Induktionsvarme - Induction heating

Komponent i Stirling radioisotopgenerator opvarmes ved induktion under testning

Induktionsopvarmning er processen med opvarmning af elektrisk ledende materialer som metaller ved elektromagnetisk induktion , gennem varmeoverførsel, der passerer gennem en induktionsspole, der skaber et elektromagnetisk felt i spolen for at smelte stål, kobber, messing, grafit, guld, sølv, aluminium og hårdmetal. En induktionsvarmer består af en elektromagnet og en elektronisk oscillator, der fører en højfrekvent vekselstrøm (AC) gennem elektromagneten. Det hurtigt vekslende magnetfelt trænger ind i objektet og genererer elektriske strømme inde i lederen, kaldet hvirvelstrømme . Virvelstrømmene strømmer gennem materialets modstand og opvarmer det ved Joule -opvarmning . I ferromagnetiske og ferrimagnetiske materialer, såsom jern , genereres også varme ved magnetiske hysteresetab . Den frekvens af den elektriske strøm, der anvendes til induktionsopvarmning afhænger af emnets størrelse, materialetype, kobling (mellem arbejdet spole og den genstand, der skal opvarmes) og indtrængningsdybde.

Et vigtigt træk ved induktionsopvarmningsprocessen er, at varmen genereres inde i selve objektet, i stedet for af en ekstern varmekilde via varmeledning. Således kan genstande opvarmes meget hurtigt. Derudover behøver der ikke at være nogen ekstern kontakt, hvilket kan være vigtigt, hvor kontaminering er et problem. Induktionsopvarmning bruges i mange industrielle processer, såsom varmebehandling i metallurgi , Czochralski krystalvækst og zoneraffinering, der bruges i halvlederindustrien, og til at smelte ildfaste metaller, der kræver meget høje temperaturer. Det bruges også i induktionskogeplader til opvarmning af madbeholdere; dette kaldes induktionskogning .

Ansøgninger

Induktionsopvarmning af 25 mm metalstang ved hjælp af 15 kW ved 450 kHz.
Smeltende silicium i digel ved 2.650 ° F (1.450 ° C) til Czochralski krystalvækst, 1956

Induktionsopvarmning tillader målrettet opvarmning af et anvendeligt emne til applikationer, herunder overfladehærdning, smeltning, lodning og lodning og opvarmning, så det passer. Jern og dets legeringer reagerer bedst på induktionsopvarmning på grund af deres ferromagnetiske natur. Virvelstrømme kan imidlertid genereres i enhver leder, og magnetisk hysterese kan forekomme i ethvert magnetisk materiale. Induktionsopvarmning er blevet brugt til at opvarme væskeledere (f.eks. Smeltede metaller) og også gasformige ledere (f.eks. Et gasplasma - se Induktionsplasmateknologi ). Induktionsopvarmning bruges ofte til at opvarme grafitdigler (indeholder andre materialer) og bruges i vid udstrækning i halvlederindustrien til opvarmning af silicium og andre halvledere. Utility frekvens (50/60 Hz) induktionsvarme bruges til mange billigere industrielle applikationer, da inverter ikke er påkrævet.

Ovn

En induktionsovn bruger induktion til at opvarme metal til dets smeltepunkt. Når det er smeltet, kan det højfrekvente magnetfelt også bruges til at røre det varme metal, hvilket er nyttigt for at sikre, at legeringstilsætninger blandes fuldt ud i smelten. De fleste induktionsovne består af et rør med vandkølede kobberringe, der omgiver en beholder med ildfast materiale. Induktionsovne bruges i de fleste moderne støberier som en renere metode til smeltning af metaller end en rumklangovn eller en kuppel . Størrelser spænder fra et kilo kapacitet til hundrede ton. Induktionsovne udsender ofte et højt hvin eller brummer, når de kører, afhængigt af deres driftsfrekvens. Metaller, der smeltes, omfatter jern og stål , kobber, aluminium og ædle metaller . Fordi det er en ren og berøringsfri proces, kan den bruges i et vakuum eller en inaktiv atmosfære. Vakuumovne anvender induktionsvarme til fremstilling af specialstål og andre legeringer, der ville oxideres, hvis de opvarmes i nærvær af luft.

Svejsning

En lignende proces i mindre skala bruges til induktionssvejsning. Plast kan også svejses ved induktion, hvis de enten er dopet med ferromagnetisk keramik (hvor magnetisk hysterese af partiklerne giver den nødvendige varme) eller af metalliske partikler.

Sømme af rør kan svejses på denne måde. Strømme fremkaldt i et rør løber langs den åbne søm og opvarmer kanterne, hvilket resulterer i en temperatur, der er høj nok til svejsning. På dette tidspunkt presses sømkanterne sammen, og sømmen svejses. RF -strømmen kan også transporteres til røret med børster, men resultatet er stadig det samme - strømmen strømmer langs den åbne søm og opvarmer den.

Fremstilling

I den hurtige induktionsudskrivning af metaladditiv trykproces føres et ledende trådråmateriale og beskyttelsesgas gennem en spiralformet dyse, der udsætter råmaterialet for induktionsopvarmning og udstødning fra dysen som en væske for at nægte under afskærmning at danne tredimensionel metalstrukturer. Hovedfordelen ved den proceduremæssige anvendelse af induktionsopvarmning i denne proces er betydeligt større energi- og materialeffektivitet samt en højere grad af sikkerhed sammenlignet med andre additive fremstillingsmetoder, såsom selektiv lasersintring , som leverer varme til materiale ved hjælp af en kraftfuld laser- eller elektronstråle.

Madlavning

I induktion madlavning, en induktion spole inde i cook-top opvarmer jern base af køkkengrej ved magnetisk induktion. Brug af induktionskomfur giver sikkerhed, effektivitet (induktionskogepladen opvarmes ikke selv) og hastighed. Ikke-jernholdige pander, såsom pander med kobberbund og aluminiumspander, er generelt uegnede. Ved induktion overføres varmen induceret i basen til maden indeni ved ledning.

Lodning

Induktionslodning bruges ofte i højere produktionskørsler. Det giver ensartede resultater og kan gentages meget. Der er mange typer industrielt udstyr, hvor der bruges induktionslodning. For eksempel bruges induktion til lodning af hårdmetal til aksel.

Forsegling

Induktionsopvarmning bruges til hætteforsegling af beholdere i fødevare- og farmaceutisk industri. Et lag aluminiumsfolie placeres over flasken eller krukkeåbningen og opvarmning ved induktion for at smelte den til beholderen. Dette giver en tætningsbestandig forsegling, da ændring af indholdet kræver, at folien brydes.

Opvarmning til at passe

Induktionsopvarmning bruges ofte til at opvarme et emne, hvilket får det til at udvide sig før montering eller samling. Lejer opvarmes rutinemæssigt på denne måde ved hjælp af nyttefrekvens (50/60 Hz) og en kerne af lamineret ståltransformator, der passerer gennem lejets centrum.

Varmebehandling

Induktionsopvarmning bruges ofte til varmebehandling af metalgenstande. De mest almindelige anvendelser er induktionshærdning af ståldele, induktion lodning / lodning som et middel til sammenføjning metalkomponenter og induktion annealing til selektivt blødgøre et område med en ståldel.

Induktionsopvarmning kan producere højeffekttætheder, som tillader korte interaktionstider at nå den nødvendige temperatur. Dette giver tæt kontrol over varmemønsteret, hvor mønsteret følger det påførte magnetfelt ganske tæt og tillader reduceret termisk forvrængning og beskadigelse.

Denne evne kan bruges til hærdning til fremstilling af dele med varierende egenskaber. Den mest almindelige hærdningsproces er at producere en lokal overfladehærdning af et område, der har brug for slidstyrke, samtidig med at den originale konstruktions sejhed bevares efter behov andre steder. Dybden af ​​induktionshærdede mønstre kan kontrolleres ved valg af induktionsfrekvens, effekttæthed og interaktionstid.

Grænser for fleksibiliteten i processen stammer fra behovet for at producere dedikerede induktorer til mange applikationer. Dette er ret dyrt og kræver opsamling af højstrømstætheder i små kobberinduktorer, som kan kræve specialiseret teknik og "kobbertilpasning".

Forarbejdning af plast

Induktion opvarmning anvendes i plast sprøjtestøbning . Induktionsopvarmning forbedrer energieffektiviteten til injektions- og ekstruderingsprocesser. Varme genereres direkte i maskinens tønde, hvilket reducerer opvarmningstid og energiforbrug. Induktionsspolen kan placeres uden for varmeisolering, så den fungerer ved lav temperatur og har en lang levetid. Den anvendte frekvens varierer fra 30 kHz ned til 5 kHz, faldende for tykkere tønder. Reduktionen af ​​omkostningerne ved inverterudstyr har gjort induktionsvarme stadig mere populær. Induktionsvarme kan også anvendes på forme, hvilket giver mere jævn formtemperatur og forbedret produktkvalitet.

Pyrolyse

Induktionsopvarmning bruges til at opnå biochar i pyrolysen af ​​biomasse. Varme genereres direkte i en rysterreaktorvægge, som muliggør pyrolyse af biomassen med god blanding og temperaturkontrol.

detaljer

Den grundlæggende opsætning er en vekselstrømforsyning, der leverer elektricitet med lav spænding, men meget høj strøm og høj frekvens. Arbejdsemnet til varme er placeret inde en luftspole drevet af strømforsyningen, sædvanligvis i kombination med en resonant tank, kondensator for at øge den reaktive effekt. Det skiftevis magnetiske felt fremkalder hvirvelstrømme i emnet.

Frekvensen af ​​den induktive strøm bestemmer dybden, som de inducerede hvirvelstrømme trænger ind i emnet. I det enkleste tilfælde af en solid rundstang falder den inducerede strøm eksponentielt fra overfladen. En "effektiv" dybde af de strømførende lag kan udledes, idet , hvor er dybden i centimeter, er emnets resistivitet i ohm-centimeter, er emnets dimensionsløse relative magnetiske permeabilitet og er frekvensen af emnet AC -felt i Hz. AC -feltet kan beregnes ved hjælp af formlen . Den ækvivalente modstand af emnet og dermed effektivitet er en funktion af arbejdsemnet diameter af referenceværdien dybde , hastigt stigende op til ca. . Da emnets diameter er fastgjort af applikationen, bestemmes værdien af af referencedybden. Reduktion af referencedybden kræver øget frekvens. Da omkostningerne ved induktionskraftforsyninger stiger med frekvensen, optimeres forsyningerne ofte for at opnå en kritisk frekvens, hvormed . Hvis den drives under kritisk frekvens, reduceres varmeeffektiviteten, fordi hvirvelstrømme fra hver side af emnet rammer hinanden og annulleres. Forøgelse af frekvensen ud over den kritiske frekvens skaber minimal yderligere forbedring af varmeeffektiviteten, selvom den bruges i applikationer, der kun søger at varmebehandle overfladen af ​​emnet.

Relativ dybde varierer med temperaturen, fordi resistiviteterne og permeabiliteten varierer med temperaturen. For stål falder den relative permeabilitet til 1 over Curie -temperaturen . Således kan referencedybden variere med temperaturen med en faktor 2–3 for ikke -magnetiske ledere og med så meget som 20 for magnetiske stål.

Anvendelser af frekvensområder
Frekvens (kHz) Type emne
5–30 Tykke materialer (f.eks. Stål ved 815 ° C med diameter 50 mm eller større).
100–400 Små emner eller lavt gennemtrængning (f.eks. Stål ved 815 ° C med en diameter på 5-10 mm eller stål ved 25 ° C med en diameter på omkring 0,1 mm).
480 Mikroskopiske stykker

Magnetiske materialer forbedrer induktionsvarmeprocessen på grund af hysterese . Materialer med høj permeabilitet (100–500) er lettere at opvarme med induktionsvarme. Hystereseopvarmning sker under Curie -temperaturen, hvor materialer bevarer deres magnetiske egenskaber. Høj permeabilitet under Curie -temperaturen i emnet er nyttig. Temperaturforskel, masse og specifik varme påvirker emnets opvarmning.

Energioverførsel ved induktionsopvarmning påvirkes af afstanden mellem spolen og emnet. Energitab opstår ved varmeledning fra emne til armatur, naturlig konvektion og termisk stråling .

Induktionsspolen er normalt lavet af kobberrør og væskekølemiddel . Diameter, form og antal omdrejninger påvirker effektiviteten og feltmønsteret.

Kerneovn

Ovnen består af en cirkulær ildsted, der indeholder ladningen, der skal smeltes i form af en ring. Metalringen er stor i diameter og er magnetisk forbundet med en elektrisk vikling, der drives af en vekselstrømskilde. Det er i det væsentlige en transformer, hvor ladning, der skal opvarmes, danner en sekundær kortslutning og er magnetisk koblet til primæren af ​​en jernkerne.

Referencer

  1. ^ Valery Rudnev Handbook of Induction Heating CRC Press, 2003 ISBN  0824708482 side 92
  2. ^ Valery Rudnev Handbook of Induction Heating CRC Press, 2003 ISBN  0824708482 side 92
  3. ^ Dong-Hwi Sohn, Hyeju Eom og Keun Park, Anvendelse af højfrekvent induktionsvarme til højkvalitets sprøjtestøbning , i Plast Engineering Årlige tekniske konferenceprocedurer ANTEC 2010 , Society of Plastics Engineers , 2010
  4. ^ Sanchez Careaga, FJ, Porat, A, Briens, L, Briens, C. Pyrolyse -rystereaktor til produktion af biochar. Kan J Chem Eng. 2020; 1– 8. https://doi.org/10.1002/cjce.23771
  5. ^ S. Zinn og SL Semiatin Elements of Induction Heating ASM International, 1988 ISBN  0871703084 side 15
  6. ^ S. Zinn og SL Semiatin Elements of Induction Heating ASM International, 1988 ISBN  0871703084 side 19
  7. ^ S. Zinn og SL Semiatin Elements of Induction Heating ASM International, 1988 ISBN  0871703084 side 16
  • Brown, George Harold, Cyril N. Hoyler og Rudolph A. Bierwirth, Teori og anvendelse af radiofrekvensopvarmning . New York, D. Van Nostrand Company, Inc., 1947. LCCN 47003544
  • Hartshorn, Leslie, Radiofrekvensvarme . London, G. Allen & Unwin, 1949. LCCN 50002705
  • Langton, LL, Radiofrekvent varmeudstyr, med særlig henvisning til teori og design af selvopspændte effektoscillatorer . London, Pitman, 1949. LCCN 50001900
  • Shields, John Potter, Abc'er for radiofrekvent opvarmning . 1. udgave, Indianapolis, HW Sams, 1969. LCCN 76098943
  • Sovie, Ronald J. og George R. Seikel, Radiofrekvensinduktionsopvarmning af lavtryksplasmaer . Washington, DC: National Aeronautics and Space Administration; Springfield, Va .: Clearinghouse for Federal Scientific and Technical Information, oktober 1967. Teknisk note fra NASA. D-4206; Forberedt på Lewis Research Center.