Endüksiyon ile ısıtma

Stirling radyoizotop jeneratörünün bir bileşeni, test sırasında endüksiyonla ısıtılır.

Endüksiyon ile ısıtma

Endüksiyon ile ısıtma, elektriği ileten malzemelerin, yani metallerin veya yarı iletkenlerin, elektromanyetik indüksiyon yoluyla ısıtılma işlemidir. Bu işlemde, bir indüktörden geçen ısı transferi, bobin içinde bir elektromanyetik alan oluşturarak çelik, bakır, pirinç, grafit, altın, gümüş, alüminyum veya karbürün ısınmasına ve muhtemelen erimesine neden olur.

Endüksiyonlu ısıtma işleminin önemli bir özelliği, ısının ısı iletimi yoluyla harici bir ısı kaynağından değil, nesnenin kendi içinde üretilmesidir. Bu sayede nesneler çok hızlı bir şekilde ısıtılabilir. Ayrıca, dış temasa gerek duyulmaması, kirlenmenin sorun teşkil ettiği durumlarda önemli olabilir. Endüksiyonlu ısıtma, metalurjide ısıl işlem, yarı iletken endüstrisinde kullanılan Czochralski kristal büyütme ve bölge rafinasyonu gibi birçok endüstriyel proseste ve çok yüksek sıcaklık gerektiren refrakter metallerin eritilmesinde kullanılır. Ayrıca endüksiyonlu pişirme ocaklarında da kullanılır.

Endüksiyon ısıtıcı, bir elektromıknatıs ve elektromıknatıstan yüksek frekanslı alternatif akım (AC) geçiren elektronik bir osilatörden oluşur. Hızlı değişen manyetik alan, nesneye nüfuz ederek iletken içinde girdap akımları adı verilen elektrik akımları yaratır. Girdap akımları, malzemenin direncinden geçer ve Joule ısınması yoluyla onu ısıtır. Demir gibi ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerde, manyetik histerezis kayıpları nedeniyle de ısı üretilir. İndüksiyon ısıtma için kullanılan elektrik akımının frekansı, nesnenin boyutuna, malzeme türüne, bağlantıya (işlem bobini ile ısıtılacak nesne arasındaki) ve nüfuz derinliğine bağlıdır.

Isıtma işlemi temassız olduğundan dolayı, ısıtılan malzemelerde herhangi bir çarpılma, leke, bozulma olmaz. Isı maddenin içerisinde üretildigi için enerji verimi çok yüksektir.

Uygulamalar

450 kHz'de 15 kW kullanılarak 25 mm metal çubuğun indüksiyonla ısıtılması.

Czochralski kristal büyütme için silikonun potada 2.650 °F (1.450 °C)'de erimiş halde tutulması, 1956.

İndüksiyonla ısıtma, yüzey sertleştirme, eritme, lehimleme ve kaynaklama gibi uygulamalar için uygun bir parçanın istendiği gibi ısıtılmasını sağlar. Ferromanyetik yapıları nedeniyle demir ve alaşımları indüksiyonla ısıtmaya en iyi şekilde yanıt verir. Bununla birlikte, herhangi bir iletkende girdap akımları oluşabilir ve herhangi bir manyetik malzemede manyetik histeresis oluşabilir. İndüksiyonla ısıtma, sıvı iletkenleri (erimiş metaller gibi) ve ayrıca gaz iletkenlerini (gaz plazması gibi) 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. İnvertör gerektirmediği için birçok az maliyetli endüstriyel uygulamada şebeke frekansı (50/60 Hz) indüksiyonla ısıtma kullanılır.

Otomotiv ve havacılık sektörlerinde malzeme işleme uygulamalarında ve çeşitli mühendislik alanlarında kullanılır.

Fırın

İndüksiyon fırını, metali erime noktasına kadar ısıtmak için endüksiyon kullanır. Eridikten sonra, yüksek frekanslı manyetik alan, alaşım katkılarının eriyik içine tamamen karışmasını sağlamak için faydalı olan sıcak metali karıştırmak için de kullanılabilir. Çoğu endüksiyon fırını, refrakter malzeme içeren bir kabı çevreleyen su soğutmalı bakır halkalardan oluşan bir tüpten oluşur. Endüksiyon fırınları, çoğu modern dökümhanede, kupola'dan daha temiz bir metal eritme yöntemi olarak kullanılır. Kapasiteleri bir kilogramdan yüz tona kadar değişir. Endüksiyon fırınları, çalışma frekanslarına bağlı olarak, çalışırken genellikle tiz bir vızıltı veya uğultu çıkarır. Eritilen metaller arasında demir ve çelik, bakır, alüminyum ve değerli metaller bulunur. Temiz ve temassız bir işlem olduğu için vakumda veya asal atmosferde kullanılabilir. Vakum fırınları, havayla ısıtıldığında oksitlenecek olan özel çelikler ve diğer alaşımları üretmek için indüksiyonla ısıtma yöntemini kullanır.

Kaynak

Endüksiyon kaynağı için benzer, daha küçük ölçekli bir işlem kullanılır. Plastikler, ferromanyetik seramiklerle (parçacıkların manyetik histerezisi gerekli ısıyı sağlar) veya metalik parçacıklarla katkılanmışlarsa endüksiyonla da kaynaklanabilir. Boru dikişleri bu şekilde kaynaklanabilir. Boruda endüklenen akımlar açık dikiş boyunca akar ve kenarları ısıtarak kaynak için yeterince yüksek bir sıcaklık oluşturur. Bu noktada, dikiş kenarları birbirine zorlanır ve dikiş kaynaklanır. RF akımı fırçalar aracılığıyla da boruya iletilebilir, ancak sonuç yine aynıdır yani akım açık dikiş boyunca akar ve boruyu ısıtır.

Üretim

Hızlı Endüksiyon Baskı metal katkılı baskı işleminde, iletken tel hammaddesi ve koruyucu gaz, sarmal bir meme içinden geçirilerek endüksiyonla ısıtılır ve memeden sıvı halde püskürtülerek üç boyutlu metal yapılar oluşturmak üzere koruyucu gaz altında eritilir. Bu işlemde endüksiyonla ısıtmanın temel avantajı, güçlü bir lazer veya elektron ışını kullanarak malzemeye ısı veren seçici lazer sinterleme gibi diğer katkılı üretim yöntemlerine kıyasla önemli ölçüde daha yüksek enerji ve malzeme verimliliği ve daha yüksek güvenlik derecesidir.

Yemek pişirme

Endüksiyonlu pişirmede, ocak içindeki bir endüksiyon bobini, manyetik endüksiyonla tencerenin demir tabanını ısıtır. Endüksiyonlu ocak kullanımı güvenlik, verimlilik (endüksiyonlu ocak kendisi ısınmaz) ve hız sağlar. Bakır tabanlı tencereler ve alüminyum tencereler gibi demirsiz tencereler genellikle uygun değildir. Tabanda oluşan ısı, ısıl iletimle kabın içindeki yiyeceğe aktarılır.

Lehimleme

Endüksiyon lehimleme, genellikle seri imalatta kullanılır. Düzgün sonuçlar verir ve çok tekrarlanabilir. Endüksiyon lehimlemenin kullanıldığı birçok endüstriyel ekipman türü vardır. Örneğin, karbür ucun mile lehimlenmesinde endüksiyon kullanılır.

Sızdırmazlık

Endüksiyon ısıtma, gıda ve ilaç endüstrilerinde kapların "kapak sızdırmazlığı"nda kullanılır. Şişe veya kavanoz ağzının üzerine bir kat alüminyum folyo yerleştirilir ve endüksiyonla ısıtılarak kaba yapıştırılır. Bu, içeriği değiştirmek için folyonun yırtılması gerektiğinden kurcalamaya karşı dayanıklı sızdırmazlık sağlar.

Sabitlemek için Isıtma

Endüksiyonlu ısıtma, bir parçanın takılmadan veya montajından önce genleşmesine neden olacak şekilde ısıtılmasında sıklıkla kullanılır. Rulmanlar, genellikle şebeke frekansı (50/60 Hz) ve rulmanın merkezinden geçen lamine çelik transformatör tipi bir çekirdek kullanılarak bu şekilde ısıtılır.

Isıl İşlem

Ana madde: Isıl işlem

Endüksiyon ısıtma, metal parçaların ısıl işleminde sıklıkla kullanılır. En yaygın uygulamalar, çelik parçaların endüksiyonla sertleştirilmesi, metal bileşenlerin birleştirilmesi için endüksiyonla lehimleme/kaynaklama ve çelik parçanın bir bölgesini seçici olarak yumuşatmak için endüksiyonla tavlama'dır.

Endüksiyon ısıtma, gerekli sıcaklığa ulaşmak için kısa etkileşim sürelerine olanak tanıyan yüksek güç yoğunlukları üretebilir. Bu, uygulanan manyetik alanı oldukça yakından takip eden bir ısıtma modeliyle sıkı bir kontrol sağlar ve ısıl bozulmayı ve hasarı azaltır. Bu yetenek, farklı özelliklere sahip parçalar üretmek için sertleştirmede kullanılabilir. En yaygın sertleştirme işlemi, aşınma direncine gerek duyulan bir bölgenin yerel yüzeyini sertleştirirken, başka yerlerde gerekli asıl yapı tokluğunu korur. Endüksiyonla sertleştirilmiş yapıların derinliği, endüksiyon frekansı, güç yoğunluğu ve etkileşim süresinin seçimiyle kontrol edilebilir.

Sürecin esnekliğine getirilen sınırlamalar, birçok uygulama için özel indüktörler üretme ihtiyacından kaynaklanır. Bu oldukça pahalıdır ve küçük bakır indüktörlerde yüksek akım yoğunluklarının yönetilmesini gerektirir; bu da özel mühendislik ve "bakır montajı" gerektirebilir.

Plastik İşleme

Endüksiyon ısıtma, plastik enjeksiyon makinelerinde kullanılır. Endüksiyon ısıtma, enjeksiyon ve ekstrüzyon işlemlerinde enerji verimliliğini artırır. Isı doğrudan makinenin ocağında üretilir, bu da ısınma süresini ve enerji tüketimini azaltır. Endüksiyon bobini ısı yalıtımının dışına yerleştirilebilir, bu nedenle alçak sıcaklıklarda çalışır ve uzun ömürlüdür. Kullanılan frekans 30 kHz'den 5 kHz'e kadar değişir ve daha kalın ocaklar için azalır. İnverter ekipmanının maliyetindeki azalma, indüksiyon ısıtmayı giderek daha popüler hale getirmiştir. Endüksiyonla ısıtma, kalıplara da uygulanabilir ve daha eşit kalıp sıcaklığı ve iyileştirilmiş ürün kalitesi sağlar.

Piroliz

Biyokütlenin pirolizinde biyokömür elde etmek için endüksiyonlu ısıtma kullanılır. Isı doğrudan çalkalayıcı reaktör duvarlarına iletilir, bu da biyokütlenin iyi karıştırılması ve sıcaklık kontrolü ile piroliz edilmesini sağlar.

Cıvata Isıtma

Endüksiyon ısıtma, mekanikçiler tarafından paslanmış cıvataları çıkarmak için kullanılır. Isı, dişler arasındaki pas kaynaklı gerilimi gidermeye yardımcı olur.

Sisteminin elemanları

Endüksiyonla ısıtma sisteminin ana parçaları şunlardır:

AC (Alternatif Akım) Güç Kaynağı: Bu güç kaynağı genellikle inverter (invertör) veya endüksiyon jeneratörü olarak adlandırılır. Bu ünite şehir trafosundan aldığı frekansı, 1KHz ile 400 KHz arasına çıkartır. Bu ünitenin çıkış gücü genellikle 2KW ile 500 KW arasındadır.

Endüktör Bobini: Güç kaynağı ve çalışma kafasından aldığı enerjiyi işlenecek parçaya aktarmak için kullanılır.Endüktör bobinlerinin şekli, karmaşıklığı yapılacak işe göre değişir. İşlenecek parçaya göre üretilmesi gerekmektedir. Bu da çok hassas hesaplamalar ve tecrübe gerektirir. Endüktör tasarımı başlı başına bir bilimdir.

Çalışma Kafası: Transformatör ve kapasitörlerden oluşan bir parçadır. Güç kaynağı ile endüktör bobininin birbirine uyumlu ve maksimum verimde çalışmasını garantiler.

Isıtılacak Parça: Güç kaynağı veya jeneratör endüktör bobinine AC akımı gönderir. Böylece, Faraday'in indüksiyon kanunu vasıtasıyla, bobinde manyetik alan oluşturur. Eğer bu endüktör bobinin içine ısıtılacak parça konulursa, manyetik alan parçanın içinde eddy akımına sebep olur. Bu sayede parça ile endüktör bobini arasında herhangi bir temas olmadan parçada ısı üretilmiş olur.

Yararları

• Alev parlamaları, gaz tüpleri ve patlayıcı maddelerin olmayışı nedeni ile güvenlidir.
• Aynı parça pekçok kere aynı hassasiyet ve güvenle tekrar tekrar işlenebilir.
• Klasik yöntemlere göre çok çok verimlidir. Enerjiden tasarruf sağlar.
• Hızlı olarak belli bir bölgeyi ısıtabilir.
• Usta operatörlere gereksinim duymaz. İşçilik masrafları minimum seviyededir

Kaynakça

• Endüksiyonla Isıtma Nedir?
• Handbook of Induction Heating
• Endüksiyon Isıtma 30 Mart 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.