Principio del calentamiento por inducción y funcionamiento de un calentador de inducción

Los calentadores por inducción se utilizan principalmente para metales. Ofrecen una alta eficiencia y alta velocidad de calentamiento, por lo que puede calentar a alta temperatura zonas específicas de una pieza antes de que el calor se disperse por el resto de la pieza. Estos equipos tienen diversas aplicaciones en la industria, como el tratamiento térmico, forja, fundición, soldadura o metalformado.

El calentamiento por inducción requiere de una bobina o inductor, el cual puede ser simplemente un espiral que envuelva o cubra el área a calentar. Para obtener una máxima eficiencia, la bobina se debe fabricar de manera personalizada según el tipo de pieza a calentar. Es importante que la bobina de inducción se mantenga refrigerada para evitar su calentamiento después de un uso prolongado, lo cual causaría la pérdida de eficiencia y el sobrecalentamiento del equipo.

La bobina es usualmente fabricada en cobre. Al utilizar tubo de cobre se tiene la ventaja de que se refrigera fácilmente bombeando agua o refrigerante a través del tubo. De otra manera se tendría que verter el refrigerante sobre la bobina para enfriarla.

calentamiento por induccion

Principios del calentamiento por inducción

El calentamiento por inducción se da principalmente por dos fenómenos conocidos como el Efecto Pelicular (o Skin Effect), y las Corrientes de Eddie o Corrientes de Focault (Eddie currents o Focault’s currents). Estos fenómenos son indeseables en algunos dispositivos, por ejemplo por la pérdida de eficiencia que provocan en los transformadores y en los inductores eléctricos. Pero tienen diversas aplicaciones, entre las cuales podemos mencionar el calentamiento por inducción. Al hacer pasar una corriente alterna a través de una bobina se produce un campo magnético en sus alrededores. Los efectos de este campo magnético son intensos en las cercanías de la bobina. Si un material conductor (que es la pieza a calentar) se coloca  dentro de este campo magnético uno de los efectos será la generación de Corrientes de Focault que recorren de manera circular en el interior del conductor.

Las corrientes de Focault en su recorrido producen un calentamiento que es inversamente proporcional a la resistividad eléctrica del material. Es por eso que los materiales con poca resistividad eléctrica son los que se pueden calentar por este método. A diferencia de los materiales aislantes que no conducen, y por lo tanto no pueden calentarse de esta manera.

Resultan un tanto complejos los cálculos para determinar la cantidad de calor que podemos generar en una pieza, así como su distribución, es decir, qué zonas se van a calentar más, principalmente si se trata de piezas de forma irregular. Estos cálculos son prácticos solamente al llevarse a cabo en una simulación por computadora.

El Efecto Pelicular tiene que ver con la manera en que un flujo de corriente eléctrica alterna se concentra más en la superficie de los conductores. Entre más alta es la frecuencia de la corriente, esta tiende a concentrarse más en la superficie del conductor debido al efecto Pelicular. De esta manera, regulando la frecuencia de la corriente aplicada al inductor, podemos controlar la frecuencia de las Corrientes de Focault y así la profundidad de calentamiento. El calor generado en la pieza se propagará hacia las partes menos calientes por conducción térmica. La velocidad en que se propaga el calor depende del tipo de material y su conductividad térmica.

Para explicar más detalladamente el efecto pelicular utilizamos la fórmula de profundidad de penetración que se calcula de la siguiente manera:

calentamiento por induccion

Donde

𝛿 es la profundidad de penetración en metros

ρ la resistividad del material (Ω∙m)

f la frecuencia de la corriente eléctrica de la bobina de inducción en Hz

µ=µrµ0 la permeabilidad magnética relativa del material multiplicada por la permeabilidad en el vacio(H/m)

La profundidad de penetración 𝛿 es donde se concentra la mayoría de las corrientes de Focault. Por lo tanto es ahí donde se producirá la mayor cantidad de calor. En esta fórmula podemos observar que la profundidad de penetración disminuye al aumentar la frecuencia de la corriente y el valor exacto depende de la permeabilidad y resistividad del material.

En la siguiente tabla mostramos la profundidad de penetración en milímetros de cuatro de los metales más comunes a diferentes frecuencias.

10khz 100khz 1Mhz
Aluminio 0.819497996 0.259148021 0.0819498
Acero Inoxidable 0.132237394 0.041817136 0.013223739
Acero Al carbon 0.190369669 0.060200175 0.019036967
Cobre 0.652119245 0.206218212 0.065211925

Podemos notar que en los materiales altamente conductivos como el cobre o el aluminio la profundidad de penetración es varias veces mayor que en el acero. Además de que la profundidad de penetración disminuye solo 10 veces cuando la frecuencia aumenta 100 veces (de 10Khz a 1 Mhz).

Los calentadores por inducción se diseñan para trabajar en un rango de frecuencias especifico. Algunas aplicaciones requieren solamente un calentamiento superficial por lo que en esos casos se utiliza un calentador de alta frecuencia cuyo rango de operación es de 30Khz a 100KHz. Para propósitos de fundición con requerimientos de más de 30KVA es más común utilizar calentadores de mediana frecuencia de 1Khz a 30KHz. Fuera de esas frecuencias existen calentadores para propósitos muy particulares. Los calentadores de baja frecuencia por debajo de 1khz se utilizan para calentar uniformemente piezas grandes o los de ultra alta frecuencia de 1Mhz o más para calentamiento de pequeñas piezas.

Calentamiento producido por un calentador de inducción

A continuación una fórmula simplificada que nos da una idea de cuánto calor se genera en el material si se trata, ya sea de un alambre redondo y delgado o de una lámina delgada:

calentamiento por induccion

Donde

P es la potencia generada por unidad de masa del material (W/kg)

Bp Es el campo magnético máximo (T)

d es el grosor de la lámina o diámetro del alambre en metros

f es la frecuencia en Hz

k es una constante. 1 si se trata de una hoja delgada o 2 si es un alambre

ρ es la resistividad eléctrica del material (Ω ∙m)

D es la densidad del material (kg/m3)

calentamiento por induccion

Esta fórmula es válida solamente cuando el material a calentar es pequeño y delgado, comparado con el tamaño de la bobina de inducción, tomando en cuenta que el grosor del alambre o el grosor de la lámina es más o menos igual a la profundidad de penetración. Aun con sus restricciones, esta fórmula nos sirve para identificar qué condiciones favorecen al calentamiento.

Primero veamos en el dividendo que podemos aumentar la potencia de calentamiento P aumentando el campo magnético Bp o la frecuencia f. Estos dos valores se determinan por las características del calentador de inducción y la bobina f es la frecuencia de la corriente que el calentador proporciona a la bobina. El campo magnético Bp es proporcional a la corriente que fluye por la bobina, y también depende de la forma de la bobina, tamaño, número de espiras, grosor del conductor de la bobina, entre otras características. Además de que el campo magnético es mucho mayor en las cercanías de la bobina.

Por otra parte en el divisor notamos que a mayor resistividad o densidad del material menor la eficacia para calentarlo. Esto explica por qué el calentador no funciona en materiales aislantes o poco conductivos y adquiere mejor efectividad en materiales conductivos.

Otro aspecto a tener en cuenta es la conductividad térmica del material. Un material con alta conductividad térmica como el aluminio o el cobre tienden a disipar el calor muy rápidamente a través de la pieza, por lo que en estos materiales es difícil realizar calentamiento en zonas específicas de una pieza. O sí es posible, pero se requieren calentadores capaces de generar una frecuencia y campo magnéticos suficientes para calentar el material rápidamente, antes de que el calor se disperse. A diferencia de otros metales, como el acero, que tiene una menor conductividad térmica y se pueden calentar zonas localizadas más lentamente, sin riesgo a que el calor se disipe.

Comentarios finales

El calentamiento por inducción es un proceso fácil de automatizar, eficiente y seguro, no produce gases tóxicos ni requiere de gases flamables para su funcionamiento. Es muy utilizado en la fabricación en serie, y en ocasiones su única desventaja es que resulta complicado determinar las características, tanto del calentador como de la bobina de inducción más adecuados.

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