Indukční ohřev je proces používaný k ohřevu kovů nebo jiných vodivých materiálů. Pro mnoho moderních výrobních procesů nabízí indukční ohřev správnou kombinaci rychlosti, konzistence a kontroly procesu.
Základní principy indukčního ohřevu se používají od roku 1920. Během druhé světové války se technologie rychle rozvíjela kvůli vojenským potřebám rychlého a spolehlivého procesu kalení kovových součástí motoru.
Nejběžnější metody využívají hořák nebo otevřený plamen přímo aplikovaný na kovovou součást. U indukčního ohřevu je však teplo ve skutečnosti „indukováno“ v cirkulujícím elektrickém proudu.
Indukční ohřev využívá jedinečné vlastnosti rádiofrekvenční energie, která je součástí elektromagnetického spektra pod infračervenou a mikrovlnnou energií. Protože se teplo na produkt přenáší prostřednictvím elektromagnetických vln, nikdy se nedostane do přímého kontaktu s plamenem. Nedochází ke kontaminaci produktu a proces se stává vysoce opakovatelným a kontrolovatelným.
Jak funguje indukční ohřev?
Jak probíhá indukční ohřev?
Když je na transformátor aplikován střídavý elektrický proud, vzniká střídavé magnetické pole. Podle Faradayova zákona, pokud se sekundární vinutí transformátoru nachází v magnetickém poli, indukuje se elektrický proud.
Induktor je transformátor. Když je do induktoru umístěna kovová součástka, indukují se v ní cirkulující vířivé proudy.
V magnetických součástech vzniká dodatečné teplo v důsledku hystereze – vnitřního tření, které vzniká při průchodu magnetického materiálu induktorem. Ohřívaný materiál se může nacházet v podmínkách izolace od zdroje energie, ponořený v kapalinách, pokrytý izolovanými látkami v plynném prostředí nebo dokonce ve vakuu.
Účinnost indukčního ohřevného systému závisí na několika faktorech: konstrukci induktoru, kapacitě zdroje napájení a velikosti požadované změny teploty.
Tento proces ohřevu využívá proudy indukované elektromagnetickým působením na zahřátou vsázku. Indukční ohřev je v podstatě založen na principu transformátoru. Primární vinutí, napájené zdrojem střídavého proudu, je magneticky propojeno s nábojem, který funguje jako zkratované sekundární vinutí s jedním závitem. Když je na primární vinutí přivedeno střídavé napětí, indukuje se v sekundárním vinutí napětí, tj. náboj.
Sekundární proud ohřívá náboj stejným způsobem jako jakýkoli elektrický proud procházející odporem. Pokud je V napětí indukované v náboji a R je odpor náboje, pak generované teplo = V2/R.
Velikost proudu závisí na velikosti primárního proudu, převodovém poměru transformátoru a koeficientu magnetické vazby.
Charakteristiky zahřívaného materiálu
Zaprvé, indukcí lze ohřívat pouze vodivé materiály, obvykle kovy. Plasty a další nevodivé materiály lze ohřívat pouze nepřímo prostřednictvím vodivých kovů umístěných v plastu.
MAGNETICKÉ A NEMAGNETICKÉ
Ohřev je lepší pro magnetické materiály. V případě tepla způsobeného vířivými proudy magnetické materiály produkují teplo prostřednictvím hysterezního jevu. Tento jev ustává při teplotách nad „Curieho“ bodem – teplotou, při které magnetický materiál ztrácí své magnetické vlastnosti. Relativní stabilita magnetických materiálů se hodnotí na stupnici „permeability“ od 100 do 500. Ačkoli nemagnetické materiály mají permeabilitu 1, magnetické materiály mohou mít permeabilitu až 500.
SILNÉ NEBO TENKÉ
U vodivých materiálů se asi 85 % ohřevu odehrává na povrchu materiálu. Intenzita ohřevu klesá se zvětšující se vzdáleností od povrchu. Malé nebo tenké díly se tedy obvykle zahřívají rychleji než velké a silné díly, zejména pokud je třeba velké díly zahřát úplně.
Výzkum ukázal souvislost mezi frekvencí a hloubkou průniku: čím vyšší frekvence, tím menší hloubka. Frekvence od 100 do 400 kHz s relativně vysokou energií jsou ideální pro rychlé ohřev malých součástí nebo povrchu velkých součástí. Pro hluboký průnik tepla jsou potřeba nižší frekvence od 5 do 30 kHz.
Pokud použijete přesně stejný indukční proces na stejně velkém kusu oceli a mědi, výsledky se budou velmi lišit. Proč? Ocel – spolu s uhlíkem, cínem a wolframem – má vysoký měrný odpor. Protože kovy odolávají toku proudu. Kovy s nízkým měrným odporem: měď, mosaz a hliník se zahřívají lépe. Mírný odpor se zvyšuje s teplotou, takže velmi horký kus oceli bude k indukčnímu ohřevu náchylnější než kus studený.
Návrh induktoru
Návrh a konstrukce induktoru je jedním z nejdůležitějších aspektů celého systému. Dobře promyšlený design zajišťuje správný ohřev a maximalizuje účinnost indukčního ohřevu.
Stupeň změny teploty
Účinnost indukčního ohřevu pro konkrétní součást závisí na množství potřebných teplotních změn. Široký rozsah teplotních změn vyžaduje větší indukční ohřevný výkon.
Ohřev pomocí elektromagnetických vln je v průmyslu široce používán, například v indukčních pecích pro tavení a povrchové úpravy. Indukční ohřevné systémy mají oproti konvenčním pecím několik výhod. Úspory energie se dosahují rychlým ohřevem a vysokou produktivitou. Mezi další výhody patří snadná automatizace a ovládání, nízké nároky na údržbu a tiché, bezpečné a čisté pracovní podmínky.
Pokud se k kalení dílů používá indukční ohřev, musí být proces velmi krátký a musí být doprovázen rychlým ochlazením. Pokud se indukční ohřev používá k ohřevu dílů nebo k tavení kovu, proces trvá déle a skládá se z několika fází.
