Jak funguje indukční ohřev?
Indukční ohřev je proces, který se používá k ohřevu kovů nebo jiných vodivých materiálů. Pro mnoho moderních výrobních procesů nabízí indukční ohřev správnou kombinaci rychlosti, konzistence a řízení procesu. Základní principy indukčního ohřevu se používají od roku 1920. Během druhé světové války se technologie rychle vyvíjela v reakci na vojenské potřeby rychlého a spolehlivého procesu kalení kovových částí motoru. Nejběžnější metody používají hořák nebo otevřený plamen přímo na kovový díl. Ale s indukčním ohřevem je teplo ve skutečnosti “indukováno” v cirkulujícím elektrickém proudu. K indukčnímu ohřevu dochází díky jedinečným vlastnostem radiofrekvenční energie – to je část elektromagnetického spektra pod infračervenou a mikrovlnnou energií. Protože se teplo přenáší do výrobku prostřednictvím elektromagnetických vln, nikdy nepřichází do přímého kontaktu s plamenem. Nedochází ke kontaminaci produktu a proces se stává velmi opakovatelným a kontrolovatelným.
Jak funguje indukční ohřev?
Jak probíhá indukční ohřev? Když se na transformátor přivede střídavý elektrický proud, vytvoří se střídavé magnetické pole. Podle Faradayova zákona, pokud je sekundární vinutí transformátoru v magnetickém poli, bude se indukovat elektrický proud. Induktor je transformátor. Když je kovová část umístěna do induktoru, cirkulující vířivé proudy jsou indukovány uvnitř součásti. Dodatečné teplo je produkováno v magnetických částech prostřednictvím hystereze – vnitřního tření, které vzniká při průchodu magnetického materiálu induktorem. Materiál určený k ohřevu může být umístěn izolovaně od zdroje energie, ponořen v kapalinách, obklopen izolovanými látkami v plynném prostředí nebo dokonce ve vakuu. Účinnost indukčního topného systému závisí na několika faktorech: na konstrukci induktoru, kapacitě napájecího zdroje a velikosti požadované změny teploty. Tento proces ohřevu využívá proudy indukované elektromagnetickým vlivem na zahřátou vsázku. Indukční ohřev je v podstatě založen na principu činnosti transformátoru. Primární vinutí napájené ze zdroje střídavého proudu je magneticky spojeno s nábojem, který funguje jako zkratované jednozávitové sekundární vinutí. Když je na primární vinutí přivedeno střídavé napětí, indukuje napětí v sekundárním vinutí tzn. účtovat. Sekundární proud ohřívá náboj stejným způsobem jako jakýkoli elektrický proud procházející odporem. Jestliže V je napětí indukované v náboji a R je odpor náboje, pak generované teplo = V2/R. Velikost proudu závisí na velikosti primárního proudu, poměru otáčení transformátoru a koeficientu magnetické vazby.
Charakteristika vyhřívaného materiálu
KOV NEBO PLAST Za prvé, pouze vodivé materiály, obvykle kovy, lze indukčně ohřívat. Plasty a jiné nevodivé materiály lze ohřívat pouze nepřímo prostřednictvím vodivých kovů přítomných v plastu. MAGNETICKÉ A NEMAGNETICKÉ Vyhřívání je lepší s magnetickými materiály. Pro teplo způsobené vířivými proudy produkují magnetické materiály teplo prostřednictvím hystereze. Tento efekt se zastaví při teplotách nad Curieovým bodem, což je teplota, při které magnetický materiál ztrácí své magnetické vlastnosti. Relativní stabilita magnetických materiálů je hodnocena na stupnici “permeability” od 100 do 500. Zatímco nemagnetické materiály mají permeabilitu 1, magnetické materiály mohou mít permeabilitu až 500. TLUSTÉ NEBO TENKÉ Na vodivých materiálech asi 85 % zahřívacího účinku se vyskytuje na povrchu materiálu. Intenzita ohřevu klesá s rostoucí vzdáleností od povrchu. Malé nebo tenké části se tedy obvykle zahřejí rychleji než velké a tlusté části, zvláště pokud je třeba větší části zahřát úplně. Výzkum ukázal vztah mezi frekvencí a hloubkou průniku: čím vyšší frekvence, tím menší hloubka. K rychlému ohřevu malých dílů nebo povrchu velkých dílů jsou ideální frekvence od 100 do 400 kHz relativně vysokých energií. Pro hluboký průnik tepla jsou zapotřebí nižší frekvence od 5 do 30 kHz. ODOLNOST Pokud použijete přesně stejný indukční proces a stejnou velikost ocelových a měděných součástí, výsledky budou zcela odlišné. Proč? Ocel – spolu s uhlíkem, cínem a wolframem – má vysoký odpor. Protože kovy odolávají toku proudu. Kovy s nízkým odporem: měď, mosaz a hliník se budou lépe zahřívat. Odpor se zvyšuje s teplotou, takže velmi horký kus oceli bude náchylnější k indukčnímu ohřevu než studený kus.
Konstrukce induktoru
Návrh a konstrukce induktoru je jedním z nejdůležitějších aspektů celého systému. Dobře promyšlený design zajišťuje správný ohřev a maximalizuje účinnost indukčního ohřevu.
Rychlost změny teploty
Konečně, účinnost indukčního ohřevu pro konkrétní část závisí na počtu požadovaných teplotních změn. Široký rozsah teplotních změn vyžaduje větší indukční ohřev. Ohřev elektromagnetickými vlnami je široce používán v průmyslových aplikacích, jako jsou indukční pece pro tavení a povrchové úpravy. Indukční ohřívací systémy mají oproti klasickým troubám řadu výhod. Úspor energie je dosaženo rychlým ohřevem a vysokým výkonem. Mezi další výhody patří snadná automatizace a ovládání, nízké nároky na údržbu a tiché, bezpečné a čisté provozní podmínky. Při použití indukčního ohřevu k vytvrzení dílů musí být proces velmi krátký a doprovázený rychlým ochlazením. Pokud se indukční ohřev používá k ohřevu dílů nebo roztavení kovu, pak technologický proces trvá déle a skládá se z několika fází.