Индукционный нагрев варочного котла
Исходные данные:
Варочный котел имеет габариты:
диаметр D=596мм
высота H=410мм
Толщина стенки 1.5 мм
Материал – нержавеющая сталь AISI 302
Удельное сопротивление: 7.2e-07 Ом*м
Магнитная проницаемость: 1
Индуктор выполнен из медного провода сечением 4мм2. Провод выскотемпературный http://www.energotherm.ru/product/prod_e400.htm
Планируется, что будет плотно прилегать к стенке бака. Расчетный зазор на изоляцию – 2мм. 14 витков. Распределены равномерно по стенке бака.
Экран расположен на расстоянии 100мм от стенки бака. Промежуток между индуктором и экраном (внешней обшивкой) должен быть заполнен теплоизоляцией.
Задача решалась в программном пакете Jmag Designer 10.5
На рисунке 1 показана геометрия расчётной модели. Задача решалась в 2D в аксисимметрии.
На основе полученных результатов после расчета задачи в ANSYS 14.0 была выбрана частота 25кГц и ток индуктора амплитудный 200А (соответственно, действующее значение 200/1.41=141А)
Рис. 1
На рисунке 2 представлено распределение тока в проводнике и в детали.
Электрические параметры:
Мощность, выделяемая в детали – 9.06кВт
Мощность, выделяемая в индукторе – 3.42кВт
КПД = 72.6%
Мощность, выделяемая в экране (обшивке):
Медный экран – 4Вт
Нержавейка AISI 302 – 20Вт
Активное и реактивное сопротивления индуктора
Lи=13.8мкГн
Rи=0.639Ом
Напряжение действующее на индукторе – 300В.
Рис. 2
На рисунке 3 показаны линии электромагнитного поля вокруг индуктора. Это просто ради красивой наглядности.
Рис. 3.
Расчет параметров индукционной системы для варианта с индуктором, смещенным вниз до середины варочного котла.
Исходные данные:
Варочный котел имеет габариты:
диаметр D=596мм
высота H=410мм
Толщина стенки 1.5 мм
Материал – нержавеющая сталь AISI 430 (магнитная)
Экран расположен на расстоянии 100мм от стенки бака.
Индуктор из провода – сечение 4мм2.
На рисунке 4 показана геометрия расчётной модели. Задача решалась в 2D в аксисимметрии.
Рис. 4.
Электрические параметры:
Мощность, выделяемая в детали – 10.2кВт
Мощность, выделяемая в индукторе – 418Вт
КПД = 95.9%
Мощность, выделяемая в экране (обшивке):
Медный экран – 16Вт
Активное и реактивное сопротивления индуктора
Lи=63мкГн
Rи=5.47Ом
Напряжение действующее на индукторе – 539В.
Ток индуктора – 47.5А
Выводы:
1. КПД даже чисто теоретически на немагнитный материал бака не поднять. Максимум 75% индукционный КПД. Но если будет еще греть и сам провод с поверхности бак, то КПД будет существенно выше.
2. КПД на магнитную нержавейку может достигать 96%. Ее я предлагаю и использовать.
3. Экран нужно делать из меди. В этом случае потери внем будут минимальны.
4. При такой мощности (исходя из теплоемкости воды) бак 100л нагреется от 0 до 100 ˚С приблизительно за 70 мин.
5. Тепловую задачу считать тут бессмысленно. Перемешивание воды учесть невозможно.
6. Индуктор нужно сделать из провода 10мм2, добавить витков (ограничиться допустимым напряжением на индукторе 500В) и сместить витки ближе к низу бака.
7. Если с термостойким проводом возникнут проблемы, то делать стандартный многовитковый индуктор из медной трубки диаметром 8мм. Но это еще более ухудшит КПД. Дополнительный зазор между индуктором и баком. Требуется охлаждать трубку водой. Теплоизоляцию придется делать между индуктором и баком.