Metody analizy nowych systemów nagrzewania indukcyjnego (Marcin Wesołowski)

Nagrzewanie indukcyjne jest ciągle rozwijaną i przyszłościową metodą elektrotermiczną. Fakt ten wynika z możliwości kształtowania złożonych pól temperatury określonych wymaganiami technologicznymi oraz możliwością prowadzenia procesów cieplnych znamionujących się małą energochłonnością.

Wymienione potencjalne atuty nagrzewania indukcyjnego wymagają jednak poszukiwania nowych rozwiązań, zarówno w obszarze konstrukcji urządzeń grzejnych, jak i sterowania ich pracą. Niniejsza praca stanowi opis autorskich rozwiązań w zakresie projektowania wyspecjalizowanych urządzeń grzewczych, a także układów sterowania (zwanych dalej układami grzewczymi) nagrzewania indukcyjnego, zwłaszcza przy wykorzystaniu metod symulacji numerycznych.

Z uwagi na obfity zakres zastosowań tego rodzaju grzejnictwa, skupiono się na dwóch podstawowych kategoriach układów grzewczych: – układy przeznaczone do dokładnego kształtowania pól temperatury, równocześnie na powierzchni, jak i w całej pojemności nagrzewanych wsadów; – układy asygnowane do degradacji tworzyw sztucznych, znamionujące się nietypowymi rozwiązaniami w zakresie konstrukcji.

Układy cieplne należące do pierwszej z wymienionych kategorii używane są w przemyśle półprzewodnikowym oraz mają sporo innych zastosowań, w których podstawowym kryterium jest możliwość wytworzenia pól temperatury o obszernej złożoności.

Ich efektywne użycie ciągle napotyka na przeszkody wynikające typowo z trudności w adaptacji do nowych wymagań w zakresie kształtowania pól temperaturowych. Przezwyciężenie tych problemów powinna ułatwić proponowana poprzez autora koncepcja wielowzbudnikowych członów grzejnych, w których każdy z wzbudników może pracować przy odmiennej częstotliwości określonej warunkami technicznymi.

Upowszechnienie układów należących do drugiej z wymienionych kategorii wynika z konieczności utylizacji tworzyw obciążających środowisko naturalne. Degradacja materiałów nienaturalnych jest jednak opłacalna jedynie w warunkach niewiele znaczącej energochłonności używanych sprzętów grzewczych.

Warunek ten pozwala na stwierdzenie, że rozwój sprzętów należących do tej kategorii jest określony maksymalizacją produktywności nagrzewnic indukcyjnych, które powinny pod tym względem przewyższać inne metody grzejne.

Powszechnie użytkowane metody analizy i syntezy indukcyjnych urządzeń cieplnych opierają się głównie na modelowaniu numerycznym sprzężonych pól elektromagnetycznych i grzejnych. Użytkowane rozwiązania charakteryzują się ograniczoną skrupulatnością, zwłaszcza w rozwiązaniach nietypowych, do których należą układy objęte tematyką niniejszej monografii.

W monografii i zaprezentowano więc bardziej praktyczne zasady tworzenia modeli układów nagrzewania indukcyjnego. Gwarantują one lepszą dokładność obliczeń, umożliwiając staranne projektowanie urządzeń, zwłaszcza należących do wymienionych kategorii.

Prezentowane obliczenia zostały potwierdzone wynikami eksperymentów fizycznych przeprowadzonych w oparciu o wytwarzane przez autora urządzenia. Zaprezentowano i omówiono konstrukcje wybranych autorskich maszyn grzejnych umożliwiających realizację technice zaawansowanych, wymagających utrzymywania zadanych rozkładów temperatury i procesów degradacji materiałów sztucznych.