Высокочастотный нагрев


Порыв ветра подымает пыль, крутит ее в вихре. Так и электромагнитная волна, пронизывая любое вещество, любую конструкцию, заставляет двигаться в вихре свободные электроны в проводниках, раскачивает, колеблет ионы и молекулы в изоляционных материалах. Чем быстрее движутся частицы вещества, тем выше его температура. При помощи электромагнитных волн — токов высокой частоты (ТВЧ) — можно нагреть в принципе любой материал до любой температуры.

Различные типы нагревателей ТВЧ

Справа — нагреватели, в которых действует магнитное поле. Их применяют для хорошо электропроводных материалов. Слева — нагреватели, в которых действует электрическое поле. Они предназначены для материалов с высоким электросопротивлением (полупроводники, изоляторы). 1 — индукционная печь, работающая на токе с частотой 50 гц. Чтобы при этой низкой частоте обеспечить хорошую магнитную связь между первичной обмоткой печи (индуктором) и нагреваемым металлом, печь снабжена стальным сердечником (магнитопроводом); 2 — индукционная бессердечниковая печь (частота тока от 500 гц до нескольких мегагерц). Объем тигля бывает от нескольких кубических миллиметров до сотен литров; з — индуктор для поверхностного нагрева под закалку (частота тока от нескольких килогерц до нескольких мегагерц). Показан простейший одновитковый индуктор для нагрева боковой поверхности изделий в форме диска. Часто применяются индукторы сложной формы, иногда с ферромагнитными магнитопроводами; 4—установка для индукционной плавки стекла. Электропроводность стекла даже при самой высокой температуре много меньше электропроводности металлов. Для нагрева стекла необходимо индуктировать в нем более высокие напряжения, чем в металле. Применяются частоты от единиц до десятков мегагерц; 5 — устройство для нагрева в высокочастотном электрическом поле. Для такого нагрева применяются частоты не ниже нескольких мегагерц.; 6 — высокочастотный нагреватель для стерилизации консервов в стеклянных банках; 7 — нагреватель в виде волновода, в котором действуют одновременно и электрические и магнитные поля. При дальнейшем повышении частоты переходим от нагревателей ТВЧ к нагревателям инфракрасным излучением. Для получения теневого излучения применяются не электронные генераторы, а нагретые поверхности; 8 — установка с лампами инфракрасного излучения для сушки лаковых покрытий.

В настоящее время основное количество высокочастотной энергии потребляется для промышленного нагрева. На многих заводах работают высокочастотные нагревательные установки мощностью в сотни и тысячи киловатт.

Конструкция нагревателя ТВЧ зависит от размеров и формы нагреваемых объектов, от электрофизических характеристик материала объекта, от удельного электросопротивления, от того, какой нагрев требуется — равномерный, сплошной, частичный, поверхностный, и от других факторов.

Диапазон частот, применяемых для нагрева ТВЧ, простирается от звуковых (длина волн больше тысячи километров) и до миллиардов герц (сантиметровые волны). Чем больше размеры нагреваемого объекта и чем выше электропроводность материала, тем более низкие частоты можно применять для нагрева. И наоборот, чем выше электросопротивление, чем меньше габариты нагреваемых объектов, тем более высокие частоты — короткие волны — необходимы.

Основной материал в современном машиностроении — сталь. Нагрев ТВЧ позволяет просто и дешево производить поверхностное ее упрочнение. Индуктированные токи высокой частоты циркулируют только в тонком поверхностном слое стали. Если нагревать ТВЧ достаточно быстро, то тепло из поверхностного слоя не успеет дойти до сердцевины. После такого нагрева стальное изделие будет закалено только на поверхности, а в середине останется вязким и, следовательно, не будет хрупким.

Благодаря тому, что при поверхностной закалке нагревается только небольшая часть всего объема изделия, электроэнергии расходуется меньше, чем при старых методах — при сплошном нагреве. Многие важные детали автомобилей, тракторов, металлорежущих станков и различных других машин и механизмов теперь закаливаются токами высокой частоты.

Широко применяются в современной технике высокочастотные плавильные печи. В них выплавляют многие высококачественные сорта стали, магнитные сплавы, жаростойкие сплавы. Часто плавка производится в разреженном пространстве — в высоком вакууме. При вакуумной плавке получаются металлы и сплавы наивысшей чистоты.

Нагрев ТВЧ позволяет получить высококачественную скоростную пайку различными припоями. Особенно широко применяется пайка при нагреве ТВЧ в инструментальном производстве. Она помогает крепить пластинки твердых сплавов в резцах, фрезах, зубках для врубовых машин, бойках отбойных молотков, шарошках для буров.

Нагрев ТВЧ в последние годы проникает даже в такие области, как, например, зубопротезная техника. Здесь применяется высокочастотная плавка в сочетании с центробежной отливкой, высокочастотная пайка и сварка.

В металлопромышленности ТВЧ нагревают стальные заготовки для обработки их давлением (для штамповки, ковки, накатки). При нагреве ТВЧ не образуется окалины. Это экономит металл, увеличивает срок службы штампов, улучшает качество поковок. Облегчается и оздоровляется труд рабочих.

На заводах пластмассовых изделий нагревают в установках ТВЧ заготовки перед прессовкой, производят вулканизацию различных резиновых изделий.

Хорошо помогает нагрев ТВЧ при склеивании. Многослойные небьющиеся стекла с пластмассовыми прокладками между слоями стекла изготавливают при нагреве ТВЧ в прессах. Так же производят нагрев древесины при изготовлении некоторых сортов фанеры и фасонных деталей из нее.

Для сварки швов в изделиях из тонких листов пластмасс применяют машинки ТВЧ, напоминающие швейные. Так изготавливают чехлы, футляры, коробки, трубы.

Одно из старейших применений нагрева ТВЧ — сушка. Однако электрический ток, особенно ТВЧ, — дорогой энергоноситель. Поэтому сушка ТВЧ применяется, когда делают дорогую продукцию и когда общее количество удаляемой влаги невелико. Обычно стараются комбинировать сушку ТВЧ с другими способами (паром, горячим воздухом).

Существуют установки для стерилизации нагревом ТВЧ. Благодаря тому, что весь процесс нагрева закупоренной банки продолжается не более минуты, консервы получаются высокого качества. Они могут быть изготовлены из таких нежных ягод, как земляника, которая при этом не теряет своего аромата.

Последние годы все шире применяется нагрев ТВЧ в стекольном производстве при сварке различных стеклянных изделий (труб, пустотелых блоков) и при варке стекла из шихты.

В начале этого раздела мы сравнивали электрические токи, возбуждаемые переменными электромагнитными полями, с обыкновенными вихрями. Известно, что на вихревом движении основана работа центробежных насосов. Конструкция насоса зависит от вязкости и плотности той жидкости или газа, для перекачивания которых он предназначен. Так и конструкции нагревателей ТВЧ (индукторов, обкладок, антенн), которые должны возбуждать электронные вихри, зависят от электрических характеристик нагреваемых материалов.

Индуктор для хорошо электропроводных материалов должен создавать в объекте большой ток при относительно низком напряжении. В малоэлектропроводных материалах, наоборот, необходимо высокое напряжение, но ток малой силы.

Можно построить нагреватель ТВЧ, в котором действуют одновременно и магнитное и электрическое быстропеременное поля. Пока электросопротивление нагреваемого материала велико, энергия передается электрическим полем. При низком электросопротивлении энергию передает магнитное поле. Подобный нагреватель может согласовывать генератор ТВЧ с его нагрузкой, даже если электросопротивление этой нагрузки в процессе нагрева изменяется в тысячи раз.