Высокочастотный индукционный нагрев. Расчет индукционного нагрева

В индукционных печах и устройствах тепло в нагреваемом приборе выделяется токами, возникающими в переменном электромагнитном поле внутри агрегата. Называются они индукционными. В результате их действия происходит повышение температуры. Индукционный нагрев металлов основывается на двух главных физических законах:

Фарадея-Максвелла;
Джоуля-Ленца.

В металлических телах при их помещении в переменное поле начинают возникать вихревые электрические поля.

Власть и контроль

Индукционная готовка обеспечивает быстрый нагрев, повышенную тепловую эффективность и более стабильный нагрев, чем приготовление за счет теплопроводности. [2] Как правило, чем выше номинальная мощность, тем меньше время приготовления. Номинальная мощность индукционной варочной панели обычно указывается для мощности, подаваемой на сковороду, тогда как номинальная мощность для газа указывается с точки зрения использования газа, но газ гораздо менее эффективен. На практике индукционные варочные зоны обычно имеют тепловую мощность, более сопоставимую с коммерческой газовой горелкой, чем с бытовыми горелками.

Безопасность

Устройство может определить наличие посуды, отслеживая подаваемую мощность. Как и в случае с другими электрическими керамическими варочными поверхностями, производитель может указать максимальный размер посуды, а также указать минимальный размер.

Система управления отключает элемент, если горшок отсутствует или недостаточно большой. Если сковорода выкипит досуха, она может сильно нагреться — термостат на поверхности отключит питание, если он почувствует перегрев, чтобы предотвратить поломку плиты и потенциальный пожар.

Поверхность плиты

Поверхность плиты нагревается только кастрюлей, поэтому обычно не достигает опасной температуры. Индукционные плиты легко чистить, потому что поверхность для приготовления пищи плоская и гладкая и не нагревается до такой степени, чтобы пролитая пища пригорала и прилипала.

Индукционные плиты обычно имеют стеклокерамические поверхности с низким тепловым расширением, которые могут быть повреждены при достаточном ударе, хотя они должны соответствовать минимальным стандартам безопасности продукта в отношении ударов. [3] Алюминиевая фольга может плавиться на верхней части и вызвать необратимое повреждение или растрескивание верхней части. Поверхности можно поцарапать, если сдвинуть посуду по варочной поверхности.

Некоторый шум создается внутренним охлаждающим вентилятором. Кроме того, посуда может издавать слышимый электромагнитно-индуцированный акустический шум (высокий гул или гудение), особенно при большой мощности, если посуда имеет незакрепленные части или если многослойные слои кастрюли плохо сцеплены друг с другом; посуда с приваренными слоями облицовки и сплошной заклепкой с меньшей вероятностью будет издавать такой шум. Некоторые пользователи лучше слышат или более чувствительны к этому высокочастотному нытью.

Другие соображения

Некоторые методы приготовления пищи, доступные при приготовлении на огне, неприменимы. Людей с имплантированными кардиостимуляторами или другими электронными медицинскими имплантатами обычно инструктируют избегать источников магнитных полей; Медицинская литература, кажется, предполагает, что близость к индукционным плитам для приготовления пищи безопасна, но люди с такими имплантатами всегда должны сначала проконсультироваться со своим кардиологом. Радиоприемники рядом с индукционной плитой могут улавливать некоторые электромагнитные помехи .

Поскольку варочная панель неглубокая по сравнению с варочной поверхностью с газовым обогревом или электрическим змеевиком, доступ для инвалидных колясок может быть улучшен; ноги пользователя могут быть ниже высоты стойки, а руки пользователя могут выходить за верх.

Эффективность

Летнее исследование ACEEE 2014 года по энергоэффективности в зданиях пришло к выводу, что «индукционное приготовление пищи не всегда является наиболее эффективным методом приготовления пищи. При тестировании с большой посудой для приготовления пищи эффективность традиционной электрической технологии оказалась выше (83%), чем это индукционной варки (77%). Тем не менее было показано, что эффективность обычных кухонных приборов сильно зависит от размера кухонной посуды ». [4] При приготовлении пищи с использованием огня или горячих нагревательных элементов потери в окружающую среду значительно выше; индукционный нагрев непосредственно нагревает кастрюлю. Поскольку индукционный эффект не нагревает воздух вокруг сосуда напрямую, индукционное приготовление пищи приводит к дополнительной энергоэффективности. Охлаждающий воздух проходит через электронику под поверхностью, но он лишь немного теплый.

Читайте так же:

Удельная тепловая мощность тока единица измерения

Варочная панель предназначена для приготовления пищи; например, может потребоваться длительное кипячение. Рациональным показателем эффективности было бы сравнение фактического количества энергии, потребляемой варочной панелью, с некоторым теоретическим значением, необходимым для приготовления определенной пищи. Поскольку эксперименты по проведению этих измерений будет трудно воспроизвести, публикуемые измерения энергоэффективности концентрируются на способности варочной панели передавать энергию металлическому испытательному блоку, который намного проще измерить с повторяемостью.

Эффективность передачи энергии, согласно определению Министерства энергетики США (DOE), представляет собой процент энергии, потребляемой плитой, которая в конце смоделированного цикла приготовления, по-видимому, была передана в виде тепла стандартизированному алюминиевому испытательному блоку.

Цикл испытаний DOE начинается с блока и варочной панели при комнатной температуре: 77 ° F ± 9 ° F (25 ° C ± 5 ° C). Затем варочная панель переключается на максимальную мощность нагрева. Когда температура испытательного блока достигает + 144 ° F (+80 ° C) выше начальной температуры в помещении, мощность варочной панели немедленно снижается до 25% ± 5% от ее максимальной мощности. После 15 минут работы на этом более низком уровне мощности варочная панель выключается и измеряется тепловая энергия в тестовом блоке. [5] КПД определяется соотношением между энергией в блоке и входной (электрической) энергией.

Такой тест, использующий комбинацию двух разных уровней мощности, был задуман для имитации использования в реальной жизни. Термины потери энергии, такие как остаточное неиспользованное тепло (удерживаемое твердыми нагревательными плитами, керамикой или змеевиком в конце испытания), а также потери от конвекции и излучения горячими поверхностями (включая поверхности самого блока) просто игнорируются и не принимаются во внимание. не способствуют эффективности.

При обычном приготовлении пищи энергия, выделяемая плитой, используется только частично для нагрева пищи до температуры; как только это произошло, вся последующая подводимая энергия передается воздуху в виде потерь через пар или конвекцию и излучение со сторон поддона. Поскольку повышения температуры пищевых продуктов не происходит, процедура испытания DOE будет считать эффективность практически нулевой. Такие процедуры приготовления, как уменьшение количества соуса, тушение мяса , тушение и т. Д., Являются важными видами использования плиты, но эффективность этих методов не моделируется процедурой испытаний DOE.

В 2013 и 2014 годах Министерство энергетики разработало и предложило новые процедуры испытаний продуктов для приготовления пищи, позволяющие напрямую сравнивать измерения эффективности передачи энергии между индукционными плитами, электрическими сопротивлениями и газовыми плитами и плитами. В процедурах используется новый гибридный испытательный блок из алюминия и нержавеющей стали, поэтому он подходит для испытаний на индукционных плитах. Предлагаемое правило перечисляет результаты реальных лабораторных испытаний, проведенных с гибридным блоком. Для сопоставимых (больших) варочных элементов была измерена следующая эффективность с повторяемостью ± 0,5%: 70,7–73,6% для индукции, 71,9% для электрической змеевики, 43,9% для газа. Обобщая результаты нескольких испытаний, Министерство энергетики утверждает, что «индукционные блоки имеют средний КПД 72,2%, что ненамного выше, чем КПД 69,9% модулей с гладким электрическим сопротивлением или 71.2% электрических змеевиков «. [6] Кроме того, Министерство энергетики напоминает, что эффективность индукции 84%, указанная в предыдущих документах технической поддержки, не измерялась лабораториями Министерства энергетики, а просто «взята из внешнего испытательного исследования», проведенного в 1992 году. [6]

Читайте так же:

Теплота резистора переменного тока

В дополнение к этому независимые тесты, проведенные производителями [7] исследовательскими лабораториями [1] и другими субъектами, по-видимому, демонстрируют, что фактическая эффективность индукционного приготовления обычно составляет от 74% до 77%, а иногда достигает 81% (хотя эти тесты могут следовать процедурам, отличным от указанных Министерства энергетики США). Эти подсказки указывают на то, что эталонное значение средней индукционной эффективности 84% следует использовать с осторожностью.

Просто для сравнения и в соответствии с выводами Министерства энергетики, приготовление пищи на газе имеет средний КПД энергии около 40%. Его можно поднять только с помощью специальных горшков с плавниками, первый дизайн и коммерциализация которых произошли много лет назад [8], но которые недавно были заново открыты, переработаны и снова выпущены на рынок. [9] Таким образом, из соображений защиты окружающей среды, касающихся индукции по сравнению с газом, будет использоваться КПД по газу 40%.

При сравнении с газом относительная стоимость электроэнергии и газа, а также эффективность процесса производства электроэнергии влияют как на общую экологическую эффективность [10] (как более подробно объясняется ниже), так и на стоимость для пользователя.

Вентиляция кухни

Энергия, теряемая при приготовлении пищи на газе, нагревает кухню, тогда как при приготовлении пищи на индукционной плите потери намного ниже. Это приводит к меньшему нагреву самой кухни и может повлиять на количество необходимой вентиляции. Кроме того, газовые плиты являются значительным источником загрязнения воздуха в помещениях и требуют хорошей вентиляции. [11] [12]

Эффективность приготовления пищи на газе может быть ниже, если принять во внимание образование отходящего тепла. Газовое приготовление пищи может значительно повысить температуру окружающей среды в определенных местах, особенно в ресторанах. Может потребоваться не только дополнительное охлаждение, но и зональная вентиляция для надлежащего кондиционирования горячих участков без переохлаждения других участков. Затраты необходимо учитывать в индивидуальной ситуации из-за множества переменных в разнице температур, планировке или открытости объекта, а также графике выработки тепла. Индукционная готовка с использованием электросети может превзойти эффективность использования газа при количественной оценке отходящего тепла и комфорта воздуха.

В промышленных условиях индукционные плиты не требуют защитных блокировок между источником топлива и вентиляцией, как это может потребоваться в газовых системах.

Преимущества индукционного нагрева

Какие преимущества имеет индукционный нагрев в сравнении с другими методами, такими как конвекция, радиация или пламя?

Ниже приводятся основные преимущества индукционного нагрева в производстве:

Максимальная производительность

Уровень производительность может вырасти, поскольку индукция является очень быстрым процессом: теплота возникает мгновенно прямо в детали (например, в некоторых случаях более 1000ºC менее чем за секунду). Нагрев происходит практически мгновенно, без необходимости предварительного нагрева и охлаждения. Процесс индукционного нагрева проводится на производстве, в непосредственной близости от машины горячей или холодной штамповки, вместо того чтобы отправлять партии деталей в другую установку.

Читайте так же:

Назовите действия электрического тока а тепловое магнитное химическое

Энергетическая эффективность

С энергетической точки зрения данный процесс является единственным по-настоящему эффективным. Он превращает потребленную энергию в полезную теплоту до 95%; в печах обычно достигается лишь 45%. К тому же, поскольку нет необходимости производить предварительный нагрев и охлаждение в рабочие циклы, потери теплоты в режиме ожидания сводятся к минимуму.

Контроль и автоматизация процесса

Индукционный нагрев устраняет недостатки и проблемы с качеством продукции, газовой горелкой или другими методами. После калибровки и запуска системы отклонений не возникнет: параметры нагрева стабильны и надежны.

При помощи высокочастотных преобразователей GH достигается температура с высокой точностью, что обеспечивает равномерный результат; преобразователь можно включать и выключать мгновенно. Благодаря закрытому контуру регулирования температуры передовые системы индукционного нагрева способны измерять температуру каждой детали индивидуально. Скорость роста, поддержания и снижения температуры может устанавливаться отдельно для каждого конкретного случая, а данные по каждой обрабатываемой детали заносятся в память.

Качество продукта

При индукционном нагреве обрабатываемая деталь никогда не вступает в прямой контакт с пламенем или с другим нагревающим элементом; теплота возникает прямо внутри детали под действием переменного тока. В результате, деформации, искажения и брак продукта сводится к минимуму. Для достижения максимального качества продукта деталь можно изолировать в закрытой камере с контролируемой атмосферой – в вакууме, инертной или разреженной атмосфере – для устранения окисления.

«Зеленая» энергия

Системы индукционного нагрева не сгорают, как традиционные ископаемые горючие. Индукция – это чистый незагрязняющий процесс, помогающий защитить окружающую среду. Система индукции помогает улучшить условия труда работников, поскольку не производит дыма, чрезмерной жары, токсичных выбросов и шума. Нагрев безопасен, поскольку не создает опасности для оператора, и, так как не применяется открытый огонь, не задымляет процесс. На непроводящие материалы не оказывается никакого воздействия, поэтому они могут располагаться в непосредственной близости от зоны нагрева. Использование решений, предлагаемых Группой GH, позволяет улучшить эксплуатацию и обслуживание индукционной системы, поскольку они сводят к минимуму приостановки производства, уменьшают потребление энергии и увеличивают контроль качества деталей.

Индукционная Плавка

Для большинства процессов плавка является первым шагом в производстве полезного продукта, индукционная плавка является быстрой и эффективной. Меняя геометрию индукционной катушки, индукционные печи могут быть различными по размерам – объемом от небольшой чашки кофе до сотен тонн расплавленного металла. Далее, корректируя частоту и мощность, группа компаний Индуктотерм может перерабатывать практически все металлы и материалы, включая железо, сталь и нержавеющие сплавы, медь и сплавы на ее основе, алюминий и кремний и другие. Индукционное оборудование делается на заказ для каждого отдельного применения чтобы использоваться наиболее эффективно.

Содержание

Индукционный нагрев позволяет целенаправленно нагревать применимый элемент для таких применений, как поверхностная закалка, плавление, пайка и пайка и нагрев по размеру. Железо и его сплавы лучше всего реагируют на индукционный нагрев из-за их ферромагнитной природы. Однако вихревые токи могут возникать в любом проводнике, и магнитный гистерезис может встречаться в любом магнитном материале. Индукционный нагрев использовался для нагрева жидких проводников (например, расплавленных металлов), а также газовых проводников (например, газовой плазмы — см. Индукционная плазменная технология). Индукционный нагрев часто используется для нагрева графитовых тиглей (содержащих другие материалы) и широко используется в полупроводниковой промышленности для нагрева кремния и других полупроводников. Частота коммунальных услуг Индукционный нагрев (50/60 Гц) используется во многих недорогих промышленных приложениях, как инверторы не требуются.

Читайте так же:

Проверка теплового расцепителя автоматического выключателя

An индукционная печь использует индукцию для нагрева металла до точки плавления. После расплавления высокочастотное магнитное поле также можно использовать для перемешивания горячего металла, что полезно для обеспечения полного смешивания легирующих добавок с расплавом. Большинство индукционных печей состоит из трубы из медных колец с водяным охлаждением, окружающих емкость с огнеупорный материал. Индукционные печи используются в большинстве современных литейных производств как более чистый метод плавления металлов, чем отражательная печь или купол. Размеры варьируются от килограмма вместимости до ста тонн. Индукционные печи во время работы часто издают пронзительный вой или гул, в зависимости от их рабочей частоты. Плавленые металлы включают железо и сталь, медь, алюминий и драгоценные металлы. Поскольку это чистый и бесконтактный процесс, его можно использовать в вакууме или инертной атмосфере. В вакуумных печах используется индукционный нагрев для производства специальных сталей и других сплавов, которые окисляются при нагревании в присутствии воздуха.

Сварка

Аналогичный, менее масштабный процесс используется для индукционной сварки. Пластмассы также могут свариваться индукционной сваркой, если они легированы ферромагнитной керамикой (где магнитный гистерезис частиц обеспечивает необходимое тепло) или металлическими частицами.

Таким образом можно сваривать швы трубок. Токи, наводимые в трубе, проходят по открытому шву и нагревают края, в результате чего температура становится достаточно высокой для сварки. На этом этапе края шва сжимаются и шов сваривается. Радиочастотный ток также может передаваться в трубку щетками, но результат остается тем же: ток течет по открытому шву, нагревая его.

Производство

В процессе аддитивной печати металлов с помощью быстрой индукционной печати сырье для проводящей проволоки и защитный газ подают через спиральное сопло, подвергая сырье индукционному нагреву и выталкиванию из сопла в виде жидкости, чтобы под защитой не образовывалось трехмерное изображение. металлические конструкции. Основным преимуществом процедурного использования индукционного нагрева в этом процессе является значительно большая эффективность использования энергии и материалов, а также более высокая степень безопасности по сравнению с другими методами аддитивного производства, такими как селективное лазерное спекание, которые передают тепло материалу с помощью мощного лазера или электронного луча.

Готовка

При приготовлении на индукционной плите катушка внутри варочной панели нагревает железное дно посуды за счет магнитной индукции. Использование индукционных плит обеспечивает безопасность, эффективность (индукционная плита не нагревается сама по себе) и скорость. Сковороды из цветных металлов, такие как сковороды с медным дном и алюминий сковороды вообще не подходят. Благодаря индукции тепло, вызванное основанием, передается находящейся внутри пище за счет теплопроводности. [1]

Пайка

Индукционная пайка часто используется при больших объемах производства. Он дает однородные результаты и очень повторяемый. Индукционная пайка используется во многих типах промышленного оборудования. Например, индукционная пайка используется для припаивания карбида к валу.

Уплотнение

Индукционный нагрев используется в крышка уплотнения тары в пищевой и фармацевтической промышленности. Слой алюминиевой фольги помещается на отверстие бутылки или банки и нагревается индукцией, чтобы сплавить его с контейнером. Это обеспечивает защиту от несанкционированного доступа, так как изменение содержимого требует разрыва фольги. [2]

Читайте так же:

Тепловой выключатель для циркуляционного насоса

Отопление по размеру

Индукционный нагрев часто используется для нагрева предмета, вызывающего его расширение перед установкой или сборкой. Подшипники обычно нагреваются таким образом с использованием рабочей частоты (50/60 Гц) и сердечника трансформаторного типа из многослойной стали, проходящего через центр подшипника.

Термическая обработка

Индукционный нагрев часто используется при термической обработке металлических изделий. Наиболее распространенные приложения: индукционная закалка стальных деталей, индукция пайка/ пайка как средство соединения металлических деталей и индукции отжиг выборочно размягчить участок стальной детали.

Индукционный нагрев может обеспечивать высокую плотность мощности, которая позволяет за короткое время взаимодействия достичь требуемой температуры. Это обеспечивает жесткий контроль за схемой нагрева, при этом узор довольно точно следует приложенному магнитному полю, и позволяет снизить тепловые искажения и повреждения.

Эту способность можно использовать при закалке для изготовления деталей с различными свойствами. Наиболее распространенный процесс упрочнения — это локализованное поверхностное упрочнение области, которая требует износостойкости, при сохранении прочности исходной структуры по мере необходимости в другом месте. Глубину индукционной закалки можно регулировать путем выбора индукционной частоты, плотности мощности и времени взаимодействия.

Ограничения гибкости процесса возникают из-за необходимости производить специальные катушки индуктивности для многих приложений. Это довольно дорого и требует распределения больших плотностей тока в небольших медных катушках индуктивности, что может потребовать специальной инженерии и «медной арматуры».

Обработка пластика

Индукционный нагрев используется в пластике термопластавтоматы. Индукционный нагрев повышает энергоэффективность процессов литья под давлением и экструзии. Тепло генерируется непосредственно в корпусе машины, что сокращает время прогрева и потребление энергии. Индукционная катушка может быть размещена вне теплоизоляции, поэтому она работает при низких температурах и имеет долгий срок службы. Используемая частота колеблется от 30 кГц до 5 кГц, уменьшаясь для более толстых стволов. Снижение стоимости инверторного оборудования сделало индукционный нагрев все более популярным. Индукционный нагрев также может применяться к формам, обеспечивая более равномерную температуру формы и улучшенное качество продукции. [3]

Пиролиз

Индукционный нагрев используется для получения biochar при пиролизе биомассы. Тепло непосредственно выделяется в стенках шейкерного реактора, что обеспечивает пиролиз биомассы с хорошим перемешиванием и контролем температуры. [4]

ЭДС в быту, как обозначается, единицы измерения

В быту явление электромагнитной индукции используют для изменения величины напряжения тока в трансформаторах и дросселях. На принципе магнитной индукции работают электрические счетчики, реле мощности, успокоительные системы стрелочных измерительных приборов.

Существуют также магнитные газовые генераторы, в которых благодаря магнитному полю возникает электродвижущая сила, создающая ток.

Электродвижущая сила индукции в системе СИ измеряется в вольтах. Просто электродвижущая сила обозначается греческой буквой (varepsilon ) , электродвижущая сила индукции — ( varepsilon_i.)