Inductief verwarmen

Materialen en inductief verwarmen

Veel materialen, waaronder metalen, bevatten magnetische dipolen. In de onderstaande figuur zijn dipolen aangegeven met een rode (plus) en een blauwe (min) kant. De dipolen bevinden zich in een hoogfrequent magnetisch veld.

Magnetische dipolen in een wisselend magnetisch veld

Onder invloed van het hoogfrequente magnetische veld worden de dipolen afwisselend de ene of de andere kant opgericht. De beweging die zo ontstaat gaat gepaard met warmteverliezen. De warmte wordt op die manier in het materiaal zelf opgewekt. Dit zijn de zogenaamde hystereseverliezen. Echter bij inductief verwarmen spelen deze verliezen maar een ondergeschikte rol bij verwarmen. De verwarming door een hoogfrequente elektrische stroom is veel belangrijker.

Een hoogfrequent magnetisch veld, aangebracht in een metaal, wekt in het metaal een hoogfrequente inductiespanning op. Deze hoogfrequente spanning leidt, in het elektrisch geleidende materiaal, tot een hoogfrequente stroom. Deze stroom, gecombineerd met de elektrische weerstand van het materiaal, leidt tot warmteontwikkeling in de vorm van weerstandsverliezen (Ohmse verliezen). De techniek van het inductief verwarmen berust op dit principe. De elektrische energie voor verwarmen wordt contactloos, via het magnetische veld, aan het materiaal overgedragen en daar omgezet in warmte. Er is geen warmteoverdrachtsmedium nodig.


Materiaaleigenschappen

Materialen moeten geschikte eigenschappen hebben willen ze inductief kunnen worden verwarmd. Op de eerste plaats moet het materiaal een elektrische stroom goed kunnen geleiden. Dat wil zeggen dat alleen metalen of andere goed geleidende materialen inductief verwarmd kunnen worden. De mate waarin een product inductief kan worden verwarmd wordt bepaald door de soortelijke weerstand en in mindere mate door de magnetische permeabiliteit van het materiaal. Voor slecht geleidende of isolerende materialen kan beter met diëlektrische technieken worden verwarmd.

Het hele volume van het product wordt gelijktijdig verwarmd. Echter bij hoge frequenties neemt de magnetische veldsterkte in een materiaal snel af. De indringdiepte van het magnetische veld in een materiaal geeft aan of een product wel of niet homogeen wordt verwarmd. De indringdiepte wordt bepaald door de frequentie van het magnetische veld, door de soortelijke elektrische weerstand en de magnetische permeabiliteit van het materiaal. Is de indringdiepte kleiner dan de afmetingen van het product, dan wordt niet homogeen verwarmd.

Onderstaande figuur geeft de indringdiepte van een aantal materialen afhankelijk van de frequentie.

Grafiek met de indringdiepte bij inductief verwarmen als functie van de frequentie

Grafiet heeft een relatief hoge weerstand en daardoor is de indringdiepte relatief groot. De indringdiepte loopt van honderden millimeters bij lage frequenties tot ongeveer 1 mm bij hoge frequenties. Koper is een goede geleider en heeft daarom een kleine indringdiepte. Voor ijzer is de indringdiepte gegeven voor ijzer met een lage magnetische permeabiliteit (μr = 200) en een hoge permeabiliteit (μr = 2000). Hetzelfde geldt voor staal (μr = 40 en μr = 100). Hoe hoger de relatieve magnetische permeabiliteit hoe kleiner de indringdiepte is.


Vermogensdichtheid

Bij inductief verwarmen wordt verwarmd met een wisselend magnetisch veld. Het wisselveld heeft een frequentie van 50 tot miljoenen Hertz (MHz). Bij inductieve verwarming worden de frequenties onderverdeeld in:

  • laagfrequente verwarming (50 tot 500 Hz)
  • middenfrequente verwarming (500 tot 10.000 Hz)
  • hoogfrequente verwarming (10 tot 2000 kHz)

Het vermogen dat met een hoogfrequent magnetisch veld in een materiaal wordt opgewekt, om dit te verwarmen, is afhankelijk van het magnetische veld en wel van de sterkte van het veld en van de hoogte van de veldfrequentie. Verder is het ontwikkelde vermogen afhankelijk van de materiaaleigenschappen van het te verwarmen product; de soortelijke weerstand en de magnetische permeabiliteit van het productmateriaal. De ontwikkelde vermogensdichtheid is evenredig met de magnetische veldsterkte in het kwadraat. Wordt de veldsterkte bijvoorbeeld verhoogd van 1 naar 10 A/m dan wordt de vermogensdichtheid 100 maal groter. In praktische situaties wordt de veldsterkte beperkt door de vorm van de spoel, die het magneetveld opwekt, en door de maximale stroom die de spoel kan voeren.

Onderstaande figuur geeft de vermogensdichtheid ontwikkeld in een metalen cilinder, afhankelijk van de frequentie, bij verschillende stralen (R) van de cilinder, bij een magnetische veldsterkte van 1 A/m. De ontwikkelde vermogensdichtheid wordt gegeven voor twee metalen; voor aluminium met een relatieve magnetische permeabiliteit van μr = 1 en voor ijzer met een relatieve magnetische permeabiliteit van μr = 200 en μr = 2000.

Vermogensdichtheid bij inductief verwarmen van een cilinder als functie van de frequentie bij twee stralen van de cilinder

In de figuur is te zien dat hoe hoger de frequentie hoe groter de vermogensdichtheid is. IJzer warmt veel beter op dan aluminium, dat komt door de hoge relatieve magnetische permeabiliteit van ijzer. De hierboven genoemde indringdiepte δ bepaalt de mate waarin het magnetische veld in een metaal doordringt. De verhouding tussen de straal van de cilinder en de indringdiepte (R/δ) bepaalt de mate van verwarming. Uit de hierboven gegeven figuur van de indringdiepte blijkt dat, bij toenemende frequentie, de indringdiepte afneemt. Bij toenemende frequentie neemt de vermogensdichtheid toe met de frequentie in het kwadraat totdat de afnemende indringdiepte ongeveer gelijk is aan de straal van de cilinder. Neemt de frequentie nog meer toe dan wordt de indringdiepte kleiner dan de straal van de cilinder. Het metaal wordt dan, in toenemende mate, alleen aan de buitenkant verwarmd in een laag ongeveer ter dikte van de indringdiepte. De vermogensdichtheid neemt dan verder toe met de wortel uit de frequentie. Het knikpunt waarbij de vermogenstoename afneemt van kwadratisch naar de wortel uit de frequentie is in bovenstaande figuur goed te zien voor aluminium en ijzer (μr = 200) met een straal van R = 2 mm. De andere knikpunten liggen bij lagere frequenties dan in de figuur gegeven. Uit de figuur van de indringdiepte is af te leiden dat voor aluminium en voor ijzer, met een relatieve magnetische permeabiliteit van μr = 200 en μr = 2000, de indringdiepte gelijk wordt aan de straal van de cilinder bij de frequenties zoals gegeven in onderstaande tabel.

Tabel frequentie en indringdiepte voor aluminium en ijzer
Materiaal Aluminium IJzer200 IJzer2000
Indringdiepte [mm] 2 5 5 5
Frequentie [Hz] 1900 300 5 0,5

Vergelijken van de waarden in de tabel en de frequentie bij de knik in de vermogensdichtheidgrafiek leert dat de overgang van een kwadratische toename naar een toename met de wortel uit de frequentie optreedt als de indringdiepte ongeveer gelijk is aan de straal van de cilinder.

In de volgende figuur wordt de vermogensdichtheid gegeven, ontwikkeld in een metalen cilinder, afhankelijk van de straal van de cilinder, weer bij een magnetische veldsterkte van 1 A/m. De vermogensdichtheid wordt gegeven bij een aantal frequenties en voor twee metalen; voor aluminium met een relatieve magnetische permeabiliteit van μr = 1 en voor ijzer met een relatieve magnetische permeabiliteit van μr = 200 en μr = 2000.

Vermogensdichtheid bij inductief verwarmen van een cilinder als functie van de straal bij verschillende frequenties

In de figuur is te zien dat de vermogensdichtheid maximaal wordt bij een bepaalde straal van de cilinder. Deze straal is afhankelijk van de indringdiepte δ horende bij de gegeven frequentie. De straal Rmax waarbij de vermogensdichtheid maximaal wordt, wordt gegeven door Rmax ≈ 1,8 δ. Als de straal van de cilinder groter wordt dan de indringdiepte wordt het metaal in toenemende mate alleen aan de buitenkant verwarmd in een laag ongeveer ter dikte van de indringdiepte. Daardoor neemt de vermogensdichtheid af, zoals te zien is in de figuur.


Apparatuur

Het hoogfrequente magnetische veld wordt opgewekt door een hoogfrequente stroom door een spoel te sturen. Bij lage frequenties wordt het magnetische veld vaak versterkt door een bouwwijze met een ijzeren kern toe te passen. Bij hogere frequenties wordt alleen met een spoel gewerkt. Deze kan, afhankelijk van de toepassing, verschillende vormen aannemen.

Verschillende spoelvormen bij inductief verwarmen, een spoel met ijzerkern, een cilindrische spoel en een vlakke spoel

Inductieve apparatuur kan in verschillende vormen voorkomen. Onder elektrotechnologie, inductief verwarmen worden onder het kopje toepassingen verschillende voorbeelden van bestaande apparatuur gegeven. De techniek wordt toegepast vanwege de voordelen die ze biedt in bepaalde processen.


Economie

Het toepassen van inductieve technieken leidt voor geschikte processen tot kostenbesparingen, ondanks het feit dat de techniek relatief duur is. Lagere bedrijfskosten worden vooral bereikt door een versnelling van het proces ofwel door een verkorting van procestijden. Doordat het product zelf wordt verwarmd kan het in korte tijd in zijn geheel in temperatuur worden verhoogd. De productiecapaciteit stijgt daarmee.

Het is mogelijk om een constante kwaliteit van het product te garanderen doordat de verwarming goed regelbaar is en er gelijkmatig verwarmd kan worden in korte tijd. De korte verwarmingstijden leiden tot relatief lage oxidatie verliezen. Door de contactloze verwarming bieden inductieve technieken de mogelijkheid om producten onder een speciale gasatmosfeer te verwarmen. Met inductieve technieken zijn innovatieve producten en processen mogelijk. Daardoor zijn er veel toepassingen van de techniek in de industrie en vooral in de metaalindustrie.


Toepassingen

Inductief verwarmen wordt in de verschillende industrietakken toegepast in uiteenlopende industriële processen. In de meeste toepassingen wordt het product direct verwarmd. Er zijn echter ook toepassingen waarbij het product indirect wordt verwarmd, zoals bij inductief koken.

Toepassingen van inductieve technieken
Sector Proces Product Techniek
Zware metaalindustrie smelten metalen en metaallegeringen laagfrequent
Metaalindustrie verwarmen voor vormen metalen voorwerpen: ringen, staven, platen, krukassen, andere voorwerpen laagfrequent
Metaal industrie lassen buizen, verbinden metalen delen hoogfrequent
Metaalindustrie solderen verbinden metalen midden- en hoogfrequent
Metaalindustrie harden knippers, scharen, zaagbladen, ander gereedschap midden- en hoogfrequent
Metaalindustrie gloeien koperdraad, aluminium strip, metaaldraad, metaalstrip middenfrequent
Voedingsindustrie koken, bakken, braden omeletten, voedingsmiddelen middenfrequent
Papierindustrie reguleren dikte papier van een bepaalde dikte middenfrequent
Papierindustrie reguleren vochtgehalte papier met een bepaald vochtgehalte middenfrequent
Kunststofindustrie poedercoaten geplastificeerde metalen midden- en hoogfrequent
Industrie drogen geverfde metalen midden- en hoogfrequent