电磁感应技术 电磁感应加热技术

2019-08-21 - 电磁感应

电磁感应加热即电磁加热技术,电磁加热的原理是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质容器放置上面时,容器表面即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流(即涡流),涡流使容器底部的载流子高速无规则运动,载流子与原子互相碰撞、摩擦而产生热能。

电磁感应技术

1、感应加热原理

法拉第在电磁感应现象中指出,当导体的两端处于交变磁场中时,会产生出感应电动势,通过闭合回路感应电动势又会产生感应电流。感应加热就是通过在导体中产生涡流进而产生焦耳热来加热物体的基本原理。

电磁感应技术

当给感应线圈通以交变的电流后,在线圈内外产生交变的磁场,因此当物件切割磁力线时,产生涡流。涡流产生焦耳热,使设备温度瞬时升高,进而达到加热的目的。

由法拉第电磁感应定理内容可知,在闭合回路中所产生的感应电动势E的大小,与穿过回路的磁通量的变化率成正比。其公式为:

电磁感应技术

式中:E-感应电动势,单位V;N-感应加热线圈匝数;dφ/dt-每秒穿过闭合回路内磁力线的变化。

由焦耳—楞次定律知:当给感应线圈通以交变电流后,物件内部切割磁力线产生感应电动势E,使设备表面产生涡流I,进一步产生焦耳热Q。用公式表示为:

电磁感应技术

式中:Q-产生的热量,单位J;I-感应电流,单位A;R-电阻,单位Ω;T-加热时间,单位s。

2、集肤效应

在感应加热过程中,由于感应加热线圈产生的交变磁场使物件表面与物件中心部位穿透的磁力线条数不相同,导致物件表面与感应加热线圈之间的距离越近,穿过的磁力线条数越多;物件内部中心距离感应加热线圈表面距离比较远,穿过的磁力线条数少。

于是物件表面产生的涡流强度大于物件内部中心,形成表面层电流密度大,向内部中心越来越弱。这种现象,称为集肤效应。用公式表示为:

f-表示加热频率;μ-表示钢磁导率;ρ-钢的电阻率。

从上式中可以看出:频率、磁导率、电阻率的大小对集肤深度的大小都有一定的影响,而频率的大小对集肤深度的影响最为明显。所以电流频率选择的首要原则是透入式加热,设备在感应加热时,当电流频率确定了,电流透入深度也确定了,即涡流深度在一定值范围。

实际上在设备加热过程中,会出现两种加热状态:在刚开始加热时由于集肤深度的影响通过透入式方式进行加热,过一段时间后通过热传导方式进行加热设备。

3、比功率

由于在感应加热过程中,对加热速度的快慢和最终表面温度值的大小影响最大的两个参数是比功率和加热时间。所以在加热过程中涡流通过集肤效应作用加热表面设备的温度以及通过热传导作用传入到设备周围的速度,均由比功率P0决定。其表达式如下所示:

K-感应加热线圈和设备几何尺寸的系数;I-感应加热线圈电流。

电磁感应加热是将工件置于有足够功率输出的通有一定频率交流电的感应线圈中,由于电磁感应而在工件中形成强大的感应电流(涡流)从而使工件加热的一种方法。

根据频率不同分为高频(f≥100kHz)、超音频(f=10kHz~100kHz)、中频(f<10kHz)、低频(f=50Hz)。高频及超音频主要用于表面淬火,中频广泛用于金属的焊接热处理加热,低频主要用于对大工件的整体加热、退火等。

电磁感应加热具有以下特点:

1、集肤效应。在感应加热时,当线圈中通以一定频率的交流电时,由于电磁感应,工件中的涡流密度随磁场强度由表面向内层逐渐减小而相应减小的现象。集肤效应跟频率有关,频率越大,集肤效应越明显。

2、临近效应。两个相邻的通以交流电的导体,由于磁场的相互影响而使导体中的电流重新分配,当相邻导体为同向电流时,最大电流出现在导体外侧,反之,最大电流出现在导体内侧。临近效应对感应加热是有利的,但当工件与线圈间隙不均匀时,会导致电流分布不均匀而造成对工件的不均匀加热。

3、圆环效应。交流电通过圆环形线圈传输,最大电流密度会出现于线圈内侧。圆环效应对加热圆柱形工件是有利的。

传统的通过燃烧产生明火对设备进行加热的方式,原理是通过特殊设备将热量传导到被加热物体,以达到加热的目的。这种加热方式下,由于大部分热能在燃烧过程中散发到空气中,热能得不到充分利用,同时会产生像二氧化硫、二氧化氮及一氧化炭等对人体有害的气体,还会造成环境污染。

通过分析用传统明火方式存在很多诸如对人体以及对环境危害并且造成大部分热能的浪费的缺点,因此与其相比感应加热技术具有如下优势:

1、加热速度快,在加热过程中温度上升的速度比较快。

2、非接触式加热方式,操作起来比较方便、安全而且被加热物体的表面氧化程度小。

3、加热效率高,资源浪费少,节能。

4、可以通过设定加热时间来控制温度,这样可把温度控制到一个点上。

5、占地面积小,工作环境不会产生对人体有害且污染环境的气体,噪声污染较小。

1、传统的加热

用加热注射剂来举例传统加热存在的弊端,传统的注射剂加热一般采用电阻的方式进行加热,电阻加热存在的缺点如下:

①工作环境恶劣,传统加热利用的是电阻加热,在加热过程中向环境中散发大量的热量,使得操作环境温度升高,尤其在夏季的加热时,现场的工作环境是非常恶劣的,工人需要降温,降温过程又造成了能源的浪费,加大了成本;

②加热效率低,加热过程中热损大,电阻加热时都是电阻丝绕制成的电阻,这样的电阻外部也散热,造成了热能的损失,在传导的过程中由于过程繁琐,也损耗掉了很大的热量,经过统计只有25%左右的热能得到了利用,热能的效率很低;

③电阻的使用时间短,电阻发热对电阻的损耗很大,绕制的电阻线长时间加热很容易发生断裂,这样增加了工人的工作量,需要定时地对电阻进行检查和维护,维修和更换的费用都很大,加热的产品可能由于没有完成固定温度,报废率也增大了,所以各方面的费用都将增大。

2、电磁感应加热

①与传统的加热方法相比,电磁感应加热是自发热的现象,不会对环境造成很大的影响,工人的工作环境也得到了很大程度的改善,也减少了为环境降温的费用;

②电磁感应的热损耗小,节能效果好,电磁感应发热过程感应线圈与被加热的金属件之间是没有直接接触的,能量的传递是通过电磁感应进行传递的,在传导的过程中减少了很多热能的损耗,效率提高很多,可以达到85%左右,比传统的加热提高了很多;

③金属件温度提升速度快,金属件的电阻小,所以较小的电动势就能产生较强的涡电流,焦耳热产生得也多,热量散失得少,所以金属件升温很快;

④与传统的电阻加热相比,使用寿命增长了,电磁感应的加热工具是特制的线圈和半导体的器件,线圈在工作时的温度并不像电阻丝产生那么高的温度,使用寿命大大提高了;

⑤电磁感应加热的加热效率高,所以产品的产量也高,所以无论从损耗还是生产效率上都得到了提高。

综上所述,电磁感应加热具有的优势是非常明显的,加热速度比其他任何的媒介加热速度都快,而且在加热时损耗较小,加热时间较短,启动方便,热能的损耗较小,不用时,也可以切断供电电源,没有任何多余的损耗,电能的利用率又高,是新时期加热的最好选择。

现在社会需求的增长,电磁感应加热技术越来越广泛地运用到各行各业中。大致可以归类为以下几个领域:

1、食品、医疗、化工、塑机械加热、木材、建筑等节能改造方面都有用,在这些方面使用电磁感应加热代替了传统的电阻加热;

2、机械行业,电磁感应加热中的高频电磁加热可以应用于金属表面的热处理,也可以用于器件在加工前的透热,这种方法与传统的方法相比有很大的优势;

3、纺织印染方面,印染时的原料需要加热,利用电磁感应加热,加热速度快了,就使得原料的利用率提高了,同时可以适应不同燃料的不同温度要求;

4、轻工行业,在轻工行业用于食品或者塑料产品的封口,这种方式的加热大大加大了生产效率,还可以节省生产空间。

电磁感应加热技术的应用,可以提高生产产品的速度同时也能降低生产成本,也提升了设备制造行业的生产水平,在传统行业中越来越广泛地被接受和使用。

电磁加热技术的高热效率、高加热温度、大功率等一系列优良特性,使得它在钢铁零件的热塑成型加工工艺、热处理工艺以及金属熔炼工艺中被广泛应用。

1、电磁加热工艺在热塑成型加热系统中的应用

传统注塑机的加热系统通常采取电阻加热的方式对原料加热,但这种方式存在一些明显缺点:

①热转换效率比较低,不到50%,导致耗电增加,同时会对设备附近环境产生一定的热污染。

②由于发热元件是电阻丝,在使用过程中必然存在高温老化的现象,需要经常维护,寿命短。

③热损耗导致操作工人处于高温环境中,对健康不利。

针对这一系列缺点,目前许多企业已经对注塑机的加热工艺进行改进,应用了电磁感应加热技术,为企业降低了注塑加工过程中的电力成本。

注塑机加热系统实际上是经过整流电路(电磁加热控制器)与电压转换电路,将220V/50Hz的交流电转换为直流电;再经过DC/AC转换电路,将直流电转换为10k~100kHz的电流输送到感应器中,变化的电场又产生磁场,注塑机的铁磁性料筒置于这种电磁场中便会在其内部产生感应电涡流并发热,从而达到为塑料颗粒加热的目的。

感应器与料筒之间被隔热材料分离开,因此料筒内部向感应器传导的热量很少。但是由于感应器本身在正常运行时通过了较大的电流,其自身产生的热量必须及时散开,否则同样会出现感应器高温老化甚至烧坏的现象。为此,感应器通常由空心的圆管或方管绕制而成,如下图所示,管子内部充满可循环利用的冷却液,对感应器冷却。

①为感应器;②为料筒;③为隔热层;④为冷却液槽;⑤为冷却液;⑥为电磁加热控制器。

控制器的作用是给定加热功率。功率的改变是通过改变电源频率或者电流等工艺参数而实现的。当前超大功率电磁感应加热技术中控制器的核心元件普遍采用IGBT芯片。

设备正常运行时芯片自身会产生热量,需要对其进行风冷散热,以免影响芯片性能。对料筒进行感应加热需要通过温度传感器将料筒温度实时反馈到控制器中,电磁加热的高效性使得温度的控制更加精确。

2、电磁加热工艺在热处理中的应用

热处理是机械加工过程中改善零件性能的常用手段,其方法有许多,常采取的加热方式也比较多:如氧气-乙炔火焰加热、电热丝加热和电磁加热。其中,电磁加热工艺以其环保、安全、升温速度快、热损失小的优势而逐渐得到推广。

感应淬火工艺也得到了广泛的研究。1949-1956年间,我国工业刚刚起步,热处理加热工艺只采取火焰加热的方式,结果容易出现工件受热不均匀的现象,且工件性能不达标。为解决这一难题,苏联专家向我国提供了电磁感应热处理技术,感应淬火技术自此开始在我国发展。

高频淬火工艺也成为感应热表面淬火工艺,它是在感应器内加上高频电流,使受热工件表面温度迅速升高到800℃甚至更高的温度之后,迅速浸水/油冷却。

高频淬火工艺可以使工件表面硬度达到设计需求。淬硬层的深度与电源频率有关,100kHz以上的高频电源所对应的淬硬层为0.5~2.5mm,可应用于中小型工件;淬硬深度要求在2~10mm甚至10mm以上的工件通常采用中低频电源。

3、电磁加热工艺在金属熔炼中的应用

电磁加热技术在钢铁、铝、铜以及一些合金的熔炼设备中也有应用,而且它可以提高企业的冶炼技术水平。电磁感应熔炼设备一般包括感应熔炼炉和感应透热炉。

电磁熔炼设备的特点是:①金属熔炼速度比较快,节约电能。②加热功率可通过控制电流和电压等参数予以调节。③操作过程简单,可通过控制器面板实现加热参数的设置。

感应熔炼炉由电源、控制柜、熔炉、倾炉机构、冷却装置以及一些辅助装置等组成,其电源一般选取中低频率电源。螺旋管形感应器设置在熔炉内部,炉体内的金属因电涡流的存在而发热至熔化。感应式透热炉则是由支架、操作台、感应器、电源以及输送料架等组成。透热炉的特点是在其运行过程中,受热金属氧化脱碳比较少,材料利用率高。

相关阅读
  • 电磁感应频率 初生的婴儿有什么用——法拉第电磁感应定律

    电磁感应频率 初生的婴儿有什么用——法拉第电磁感应定律

    2019-08-21

    奥斯特1820年关于电流的磁效应的发现,揭开了电与磁联络的研讨工作的前奏,具有深刻的物理学素质的人自然会引发这样对称的考虑:这现象的逆效应是否存在?即能不能用磁体使导线中发生出电流来?许多人非常投入地研讨这一问题。法国物理学家安培在1821年即着手于这方面的探究。他将个多匝线圈固定在竖直平面上。

  • 电磁感应发现 首先发现电磁感应现象的科学家是

    电磁感应发现 首先发现电磁感应现象的科学家是

    2019-08-21

    电磁感应部分涉及三个方面的知识:nbsp;nbsp;nbsp;nbsp;一是电磁感应现象的规律。电磁感应研究的是其他形式能转化为电能的特点和规律,其核心是法拉第电磁感应定律和楞次定律。nbsp;nbsp;nbsp;楞次定律表述为:感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

  • 电磁感应开关怎么用

    电磁感应开关怎么用

    2019-08-21

    导语:磁感应开关是我们生活中常见而且有着较高科技含量的开关,对于磁感应开关相信大多数的读者朋友们都不会特别了解。其实,磁感应开关能够正常工作在很大程度上是依赖磁感应开关自己的电路。下面的这篇文章就来为大家介绍磁感应开关及其电路的相关知识。磁感应开关的简介磁感应开关是一种有着极强的抗干扰能力的开关,组成开关的主要是开关内部的磁体以及磁体内部设置的感应线圈。

  • 法拉第电磁感应原理(共10篇)

    法拉第电磁感应原理(共10篇)

    2019-08-21

    法拉第电磁感应定律:因磁通量变化产生感应电动势的现象,闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,这种现象叫电磁感应现象.由于这个现象是法拉第发现的,又称法拉第电磁感应定律.电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一,它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化,对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系。