Cuptoare de inductie cu canal
1. Probleme generale
Incalzirea prin inductie este o consecinta a patrunderii undelor electromagnetice in corpuri bune conductoare electric, plasate in campul magnetic variabil in timp al unei bobine numite inductor. Tensiunea indusa in piesa de rezistenta ohmica redusa genereaza curenti intensi care, prin efect Joule-Lenz, vor ridica temperatura materialului, denumit generic sarja sau incarcatura.
Aceasta conversie energetica are urmatoarele avantaje: puterea maxima se degaja la suprafata materialului, in straturi a caror grosime depinde de frecventa de lucru si caracteristicile fizice ale sarjei; energia se transmite direct incarcaturii, in absenta pieselor de contact; productivitate ridicata; conditii de lucru bune sub aspect igienico-sanitar etc. Dezavantajele incalzirii prin inductie sunt, in special, de natura tehnico-economica si anume: surse de alimentare de constructie speciala; personal de intretinere si deservire calificat; factor de putere scazut etc.
Studiul patrunderii undelor electromagnetice in conductoare masive se face pe baza legilor campului electromagnetic scrise sub forma vectoriala. In cazul unui corp imobil, omogen si izotrop, bun conductor electric si plasat intr-un camp solenoidal fara surse interne de energie, ecuatiile lui Maxwell vor fi:
-
legea circuitului magnetic
- legea inductiei electromagnetice
- forma locala a legii fluxului electric
- forma locala a legii fluxului magnetic
la care se adauga relatiile de material:
cu: H - intensitatea campului magnetic, [A/m]; J - densitatea curentului de conductie, [A/m2]; E - intensitatea campului electric, [V/m]; B - inductia magnetica, [T]; D - inductia electrica, [C/m2]; e - permitivitatea electrica, [F/m]; μ - permeabilitatea magnetica, [H/m]; g - conductivitatea electrica, [S/m]; - rezistivitatea electrica, [Ω.m].
Daca se aplica operatorul rotor
expresiei 
, atunci rezulta 
ceea ce conduce
la 
si, in final, se
obtine sistemul:
sau 
a carui solutii precizeaza variatia in timp si spatiu a marimilor de stare locala ale campului electromagnetic.
Deoarece alimentarea instalatiilor de incalzire prin inductie se face de la surse de tensiune alternativa sinusoidala, in relatiile precedente se trece de la vectori la fazori si in complex simplificat vom avea ca:
cu 
si 
in care Δ este operatorul Laplace si w pf pulsatia unghiulara.
Patrunderea undelor electromagnetice in materiale este insotita, in general, de scaderea intensitatii componentelor E si H. Viteza de scadere a intensitatii campului electromagnetic in profunzimea materialului se caracterizeaza prin adancimea de patrundere ce reprezinta acea distanta masurata de la suprafata de separatie a corpului de-a lungul careia amplitudinea undei scade de e=2,781 ori:
[m]
In aceasta relatie se opereaza cu valorile rezistivitatii ρ si permeabilitatii magnetice relative r corespunzatoare temperaturii finale a sarjei.
Energia absorbita de piesa
raportata la unitatea de suprafata si unitatea de timp
poarta numele de vector radiant (Umov-Poynting, vector al
densitatii fluxului de energie) 
, care in complex simplificat este de forma:
VA/m2]
unde H* este marimea complex conjugata a campului magnetic H.
2.Principiul de functionare al cuptoarelor de conductie cu canal
Fig.13.1 Schita cuptorului de inductie cu
canal orizontal Fm F G f f fs
Cuptoarele
electrice de inductie cu canal sunt instalatii electrotermice
destinate topirii metalelor neferoase si aliajelor acestora, precum
si la mentinerea in stare calda a fontei si otelului
topit melanjoare
de inductie . Principiul de
functionare este similar cu al transformatorului cu miez feromagnetic, iar
alimentarea se face numai cu tensiuni de frecventa industriala.
Structural, cuptorul (fig.13.1) contine un circuit magnetic 1, o infasurare primara 2, numita inductor, si una secundara 3 constituita din metalul topit (sarja) ce umple canalul 4 din material refractar. Inductorul se dispune pe un cilindru electroizolant 6, iar racirea sa se face prin ventilarea fortata a spatiului 5 dintre inductor si carcasa interioara a canalului. Sarja si inductorul se dispun concentric pentru a obtine valori acceptabile ale productivitatii si factorului de putere prin reducerea fluxului de dispersie Φs.
Cuptorul de inductie cu canal (indicele 1 se refera la inductor si indicele 2 la sarja) difera de un transformator clasic prin:
infasurarea secundara este in acelasi timp si sarcina, fiind constituita dintr-o singura spira de inaltime relativ redusa comparativ cu cea a inductorului. Daca sunt mai multe canale in paralel, inaltimea totala a secundarului este data de suma inaltimilor canalelor.
existenta efectului pelicular, deoarece adancimea de patrundere a curentului in sarja este comparabila cu latimea canalului (dimensiunea radiala acestuia). Din punct de vedere al patrunderii campului electromagnetic in conductoare masive inductorul se considera un conductor cilindric gol cu miez feromagnetic excitat la exterior, iar sarja un conductor cilindric gol excitat din interior.
factor de putere scazut datorat unui flux de scapari Φs important, ca si inaltimii reduse a secundarului in raport cu a primarului transformatorului.
Aceste instalatii au ca principale avantaje: simplitate constructiva, procent mic de ardere a metalului prin oxidare, factor de putere acceptabil (0,2.0,4 la aluminiu, 0,6.0,8 la alama) consum redus de energie electrica. Ca dezavantaje se mentioneaza: asigurarea continuitatii electrice a secundarului (la turnarea sarjei, in canal se pastreaza o parte de topitura); dificultati in utilizarea aceluiasi cuptor pentru aliaje cu marci diferite; necesitatea unor materiale refractare de calitate pentru confectionarea canalului.
Constructiv, deosebim cuptoare cu canal orizontal, vertical sau inclinat, cu 1.3 canale pe aceeasi coloana feromagnetica sau pe coloane diferite, alimentarea fiind mono sau trifazata. Aceste cuptoare, comparativ cu cele de inductie cu creuzet de frecventa industriala au un randament total si un factor de putere mai bun si permit topirea si turnarea concomitenta a sarjei.
3. Constructia cuptoarelor de inductie cu canal
Cuptoarele de inductie cu canal (fig.13.2) prezinta doua parti principale si anume cuva cuptorului (de sectiune transversala circulara sau ovala) si unitatea de inductie sau topire prin care se intelege ansamblul canal-inductor-circuit magnetic.
La cuptoarele moderne unitatea de inductie este detasabila, fiind inlocuita cu o alta tinuta in rezerva calda la uzura canalului (canalele rezervei se mentin in permanenta la 200.300 C cu ajutorul unor rezistoare de cromnichel).
Carcasa cuptorului se confectioneaza din tabla de otel (610 mm grosime) rigidizata cu profile din acelasi material. In carcasa se prevad decupari necesare incarcarii - descarcarii cuptorului, evacuarii zgurei, masurarii temperaturii, curatirii canalelor si supravegherii procesului tehnologic. Pentru diminuarea pierderilor prin radiatie, toate aceste deschideri se prevad cu capace corespunzatoare.
Captuseala cuvei se zideste din caramizi refractare sau se stampeaza dintr-un amestec de cuart si cromomagnezita, dupa retete verificate in practica de exploatare. Intre captuseala refractara si carcasa metalica se dispun unul sau mai multe straturi de materiale termoizolante.
Fig.13.2 Cuptor de
inductie cu canal vertical 1− carcasa cuvei, 2 − strat
termoizolant, 3 − captuseala cuvei, 4 − captuseala
canalului, 5 − inductor racit cu aer, 6 − circuit
magnetic in manta, 7 − ventilator, 8 − capac, 9 −
gura de golire, 10 − carcasa interioara a canalului, 11
− lagar de basculare.
Captuseala canalului este partea cea mai solicitata din punct de vedere termic, chimic si mecanic si se obtine prin stamparea (baterea) compozitiei refractare in jurul unor sabloane de forma golului canalului. Sabloanele se confectioneaza din tabla de otel, metalul de topit sau lemn si au o sectiune transversala circulara, ovala sau dreptunghiulara, ultima mai usor de obtinut. Sinterizarea captuselii, prin care se intelege interactiunea chimica dintre masa refractara si liant, are loc la temperaturi ridicate obtinute prin topirea sabloanelor metalice sau arderea celor de lemn (cu ajutorul unor rezistoare de cromnichel inglobate in materialul sablonului). Grosimea acestei captuseli este de cel mult 50.70 mm, fapt care asigura un flux de dispersie relativ redus.
Forma si incarcarea specifica a canalului depind de natura metalului ce urmeaza a fi topit. In cazul cuprului si zincului canalul poate fi circular, dar la aluminiu sectiunea acestuia este obligatoriu dreptunghiulara, avand in vedere numarul mare de curatiri ale canalului (o data la 24 ore). La topirea aluminiului, pe suprafata baii apare o crusta de oxid de aluminiu (compus neconductor electric cu o temperatura de topire de 2000sC) care, prin spargere, poate cadea in canal si intrerupe continuitatea electrica a acestuia.
Carcasa interioara a canalului se compune din placi metalice rigidizate intre ele prin garnituri electroizolante pentru a evita inchiderea curentilor indusi.
Inductorul se realizeaza din bara (la racirea cu aer) sau teava profilata de cupru (la racirea cu apa), dimensiunea radiala a1 a conductorului fiind a1 ≥ 1,57 pentru a avea pierderi minime de putere prin efect Joule-Lentz. Inductorul se fixeaza pe o carcasa din lemn impregnat, azbociment sau textolit, iar izolarea spirelor se face prin garnituri de mica, azbest, banda textila impregnata, tesatura de sticla etc. Bobina, de forma cilindrica, are in general un singur strat cu barele dispuse pe muchie pentru a micsora lungimea inductorului si este prevazuta cu 1.2 prize de reglaj.
Circuitul magnetic, similar cu al transformatoarelor normale, se realizeaza din tabla silicoasa laminata la cald sau la rece. Se prefera tola laminata la cald deoarece este mai ieftina si nu implica detensionari, prin recoacere, dupa stantare. Intrucat circuitul magnetic trebuie retesut dupa fiecare interventie la captuseala canalului, jugul se face demontabil si se prevad folii electroizolante in zona de imbinare a acestuia cu coloanele (se evita supraincalzirile locale generate prin scurtcircuitarea tolelor).
Reteaua scurta a cuptorului este constituita din totalitatea cailor de curent (cabluri flexibile de cupru racite natural sau fortat) ce fac legatura intre sursa de alimentare (transformator reglabil, autotransformator) si inductorul cuptorului.
4. Eforturi electrodinamice in canalul cuptorului
Functionarea cuptoarelor de inductie cu canal se caracterizeaza prin eforturi electrodinamice care apar in topitura. Ele sunt generate de interactiunea curentului din canal cu campurile magnetice inductor si propriu, si anume:
a) efortul de contractie (fig.13.3 -a) se manifesta prin reducerea sectiunii transversale a topiturii din canal si este provocat de:
-
fortele electrodinamice de respingere Fc
generate de interactiunea dintre Fig.13.3 Eforturi
electrodinamice in canalul cuptorului hc Fc1 Fc2 I I I H Ft J H J Ft H a b
campul magnetic
inductor H
si curentul din canal I2.
Aceste forte sunt orientate de la suprafata interioara (dinspre
inductor) spre cea exterioara a canalului, unde presiunea
electrodinamica pe este maxima si egala
cu:
in care: μ2=μ0μr2 - permeabilitatea magnetica a topiturii,H/m;
I2 - valoarea eficace a curentului din canal,A;
b2 - dimensiunea (inaltimea) canalului paralela cu axa inductorului, m.
Pe suprafata interioara a canalului aceasta forta Fc1 este minima, de unde rezulta o deplasare a topiturii de-a lungul axei canalului dupa traseul cu linie intrerupta. Presiunea electrodinamica este echilibrata de presiunea hidrostatica ph a topiturii si de presiunea atmosferica pa, adica:
[N/m
cu: gt2 - greutatea specifica a topiturii, [N/m3];
hc - inaltimea metalului topit din cuva cuptorului, [m];
pa = 105 N/m2 = 1 at. - presiunea atmosferica normala.
Inaltimea baii de metal din cuva, la care presiunea hidrostatica depaseste presiunea electrodinamica, este data de :
si aceasta valoare asigura continuitatea electrica a topiturii din canal.
In practica, inaltimea hc este impusa din considerente constructive si pentru a evita intreruperea secundarului, curentul din canal trebuie sa aiba o valoare inferioara celei critice Icr data de :
- forta
electrodinamica de atractie Fc2 intre
curentii elementari I2* din care se
presupune a fi format curentul din canal
Din cele de mai sus rezulta pentru efortul de contractie Fc valoarea:
Fc = Fc1 + Fc2 [N]
b) efortul turbionar (fig.13.3-b) este generat de interactiunea curentului de densitati diferite J2 din canal cu propriul camp magnetic H2. Forta Ft ce apare imprima topiturii o miscare de-a lungul axei canalului, deplasarea fiind cu atat mai accentuata cu cat sectiunea canalului este mai neuniforma. Fenomenul este caracteristic cuptoarelor cu canal acoperit, de sectiune variabila, a caror extremitati se gasesc intr-o cuva care se largeste.
c) efortul motor sau centrifugal apare ca urmare a interactiunii curentului din canal cu fluxul de scapari Fs si este specific cuptoarelor cu canal orizontal descoperit (fig.13.1). Sub actiunea fortelor Fm ce apar, metalul lichid este respins de la suprafata interioara spre cea exterioara a canalului. Deoarece asupra topiturii actioneaza si greutatea proprie G, suprafata libera a metalului se va orienta pe directia rezultantei acestei forte.
d) efortul termic convectiv apare ca o consecinta a densitatilor diferite ale topiturii din canal si cuva. La cuptoarele cu canal vertical metalul din cuva are o temperatura mai scazuta, deci o densitate mai mare, si trece in zonele inferioare ale canalului, iar metalul de aici se va ridica spre cuva prin convectie naturala. La cuptoarele cu canal orizontal acoperit, pentru a accelera omogenizarea topiturii prin convectie termica, gurile canalului se dispun la cote diferite, iar axa acestuia se inclina fata de orizontala.
5. Indicatori energetici ai cuptoarelor de inductie cu canal
Performantele tehnico-economice ale instalatiilor electrotermice sunt puse in evidenta de indicatorii energetici prin care se inteleg marimile: randament total,factor de putere, consum specific de energie electrica si productivitate. Daca avem in vedere schemele bloc a unui cuptor de inductie cu canal (fig.13.4), atunci indicatorii energetici se pot defini dupa cum urmeaza:
randamentul total este dat de raportul dintre puterea utila Pu si puterea Pc absorbita de instalatie din reteaua consumatorului:
cu:
Pg - puterea utila la bornele de iesire ale sursei de alimentare, W];
ΔPg - pierderi de putere in sursa de alimentare, W];
DPq SA RS IM S SA DPg DPrs DP1 Pc Pg P1 P2 Pu Fig.13.4
Schema bloc a cuptorului de inductie cu canal SA - sursa alimentare; RS -
retea scurta; IM - ansamblu inductor-circuit magnetic; S -
sarja.
P1 - puterea la bornele inductorului, [W];
ΔPrs - pierderi de putere pe conductoarele retelei scurte, W];
P2 - puterea transferata sarjei (incarcaturii) ,[W];
ΔP1=ΔPCu+ΔPFe - pierderi in cuprul inductorului si in fier, [W];
Pu - puterea utila necesara incalzirii si topirii sarjei, [W];
ΔPθ - pierderi termice (flux termic de pierderi) in regim termic stationar, [W];
- factorul de putere cosjt al instalatiei electrotermice si cosj al cuptorului rezulta din:
Sc - puterea aparenta solicitata din reteaua de alimentare, [VA
S1 - puterea aparenta la bornele inductorului, [VA
- consumul de energie electrica la nivelul instalatiei et si al cuptorului e1 se determina cu:
m - masa materialului de incalzit si topit, [kg
t - durata procesului tehnologic, [ore
- productivitatea instalatiei gt este numeric egala cu cea a cuptorului g1 si reprezinta cantitatea de produse, evaluate in unitati de masura corespunzatoare, ce se poate executa in unitatea de timp:
6. Desfasurarea aplicatiei
Se vor examina partile constructive si desenele de executie ale cuptorului de inductie cu canal orizontal, acoperit, destinat topirii plumbului si caracterizat prin aceea ca are canalul realizat din tabla de otel;
Se va explica functionarea schemei electrice de forta si comanda, identificandu-se elementele componente din dulapul de comanda;
Se determina indicatorii energetici si se traseaza caracteristicile
h, cosj, e, g, qms = f(t)
cu qms temperatura medie a sarjei;
In cadrul aplicatiilor se vor masura si consemna:
tensiunea Uc, curentul Ic si factorul de putere cosjc sub care este absorbita puterea Pc din reteaua de alimentare;
tensiunea Ug, curentul Ig≡I1 si puterea Pg la bornele de iesire ale sursei de alimentare SA care, in cazul de fata, este un transformator monofazat conectat la tensiunea de linie a retelei;
temperaturile θ1.θ5 in cinci puncte diferite T1.T5 ale canalului.
Aceste date permit estimarea marimilor :
Pc = UcIccosjc - puterea ceruta din retea, W];
ΔPrs=2RrsI12=2R0LrsI12 - pierderi de putere pe conductoarele retelei scurte,[W];
Lrs - lungimea pe faza a retelei scurte,[m];
R0 - rezistenta specifica a conductorului retelei scurte, [Ω/km];
ΔP = ΔPCu+ΔPFe = R I +p0FemFe Lm1NI /s + p0FemFe
Lm1 - lungimea medie a spirei inductorului,[m];
N - numarul de spire al inductorului;
s1 - sectiunea transversala efectiva a conductorului de bobinaj, [m2];
ρ1 - rezistivitatea materialului inductorului la temperatura de lucru, [Ω.m];
p0Fe - pierderi specifice in circuitul magnetic, [W/kg];
mFe - masa circuitului magnetic,[kg].
Qu - caldura utila necesara incalziri si topirii sarjei (indice s), precum si cea necesara incalzirii canalului (indice c), [J];
c - caldura specifica, [J/kg.grd];
ct - caldura latenta de topire, [J/kg];
θmc = (θ1+θ2+θ3)/3 - temperatura medie a canalului, [grd];
θms = (θ4+θ5)/2 - temperatura medie a sarjei, [grd];
θ0 = 20sC - temperatura initiala, [grd];
Δtj - durata intervalului dintre doua citiri consecutive, [s];
P2j - puterea transferata incarcaturii la sfarsitul interalului Δtj, [W];
Datele initiale necesare efectuarii calculelor se refera la:
retea scurta: conducta flexibila MsudC35; Lrs=4m; s=35 mm2; R0=0,511 Ω/km;
inductor: teava de cupru racita cu apa, temperatura de lucru +20sC; r Wm; a r 10-3 1/grd; N=24 spire;
canal tabla neagra ≠2,5 mm, gc = 7800 kg/m3; cc = 460 J/kg.grd;
sarja: plumb, gs=11340 kg/m3; cs=130 J/kg.grd; cts = 23800 J/kg; θt=327sC temperatura de topire, θg = 400sC - temperatura de golire;
circuit magnetic: tabla siliciosa 0,5mm, kFe=0,92, gFe=7800kg/m3, p0Fe=1,1W/kg.
|
Politica de confidentialitate |
 .com |
Copyright ©
2024 - Toate drepturile rezervate. Toate documentele au caracter informativ cu scop educational. |
Personaje din literatura |
| Baltagul – caracterizarea personajelor |
| Caracterizare Alexandru Lapusneanul |
| Caracterizarea lui Gavilescu |
| Caracterizarea personajelor negative din basmul |
Tehnica si mecanica |
| Cuplaje - definitii. notatii. exemple. repere istorice. |
| Actionare macara |
| Reprezentarea si cotarea filetelor |
Geografie |
| Turismul pe terra |
| Vulcanii Și mediul |
| Padurile pe terra si industrializarea lemnului |
| Termeni si conditii |
| Contact |
| Creeaza si tu |
