گرمایش با فرکانس بالا چیست؟ اصول، انواع و کاربردهای کلیدی

مروری بر گرمایش با فرکانس بالا (گرمایش HF)

گرمایش دی الکتریکگرمایش الکترونیکی - که با نام‌های گرمایش فرکانس رادیویی یا گرمایش فرکانس بالا نیز شناخته می‌شود - فرآیند گرم کردن مواد دی‌الکتریک با استفاده از میدان‌های الکتریکی متناوب با فرکانس رادیویی (RF)، امواج رادیویی یا تابش الکترومغناطیسی مایکروویو است. در فرکانس‌های بالا، گرما توسط حرکت چرخشی مولکول‌های دوقطبی درون ماده دی‌الکتریک تولید می‌شود.

گرمایش با فرکانس بالا از انرژی الکترومغناطیسی (امواج رادیویی یا مایکروویو) برای گرم کردن مواد با تولید میدان‌های مغناطیسی یا الکتریکی متناوب که مستقیماً در داخل قطعه کار گرما تولید می‌کنند، استفاده می‌کند. از آنجایی که هیچ تماس فیزیکی با منبع گرما لازم نیست، این روش عملکرد حرارتی سریع، دقیق، کارآمد و قابل کنترلی را ارائه می‌دهد. گرمایش با فرکانس بالا عموماً شامل دو مکانیسم اصلی است: گرمایش القایی برای فلزات رسانا (اثر جریان گردابی) و گرمایش دی‌الکتریک برای مواد عایق (اصطکاک مولکولی).

1.0انواع گرمایش هسته و اصول کار

1.1گرمایش القایی: مناسب برای مواد فلزی

گرمایش القایی یک روش غیر تماسی است که در آن القای الکترومغناطیسی باعث تولید گرما در داخل فلز می‌شود. مکانیسم اساسی آن بر اساس دو مؤلفه تلفات است:

تلفات جریان گردابی: جریان متناوب فرکانس بالا که از طریق یک سیم‌پیچ القایی عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی با تغییرات سریع ایجاد می‌کند. هنگامی که یک قطعه کار فلزی (مانند لوله یا قطعات ماشینکاری شده) در داخل این میدان قرار می‌گیرد، جریان‌های حلقه بسته قوی - جریان‌های گردابی - در داخل فلز القا می‌شوند، دقیقاً مانند سیم‌پیچ ثانویه یک ترانسفورماتور. این جریان‌ها گرمای ژول تولید می‌کنند و امکان گرمایش سریع و یکنواخت را فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، دستگاه‌های آب‌بندی انتهای لوله از این اصل برای گرم کردن و ذوب انتهای لوله برای آب‌بندی تمیز و بدون آلودگی داخلی استفاده می‌کنند.

تلفات هیسترزیساین موارد فقط در فلزات فرومغناطیسی مانند آهن و برخی از فولادها رخ می‌دهند. از آنجایی که میدان مغناطیسی متناوب به طور مکرر ماده را مغناطیسی و غیر مغناطیسی می‌کند، تنظیم مجدد دامنه مغناطیسی گرمای اضافی تولید می‌کند. هنگامی که دمای فلز از تقریباً ۷۰۰ درجه سانتیگراد (نقطه کوری) فراتر رود، خواص مغناطیسی از بین می‌روند؛ تلفات هیسترزیس متوقف می‌شود و گرمایش صرفاً از طریق اثرات جریان گردابی ادامه می‌یابد.

علاوه بر این، گرمایش القایی تحت تأثیر اثر پوستی قرار می‌گیرد، جایی که جریان‌های فرکانس بالا در یک لایه سطحی نازک از فلز متمرکز می‌شوند. این امر مقاومت مؤثر را افزایش داده و گرمایش سطح را بهبود می‌بخشد. با تنظیم فرکانس، اپراتورها می‌توانند عمق نفوذ گرما را برای کاربردهایی مانند سخت‌کاری سطح، گرمایش یکنواخت یا آب‌بندی انتهای لوله کنترل کنند.

1.2گرمایش دی‌الکتریک: مناسب برای مواد غیرفلزی

گرمایش دی‌الکتریک - که با نام گرمایش RF یا گرمایش الکترونیکی نیز شناخته می‌شود - از میدان‌های الکتریکی متناوب RF یا تابش مایکروویو برای گرم کردن مواد دی‌الکتریک استفاده می‌کند. مکانیسم اصلی چرخش دوقطبی است:

چرخش دوقطبی مولکولیتحت یک میدان الکتریکی با فرکانس بالا، مولکول‌های قطبی درون موادی مانند پلاستیک، محصولات غذایی، چوب و منسوجات تلاش می‌کنند تا با میدان متناوب همسو شوند. چرخش سریع و اصطکاک داخلی آنها گرمای قابل توجهی تولید می‌کند و گرمایش حجمی (گرمای تولید شده در کل ماده به جای سطح به سمت داخل) ایجاد می‌شود.

عوامل تولید گرما: عملکرد گرمایش به ضریب تلفات دی‌الکتریک، فرکانس و شدت میدان الکتریکی بستگی دارد. از آنجا که گرما در داخل ماده تولید می‌شود، راندمان در مقایسه با گرمایش رسانایی یا همرفتی به طور قابل توجهی بالاتر است.

2.0ویژگی‌های کلیدی گرمایش با فرکانس بالا

2.1گرمایش بدون تماس

گرما به صورت داخلی و بدون تماس مستقیم با شعله یا المنت‌های حرارتی تولید می‌شود و از آلودگی یا آسیب سطحی جلوگیری می‌کند. این امر برای تجهیزاتی مانند ... بسیار مهم است. ماشین‌های آب‌بندی انتهای لوله جایی که آب‌بندی تمیز مورد نیاز است.

2.2راندمان بالا و گرمایش سریع

انرژی مستقیماً با حداقل اتلاف بر روی ماده هدف عمل می‌کند و در مقایسه با رسانایی، همرفت یا گرمایش مادون قرمز، افزایش دما را به طور قابل توجهی سریع‌تر می‌کند. این امر بهره‌وری را برای کاربردهایی مانند آب‌بندی لوله یا سخت‌کاری فلز تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

2.3دقت و کنترل

تنظیم فرکانس امکان کنترل نفوذ گرما را فراهم می‌کند (مثلاً اثر پوستی در گرمایش القایی). این امر امکان گرمایش انتخابی سطح یا هسته را فراهم می‌کند. سیستم‌های آب‌بندی انتهای لوله می‌توانند ناحیه مذاب را به طور دقیق کنترل کنند و تغییر شکل لوله را کاهش دهند.

2.4کاربرد گسترده

مناسب برای فلزات (گرمایش القایی) و غیرفلزات دی‌الکتریک مانند پلاستیک، مواد غذایی و منسوجات (گرمایش دی‌الکتریک).

2.5سازگار با محیط زیست

از آنجایی که فقط قطعه کار گرم می‌شود، اتلاف انرژی به حداقل می‌رسد و هیچ آلاینده‌ای منتشر نمی‌شود.

3.0تفاوت‌های فنی بین گرمایش RF و مایکروویو (فقط گرمایش دی‌الکتریک)

محدوده فرکانس کاری برای گرمایش دی‌الکتریک از ۵ مگاهرتز تا ۵ گیگاهرتز است. گرمایش با فرکانس رادیویی (RF) معمولاً به فرکانس‌های زیر ۱۰۰ مگاهرتز (معمولاً ۱۳.۵۶ مگاهرتز و ۲۷.۱۲ مگاهرتز) اشاره دارد، در حالی که گرمایش مایکروویو از ۵۰۰ مگاهرتز تا ۵ گیگاهرتز (معمولاً ۹۰۰ مگاهرتز و ۲.۴۵ گیگاهرتز) عمل می‌کند. هر دو تحت باندهای فرکانسی ISM تعیین‌شده قرار می‌گیرند تا از تداخل با سیستم‌های ارتباطی جلوگیری شود. تفاوت‌های اصلی به شرح زیر است:

4.0ساختار تجهیزات و پارامترهای فرآیند

4.1اجزای یک سیستم گرمایش القایی با فرکانس بالا

یک سیستم گرمایش القایی با فرکانس بالا معمولاً از سه واحد اصلی تشکیل شده است:

ژنراتور برق فرکانس بالا: انرژی الکتریکی فرکانس بالای مورد نیاز را تولید می‌کند.

شبکه تطبیق: انتقال توان کارآمد و تطبیق امپدانس بین ژنراتور و سیم‌پیچ القایی را تضمین می‌کند.

کویل القایی: اغلب با استفاده از سیم Litz ساخته می‌شود تا تلفات فرکانس بالا به حداقل برسد. این ساختار برای ادغام در خطوط تولید خودکار بسیار سازگار است.

برای ماشین‌های بستن انتهای لولهکویل‌ها بر اساس قطر و جنس لوله سفارشی‌سازی می‌شوند تا میدان مغناطیسی را در انتهای لوله متمرکز کنند و گرمایش دقیق و موضعی را امکان‌پذیر سازند.

این سیستم‌ها جمع و جور، سبک وزن، بدون نیاز به پیش گرمایش و ارائه عملکرد گرمایشی آنی هستند که آنها را برای محیط‌های اتوماسیون صنعتی مناسب می‌کند.

4.2پارامترهای کلیدی فرآیند

کاربردهای درج پلاستیکی: وقتی از گرمایش القایی با فرکانس بالا برای جاسازی قطعات فلزی (مانند مهره یا پیچ) در قطعات پلاستیکی استفاده می‌شود، پارامترهای زیر باید در نظر گرفته شوند:

• طراحی قطر سوراخ: سوراخ رزرو شده در قطعه پلاستیکی باید 0.3 تا 0.6 میلی‌متر کوچکتر از قطر قطعه فلزی باشد تا امکان جوش خوردن فراهم شود.
• سازه‌های کمکی: ویژگی‌های هدایت پیچ و کانال‌های آزادسازی مذاب باید در نظر گرفته شوند.
• رویه عملیاتی: قطعه فلزی با روش القایی گرم شده و بلافاصله با استفاده از پانچ به داخل سوراخ رزرو شده فشرده می‌شود و پس از آن با هوای کنترل‌شده خنک می‌گردد.

کاربردهای آب‌بندی انتهای لوله: ماشین‌های بستن انتهای لوله باید فرکانس را با توجه به جنس لوله تنظیم کرد. لوله‌های فرومغناطیسی از هر دو پدیده هیسترزیس و گرمایش جریان گردابی بهره‌مند می‌شوند، در حالی که مواد غیر فرومغناطیسی مانند آلومینیوم برای افزایش اثر پوستی به فرکانس‌های بالاتری نیاز دارند.

مدت زمان گرمایش باید در محدوده میلی ثانیه کنترل شود تا از ذوب بیش از حد یا آب بندی ناقص جلوگیری شود. برخی از سیستم ها ماژول های خنک کننده هوا را برای شکل دهی و انجماد سریع در خود جای داده اند.

5.0زمینه‌های کاربردی اصلی

5.1کاربردهای گرمایش القایی

• فرآوری فلزات: سخت‌کاری، لحیم‌کاری سخت، لحیم‌کاری سخت، آنیل کردن قطعات خودرو و هوافضا؛ ذوب فلزات؛ سخت‌کاری سطحی چرخ‌دنده‌ها، تیغه‌های اره و شفت‌های محرک؛ سخت‌کاری اجزای مهمات؛ آب‌بندی انتهای لوله برای لوله‌های فلزی مانند لوله‌های هیدرولیک و لوله‌های ابزار پزشکی.
• آب‌بندی و تصفیه: آب‌بندی ضد دستکاری با فویل آلومینیومی برای بطری‌های دارویی و نوشیدنی؛ گاززدایی از گیرنده‌ها در لامپ‌های خلاء، لامپ‌های پرتو کاتدی و لامپ‌های تخلیه گازی.
• پردازش تخصصی: پالایش منطقه‌ای برای تولید نیمه‌هادی‌ها؛ گرمایش استریل و استریلیزاسیون حرارتی ابزارهای پزشکی.
• کاربردهای روزمره: اجاق‌های القایی و پلوپزهای هوشمند.

5.2کاربردهای گرمایش دی‌الکتریک

• صنایع غذایی: خشک کردن، پختن، یخ‌زدایی و پخت‌وپز.
• پلاستیک و منسوجات: جوشکاری، خشک کردن، فرآیندهای پلیمریزاسیون و جاسازی قطعات فلزی (مهره، پیچ و مهره) در اجزای پلاستیکی.
• فیلدهای اضافی: خشک کردن کاغذ، ولکانیزاسیون لاستیک و پیش گرم کردن برای قالب گیری، خشک کردن مایکروویو در خلاء در تولید دارو (به ویژه برای ترکیبات با ارزش بالا و حساس به گرما) و ترمیم بافت های درمانی در درمان های پزشکی.

6.0نتیجه‌گیری

فناوری گرمایش با فرکانس بالا از مزیت اساسی تولید گرمای داخلی بهره می‌برد و از گرمایش القایی و گرمایش دی‌الکتریک برای تأمین طیف وسیعی از نیازهای پردازش فلزات و غیرفلزات پشتیبانی می‌کند. ویژگی‌های غیرتماسی، کارآمد و با قابلیت کنترل دقیق آن، بر مشکلات رایج مرتبط با روش‌های گرمایش مرسوم، از جمله آلودگی، ناکارآمدی و کنترل دمای ناپایدار، غلبه می‌کند.

گرمایش با فرکانس بالا (HF) با سازگاری قوی برای خطوط تولید خودکار، به طور گسترده در صنایع خودرو، مواد غذایی، داروسازی و الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. چه برای سخت‌کاری سطحی قطعات فلزی، جاسازی قطعات در محصولات پلاستیکی یا خشک کردن سریع مواد غذایی، گرمایش با فرکانس بالا به دلیل تنظیم فرکانس انعطاف‌پذیر، عمق گرمایش قابل کنترل و عملکرد سازگار با محیط زیست، به یک فناوری اساسی ضروری در تولید مدرن تبدیل شده است.

7.0سوالات متداول (FAQ)

7.1آیا گرمایش با فرکانس بالا محدود به فلزات است؟

خیر. گرمایش با فرکانس بالا شامل گرمایش القایی برای فلزات و گرمایش دی‌الکتریک برای مواد غیرفلزی است. گرمایش دی‌الکتریک از طریق مکانیسم‌های چرخش دوقطبی برای پلاستیک‌ها، محصولات غذایی، منسوجات، چوب و سایر مواد دی‌الکتریک اعمال می‌شود.

7.2آیا می‌توان فلزات غیر فرومغناطیس (مانند آلومینیوم یا مس) را با استفاده از گرمایش القایی به طور مؤثر گرم کرد؟

بله. اگرچه فلزات غیر فرومغناطیسی تلفات هیسترزیس ایجاد نمی‌کنند، اما همچنان می‌توانند از طریق تلفات جریان گردابی به طور مؤثر گرم شوند. افزایش فرکانس کاری، اثر پوستی را تقویت می‌کند و راندمان گرمایش را بهبود می‌بخشد.

7.3چگونه باید گرمایش RF و مایکروویو انتخاب شود؟

انتخاب به خواص مواد و الزامات تولید بستگی دارد. RF نفوذ عمیق‌تری را فراهم می‌کند و برای قطعات کار با ابعاد بزرگ یا بزرگ (مثلاً خشک کردن کاغذ در مقیاس بزرگ) مناسب است. گرمایش مایکروویو نفوذ کم‌عمق‌تری را ارائه می‌دهد و برای پردازش مداوم و متوسط (مثلاً گرم کردن سریع مواد غذایی، خشک کردن دارویی در خلاء) ایده‌آل است.

7.4آیا محدوده فرکانس استانداردی برای گرمایش با فرکانس بالا وجود دارد؟

گرمایش دی‌الکتریک عموماً از ۵ مگاهرتز تا ۵ گیگاهرتز متغیر است، که در آن RF معمولاً به فرکانس‌های زیر ۱۰۰ مگاهرتز اشاره دارد و گرمایش مایکروویو از ۵۰۰ مگاهرتز تا ۵ گیگاهرتز متغیر است. استفاده صنعتی باید از باندهای فرکانسی تعیین‌شده ISM مانند ۱۳.۵۶ مگاهرتز یا ۲.۴۵ گیگاهرتز پیروی کند تا از تداخل با سیستم‌های ارتباطی جلوگیری شود.

7.5چرا سوراخ رزرو شده برای کاربردهای درج پلاستیکی باید 0.3 تا 0.6 میلی‌متر کوچکتر از درج فلزی باشد؟

این فاصله، امکان ذوب را فراهم می‌کند. هنگامی که قطعه فلزی گرم شده به داخل سوراخ پلاستیکی فشرده می‌شود، اختلاف جزئی اندازه، ذوب مناسب، اتصال محکم و افزایش استحکام مکانیکی و عملکرد آب‌بندی را تضمین می‌کند.

7.6چگونه گرمایش با فرکانس بالا در مقایسه با گرمایش سنتی به راندمان انرژی بهتری دست می‌یابد؟

گرما مستقیماً درون ماده تولید می‌شود و نیاز به گرم کردن هوای اطراف یا سطوح تجهیزات را از بین می‌برد. این امر تلفات حرارتی را در حین انتقال به حداقل می‌رساند. علاوه بر این، سرعت گرمایش بسیار بالا، چرخه‌های تولید را کوتاه می‌کند و در نتیجه مصرف کل انرژی را کاهش می‌دهد.

 

مرجع

https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric_heating

https://www.thermopedia.com/de/content/850/

https://www.canroon.com/Industry-Insights/Understanding-High-Frequency-Induction-Heaters-and-Their-Working-Principles

https://avioweld.com/highfrequency/