فرادرسگرمایش القایی چیست؟ — به زبان ساده
در آموزشهای قبلی مجله فرادرس، به بررسی میدان الکترومغناطیسی و مغناطیس پرداختیم. در این آموزش قصد داریم به فناوری گرمایش القایی و کاربردهای آن بپردازیم.
«گرمایش القایی» (Induction Heating) از جمله فناوریهایی است که مزایای فراوانی دارد؛ از جمله بازده بالا، گرمایش سریع، تمیزی و کنترل دقیق. به دلیلِ همین نقاط مثبت، این فناوری به انتخاب اول در کاربردهای صنعتی، خانگی و پزشکی تبدیل شده است. پیشرفتهای صورت گرفته در فناوریهای کلیدی از جمله الکترونیک قدرت، تکنیکهای کنترل و طراحی دستگاههای مغناطیسی، توسعه سیستمهایی با هزینه مناسب و کیفیت بالا را ممکن میکند. به همین دلیل است که این فناوری در عصر معاصر، در حوزههای فراوانی استفاده میشود.
در این آموزش به بررسی فناوری گرمایش القایی و کاربردهای صنعتی، پزشکی و خانگی آن میپردازیم. در پایان، چالشهای این فناوری و آینده آن مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
مقدمهای بر گرمایش القایی
گرمایش القایی، روشی برای اتصال و سخت یا نرم کردن فلزات یا دیگر مواد رسانا است. این روش برای کاربردهای صنعتی، ترکیبی از سرعت، پایداری و کنترل را ارائه میکند. گرمایش القایی از سال ۱۹۲۰ مورد استفاده قرار گرفت. در جریان جنگ جهانی دوم، به دلیل نیاز به یک فرآیند سریع و قابل اعتماد برای سخت کردن قسمت فلزی موتورها، این فناوری به سرعت توسعه داده شد. امروزه، تمرکز بر بهبود کیفیت قطعات فلزی و توسعه منبع تغذیه توان برای گرمایش القایی است.
در اغلب روشهای گرمایش، یک مشعل مستقیما قطعه فلزی را داغ میکند. اما با استفاده از گرمایش القایی، به دلیل جریانهای الکتریکی گردابی داخل فلز، گرما به قطعه القا میشود. گرمایش القایی به مشخصات خاص انرژی در فرکانس رادیویی بستگی دارد. فرکانس رادیویی قسمتی از طیف الکترومغناطیسی است که از نظر فرکانسی پایینتر از امواج فروسرخ و مایکروویو قرار دارد.
از آنجا که گرما توسط امواج الکترومغناطیسی منتقل میشود، جسم مورد نظر، تماس مستقیمی با منبع گرما ندارد. سلف یا القاگر نیز در این حالت گرم نمیشود. همچنین آلودگی در جسم ایجاد نمیشود. هنگامی که تنظیمات، مناسب باشد، این فرآیند قابل کنترل و تکرار شدنی است.
اساس عملکرد گرمایش القایی
برای درک اساس عملکرد گرمایش القایی، دانش مناسبی از الکتریسیته کافی است. هنگامی که یک جریان الکتریکی متناوب به سیمپیچ اولیه یک ترانسفورماتور اعمال شود، یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان تولید میشود. بر اساس قانون فارادی، اگر سیمپیچ ثانویه ترانسفورماتور در میدان مغناطیسی قرار گیرد، یک جریان الکتریکی در آن القا میشود.
در یک سیستم ساده گرمایش القایی، منبع تغذیه RF، یک جریان متناوب به سلف یا القاگر (معمولا از جنس مس) ارسال میکند. مادهای که میخواهیم دمای آن را افزایش دهیم معمولا داخل این سیمپیچ قرار داده میشود. سلف یا القاگر، مانند سیمپیچ اولیه یک ترانسفورماتور عمل میکند و ماده هدف مانند سیمپیچ ثانویه ترانسفورماتور خواهد بود، با این تفاوت که اتصال کوتاه شده است. هنگامی که یک قطعه فلزی داخل القاگر قرار گیرد، جریانهای گردابی در حال چرخش در قطعه القا میشود.
همانگونه که در شکل زیر نشان داده شده است، جریانهای گردابی با میدان مغناطیسی ایجاد کننده خود مخالفت میکنند. این جریانها از مقاومت الکتریکی فلز عبور میکنند و به این ترتیب، بدون آنکه قطعه فلزی با القاگر تماس داشته باشد، گرمایی متمرکز و دقیق داخل قطعه ایجاد میشود. این گرمایش، هم در قطعات مغناطیسی و هم در قطعات غیرمغناطیسی روی میدهد. به این پدیده «اثر ژول» (Joule Effect) میگویند. بر اساس قانون اول ژول، میتوان یک معادله از گرمای تولید شده بر حسب جریان الکتریکی عبوری از رسانا نوشت.
پدیده دیگری که میتواند در قطعات مغناطیسی ایجاد گرما کند، تلفات هیسترزیس است. هنگام عبور قطعات مغناطیسی از القاگر، در داخل قطعه مغناطیسی اصطکاک به وجود میآید. مواد مغناطیسی به طور طبیعی در برابر تغییرات سریع میدان مغناطیسیِ القاگر از خود مقاومت الکتریکی نشان میدهند. این مقاومت الکتریکی، یک اصطکاک داخلی ایجاد میکند که به گرما تبدیل میشود.
بنابراین، در فرآیند گرمایش ماده، هیچ اتصالی بین القاگر و قطعه وجود ندارد. همچنین هیچ گاز قابل اشتعالی نیز تولید نمیشود. ماده را میتوان در محیطی عایق از منبع تغذیه، حرارت داد. از این فرآیند گرمایش میتوان در شرایط محیطی مختلف مثل داخل آب، جوّ گازی، پوشانده شده با مواد عایق یا حتی در خلا نیز استفاده کرد.
عوامل مهم در طراحی گرمایش القایی
بازده سیستم گرمایش القایی برای یک کاربرد خاص به عوامل مختلفی از جمله مشخصات ماده، طراحی القاگر، ظرفیت منبع تغذیه یا مقدار تغییرات دمایی مورد نیاز بر حسب کاربرد بستگی دارد.
مشخصات ماده هدف
نخست اینکه گرمایش القایی تنها برای رساناهایی مانند فلزات (مثل مس، طلا، آلومینیوم و مانند آنها) عملی است. برای حرارت دادن به مواد پلاستیکی یا دیگر مواد غیر رسانا، ابتدا باید یک ماده رسانا را گرم کرد. سپس این گرما باید به مواد پلاستیکی انتقال یابد.
مغناطیسی یا غیر مغناطیسی
گرمایش مواد مغناطیسی سادهتر است. در مواد مغناطیسی، علاوه بر گرمای القا شده به واسطه جریانهای گردابی، تلفات هیسترزیس نیز تولیدکننده گرما است. این اثر در دمای بالاتر از نقطه کوری رخ نمیدهد. دمای کوری دمایی است که در آن مواد مغناطیسی خاصیت مغناطیسی خود را از دست میدهند.
مقاومت نسبی مواد مغناطیسی بر حسب ضریب نفوذپذیری یا تراوایی، از عدد ۱۰۰ تا ۵۰۰ محاسبه میشود. در حالی که نفوذپذیری مواد غیر مغناطیسی، برابر یک است، در مواد مغناطیسی این عدد میتواند به ۵۰۰ هم برسد.
ضخیم یا نازک بودن ماده هدف
در رساناها، حدود ٪۸۵ گرمایش در نتیجه اثر پوستی ماده است. هرچه از سطح ماده دورتر شویم، شدت گرمایش کم میشود. پس میتوان گفت قطعات کوچک یا نازک عموما سریعتر از قطعات بزرگ و ضخیم گرم میشوند.
تحقیقات نشان داده است که بین فرکانس جریان متناوب و عمق نفوذ گرمایش رابطه وجود دارد. بدین صورت که هرچه فرکانس بیشتر باشد، عمق نفوذ گرمایش کمتر است. فرکانسهای بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ کیلوهرتز، انرژی گرمایی بیشتری تولید میکنند. برای آنکه در عمق ماده به صورت موثر، گرمایش داشته باشیم، لازم است چرخه گرمایش، زمان بیشتر اما فرکانس کمتر بین ۵ تا ۳۰ کیلوهرتز داشته باشد.
اثر پوستی روی یک صفحه فلزی از جنس مس در شکل زیر نشان داده شده است.
مقاومت
اگر از یک فرآیند گرمایش القاییِ یکسان برای گرم کردن دو قطعه فولاد و مس با اندازههای یکسان استفاده کنیم، نتایج کاملا متفاوت خواهد بود. زیرا فولاد مثل کربن و قلع و تنگستن، مقاومت الکتریکی بالایی دارد. این فلزات در برابر عبور جریان به شدت مقاومت میکنند. بنابراین گرما به سرعت زیاد میشود.
فلزهایی با مقاومت کم مثل مس، برنج و آلومینیوم به مدت زمان بیشتری برای گرم شدن نیاز دارند. مقاومت با افزایش دما زیاد میشود. پس یک قطعه فولادی داغ نسبت به یک قطعه سرد، در شرایط گرمایش القایی بیشتر گرم میشود.
طراحی سیمپیچ القاگر
همانطور که میدانیم، عنصر گرمایش در سیستمهای گرمایش القایی، سیمپیچ است. جریان متناوب داخل سیمپیچ، یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان ایجاد میکند. این میدان متغیر با زمان، دلیل پدیده گرمایش القایی است. بنابراین طراحی سیمپیچ در سیستمهای گرمایش القایی از اهمیت ویژهای برخوردار است.
طراحی درست سیمپیچ، به توزیع گرمای مناسب در ماده هدف منجر میشود. همچنین بازده منبع تغذیه گرمایش القایی به این طراحی وابسته است. در این طراحی، باید شکل هدف القا نیز در نظر گرفته شود.
ظرفیت منبع تغذیه
اندازه منبع تغذیه مورد نیاز برای گرمایش یک قطعه خاص، به راحتی قابل محاسبه است. با توجه به طراحی، ابتدا باید میزان انرژی انتقالی به ماده هدف تعیین شود. این انرژی، به جرم ماده هدف، ظرفیت گرمایی ویژه ماده و افزایش دمای مورد نیاز وابسته است. گرمای تلف شده به دلیل هدایت، انتقال گرما و تشعشع حرارتی نیز باید در نظر گرفته شود.
مقدار تغییر دمای مورد نیاز
در نهایت، بازده گرمایش القایی برای یک کاربرد خاص، به مقدار تغییر دمای مورد نیاز وابسته است. به عنوان یک قاعده سرانگشتی میتوان گفت که برای رسیدن به تغییرات دمایی بزرگتر، به منبع تغذیه بزرگتری نیاز داریم.
مزایای گرمایش القایی
همانطور که گفتیم، گرمایش القایی، راهی سریع، غیر تماسی و با بازده بالا، برای گرم کردن رساناها است. این روش در مقایسه با روشهای دیگر گرمایش، از جمله گرمایش با شعله، گرمایش مقاومتی و گرمایشهای سنتی، به دلیل مزایای آن کاربردهای فراوانی یافته است. در شکل زیر یک سیستم گرمایش القایی نشان داده شده است.
مزایای اصلی سیستم گرمایش القایی به ترتیب زیر است:
- گرمایش سریع: فناوری گرمایش القایی، مستقیما هدف القا را گرم میکند. در نتیجه، تلفات گرمایی و زمان گرمایش کم میشود، زیرا در این سیستمها توان بالا به کار میرود و اینرسی حرارتی وجود ندارد.
- بازده: در طراحیهای مدرنِ سیمپیچ و مبدل توان، بازده بالای ۹۰ درصد قابل حصول است. این روش، بهبودی بر روشهای معمول گرمایش است. در گرمایش القایی، فقط ماده هدف القا گرم میشود. بنابراین تلفات گرمایی در المانهای مجاور و محیط اطراف هدف به حداقل میرسد. پس میتوان به دماهای بالا در ماده هدف رسید.
- گرمایش قابل کنترل: در روش گرمایش القایی، توان اعمال شده به سیستم و محل گرمایش قابل کنترل است. این مورد با طراحی مناسب سیمپیچ و مبدل توان و کنترلکننده آن، دستیافتنی است. به این صورت میتوان ویژگیهای خاصی به سیستم اضافه کرد؛ مانند: گرمایش محلی، تعریف دمای مشخص در هدف القا و غیره.
- فرآیند صنعتی بهبود یافته: به دلیل ثبات بالا و تکرارپذیری این فناوری، میتوان تولید محصول و کیفیت آن را افزایش داد. به علاوه، این سیستم، یک فرآیند غیرتماسی است. بنابراین، هدف القا به وسیله عنصر گرمایش یعنی سیمپیچ، تحت تاثیر قرار نمیگیرد. به عبارت دیگر، کیفیت این روش تضمین شده است.
- تمیزی و امنیت: میدانیم در گرمایش القایی، هدف القا مستقیما گرم میشود. بنابراین، دمای محیط اطراف هدفِ القا، پایینتر است. به این صورت، از سوختن مواد در محیط اطراف دستگاه جلوگیری میشود. مثلا در اجاقهایی که از این روش برای گرم کردن غذا استفاده میکنند و کاربرد خانگی دارند، غذای ریخته شده اطراف دستگاه نمیسوزد. به علاوه، بر خلاف گرمایشهایی که از سوخت فسیلی استفاده میکنند، این گرمایشها آلودگی زیست محیطی ندارند.
این مزایا و پیشرفت حاصل شده در فناوری گرمایش القایی در سالهای اخیر، سبب شده است که کاربردهای این روش گرمایشی افزایش پیدا کند. در جدول زیر خلاصهای از کاربردهای مختلف این سیستم آورده شده است.
تمامی کاربردهای این سیستم، از اصول اساسی گرمایش القایی پیروی میکنند. اما تفاوتهایی نیز در طراحی لازم برای این کاربردها مشاهده میشود. طراحیهای صنعتی معمولا باید توان خروجی و قابلیت اطمینان بالاتری داشته باشند. به این ترتیب، طراحی مبدل توان مورد نیازِ این سیستمها نیز محدود میشود. طراحی سیمپیچ در این سیستمها باید به گونهای باشد که شکلهای متفاوت هدف القا و تعریف دمای مشخص شده در ماده را پوشش دهد.
در اجاقهای القایی خانگی، به طراحیهایی با هزینه پایین و بازده بالا نیاز داریم، زیرا توانایی خنککنندگی در این کاربردها بسیار محدود است. از دیدگاه کنترلی، در این طراحی، هدف القا یک ماده ثابت با هندسه مشخص نیست، بنابراین تامینِ توان خروجیِ مورد نیاز برای این سیستم گرمایشی، یکی از چالشهای اصلی است. القاگر در این سیستم، باید به گونهای طراحی شود که بازده بالا و قابلیت گرمایش مواد غیر فرومغناطیسی در سیستم تامین شود.
کاربردهای پزشکی گرمایش القایی به توان پایین نیاز دارند. در این حالت، کنترل دقیق دما و محل اعمال گرما، از پارامترهای مهم طراحی هستند.
کاربردهای گرمایش القایی
در میان کاربردهای متفاوت گرمایش القایی، کاربردهای صنعتی، خانگی و پزشکی گستردهتر هستند. زیرا توان مورد استفاده و اهمیت اقتصادی در این زمینهها بالاتر است. در زیر مشخصات اصلی این کاربردها آمده است.
کاربردهای صنعتی
کاربردهای صنعتی گرمایش القایی در سال ۱۹۰۰ با ذوب فلزات آغاز شد. سپس به صنایع خودرو و هوایی تعمیم یافت. در حال حاضر، کاربردهای این روش، به این صنایع محدود نمیشود. ترمیم سطحی، عایقبندی، ذوب، پیش گرمایش و پس گرمایش، اتصال دو قطعه فلزی، جوشکاری و حرارت دادن و سپس سرد کردن فلز از دیگر کاربردهای صنعتی این سیستم است.
استفاده از گرمایش القایی، سرعت، دقت و بازده فرآیند را بهبود میدهد. اینها، موارد کلیدی در فرآیندهای صنعتی هستند.
کاربردهای خانگی
کاربرد اصلی این سیستم، در لوازم خانگی است. اجاقهای گرمایش القایی از این سیستم برای بهبود زمان گرمایش و بازده استفاده میکنند. در این روش، سطوح گرم نمیشوند. بنابراین اگر دست خود را بالای این اجاق قرار دهید، احساس گرم بودن به شما منتقل نمیشود. این مورد باعث تمیزی و امنیت بیشتر خواهد شد.
در شکل زیر، ساختار اصلی یک اجاق خانگی نشان داده شده است.
از ویژگیهای اصلی این ساختار، طراحی فشرده و هدف القای قابل تغییر آن است. این اهداف ممکن است شکل، نوع و مکان قرارگیری متفاوت داشته باشند. بازده نیز از دیگر پارامترهای کلیدیِ طراحی است، زیرا توانایی خنک کنندگی در این حالت پایین است. به همین دلیل، تلاشهای زیادی برای بهبود مبدل توان و بازده القاگر انجام شده است.
کاربردهای پزشکی
امروزه، سومین حوزه پرکاربرد برای فناوری گرمایش القایی مربوط به کاربردهای پزشکی آن است. در ابتدا از این فناوری، برای ساخت و استریل کردن وسایل جراحی استفاده میشد. زیرا این روش تمیز و سریع است.
هرچند، در سالهای اخیر، از این روش در «جراحیهای کم تهاجمی» (Minimally Invasive Therapies) نیز استفاده شده است. گرما درمانی، یک روش درمان سرطان است که در آن، تومور مورد نظر، تحت دمای بالای ۵۰ درجه سانتیگراد قرار میگیرد. این روش درمان محلی، بافت سرطانی را از بین برده و آسیب به سلولهای سالمِ مجاور را به حداقل میرساند.
همچنین کنترل توان با دقت بیشتری در این روش صورت میگیرد. برای آنکه توان به دقت به تومور منتقل شود، معمولا یک ماده فرومغناطیسی در ناحیه درمان قرار داده میشود. روشهای درمانی مدرن در حال تحقیق روی استفاده از سیالات با نانوذرههای فرومغناطیس هستند. در این روش، توزیع گرما به دقت صورت میگیرد.
چالشهای پیش رو
اگرچه سیستمهای گرمایش القایی به تکامل نسبی رسیدهاند، اما مشکلاتی بر سر راه ارتقای عملکرد آنها وجود دارد. تحقیقات روی این فناوری در آیندهای نه چندان دور به سمت حوزههای زیر خواهد رفت:
- سیستمهایی با بازده بالاتر: تکامل فناوری نیمههادی، منجر به طراحی سیستمهایی با بازده بالاتر میشود. این سیستمها نه تنها بازده بالاتری دارند، بلکه قابلیت اطمینان و کارایی آنها نیز بالاتر است.
- سیستمهایی با چند سیمپیچ: این سیستمها انعطاف و کارایی بالاتر و توزیع گرمای بهتری دارند و برای کاربردهای صنعتی و خانگی که انعطاف و دقت بالاتری طلب میکنند، ضروری به نظر میرسند. سیستمهای گرمایش القایی، به مبدلهای توان با چند خروجی، تکنیکهای کنترل پیشرفته و طراحی خاص القاگر با توجه به اثرات تزویج نیاز دارند.
- سیستمهای کنترل پیشرفته: سیستمهای گرمایش القایی به الگوریتم دقیقی برای تطبیق مبدل توان و اهداف متفاوت القا دارند.
- کاربردهای خاص: هرچند پارامترهای فرآیند به خوبی در کاربردهای صنعتی و خانگی شناخته شدهاند، اما همچنان مواردی وجود دارد که به تحقیقات بیشتر و بهینهسازی نیاز دارند. از این کاربردهای خاص، میتوان به این موارد اشاره کرد: مواد با مقاومت کم، گرمایش دقیق بافتهای زیستی برای کاربردهای پزشکی و طراحی سریعتر سیستمهای گرمایش القایی برای اهداف القای با اشکال متفاوت.
اگر این مطلب برایتان مفید بوده است، آموزشهای زیر نیز به شما پیشنهاد میشوند:
تنها مرجعی که یه آموزش مفهومی به زبان ساده در حوضه القای الکترومغناطیس با درک بالا به بیننده ارسال کرد مقاله شما بود یه دنیا سپاس موضوعات آموزشی شما همگی کمیاب و ضروری هستند👍
عالی و کامل
ممنون از زحمتی که کشیدین.