Индукционный прогрев. Основная характеристика и сущность метода. Схема индукционного прогрева по типу катушки с железом

Лекция №9

Тема: «Индукционный прогрев»

9.1. Основная характеристика и сущность метода

Индукционный способ термообработки бетона основан на использовании магнитной составляющей переменного электромагнитного поля для нагрева стали вследствие теплового воздействия электрического тока, наводимого электромагнитной индукцией.

При индукционном нагреве энергия переменного электромагнитного поля преобразуется в арматуре или стальной опалубке в тепловую и передается теплопроводностью бетону.

В зависимости от вида и конструктивных особенностей железобетонных конструкций термообработка их индукционным способом может быть осуществлена по одной из двух принципиальных схем:

v по схеме индуктивной катушки с железом. Схема индуктивной катушки с железом (рисунок 9.1) имеет место в том случае, когда элемент железобетонной конструкции в процессе термообработки находится в полости индукционной обмотки, выполненной в виде цилиндрического, прямоугольного, трапециевидного и тому подобного соленоида. При термообработке по этой схеме тепло в основном выделяется в феромагнитных элементах (арматура, жесткий каркас, стальная опалубка), направление которых совпадает с направлением оси соленоида. Незначительная часть тепла выделяется в металлических замкнутых элементах (хомуты арматуры, опалубка), плоскость которых перпендикулярна оси соленоида.

1 - индукционная обмотка; 2 - металлическая опалубка стыка;

3 - конструкция

Рисунок 9.1 – Схема индукционного прогрева по типу катушки с железом

v по схеме трансформатора с сердечником

Схема трансформатора с сердечником (рисунок 9.2) имеет место в том случае, когда в полости железобетонного изделия или сооружения расположен магнитопровод (или группа магнитопроводов) с индукционной обмоткой. Здесь тепло в основном выделяется в электрически замкнутых металлических элементах (замкнутая металлическая форма, опалубка, арматурные хомуты или замкнутая поперечная арматура, кольцевая арматура и т.д.), плоскость которых перпендикулярна оси магнитопровода.

1 — первичная обмотка трансформатора; 2 — вторичная обмотка трансформатора; 3 — стальной сердечник

Рисунок 9.2 – Схема индукционного прогрева трансформатора

с сердечником

Вихревые токи, возникающие в металле (арматурных стержнях, элементах стальной опалубки и т.п.) циркулируют не по всей его толщине. Электромагнитная волна по мере проникновения вглубь металла затухает, вследствие чего плотность тока и напряженность электрического и магнитного полей при переменном токе имеет наибольшее значение у поверхности металла.

Индукционный нагрев насыщенных арматурой каркасных конструкций, возводящихся в стальной (ферромагнитной) опалубке, обладает рядом достоинств:

1. Органически просто осуществляется прогрев бетона насыщенных металлом конструкций за счет высокой  теплопроводности металла; обеспечивается равномерное по сечению и длине конструкций температурное поле;

2. Легко и быстро, без дополнительных источников тепла, осуществляется предварительный перед укладкой бетона отогрев арматуры, жесткого каркаса, металлической опалубки, а также при необходимости отогрев ранее уложенного и замороженного бетона;

3. Обеспечивается возможность круглогодичного использования металлической опалубки; исключается расход стали на электроды и коммутационных проводов.

9.2.  Применение индукционного прогрева в зимнем бетонировании

Областью применения индукционного прогрева монолитных конструкций в соответствии со СНиП 3.03.01-87* «Несущие и ограждающие конструкции» являются:

· Колонны

·  Балки

·  Прогоны

·  Свайные ростверки

·  Стены

·  Перекрытия

А так же другие конструкции с модулем поверхности М_П= 6 - 10 м^-1 бетонирование которых производится при минимальной температуре воздуха до -15 °С.  Индукционный прогрев применим к конструкциям замкнутого контура, длина которых превышает размеры сечения, с густой арматурой с коэффициентом армирования более 0,5, при бетонировании которых имеется возможность обмотать их проводом (изготовить индуктор), или когда бетонирование производят в металлической опалубке.

9.3. Необходимые расчеты

Поверхностный слой, где амплитуда падающей электромагнитной волны снижается в е раз (где е-основание натурального логарифма) и тепло, выделенное индукционными токами 90 % от всего тепла и численно равно теплу, которое выделил бы ток, циркулирующий только в этом слое, и имеющий в нем постоянную плотность, называется глубиной проникновения тока в металл Δ_s.

Глубина проникновения Δ_s, м, тока частотой ƒ, Гц, в металл, имеющий удельное электрическое сопротивление ρ_s, Ом м, и магнитную проницаемость µ, определяется по формуле:

   ,                                            (9.1)

Активная мощность ΔР, кВт/м², выделяющаяся с единицы поверхности металла, обладающего поверхностным сопротивлением ρ_н, Ом, и находящегося в переменном магнитном поле напряженностью Н, А/м, выражается формулой:

                                                                                           (9.2)

В свою очередь поверхностное сопротивление составляет:

                                            (9.3)

Расчет потребной удельной активной мощности ΔР и соответственно остальных параметров индукционных систем производится исходя из величины общей активной мощность P_as, кВт, необходимой для обеспечения заданного режима термообработки и определяется по формуле:

                                              (9.4)

где         Р_р – требуемая удельная тепловая мощность, определяемая по формуле (2.25), кВт/м³;

V – объем конструкции, м³.

Удельная тепловая мощность необходимая для термообработки конструкции с активной поверхностью металла, S_а, м², определяется по формуле:

                                       (9.5)

Кроме определения необходимой удельной мощности необходимо рассчитать и другие параметры индукционного прогрева для каждой из принципиальных схем.

1)  Расчет параметров индукционного нагрева по схеме индуктивной катушки с железом.

2)  Расчет параметров индукционной системы заключается в определении:

v Числа витков N индукционной обмотки (индуктора) при выборе напряжения