Princíp indukčného ohrevu a jeho aplikácie

Indukcia princíp vykurovania sa vo výrobných procesoch používa od 20. rokov 20. storočia. Ako sa hovorí, že - nevyhnutnosť je matkou vynálezu, počas druhej svetovej vojny potreba rýchleho procesu na spevnenie častí kov motor, rýchlo vyvinula technológiu indukčného ohrevu. Dnes vidíme aplikáciu tejto technológie v našich každodenných požiadavkách. Potreba zlepšenia kontroly kvality a bezpečných výrobných postupov v poslednej dobe priniesla túto technológiu opäť na výslnie. S dnešnými špičkovými technológiami sa zavádzajú nové a spoľahlivé metódy implementácie indukčného ohrevu.

Čo je indukčné vykurovanie?

The pracovný princíp procesu indukčného ohrevu je kombinovaný recept elektromagnetickej indukcie a Joulovho ohrevu. Proces indukčného ohrevu je bezkontaktný proces ohrievania elektricky vodivého kovu generovaním vírivých prúdov v kove pomocou princípu elektromagnetickej indukcie. Pretože generovaný vírivý prúd prúdi proti odporu kovu, princípom Jouleho ohrevu sa v kove vytvára teplo.

Indukčné kúrenie

Ako funguje indukčné kúrenie?

Poznanie Faradayovho zákona je veľmi užitočné pre pochopenie fungovania indukčného ohrevu. Podľa Faradayovho zákona o elektromagnetickej indukcii sa mení elektrické pole dovnútra vodič vedie k vzniku striedavého magnetického poľa okolo neho, ktorého sila závisí od veľkosti aplikovaného elektrického poľa. Tento princíp funguje aj naopak, keď sa vo vodiči mení magnetické pole.

Vyššie uvedený princíp sa teda používa v procese indukčného ohrevu. Tu v pevnom stave RF frekvencia napájanie sa privádza na cievku induktora a materiál, ktorý sa má ohriať, sa umiestni do vnútra cievky. Kedy Striedavý prúd prechádza cievkou, okolo nej sa vytvára striedavé magnetické pole podľa Faradayovho zákona. Keď sa materiál umiestnený vo vnútri tlmivky dostane do rozsahu tohto striedavého magnetického poľa, v materiáli sa vytvorí vírivý prúd.

Teraz je dodržaný princíp Joulovho ohrevu. Podľa toho, keď prúd prechádza materiálom, v materiáli sa vytvára teplo. Takže keď sa v materiáli generuje prúd v dôsledku indukovaného magnetického poľa, prúdiaci prúd produkuje teplo z materiálu. To vysvetľuje proces bezkontaktného indukčného ohrevu.

Indukčné ohrievanie kovu

Schéma indukčného vykurovacieho obvodu

Zostava použitá pre proces indukčného ohrevu pozostáva z vysokofrekvenčného napájacieho zdroja, ktorý dodáva striedavý prúd do obvodu. Ako induktor sa používa medená cievka a na ňu sa privádza prúd. Materiál, ktorý sa má ohriať, je umiestnený vo vnútri medenej špirály.

Typické nastavenie indukčného ohrevu

Zmenou sily aplikovaného prúdu môžeme regulovať teplotu ohrevu. Pretože vírivý prúd produkovaný vo vnútri materiálu prúdi oproti elektrickému odporu materiálu, je v tomto procese pozorované presné a lokalizované zahrievanie.

Okrem vírivých prúdov sa teplo vytvára aj vďaka hysterézii v magnetických častiach. Elektrický odpor ponúkaný magnetickým materiálom smerom k meniacemu sa magnetickému poľu v induktore spôsobuje vnútorné trenie. Toto vnútorné trenie vytvára teplo.

Pretože proces indukčného ohrevu je bezkontaktný proces ohrievania, materiál, ktorý sa má ohrievať, môže byť prítomný mimo napájacieho zdroja alebo ponorený do kvapaliny alebo do akýchkoľvek plynných prostredí alebo do vákua. Tento typ vykurovacieho procesu nevyžaduje žiadne spaľovacie plyny.

Faktory, ktoré je potrebné zohľadniť pri navrhovaní systému indukčného ohrevu

Existujú niektoré faktory to by sa malo vziať do úvahy pri navrhovaní systému indukčného ohrevu pre akýkoľvek typ aplikácií.

• Normálne sa proces indukčného ohrevu používa pre kovy a vodivé materiály. Nevodivý materiál je možné priamo ohrievať.
• Pri aplikácii na magnetické materiály sa teplo generuje vírivým prúdom a hysteréznym účinkom magnetických materiálov.
• Malé a tenké materiály sa v porovnaní s veľkými a hrubými materiálmi rýchlo zohrejú.
• Čím vyššia je frekvencia striedavého prúdu, tým nižšia je hĺbka prenikania tepla.
• Materiály s vyšším odporom sa rýchlo zahrievajú.
• Induktor, do ktorého sa má umiestniť vykurovací materiál, by mal umožňovať ľahké vkladanie a vyberanie materiálu.
• Pri výpočte kapacity napájania je potrebné brať do úvahy špecifické teplo materiálu, ktorý sa má ohriať, hmotnosť materiálu a požadovaný nárast teploty.
• Pri rozhodovaní o kapacite napájania by sa mali brať do úvahy aj tepelné straty spôsobené vedením, konvekciou a žiarením.

Vzorec indukčného ohrevu

Hĺbka preniknutá vírivým prúdom do materiálu je určená frekvenciou indukčného prúdu. Pre vrstvy prenášajúce prúd sa dá efektívna hĺbka vypočítať ako

Tu d označuje hĺbku (cm), relatívna magnetická permeabilita materiálu sa označuje µ, ρ rezistivita materiálu v ohm-cm, f označuje frekvenciu striedavého poľa v Hz.

Návrh indukčnej vykurovacej špirály

Cievka použitá ako tlmivka, na ktorú sa privádza energia, má rôzne formy. Indukovaný prúd v materiáli je úmerný počtu závitov v cievke. Pre účinnosť a účinnosť indukčného ohrevu je teda dôležitý návrh cievky.

Indukčné cievky sú zvyčajne vodou chladené medené vodiče. Na základe našich aplikácií sa používajú rôzne tvary cievok. Najčastejšie sa používa viacotáčková špirálová cievka. Pre túto špirálu je šírka vykurovacieho obrazca definovaná počtom závitov v špirále. Jednootáčkové cievky sú užitočné v aplikáciách, kde sa vyžaduje ohrev úzkeho pásu obrobku alebo špičky materiálu.

Viacpolohová špirálová špirála sa používa na ohrev viac ako jedného obrobku. Palacinková špirála sa používa, keď je potrebné ohriať iba jednu stranu materiálu. Vnútorná špirála sa používa na ohrev vnútorných otvorov.

Aplikácie indukčného ohrevu

• Cielené ohrievanie na povrchové ohrievanie, tavenie, spájkovanie je možné pomocou procesu indukčného ohrevu.
• Okrem kovov je možné zahrievanie kvapalných a plynných vodičov aj indukčným ohrevom.
• Na ohrev kremíka v polovodičovom priemysle sa používa princíp indukčného ohrevu.
• Tento proces sa používa v indukčných peciach na ohrev kovu na jeho teplotu tavenia.
• Pretože sa jedná o bezkontaktný ohrievací proces, vákuové pece využívajú tento proces na výrobu špecializovanej ocele a zliatin, ktoré by sa pri zahriatí za prítomnosti kyslíka oxidovali.
• Proces indukčného ohrevu sa používa na zváranie kovov a niekedy aj plastov, ak sú dopované feromagnetickou keramikou.
• Indukčné kachle používané v kuchyni pracujú na princípe indukčného ohrevu.
• Na tvrdé spájkovanie sa používa karbidový indukčný ohrev.
• Na utesnenie viečka odolného proti neoprávnenému použitiu na fľašiach a farmaceutických výrobkoch sa používa proces indukčného ohrevu.
• Stroj na modelovanie vstrekovaním plastov využíva indukčné ohrievanie na zlepšenie energetickej účinnosti pri vstrekovaní.

Pre výrobný priemysel, indukčný ohrev poskytuje silný balík konzistencie, rýchlosti a kontroly. Jedná sa o čistý, rýchly a neznečisťujúci proces ohrevu. Tepelné straty pozorované počas indukčného ohrevu možno vyriešiť pomocou Lenzovho zákona. Tento zákon ukázal spôsob produktívneho využitia tepelných strát vznikajúcich v procese indukčného ohrevu. Ktoré z aplikácií indukčného ohrevu vás ohromili?