Что такое индукционный нагрев. Индукционный нагреватель — что это и как собрать прибор самостоятельно

Нагревающие устройства, принцип действия которых основан на индукционном нагреве, называются индукционными нагревателями. Применяются они как в промышленности, так и в быту, причём в промышленности значение их использования трудно переоценить.

Рассмотрим эти устройства подробнее.

Устройство и принцип действия индукционного нагревателя

Упрощённо индукционный нагреватель состоит из трёх составных элементов:

В катушку, состоящую из определённого числа витков проводника заданной площади сечения, помещают токопроводящий (металлический, графитовый) стержень без непосредственного контакта с ней, после чего на контакты катушки с генератора переменного тока подаётся напряжение. Вокруг витков катушки образуется электромагнитное поле, под воздействием которого в стержне возникают вихревые токи Фуко, разогревающие сердечник. Таким образом, теплопередача на сердечник отсутствует, тепло вырабатывается им самостоятельно под воздействием блуждающих в нём токов, и может быть передано при помощи теплоносителя. Температура стержня повышается не одновременно по всей массе, а от поверхностных слоёв к центру, в зависимости от теплопроводности материала сердечника. При этом, повышение частоты переменного тока уменьшает глубину индуктивного нагрева, но увеличивает его интенсивность. Особого внимания заслуживает то обстоятельство, что катушка вокруг сердечника во время работы остаётся практически холодной.

Наглядно этот процесс выглядит так:

Области применения

В промышленности индукционные нагреватели используются для выполнения следующих сложных процессов:

В быту индукционные нагревательные устройства распространены также достаточно широко. Области их применения:

• бытовые автономные системы отопления (для дачи, квартиры, частного дома);
• индукционные варочные поверхности и плитки для кухни;
• тигельные печи малого объёма для бытовой плавки металла;
• ювелирное ремесло.

Поскольку основная тема статьи – индукционный обогреватель, то подробно остановимся на отопительном котле, в основу работы которого заложена идея индуктивного нагрева теплоносителя.

Индукционный обогреватель – котёл отопления

С тех пор, как владельцы жилья стали устанавливать в своих домах автономные системы отопления, вопрос экономичности нагревательных котлов для них остаётся одним из самых важных. По этому показателю, по крайней мере, среди устройств, вырабатывающих тепло из электричества, индукционные котлы отопления лидируют. При этом мощность их, не сравнимая с идентичным параметром такого прибора, как плинтусный обогреватель, позволяет применять агрегаты в качестве основного способа отопления в помещениях большой площади.

Индукционные котлы отопления состоят из двух контуров – первичного (электромагнитного) и вторичного (теплообменная обвязка). Первый контур, состоящий из преобразователя напряжения и теплогенератора с нагревателем индукционного типа, создаёт электромагнитное поле, вихревые токи и вырабатывает тепло. Второй контур, включающий в себя теплообменник с системой обвязки, передаёт это тепло посредством циркуляции теплоносителя на радиаторы системы отопления. В качестве теплоносителя используется вода в чистом виде или с присадками.

Кроме указанных двух контуров, система отопления включает автоматику, отвечающую за работу отдельных узлов агрегата.

Современные индукционные котлы отопления устанавливаются только в теплообменный контур закрытого типа, имеющий в конструкции расширительный бачок мембранного типа и насос принудительной циркуляции. Использование циркуляционного насоса является вынужденной мерой и обусловлено малым объёмом теплоносителя при высокой интенсивности нагрева теплообменника. Возможность естественной циркуляции в такой системе исключена – без насоса закипание воды произойдёт раньше начала её движения по трубам.

Важно! Индукционный котёл должен быть обязательно заземлён. Кроме того, при монтаже системы отопления контур разводки теплоносителя в целях безопасности необходимо монтировать из пластиковых труб, или же изолировать нагревательный агрегат от стального контура вставкой фитингов из полипропилена.

Классифицируются индукционные котлы отопления идентично другим отопительным электрическим агрегатам – по мощности, исполнению, параметрам потребляемого электричества. Но у этих устройств имеется ещё классификация по конструктивному решению электрической части.

Разновидности индукционных котлов

Существуют следующие разновидности нагревательных котлов индукционного типа, обозначаемые как по принципу действия, так и по марке производителя:

• SAV – разновидность и одновременно торговая марка котлов нового поколения мощностью от 2,5 до 100 кВт, с 2007 г. выпускаемых российской компанией ЗАО НПК «ИНЭРА»;
• ВИН — аббревиатура является не только сокращением названия вида индукционных устройств (вихревые индукционные нагреватели), но и запатентованным названием котлов, производимых ижевской компанией «Альтернативная энергия».

Индукционные обогреватели SAV

Эксплуатация агрегатов SAV не требуют использования инвертора, на индуктор подаётся ток частотой 50 Гц. Индуцированное первичной обмоткой электромагнитное поле вызывает образование вихревых потоков во вторичной обмотке, роль которой в котлах данного типа выполняет участок замкнутого контура труб с теплоносителем. Данный участок трубы – вторичная обмотка интенсивно нагревается под воздействием токов Фуко и передаёт тепло теплоносителю, принудительно циркулирующему в системе отопления с помощью циркуляционного насоса.

Устройство отопительной системы выполняется с использованием радиаторов или лабиринтовым способом, напоминающим плинтусовый обогрев, чтобы увеличить общую площадь наружной поверхности (теплоотдачи) труб — контур отопления, как минимум, не должен быть минимальным по протяжённости.

Котлы SAV производятся под напряжение в 220V и 380V. В качестве теплоносителя в них используется вода (в чистом виде или с противозамерзающими присадками), а также антифриз. Выход агрегата на полную мощность работы занимает порядка 5-20 минут (в зависимости от объёма теплоносителя), КПД нагревателей таких устройств составляет минимум 98%. Для эффективного обогрева помещения площадью до 30 м кв. достаточно индукционного устройства мощностью в 2,5 кВт, покупка которого в комплекте с системами автоматики и управления обойдётся приблизительно в 30 тыс. руб.

ВИН-агрегаты отопления

Котлы данного типа более совершенны по принципу действия и конструкции, что, естественно, отражается на их стоимости. Для работы ВИН-устройств необходим инвертор – устройство повышения частоты входящего тока. Ток высокой частоты вызывает образование электромагнитного поля высокой напряжённости, которое, в свою очередь, обуславливает возникновение более мощных вихревых токов во вторичной обмотке. Кроме того, теплообменник и корпус котла изготавливаются из ферромагнитных сплавов, имеющих собственное магнитное поле. Результатом всех этих процессов является большая интенсивность нагрева теплообменника и, естественно, теплоносителя.

ВИН-агрегата мощностью в 3 КВт достаточно для отопления помещения площадью 35-40 м кв. (в зависимости от климатических условий и качества теплоизоляции наружных строительных конструкций).

ВИН-агрегаты вследствие большей производительности могут использоваться не только в системах отопления жилья, но и для горячего водоснабжения. Для этого в контур теплоносителя врезают дополнительные накопительные резервуары, оборудованные защитной автоматикой, ёмкость которых рассчитывается в зависимости от количества точек горячего водозабора. Горячей водой эти ёмкости обеспечиваются путём её циркуляции в системе с прямоточным нагревом индукционным обогревателем.

Оценка маркетинговых характеристик-утверждений

Индукционным котлам отопления приписывают множество достоинств, часто – без аргументов. Перечислим эти характеристики и дадим оценку степени соответствия утверждений факту:

Экономичность

Утверждение

Потребление электроэнергии индукционными котлами на 20-30% меньше, чем другими обогревателями на электричестве.

Факт

Все нагревательные электроприборы, не выполняющие механической работы, 100% энергии электрического тока превращают в тепло, их КПД всегда ниже 100%, но отличается по величине у разных устройств в разных условиях. Для выработки 1 КВт тепловой энергии необходимо затратить более 1 КВт электричества, а вот насколько более — зависит от параметров среды рассеивания. Внутри котла потери, конечно, тоже присутствуют – например, на нагрев катушки, так как любой материал проводника имеет сопротивление, но все эти потери остаются внутри помещения

Важно! Счётчики старого образца (бакелитовые) зафиксируют меньший (в 1,6 – 1,8 раза) расход электроэнергии, чем современные электронные, так как они не рассчитаны на учёт реактивной мощности индукционных котлов.

Возможно, этим фактом и обусловлено утверждение об экономичности индукционных котлов.

Долговечность

Утверждение

Высокая надёжность и большой ресурс оборудования — более 25 лет.

Факт

Действительно, отсутствие подвижных деталей исключает механический износ индукционных котлов. Но в систему отопления с ВИН-агрегатом входит циркуляционный насос, ресурс которого гораздо скромнее. Кроме того, в систему управления и автоматики входят механизмы, также состоящие из многих комплектующих, подверженных износу.

Сердечник индукционного нагревателя функционирует в условиях постоянного циклического нагрева и охлаждения, температурных деформаций, которые тоже являются отрицательным фактором. Поэтому называть ресурс индукционных котлов чуть ли не безграничным – преувеличение. Однако он и в самом деле в разы выше ТЭНовых нагревателей.

Неизменность характеристик за весь срок эксплуатации

Утверждение

Отсутствие процесса образования накипи на внутренней поверхности труб обуславливает постоянную эффективность нагревателя и теплообменника.

Факт

Накипь – это отложение солей, содержащихся в воде (теплоносителе). Количество этих примесей в ограниченном объёме теплоносителя также ограничено и невелико, поэтому влияние накипи на эффективность обогревателя незначительно. А в индукционном котле вторичная обмотка находится под почти постоянным воздействием вибрации, и образования накипи не происходит вообще. Так что утверждение верное, преувеличена лишь его значимость.

Бесшумность

Утверждение

Работа индукционных обогревательных котлов бесшумна, что отличает их от других электрических отопителей.

Факт

Утверждение справедливо, но — все бойлеры на электроэнергии не шумят при работе, так как в диапазон их колебаний акустические волны не входят. Шуметь может только циркуляционный насос, но при желании можно подобрать модель бесшумного действия.

Компактность

Утверждение

Индукционные котлы компактны, что удобно при выборе места их установки.

Факт

Это действительно так, если не применять каскада индукционных котлов и не устанавливать промежуточных резервуаров при наличии нескольких точек горячего водозабора в системе горячего водоснабжения, так как индукционный нагреватель – это по большому счёту небольшой кусок трубы с обмоткой.

Безопасность

Утверждение

Безопасность устройства абсолютна.

Факт

Абсолютно безопасных электронагревателей не существует. При эксплуатации индукционных устройств не исключена вероятность утечки теплоносителя из системы, а генератор электромагнитного поля продолжит свою работу, и система пустых труб будет нагреваться. Для предотвращения возникновения такой ситуации в конструкции котла предусмотрено устройство автоматического отключения, но ведь и оно может выйти из строя.

Поэтому индукционные обогреватели, выигрывая у соперников по некоторым критериям безопасности, полностью безопасными не являются.

Недостатки индукционных нагревателей

• Высокая стоимость устройств.
• Значительный вес при компактности.
• Наличие фактора влияния электромагнитного поля на организм и приборы.

Последний пункт рассмотрим подробнее.

Электромагнитное поле влияет на живые организмы приблизительно так, как на продукты в микроволновой печи – прогревает их на определённую глубину, и это может иметь последствия. Интенсивность воздействия поля, в том числе на человека, определяется таким его показателем, как плотность потока энергии (ППЭ), растущая с увеличением частоты подаваемого на первичную обмотку тока. При эксплуатации индукционных обогревателей необходимо соблюдать санитарную норму предельного значения ППЭ, которая установлена в СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96, зависит от продолжительности воздействия поля и составляет, к примеру, для 8-часового воздействия – 25 мкВт/кв.см, одночасового – 200 мкВт/кв.см.

Кроме того, излучение индуктора отрицательно влияет на электронику и радиоаппаратуру, расположенную поблизости, создавая помехи при работе.

Важно! Чтобы защититься от воздействия электромагнитного поля, можно обнести котёл мелкоячеистой (1х1, 2х2 мм) металлической сеткой (клеткой Фарадея), не контактирующей с корпусом котла и заземлённой.

Правила эксплуатации

Безопасная эксплуатация индукционных котлов отопления, как и любых других технических устройств, обеспечивается выполнением ряда правил, касающихся как их монтажа, так и использования после установки:

• Заземление котла обязательно.
• Расстояние от устройства до стен по бокам должно быть не менее 30 см, от нижней точки котла до пола – 80 см, от верхней его точки до потолка – 80 см.
• Индукционные котлы устанавливаются только в закрытый контур с расширительным баком мембранного типа.
• Система должна включать в себя блок устройств обеспечения безопасности (манометр, воздушный клапан, клапан сброса избыточного давления, система автоматического отключения при перегреве).

Обзор известных производителей

Заключение

Современный рынок котлов для монтажа систем автономного отопления представлен сотнями моделей агрегатов различных видов. Объективность критерия цена/качество каждой разновидности различно. Выбор в пользу индукционных нагревательных устройств в плане риска последующего разочарования в покупке наиболее разумен.

Индукционный нагрев - это процесс, который используется для нагрева металлов или иных проводящих материалов. Для многих современных производственных процессов индукционный нагрев предлагает достаточное сочетание скорости, последовательности и контроля процесса.

Основные принципы индукционного нагрева применяются с 1920 года. Во время второй мировой войны технология быстро развивается в связи с военными потребностями для быстрого и надежного процесса упрочнения металлических частей двигателей.

В наиболее распространенных методах используется факел или открытое пламя непосредственно применяемое к металлической части. Но при индукционном нагреве тепло фактически «индуцируется» в пределах циркулирующего электрического тока.

Индукционный нагрев опирается на уникальные характеристики радиочастотной энергии — это часть электромагнитного спектра ниже инфракрасной и микроволновой энергии. Так как тепло передается в продукт через электромагнитные волны, оно никогда не вступает в непосредственный контакт с пламенем. При этом нет никакого загрязнения продукта, а этот процесс становится очень повторяемым и контролируемым.

Как работает индукционный нагрев

Как происходит индукционный нагрев?

Когда к трансформатору прикладывается переменный электрический ток, создается переменное магнитное поле. Согласно закону Фарадея, если вторичная обмотка трансформатора находится в магнитном поле, будет индуцирован электрический ток.

Индуктор представляет из себя трансформатор. Когда металлическая часть помещается в индуктор циркулирующие вихревые токи индуцируются в пределах детали.

Дополнительное тепло производится в магнитных частях через гистерезис – внутренние трения, которые создаются, когда магнитный материал проходит через индуктор. Материал для разогревания может быть расположен в условиях изоляции от источника питания, погружен в жидкости, охватываемые изолированные вещества в газообразных средах или даже в вакууме.

Эффективность индукционной системы нагрева зависит от нескольких факторов: конструкции индуктора, емкости блока питания, количества необходимого изменения температуры.

Характеристики нагреваемого материала

МЕТАЛЛ ИЛИ ПЛАСТИК

Во-первых, индукционным нагревом подлежат только проводящие материалы, обычно металлы. Пластмассы и других непроводящие материалы могут быть нагреты только косвенно через токопроводящие металлы находящиеся вместе с пластиком.

МАГНИТНЫЕ И НЕМАГНИТНЫЕ

Нагрев лучше у магнитных материалов. Для тепла, вызванного вихревыми токами магнитные материалы производят тепло через эффект гистерезиса. Этот эффект прекращается при температурах выше точки «Кюри» — температура, при которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства. Относительная устойчивость магнитных материалов оценивается по шкале «проницаемостью» от 100 до 500. Хотя не магнетные материалы имеют проницаемость 1, магнитные материалы могут иметь проницаемость до 500.

ТОЛСТЫЕ ИЛИ ТОНКИЕ

На проводящих материалах около 85% эффекта нагрева происходит на поверхности материала. Интенсивность нагрева уменьшается, как расстояние от поверхности увеличивается. Так малые или тонкие части обычно греются быстрее, чем большие и толстые части, особенно если большие части необходимо нагреть полностью.

Исследования показали связь между частотой и глубиной проникновения: чем выше частота, тем меньшая глубина. Частота от 100 до 400 кГц сравнительно высоких энергий идеально подходит для быстрого разогрева мелких деталей или поверхности больших частей. Для глубокого проникновения тепла необходимы более низкие частоты от 5 до 30 кГц.

УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Если использовать точно такой же процесс индукции и того же размера деталь из стали и меди, результаты будут совершенно разные. Почему? Сталь – наряду с углеродом, оловом и вольфрамом – имеет высокое удельное сопротивление. Потому что металлы противостоят текущему потоку. Металлы с низким удельным сопротивлением: медь, латунь и алюминий нагреются лучше. Удельное сопротивление увеличивается с температурой, поэтому очень горячий кусок стали будет более восприимчив к индукционному нагреву чем холодной кусок.

Дизайн индуктора

Дизайн и конструкция индуктора является одним из наиболее важных аспектов системы в целом. Хорошо продуманная конструкция обеспечивает надлежащее нагревание и максимизирует эффективность индукционного нагрева.

Степень изменения температуры

Наконец эффективность индукционного нагрева для конкретной детали зависит от количества необходимых изменений температуры. Для широкого спектра изменений температуры требуется больше индукционного нагрева питания.

Содержание

Сегодня электроэнергия обходится потребителям совсем недешево, но работающие на таком ресурсе отопительные приборы пользуются у населения определенной популярностью. Большой интерес вызывают устройства, функционирующие на принципе электромагнитной индукции. В статье описано, как работает подобное устройство, где используется, и как сделать индукционный нагреватель своими руками. Но прежде - немного истории.

Вихревой индукционный нагреватель

В начале девятнадцатого века ученый из Англии Фарадей проводил эксперименты, преследуя цель преобразовать магнетизм в электроэнергию. У него вышло получить поток энергии в первичной обмотке, состоящей из провода, накрученного на сердечник, изготовленный из железа. Таким образом стала открыта электромагнитная индукция. Произошло это в 1831 г.

Первую плавильню, использующую мощный водонагреватель, работающий по принципу индукции, открыли в Англии, в тридцатых годах прошлого века. В восьмидесятых прошлого века принцип индукции применялся более активно. Специалисты разработали вихревые нагреватели. Ими обогревали заводские цеха и различные производственные помещения. Через некоторое время начали производить бытовые устройства.

Принцип работы индуктора

Вихревые нагреватели обычно используются для отопительных котлов. Они пользуются большим спросом у населения за счет своей мощности и простой конструкции. Функционирование их основывается на передаче теплоносителю энергии магнитного поля. Вода, подающаяся в аппарат, нагревается путем подачи энергии. Далее она подается в отопительную систему. Чтобы появилось давление, применяется насос. Вода циркулирует и защищает элементы от перегрева. Теплоноситель вибрирует, что предотвращает появление накипи на стенках оборудования.

Если изучить изнутри индукционный обогреватель, там можно обнаружить металлический корпус, изоляцию и сердечник. Основное отличие такого нагревателя от промышленных - обмотка медными проводниками. Последняя находится между 2-ух сваренных стальных труб.

Принцип электромагнитной индукции

Самодельный индукционный нагреватель мало весит, обладает хорошим КПД и компактными размерами. Как сердечник, тут используется труба с обмоткой. Вторая труба нужна для нагревания. Ток, генерируемый магнитным полем, греет воду. По такому принципу функционируют самодельные устройства и часть современных нагревателей.

Устройство нагревательного прибора

Прибор состоит из таких элементов :

1. Пластиковая трубка.
2. Сетка из нержавейки.
3. Проволока из стали.
4. Медная проволока.
5. Сварочный инвертор.

Одно из главных достоинств данного устройства - это простая конструкция. Схема индукционного нагревателя примерно такова. В круглом корпусе находится катушка - индуктор. Внутри последнего находится отрезок стальной трубы с 2-мя патрубками на концах. Они нужны для присоединения прибора к отопительной системе. После подключения через трубу будет проходить вода. Труба будет нагреваться. От соприкосновения с ней разогревается теплоноситель.

Схема устройства индукционного нагревателя

У других видов прибора катушка крепится к электрической сети, однако имеется и другая схема подключения. Отличается она преобразователем, который повышает частоту колебаний тока, подаваемого на катушку. Этот преобразователь называется инвертором и состоит их 3-х модулей:

1. Выпрямитель.
2. Инвертор с 2-мя транзисторами.
3. Схема управления транзисторами.

Процессы, происходящие в устройстве, похожи на работу трансформатора. Разница во вторичной обмотке, которая тут короткозамкнута и расположена внутри первичной. Еще одно отличие в том, что в случае с трансформатором нагрев - побочный эффект, его стараются избежать.

Интересный факт: обслуживание индукционника обойдется гораздо дешевле, чем, если использовать газовый котел или бойлер. Аппарат состоит из минимума деталей, практически не выходящих из строя. Ломаться в нагревателе нечему. Воду греет обыкновенная трубка, которая в отличие от того же ТЭНа не может перегореть либо испортиться.

Сфера применения

Сегодня применение индукционного нагрева используется очень часто. Основные области применения :

• плавка металла, получение новых сплавов;
• производство металлической проволоки;
• ювелирное дело;
• производство котлов отопления;
• термическая обработка запчастей для транспортных средств;
• медицинская отрасль (дезинфекция инструментов, врачебного оборудования);
• машиностроение, обогрев автосервиса;
• промышленные печи.

Недостатки и достоинства

Рассмотрим положительные характеристики и преимущества индукционного оборудования:

1. Нагрев производится в любой среде.
2. Возможность изготовления сверхчистых сплавов.
3. Быстрый нагрев и плавка любого материала, который проводит ток.
4. Элементы прибора монтируются снаружи, врезки отсутствуют. Это гарантирует исключение протечек.
5. Индукционный водонагреватель не загрязняет окружающую среду.
6. Удобен при необходимости нагрева определенного участка поверхности.
7. Площадь контакта теплоносителя с поверхностью нагревателя во много раз больше, нежели в аппаратах с трубчатыми электронагревателями. За счет этого среда греется очень быстро.
8. Компактные размеры прибора.
9. Оборудование легко настраивается на нужный режим работы и без труда регулируется.
10. Имеется возможность изготовления прибора любой формы (в том числе самостоятельно). Это предупреждает локальный нагрев и способствует равномерному распределению тепла.

Простой нагреватель индукционного типа

Проточный нагреватель такого типа практически не имеет минусов, если сравнивать с приборами, работающими по иным принципам. Единственная сложность эксплуатации в том, что необходимо сопоставить индуктор с заготовкой. Иначе нагрев будет недостаточным и маломощным.

Процесс изготовления своими руками

Для работы пригодятся следующие инструменты:

• сварочный инвертор;
• сварочный генерирующий ток силой от 15 ампер.

Еще понадобится проволока из меди, которая наматывается на корпус сердечника. Устройство будет выполнять роль индуктора. Контакты проволоки соединяются с клеммами инвертора так, чтобы не образовалось скруток. Отрезок материала, нужный для сборки сердечника, должен быть нужной длины. В среднем число витков равно 50, диаметр проволоки - 3-м миллиметрам.

Медная проволока разного диаметра для обмотки

Теперь перейдем к сердечнику. В его роли будет полимерная труба, сделанная из полиэтилена. Такой вид пластмассы выдерживает довольно высокую температуру. Диаметр сердечника - 50 миллиметров, толщина стенок - минимум 3 мм. Данная деталь используется как калибр, на который навивается проволока из меди, формируя индуктор. Собрать простейший индукционный нагреватель воды может практически любой человек.

На видео увидите способ - как самостоятельно организовать индукционный нагрев воды для отопления:

Первый вариант

На 50-миллиметровые отрезки рубится проволока, ей заполняется пластиковая трубка. Чтобы она не высыпалась из трубы, следует закупорить торцы проволочной сеткой. На концах ставятся переходники от трубы, в том месте, где подключается нагреватель.

На корпус последнего медной проволокой наматывается обмотка. Для этой цели нужно примерно 17 метров проволоки: нужно сделать 90 витков, диаметр трубы - 60 миллиметров. 3,14×60×90=17 м.

Важно знать! В ходе проверки функционирования устройства следует тщательно удостовериться, что в нем есть вода (теплоноситель). Иначе корпус устройства быстро расплавится.

Труба врезается в трубопровод. Нагреватель подключается к инвертору. Осталось заполнить устройство водой и включить. Все готово!

Второй вариант

Этот вариант гораздо попроще. Выбирается прямой участок метрового размера на вертикальной части трубы. Его следует тщательно очистить от краски, используя наждачку. Далее этот участок трубы покрывается тремя слоями электротехнической ткани. Медной проволокой наматывается индукционная катушка. Вся система подключения хорошенько изолируется. Теперь можно подключить сварочный инвертор, и процесс сборки полностью завершен.

Индукционная катушка, обмотанная медной проволокой

Перед тем как начинать изготовление водонагревателя своими руками, желательно ознакомиться с характеристиками заводских изделий и изучить их чертежи. Это поможет разобраться с исходными данными самодельного оборудования и избежать возможных ошибок.

Третий вариант

Чтобы сделать нагреватель этим более сложным способом, нужно использовать сварку. Для работы еще понадобится трехфазный трансформатор. Друг в друга нужно вварить две трубы, которые будут выполнять роль нагревателя и сердечника. На корпус индукционника накручивается обмотка. Таким образом повышается производительность прибора, который имеет компактные размеры, что очень удобно при его эксплуатации в домашних условиях.

Обмотка на корпусе индукционника

Для подвода и отвода воды, в корпус индукционника ввариваются 2 патрубка. Чтобы не терять тепло и предотвратить возможные утечки тока, нужно сделать изоляцию. Она избавит от проблем, описанных выше, и полностью исключит появление шума при работе котла.

Техника безопасности должна соблюдаться всегда. Особенно когда мастерят что-то самостоятельно. Здесь нагреватели применяются для систем, имеющих принудительную циркуляцию. Теплоэнергия вырабатывается очень быстро и может возникнуть перегрев теплоносителя.

Нельзя забывать про предохранительный клапан. Он крепится на нагревателе. В случае когда циркулярный насос перестанет работать, то стопроцентно случится перегрев теплоносителя. Если клапан не будет установлен заранее, то произойдет разрыв системы. Последняя должна из предосторожности оснащаться термостатом. Если нагреватель заключен в металлический корпус, то он обязательно заземляется.

Нагреватель в металлическом корпусе

Так как у самодельной конструкции нет нормального экранирования, то индукционник устанавливается как минимум в 80-и сантиметрах от горизонтальных поверхностей. Расстояние до стены - от 30 сантиметров.

Совет: мощность самодельных нагревателей может способствовать распространению электромагнитного излучения. Устройство желательно экранировать оцинкованной сталью и не устанавливать в жилом помещении! Электромагнитное переменное поле есть внутри и снаружи катушки. Оно будет нагревать все металлические поверхности, расположенные рядом.

Так, без глобальных финансовых трат, нетрудно собственноручно сделать этот нехитрый прибор. Схема сборки проста, и справиться с работой по сборке нагревателя собственноручно сможет практически каждый. Тут не требуется профильных технических знаний. Завершить работу можно буквально за несколько часов.

Описание метода

Индукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор , представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца).

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор , в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ (Поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.

Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

,

где μ 0 = 4π·10 −7 - магнитная постоянная Гн/м, а ρ - удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки.

Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.

Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием - этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Применение

• Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.
• Получение опытных образцов сплавов.
• Гибка и термообработка деталей машин.
• Ювелирное дело.
• Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.
• Поверхностная закалка.
• Закалка и термообработка деталей сложной формы.
• Обеззараживание медицинского инструмента.

Преимущества

• Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.
• Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.
• Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева - эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал - металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.
• За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе - так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).
• Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.
• Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора .
• Индуктор можно изготовить особой формы - это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву.
• Легко провести местный и избирательный нагрев.
• Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой).
• Лёгкая автоматизация оборудования - циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.

Недостатки

• Повышенная сложность оборудования, необходим квалифицированный персонал для настройки и ремонта.
• При плохом согласовании индуктора с заготовкой требуется бо́льшая мощность на нагрев, чем в случае применения для той же задачи ТЭНов, электрических дуг и т. п.

Установки индукционного нагрева

На установках с рабочей частотой до 300 кГц используют инверторы на IGBT-сборках или MOSFET-транзисторах. Такие установки предназначены для разогрева крупных деталей. Для разогрева мелких деталей используются высокие частоты (до 5 МГц, диапазон средних и коротких волн), установки высокой частоты строятся на электронных лампах .

Также для разогрева мелких деталей строятся установки повышенной частоты на MOSFET-транзисторах на рабочие частоты до 1,7 МГц. Управление транзисторами и их защита на повышенных частотах представляет определённые трудности, поэтому установки повышенной частоты пока ещё достаточно дороги.

Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути:

1. повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
2. применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.

Так как наиболее эффективно индуктор работает на высоких частотах, промышленное применение индукционный нагрев получил после разработки и начала производства мощных генераторных ламп. До первой мировой войны индукционный нагрев имел ограниченное применение. В качестве генераторов тогда использовали машинные генераторы повышенной частоты (работы В. П. Вологдина) или искровые разрядные установки.

Схема генератора может быть в принципе любой (мультивибратор , RC-генератор, генератор с независимым возбуждением, различные релаксационные генераторы), работающей на нагрузку в виде катушки-индуктора и обладающей достаточной мощностью. Необходимо также, чтобы частота колебаний была достаточно высока.

Например, чтобы «перерезать» за несколько секунд стальную проволоку диаметром 4 мм, необходима колебательная мощность не менее 2 кВт при частоте не менее 300 кГц.

Выбирают схему по следующим критериям: надёжность; стабильность колебаний; стабильность выделяемой в заготовке мощности; простота изготовления; удобство настройки; минимальное количество деталей для уменьшения стоимости; применение деталей, в сумме дающих уменьшение массы и габаритов, и др.

На протяжении многих десятилетий в качестве генератора высокочастотных колебаний применялась индуктивная трёхточка (генератор Хартли , генератор с автотрансформаторной обратной связью, схема на индуктивном делителе контурного напряжения). Это самовозбуждающаяся схема параллельного питания анода и частотно-избирательной цепью, выполненной на колебательном контуре. Она успешно использовалась и продолжает использоваться в лабораториях, ювелирных мастерских, на промышленных предприятиях, а также в любительской практике. К примеру, во время второй мировой войны на таких установках проводили поверхностную закалку катков танка Т-34.

Недостатки трёхточки:

1. Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).
2. Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являютcя фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.
3. При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.
4. При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.

Под руководством Бабата , Лозинского и других учёных были разработаны двух- и трёхконтурные схемы генераторов, имеющих более высокий кпд (до 70 %), а также лучше удерживающие рабочую частоту. Принцип их действия состоит в следующем. За счёт применения связанных контуров и ослабления связи между ними, изменение индуктивности рабочего контура не влечёт сильного изменения частоты частотозадающего контура. По такому же принципу конструируются радиопередатчики.

Современные твч-генераторы - это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать
а) постоянную частоту
б) постоянную мощность, выделяемую в заготовке
в) максимально высокий КПД.
Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания - заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается - это может привести к "разносу" генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность).

Замечания

• Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ).
• Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).
• При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее.
• При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка - дуги).
• Иногда в качестве генератора высокой частоты использовали списанные мощные радиопередатчики, где антенный контур заменяли на нагревательный индуктор.

См. также

Ссылки

Литература

• Бабат Г. И., Свенчанский А. Д. Электрические промышленные печи. - М .: Госэнергоиздат, 1948. - 332 с.
• Бурак Я. И., Огирко И. В. Оптимальный нагрев цилиндрической оболочки с зависящими от температуры характеристиками материала // Мат. методы и физ.-мех. поля . - 1977. - В. 5. - С. 26-30.
• Васильев А. С. Ламповые генераторы для высокочастотного нагрева. - Л. : Машиностроение, 1990. - 80 с. - (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 15). - 5300 экз. - ISBN 5-217-00923-3
• Власов В. Ф. Курс радиотехники. - М .: Госэнергоиздат, 1962. - 928 с.
• Изюмов Н. М., Линде Д. П. Основы радиотехники. - М .: Госэнергоиздат, 1959. - 512 с.
• Лозинский М. Г. Промышленное применение индукционного нагрева. - М .: Изд-во АН СССР, 1948. - 471 с.
• Применение токов высокой частоты в электротермии / Под ред. А. Е. Слухоцкого. - Л. : Машиностроение, 1968. - 340 с.
• Слухоцкий А. Е. Индукторы. - Л. : Машиностроение, 1989. - 69 с. - (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 12). - 10 000 экз. -

Под индукционным, или высокочастотным нагревом понимают нагрев при бесконтактной передаче электроэнергии в заготовку электромагнитным полем, возникающим вокруг проводника, по которому течет переменный ток.

Применение индукционного нагрева пластической и термической обработки высоколегированных сортов стали и цветных металлов целесообразно при массовом производстве. Эффективность метода определяется высокой скоростью нагрева, в результате чего практически полностью исключается окисление металла, позволяет сохранить в стали мелкое зерно, обеспечивающее высокую пластичность заготовки, что снижает расход энергии на обработку ее давлением и увеличивает срок службы кузнечно-прессового оборудования. Непосредственно сами индукционные установки занимают в цехе мало места и легко встраиваются в поточные линии.

Способ имеет и недостатки, заключающиеся в повышенном расходе электроэнергии и высокой стоимости оборудования.

Теорию, индукционного нагрева и первые промышленные установки создал В. П. Вологдин.

Основная часть любой индукционной установки - индуктор - проводник электрического тока, которому может быть придана любая форма. Обычно его изготовляют из прямоугольных медных трубок в виде цилиндрической спирали. Индуктор может быть одно- и многовитковым. На рис. 6.5 представлен (по В. Н. Богданову и С. Е. Рыскину) индуктор для нагрева цилиндрических заготовок. Нагреваемые изделия 3 располагаются внутри спирали 1, изготовленной из медных трубок. Она имеет тепловую защиту 2 из шамотных трубок. Нагреваемые заготовки перемещаются внутри индуктора по водоохлаждаемым направляющим 4. Снаружи спираль удерживается деревянными брусками 5, зажатыми между асбоце­ментными плитами 6. Спираль охлаждается водой, протекающей внутри нее.

Рис. 6.5. Индуктор для нагрева целиндрических заготовок

При прохождении переменного тока через трубки внутри спирали возникает переменное электромагнитное поле. В заготовке, помещенной в индуктор, наводятся (индуктируются) переменные токи (токи Фуко), имеющие одинаковую частоту с частотой тока в спирали. Эти токи нагревают заготовку. В ней электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Переменный ток в сечении проводника распределяется неравномерно, поэтому в проводе индуктора и заготовке максимальная плотность тока будет на поверхности. В глубь проводника плотность тока уменьшается по экспоненте. Условно принято считать, что ток распространяется в пределах определенной толщины, которую называют глубиной проникания тока , где выделяется 90 % тепла. Значение зависит от частоты тока, магнитной проницаемости и удельной электропроводимости материала.

Все металлы и сплавы по магнитным свойствам подразделяют на две группы: ферромагнитные и парамагнитные. Ферромагнитные материалы (углеродистые стали, железо, никель и кобальт) обладают высокой магнитной проницаемостью. Парамагнитные материалы (жаропрочные и нержавеющие стали, латунь, мельхиор, и др.) имеют магнитную проницаемость, близкую к магнитной проницаемости вакуума.

При достижении нагреваемым материалом температуры, соответствующей точке магнитного превращения (критической точке или точке Кюри), значение магнитной проницаемости ферромагнитных материалов уменьшается в 100-200 раз и снижается до величины магнитной проницаемости вакуума, что сопровождается увеличением глубины проникания тока . Критической точке того или иного материала отвечает вполне определенная температура тела. Для стали она равна 768 °С. Поэтому различают две глубины проникания тока: до точки Кюри и после нее («горячую» глубину проникания тока), м. Для меди, нагретой до 60 °С, . Для стали при температурах 1100 - 1200 °С .

Подводимая к индуктору электрическая энергия частично передается в нагреваемые заготовки, а меньшая часть расходуется на нагрев провода индуктора. Отношение количества энергии, передаваемой в заготовку, ко всему количеству энергии, подводимой к индуктору, называют электрическим КПД индуктора . Его значение зависит главным образом от отношения диаметра заготовки к глубине проникания тока , т. е. определяется частотой тока. Электрический КПД растет с увеличением частоты и достигает предельного значения при .

Рис.6.6. Зависимость электрического(/), термического (2) и полного (3) КПД"

индуктора от соотношения диаметра заготовки и глубины проникания в нагретую сталь

Отношение количества энергии, затраченной на нагрев заготовок, к количеству энергии, переданной ей индуктором, называют термическим или тепловым КПД г\ т. Он зависит не только от температуры и продолжительности нагрева, но и от размеров теплоотдающей поверхности. С увеличением величина снижается. Полный КПД индуктора

Характер изменения всех трех коэффициентов приведен на рис. 6.6. Полный КПД индуктора зависит от частоты тока. Ниже приведены рекомендуемые частоты для нагрева стальных заготовок различного диаметра.

f, Гц 50 500 1000 2500 8000 Более 1000

Мм 150 70-160 50-120 30-80 15-40 20

Видно, что цилиндрические заготовки одного и того же диаметра, возможно, нагревать током двух или трех смежных частот. Заготовки диаметром более 50-60 мм до точки Кюри целесообразно нагревать током промышленной частоты, а выше этой точки током повышенной частоты. Нагрев токами двух частот позволяет получать достаточно высокие значения электрического КПД.

Известно два режима нагрева на этих установках: при постоянной температуре на поверхности (методический) и обычный.

Рис. 6.7. Схема индукцион­ной установки с машинным генератором:

1 - магнитный пускатель;

2- автотрансформатор;

3 - двигатель;

4 - выпрямитель;

5 - реостат;

6 - генератор повышенной частоты;

7 - автотрансформатор;

8 - трансформатор;

9 - конденсатор;

10 - индуктор

Для реализации первого режима в начале нагрева к заготовке подводят повышенную мощность, и когда металл будет прогрет до заданной температуры на всю глубину проникания тока, мощность снижают до значения, достаточного для сохранения температуры поверхности постоянной. Плотность теплового потока и, следовательно, мощность на поверхности заготовки пропорциональны квадрату числа ампер-витков, отнесенных к единице длины индуктора. Поэтому при методическом способе нагрева число витков индуктора изменяют по длине. В «холодном» конце индуктора, куда подают заготовки, шаг спирали индуктора минимальный, а в «горячем» - максимальный. Сила тока в индукторе и темп проталкивания заготовки в этом режиме остаются неизменными. Мощность, подводимая к неподвижным заготовкам в обычном режиме нагрева, регулируется изменением силы тока в индукторе путем изменения напряжения с помощью трансформатора. Продолжительность нагрева заготовок зависит от подводимой мощности и частоты тока. Она вычисляется с использованием законов нестационарной теплопроводности или принимается по опытным данным. Ниже приведены данные о продолжительности нагрева стальных заготовок различных диаметров под обработку металлов давлением током частотой 1000 и 2500 Гц, обозначенные соответственно и :

Мм 60 90 120

С 60/45 180/115 450/215

С 100/50 300/130 540/240

Цифры в числителе соответствуют обычному нагреву, а в знаменателе - ускоренному, при постоянной температуре поверхности.

В качестве источников тока повышенной частоты для питания индукционных установок используют электромашинные генераторы и статические преобразователи частоты.

Электромашинные преобразователи состоят из индукторного генератора повышенной частоты, ротор которого приводится во вращение трехфазным двигателем. Генераторы выпускают на частоту 800, 1000, 2500, 8000, 10000 Гц и мощностью до 2500 кВт. Они позволяют осуществить групповое питание нескольких установок. Их обычно устанавливают в специальных помещениях. Это самая дорогостоящая часть индукционной установки.

Ламповые генераторы преобразуют ток промышленной частоты в высокочастотный (от 60 кГц до нескольких мегагерц). Преобразование тока в генераторе проводят дважды: сначала ток промышленной частоты выпрямляют, а затем постоянный ток преобразуют в переменный высокой частоты. Простейшие преобразователи состоят из выпрямителя с анодным трансформатором, генераторной лампы (триода) и колебательного контура. Мощности таких генераторов измеряются десятками киловатт. Их обычно используют для закалки стальных изделий.

К статическим преобразователям частоты относят тиристорные и ионные преобразователи, позволяющие получать ток с частотой до 10 кГц.

В тиристорных преобразователях частоты совмещаются два процесса: выпрямление и инвертирование (преобразование постоянного тока в ток повышенной частоты). Чаще всего выпрямление и инвертирование осуществляют разные группы тиристоров.