Principio de calentamiento por inducción y sus aplicaciones

El principio de calentamiento por inducción se utiliza en los procesos de fabricación desde la década de 1920. Como se dice que - la necesidad es la madre de la invención, durante la segunda guerra mundial, la necesidad de un proceso rápido para endurecer las piezas del motor de metal, ha desarrollado rápidamente la tecnología de calentamiento por inducción. Hoy vemos la aplicación de esta tecnología en nuestras necesidades cotidianas. Recientemente, la necesidad de mejorar el control de calidad y las técnicas de fabricación seguras ha vuelto a poner esta tecnología en el candelero. Con las tecnologías actuales de alto nivel, se están introduciendo métodos nuevos y fiables para la aplicación del calentamiento por inducción.

¿Qué es el calentamiento por inducción?

El principio de funcionamiento del proceso de calentamiento por inducción es una receta combinada de inducción electromagnética y calentamiento Joule. El proceso de calentamiento por inducción es el proceso de calentamiento sin contacto de un metal conductor de la electricidad mediante la generación de corrientes parásitas dentro del metal, utilizando el principio de inducción electromagnética. Como la corriente de Foucault generada fluye contra la resistividad del metal, por el principio del calentamiento Joule, se genera calor en el metal.

¿Cómo funciona el calentamiento por inducción?

Conocer la ley de Faraday es muy útil para comprender el funcionamiento del calentamiento por inducción. Según la ley de Faraday de la inducción electromagnética, la modificación del campo eléctrico en el conductor da lugar a un campo magnético alterno a su alrededor, cuya intensidad depende de la magnitud del campo eléctrico aplicado. Este principio también funciona a la inversa cuando se modifica el campo magnético en el conductor.

Así, el principio anterior se utiliza en el proceso de calentamiento inductivo. Aquí se aplica una fuente de alimentación de frecuencia de radiofrecuencia de estado sólido a una bobina inductora y el material a calentar se coloca dentro de la bobina. Cuando la corriente alterna pasa por la bobina, se genera un campo magnético alterno a su alrededor según la ley de Faraday. Cuando el material colocado en el interior del inductor entra en el rango de este campo magnético alterno, se genera una corriente parásita dentro del material.

Ahora se observa el principio del calentamiento de Joule. Según éste, cuando se hace pasar una corriente a través de un material, se genera calor en el mismo. Así, cuando se genera corriente en el material debido al campo magnético inducido, la corriente que fluye produce calor desde el interior del material. Esto explica el proceso de calentamiento inductivo sin contacto.

Diagrama del circuito de calentamiento por inducción

El montaje utilizado para el proceso de calentamiento por inducción consiste en una fuente de alimentación de radiofrecuencia para proporcionar la corriente alterna al circuito. Se utiliza una bobina de cobre como inductor y se le aplica corriente. El material a calentar se coloca dentro de la bobina de cobre.

Modificando la intensidad de la corriente aplicada, podemos controlar la temperatura de calentamiento. Como la corriente de Foucault producida en el interior del material fluye en sentido contrario a la resistividad eléctrica del material, en este proceso se observa un calentamiento preciso y localizado.

Además de la corriente parásita, también se genera calor debido a la histéresis de las piezas magnéticas. La resistencia eléctrica que ofrece un material magnético, frente al campo magnético cambiante dentro del inductor, provoca una fricción interna. Esta fricción interna genera calor.

Como el proceso de calentamiento por inducción es un proceso de calentamiento sin contacto, el material a calentar puede estar alejado de la fuente de alimentación o sumergido en un líquido o en cualquier entorno gaseoso o en el vacío. Este tipo de proceso de calentamiento no requiere ningún gas de combustión.

Factores a tener en cuenta al diseñar un sistema de calentamiento por inducción

Hay algunos factores que deben considerarse al diseñar un sistema de calentamiento por inducción para cualquier tipo de aplicaciones.

• Normalmente, el proceso de calentamiento por inducción se utiliza para metales y materiales conductores. El material no conductor puede calentarse directamente.
• Cuando se aplica sobre materiales magnéticos, el calor se genera tanto por la corriente de Foucault como por el efecto de histéresis de los materiales magnéticos.
• Los materiales pequeños y finos se calientan rápidamente en comparación con los materiales grandes y gruesos.
• A mayor frecuencia de la corriente alterna, menor profundidad de penetración del calentamiento.
• Los materiales de mayor resistividad se calientan rápidamente.
• El inductor en el que se va a colocar el material de calentamiento debe permitir una fácil inserción y extracción del material.
• Al calcular la capacidad de alimentación, hay que tener en cuenta el calor específico del material a calentar, la masa del material y el aumento de temperatura necesario.
• La pérdida de calor por conducción, convección y radiación también debe tenerse en cuenta para decidir la capacidad de suministro de energía.

Fórmula de calentamiento por inducción

La profundidad que penetra la corriente inducida en el material viene determinada por la frecuencia de la corriente inductiva. Para las capas portadoras de corriente, la profundidad efectiva puede calcularse como

Aquí d indica la profundidad (cm), la permeabilidad magnética relativa del material se denota por µ, ρ la resistividad del material en ohm-cm, f indica la frecuencia del campo ac en Hz.

Diseño de la bobina de calentamiento por inducción

La bobina utilizada como inductor, a la que se aplica la energía, tiene varias formas. La corriente inducida en el material es proporcional al número de vueltas de la bobina. Por tanto, para la eficacia y eficiencia del calentamiento por inducción, es importante el diseño de la bobina.

Normalmente, las bobinas de inducción son conductores de cobre refrigerados por agua. Hay diferentes formas de bobinas que se utilizan, en función de nuestras aplicaciones. La bobina helicoidal de varias vueltas es la más utilizada. En esta bobina, la anchura del patrón de calentamiento se define por el número de vueltas de la bobina. Las bobinas de una vuelta son útiles para aplicaciones en las que se requiere el calentamiento de una banda estrecha de la pieza o de la punta del material.

La bobina helicoidal de varias posiciones se utiliza para calentar más de una pieza. La bobina de panqueque se utiliza cuando se requiere calentar sólo un lado del material. La bobina interna se utiliza para calentar orificios internos.

Aplicaciones del calentamiento inductivo

• El calentamiento dirigido para calentar superficies, fundir y soldar es posible con el proceso de calentamiento inductivo.
• Además de los metales, el calentamiento de conductores líquidos y gaseosos es posible mediante el calentamiento inductivo.
• Para el calentamiento del silicio en las industrias de semiconductores, se utiliza el principio de calentamiento inductivo.
• Este proceso se utiliza en los hornos inductivos para calentar el metal hasta su punto de fusión.
• Como se trata de un proceso de calentamiento sin contacto, los hornos de vacío lo utilizan para fabricar aceros y aleaciones especiales que se oxidarían al calentarse en presencia de oxígeno.
• El proceso de calentamiento por inducción se utiliza para la soldadura de metales y, a veces, de plásticos cuando se dopan con cerámicas ferromagnéticas.
• Las estufas de inducción utilizadas en la cocina funcionan según el principio de calentamiento inductivo.
• Para soldar el carburo al eje se utiliza el proceso de calentamiento por inducción.
• Para el sellado de tapas a prueba de manipulaciones en botellas y productos farmacéuticos, se utiliza el proceso de calentamiento por inducción.
• La máquina de modelado de plástico utiliza el calentamiento por inducción para mejorar la eficiencia energética de la inyección.

Para las industrias manufactureras, calentamiento por inducción proporciona un potente paquete de consistencia, velocidad y control. Es un proceso de calentamiento limpio, rápido y no contaminante. La pérdida de calor observada durante el calentamiento inductivo puede resolverse mediante la ley de Lenz. Esta ley mostró una forma de utilizar productivamente la pérdida de calor que se produce en el proceso de calentamiento inductivo. ¿Qué aplicación del calentamiento inductivo te ha sorprendido?