Теплогенерация в рабочем теле, помещенном в переменное электромагнитное поле

В этом случае, теплогенерация происходит в результате протекания индуктируемых в рабочем теле переменных вихревых токов. Такой вид теплогенерации также называют индукционным нагревом. Количество тепла, выделяющееся при этом, пропорционально квадрату плотно­сти тока на данном участке проводника в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

При индукционном нагреве наблюдается поверхностный эффект т. е. явление при котором вихревые токи под дей­ствием магнитного поля оттесняются к поверхности проводника, при этом плотность тока на его поверхности оказывается выше, чем в середине. Глубину проникновения магнитного потока в металл (толщину нагреваемого слоя) можно приблизительно определить по формуле Штейнметца:

м,

где – удельное электрическое сопротивление, ; ­ – магнитная проницаемость материала; f – частота, Гц.

При анализе данной формулы можно заметить, что глубина проникновения возрастает с уве­личением удельного электрического сопротивления, уменьшается с увеличением частоты и относительной магнитной проницаемости материала. Это дает возможность регулировать толщину нагреваемого слоя. При по­вышении частоты (до 1000 Гц и более) можно получить тон­кий нагретый слой для поверхностной термической обработки, а используя ток про­мышленной частоты (50 Гц), можно обеспечить сквозной прог­рев изделий.

Существуют два способа увеличить количества тепла в рабочем теле при индукционном нагреве:

1) уменьшить сопротивление магнитному потоку там, где он не проходит по нагреваемому материалу, что достигается применением металлических магнитопроводов (сердечников);

2) увеличить частоту, что достигается при питании индуктора от источника тока высокой частоты.

Эти два способа предопределили создание индукционных печей со стальным сердечником, работающих на токе промыш­ленной частоты и печей без сердечника, питаемых обычно от источников тока высокой частоты.

При индукционном нагреве стали ее электротехнические параметры претерпевают значительные изменения в процессе нагрева. При возрастании удельного сопротивления и уменьшении магнитной проницаемости по ходу нагрева изменяется глубина прони­кновения тока. При достижении определенной точки магнитная прони­цаемость уменьшается в 50–100 раз и становится равной еди­нице. В этот период времени нагрева происходит резкое увеличение глубины проникновения и общее уменьшение поглощаемой мощ­ности в нагреваемом теле. Когда температура по всему сечению на­греваемого тела достигает температуры магнитных превращений или превысит ее, неравномерность нагрева быстро сглажи­вается и происходит сквозной прогрев тела.