electrică produsă să fie utilizată în procedee electrotermice.

În industria modernă, procesele electrotermice sunt utilizate într-o măsură din ce în ce mai mare. Astfel, cuptoarele electrice sunt folosite la elaborarea metalelor şi aliajelor, în industria chimică, în industria alimentară, etc. In industria construcţiilor de maşini, încălzirea metalelor în vederea tratamentelor termice sau a prelucrării la cald, se realizează tot mai frecvent în instalaţii electrotermice. Sudarea electrică este preferată altor procedee în tot mai multe cazuri.

În condiţiile actuale, de scădere a energiei clasice, principala problemă care se pune în proiectarea şi în exploatarea instalaţiilor electrotermice este cea a economiei de energie, a sporirii randamentului, în condiţiile asigurării unei calităţi corespunzătoare a produselor. Aceasta se poate realiza numai prin cunoaşterea aprofundată a fenomenelor care au loc în instalaţiile electrotermice.

În lucrarea de faţă se va vorbi despre unul dintre procedeele de bază de încălzire directă din cadrul metodelor electrotermice de încălzire şi anume despre încălzirea prin inducţie.

La încălzirea prin inducţie, o bobină - inductorul de încălzire, fiind parcursă de curent electric alternativ, produce un câmp magnetic variabil în timp. Introducând în inductor un corp conductor din punct de vedere electric (piesă, şarjă topită ), în acesta se vor induce curenţi turbionari, care prin efect Joule, vor determina încălzirea directă sau topirea corpului respectiv. In sistemul inductor - piesă (şarjă), curenţii turbionari sunt refulaţi spre exteriorul conductoarelor - efect pelicular şi suportă influenţa curenţilor din conductoarele învecinate - efect de proximitate.

Avantajele încălzirii prin inducţie, în comparaţie cu alte metode de încălzire, sunt următoarele:

• căldura se dezvoltă în metalul ce urmează a fi încălzit, cu o densitate mare de putere (>1000 kW/m ), rezultând o viteză de încălzire mai ridicată (>1000 K/s) faţa de cea obţinută în cuptoarele cu încălzire indirectă;

• construcţia instalaţiilor de încălzire este mai simplă, permiţând utilizarea vidului sau a atmosferelor de protecţie şi automatizarea funcţionării în condiţiile producţiei în flux;

• condiţiile de lucru sunt mult îmbunătăţite, poluarea mediului ambiant este redusă.

Ca dezavantaj se menţionează faptul că multe dintre aplicaţiile încălzirii prin inducţie necesită surse de alimentare la o frecvenţă diferită de 50 Hz, convertoarele şi condensatoarele necesare ridicând apreciabil costul instalaţiei. încălzirea prin inducţie este utilizată pentru:

• topirea, menţinerea în stare caldă şi supraîncălzirea metalelor (oţel, fontă, cupru, aluminiu, zinc, magneziu şi aliajele lor) în cuptoare de creuzet sau canal;

• încălzirea în profunzime a semifabricatelor din oţel, cupru, aluminiu ş.a., sub formă de blocuri, bolţuri, bare, table, sârme ş.a., ce urmează a fi prelucrate la cald prin forjare, matriţare, presare, laminare, etc ;

• tratamentul termic superficial al pieselor din oţel sau fontă, utilizate în construcţia de maşini;

• aplicaţii speciale - lipirea, sudarea, detensionarea sudurilor, agitarea metalelor topite, transportul şi dozarea metalelor topite, topirea tară creuzet.

Cuptoarele şi instalaţiile de încălzire prin inducţie pot fi alimentate la frecvenţă industrială (50 Hz), medie (100 10000 Hz) sau înaltă (10 kHz 10

MHz). Frecvenţele joase (sub 50 Hz) sunt utilizate pentru alimentarea agitatoarelor şi a transportoarelor inductive iar cuptoarele cu creuzet şi canal sunt alimentate cu frecvenţă industrială, ca şi unele instalaţii de încălzire în profunzime. Frecvenţele medii au întrebuinţare la alimentarea cuptoarelor cu creuzet în special (100-2000) Hz, pentru încălzire în profunzime, tratament termic superficial şi sudare, iar cele înalte - pentru tratament termic superficial şi lipire.

Cuptoarele de topire sau instalaţiile de încălzire în profunzime sunt alimentate cu frecvenţe scăzute, deoarece necesită o valoare ridicată pentru adâncimea de pătrundere. Spre deosebire de acestea, instalaţiile destinate tratamentelor termice superficiale sunt alimentate la frecvenţe mai ridicate.

1.2. LEGEA INDUCŢIEI ELECTROMAGNETICE

Prin metoda încălzirii inductive, importanţa inducţiei electromagnetice constă în primul rând în posibilitatea de a transmite în piesa de încălzit energia electromagnetică iară a folosi contacte. Folosirea contactelor complică considerabil procesul, iar într-o serie de cazuri duce la imposibilitatea realizării lui.

Tensiunea electromotoare indusă (t.e.m.) într-un contur poate fi stabilită pe baza legii inducţiei electromagnetice:

unde: e - este valoarea instantanee a t.e.m., [V]:

= w fluxul total care îmbrăţişează conturul format din w spire, fiecare parcursă de fluxul magnetic O, [Wb].

Expresia fluxului total este valabilă dacă fluxurile magnetice ale tuturor spirelor sunt aceleaşi, condiţie îndeplinită în multe cazuri ce interesează, cu o precizie suficientă. Dacă variaţia fluxului în timp este apropiată de cea sinusoidală, valoarea efectivă a t.e.m. se poate scrie: