Indukce princip ohřevu se ve výrobních procesech používá od 20. let 20. století. Jak se říká - nutnost je matkou vynálezu, během druhé světové války je potřeba rychlého procesu zpevnění částí kov motor, rychle vyvinul technologii indukčního ohřevu. Dnes vidíme aplikaci této technologie v našich každodenních požadavcích. Nedávno se díky této potřebě zdokonalení kontroly kvality a bezpečných výrobních technik dostala tato technologie do centra pozornosti. S dnešními špičkovými technologiemi se zavádějí nové a spolehlivé metody implementace indukčního ohřevu.
Co je indukční ohřev?
The pracovní princip procesu indukčního ohřevu je kombinovaný recept elektromagnetické indukce a Jouleova ohřevu. Proces indukčního ohřevu je bezkontaktní proces ohřevu elektricky vodivého kovu generováním vířivých proudů v kovu pomocí principu elektromagnetické indukce. Jak generovaný vířivý proud proudí proti měrnému odporu kovu, na principu Jouleova ohřevu se v kovu vytváří teplo.
Jak funguje indukční ohřev?
Znalost Faradayova zákona je velmi užitečná pro pochopení fungování indukčního ohřevu. Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce se mění elektrické pole vodič vede ke vzniku střídavého magnetického pole kolem něj, jehož síla závisí na velikosti aplikovaného elektrického pole. Tento princip také funguje obráceně, když se ve vodiči mění magnetické pole.
Výše uvedený princip se tedy používá v procesu indukčního ohřevu. Tady pevný stav RF frekvence napájení je přivedeno na cívku induktoru a materiál, který má být ohříván, je umístěn uvnitř cívky. Když Střídavý proud cívkou prochází kolem ní střídavé magnetické pole podle Faradayova zákona. Když se materiál umístěný uvnitř induktoru dostane do rozsahu tohoto střídavého magnetického pole, v materiálu se vytvoří vířivý proud.
Nyní je dodržen princip Jouleova ohřevu. Podle toho při průchodu proudu materiálem vzniká v materiálu teplo. Když je tedy v materiálu generován proud v důsledku indukovaného magnetického pole, proudící proud produkuje teplo zevnitř materiálu. To vysvětluje proces bezkontaktního indukčního ohřevu.
Indukční ohřev kovu
Schéma indukčního topného okruhu
Nastavení používané pro proces indukčního ohřevu sestává z vysokofrekvenčního napájecího zdroje, který zajišťuje střídavý proud do obvodu. Jako induktor se používá měděná cívka a na ni se přivádí proud. Materiál, který má být ohříván, je umístěn uvnitř měděné cívky.
Typické nastavení indukčního ohřevu
Změnou síly aplikovaného proudu můžeme řídit teplotu ohřevu. Vzhledem k tomu, že vířivý proud produkovaný uvnitř materiálu protéká proti elektrickému odporu materiálu, je v tomto procesu pozorováno přesné a lokalizované zahřívání.
Kromě vířivých proudů je teplo generováno také hysterezí v magnetických částech. Elektrický odpor nabízený magnetickým materiálem směrem k měnícímu se magnetickému poli v induktoru způsobuje vnitřní tření. Toto vnitřní tření vytváří teplo.
Jelikož proces indukčního ohřevu je bezkontaktní proces ohřevu, může být materiál, který má být ohříván, mimo zdroj energie nebo ponořen do kapaliny nebo do jakýchkoli plynných prostředí nebo do vakua. Tento typ procesu ohřevu nevyžaduje žádné spaliny.
Faktory, které je třeba vzít v úvahu při navrhování systému indukčního ohřevu
Existují některé faktory to je třeba vzít v úvahu při navrhování systému indukčního ohřevu pro jakýkoli typ aplikace.
- Normálně se proces indukčního ohřevu používá pro kovy a vodivé materiály. Nevodivý materiál lze ohřívat přímo.
- Při aplikaci na magnetické materiály je teplo generováno vířivým proudem a hysterézním účinkem magnetických materiálů.
- Malé a tenké materiály se rychle zahřívají ve srovnání s velkými a silnými materiály.
- Čím vyšší je frekvence střídavého proudu, tím nižší je hloubka pronikání tepla.
- Materiály s vyšším měrným odporem se rychle zahřívají.
- Induktor, do kterého má být umístěn topný materiál, by měl umožňovat snadné vkládání a vyjímání materiálu.
- Při výpočtu kapacity napájení je třeba vzít v úvahu měrné teplo ohřívaného materiálu, jeho hmotnost a požadovaný nárůst teploty.
- Při rozhodování o kapacitě napájení je třeba vzít v úvahu také tepelné ztráty způsobené vedením, konvekcí a zářením.
Vzorec indukčního ohřevu
Hloubka proniknutá vířivým proudem do materiálu je určena frekvencí indukčního proudu. U proudových nosných vrstev lze efektivní hloubku vypočítat jako
D = 5000 √ρ / µfZde d označuje hloubku (cm), relativní magnetická permeabilita materiálu je označena µ, ρ měrný odpor materiálu v ohm-cm, f označuje frekvenci střídavého pole v Hz.
Návrh indukční ohřívací cívky
Cívka použitá jako induktor, na kterou se přivádí energie, má různé formy. Indukovaný proud v materiálu je úměrný počtu závitů v cívce. Pro účinnost a účinnost indukčního ohřevu je tedy důležitá konstrukce cívky.
Indukční cívky jsou obvykle vodou chlazené měděné vodiče. Na základě našich aplikací se používají různé tvary cívek. Nejběžněji se používá víceotáčková spirálová cívka. U této cívky je šířka topného vzoru definována počtem závitů v cívce. Jednootáčkové cívky jsou užitečné pro aplikace, kde je vyžadován ohřev úzkého pásma obrobku nebo špičky materiálu.
Vícepolohová spirálová cívka se používá k ohřevu více než jednoho obrobku. Cívka na palačinky se používá, když je zapotřebí ohřát pouze jednu stranu materiálu. Vnitřní cívka se používá k ohřevu vnitřních otvorů.
Aplikace indukčního ohřevu
- Cílené ohřev pro povrchové vytápění, tavení, pájení je možné pomocí procesu indukčního ohřevu.
- Kromě kovů je ohřev kapalných a plynných vodičů možný také indukčním ohřevem.
- Pro ohřev křemíku v polovodičovém průmyslu se používá princip indukčního ohřevu.
- Tento proces se používá v indukčních pecích pro ohřev kovu na jeho teplotu tání.
- Jelikož se jedná o bezkontaktní proces ohřevu, vakuové pece tento proces využívají k výrobě specializované oceli a slitin, které by se při zahřátí v přítomnosti kyslíku oxidovaly.
- Proces indukčního ohřevu se používá ke svařování kovů a někdy i plastů, pokud jsou dotovány feromagnetickou keramikou.
- Indukční kamna používaná v kuchyni fungují na principu indukčního ohřevu.
- Pro pájení na tvrdo se používá indukční ohřev.
- Pro utěsnění uzávěru odolného proti neoprávněné manipulaci na lahvích a léčivech se používá proces indukčního ohřevu.
- Stroj na modelování vstřikováním plastů využívá indukční ohřev ke zlepšení energetické účinnosti vstřikování.
Pro zpracovatelský průmysl, indukční ohřev poskytuje silný balíček konzistence, rychlosti a kontroly. Jedná se o elegantní, rychlý a neznečišťující proces ohřevu. Tepelné ztráty pozorované při indukčním ohřevu lze vyřešit pomocí Lenzova zákona. Tento zákon ukázal způsob produktivního využití tepelných ztrát vznikajících v procesu indukčního ohřevu. Která z aplikací indukčního ohřevu vás ohromila?
