Werking inductie heater

Ik had een inductie heater van €7 besteld op Aliexpress en had eigenlijk verwacht dat het niet veel zou zijn.
Ik had hem aangesloten op een 12V loodzuur accu en een M8 bout ermee verhit. Tot mijn verbazing krijgt hij hem in ongeveer een minuut roodgloeiend.
Ik heb de stroom gemeten met een stroomtang, deze was 11A.
Dit betekent dat hij een opgenomen vermogen heeft van ongeveer 132W.
Ik had niet verwacht dat je met dit vermogen een M8 bout rood gloeiend zou krijgen, maar toch moet het zo zijn. Wet van behoud van Energie.
Waarschijnlijk omdat het vermogen maar op een klein stukje van de bout wordt afgegeven?
Nu vroeg ik mij af wat er nu precies gebeurd.
Moet ik het als een soort transformator zien, waarbij de bout de secundaire spoel is in de vorm van 1 wikkeling? In dat geval zou er een stroom door lopen van 11A × 10 wikkelingen van de inductor = 110A. Maar een stuk staal van 8mm dik en 4cm lang heeft een elektrische weerstand van ongeveer 0,0001137 ohm. Dan kom ik op een vermogen van 110² × 0,0001137 = 1,4W. Dat lijkt dus ook niet te kloppen...
Of werkt het toch anders?

Je kunt het vergelijken met in je handen wrijven: hoe sneller je dat doet, hoe warmer ze worden. (alleen doet hier het wisselende magnetisch veld van de spoel het werk)
Heter als roodheet (iets meer als 700 graden) wordt 'ie ook niet door het Curie effect. (voor hogere temperaturen heb je veel zwaardere apparatuur nodig)

Op vrijdag 31 mei 2024 20:14:08 schreef InHogereSferen:

Nu vroeg ik mij af wat er nu precies gebeurd.
Moet ik het als een soort transformator zien, waarbij de bout de secundaire spoel is in de vorm van 1 wikkeling? In dat geval zou er een stroom door lopen van 11A × 10 wikkelingen van de inductor = 110A. Maar een stuk staal van 8mm dik en 4cm lang heeft een elektrische weerstand van ongeveer 0,0001137 ohm. Dan kom ik op een vermogen van 110² × 0,0001137 = 1,4W. Dat lijkt dus ook niet te kloppen...
Of werkt het toch anders?

Het werkt als een transformator, maar eentje met een kern met ongeveer 100% "ijzerverliezen" (dus een secundaire winding is er niet). Je berekening is dus fout. zoek eens op wervelstromen of eddy currents.

Even een globale berekening gemaakt.
Uitgangspunt: bout weegt 25 gram, soortelijke warmte van ijzer/staal is 0,46 J/gram.graad.
1 graad C opwarmen kost dan 12J. Verondersteld dat het totale vermogen van 130W in de bout gaat zitten, gedurende 60 seconden, dan is dat 7800 Ws is 7800 J.
7800/12 = 650. Dat is de temperatuurverhoging. Ijzer wordt roodgloeiend bij 500 graden. Het zou dus best kunnen kloppen.

@ KlaasZ, oef das lang geleden, natuurkunde. Mijn favoriete vak op MO.

Maar dan ga je er wel vanuit dat de schakeling geen verliezen heeft, en dat de bout in die tijd geen warmte verliest aan de lucht en aan straling. Ik had een slechter rendement verwacht.

Het is een combinatie van Eddy currents (door de kortgesloten wikkeling) en magnetische verliezen (voornamelijk hysterese verliezen). Die Eddy current verliezen zijn veel groter dan je zou verwachten, omdat het skin effect bij dergelijke frequenties (meestal 50-80kHz) om ferromagnetisch ijzer heel sterk is, waardoor de skindiepte, waar de meeste stroom loopt, maar een fractie van een millimeter is.

Wie is die Eddy?

Eddy = eddy, want geen persoon. Een eddy is Engels/Amerikaans voor een werveling in een vloeistof.
Wervelstromen en eddy currents zijn synoniemen en ook een directe vertaling van elkaar.

Ah, dankje, de hoofdletter bracht me in de war.

Eddy currents, ik heb het ooit wel ergens gelezen maar ik begrijp dat nog niet helemaal. Het zijn als ik het goed begrijp wervelstromen.
Dus deze wervelstromen zorgen er dus voor dat de weerstand van het materiaal waarin deze stromen zich bevinden toe neemt?
En ontstaan er dan meer eddy currents bij hogere frequenties?
Aangezien inductie kookplaten dik in de kHz zitten en niet gewoon 50Hz?

Op vrijdag 31 mei 2024 22:10:57 schreef SparkyGSX:
Maar dan ga je er wel vanuit dat de schakeling geen verliezen heeft, en dat de bout in die tijd geen warmte verliest aan de lucht en aan straling. Ik had een slechter rendement verwacht.

Ik heb de verliezen even genegeerd omdat ik geen idee heb van het rendement van zo'n heater. Ging me alleen om de orde van grootte, om te zien of het überhaupt mogelijk is.

Ik heb één keer zo'n oven in het groot gezien, voor het smelten van schroot in een gieterij. De wikkeling bestond daar uit koperen buizen waar koelwater door werd gepompt omdat die buizen anders ook zouden smelten. Dus het rendement is zeker geen 100%.

maar het is toch duidelijk dat het rendement niet slecht kan zijn, anders zou inductieve kookplaat de gewone weerstandsverhitting niet verdrongen hebben.
voor iemand schrijft dat het rendement van de omzetting in de weerstand dan wel 100% is, ja maar de overdracht niet. dat is bij inductie dus heel goed.

Op vrijdag 31 mei 2024 23:13:27 schreef KlaasZ:
Ik heb één keer zo'n oven in het groot gezien, voor het smelten van schroot in een gieterij.

Voor het echt smelten van niet magnetische metalen heb je aanzienlijk hogere stromen nodig. (dus ook voor staal boven de 770 graden)

Een keer googlen en kijken wat is inductie. Een bijkomend weetje (vooral voor de oudere hier => Mijn eerste ervaring met inductie was in de jaren 60 toen ik bezig was de convergentie te regelen bij de eerste kleur tv's. Daar moest je plastieken schroevendraaiers voor gebruiken want metalen werden vrij warm. Op die regelspoelen kwam 15625Hz te staan en wanneer je daar iets metaal in stak werd dat warm/heet.

In het verleden eens zo'n apparaat gerepareerd: een SKF inductieverwarmer voor lagers e.d. zit ook een magnetiche meetsensor bij om de temperatuur in de gaten te houden. Behoorlijk ingenieus apparaat: er zitten meerdere concentrische spoelen onder de 'kookplaat' en het detecteert zelf de grootte van het object wat er op ligt en schakelt dan alleen de bijbehorende spoelen in.

Ik heb één keer zo'n oven in het groot gezien, voor het smelten van schroot in een gieterij.

Bedoel je niet een Electric arc furnace
https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_arc_furnace
https://www.youtube.com/watch?v=NBicwBvQEC0
https://www.youtube.com/watch?v=gmXzNMoea5E

Bij die laatste zie je de kabels net even iets bewegen.

[Bericht gewijzigd door benleentje op (17%)]

Waarom begin je nou over een electric arc furnace, als ik het over een inductiepot heb? :?

Op vrijdag 31 mei 2024 21:35:24 schreef kris van damme:
[...]

Het werkt als een transformator, maar eentje met een kern met ongeveer 100% "ijzerverliezen" (dus een secundaire winding is er niet). Je berekening is dus fout.

De berekening klopt gewoon. Tot op bepaalde hoogte. Er gaat een secondaire stroom van rond de 100A lopen. De berekening van de weerstand volg ik niet helemaal en ik denk dat die niet klopt.

zoek eens op wervelstromen of eddy currents.

De "eddy-current" in dit geval is precies die 100A die de TS heeft uitgerekend. Dus om te hinten dat de rondgaandestroom berekening fout is en dat het wel met eddy currents te maken heeft... dat klopt niet.

Voor inductie kookplaten, maar ook deze inductie-heater is het effect dat je de boel de ene kant op magnetiseerd en daarna in de andere van belang. Bij iedere verandering van magnetisatie komt warmte vrij en die energie is eigenlijk belangrijker dan het eigenlijke inductie-effect.

Op zondag 2 juni 2024 09:34:20 schreef rew:
[...]De berekening klopt gewoon. Tot op bepaalde hoogte. Er gaat een secondaire stroom van rond de 100A lopen. De berekening van de weerstand volg ik niet helemaal en ik denk dat die niet klopt.

Ik zocht op de weerstand van een stuk staal van 8mm in diameter en 4cm lang (want zo lang is de spoel ongeveer).
En dan kwam ik op die waarde uit.

Maar ik denk al dat ik weet waarom het niet klopt. En correct me if I'm wrong.
Door de hoge frequentie heb je het skineffect, dus de weerstand van de bout is veel hoger, omdat de stroom alleen aan de oppervlakte loopt en niet in de gehele diameter van de bout?

Boven de 770 graden vervalt het transformatorprincipe grotendeels...

Voorzover ik weet is de wet van Lenz niet afhankelijk van temperatuur...

Het heen- en weer magnetiseren waar REW het over heeft, zijn de hysterese verliezen, en dat gaat dus alleen op voor ferromagnetische materialen, en onder de Curie temperatuur (de 770 graden die Arco vermeldt). Dit is de reden dat het best moeilijk is om ijzer nog heter te krijgen dan dat, want een deel van het verwarmingseffect valt weg bij die temperatuur.

De eddy current, oftewel de stroom door de kortgesloten wikkeling, blijft wel bij elke temperatuur aanwezig. Deze loopt niet door de lengterichting van de bout, maar concentrisch met de spoel. Vanwege de hoge frequentie loopt deze stroom voornamelijk langs de buitenkant, door een dun laagje aan de buitenkant. Dit skin effect is in ferromagnetische materialen veel sterker, en ik verwacht dat dit bij de curie temperatuur ook afneemt, maar intussen is de soortelijke weerstand door de hoge temperatuur ook flink toegenomen.

Kortom: het is allemaal niet zo triviaal te berekenen, er zijn nogal wat temperatuursafhankelijke effecten, zeker bij dergelijk hoge temperaturen. Iets heet stoken is veel gemakkelijker dan daadwerkelijk smelten.

Zover ik weet worden edelmetalen inductief gesmolten door ze in een kroes van grafiet te doen die wordt verhit, en is de verhitting van het metaal zelf veel minder sterk. Ik denk dus dat het niet werkt met een edelmataal in een keramische kroes, maar dat weet ik niet zeker.

Op zondag 2 juni 2024 08:20:46 schreef KlaasZ:
Waarom begin je nou over een electric arc furnace, als ik het over een inductiepot heb? :?

Het zou best net even iets vriendelijker mogen ;).

Ik heb één keer zo'n oven in het groot gezien, voor het smelten van schroot in een gieterij.

Omdat inductie niet word gebruikt om schroot te smelten, tenzij je met schroot een specifieke metaalsoort bedoelt die je wel kan smelten met inductie.

Op zondag 2 juni 2024 09:34:20 schreef rew:
[...]De berekening klopt gewoon. Tot op bepaalde hoogte. Er gaat een secondaire stroom van rond de 100A lopen. De berekening van de weerstand volg ik niet helemaal en ik denk dat die niet klopt.
[...]De "eddy-current" in dit geval is precies die 100A die de TS heeft uitgerekend. Dus om te hinten dat de rondgaandestroom berekening fout is en dat het wel met eddy currents te maken heeft... dat klopt niet.

Voor

Ik was idd wat kort door de bocht, omdat de berekingin niet klopt. Ik hint richting eddy currents omdat hysteris en curiepunt (dus permebialiteit) er weinig mee te maken heeft.
er wordt blijkbaar vergeten dat inductieverhitting ook werkt op para- en diamagnetische materialen..zolang ze maar geleiden :-)

Op zondag 2 juni 2024 10:26:37 schreef Arco:
Boven de 770 graden vervalt het transformatorprincipe grotendeels...

sinds wanneer is dat? In de klassieke transformatorformule komt de temperatuur niet voor. Uiteraard veranderen de eigenschappen van het blik eens je het curiepunt overstijgt, maar de formule op zich blijft geldig.

[Bericht gewijzigd door kris van damme op (19%)]

Op zondag 2 juni 2024 20:56:44 schreef benleentje:
[...]

Het zou best net even iets vriendelijker mogen ;).

ik was verbaasd over het feit dat je mijn waarneming in twijfel trok. Ik weet echt heel zeker dat het over een inductiepot ging. Zie ook mijn opmerking over de watergekoelde buizen. Die liepen zichtbaar als een spoel om de smeltpot.

[...]Omdat inductie niet word gebruikt om schroot te smelten, tenzij je met schroot een specifieke metaalsoort bedoelt die je wel kan smelten met inductie.

Was in een ijzergieterij waar ze de ingietsels en opkomers van gemaakte gietstukken weer smolten.