Co je indukční ohřev

Co je indukční ohřev

Uspořádání indukčního ohřevu
Uspořádání indukčního ohřevu

Indukční ohřev je elektrický ohřev využívající elektromagnetické indukce. Vložíme-li předmět z elektricky vodivého materiálu dovnitř cívky, jejímž vinutím protéká střídavý proud, indukují se střídavým magnetickým polem v dutině cívky ve vloženém předmětu vířivé proudy. V principu se jedná o transformátor, kde sekundárním vinutím je vsázka (závit nakrátko) a primárním vinutím je cívka, v indukčních ohřevech zvaná induktor. Vířivé proudy vložený předmět (vsázku) zahřívají. Teplo se do vsázky dopravuje střídavým elektromagnetickým polem, tedy nikoli teplotním spádem jako u nepřímých ohřevů, a vzniká přímo v sázce. Vše ostatní v okolí může být chladné. To je velká výhoda indukčního ohřevu.

Teplo ve vsázce se nevyvíjí rovnoměrně v celém průřezu. Např: při ohřevu vsázky válcového tvaru je největší proudová hustota na povrchu a ke středu klesá přibližně exponenciálně. Tento jev se nazývá skinefekt.

jx = Jo e-kx

Hloubka, ve které proudová hustota klesne na hodnotu Jo/e, tj. na 0,368 hustoty na povrchu, se nazývá hloubka vniku δ

kde je:

  • ω = 2πf úhlový kmitočet, f je kmitočet
  • ρ měrný odpor materiálu vsázky
  • µo permeabilita vakua (4π x 10-7Hm-1)
  • µr poměrná permeabilita materiálu vsázky.

Pro praxi je vhodné vztah upravit:

Online kalkulátor hloubky vniku

V povrchové vrstvě tloušťky jedné hloubky vniku se vyvíjí 86,5% všeho tepla, ve vrstvě dvou hloubek vniku δ 98%, ve vrstvě 3δ 99,8 % (platí pro válec o průměru větším než 8 δ).

Je zřejmé, že hloubka vniku závisí na kmitočtu proudu induktoru a na měrném odporu a poměrné permeabilitě materiálu vsázky při provozní teplotě vsázky.

Pro názornost uvádíme hloubky vniku mědi a uhlíkové oceli (mm):

kmitočet [Hz] 50 500 1000 2000 4000 8000 10000 20000 50000
měď 40°C 10 3,2 2,3 1,6 1,1 0,8 0,7 0,5 0,3
ocel 1200°C 78 25 17,5 12,3 8,6 6,2 5,5 3,9 2,5

Z hlediska provozních nákladů je zajímavá účinnost přenosu energie z induktoru do vsázky - tzv. elektrická účinnost ohřevu. Pro dlouhou cívku a válcovou vsázku lze elektrickou účinnost ηe přibližně vypočítat ze vztahu:

kde je:

  • D vnitřní průměr cívky induktoru
  • d průměr vsázky
  • δ1 hloubka vniku cívky
  • δ2 hloubka vniku vsázky
  • ρ1 měrný odpor materiálu cívky
  • ρ2 měrný odpor materiálu vsázky
  • µr poměrná permeabilita materiálu vsázky.

Elektrická účinnost klesá se zvětšením poměru D/d, protože se zmenšuje vazba magnetického pole induktoru se vsázkou. Proto není vhodné používat jeden induktor pro velký rozsah průměrů vsázky. Účinnost klesá i se zvětšováním hloubky vniku vsázky. Nízká hloubka vniku se využívá např. pro povrchové kalení, kde se rychlým procesem ohřeje a následně ochladí tenká povrchová vrstva.

Pro tváření (kování) je třeba, aby materiál byl prohřát pokud možno rovnoměrně. Proto se volí pomalejší ohřev, aby se teplo mohlo rozvést ke středu vsázky. Příliš pomalý ohřev však zhoršuje tepelnou účinnost, protože se prodlužuje doba, po kterou materiál zahřátý na vysoké teploty ztrácí teplo sáláním. Rychlejšímu prohřátí napomáhá i zvětšení hloubky vniku. Volí se kompromis kmitočtu pro dosažení potřebného prohřevu při dobré účinnosti přenosu energie z induktoru do vsázky.

Praxe ukázala pro ohřev uhlíkové oceli na 1200°C následující hospodárný rozsah rozměrů vsázky:

kmitočet
[Hz]
průměr vsázky
[mm]
strana čtvercového průřezu
[mm]
50 200-600 180-550
250 90-250 80-225
500 65-180 60-160
1000 50-140 45-125
2000 35-100 30-80
4000 22-65 20-60
8000 16-50 15-45
10000 15-40 14-35
20000 10-30 9-25

U vsázky plochého tvaru má být tloušťka pasu větší než 2,5 násobek hloubky vniku. Při malé tloušťce se projeví tzv. průzařnost a účinnost ohřevu se sníží, to je třeba vzít v úvahu při návrhu zařízení.

K napájení induktorů kmitočtem vyšším než v distribuční síti (50 Hz) se používají statické měniče kmitočtu tyristorové nebo tranzistorové. Při napájení silových obvodů měniče kmitočtu se převážně používá oddělovací transformátor, jehož úkolem je přizpůsobit napětí sítě požadovanému vstupnímu napětí měniče. Jeho další funkcí je galvanické oddělení silových obvodů měniče a induktoru od sítě. Z bezpečnostních důvodů se měří izolační odpor induktoru proti zemnímu potenciálu. Zapojení transformátoru trojúhelník/hvězda dále potlačuje rušivé pronikání lichých harmonických složek do sítě. Paralelně k induktoru jsou připojeny kompenzační kondenzátory. Jejich kapacita společně s indukčností induktoru určuje pracovní (rezonanční) kmitočet měniče. Tyto kondenzátory navíc kompenzují fázově posunutou složku proudu tekoucí induktorem. Díky tomu teče výstupem měniče několikanásobně nižší proud než induktorem.

Indukční ohřev umožňuje dobrou stabilizaci teploty ohřívaných předmětů. K řízení procesu se ponejvíce užívá volně programovatelných automatů, teplota se většinou měří bezkontaktně pyrometry, při ohřevu hliníku a jeho slitin se používají i termočlánky.

Jednou z výhod indukčního ohřevu v průmyslu je možnost jeho snadné mechanizace a automatizace. Ta snižuje potřebu lidské práce a u velmi výkonných zařízení je dokonce nezbytná.

Indukcí lze ohřívat libovolné elektricky vodivé materiály. Obzvláště výhodný je indukční ohřev feromagnetických materiálů, protože dosahuje velmi vysoké účinnosti. Vsázka může být pevná, kapalná i plazma. Nevodivé materiály lze ohřívat pomocí indukce ve vodivých nádobách (indukční vařič).

Díky svým výhodám má indukční ohřev široké uplatnění:

  • tváření – důležité je rovnoměrné prohřátí vsázky
  • tavení – indukcí se často ohřívá nádoba (grafitový kelímek pro tavení různých kovů)
  • povrchové kalení – ohřívá se pouze povrch do malé hloubky
  • žíhání – součást se prohřívá celá a udržuje se na teplotě po určitou dobu
  • pájení – mezi pájené kovové části se vloží pájka, součásti se umístí do induktoru a pájka se roztaví
  • lisování za tepla – využívá teplotní roztažnosti kovů
  • svařování – při podélném kontinuálním svařování trubek se indukcí lokálně nataví hrany spoje
  • plasmové technologie – indukcí se ohřívá plazma
  • vaření – indukcí se obvykle ohřívá dno nádoby z feromagnetického materiálu

Aktuality

Pevné telefonní linky mimo provoz

18.9.2020 Vedení obchodní společnosti ROBOTERM spol.s r.o. Chotěboř oznamuje všem zákazníkům, že z důvodu poruchy na telefonní ústředně jsou dočasně mimo provoz všechna telefonní čísla pevných linek. více...

Indukční žíhací zařízení

20.2.2020 Indukční žíhací stroje jsou navrženy pro tepelné zpracování svarových spojů tak... více...

Předvánoční setkání se zaměstnanci 2019

21.12.2019 Vedení obchodní společnosti ROBOTERM spol.s r.o. Chotěboř organizuje každoročně ke konci roku setkání jak s bývalými, tak i současnými zaměstnanci firmy. Ani letošní rok neby vyjímkou. V pátek 13.12. 2019 více...

PF 2020

10.12.2019 Děkujeme Vám za spolupráci v roce 2019 a do roku 2020 Vám přejeme mnoho osobních i pracovních úspěchů. Veselé Vánoce a šťastný nový rok 2020 přeje ROBOTERM Chotěboř. více...

Navštívili jsme veletrh v Düsseldorfu

27.6.2019 Ve dnech 25. – 29. června 2019 se opět po čtyřech letech otevřely brány největší světové události na poli ohřevu kovů pro jejich následné zpracování – The Bright World of Metals 2019. Výstavní plocha více...

Roboterm podpořil akci Golfista roku 2018

27.2.2019 Obchodní společnost ROBOTERM spol.s r.o. Chotěboř v roce 2018 podporovala v oblasti sportu mimo jiné též golfové akce Golf Centrum OPEN TOUR 2018 a společenskou akci Golfista roku 2018. Tato více...

doporučujeme: MARTENZIT, ŠMERAL BRNO, KOMAP, Šroubárna Kyjov, ŠKODA AUTO, OSTROJ, VÍTKOVICE CYLINDERS, MSV Metal Studénka, Kovárna VIVA, ŽĎAS
realizace webu Pavlíček.cz