Mi az indukciós fűtés és hogyan működik az indukciós tekercs?

Sponsored by Ambrell Induction Heating SolutionsJan 27 2015

Az indukciós fűtés egy pontos, gyors, megismételhető, hatékony, érintésmentes technika fémek vagy más elektromosan vezető anyagok melegítésére.

Az indukciós fűtőrendszer egy indukciós tápegységből áll, amely a hálózati áramot váltakozó árammá alakítja és egy munkafejhez juttatja, valamint egy munkatekercsből, amely a tekercsen belül elektromágneses mezőt hoz létre. A munkadarabot úgy helyezik el a tekercsben, hogy ez a mező áramot indukáljon a munkadarabban, ami viszont hőt termel.

A vízhűtéses tekercs a munkadarab körül vagy annak határán helyezkedik el. Nem érintkezik a munkadarabbal, és a hőt csak a munkadarabon keresztül továbbított indukált áram termeli. A munkadarab anyaga lehet fém, például réz, alumínium, acél vagy sárgaréz. Lehet félvezető is, például grafit, szén vagy szilíciumkarbid.

Nem vezető anyagok, például műanyagok vagy üvegek melegítésére az indukciót egy elektromosan vezető szuszcepció, például grafit melegítésére lehet használni, amely aztán a hőt átadja a nem vezető anyagnak.

Az indukciós fűtés olyan folyamatokban is alkalmazható, ahol a hőmérséklet 100ºC-tól (212°F) egészen 3000°C-ig (5432°F) terjed. Rövid, fél másodpercnél rövidebb ideig tartó fűtési folyamatokban és több hónapig tartó fűtési folyamatokban is alkalmazzák.

Az indukciós fűtést mind a háztartási, mind a kereskedelmi főzésben, számos alkalmazásban használják, mint például hőkezelés, forrasztás, hegesztéshez való előmelegítés, olvasztás, zsugorítás az iparban, tömítés, keményítés, keményítés, valamint a kutatás-fejlesztésben.
Hogyan működik az indukciós fűtés?

Az indukció elektromágneses mezőt hoz létre egy tekercsben, hogy energiát adjon át a melegítendő munkadarabnak. Amikor az elektromos áram egy huzalon halad végig, mágneses mező keletkezik a huzal körül.

Az indukció legfontosabb előnyei

Az indukció előnyei a következők:
- Takarékos és gyors fűtés
- Pontos, megismételhető fűtés
- Biztonságos fűtés, mivel nincs láng

Az indukciós fűtés módszerei

Az indukciós fűtés két módszerrel történik:

Az első módszert a munkadarab anyagának ellenállásából eredő I²R veszteségek miatt örvényáramú fűtésnek nevezik. A másodikat hiszterézisfűtésnek nevezik, amely során az alkatrészen belül az alkatrész mágneses polaritását módosító tekercs által keltett váltakozó mágneses tér energiát termel.

A hiszterézisfűtés az alkatrészben a Curie-hőmérsékletig történik, amikor az anyag mágneses permeabilitása 1-re csökken, és a hiszterézisfűtés csökken. Az örvényáramú fűtés alkotja a fennmaradó indukciós fűtési hatást.

Az elektromos áram (AC) irányának megváltozásakor a keletkező mágneses tér meghibásodik, és az áram irányának megfordulásával ellentétes irányban keletkezik. Ha egy második vezetéket ebben a váltakozó mágneses térben helyezünk el, akkor a második vezetékben váltakozó áram keletkezik.

A második vezetéken és az első vezetéken áthaladó áram arányos egymással, valamint a köztük lévő távolság négyzetének fordítottjával.

Ha ebben a modellben a huzalt egy tekerccsel helyettesítjük, a tekercsen folyó váltakozó áram elektromágneses mezőt hoz létre, és miközben a felmelegítendő munkadarab a mezőben van, a munkadarab a második huzalhoz illeszkedik, és a munkadarabban váltakozó áram keletkezik. A munkadarab anyagi ellenállásának I²R veszteségei miatt a munkadarab anyagi ellenállásának megfelelő hő keletkezik a munkadarabban. Ezt nevezzük örvényáramú fűtésnek.

1. ábra.

Az indukciós tekercs működése

Váltakozó elektromos tér segítségével egy munkatekercs segítségével energiát továbbítunk a munkadarabra.

A tekercsen átfolyó váltakozó áram elektromágneses teret hoz létre, amely a munkadarabban a munkatekercsben folyó áram tükörképeként áramot indukál. A munkatekercs/induktor az indukciós fűtőrendszer része, amely a munkadarab felmelegítésekor a munkadarab hatékonyságát és hatásfokát jeleníti meg. A munkatekercseknek számos típusa létezik az összetettől az egyszerűig.

A spirális tekercs (vagy szolenoid) egy példa az egyszerű tekercsre, amely egy tüske köré tekert rézcső sok fordulatából áll. A tömör rézből precíziósan megmunkált és összeforrasztott tekercs az összetett tekercs példája.

2. ábra.

Működési (rezonáns) frekvencia

A felmelegítendő munkadarab és a munkadarab anyaga határozza meg az indukciós fűtőrendszer működési frekvenciáját. Lényeges, hogy olyan indukciós rendszert használjunk, amely az alkalmazásnak megfelelő frekvenciatartományban nyújt teljesítményt. A különböző működési frekvenciák okait az úgynevezett “bőrhatás” alapján lehet megérteni. Amikor az elektromágneses mező áramot indukál egy alkatrészben, az elsősorban az alkatrész felületén halad át.

3. ábra. (a) A nagyfrekvenciás indukciós fűtés sekély bőrhatással jár, ami kisebb alkatrészeknél hatékonyabb; (b) az alacsony frekvenciás indukciós fűtés mélyebb bőrhatással jár, ami nagyobb alkatrészeknél hatékonyabb.

Ha a működési frekvencia magasabb, a bőr mélysége sekélyebb. Hasonlóképpen, amikor a működési frekvencia alacsonyabb, a bőr mélysége és a fűtési hatás behatolása mélyebb. A bőrmélység/behatolási mélység a hőmérsékleten, a működési frekvencián és az alkatrész anyagi tulajdonságain alapul.

Egy 20 mm-es acélrúd például (lásd az 1. táblázatot) egy 3 kHz-es indukciós rendszerrel 540 °C-ra (1000 °F) melegítve feszültségmentesíthető. Ugyanennek a rúdnak a 870°C-ra (1600°F) való melegítésével történő edzéséhez azonban 10 kHz-es rendszerre van szükség.

		A különböző indukciós frekvenciákon történő hatékony fűtéshez szükséges legalacsonyabb átmérő megközelítő értéke
Anyag	Hőmérséklet	1 kHz	3 kHz	10 kHz	30 kHz
Curie alatti acél	540 °C (1000 °F)	8.89 mm (0.35 in)	5.08 mm (0.20 in)	2.79 mm (0.11 in)	1.27 mm (0.05 in)
Acél curie felett	870 °C (1600 °F)	68.58 mm (2.7 in)	38.10 mm (1.5 in)	21.59 mm (0.85 in)	9.65 mm (0.38 in)

Ez alapján elmondható, hogy a nagyobb működési frekvenciák, többnyire 50 kHz-nél nagyobb frekvenciák kisebb alkatrészek indukciós melegítésére, az alacsonyabb működési frekvenciák pedig nagyobb alkatrészek hatékonyabb melegítésére használhatók.

A beágyazott mikroprocesszoros vezérlőrendszerrel ellátott fejlett szilárdtest-indukciós tápegységek esetében következetes és hatékony fűtési technikák érhetők el annak alapján, hogy minden alkatrész a tekercsen belül következetes helyre kerül.

Egy indukciós fűtési rendszer részei

Az indukciós fűtési rendszer egy tartálykörből, egy tápegységből és egy munkatekercsből áll. Ipari alkalmazásokban a tekercsen átfolyó áram elegendő ahhoz, hogy vízhűtésre legyen szükség, ezért az alapberendezés tartalmaz egy vízhűtő egységet. A váltakozó áramú hálózatból származó váltakozó áramot egy tápegységen keresztül olyan váltakozó árammá alakítják, amely összhangban van a tekercs induktivitásának, a munkafej kapacitásának és az alkatrész ellenállásának kombinációjával.

4. ábra. Tipikus indukciós fűtési rendszer

Figyelembe veendő tényezők

A munkadarab anyaga határozza meg a szükséges fűtési sebességet és teljesítményt. A vas és az acél könnyen melegszik, mivel nagyobb fajlagos ellenállással rendelkeznek, míg az alumínium és a réz az alacsonyabb fajlagos ellenállásuk miatt nagyobb teljesítményt igényel a melegítéshez.

Egyes acélok mágneses természetűek, ezért a fém fajlagos ellenállását és hiszterézises tulajdonságait használják ki az indukciós melegítés során. Az acél elveszíti mágneses tulajdonságait, ha a Curie-hőmérséklet (500-600°C/1000-1150°F) fölé melegítik; azonban az örvényáramú fűtés biztosítja a szükséges fűtési technikát a magasabb hőmérsékletekhez.

A szükséges teljesítményt olyan tényezők határozzák meg, mint az anyag típusa, a munkadarab mérete, a szükséges hőmérséklet-emelkedés és a hőmérséklet eléréséhez szükséges idő. A melegítendő munkadarab méretének megfelelően lényeges tényező az indukciós fűtőrendszer működési frekvenciája.

Kisebb munkadarabok esetén nagyobb frekvencia (>50kHz) szükséges a hatékony melegítéshez, nagyobb munkadarabok esetén pedig alacsonyabb frekvencia (>10kHz) és a hő nagyobb behatolása.

Amikor a melegített munkadarab hőmérséklete nő, a munkadarabból hő is távozik. A munkadarabból származó sugárzási és konvekciós veszteségek a magasabb hőmérsékletnél nagyon lényeges tényezővé fejlődnek. Magas hőmérsékleten gyakran alkalmaznak szigetelési módszereket a hőveszteségek csökkentése és az indukciós rendszer teljesítményigényének csökkentése érdekében.

5. ábra. Az Ambrell indukciós fűtési tápegységek családja

Ez az információ az Ambrell Induction Heating Solutions által biztosított anyagokból származik, azokat felülvizsgálták és adaptálták.

A forrásról további információkat az Ambrell Induction Heating Solutions oldalán talál.

Hivatkozások

Kérjük, használja a következő formátumok egyikét a cikk idézéséhez esszéjében, tanulmányában vagy jelentésében:

APA

Ambrell Induction Heating Solutions. (2019, október 16.). Mi az indukciós fűtés és hogyan működnek az indukciós tekercsek? AZoM. Retrieved on March 24, 2021 from https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11659.
MLA

Ambrell Induction Heating Solutions. “Mi az indukciós fűtés és hogyan működnek az indukciós tekercsek?”. AZoM. 2021. március 24. <https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11659>.
Chicago

Ambrell Induction Heating Solutions. “Mi az indukciós fűtés és hogyan működnek az indukciós tekercsek?”. AZoM. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11659. (hozzáférés: 2021. március 24.).
Harvard

Ambrell Induction Heating Solutions. 2019. Mi az indukciós fűtés és hogyan működnek az indukciós tekercsek?. AZoM, megtekintve 2021. március 24., https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11659.

Free Press