Calentador por inducción

El calentador por inducción usa una tecnología novedosa cuyo principio de funcionamiento se debe a las corrientes de Eddy, que son corrientes circulares que aparecen en conductores eléctricos cercanos a campos magnéticos variables.

¿Qué son las corrientes de Eddy?

Las corrientes de Eddy están presentes en cualquier conductor y en transformadores eléctricos utilizados para la distribución y manejo de corrientes alternas, muchas veces son tratados como efectos indeseables que producen pérdidas de potencia y calentamiento parasitario en ese tipo de dispositivos.

Minimización de pérdidas

Existen diversas maneras de minimizar este tipo de pérdidas, ya sea utilizando muchos conductores delgados en lugar de uno grueso o en transformadores utilizando núcleos laminados. En el otro extremo hay maneras de maximizar este efecto, en ese caso se denomina calentamiento por inducción. En principio esta forma de calentamiento funciona solamente en materiales donde sea posible la circulación de corriente eléctrica, y el calentamiento se produce por la pérdida de potencia debido a la resistencia del material.

Por lo que resulta más complicado el calentamiento de materiales con muy poca resistencia eléctrica como el cobre y el aluminio, comparado con el acero que tiene una resistencia eléctrica al menos 5 veces mayor.

¿Cómo se realiza el calentamiento en un calentador por inducción?

El calentamiento se realiza por medio de bobinas de inducción, que usualmente son simples tubos de cobre enrollados en forma espiral o helicoidal. La utilización de tubos huecos tiene la ventaja de que puede refrigerarse fácilmente bombeando agua a través del tubo y enfriándose por medio de un sistema externo. Las bobinas helicoidales cilíndricas son de las más eficientes, ya que en su interior el campo magnético se concentra produciendo un mejor calentamiento.

En la parte externa de la bobina este efecto es muy inferior. La desventaja de este tipo de bobinas es que no siempre es posible introducir la pieza dentro de una bobina en forma de aro, en ese caso hay otro tipo de diseños como la bobina en forma de Espiral planar, o si es necesario puede doblarse para formar una forma en C donde se introduce la pieza a calentar, con lo cual obtenemos una bobina abierta que resulta muy útil para calentar solo una pequeña superficie de una pieza más grande o para facilitar la colocación y el retiro de la pieza a calentar, lo cual favorece la automatización del proceso de calentamiento.

Bobina en forma de espiral(izquierda) vs bobina helicoidal (derecha)

La longitud lineal del tubo de cobre que conforma la bobina de inducción usualmente es de unos pocos centímetros, que no excedan un metro de largo en calentadores de mediana potencia de hasta 30 kW, y de hasta 2 o 3 metros de largo para calentadores de 120 kW. Una consideración al fabricar una bobina de inducción es el grosor de la pared del tubo de cobre, que debe ser lo suficiente para la capacidad del calentador de inducción que puede ir desde 200 hasta 2,000 A o incluso más.

El tubo de cobre convencional para sistemas de refrigeración casi siempre resulta útil con una pared de alrededor de 1 mm. El calentamiento de la bobina de inducción se da debido a la pérdida por resistencia eléctrica al paso de la corriente de inducción, y por la corrientes de Eddie producidas en la misma bobina, además del calor recibido por radiación o conductividad térmica desde la pieza calentada.

Sistemas de enfriamiento para calentador por inducción: chiller

Debido a esto es indispensable un sistema de enfriamiento o chiller de agua sin el que la bobina se quemaría o derretiría en cuestión de segundos. Aprovechando estas condiciones los componentes electrónicos internos de un equipo de calentamiento por inducción suelen tener un sistema de enfriamiento por agua que es más eficiente que el enfriamiento por aire.

Este sistema de enfriamiento debe ser de preferencia de lazo cerrado, es decir que un volumen pequeño de agua es el que está recirculando permanentemente en el sistema, y esta agua es enfriada por un intercambiador de calor. De esta manera se evita la contaminación del agua la cual puede causar el ensarramiento o bloqueo por acumulación de sedimentos en la tubería interna del equipo o la bobina. Dependiendo del uso que se le vaya a dar al equipo de inducción son las características del sistema de enfriamiento. Para calentadores pequeños de 15 kW es suficiente un enfriador de 1 a 2 toneladas de refrigeración, aunque puede ser mayor si el uso va a ser para fundición ya que en ese caso la bobina se expone a temperaturas más altas.

Para calentadores de 100 kW puede necesitar una capacidad de enfriamiento de hasta 20 toneladas de refrigeración. La temperatura recomendada a mantener es de 35 °C (a menos que se especifique otra temperatura en el manual de usuario) para los componentes electrónicos del equipo y 30-60 °C en la bobina de inducción, se puede utilizar una temperatura más baja pero no aumenta la eficiencia de calentamiento, al contrario, tiene la desventaja de que se le exige más al sistema de enfriamiento y un excesivo enfriamiento puede causar la condensación de agua sobre los componentes y tuberías. 

La intensidad del calentamiento aumenta con el campo magnético generado por la bobina de inducción y con su frecuencia de funcionamiento. Estos parámetros los controla automáticamente el calentador de inducción para lograr un calentamiento. En teoría se puede lograr un mayor calentamiento utilizando frecuencias más altas, aunque este calentamiento se produciría en una delgada superficie del material, a menor frecuencia la profundidad de calentamiento aumenta.

Rangos de frecuencia operativa

Actualmente las limitaciones tecnológicas, es decir los transistores de potencia utilizados para energizar la bobina de inducción no permiten una velocidad de switcheo por arriba de unos cuantos cientos de kHz. Usualmente los calentadores de mayor frecuencia se utilizan para calentar piezas pequeñas, y el otro extremo los calentadores de menor frecuencia en el rango de unos cuantos kHz para calentar piezas más grandes como en los hornos de inducción o piezas de gran tamaño para maquinaria pesada.

Vista interna de una fuente de inducción de media frecuencia y potencia de 80 kVA

El calentamiento por inducción tiene ventajas comparando con el calentamiento por combustión, principalmente cuando se necesita un calentamiento uniforme, focalizado, libre de contaminantes y seguro. Estas cualidades hacen que estos equipos sean adecuados para adaptarse a líneas de producción automatizadas donde se realicen tareas de tratamiento térmico, templado, revenido, forja, soldadura o fundición.

En Tsolda contamos diferentes modelos de calentador por inducción de distintas capacidades, realizamos pruebas de calentamiento para que nuestros clientes puedan analizar el tiempo de calentamiento, así como la temperatura alcanzada en sus piezas y con base en eso elijan el equipo más adecuado a sus necesidades.

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