التسخين بالحث لمجموعة محامل توربينات الرياح الساخنة

التسخين بالحث ليس مفهوماً جديداً، إذ يعود استخدامه الصناعي إلى أوائل القرن العشرين، لكن تطبيقه في تجميع المحامل أصبح أكثر تطوراً، لا سيما بالنسبة للمكونات الضخمة المستخدمة في طاقة الرياح. ويُفسر فهم الفيزياء الكامنة وراءه سبب تفوق التسخين بالحث على جميع طرق التسخين الأخرى على نطاق واسع.

الحث الكهرومغناطيسي والتيارات الدوامية

عندما يمر تيار متردد عبر ملف حث نحاسي، فإنه يُولّد مجالًا مغناطيسيًا متذبذبًا حول الملف وداخله. وعند وضع مادة موصلة - كالفولاذ في حالة حلقة المحمل - داخل هذا المجال، ينص قانون فاراداي على أن التدفق المغناطيسي المتغير يُحفّز جهدًا كهربائيًا داخل الموصل. ولأن حلقة المحمل عبارة عن حلقة موصلة مغلقة، فإن هذا الجهد يُحرك تيارات كهربائية دائرية داخل المادة نفسها، تُعرف بالتيارات الدوامية.

تصطدم التيارات الدوامية بالمقاومة الكهربائية للفولاذ، ووفقًا لقانون جول الأول، تحوّل هذه المقاومة الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. يحدث التسخين داخل المادة، وليس على سطحها من مصدر حراري خارجي. هذا التمييز أساسي لجودة النتيجة: تتولد الحرارة بشكل حجمي ومتجانس بدلًا من انتقالها إلى الداخل من مصدر خارجي، وهو ما يكون أبطأ بطبيعته وأكثر عرضة للتدرجات الحرارية.

تأثير الجلد واختيار التردد

عند الترددات المنخفضة، تخترق التيارات الدوامية الموصل بعمق أكبر. أما عند الترددات العالية، فيحصرها تأثير السطح في طبقة ضحلة قريبة من السطح. في عمليات التجميع الساخن للمحامل - حيث يكون الهدف هو التسخين المتجانس لمقطع الحلقة العرضي بدلاً من تقوية السطح - تُختار عادةً ترددات متوسطة تتراوح بين 1 كيلوهرتز و10 كيلوهرتز. يوازن هذا النطاق بين عمق الاختراق وسرعة التسخين، مما يضمن تسخين الحلقة بالتساوي من التجويف الداخلي إلى السطح الخارجي دون ظهور تدرجات حرارية قد تُسبب تمددًا تفاضليًا أو إجهادًا متبقيًا.

التمدد الحراري والتداخل المحكم

يبلغ معامل التمدد الحراري للفولاذ حوالي 11–12 × 10⁻⁶ /°Cبالنسبة لحلقة محمل بقطر داخلي يبلغ 2,000 مم، فإن تسخين الحلقة من 20 درجة مئوية إلى 120 درجة مئوية - أي ارتفاع قدره 100 درجة مئوية - ينتج عنه تمدد شعاعي يقارب:

ΔD = D × α × ΔT = 2000 مم × 12×10⁻⁶ × 100 = 2.4 مم

هذا كافٍ تمامًا لتركيب الحلقة على عمود بتداخل 0.3 مم، مع هامش تركيب مناسب. تُحافظ درجة الحرارة المستهدفة، التي تتراوح بين 80 و120 درجة مئوية، عمدًا على درجة حرارة أقل من 150 درجة مئوية، وهي العتبة التي تبدأ عندها استقرار أبعاد وصلابة فولاذ المحامل بالتأثر سلبًا نتيجة للتغيرات البنيوية في البنية المجهرية المارتنسيتية. ويُبقي سخان حثي مُعاير بدقة الحلقة ضمن هذا النطاق الحراري بدقة.