principios del calentamiento por induccion

PRINCIPIOS DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION
PRINCIPIOS DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION
Jhon Alejandro Grisales García 244362
Facultad de ingeniería
26 de mayo de 2010
INTRODUCCION
El calentamiento por inducción electromagnética es un método para suministrar calor de manera
rápida, constante, limpia, controlable, y eficiente para distintas aplicaciones de manufactura y en
aplicaciones industriales en las que haya que soldar o alterar las propiedades de los metales u
otros conductores de la electricidad. El proceso utiliza las corrientes eléctricas inducidas en el
material para producir calor. Aunque los principios básicos de la inducción son bien conocidos, los
últimos avances en la tecnología del estado sólido han simplificado notablemente el
calentamiento por inducción, haciendo de este un método de calentamiento muy rentable para
aplicaciones que impliquen empalmes, tratamiento, calentamiento y prueba de materiales.
ABSTRACT
The warming by electromagnetic induction is a method to supply heat, in a quickly, constant,
controllable efficient and clean way, for different applications of manufacture and industrial
applications in which is necessary to weld or alter the properties of the metals or other drivers of
the electricity. The process uses the electrical currents induced in the material to produce heat.
Though the basic principles of the induction is well known, the last advances in the technology for
the solid state have simplified notably the warming for induction, doing of this a m very profitable
method for applications with warming that imply junctions, treatment, warming and test of
materials.
El principio de la inducción electromagnética
descrito por Michael Faraday en 1831
consiste en una corriente que circula por un
conductor en forma de bobina (inductor)
genera un campo magnético a sus
alrededores (fig.1), la fuerza de este campo
magnético depende de la corriente aplicada
al inductor y del número de espiras que este
tenga.
Fig1. Campo magnético generado por un
inductor
Al colocar un elemento ferro magnético
dentro de un campo magnético alterno se
inducen a este, corrientes denominadas
parasitas o de Foucault que se concentran
mayormente en la superficie del material,
estas corrientes se neutralizan y forman una
especie de torbellinos que generan el calor
debido al efecto joule (fig. 2), al igual el
campo
magnético
produce
varias
magnetizaciones y des magnetizaciones en el
material sometido al campo los cuales
generan perdida que también se traducen en
calor, así los fenómenos menos deseados en
los sistemas electromagnéticos como lo son
las pérdidas de energía, constituyen un gran
papel en la industria debido a este proceso.
Fig.3 pieza a calentar rodeada por la bobina
La porción de material que se calentara
directamente con un cierto nivel de potencia
se denomina penetración efectiva, y
depende de la resistividad, de la
permeabilidad magnética, del material a
calentar, y de la frecuencia aplicada a cada
instante, siguiendo la ley:
Fig.2 calentamiento por inducción (uso de
corrientes parasitas)
La potencia que puede ser transmitida a la
pieza debido al inductor viene dada por la
ecuación:
𝐼=
𝑉
2𝜋 . 𝐹 . 𝐿𝑏
Ec. 1 potencia generada por el inductor
Donde F es la frecuencia en Hz y Lb es la
Inductancia de la bobina (H); luego La
corriente en la pieza que queremos calentar
circulará en la práctica por su corteza
exterior, calentándola según la ley de Joule:
W=RI² (fig. 3)
𝑟
𝑅 = 50.3 √
𝜇 .𝐹
Ec. 2 penetración efectiva del material
De la cual r es la resistividad en MicroOhm·CM/CM2, F es la frecuencia y 𝜇 es la
permeabilidad, así si queremos calentar más
grueso de corteza, debemos disminuir la
frecuencia o dar más tiempo a que la energía
se transmita por conducción térmica; el uso
de transistores ha permitido que las
oscilaciones en la frecuencias sean desde
60Hz hasta los 60 MHz por lo cual se pueden
alcanzar temperaturas de miles de grados
con una gran penetración en el cuerpo a
calentar en intervalos cortos de tiempo y con
gran precisión.
El rendimiento de este proceso se puede ver
como una relación entre pieza/inductor,
como concepto de la eficacia con que un
inductor calentará a una pieza, esta relación
se ve favorecida por:
a) Resistividad elevada de la pieza
(aceros, grafitos, latones).
b) Resistividad reducida del inductor
(cobre).
c) Ferromagnetismo del material a
calentar (aceros).
d) Buen acoplamiento geométrico
entre pieza e inductor, el cual
depende del factor K calculado del
siguiente modo:
𝑑 3
𝐾= ( )
𝐷
Ec. 3 Factor de acoplamiento
geométrico
Donde d es el valor del diámetro
exterior de la pieza, y D es el
diámetro interior de la bobina (Fig.
4), K varia en general entre 0 y 1
entre mas se aproxime el valor a 1
mayor será el rendimiento del
proceso.
Fig. 4 d= diámetro exterior de la
pieza; D= diámetro interno de la
bobina
e) La temperatura. Incrementa la
resistividad y hace que por encima
del punto de Curie (750ºC en los
aceros), el material que lo sea deja
de ser magnético
Es posible decir entonces que de nada sirve
que un generador sea muy potente si no se
consigue un rendimiento pieza/inductor
aceptable. Por otro lado, tampoco puede
afirmarse que dos generadores distintos que
anuncien potencias iguales serán capaces de
calentar una pieza en el mismo tiempo. Esto
puede parecer paradójico pero es fácil de
explicar, así la condición de eficacia en un
sistema de este tipo se consigue por su
capacidad de calentar las piezas aunque las
condiciones exteriores no sean idóneas.
Las ventajas que ofrece un proceso de
calentamiento por inducción son varias,
algunas son enumeradas a continuación:
 Ausencia de contacto físico
 Calentamiento con precisión en
lugares requeridos
 Rapidez y control
 Fácil automatización y del ciclo de
trabajo
Un equipo de calentamiento por inducción
se compone generalmente por:
a. fuente de potencia: recibe la corriente
alterna normalmente de 380 a 400 V que
alimentan al convertidor de frecuencia el
cual permite la generación del campo
magnético en el espiral.
La potencia de la fuente determina la
velocidad relativa con la que se calentara la
pieza, y actúan con frecuencias desde 5-15
Kw hasta los mayores de 50-250 Kw, todos
los cuales requieren de agua de enfriamiento
durante el proceso.
b. estación de calentamiento: se encargan de
ajustar la frecuencia y/o el voltaje de
operación a la aplicación y el material que se
usara; y poseen sistemas de refrigeración por
circulación de agua.
Existen dos clases de estaciones remotas, las
más usadas, las cuales se conectan al fuente
mediante un cable flexible, y las de sistemas
integrados que integran una fuente en su
estructura (Fig. 5)
Fig. 5 estación de calentamiento remota
(izquierda), estación de calentamiento
integrada (derecha)
c.
espiral
conductor:
se
fabrican
generalmente con tubos de cobre que se
enfrían con agua, su tamaño y forma
depende del proceso, del material y de la
pieza a calentar.
Fig.6 diferentes configuraciones de las espirales del inductor
d. los materiales magnéticos, en especial los
ferro magnéticos ya que ofrecen un
calentamiento
más
veloz
que
los
diamagnéticos, el tipo de material a usar
también depende del trabajo que se desee
ya que cada material ofrece una
permeabilidad magnética distinta lo que
implica un mayor o menor tiempo de
calentamiento.
Cabe aclarar que el uso de esta técnica de
calentamiento por inducción no solo es
usada para materiales ferromagnetcios, ya
que es posible su aplicación en otros
compuestos no-magnéticos como los
plásticos mediante el uso de materiales
susceptivos magnéticos como algunos
metales, los cuales por radiación térmica
transmiten el calor a la pieza no magnética;
para esta práctica se usas materiales
susceptibles como el grafito, niobio,
aluminio, entre otros y se usa en procesos
como los enunciados a continuación:
 Fusión de materiales de vidrio
 Sellado de plásticos
 Fabricación
reforzados
de
termoplásticos
 Curado de adhesivos y fabricación de
pinturas
Las aplicaciones más significativas en las que
se incluyen este proceso son:
 Tratamientos
templado,
superficial
térmicos: recocido,
endurecimiento
 Fusión: forjado en caliente
 Soldaduras:
termoplásticos
de
bronce,
Fig.7 sistema de calentamiento por inducción
soldaduras de punto, y de flama
poseen factores que las hacen de
mucha menor calidad que la
presentada por este método
expuesto,
ya
que
generan
desperdicios dañinos para el medio
ambiente (nitratos, y partículas de
azufre debido a la combustión), y
presentas gastos cuantioso para su
uso
III.
 Expansión para embutido: alivio de
tensiones
 Aplicación de revestimientos: curado
de adhesivos, secado de pinturas
CONCLUSIONES
I.
El calentamiento por inducción es un
proceso muy efectivo el cual usa el
principio de faraday de inducción
electromagnética transforma su
principal debilidad (perdida de
campo)
en
energía
calórica
potencialmente aplicable a la
industria
II.
La necesidad industrial de este
proceso es amplia debido a su
simpleza, y eficacia, ya que a
diferencia de otros procesos usados
para fines similares como lo son las
La ampliación de los fenómenos
electromagnéticos en la actualidad
ha sido de gran ayuda para el avance
tecnológico, y es la principal
conclusión de este articulo decir que
es necesaria la implementación a
nivel macro de muchos otros
fenómenos
de
naturaleza
electromagnética a la vida cotidiana
para hacer frente a factores que
ponen en riesgo nuestro diario vivir
actualmente, como lo es la
contaminación, la ineficacia de las
fuentes de energía que usamos, y la
reducción en los volúmenes de los
combustibles que aun utilizamos.
BIBLIOGRAFIA
1. GONZALES,
Gabriel
(Ing.),
APLICACIONES
DEL
CALENTAMIENTO POR INDUCCION
ELECTROMAGNETICA
EN
EL
PROCESAMIENTO DE PRFV
2. http://es.ambrell.com/aboutinductio
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3. http://www.aembarcelona.com/ES/I
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4. http://www.aembarcelona.com/ES/I
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5. http://es.wikipedia.org/wiki/Inducci
ón_electromagnética
6. http://es.wikipedia.org/wiki/Horno_
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