Kapat

2,2kW’lık İndüksiyonlu Sıvı Isıtıcı Tasarımı ve Denenmesi


2,2kW’lık İndüksiyonlu Sıvı Isıtıcı Tasarımı ve Denenmesi

 


1 . GİRİŞ
Gerek sanayide gerekse sanayi dışı uygulamalarda sıvıların ısıtılması için rezistanslı
ısıtma yöntemi
yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemde ısıtılmak istenen sıvının içine veya sıvının geçtiği hata
yerleştirilen çeşitli güç, şekil ve boyutlardaki rezistans tüpleri genellikle doğrudan ac gerilimle
enerjilendirilerek ısıtılmakta, bu sayede de rezistansın içinde bulunduğu sıvının ısınması sağlanmaktadır.

Rezistanslı sıvı
ısıtma yönteminde belli başlı üç temel problem bulunmaktadır. Bu problemlerden bir
tanesi özellikle durgun suyun ısıtılması uygulamalarında cevap süresinin çok yavaş olmasıdır. Diğer
problem, özellikle su ısıtma uygulamalarında rezistans yüzeyinin kireç bağlaması bu nedenle de hem
cevap süresinin daha da uzaması hem de rezistans tüpünün kolayca patlaması sonucu ısıtılan sıvıya direk
elektrik kaçağı riskinin oluşmasıdır. Başka bir problem ise rezistansın ısıtılacak sıvının içine veya geçtiği
hatta uygun şekilde yerleştirilme problemidir.

Yukarıda açıklanan problemleri tamamen yok etmek, daha güvenli, daha hızlı ve daha yüksek
performanslı bir ısıtma sistemi geliştirmek amacıyla, rezistanslı sıvı
ısıtma yöntemine alternatif olarak indüksiyonlu sıvı
ısıtma yöntemi geliştirilmeye çalışılmaktadır. Bu yöntemde, ısıtılmak istenen sıvı
içerisine, kullanılacak yere göre geliştirilen, çeşitli şekillerde ferromanyetik malzeme yüzer bir tarzda ve
şebeke elektriği ile doğrudan bir bağlantısı olmayacak şekilde yerleştirilmektedir. Sıvı içine yerleştirilen
ferromanyetik malzeme, sıvı kabının dışında oluşturulan ve sıvının içinden yoğun olarak geçmesi
sağlanan, yüksek frekanslı yoğun bir manyetik alana maruz bırakılarak ısıtılmaktadır. Yoğun manyetik
alana maruz bırakılan demir, çelik, nikel vb. ferromanyetik malzemelerde histerezis ve eddy kayıpları
oluşmaktadır. Ferromanyetik malzemelerde oluşan bu kayıplar ısıya dönüşmekte ve malzemenin çok hızı
bir şekilde ısınmasına yol açmaktadır. Ferromanyetik malzeme etrafında bulunan veya etrafından
geçirilen sıvı, bu malzeme üzerinde oluşan ısıyı alarak ısınmaktadır.

Ferromanyetik malzeme üzerinde oluşan ve malzemenin ısınmasını sağlayan kayıplar, malzemenin maruz
kaldığı manyetik alanın frekansıyla doğru orantılı olarak değişmektedir. Bu nedenle indüksiyonla sıvı
ısıtma yönteminde genellikle yüksek frekanslar tercih edilmektedir. Fakat yüksek frekanslarda artan deri
etkisi nedeniyle ısınma derinliğinin değişmesi, sıvı içine yerleştirilen malzemenin şekline bağlı olarak
farklı frekanslarda çalışmaya olanak tanımaktadır. İlerleyen bölümlerde indüksiyonla sıvı ısıtma
konusunda temel bilgiler verildikten sonra hızlı sıvı ısıtma amacıyla kurulan deney düzeneğinin yapısı ve
deneysel çalışmalarda alınan sonuçlar değerlendirilmiştir.

2. İNDÜKSİYONLA SIVI ISITMA SİSTEMİNİN TEMEL YAPISI ve ÇALIŞMA PRENSİBİ

Şebekeden alınan alternatif gerilim, doğrultucu ve filtre devresi yardımıyla düzgün bir doğru gerilime dönüştürülmektedir.
Elde edilen bu düzgün doğru gerilim, yüksek frekanslı invertör devresi aracılığı ile seçilen rezonans
frekansında rezonansa gelecek olan rezonans tank devresi üzerine anahtarlanmaktadır. Bu şekilde yüksek
frekanslı rezonans tank devresi yüksek frekanslı invertör devresi tarafından rezonans frekansında uyarılır.
Rezonans tank devresinin bobini içerisine ferromanyetik malzemeyi kabul edecek boyuttaki sarımlardan
oluşturulur. Rezonans frekansında uyarılan tank devresi bobin ve kapasitesinden akan rezonans devresi
akımı bobin etrafında ve bobini halkalayacak tarzda yüksek yoğunluklu bir manyetik alan oluşturur.

İndüksiyonla ısıtmaya sağlayacak olan bu güçlü manyetik alanın etkin bir şekilde ısıtma işleminde
kullanılabilmesi için, ısıtılacak ferromanyetik metal malzemenin, rezonans tank devresi bobininin
içerisine yerleştirilmesi gerekmektedir. Bu nedenle rezonans tank devresi bobini, ferromanyetik metal
malzemenin içine yerleştirildiği sıvı kabının veya kanalının üzerine sarılmalıdır. Bu sayede ısıtılmak
istenen sıvı, indüksiyonla ısınan metal malzeme etrafından geçirilerek ısıtılmış olur.

3. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
İndüksiyonla sıvı
ısıtmayla ilgili çalışmalar 1980’li yıllarda yoğunluğu fazla olan sıvıların boru içinde
rahat akışını sağlamak amacıyla başlamıştır. Bugüne kadar indüksiyonla sıvı
ısıtma ile ilgili yapılan
çeşitli deneysel çalışmalarda yüksek frekanslı invertör devresi, yüksek frekanslı rezonans devresi ve
indüksiyonlu ısıtma düzeneği konusunda farklı uygulamalar gerçekleştirilmiş, bu uygulamalarda su, yağ
vb. sıvıların indüksiyonla ısıtılması sağlanmış ve oluşturulan bu sistemlerin performans testleri yapılmaya
çalışılmıştır.

Yapılmış olan değişik araştırma çalışmalarında, indüksiyonlu sıvı ısıtma düzeneği olarak dört farklı
uygulama ön plana çıkmaktadır. Bu uygulamalar, sıvının geçtiği boruyu doğrudan ısıtma, bir tüp içine
yerleştirilmiş metal plakaları ısıtma, bir tüp içine yerleştirilmiş delikli bloğun ısıtılması ve bir tüp içine
yerleştirilmiş rulo şeklindeki metalin ısıtılması uygulamalarıdır. Bu farklı uygulamalar aşağıda kısaca
açıklanmaya çalışılmıştır.

3. 1. Sıvıyı Taşıyan Borunun Isıtılması
Bu uygulamada, Şekil 3.1’de görüldüğü gibi ayrıca başka bir ısıtma parçası kullanılmaksızın, ısıtılmak
istenen sıvının içinden geçirildiği metal boru indüksiyonla ısıtılmaktadır.

 

Paslanmaz çelik malzemeden yapılmış olan ve ısıtılmak istenen sıvıyı taşıyan
borunun etrafına sarılan rezonans devresi bobininin oluşturduğu güçlü manyetik alan metal borunun
indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, boruda oluşan bu ısının, boru içinden geçen sıvı tarafından
alınmasıyla da sıvı ısıtılmaktadır.Bu çalışma, indüksiyonla ısıtmayı daha çok yüksek yoğunluklu
sıvıların boruyla taşınması sırasında ısıtılarak akışkanlığının arttırlması amacıyla yapılmıştır.

3. 2. Sıvı
İçindeki Metal Plakaların Isıtılması


Paslanmaz çelik malzemeden yapılmış olan ince metal plakalar, aralarında boşluklar kalacak şekilde
paketlenerek bir ısıtma parçası oluşturulmuş ve bu parça manyetik olmayan
fakat ısıya dayanıklı olan seramik, teflon vb. gibi bir malzemeden yapılmış olan bir tüp içine
yerleştirilmiştir.Tüpün dışına sarılmış olan rezonans devresi bobininin (indüksiyon bobini)
enerjilendirilmesiyle oluşan güçlü manyetik alan metal plakalardan oluşan ısıtma parçasının indüksiyonla
ısınmasını sağlamakta, ısıtma parçası da içinde bulunduğu ve sürekli sirkülasyon halinde olan sıvının
ısınmasını sağlamaktadır.

3. 3. Sıvı
İçindeki Delikli Bloğun Isıtılması

Karbon seramik malzemeden yapılmış olan silindir şeklindeki blok üzerinde
delikler açılmasıyla oluşturulan ısıtma parçası, manyetik olmayan fakat yüksek ısıya dayanıklı olan bir
malzemeden yapılmış olan bir tüp içine yerleştirilmiştir. Bu çalışmada da yine tüpün dışına
sarılmış olan rezonans devresi bobininin (indüksiyon bobini) enerjilendirilmesiyle oluşan güçlü manyetik
alan bu defa karbon malzemenin indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, ısıtma parçası da içinde bulunduğu
sıvının ısınmasını sağlamaktadır.

3. 4. Sıvı
İçindeki Rulo Şeklinde Sarılmış Metalin Isıtılması


İnce metal malzemenin rulo şeklinde sarılmasıyla oluşturulan silindir şeklindeki
ısıtma parçası, manyetik olmayan fakat yüksek ısıya dayanıklı olan polikarbonat malzemeden yapılmış
olan bir tüp içine yerleştirilmiştir[6]. Bu tüpün dışına sarılmış olan rezonans devresi bobininin
(indüksiyon bobini) enerjilendirilmesiyle oluşan güçlü manyetik alan rulo şeklinde sarılmış ince
paslanmaz çelik malzemenin indüksiyonla ısınmasını sağlamakta, bu da ısıtma parçasının içinde
bulunduğu ve sürekli sirkülasyon halinde olan sıvının ısınmasını sağlamaktadır.

4. İNDÜKSİYONLA SU ISITMA İÇİN KURULAN DENEY DÜZENEĞİ

Burada, şebeke veya hibrid güç kaynağından gelen AC gerilim doğrultucu ve filtre devresinde DC
gerilime dönüştürülmektedir. Buradan elde edilen DC gerilim yüksek frekanslı (13,43kHz) köprü invertör
tarafından yüksek frekanslı manyetik alan oluşturmak üzere bu frekansta rezone olacak şekilde
tasarlanmış olan paralel rezonans devresi üzerine anahtarlanmaktadır.

Rezonans devresi bobini üzerinde oluşan yüksek frekanslı manyetik akı, indüksiyonlu su ısıtıcı düzeneği
içine yerleştirilmiş olan ferromanyetik metal malzemeyi ısıtmakta dolayısıyla da düzenek içinden
geçirilen suyun ısınmasını sağlamaktadır.


Yüksek frekanslı invertör devresi, girişine uygulanan DC gerilimi istenilen frekansta (13,43kHz)
anahtarlayarak AC gerilime dönüştüren bir devredir. Rezonanslı devrelerde rezonans frekansında
anahtarlama yapılarak yüksek frekanslı manyetik akı üretilebilmektedir.Görüldüğü gibi güç devresi olarak
bir köprü invertör kullanılmıştır.
Köprü invertörü uyarmak için ise bir PWM üreteci ve sürücü devresi kullanılmıştır. PWM üreteci
kullanıcıdan gelen kontrol bilgilerine ve geribesleme hattından gelen sıcaklık, akım ve gerilim bilgilerine
göre köprü invertörü kontrol etmektedir.


Doğrultucu ve filtre devresinden elde edilen DC gerilimle beslenen köprü invertör çıkışına ise bir paralel
rezonans devresi bağlanmıştır. Köprü invertör devresinin yükü konumundaki paralel rezonans devresi
bobini etrafında indüksiyonla ısıtmayı sağlayacak olan yüksek frekanslı manyetik akı elde edilmektedir.

 

Yüksek frekanslı invertörün güç devresi olan ve girişine verilen doğrultulmuş gerilimi paralel rezonans
devresi üzerine anahtarlayan köprü invertör bağlantısı ise Şekil-4.5’de görülmektedir. Şekilden görüldüğü
gibi köprü invertör yapısında anahtarlama elemanı olarak IGBT’ler kullanılmıştır. Yüksek akım
seviyelerinde düşük iletim kayıpları ve yine yüksek anahtarlama frekanslarında düşük anahtarlama
kayıpları nedeniyle bu devrede IXYS firmasına ait IXDN 75N120 kod numaralı IGBT ve DSEI60 hızlı
diyot tercih edilmiştir.

Köprü invertörün uyardığı ve yüksek frekanslı manyetik akıyı üretmek için kullanılan paralel rezonans
devresi de Şekil-4.6’da görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi C kapasitesi ve L endüktansından oluşan
paralel rezonans devresi köprü invertör çıkışına yük olarak bağlanmaktadır.

Paralel rezonans devresi içinde yüksek seviyeli ve yüksek frekanslı bir sirkülasyon
akımı dolaşmaktadır. Bu akımı taşıyabilmek amacıyla devrede kullanılan endüktans ve kapasitansın akım
seviyesine ve frekansına göre seçilmesi gerekmektedir. Rezonans devresindeki L endüktansı bakır boru
veya litz kablosundan yapılabilmektedir. Daha önceden paralel rezonans devresinin performansı ile ilgili
yaptığımız çalışmalarda bakır borunun daha ucuz fakat performansının daha düşük olduğu gözlenmiş
olduğu için bu çalışmada malzeme olarak litz kablosu seçilmiştir.

Litz kablosu, temelde 0,10mm (AWG-36) emaye (yalıtkan kaplanmış) tellerden çok sayıda biraraya
getirilip örülerek elde edilmiş olan bir yüksek frekanslı enerji kablosudur. Yüksek frekanslı akım, deri
etkisi (skin effect) nedeniyle iletkenin dış yüzeyinden gitmeyi tercih edecektir. Bu nedenle yüksek
frekaslı akımları iletecek olan kabloların yüzey alanlarının mümkün olduğunca geniş olması gereklidir.
Litz kablosunda da birbirinden yalıtılmış çok ince iletkenlerden çok sayıda bulunduğu için yüksek
frekanslı akımda çok iyi performans göstermektedir. Deney düzeneğinde kullanılan paralel rezonans
devresinde, içinde 3360 adet 0,1mm tel bulunan AWG-1 litz kablosu kullanılarak 10 sipir ve 20,7µH
değerinde bir endüktans kullanılmıştır.

Deney düzeneğinin paralel rezonans devresinde kullanılan C kapasitesi de tıpkı endüktans gibi yüksek
frekanslı akım ve gerilimde çalışabilmelidir. Bu nedenle uygulama sırasında 145 adet 47nF-1000V
değerli kapasite paralel bağlanarak 6,78µF-1000V-200A değerinde kutupsuz bir kapasite elde edilmiştir.

Görüldüğü gibi parçanın rulo şeklinde olması sebebiyle etrafındaki sıvıyla temas yüzeyi
levhanın yüzey alanlarının toplamı kadar olcaktır ve bu şekilde etrafındaki sıvıya ısı geçişi daha hızlı
gerçekleşecektir. 

Görüldüğü gibi hazırlanan indüksiyonlu su ısıtıcı düzeneğinin yoğun bir manyetik alan içinde
kalabilmesi için indüksiyon bobininin içine yerleştirilmesi gerekmektedir.


5. BULGULAR
Bu bölümde, önceki bölümlerde tanıtımı ve matematiksel modellemesi yapılan indüksiyonlu ısıtma
sistemi üzerinde yapılan çeşitli elektriksel ve sıcaklık ölçümleri verilmiştir.

5.1 Elektriksel Bulgular
Sistemdeki elektriksel bulgular, indüksiyonlu ısıtıcıyı sürmekte olan yüksek frekanslı invertör güç devresi
üzerinde yapılmıştır. Ölçümler sırasında yerel şebeke gerilim değeri olan 220V-50Hz’de çalışılmıştır.
Elektriksel ölçümler, Ölçümler sırasında invertörün anahtarlama frekansı parelel rezonans devresinin rezonans frekansına
uygun olarak 13kHz olarak seçilmiştir. Bu ölçümler sayesinde invertörde anahtar olarak kullanılan
IGBT’lerin performansın ve paralel rezonans devresi performansı gözlemlenebilmektedir.

 

5.2 Sıcaklık Bulguları
Bu testler sırasında indüksiyonlu ısıtma sisteminin sıvı girişi, bir debi kontrol vanası üzerinden şehir su
şebekesine bağlanmıştır.

6. SONUÇ
Bu çalışmada, rezistanslı sıvı ısıtma yöntemine alternatif olarak geliştirmeye çalışılan bir indüksiyonlu
ısıtma sistemi tasarlanarak bir deney düzeneği halinde gerçekleştirilmiştir. Düzenek üzerinde yapılan ilk
testlerde ısıtılacak sıvı olarak sürekli akmakta olan su seçilmiş ve debi kontrol edilerek çıkış suyunun
sıcaklığı belirlenmeye çalışılmıştır.

İlk testlerden alınan sonuçlar, indüksiyonla sıvı ısıtmanın klasik yöntemlere bir alternatif olarak
kullanılabileceğini göstermektedir. Bu çalışmada, indüksiyonla sıvı ısıtmanın çok önemli iki avantajı
görülmüştür ki bu avantajlar yüzünden indüksiyonla ısıtmanın, özellikle rezistanslı ısıtma yöntemlerin
kullanılamadığı veya kullanılmasının tehlikeli olduğu pek çok ortamda rahatlıkla kullanılabileceğini
göstermektedir. Söz konusu önemli avantajlar,
Isıtılan sıvıya elektriki olarak herhangi bir temas ihtimalinin kesinlikle bulunmaması.
Sistemin cevap süresinin çok hızlı olmasıdır.


Bu özelliklerden dolayı indüksiyonla ısıtma sistemi su dışındaki sıvıların güvenli olarak ve hızlı bir
şekilde ısıtılmasında, inceltilmesinde ve işlenmesinde rahatlıkla kullanılabilecektir. Gıda sektöründe sıvı
gıdaların ısıl işlemden geçirilerek işlenmesi sırasında indüksiyonla sıvı ısıtma yönteminin kullanılmasının
oldukça uygun olacağı düşünülmektedir.

Bundan sonraki çalışmalarda sistemin modellenmesi tamamlanarak simülasyon çalışmaları yapılacaktır.
Ayrıca farklı yapıda, boyutta ve şekilde ısıtma parçaları hazırlanarak bu parçalarla ısıtma testleri
yapılacaktır. Bunun yanısıra farklı pals genişlikleri ve farklı frekanslarda da denemeler tekrarlanacaktır.
Tüm bu denemeler yapılırken bir yandan da aynı şartlarda klasik ısıtma düzenekleriyle çalışılacak ve
performas karşılaştırmaları yapılacaktır.

KAYNAKLAR

1.
Curran, J.S., Featherstone, A.M., 1988, Electric-Induction Fluid Heaters, Power Engineering
Journal, May.1988, pp. 157-160
2.
Kenada, M., Hishikawa, S., Tanaka, T., Bin Guo, Nakaoka, M., 1999, Innovative
Electromagnetic Induction Eddy Current-Based Dual Packs Heater Using Voltage-Fed High-
Frequency PWM Resonant Inverter for Continuous Fluid Processing in Pipeline, IEEE
Engineering Technologies, Mar. 1999, pp. 797-802.
3.Nakamizo, T., Bin Guo, Nakaoka, M., 1999, New Generation Electromagnetic Induction-
Based Fluid-Heating Energy Processing Appliance Using Voltage-Fed PWM Resonant
Inverter, Proceeding of PCIM-Tokyo, Japan, 1999, pp.597-607.
4.
Nakamizo, M., Kenada, M., Hishikawa, S., Bin Guo, Iwamoto, H., Nakaoka, M., 1999, New
Generation Fluid Heating Appliance Using High-Frequency Load Resonant Inverter,
Proceeding of PEDS Hong Kong, 1999, pp. 309-314.
5.
Nakamizo, T., Kenada, M., Hishikawa, S, Bin Guo, Iwamoto, H., Nakaoka, M., 1999, New
Generation Fluid Heating Appliance Using High Frequency Load Resonant Inverter, IEEE
1999 International Conference on Power Electronics and Drive Systems, PEDS’99, July
1999, Hong Kong, pp. 309-314.
6.
Sadakata, H., Nakaoka, M., Yamashita, H., Omori, H., Terai, H., 2002, Development of
Induction Heated Hot Water Producer Using Soft Switching PWM High Frequency Inverter,
IEEE, PCC-Osaka, Sept. 2002, pp. 452-455
7.
Yıldız, M.N., 2005, Hibrid Kaynaktan Beslenebilen İndüksiyonla Su ve Bina Isıtma
Sisteminin Tasarımı ve Performans Analizi, Doktora Tezi, E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü.

KAYNAK:teknolojikarastirmalar.com

 

Döküman Arama

Başlık :