İndüksiyonla ısıtma - Induction heating

Vikipedi, özgür ansiklopedi
Stirling radyoizotop jeneratörünün bileşeni test sırasında indüksiyonla ısıtılır

İndüksiyonla ısıtma , elektriksel olarak iletken bir nesnenin (genellikle bir metal) , nesnede girdap akımları tarafından üretilen ısı yoluyla elektromanyetik indüksiyonla ısıtılması işlemidir . Bir indüksiyon ısıtıcısı, bir elektromıknatıs ve yüksek frekanslı bir alternatif akımı (AC) elektromıknatısın içinden geçiren bir elektronik osilatörden oluşur . Hızla değişen manyetik alan nesneye nüfuz ederek iletkenin içinde girdap akımları adı verilen elektrik akımları oluşturur . Malzemenin direncinden geçen girdap akımları Joule ısıtması ile onu ısıtır . İçinde ferromanyetik (ve ferrimanyetik demir gibi) malzemeleri, ısı, aynı zamanda, manyetik üretilebilir histerezis kayıpları. Kullanılan akımın frekansı , nesne boyutuna, malzeme türüne, kapline (çalışma bobini ile ısıtılacak nesne arasındaki) ve penetrasyon derinliğine bağlıdır.

İndüksiyonla ısıtma işleminin önemli bir özelliği, ısının, ısı iletimi yoluyla harici bir ısı kaynağı yerine nesnenin içinde üretilmesidir. Böylece nesneler çok hızlı ısıtılabilir. Ek olarak, kontaminasyonun bir sorun olduğu durumlarda önemli olabilecek herhangi bir harici temas olması gerekmez. İndüksiyonla ısıtma, metalurjide ısıl işlem , Czochralski kristal büyümesi ve yarı iletken endüstrisinde kullanılan bölge rafinasyonu gibi birçok endüstriyel işlemde ve çok yüksek sıcaklıklar gerektiren refrakter metalleri eritmek için kullanılır . Ayrıca yiyecek kaplarını ısıtmak için indüksiyonlu ocaklarda kullanılır; buna indüksiyonlu pişirme denir .

Başvurular

450 kHz'de 15 kW kullanarak 25 mm metal çubuğun indüksiyonla ısıtılması.
Czochralski kristal büyümesi için 2,650 ° F (1,450 ° C) sıcaklıkta potada eriyen silikon , 1956

İndüksiyonla ısıtma, yüzey sertleştirme, eritme, sert lehimleme ve lehimleme ve ısıtma gibi uygulamalar için uygulanabilir bir öğenin hedeflenen ısıtılmasına izin verir . Demir ve alaşımları, ferromanyetik yapıları nedeniyle indüksiyonla ısıtmaya en iyi yanıt verir. Bununla birlikte, girdap akımları herhangi bir iletkende üretilebilir ve manyetik histerez , herhangi bir manyetik malzemede meydana gelebilir. İndüksiyonla ısıtma, sıvı iletkenleri (erimiş metaller gibi) ve ayrıca gaz halindeki iletkenleri (örneğin bir gaz plazması - bkz. İndüksiyon plazma teknolojisi ) ısıtmak için kullanılmıştır . İndüksiyonla ısıtma genellikle grafit potaları (diğer malzemeleri içeren) ısıtmak için kullanılır ve yarı iletken endüstrisinde silikon ve diğer yarı iletkenlerin ısıtılması için yaygın olarak kullanılır. İnverter gerekmediğinden , pek çok düşük maliyetli endüstriyel uygulamada yardımcı frekans (50/60 Hz) indüksiyonlu ısıtma kullanılmaktadır .

Fırın

Bir indüksiyon fırını , metali erime noktasına kadar ısıtmak için indüksiyon kullanır. Bir kez eritildikten sonra, yüksek frekanslı manyetik alan aynı zamanda sıcak metali karıştırmak için de kullanılabilir; bu, alaşım ilavelerinin eriyik içine tamamen karışmasını sağlamada yararlıdır. İndüksiyon fırınlarının çoğu, bir refrakter malzeme kabını çevreleyen su soğutmalı bakır halkalardan oluşan bir tüpten oluşur . Endüksiyon fırınlar, daha metal eritme temiz bir yöntem olarak en modern dökümhanelerde kullanılan reverber fırın ya da bir kubbe . Boyutlar bir kilogram kapasiteden yüz tona kadar değişir. İndüksiyon fırınları, çalışma frekanslarına bağlı olarak, çalışırken genellikle yüksek bir vızıltı veya uğultu yayarlar. Erimiş metaller arasında demir ve çelik , bakır, alüminyum ve değerli metaller bulunur . Temiz ve temassız bir işlem olduğu için vakum veya inert atmosferde kullanılabilir. Vakumlu fırınlar, hava varlığında ısıtıldığında oksitlenebilecek özel çeliklerin ve diğer alaşımların üretimi için indüksiyonlu ısıtmadan yararlanır.

Kaynak

Endüksiyon kaynağı için benzer, daha küçük ölçekli bir işlem kullanılır. Plastikler ayrıca ferromanyetik seramiklerle (partiküllerin manyetik histerezisi gerekli ısıyı sağlar) veya metalik partiküller ile katkılı ise indüksiyonla kaynaklanabilir.

Boru dikişleri bu şekilde kaynaklanabilir. Bir tüpte indüklenen akımlar açık dikiş boyunca ilerler ve kenarları ısıtır ve kaynak için yeterince yüksek bir sıcaklıkla sonuçlanır. Bu noktada, dikiş kenarları birbirine zorlanır ve dikiş kaynağı yapılır. RF akımı tüpe fırçalarla da iletilebilir, ancak sonuç yine aynıdır - akım açık dikiş boyunca akar ve onu ısıtır.

İmalat

Hızlı İndüksiyon Baskı metal katkılı baskı işleminde, iletken bir tel besleme stoğu ve koruyucu gaz, sarmal bir nozülden beslenir, besleme stoğunu indüksiyonla ısıtmaya ve nozülden sıvı olarak çıkarmaya tabi tutarak, üç boyutlu oluşturmak için koruma altında reddetmek metal yapılar. Bu işlemde indüksiyonla ısıtmanın prosedürel kullanımının temel faydası, güçlü bir malzeme kullanarak malzemeye ısı ileten seçici lazer sinterleme gibi diğer katmanlı üretim yöntemleriyle karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha fazla enerji ve malzeme verimliliği ve daha yüksek güvenlik derecesidir. lazer veya elektron ışını.

Yemek pişirme

İndüksiyonlu pişirme işleminde, ocağın içindeki indüksiyon bobini , tencere tabanının demir tabanını manyetik indüksiyonla ısıtır. İndüksiyonlu ocakların kullanılması güvenlik, verimlilik (indüksiyonlu ocak kendisi ısıtılmaz) ve hız sağlar. Bakır tabanlı tavalar ve alüminyum tavalar gibi demir içermeyen tavalar genellikle uygun değildir. İndüksiyonla tabanda indüklenen ısı iletim yoluyla içerideki yiyeceğe aktarılır.

Lehimleme

İndüksiyonla lehimleme genellikle daha yüksek üretim çalışmalarında kullanılır. Tek tip sonuçlar üretir ve çok tekrarlanabilir. İndüksiyonla lehimlemenin kullanıldığı birçok endüstriyel ekipman türü vardır. Örneğin, indüksiyon karbürü şafta lehimlemek için kullanılır.

Sızdırmazlık

İndüksiyonla ısıtma, gıda ve ilaç endüstrilerinde kapların kapak kapatılmasında kullanılır . Şişe veya kavanoz açıklığının üzerine bir alüminyum folyo tabakası yerleştirilir ve kabın içine kaynaşması için endüksiyonla ısıtılır. Bu, içeriğin değiştirilmesi folyonun kırılmasını gerektirdiğinden kurcalamaya dayanıklı bir mühür sağlar.

Sığacak şekilde ısıtma

İndüksiyonla ısıtma genellikle bir parçayı ısıtmak için kullanılır ve montaj veya montaj öncesinde genişlemesine neden olur. Rulmanlar, rutin olarak bu şekilde, kullanım frekansı (50/60 Hz) ve rulmanın merkezinden geçen bir lamine çelik transformatör tipi çekirdek kullanılarak ısıtılır.

Isı tedavisi

Endüksiyonla ısıtma, genellikle metal parçaların ısıl işleminde kullanılır. En yaygın uygulamalar, çelik parçaların indüksiyonla sertleştirilmesi , metal bileşenleri birleştirme aracı olarak indüksiyonla lehimleme / sert lehimleme ve bir çelik parçanın bir alanını seçici olarak yumuşatmak için indüksiyon tavlamasıdır .

İndüksiyonla ısıtma, kısa etkileşim sürelerinin gerekli sıcaklığa ulaşmasını sağlayan yüksek güç yoğunlukları üretebilir. Bu, uygulanan manyetik alanı oldukça yakından takip eden model ile ısıtma modelinin sıkı kontrolünü sağlar ve azaltılmış termal bozulma ve hasara izin verir.

Bu yetenek, farklı özelliklere sahip parçalar üretmek için sertleştirmede kullanılabilir. En yaygın sertleştirme işlemi, orijinal yapının tokluğunu başka bir yerde gerektiği gibi korurken, aşınma direncine ihtiyaç duyan bir alanda bölgesel bir yüzey sertleştirmesi üretmektir. İndüksiyonla sertleştirilmiş modellerin derinliği, indüksiyon frekansı, güç yoğunluğu ve etkileşim süresi seçimiyle kontrol edilebilir.

Sürecin esnekliğindeki sınırlar, birçok uygulama için özel indüktör üretme ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Bu oldukça pahalıdır ve özel mühendislik ve "bakır uydurma" gerektirebilen küçük bakır indüktörlerde yüksek akım yoğunluklarının sıralanmasını gerektirir.

Plastik işleme

Plastik enjeksiyon makinelerinde indüksiyonla ısıtma kullanılmaktadır . İndüksiyonla ısıtma, enjeksiyon ve ekstrüzyon işlemleri için enerji verimliliğini artırır. Isı, doğrudan makinenin tamburunda üretilerek ısınma süresini ve enerji tüketimini azaltır. İndüksiyon bobini ısı yalıtımının dışına yerleştirilebilir, bu nedenle düşük sıcaklıkta çalışır ve uzun ömürlüdür. Kullanılan frekans 30 kHz'den 5 kHz'e kadar değişir ve daha kalın variller için azalır. İnvertör ekipmanının maliyetindeki azalma, indüksiyonla ısıtmayı giderek daha popüler hale getirmiştir. İndüksiyonla ısıtma, kalıplara da uygulanarak daha eşit kalıp sıcaklığı ve iyileştirilmiş ürün kalitesi sunar.

Piroliz

Biyokütlenin pirolizinde biyokömür elde etmek için indüksiyonla ısıtma kullanılır . Isı, biyokütlenin iyi karıştırma ve sıcaklık kontrolü ile pirolizini mümkün kılan çalkalayıcı reaktör duvarlarında doğrudan üretilir.

Detaylar

Temel kurulum, düşük voltajlı ancak çok yüksek akım ve yüksek frekanslı elektrik sağlayan bir AC güç kaynağıdır . Isıtılacak iş parçası , genellikle reaktif gücü artırmak için bir rezonant tank kondansatörü ile birlikte, güç kaynağı tarafından tahrik edilen bir hava bobininin içine yerleştirilir . Değişen manyetik alan, iş parçasında girdap akımlarını indükler.

Endüktif akımın frekansı, indüklenen girdap akımlarının iş parçasına nüfuz ettiği derinliği belirler. En basit katı yuvarlak çubuk durumunda, indüklenen akım yüzeyden katlanarak azalır. Akım taşıyan tabakaların "etkili" derinlik olarak elde edilebilir burada, santimetre olarak derinliği, bir direnç , ohm-santimetre olarak iş parçasının boyutsuzdur göreceli manyetik geçirgenliği , iş parçasının ve frekansıdır Hz cinsinden AC alanı. AC alanı formül kullanılarak hesaplanabilir . İş parçasının eşdeğer direnci ve dolayısıyla verimlilik, iş parçası çapının referans derinliğe göre hızla artan bir fonksiyonudur . İş parçası çapı uygulama tarafından sabitlendiğinden, değeri referans derinliğine göre belirlenir. Referans derinliğini azaltmak, frekansı artırmayı gerektirir. İndüksiyon güç kaynaklarının maliyeti frekansla arttığından, kaynaklar genellikle kritik bir frekansı elde edecek şekilde optimize edilir . Kritik frekansın altında çalıştırılırsa, iş parçasının her iki tarafındaki girdap akımları birbirine çarptığından ve iptal olduğundan ısıtma verimliliği düşer. Frekansı kritik frekansın ötesine artırmak, yalnızca iş parçasının yüzeyini ısıyla işlemeyi amaçlayan uygulamalarda kullanılmasına rağmen, ısıtma verimliliğinde minimum düzeyde daha fazla gelişme sağlar.

Bağıl derinlik sıcaklığa göre değişir çünkü dirençler ve geçirgenlik sıcaklıkla değişir. Çelik için bağıl geçirgenlik, Curie sıcaklığının üzerine 1'e düşer . Bu nedenle referans derinliği, manyetik olmayan iletkenler için 2–3 faktörü ve manyetik çelikler için 20 faktörü ile sıcaklıkla değişebilir.

Frekans aralıklarının uygulamaları
Frekans (kHz) İş parçası tipi
5–30 Kalın malzemeler (örn. 815 ° C'de 50 mm veya daha büyük çaplı çelik).
100–400 Küçük iş parçaları veya sığ penetrasyon (örn. 5–10 mm çapında 815 ° C'de çelik veya yaklaşık 0,1 mm çapında 25 ° C'de çelik).
480 Mikroskobik parçalar

Manyetik malzemeler, histerezis nedeniyle indüksiyonla ısı sürecini iyileştirir . Yüksek geçirgenliğe (100–500) sahip malzemelerin indüksiyonla ısıtılması daha kolaydır. Histerez ısıtması, malzemelerin manyetik özelliklerini koruduğu Curie sıcaklığının altında gerçekleşir. İş parçasında Curie sıcaklığının altındaki yüksek geçirgenlik yararlıdır. Sıcaklık farkı, kütle ve özgül ısı, iş parçası ısıtmasını etkiler.

İndüksiyonla ısıtmanın enerji aktarımı, bobin ile iş parçası arasındaki mesafeden etkilenir. Enerji kayıpları, iş parçasından fikstüre ısı iletimi, doğal konveksiyon ve termal radyasyon yoluyla meydana gelir .

Endüksiyon bobini genellikle bakır borulardan ve sıvı soğutucudan yapılır . Çap, şekil ve dönüş sayısı, verimliliği ve alan modelini etkiler.

Çekirdek tipi fırın

Fırın, eritilecek yükü bir halka şeklinde içeren dairesel bir ocaktan oluşur. Metal halkanın çapı büyüktür ve bir AC kaynağı tarafından enerji verilen bir elektrik sargısı ile manyetik olarak birbirine bağlıdır. Esasen, ısıtılacak olan yükün tek turlu bir ikincil kısa devre oluşturduğu ve bir demir çekirdek ile primere manyetik olarak bağlandığı bir transformatördür.

Referanslar

  1. ^ Valery Rudnev İndüksiyonla Isıtma CRC Press El Kitabı , 2003 ISBN   0824708482 sayfa 92
  2. ^ Valery Rudnev İndüksiyonla Isıtma CRC Press El Kitabı , 2003 ISBN   0824708482 sayfa 92
  3. ^ Dong-Hwi Sohn, Hyeju Eom ve Keun Park, Yüksek frekanslı indüksiyonlu ısıtmanın yüksek kaliteli enjeksiyon kalıplamaya uygulanması , Plastics Engineering Annual Technical Conference Proceedings ANTEC 2010 , Society of Plastics Engineers , 2010
  4. ^ Sanchez Careaga, FJ, Porat, A, Briens, L, Briens, C.Piroliz çalkalayıcı reaktör biyokömür üretimi için. Can J Kimya Müh. 2020; 1– 8. https://doi.org/10.1002/cjce.23771
  5. ^ S. Zinn ve SL Semiatin Elemanları İndüksiyonla Isıtma ASM International, 1988 ISBN   0871703084 sayfa 15
  6. ^ S. Zinn ve SL Semiatin Elemanları İndüksiyonla Isıtma ASM International, 1988 ISBN   0871703084 sayfa 19
  7. ^ S. Zinn ve SL Semiatin Elemanları İndüksiyonla Isıtma ASM International, 1988 ISBN   0871703084 sayfa 16
  • Brown, George Harold, Cyril N. Hoyler ve Rudolph A. Bierwirth, Radyo frekanslı ısıtma teorisi ve uygulaması . New York, D. Van Nostrand Company, Inc., 1947. LCCN 47003544
  • Hartshorn, Leslie, Radyo frekanslı ısıtma . Londra, G. Allen ve Unwin, 1949. LCCN 50002705
  • Langton, LL, Kendinden ikazlı güç osilatörlerinin teorisi ve tasarımına özellikle atıfta bulunan radyo frekanslı ısıtma ekipmanı . Londra, Pitman, 1949. LCCN 50001900
  • Kalkanlar, John Potter, Abc'ler radyo frekansı ısıtması . 1. baskı, Indianapolis, HW Sams, 1969. LCCN 76098943
  • Sovie, Ronald J. ve George R. Seikel, Düşük basınçlı plazmaların radyo frekanslı indüksiyonla ısıtılması . Washington, DC: Ulusal Havacılık ve Uzay İdaresi; Springfield, Va .: Clearinghouse for Federal Scientific and Technical Information, Ekim 1967. NASA'nın teknik notu. D-4206; Lewis Araştırma Merkezinde hazırlanmıştır.