http___en.wikipedia.org_wiki_Induction_heating_1.xml
1.1 2.1 2.2 3.1 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 6.1 7.1 7.2 8.1 8.2 8.3 9.1 9.2 10.1 10.2 10.3 10.4 11.1 11.2 11.3 11.4 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 16.2 17.1 17.2 17.3 17.4 18.1 20.1 21.1
Индукционно нагряване Индукционното нагряване (на английски: Induction Heating) е метод за безконтактно нагряване на материали за реализация на производствени операции заваряване, закаляване, отвръщане, топене на метали в металургията и др., който използва електромагнитната индукция, създадена от протичането на високочестотен електрически ток. Този метод се прилага при производствени операции свързани с обработка на електропроводими материали. Принцип на действие[редактиране | редактиране на кода] Индукционното нагряване е специфично действие при протичането на променлив електрическия ток, поради създаваното от него променливо магнитно поле. Променливото магнитно поле индуктира по безконтактен метод в проводими материали т. нар. вихрови токове на Фуко, т.е. създават се условия за протичане на електричен ток. По закона на Джаул-Ленц в резултат на индукцията и създадения от нея електрически ток в едно изделие се отделя топлина като количеството ѝ е свързана и се определя от големината и съпротивлението на проводимия материал. Индукционното нагряване е вредно, когато поражда загуби в електротехническите уреди трансформатори и електродвигатели или метални сърцевини на електроизмервателни уреди. Затова се вземат мерки за ограничаването му чрез изграждане на железните сърцевини в електротехническите средства с набор от ламели изолирани помежду си. Действието му е желано и полезно при металообработващи операции като закаляване, отгряване, точково заваряване, когато загряваният материал е със значителни размери. Точно този принцип на загряване се използва и в металургията. Индукционното загряване се извършва от технологични устройства с индуктор, който е източник на променливо магнитно поле. Изгражда се като бобина с една или повече навивки по която от мощен генератор протича силен електрически ток с променлива честота. В такова изпълнение индукторът се явява първична намотка на трансформатор без желязна сърцевина. Загряваната метална заготовка, детайл или метален материал се поставя в индуктора и тя се явява вторична намотка на трансформатора свързана накъсо. Електромагнитното поле възбужда вихрови токове, които загряват поставения детайл до необходимата по технология температура. Магнитния поток между намотките се затваря във въздушната среда. Устройство и приложение[редактиране | редактиране на кода] Индукционното нагряване се прилага в предвидени за това индукционни пещи. Те биват основно два вида - тиглови и канални индукционни пещи. Основно пещите се състоят се от намотка (индуктор), към която се подава от специален генератор променливо напрежение и протича ток, който създава мощно магнитно поле в зоната на намотката. Това магнитно поле индуктира вихрови токове в обработваното тяло, като във вторична намотка на трансформатор свързана на късо, което трябва да бъде нагрято. Галваничното разделяне на намотката на индуктора и загрявания метал позволява да се прецизира работния режим, без да се натоварва индуктора в недопустими режими. В някои индукционни пещи нагряването на индуктора е значително поради протичащия ток, но също и от намиращия се близо до намотката загряван метал. В такива случаи намотката, направена като тръба, се охлажда принудително под налягане с вода циркулираща в системата под действието на водни помпи. Индукционното нагряване може да се използва само за материали, които имат висока електрическа проводимост като метали и сплави. Ако нямат достатъчно добра електрическа проводимост детайлите настъпват големи загуби, защото протича малък ток. Проводими материали биват алуминий, мед, месинг, желязо, олово и други. Индукционното нагряване се използва и за стопяване, закаляване, изменение на формата, нанасяне на защитно покритие или дори обезгазяване на даден материал. Индукционните пещи работят при различни честоти. Изборът на честотата се определя от обработвания детайл, необходимата дълбочина на загряването (особено важно при процеса закаляване) и потребността от последващи обработки. За отделните случаи на загряване се използват честоти от 50 Hz до няколко MHz. Различават се следните честоти при тиглови и канални индукционни пещи: - мрежови честоти 50Hz - 150Hz ; - средна честота над 150Hz до 10KHz ; - висока честота 100KHz - 30MHz . Скин-ефект[редактиране | редактиране на кода] Скин-ефект или повърхностен ефект се нарича ефекта на намаляване на амплитудата на електромагнитните вълни в зависимост от честотата при тяхното проникване в дълбочина на проводящата среда. Като резултат от този ефект, променливият ток с по-висока честота при протичането си не се разпределя равномерно в цялото сечение на проводника, а се разпределя с значителна плътност предимно в повърхностния слой. При високите честоти действието на магнитното поле и създадените от него вихровите токове, въз основа на скин-ефекта, затоплят повърхностните слоеве на метала. Нагряването отвън навътре се осъществява чрез естествен топлообмен към вътрешността. Дълбочината на проникване зависи от честотата, специфичното съпротивление на нагрявания материал и от относителната магнитна проницаемост на средата. Колкото работната честота е по-висока, толкова този ефект е по-добре изразен, като плътността на тока в повърхностните слоеве е значителна, а дълбочината на нагрявания скин-слой е по-тънък при по-високи честоти. Формулата за изчисление на дълбочината на скин-слоя в mm : където u0 = 4π·10−7 —постоянната магнитна проницаемост измервана с H/m, — относителна магнитна проницаемост, а p е специфичното електрическо съпротивление на материала на обработваната заготовка при температурата на обработката. Като пример може да се покаже, че при честота 2 MHz, скин-ефекта има дълбочина в материал от мед около 0,25 mm, а за желязо ≈ 0,001 mm.
1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 4.1 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 6.1 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.1 9.1 9.2 10.1 10.2 10.3 10.4 11.1 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 13.1 14.1 14.2 15.1 16.1 16.2 16.3 17.1 18.1 18.2 19.1 20.1 20.2 21.1 21.2 22.1 22.2 22.3 23.1 23.2 24.1 25.1 25.2 25.3 25.4 25.5 25.6 26.1 27.1 27.2 27.3 28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 29.1 29.2 30.1 30.2 31.1 32.1 32.2 32.3 33.1 34.1 35.1 36.1 36.2 37.1 37.2 38.1 38.2 39.1 39.2 40.1 40.2 40.3 40.4
Induction heating Induction heating is the process of heating an electrically conducting object (usually a metal) by electromagnetic induction, where eddy currents (also called Foucault currents) are generated within the metal and resistance leads to Joule heating of the metal. An induction heater (for any process) consists of an electromagnet, through which a high-frequency alternating current (AC) is passed. Heat may also be generated by magnetic hysteresis losses in materials that have significant relative permeability. The frequency of AC used depends on the object size, material type, coupling (between the work coil and the object to be heated) and the penetration depth. Contents Applications[edit] Induction heating allows the targeted heating of an applicable item for applications including surface hardening, melting, brazing and soldering and heating to fit. Iron and its alloys respond best to induction heating, due to their ferromagnetic nature. Eddy currents can, however, be generated in any conductor, and magnetic hysteresis can occur in any magnetic material. Induction heating has been used to heat liquid conductors (such as molten metals) and also gaseous conductors (such as a gas plasma - see Induction plasma technology). Induction heating is often used to heat graphite crucibles (containing other materials) and is used extensively in the semiconductor industry for the heating of silicon and other semiconductors. Utility frequency (50/60 Hz) induction heating is used for many lower cost industrial applications as inverters are not required. Induction furnace[edit] An induction furnace uses induction to heat metal to its melting point. Once molten, the high-frequency magnetic field can also be used to stir the hot metal, which is useful in ensuring that alloying additions are fully mixed into the melt. Most induction furnaces consist of a tube of water-cooled copper rings surrounding a container of refractory material. Induction furnaces are used in most modern foundries as a cleaner method of melting metals than a reverberatory furnace or a cupola. Sizes range from a kilogram of capacity to a hundred tonnes capacity. Induction furnaces often emit a high-pitched whine or hum when they are running, depending on their operating frequency. Metals melted include iron and steel, copper, aluminium, and precious metals. Because it is a clean and non-contact process it can be used in a vacuum or inert atmosphere. Vacuum furnaces make use of induction heating for the production of specialty steels and other alloys that would oxidize if heated in the presence of air. Induction welding[edit] A similar, smaller-scale process is used for induction welding. Plastics may also be welded by induction, if they are either doped with ferromagnetic ceramics (where magnetic hysteresis of the particles provides the heat required) or by metallic particles. Seams of tubes can be welded this way. Currents induced in a tube run along the open seam and heat the edges resulting in a temperature high enough for welding. At this point the seam edges are forced together and the seam is welded. The RF current can also be conveyed to the tube by brushes, but the result is still the same — the current flows along the open seam, heating it. Induction cooking[edit] In induction cooking, an induction coil in the cook-top heats the iron base of cookware. Copper-bottomed pans, aluminium pans and other non-ferrous pans are generally unsuitable. The heat induced in the base is transferred to the food via (metal surface) conduction. Benefits of induction cookers include efficiency, safety (the induction cook-top is not heated itself) and speed. Both permanently installed and portable induction cookers are available. Induction brazing[edit] Induction brazing is often used in higher production runs. It produces uniform results and is very repeatable. Induction sealing[edit] Induction heating is used in cap sealing of containers in the food and pharmaceutical industries. A layer of aluminum foil is placed over the bottle or jar opening and heating by induction to fuse it to the container. This provides a tamper-resistant seal, since altering the contents requires breaking the foil. Heating to fit[edit] Induction heating is often used to heat an item causing it to expand prior to fitting or assembly. Bearings are routinely heated in this way using utility frequency (50/60 Hz) and a laminated steel transformer type core passing through the centre of the bearing. Heat treatment[edit] Induction heating is often used in the heat treatment of metal items. The most common applications are induction hardening of steel parts, induction soldering/brazing as a means of joining metal components and induction annealing to selectively soften an area of a steel part. Induction heating can produce high power densities which allow short interaction times to reach the required temperature. This gives tight control of the heating pattern with the pattern following the applied magnetic field quite closely and allows reduced thermal distortion and damage. This ability can be used in hardening to produce parts with varying properties. The most common hardening process is to produce a localised surface hardening of an area that needs wear-resistance, while retaining the toughness of the original structure as needed elsewhere. The depth of induction hardened patterns can be controlled through choice of induction-frequency, power-density and interaction time. Limits to the flexibility of the process arise from the need to produce dedicated inductors for many applications. This is quite expensive and requires the marshalling of high current densities in small copper inductors, which can require specialized engineering and 'copper-fitting'. Plastic processing[edit] Induction heating is used in plastic injection molding machines. Induction heating improves energy efficiency for injection and extrusion processes. Heat is directly generated in the barrel of the machine, reducing warm-up time and energy consumption. The induction coil can be placed outside thermal insulation, so it operates at low temperature and has a long life. The frequency used ranges from 30 kHz down to 5 kHz, decreasing for thicker barrels. The reduction in cost of inverter equipment has made induction heating increasingly popular.[citation needed] Induction heating can also be applied to molds, offering more even mold temperature and improved product quality. Details[edit] The basic setup is an AC power supply that provides electricity with low voltage but very high current and high frequency. The workpiece to heat is placed inside an air coil driven by the power supply, usually in combination with a resonant tank capacitor to increase the reactive power. The alternating magnetic field induces eddy currents in the workpiece. Magnetic materials improve the induction heat process because of hysteresis. Materials with high permeability (100–500) are easier to heat with induction heating. Hysteresis heating occurs below the Curie temperature where materials retain their magnetic properties. High permeability below the Curie temperature in the workpiece is useful. Temperature difference, mass, and specific heat influence the workpiece heating. The energy transfer of induction heating is affected by the distance between the coil and the workpiece. Energy losses occur through heat conduction from workpiece to fixture, natural convection, and thermal radiation. The induction coil is usually made of copper tubing and fluid cooled. Diameter, shape, and number of turns influence the efficiency and field pattern. Core type furnace[edit] The furnace consists of a circular hearth which contains the charge to be melted in the form of angular ring. The metal ring is large in diameter and is magnetically interlinked with an electrical winding energized by an AC source. It is essentially a transformer where charge to be heated forms a single turn short circuit secondary and is magnetically coupled to the primary by an iron core References[edit] - ^ Valery Rudnev Handbook of Induction HeatingCRC Press, 2003 ISBN 0824708482 page 92 - ^ Dong-Hwi Sohn, Hyeju Eom and Keun Park, Application of high-frequency induction heating to high-quality injection molding, in Plastics Engineering Annual Technical Conference Proceedings ANTEC 2010, Society of Plastics Engineers, 2010 - Brown, George Harold, Cyril N. Hoyler, and Rudolph A. Bierwirth, Theory and application of radio-frequency heating. New York, D. Van Nostrand Company, Inc., 1947. - Hartshorn, Leslie, Radio-frequency heating. London, G. Allen & Unwin, 1949. - Langton, L. L., Radio-frequency heating equipment, with particular reference to the theory and design of self-excited power oscillators. London, Pitman, 1949. - Shields, John Potter, Abc's of radio-frequency heating. 1st ed., Indianapolis, H. W. Sams, 1969. - Sovie, Ronald J., and George R. Seikel, Radio-frequency induction heating of low-pressure plasmas. Washington, D.C. : National Aeronautics and Space Administration ; Springfield, Va.: Clearinghouse for Federal Scientific and Technical Information, October 1967. NASA technical note. D-4206; Prepared at Lewis Research Center.