Metody analizy nowych systemów nagrzewania indukcyjnego

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 grzejnych charakteryzujących się małą energochłonnością. Wymienione potencjalne zalety 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 grzejnych oraz układów sterowania (zwanych dalej układami grzejnymi) nagrzewania indukcyjnego, zwłaszcza przy wykorzystaniu metod symulacji numerycznych. Z uwagi na znaczny zakres zastosowań tego rodzaju grzejnictwa, skupiono się na dwóch podstawowych kategoriach układów grzejnych: – układy przeznaczone do precyzyjnego kształtowania pól temperatury, zarówno na powierzchni, jak i w całej objętości nagrzewanych wsadów; – układy przeznaczone do degradacji tworzyw sztucznych, charakteryzujące się nietypowymi rozwiązaniami w zakresie konstrukcji. Układy grzejne należące do pierwszej z wymienionych kategorii wykorzystywane są w przemyśle półprzewodnikowym oraz mają wiele innych zastosowań, w których podstawowym kryterium jest możliwość wytworzenia pól temperatury o znacznej złożoności. Ich efektywne wykorzystanie ciągle napotyka na przeszkody wynikające głównie z trudności w adaptacji do nowych wymagań w zakresie kształtowania pól temperaturowych. Przezwyciężenie tych problemów powinna ułatwić proponowana przez autora koncepcja wielowzbudnikowych członów grzejnych, w których każdy z wzbudników może pracować przy odmiennej częstotliwości określonej warunkami technologicznymi. Upowszechnienie układów należących do drugiej z wymienionych kategorii wynika z konieczności utylizacji materiałów obciążających środowisko naturalne. Degradacja tworzyw sztucznych jest jednak opłacalna jedynie w warunkach małej energochłonności wykorzystywanych urządzeń grzejnych. Warunek ten umożliwia stwierdzenie, iż rozwój urządzeń należących do tej kategorii jest określony maksymalizacją sprawności nagrzewnic indukcyjnych, które powinny pod tym względem przewyższać inne metody grzejne. Powszechnie wykorzystywane metody analizy i syntezy indukcyjnych urządzeń grzejnych opierają się przede wszystkim na modelowaniu numerycznym sprzężonych pól elektromagnetycznych i cieplnych. Stosowane rozwiązania charakteryzują się ograniczoną dokładnością, zwłaszcza w rozwiązaniach nietypowych, do których należą układy objęte tematyką niniejszej monografii. W monografii i zaprezentowano więc bardziej funkcjonalne zasady tworzenia modeli układów nagrzewania indukcyjnego. Gwarantują one istotnie lepszą dokładność obliczeń, umożliwiając dokładne projektowanie urządzeń, zwłaszcza należących do wymienionych kategorii. Prezentowane obliczenia zostały potwierdzone wynikami eksperymentów fizycznych przeprowadzonych w oparciu o wykonane przez autora urządzenia. Zaprezentowano i omówiono konstrukcje wybranych autorskich urządzeń grzejnych umożliwiających realizację technologii zaawansowanych, wymagających utrzymywania zadanych rozkładów temperatury oraz procesów degradacji tworzyw sztucznych.