การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ

เมื่อพันขดลวดรอบๆ วัตถุที่ต้องการให้ความร้อนดังรูปที่ 1 แล้วจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับเข้าไปในขดลวดนี้ จะเกิดเส้นแรงแม่เหล็กเปลี่ยนแปลง (Alternate Magnetic Flux) ภายในวัตถุที่ต้องการให้ความร้อน ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไหลวนขึ้น หากวัตถุที่ต้องการให้ความร้อนสามารถนำไฟฟ้าได้ จะเกิดความร้อนของ Joule ขึ้นจากความต้านทานเฉพาะตัวของวัตถุนั้นกับกระแสไหลวนดังกล่าว ทำให้สามารถให้ความร้อนวัตถุได้

รูปหลักการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ

Sources: www.ejoteroforcongress.com, (2015)

ในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ เนื่องจากผลของ Skin effect ยิ่งลึกลงไปจากพื้นผิวเท่าใด ความหนาแน่นกระแสไหลวนที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นในตัวนำไฟฟ้า ก็จะยิ่งลดลงเป็นฟังก์ชันรากที่สอง (รูปที่ 2) โดยความลึกถึงตำแหน่งที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้ามีค่าเท่ากับ 1/e (0.368) เท่าของความหนาแน่นที่ผิวหน้า เรียกว่า ความลึกในการทะลุทะลวงของกระแสไฟฟ้า (δ) ซึ่งสามารถคำนวณได้ ดังนี้

ในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ จะต้องเลือกความถี่ที่เหมาะสมกับวัตถุประสงค์การให้ความร้อน วัสดุ รูปร่าง และขนาดของวัตถุที่ต้องการให้ความร้อน จากสูตร (1) จะเห็นว่าความถี่ ยิ่งสูงเท่าใด ความลึกในการทะลุทะลวงของกระแสไฟฟ้าจะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ทำให้วัตถุได้รับความร้อนแต่เฉพาะที่พื้นผิว ดังนั้น ในกรณีที่ต้องการให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอจะต้องเลือกใช้ความถี่ต่ำ และกรณีที่ต้องการให้ความร้อนที่พื้นผิวจะต้องเลือกใช้ความถี่สูง

เมื่อใช้ความถี่ต่ำประสิทธิภาพจะลดลง ดังนั้น สมมติว่าจะให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอด้วยประสิทธิภาพสูงแต่วัตถุรูปแท่งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง d และให้ความลึกของการทะลุทะลวงของกระแสไฟฟ้าเท่ากับ δ แล้ว จะเลือกความถี่ให้ d / δ = 3.5-7 โดยประมาณ

คุณสมบัติของการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ คือ ไม่มีการสัมผัสกับวัตถุ และสามารถให้ความร้อนอุณหภูมิสูงได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูง นอกจากนี้ ด้วยการเลือกความถี่ในการให้ความร้อนให้เหมาะสม จะสามารถให้ความร้อนเฉพาะที่พื้นผิวหรือให้ความร้อนสม่ำเสมอทั้งก้อนได้อย่างอิสระ

ความถี่ที่ใช้ในอุตสาหกรรมจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ความถี่จากการไฟฟ้าจนถึงหลายร้อย kHz โดยทั่วไปจะใช้แหล่งจ่ายไฟดังต่อไปนี้
(1) แหล่งจ่ายไฟความถี่การไฟฟ้า 50, 60 Hz
(2) อินเวอร์เตอร์แบบไทริสเตอร์ 0.1-2 kHz
(3) อินเวอร์เตอร์แบบทรานซิสเตอร์ 0.1-100 kHz
(4) ออสซิเลเตอร์แบบหลอดสูญญากาศ 100-500 kHz

โดยทั่วไปในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ หากใช้ความถี่การไฟฟ้าจะเรียกว่า แบบความถี่ต่ำ หากใช้ความถี่สูงกว่านั้นจะเรียกว่า แบบความถี่สูง โครงสร้างระบบ (เตา) ให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำความถี่ต่ำ และ (เตา) ให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำความถี่สูงแสดงไว้ในรูปที่ 3
การประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ

(1) เตาเหนี่ยวนำ

เตาเหนี่ยวนำแบ่งตามโครงสร้างได้เป็นเตาเหนี่ยวนำแบบ Crucible และเตาเหนี่ยวนำแบบ Channel นอกจากนี้ยังแบ่งตามความถี่ได้เป็นเตาความถี่ต่ำและเตาความถี่สูงอีกด้วย แต่แบบ Channel จะมีแต่เตาความถี่ต่ำเท่านั้น

เตาความถี่ต่ำแบบ Crucible ใช้แหล่งจ่ายไฟที่มีความถี่เท่ากับการไฟฟ้า เนื่องจากมีความถี่ต่ำจึงทำให้มีความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าสูงได้ยาก เมื่อเริ่มทำการหลอมส่วนมากจะใช้ Starting Block หรือเหลือโลหะเหลวไว้ 1/2-1/3 แล้วนำวัตถุดิบเติมลงไปในโลหะเหลวที่เหลืออยู่เพื่อหลอมเหลวต่อไป เตาแบบนี้ใช้ในการหลอมเหล็กหล่อ โลหะผสมทองแดง ฯลฯ เป็นหลัก

เตาความถี่สูงจะใช้แหล่งจ่ายไฟที่มีความถี่สูงกว่าการไฟฟ้า เทียบกับเตาความถี่ต่ำแล้วจะมีความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าสูงกว่า จึงสามารถหลอมเหลวได้อย่างรวดเร็ว เตาแบบนี้ใช้ในการหลอม เหล็กหล่อ เหล็กกล้า โลหะผสมทองแดง โลหะผสม High Alloy ฯลฯ เป็นหลัก

เตาเหนี่ยวนำแบบ Crucible แบบนี้ประกอบด้วยห้องหลอมรูป Crucible ที่ทำด้วยวัสดุ ทนไฟ และขดลวดให้ความร้อนแบบระบายความร้อนด้วยน้ำที่พันรอบห้องหลอมนี้ รอบนอกของขดลวดจะติดตั้ง Yoke เพื่อทำให้เกิดวงจรแม่เหล็ก

เตาความถี่ต่ำแบบ Channel โดยหลักการทำงานอาจกล่าวได้ว่าเป็นเตามีโลหะหลอมเหลวที่บรรจุอยู่เต็มใน Channel ทำหน้าที่เป็นวงจรทุติยภูมิของหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าถูกลัดวงจร กล่าวคือมีโครงสร้างในลักษณะที่มีขดลวดปฐมภูมิพันอยู่รอบแกนเหล็กวงจรปิด แล้วก่อ Channel ด้วยวัสดุทนไฟ ล้อมรอบขดลวดปฐมภูมิเพื่อทำหน้าที่เป็นขดลวดทุติยภูมิ โดยส่วนหนึ่งของ Channel จะเชื่อมต่อกับห้องหลอม ใน Channel จะมีโลหะหลอมเหลวบรรจุอยู่เต็มตลอดเวลา และจะได้รับความร้อนจากกระแส ลัดวงจรทุติยภูมิซึ่งถูกเหนี่ยวนำจากกระแสปฐมภูมิ เตาความถี่ต่ำแบบ Channel ใช้ในการหลอมทองแดง อลูมิเนียม สังกะสี ฯลฯ ซึ่งมีจุดหลอมเหลวค่อนข้างต่ำ และใช้ในการรักษาอุณหภูมิและเพิ่มอุณหภูมิของ เหล็กหล่อ เป็นต้น

รูป ตัวอย่างโครงสร้างทั่วไปของเตาแบบเหนี่ยวนำ

(2) อุปกรณ์ให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ

ตัวอย่างที่สำคัญของอุปกรณ์ให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ ได้แก่ Billet Heater สำหรับแปรรูปโลหะด้วยความร้อน เครื่องเชื่อม Seam Welded Pipe, Post-annealer, Bar Heater, Bar End Heater, Pipe Heater, Slab Heater, Edge Heater, Roll Heater เป็นต้น เตาแบบนี้โดยมากใช้เป็นเครื่อง Quenching ความถี่สูงสำหรับทำ Quenching ชิ้นส่วนของเครื่องจักร
เครื่อง Billet Heater มีทั้งแบบความถี่ต่ำและความถี่สูง โดยเครื่อง Billet Heater ความถี่ต่ำจะใช้ในการให้ความร้อนแก่อลูมิเนียม ทองแดง ฯลฯ ก่อนถึงเครื่อง Extruder ส่วนเครื่อง Billet Heater ความถี่สูงจะใช้ในการให้ความร้อนสำหรับการทำ Forging Press

รูป  Billet Heater

Sources : www.pillar.com, (2015)

เครื่องเชื่อม Seam Welded Pipe ใช้ในการเชื่อมรอยต่อของท่อเหล็ก เครื่อง Post-annealer ใช้ในการทำ Annealing รอยต่อที่ทำการเชื่อมนั้น เครื่อง Bar Heater ใช้สำหรับให้ความร้อนแก่แท่งโลหะ (bar) ทั้งแท่งเพื่อทำ Forging หรือ Heat Treatment หรือบางแบบจะใช้สำหรับให้ความร้อนแก่ส่วนปลายของแท่ง Bar เท่านั้น

รูป ลักษณธการให้ความร้อนของเครื่องเชื่อมแบบ Seam Welded Pipe

Sources : www.sms-elotherm.com, (2015)

การประยุกต์ใช้ในกระบวนการผลิตเหล็กกล้า ประกอบด้วยการให้ความร้อนแก่ผลิตภัณฑ์หล่อต่อเนื่องทั้งชิ้นก่อนนำไปรีด (Slab Heater) และการให้ความร้อนเฉพาะที่ส่วนปลาย (Edge Heater) เตาเหล่านี้จะใช้เป็นวิธีอนุรักษ์พลังงานเพื่อนำความร้อนที่เกิดขึ้นในการหล่อต่อเนื่องไปใช้ในการรีดร้อน

การทำ quenching ความถี่สูงของเหล็กกล้า เป็นการปรับปรุงความทนทานต่อการสึกหรอและปรับปรุง คุณสมบัติเชิงกลด้วยการให้ความร้อนที่ผิวหน้าเท่านั้นและทำให้เย็นอย่างรวดเร็ว ในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ ยิ่งความถี่มีค่าสูง กระแสไฟฟ้าจะยิ่งเกิดขึ้นที่ผิวหน้าของวัตถุเป้าหมายเป็นหลัก

เครื่องประกอบอาหารแม่เหล็กไฟฟ้าก็เป็นอุปกรณ์ที่ประยุกต์การให้ความร้อนด้วย
การเหนี่ยวนำเช่นกัน โดยทำให้ภาชนะ เช่น หม้อ ฯลฯ เกิดความร้อนขึ้นโดยตรง จึงสามารถให้ความร้อนแก่อาหารภายในภาชนะได้อย่างรวดเร็ว

ที่มา : คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส. กรมพัฒนาพลังงานทแทนและอนุรักษ์พลังงาน

การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ