Индукционный нагреватель – принцип работы, достоинства и недостатки, особенности самостоятельного изготовления

Принцип разогрева материалов наведенными токами высокой частоты давно применяется в промышленности. Метод можно использовать в быту для нагрева воды, в том числе в целях отопления дома, так как передача энергии происходит более эффективно и с меньшими потерями. Разберем, что собой представляет индукционный нагреватель, как он работает, какими плюсами и минусами обладает, а также в чем заключаются особенности его самостоятельного изготовления.

Водонагревающий агрегат индукционного типа Источник by.kotel-electr.ru

Индукционное нагревание – что это такое, применение

В настоящее время в промышленности широко применяется метод бесконтактного разогрева заготовок перед выполнением различного рода операций – плавки, сварки, пайки, ковки и проч. Эффективность его настолько высока, что он быстро вытесняет традиционные способы нагрева. При этом ввиду особенностей передачи энергии – без использования проводника – потери минимальны, и потому у метода высокий экономический показатель.

Индукционный нагрев – это повышение температуры предметов из электропроводящих материалов посредством действия в их структуре переменного магнитного поля. Технологическая суть процедуры заключается в следующем:

1. Предмет, который требуется нагреть, помещается внутрь индуктора – свитого в виде спирали проводника.
2. Далее в индуктор посредством специального генератора направляются переменные токи большой силы и различной частоты.
3. В результате проводник начинает излучать переменное магнитное поле.
4. Электропроводящий предмет пронизывается этим полем, в следствие чего в нем возникают наведенные токи.
5. Под действием вихревых токов температура материала повышается.

Простейший индукционный прибор для нагрева Источник ytimg.com
Такая схема «индуктор-предмет» по сути является трансформатором без сердечника. В ней индуктор – это первичная обмотка, предмет – накоротке замкнутая вторичная. Потоки магнитного поля замыкаются между ними по воздуху. На мощных промышленных установка индукторный проводник сам может сильно разогреваться, поэтому для обеспечения безопасности к нему подводится система охлаждения.

Принцип индукционного нагрева находит широкое применение в самых различных областях:

1. Бесконтактная сварка, плавка и пайка сверхвысокой чистоты.
2. Термическая обработка и гибка элементов и узлов в автопромышленности.
3. Создание экспериментальных образцов сплавов.
4. Изготовление ювелирных украшений.
5. Закаливание изделий по поверхности.
6. Термообработка мелко габаритных деталей, не доступных для воздействия плазмой и дугой.
7. Термическая обработка и закаливание элементов сложных форм.
8. Дезинфекция приборов и инструментов в медицине.

Проточный водонагреватель – одна из наиболее часто используемых областей применения индукционного нагрева в быту Источник equipmaster.ru

На заметку! Метод бесконтактного разогрева также нашел широкое применение для изготовления бытовых нагревательных приборов, особенно для воды. Однако по цене такие модели существенно превосходят традиционные аналоги, работающие на ТЭНе. Поэтому при достаточном опыте их можно изготовить самостоятельно.

Канальная печь

Канальная индукционная плавильная печь – первая из примененных в промышленности. Она и конструктивно похожа на трансформатор, см. рис. справа:

Канальная индукционная печь

1. Первичная обмотка, питаемая током промышленной (50/60 Гц) или повышенной (400 Гц) частоты, выполнена из медной, охлаждаемой изнутри жидким теплоносителем, трубки;
2. Вторичная короткозамкнутая обмотка – расплав;
3. Кольцеобразный тигель из жаростойкого диэлектрика, в котором помещается расплав;
4. Наборный из пластин трансформаторной стали магнитопровод.

Канальные печи используются для переплавки дюраля, цветных спецсплавов, получения высококачественного чугуна. Промышленные канальные печи требуют затравки расплавом, иначе «вторичка» не замкнется накоротко и нагрева не будет. Или между крошками шихты возникнут дуговые разряды, и вся плавка просто взорвется. Поэтому перед пуском печи в тигель наливают немного расплава, а переплавленную порцию выливают не до конца. Металлурги говорят, что канальная печь имеет остаточную емкость.

Канальную печь на мощность до 2-3 кВт можно сделать и самому из сварочного трансформатора промышленной частоты. В такой печи можно расплавить до 300-400 г цинка, бронзы, латуни или меди. Можно переплавлять дюраль, только отливке нужно по остывании дать состариться, от нескольких часов до 2-х недель, в зависимости от состава сплава, чтобы набрала прочность, вязкость и упругость.

Примечание: дюраль вообще был изобретен случайно. Разработчики, обозлившись, что легировать алюминий никак не удается, бросили в лаборатории очередной «никакой» образец и ушли в загул с горя. Протрезвились, вернулись – а никакой изменил цвет. Проверили – а он набрал прочность едва ли не стали, оставшись легким, как алюминий.

«Первичку» трансформатора оставляют штатной, она уже рассчитана на работу в режиме КЗ вторички сварочной дугой. «Вторичку» снимают (ее потом можно поставить обратно и использовать трансформатор по прямому назначению), а вместо нее надевают кольцевой тигель. Но пытаться переделать в канальную печь сварочный ВЧ-инвертор опасно! Его ферритовый сердечник перегреется и разлетится в куски из-за того, что диэлектрическая проницаемость феррита >>1, см. выше.

Проблема остаточной емкости в маломощной печке отпадает: в шихту для затравки кладут проволочку из того же металла, согнутую в кольцо и со скрученными концами. Диаметр проволоки – от 1 мм/кВт мощности печи.

Но появляется проблема кольцевого тигля: единственный подходящий для малого тигля материал – электрофарфор. В домашних условиях обработать его самому невозможно, а где взять покупной подходящий? Прочие огнеупоры не годятся вследствие высоких диэлектрических потерь в них или пористости и малой механической прочности. Поэтому, хотя канальная печь дает плавку высочайшего качества, не требует электроники, а ее КПД уже при мощности 1 кВт превышает 90%, у самодельщиков они не в ходу.

Принцип работы нагревателя

Механизм выработки тепла у бытовых электроприборов рассматриваемого типа основан на том же самом законе, на котором функционируют промышленные установки. Однако в схеме их работы есть свои особенности. Прежде всего они касаются устройства. Так, бытовой индукционный проточный водонагреватель состоит из следующих основных элементов:

• Индуктор – катушка-намотка медной проволоки. При прохождении через него тока образуется магнитное поле, под действием которого разогревается электропроводящий материал нагревателя.
• Генератор – преобразователь стабильного бытового тока в необходимый по мощности высокочастотный поток.

Принцип работы индукционного водяного нагревателя Источник vinteplo.ru
Смотрите также: Каталог компаний, что специализируются на инженерных системах (отоплении, водоснабжении, канализации и прочих) и сопутствующих работах

• Нагревательный элемент – металлическая труба, через которую пропускается водяной поток для нагрева. Нагреватель попутно выполняет функцию охладителя для индуктора, тем самым обеспечивая ему стабильные характеристики работы и долговечность.

Генератор преобразует ток из обычного в высокочастотный и подает его на катушку. Обмотка из проволоки вырабатывает магнитное поле. Находящийся внутри нее нагреватель-трубка разогревается и передает тепло проходящему через него водяному потоку. Ввиду отсутствия прямого контакта при переходе из одного вида энергии в другой, потери минимальны. КПД таких электронагревателей достигает 98%.

Справка! По аналогичной выше рассмотренной схеме работает индукционный котел, являющийся экономным, эффективным и долговечным обогревателем для дома. Только вместо трубки в индуктор помещается теплообменный контур, проходя через который нагревается и распределяется по всем радиаторам жилой площади специальный теплоноситель.

Устройство и принцип действия индукционного котла для отопления Источник oboiman.ru

Немного теории

При конструировании самодельной «индукционки» нужно твердо помнить: минимум потребляемой мощности не соответствует максимуму КПД, и наоборот. Минимальную мощность от сети печка возьмет при работе на основной резонансной частоте, Поз. 1 на рис. Болванка/шихта при этом (и на более низких, дорезонансных частотах) работает как один короткозамкнутый виток, а в расплаве наблюдается всего одна конвективная ячейка.

Режимы работы тигельной индукционной печи

В режиме основного резонанса в печке на 2-3 кВт можно расплавить до 0,5 кг стали, но разогрев шихты/заготовки займет до часа и более. Соответственно, общее потребление электричества от сети будет большим, а общий КПД – низким. На дорезонансных частотах – еще ниже.

Вследствие этого индукционные печи для плавки металла работают чаще всего на 2-й, 3-й и др. высших гармониках (Поз. 2 на рис.) Требуемая для разогрева/расплавления мощность при этом возрастает; для того же полкило стали на 2-й понадобится 7-8 кВт, на 3-ей 10-12 кВт. Но прогрев происходит очень быстро, за минуты или доли минут. Поэтому и КПД выходит высокий: печка не успевает «съесть» много, как расплав уже можно лить.

У печей на гармониках есть важнейшее, даже уникальное достоинство: в расплаве возникает несколько конвективных ячеек, мгновенно и тщательно его перемешивающих. Поэтому можно вести плавку в режиме т. наз. быстрой шихты, получая сплавы, которые в любых других плавильных печах выплавить принципиально невозможно.

Если же «задрать» частоту в 5-6 и более раз выше основной, то КПД несколько (ненамного) падает, но проявляется еще одно замечательное свойство индукционки на гармониках: поверхностный нагрев вследствие скин-эффекта, вытесняющего ЭМП к поверхности заготовки, Поз. 3 на рис. Для плавки этот режим используется редко, но для разогрева заготовок под поверхностную цементацию и закалку – милое дело. Современная техника без такого способа термообработки была бы просто невозможна.

О левитации в индукторе

А теперь проделаем фокус: накрутим первые 1-3 витка индуктора, затем перегнем трубку/шину на 180 градусов, и остальную обмотку навьем в обратном направлении (Поз 4 на рис.) Подключим к генератору, введем в индуктор тигель в шихтой, дадим ток. Дождемся расплавления, уберем тигель. Расплав в индукторе соберется в сферу, которая там останется висеть, пока не выключим генератор. Тогда – упадет вниз.

Эффект электромагнитной левитации расплава используют для очистки металлов путем зонной плавки, для получение высокоточных металлических шариков и микросфер, и т.п. Но для надлежащего результата плавку нужно вести в высоком вакууме, поэтому здесь о левитации в индукторе упомянуто только для сведения.

Достоинства и недостатки

Преимущества бытового нагревателя воды рассматриваемого типа заключаются в следующем:

• Большой срок службы. Средний период гарантии большинства производителей – 30 лет. При этом установка не требует серьезного технического обслуживания и ремонта с заменой основных элементов на протяжении всего периода эксплуатации. Профилактическая чистка проводится не чаще одного раза в 7-9 лет.
• Экономный расход электроэнергии. Для производства одного и того же количества тепла в сравнении с разновидностями, работающими на традиционных ТЭН-ах, энергии затрачивается на 30-40% меньше.
• Отсутствие накипи. Специфика механизма действия прибора исключает образование накипи на рабочих элементах установки. Кроме того, во включенном состоянии прибор слегка вибрирует, что также является хорошим защитным фактором от нароста различного рода отложений на контактирующих с водой его внутренних частях.
• Минимальный риск протечек. Бесконтактная технология нагрева исключает факторы разрушения – когда под действием тепла и сырости металлические элементы быстро ржавеют.

Индукционный нагреватель воды надежен, долговечен и экономичен Источник rusolymp.ru

Особенности самостоятельного изготовления

Для того, чтобы сделать индукционный нагреватель, необходимо иметь опыт электротехнических работ и сборки самодельных электроприборов, а также навыки по обработке металла и других материалов и уметь монтировать проводку. Поэтому при их отсутствии доверить такую работу лучше профессионалам. При этом общий алгоритм изготовления прибора состоит из следующих последовательных этапов:

• Изготовление нагревателя. Как правило, используется отрезок толстостенной металлической трубы с переходниками на концах, заключенный в термостойкую пластиковую трубку большего диаметра.

Видео описание

Видео-пример изготовления индукционного нагревателя:

• Создание индуктора. На трубку плотно наматывается изолированный медный провод сечением около 1-1,5 мм2. Количество витков должно быть не менее 90.
• Подбор подходящего генератора переменного тока. Наиболее простой и доступный способ – воспользоваться инвертором от соответствующего сварочного агрегата.
• Соединение нагревателя с индуктором к водопроводу или трубе отопления.
• Подключение индуктора к сети. Контактные жилы от катушки подсоединяются к плюсовым контактам инвертора.
• Подводка электропитания. На выводах устанавливаются диоды-выпрямители. Без них напряжение подаваемого тока будет подаваться выпрямленным, и катушка будет функционировать по типу электромагнита, а не индуктора.
• Включение и проверка работы прибора.

Обратите внимание! Изготовленный своими силами нагреватель в отличие от заводских аналогов не оснащен системой защиты и контроля. Поэтому перед включением необходимо убедиться, что нагревательный элемент заполнен водой.

Индукционный котел для обогрева дома- сравнение с котлом на ТЭНах

16 Май 2012 Электрообогрев дома
Приветствую вас, читатель моего сайта !

Мне очень близка тема обогрева дома с помощью электрокотлов, о чем я неоднократно вам рассказывал как на основе самодельных электрокотлов, сделанных своими руками, так и котлов заводского изготовления, например очень качественного электрокотла Протерм, изготавливаемого в Словакии.

И вот недавно я чисто случайно наткнулся в интернете на применение свойств электромагнитной индукции в бытовом электрокотле.

На производстве это давно применяется- например плавят металл в индукционных печах. Но вот применение в быту- это интересно.

Меня очень заинтересовало эта информация. Речь идет о индукционном электрокотле где в качестве нагревательного элемента используется катушка индуктивности.

Кстати подобное устройство применяется и в современной индукционной бытовой электроплите, подробнее можете почитать в Википедии

Конечно сразу стал рыть информацию в интернете что это за индукционный нагреватель, каков принцип его работы, есть ли у них преимущество перед электрокотлами на тэнах?

Оказалось все не так просто и радужно как казалось…

Коротко о главном

Индукционное нагревание основано на способности переменного магнитного поля повышать температуру предметов из электропроводных материалов. Нагрев осуществляется бесконтактным способом и отличается высокой производительностью и малыми потерями энергии. По этой причине метод находит широкое применение в различных сферах – плавке, сварке, пайке металлов, термообработке узлов и элементов в производстве, дезинфекции инструментов в медицине.

В работе бытового водонагревателя действует тот же принцип. Нагревательный элемент, через который проходит вода, помещается в катушку-индуктор. При подаче высокочастотного тока вырабатывается переменное магнитное поле, разогревающее металлический нагреватель. Среди главных плюсов таких приборов выделяются:

• Долговечность.
• Экономность.
• Отсутствие накипи.
• Работа без протечек.
• Естественная конвекция.

Недостатки связаны с выделение тепла в окружающее пространство, необходимостью стабильной подачи электроэнергии, постоянном контроле рабочих характеристик, рабочим шумом и вредным излучением. При изготовлении устройства необходимо следовать инструкции и иметь достаточный опыт.