Электрическая индукция в промышленности используется давно, в частной жизни встречалась редко, пока не сделали индукционные плиты для кухни. Раз есть плиты, почему не сделать котел? Однако, чтобы производство быстрее окупилось, необходимо быстро реализовать готовую продукцию. Чтобы продать – нужно расхвалить, приукрасить. Чтобы не сожалеть о покупке, необходимо рассмотреть достоинства, недостатки котла.

Обогреватель индукционный
Стандартная конструкция обогревателя с индукционной катушкой

Устройство, принцип действия индукционного нагревателя


Чтобы разобрать принцип работы индукционного котла, необходимо вспомнить физику. Если по прямому проводнику пропустить постоянный ток, вокруг появится электромагнитное поле. Будет вращаться по часовой стрелке, если смотреть по направлению движения электронов. Когда провод сворачивают в катушку, магнитное поле собирается в пучок, сила увеличивается.

В центр катушки помещают сердечник из токопроводящего материала (проводник). Свободные, слабо закрепленные электроны переместятся к одному концу сердечника. При подаче на катушку переменного тока, магнитный поток меняет направление, электроны движутся от одного края сердечника к другому.

Магнитное поле сконцентрировано, проникает через сердечник, «таская» за собой электроны. Электроны, находящиеся на поверхности, меньше встречают препятствий, чем находящиеся внутри проводника. Преодолевая сопротивление, работают, нагревая материал. Особенность используют в индукционных агрегатах.

Чтобы электроны работали больше, частоту увеличивают. Частоты:

  • средние 1–20 кГц;
  • высокие 30–100 кГц;
  • сверхвысокие 0,1–2 МГц.

Для создания частот используют генераторы. Катушку называют индуктором.

Области применения

При повышении частоты, влияющая способность магнитного потока внутри тела уменьшается. Например, на сверхвысоких частотах глубина разогрева может составлять 1 мм и меньше. Позволит работать с высокоточными инструментами, не деформируя, разогревать мелкие детали, например, в механических часах.

Самое большее применение получили высокочастотные аппараты. Используются для ковки, пайки, закалки металла. Средняя частота применяется в индукционных печах для глубокого нагрева металла.

Индукционный обогреватель – котёл отопления

Пример обогревателя — труба, вокруг которой намотана катушка. Витки изолируются друг от друга, катушка от трубы. Конструкция, генератор могут располагаться в корпусе, например, трубе. При подключении электрической схемы образуется магнитное переменное поле, нагревающее трубу. Нагреваясь, труба отдает тепло жидкости, она передает батареям, конвектору.

Обогреватель индукционный
Схема устройства

Индукционный котел нагревается очень быстро, отопление не может быть с естественной циркуляцией, необходим насос.

Виды индукционных котлов


Принцип работы водонагревателей одинаковый, однако, существуют отличия в конструкциях:

  • с инверторами;
  • с трубчатым теплообменником;
  • кожуховые;
  • с объемным теплообменником.
Обогреватель индукционный
Подключенные последовательно котлы увеличивают мощность установки

По частоте тока:

  • низкочастотные SAV;
  • высокочастотные ВИН.

Индукционные обогреватели, если не оговаривается в паспорте, требуют заземления.

Индукционные обогреватели SAV

Обогреватель работает на частоте 50 Гц. Катушка наматывается на металлическую трубу, по ней проходит теплоноситель. В других конструкциях труба огибает наружные витки катушки, поверхность нагрева увеличивается. Оборудование простое. Чтобы увеличить производительность, подключают несколько нагревателей последовательно. Питание котел получает от сети 220, 380 В.


Обогреватель индукционный
Вода обтекает катушку

ВИН агрегаты отопления

Обогреватель ВИН (вихревой индукционный нагреватель) отличается от предыдущего вида наличием генератора частот. Электрическая схема может получать питание от аккумулятора. Производят из ферромагнитного материала. Стоит ВИН обогреватель значительно больше, чем SAV.

Оценка маркетинговых характеристик-утверждений

Отопление индукционными аппаратами имеет право на существование. Не лишен отрицательных особенностей. Рекламщики иногда умалчивают о недостатках, преувеличивают достоинства, вводя в заблуждение покупателей.

Экономичность

Существует заверение, что индукция повышает КПД. Все электронагреватели имеют КПД не ниже 96%. Получить 100% тяжело, любой проводник в обычных условиях имеет сопротивление. При нагревании материала сопротивление увеличивается. Индуктор — не исключение, часть энергии теряется в катушке, КПД не 100%.


Потери энергии в электронагревателях идут на нагрев теплоносителя.

Возможно, мнение сложилось из-за быстрого нагрева. ТЭН действительно греется медленнее, но запасенная энергия отдается жидкости.

Долговечность

Другое утверждение связано с большим сроком службы, надежностью. Объясняют тем, что в простой конструкции ломаться нечему. В электродных котлах тоже ломаться нечему. Если ТЭН выйдет из строя, можно поменять, чего нельзя сказать про индуктивную катушку.

Неизменность характеристик за срок эксплуатации

Утверждение связано с образованием накипи на нагревательном элементе. На катушке накипь не появится, она не соприкасается с водой. Труба, нагреваемая индуктором, покрывается налетом в тэновом, электродном котлах. Зависит от качества воды, температуры.

Даже в термосе образуется накипь, хотя кипяток там только хранится.


Бесшумность

Еще одно утверждение, не поддающееся логике, что только индукционный аппарат бесшумный. Какой шум издают другие электрические нагревательные приборы? Есть кипятильники. Когда вода закипает, появляется шум. Однако, в котлах это нештатная ситуация. Вода может шуметь в радиаторе, это не связано с обогревателем. Относится к работе насоса, регулировке системы отопления.

Компактность

Утверждение, что индукторная схема самая компактная неверно. Новые модели электродных котлов, обладая хорошей мощностью, имеют меньшие размеры, выглядят симпатичнее. Для координирования индуктора нужен шкаф, где будут располагаться управляющие органы. Электродные, тэновые устройства монтируются в одном корпусе.

Безопасность

Прямая угроза для непосвященного человека. Связано с двумя факторами:

  • опасность электрического тока;
  • сильное магнитное поле.

Электрический прибор, получающий питание от сети, несет потенциальную опасность. Индукционное устройство – трансформатор. Катушка имеет изоляцию, но где гарантия, что прибор собран качественно, изоляция не будет разрушена? Есть схема защиты в виде заземления, автоматов. Особенно, электроприбор представляет опасность для детей.


Если индукция делает основную работу, ареал распространяется далеко от котла. Банковская карта, находящаяся в кармане, размагнитится.

Есть люди, чьи жизненные функции контролируются очень чувствительными электронными приборами. Говорить о безопасности мощного магнитного излучателя могут только неосведомленные люди. Котел должен стоять в специальном помещении (котельной). Ошибочность утверждений:

Недостатки индукционных нагревателей

Аспекты, которые обходят стороной маркетологи:

  • скорость нагрева;
  • переключение мощности;
  • отсутствие сигнализации;
  • шум контакторов;
  • вес;
  • цена.

Если во включенном котле не окажется воды, нагревательную трубу индукционное поле просто разрежет. Не все индукторы снабжены переключателями мощности. Приводит к скачку напряжения в сети.

Котел (первые модели) не имеет системы сигнализации, которая оповещает об ошибке. Индуктор включается на полную мощность, используются мощные контакторы.

Если взять котел индукционный и любой другой электрический котел той же мощности,  первый — значительно тяжелее. Одинаковой мощности, автоматики, котел с индуктором стоит в два раза больше, чем с ТЭНом, электродами. Не значит, что для обогрева индуктор не подходит, нужно знать особенности.

Правила эксплуатации

Отопление с индуктором должно иметь:


  • водяной насос;
  • заземление на котле;
  • группу безопасности;
  • датчики температур, связанные с аварийной схемой отключения.

Источник: laminatepol.ru

Что собой представляет

Индукционные вихревые обогреватели подходят для отопления дома, гаража, квартиры, бани, в общем, любых квадратных метров, где тепла недостаточно или оно отсутствует вовсе. Индукционные обогреватели работают за счёт вихревых токов (токи Фуко), создаваемых магнитным полем. Они нагревают окружающее пространство. Для генерации такого поля необходим индуктор, представляющий собой многовитковую катушку в виде цилиндра. Переменный электрический ток, проходя через эту самую катушку, создаёт магнитное поле. Далее вихревые токи преобразуются в тепловую энергию.

Обогреватель индукционный

Нагрев до высоких температур (70 градусов) с помощью такого устройства происходит довольно быстро, примерно за 5 минут.

Преимущества и недостатки

Анализируя рабочий процесс обогревателя и связанные с ним затраты, хочется отметить несомненные плюсы, которые получает обладатель такого устройства:


  1. КПД 99%, практически отсутствует потеря тепла.
  2. При работе системы не образовывается накипь, в отличие от нагревателей, имеющих ТЭН.
  3. Экологически безопасный обогрев помещения.
  4. При обогреве можно использовать как воду (чаще всего), так и антифриз, масло.
  5. Отсутствует надобность в частом профилактическом обслуживании.
  6. Процесс установки не требует специальных навыков, неприхотливая эксплуатация.
  7. Высокая пожаро- и электро-безопасность.
  8. Возможность совмещения с другими системами отопления.
  9. Работа от сети как переменного тока, так и постоянного.
  10. Срок службы свыше 20 лет.

Несмотря на все преимущества, которыми обладает прибор, нельзя не отметить существенные минусы:

  • высокая стоимость оборудования в магазинах;
  • дорогостоящее отопление;
  • требуется наличие стабильного электроснабжения;
  • большой вес устройства;
  • возможность установки только в закрытую систему отопления.

Применение

Отопление, основанное на вихревых токах, созданных электромагнитными полями может найти своё применение при:

  • обогреве жилого хозяйства, дома,  бани, гаража, промышленного или административного здания;
  • в системе горячего водоснабжения;
  • обогреве сооружений и конструкций, имеющих определённые требования к источникам тепла (по безопасности).

Обогреватель индукционный

Индукционный обогреватель своими руками

Из-за дороговизны прибора многие решают изготовить подобный нагреватель самостоятельно. В интернете можно встретить много статей, в которых описывается, как сделать индукционный котел – обогреватель своими руками. Мы опишем принцип изготовления простейшего типа устройства, чтобы с подобной задачей мог справиться любой хозяин.

Перед тем как приступить к работе, подготовьте следующие инструменты: кусачки, паяльник (если вы планируете делать сердечник из металлической трубы), отвертки.

  1. Нарежьте проволоку из нержавеющей стали диаметром 7 мм на кусочки приблизительно в 5 мм.
  2. Подготовьте пластиковую или металлическую трубу (сердечник), стенки которой должны быть толщиной не менее 3-5 мм, чтобы она смогла выдерживать высокие температуры.
  3. Заполните трубу доверху обрезками из проволоки.
  4. Концы трубы закройте сеткой, чтобы исключить вероятность выпадения из неё обрезков во время работы прибора.
  5. Далее по всей длине трубы спиралью намотайте медную проволоку, сделав порядка 90 витков.
  6. Изготовьте котёл, вырезав прямоугольный участок трубы.
  7. В отверстие котла вставьте изготовленное устройство.
  8. Концы медной проволоки подключите к инвертору с высокой частотой действия. Купить его можно практически во всех магазинах, имеющих строительное направление.

Перед сборкой оборудования оцените свои силы и возможности. Не беритесь за изготовление нагревательного прибора, если ничего не понимаете в электричестве.

Индукционный обогреватель воды для системы отопления

Обогреватель имеет весьма неприхотливую конструкцию. Он высокоэффективен и надёжен. Используя его при изготовлении котла в системе отопления, можно пренебречь установкой насоса, поскольку вода будет течь по трубам в результате конвекции.

Такое устройство следует снабдить патрубками: для холодной и горячей воды. Сверху через патрубок горячая вода будет подаваться в систему отопления. А снизу на вводной части через него будет пребывать холодная вода

Безопасное использование

Учитывайте, что индукционный обогреватель – это электрическое устройство повышенной опасности. Правила, которые стоит учесть, при изготовлении такого оборудования:

  1. Оснастите устройство датчиком температуры. В случае перегрева оборудования система должна иметь возможность автоматического отключения.
  2. Для самодельного оборудования организуйте отдельную линию электропроводки с увеличенным сечением провода.
  3. Не пренебрегайте изоляцией оголённых участков, обезопасьте своих близких от удара током.
  4. Перед включением индуктора убедитесь, что труба заполнена водой. При её отсутствии прибор может сгореть, а труба расплавиться.
  5. Не размещайте оборудование в жилой зоне. Электромагнитные волны оказывают негативное влияние на здоровье людей и животных.
  6. Прибор следует установить на высоте более чем 80 см от пола, а расстояние от устройства до потолка должно составлять не менее 30 см.
  7. Заземлите оборудование.
  8. Установку прибора следует производить через автомат, чтобы в случае аварии, устройство было отключено от питания.
  9. Для снижения давления в системе не лишним будет установить предохранительный клапан в системе трубопровода.

Если обобщить информацию, то можно сделать вывод:

  1. Индукционный нагреватель имеет высокий коэффициент полезного действия, у некоторых моделей он достигает 99%.
  2. Устройство может использоваться как в виде водонагревателя, так и в виде котла в системе отопления.
  3. Конструкция нагревателя достаточно проста, поэтому её сборка и установка возможна своими силами.
  4. Использование индукционного водонагревателя на территории РФ не регламентировано.

Несмотря на все плюсы, решение об установки подобного оборудования стоит принимать взвешенно:

  1. Во-первых, оно потребляет достаточно большое количество электроэнергии.
  2. Во-вторых, прибор, особенно собранный самостоятельно, нельзя назвать полностью безопасным.
  3. В-третьих, он оказывает негативное влияние на здоровье людей и животных. Поэтому устанавливать его всё же следует на дачах или в собственных домах.

Источник: tehnika.expert

История индукционного нагрева[править | править код]

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году принадлежит Майклу Фарадею. При движении проводника в поле магнита в нём наводится ЭДС, так же как при движении магнита, силовые линии которого пересекают проводящий контур. Ток в контуре называется индукционным. На законе электромагнитной индукции основаны изобретения множества устройств, в том числе определяющих — генераторов и трансформаторов, вырабатывающих и распределяющих электрическую энергию, что является фундаментальной основой всей электротехнической промышленности.

В 1841 году Джеймс Джоуль (и независимо от него Эмиль Ленц) сформулировал количественную оценку теплового действия электрического тока: «Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля» (закон Джоуля — Ленца). Тепловое действие индуцированного тока породило поиски устройств бесконтактного нагрева металлов. Первые опыты по нагреву стали с использованием индукционного тока были сделаны Е. Колби в США.

Первая успешно работающая т. н. канальная индукционная печь для плавки стали была построена в 1900 году на фирме «Benedicks Bultfabrik» в городе Gysing в Швеции. В респектабельном журнале того времени «THE ENGINEER» 8 июля 1904 г. появилась знаменитая публикация, где шведский изобретатель инженер F. A. Kjellin рассказывает о своей разработке. Печь питалась от однофазного трансформатора. Плавка осуществлялась в тигле в виде кольца, металл, находящийся в нём, представлял вторичную обмотку трансформатора, питающегося током 50-60 Гц.

Первая печь мощностью 78 кВт была запущена в эксплуатацию 18 марта 1900 года и оказалась весьма неэкономичной, поскольку производительность плавки составляла всего 270 кг стали в сутки. Следующая печь была изготовлена в ноябре того же года мощностью 58 кВт и ёмкостью 100 кг по стали. Печь показала высокую экономичность, производительность плавки составила от 600 до 700 кг стали в сутки. Однако износ футеровки от тепловых колебаний оказался на недопустимом уровне, частые замены футеровки снижали итоговую экономичность.

Изобретатель пришёл к выводу, что для максимальной производительности плавки необходимо при сливе оставлять значительную часть расплава, что позволяет избежать многих проблем, в том числе износа футеровки. Такой способ выплавки стали с остатком, который стали называть «болото», сохранился до сих пор в некоторых производствах, где применяются печи большой ёмкости.

В мае 1902 года была введена в эксплуатацию значительно усовершенствованная печь ёмкостью 1800 кг, слив составлял 1000—1100 кг, остаток 700—800 кг, мощность 165 кВт, производительность плавки стали могла доходить до 4100 кг в сутки! Такой результат по потреблению энергии 970 кВт⋅ч/т впечатляет своей экономичностью, которая мало уступает современной производительности порядка 650 кВт⋅ч/т. По расчётам изобретателя из потребляемой мощности 165 кВт в потери уходило 87,5 кВт, полезная тепловая мощность составила 77,5 кВт, получен весьма высокий полный КПД, равный 47 %. Экономичность объясняется кольцевой конструкцией тигля, что позволило сделать многовитковый индуктор с малым током и высоким напряжением — 3000 В. Современные печи с цилиндрическим тиглем значительно компактнее, требуют меньших капитальных вложений, проще в эксплуатации, оснащены многими усовершенствованиями за сотню лет своего развития, однако КПД повышен несущественно. Правда, изобретатель в своей публикации игнорировал тот факт, что плата за электроэнергию осуществляется не за активную мощность, а за полную, которая при частоте 50-60 Гц примерно вдвое выше активной мощности. А в современных печах реактивная мощность компенсируется конденсаторной батареей.

Своим изобретением инженер F. A. Kjellin положил начало развития промышленных канальных печей для плавки цветных металлов и стали в индустриальных странах Европы и в Америке. Переход от канальных печей 50-60 Гц к современным высокочастотным тигельным длился с 1900 по 1940 г.

Принцип действия[править | править код]

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.

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является как бы 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 (скин-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 увеличивается в e раз относительно плотности тока в заготовке, 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, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.

Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

Δ = 10 3 ρ μ π f {displaystyle Delta =10^{3}{sqrt {frac {rho }{mu pi f}}}}

,

где ρ — удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки, Ом·м, f — частота электромагнитного поля, генерируемого индуктором, Гц.

Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,047 мм, для железа ≈ 0,0001 мм[источник не указан 639 дней].

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[править | править код]

  • 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.
  • Распыление геттера и прогрев (активация и тренировка) катода в процессе производства вакуумных электронных приборов.

Преимущества[править | править код]

  • Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.
  • Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в 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, жидкие металлы и т. п. Например, внутренности радиолампы можно прогревать для обезгаживания прямо через стеклянную колбу. Электролиты (растворы солей) невозможно нагревать индукционным нагревом, так как ионы, в отличие от электронов, обладают большой массой и малой подвижностью.
  • 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 тигеле).
  • 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.
  • Нет загрязнения воздуха, так как отсутствуют продукты горения. Небольшие установки индукционного нагрева можно эксплуатировать в замкнутом и плохо проветриваемом помещении, не оборудованном специальными средствами вентиляции и вытяжками (гаражи, небольшие домашние мастерские, подвалы).
  • 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 медленно за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина детали при этом остаётся вязкой).
  • Лёгкая автоматизация оборудования и конвейерных производственных линий. Простота управления циклами нагрева и охлаждения. Простая регулировка и удерживание температуры, стабилизация мощности, подача и съём заготовок.

Недостатки[править | править код]

  • Повышенная сложность оборудования, необходим квалифицированный персонал для проектирования установок, их 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 электронагревательных спиралей.
  • Требуется мощный источник электроэнергии для питания установки индукционного нагрева, а также насос и бак с охлаждающей жидкостью для охлаждения индуктора (чиллер), которые в полевых условиях могут отсутствовать. В этом случае применение, например, газовых горелок с портативными газовыми баллонами более оправдано.
  • Несмотря на небольшие размеры индуктора, агрегат индукционного нагрева в целом достаточно громоздок и маломобилен и больше подходит для стационарной установки в помещении, чем для выездных работ.

Левитационная плавка (плавка во взвешенном состоянии, плавка в электромагнитном тигле)[править | править код]

Переменный ток в индукторе порождает ток противоположного направления в заготовке. Область заготовки вблизи индуктора можно рассматривать как «виток» проводника с током. Токи, протекающие в противоположных направлениях, отталкиваются по закону Ампера. Таким образом, заготовка отталкивается от индуктора (электромагнитное дутьё).

Для подвешивания электропроводящей заготовки применяют индукторы специальных конструкций, обычно выполненных в виде конуса с противовитком. Электромагнитное поле в подобном индукторе сильнее снизу и по бокам, образуя потенциальную яму, удерживающую заготовку от движения вниз и вбок.

Одновременно с левитацией осуществляется интенсивный разогрев заготовки, что позволяет осуществлять плавку без контакта с тиглем и без загрязнения пробы материалом тигля. Данный метод применяется, например, для получения сверхчистых образцов сплавов.

Устройства индукционного нагрева[править | править код]

Генераторы индукционных токов[править | править код]

Нагревательный индуктор представляет собой катушку индуктивности, входящую в состав рабочего колебательного контура с компенсирующей конденсаторной батареей. Раскачку контура осуществляют либо с помощью электронных ламп, либо с помощью полупроводниковых электронных ключей. 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 полевых МОП-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 (на низких частотах индуктивное сопротивление индуктора (катушки колебательного контура) мало, и возникает короткое замыкание по катушке (индуктору). Добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью очень плохо «накачивается» энергией. 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 (≈700 °С) (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 «Роскомнадзором» частот, поскольку при плохом экранировании являются 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.

Недостаток многоконтурных систем — повышенная сложность и возникновение паразитных колебаний УКВ-диапазона, которые бесполезно рассеивают мощность и выводят из строя элементы установки. Также такие установки склонны к затягиванию колебаний — самопроизвольному переходу генератора с одной из резонансных частот на другую.

Современные ТВЧ-генераторы — это инверторы на IGBT-сборках или мощных МОП-транзисторах, обычно выполненные по схеме мостового или полумостовго выпрямителя. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать:

  1. постоянную частоту;
  2. постоянную мощность, выделяемую в заготовке;
  3. 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.

Проблема индукционного нагрева заготовок из магнитных материалов[править | править код]

Если инвертор для индукционного нагрева не является автогенератором, не имеет схемы автоподстройки частоты (ФАПЧ) и работает от внешнего задающего генератора (на частоте, близкой к резонансной частоте колебательного контура «индуктор — компенсирующая батарея конденсаторов»). В момент внесения заготовки из магнитного материала в индуктор (если размеры заготовки достаточно крупны и соизмеримы с размерами индуктора), индуктивность индуктора резко увеличивается, что приводит к скачкообразному уменьшению собственной резонансной частоты колебательного контура и отклонению её от частоты задающего генератора. Контур выходит из резонанса с задающим генератором, что приводит к увеличению его сопротивления и скачкообразному уменьшению передаваемой в заготовку мощности. Если мощность установки регулируется внешним источником питания, то естественной реакцией оператора является увеличить напряжение питания установки. При разогреве заготовки до точки Кюри, её магнитные свойства исчезают, собственная частота колебательного контура возвращается обратно к частоте задающего генератора. Сопротивление контура резко уменьшается, резко возрастает потребляемый ток. Если оператор не успеет снять повышенное напряжение питания, то установка перегревается и выходит из строя. Если установка оборудована автоматической системой управления, то система управления должна отслеживать переход через точку Кюри и автоматически уменьшать частоту задающего генератора, подстраивая его в резонанс с колебательным контуром (либо уменьшать подаваемую мощность, если изменение частоты недопустимо).

Если производится нагрев немагнитных материалов, то вышесказанное значения не имеет. Внесение в индуктор заготовки из немагнитного материала практически не меняет индуктивность индуктора и не сдвигает резонансную частоту рабочего колебательного контура, и необходимости в системе управления нет.

Если размеры заготовки много меньше размеров индуктора, то она тоже не сильно сдвигает резонанс рабочего контура.

Индукционные плиты[править | править код]

Индукционная плита — кухонная электрическая плита, разогревающая металлическую посуду индуцированными вихревыми токами, создаваемыми высокочастотным магнитным полем, частотой 20-100 кГц.

Такая плита обладает большим КПД по сравнению с ТЭН электроплитками, так как меньше тепла уходит на нагрев корпуса, а кроме того отсутствует период разгона и остывания (когда зря тратится выработанная, но не поглощенная посудой энергия).

Индукционные плавильные печи[править | править код]

Индукционные (бесконтактные) плавильные печи — электрические печи для расплавления и перегрева металлов, в которых нагрев происходит за счет вихревых токов, возникающих в металлическом тигеле (и металле), либо только в металле (если тигель изготовлен не из металла; такой способ нагрева более эффективен, если тигель плохо теплоизолирован).

Применяется в литейных цехах металлургических заводов, а также в цехах точного литья и ремонтных цехах машиностроительных заводов для получения стальных отливок высокого качества. Возможна плавка цветных металлов (бронзы, латуни, алюминия) и их сплавов в графитовом тигле. Индукционная печь работает по принципу трансформатора, у которого первичной обмоткой является водоохлаждаемый индуктор, вторичной и одновременно нагрузкой — находящийся в тигле металл. Нагрев и расплавление металла происходят за счёт протекающих в нём токов, которые возникают под действием электромагнитного поля, создаваемого индуктором.

Замечания[править | править код]

  • 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 {displaystyle operatorname {cos} varphi }

    .

  • Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).
  • При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев идёт намного эффективнее (до точки Кюри).
  • 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.
  • Индукционный нагрев можно проводить в воде, даже солёной. Так как ионы растворённых в воде солей тяжёлые и обладают большой инерционностью, высокочастотное электромагнитное поле не может их «раскачать» и загрязнённая вода не нагревается.

См. также[править | править код]

  • Индуктор нагревательный
  • Диэлектрический нагрев
  • Индукционная тигельная печь
  • Индукционная плита
  • Вихревые токи
  • Токи высокой частоты

Ссылки[править | править код]

  • Простой самодельный индукционный нагреватель
  • Форум, посвященный индукционному нагреву

Источник: ru.wikipedia.org

О принципе индуктивного нагрева

Для начала разъясним, как функционируют электрические индукционные нагреватели. Переменный ток, проходя по виткам катушки, образует вокруг нее электромагнитное поле. Если поместить внутрь обмотки сердечник из магнитящегося металла, то он станет нагреваться вихревыми токами, возникающими под воздействием поля. Вот и весь принцип.

Принцип индукционного нагрева – схема

Важное условие. Чтобы металлический сердечник нагревался, катушка должна питаться переменным током, меняющим знак и вектор поля с высокой частотой. При подаче на обмотку постоянного тока вы получите обыкновенный электромагнит.

Сам нагревательный элемент носит название индуктора и является главной частью установки. В отопительных котлах он представляет собой стальную трубу с протекающим внутри теплоносителем, а в кухонных плитах – плоскую катушку, максимально приближенную к варочной панели, как изображено далее на фото.

Нагрев воды вихревыми токами
Катушка-индуктор нагревает железную трубу, которая передает тепло протекающей воде

Вторая часть индукционного нагревателя — схема, повышающая частоту тока. Дело в том, что напряжение с промышленной частотой 50 Гц малопригодно для работы подобных устройств. Если присоединить индуктор к сети напрямую, то он начнет сильно гудеть и слабо прогревать сердечник, причем вместе с обмотками. Чтобы эффективно преобразовывать электричество в теплоту и полностью передавать ее металлу, частоту нужно повысить минимум до 10 кГц, чем и занимается электросхема.

В чем заключаются реальные преимущества индукционных котлов перед ТЭНовыми и электродными:

  1. Деталь, нагревающая воду, — это простой кусок трубы, не участвующий в электрохимических процессах (как в электродных теплогенераторах). Поэтому срок службы индуктора ограничивается только работоспособностью катушки и может достигать 10—20 лет.
  2. По той же причине элемент одинаково хорошо «дружит» со всеми видами теплоносителей – водой, антифризом и даже машинным маслом, разницы нет.
  3. Внутренности индуктора не покрываются накипью в процессе эксплуатации.
Нагреватель индукционной плиты в разрезе
Здесь сердечником служит посуда из магнитного металла

Примечание. С индукционными котлами связано множество мифов. Например, продавцы утверждают, что они экономичнее других электрических обогревателей на 10—20%, хотя в действительности КПД всех электрокотлов равен 98%. Список преимуществ ограничивается тремя вышеперечисленными пунктами, остальное – реклама.

Варианты самодельных устройств

На просторах интернета размещено достаточное количество разнообразных конструкций, создаваемых для различных целей. Взять индукционный малогабаритный нагреватель, сделанный из компьютерного блока питания 250—500 Вт. Модель, показанная на фото, пригодится мастеру в гараже или автосервисе для плавки стержней из алюминия, меди и латуни.

Самодельный индуктор для плавки алюминия

Но для отопления помещений конструкция не подойдет по причине малой мощности. В интернете есть два реальных варианта, чьи испытания и работа засняты на видео:

  • водонагреватель из полипропиленовой трубы с питанием от сварочного инвертора либо индукционной кухонной панели;
  • стальной котел с нагревом от той же варочной панели.

Справка. Существуют и другие, полностью самодельные конструкции, где преобразователи частоты умельцы собирают с нуля. Но для этого нужны знания и навыки в области радиотехники, поэтому рассматривать их мы не будем, а просто приведем пример такой схемы.

Схема инвертора для индуктивного нагревательного устройства

Теперь давайте подробнее разберем, как делаются индукционные нагреватели своими руками, а главное, — как они потом функционируют.

Изготавливаем нагревательный элемент из трубы

Если вы плотно занимались поиском информации по данной теме, то наверняка столкнулись с этой конструкцией, поскольку мастер выложил ее сборку на популярном видеоресурсе YouTube. После чего многие сайты разместили текстовые версии изготовления этого индуктора в виде пошаговых инструкций. Вкратце нагреватель делается так:

  1. Внутрь трубы из полипропилена диаметром 40 мм и длиной 50 см наталкиваются металлические ершики для мытья посуды (можно рубленую проволоку — катанку). Они должны притягиваться магнитом.
  2. К трубе припаиваются отводы с резьбами для подключения к отопительной сети.Обмотка самодельного нагревателя воды
  3. Снаружи вдоль корпуса приклеиваются 4—5 стержней из текстолита. На них наматывается провод сечением 1.7—2 мм² со стеклоизоляцией, применяющийся в сварочных трансформаторах.
  4. Варочная панель разбирается и «родной» индуктор плоской формы демонтируется. Вместо него подключается самодельный нагреватель из трубы.

Важный нюанс. Длину и сечение провода для намотки катушки следует определять по штатному индуктору печки, чтобы она соответствовала мощности полевых транзисторов в электросхеме. Если взять больше провода, то упадет мощность нагрева, меньше – перегреются и выйдут из строя транзисторы. Как это выглядит визуально, смотрите на видео:

Как нетрудно догадаться, роль нагревательного элемента здесь играют металлические ершики, находящиеся в переменном магнитном поле катушки. Если запустить варочную панель на максимум, одновременно пропуская через импровизированный котел проточную воду, то ее удастся нагреть на 15—20 °С, что и показали испытания агрегата.

Поскольку мощность большинства индукционных плит лежит в пределах 2—2.5 кВт, то с помощью теплогенератора можно обогреть помещения общей площадью не более 25 м². Есть способ увеличить нагрев, подключив индуктор к сварочному аппарату, но здесь есть свои сложности:

  1. Инвертор выдает постоянный ток, а нужен переменный. Для подсоединения индукционного нагревателя аппарат придется разобрать и найти на схеме точки, где напряжение еще не выпрямлено.
  2. Нужно взять провод большего сечения и подобрать число витков путем расчета. Как вариант, медную проволоку Ø1.5 мм в эмалевой изоляции.
  3. Понадобится организовать охлаждение элемента.

Проверку работоспособности индуктивного водонагревателя автор демонстрирует в своем видео, представленном ниже. Испытания показали, что агрегат требует доработки, но конечный результат, к сожалению, неизвестен. Похоже, что умелец оставил проект незавершенным.

Как собрать индукционный котел

В этом случае дешевую китайскую плиту разбирать не нужно. Суть в том, чтобы сварить по ее размерам котловой бак, руководствуясь пошаговой инструкцией:

  1. Возьмите стальную профильную трубу 20 х 40 мм с толщиной стенки 2 мм и нарежьте из нее заготовок по ширине панели.
  2. Сварите трубки между собой по длине, стыкуя меньшими сторонами.
  3. Сверху и снизу к торцам герметично приварите железные крышки. Сделайте в них отверстия и поставьте патрубки с резьбами.
  4. К одной из сторон прикрепите сваркой 2 уголка, чтобы они образовали полку для индукционной печки.
  5. Покрасьте агрегат термостойкой эмалью из баллончика. Подробнее процесс сборки показан в видеоролике.

Окончательная сборка и запуск заключается в монтаже котла на стену и его врезке в систему отопления. Варочная панель вставляется в гнездо из уголков на задней стенке бака и подключается к электросети. Остается заполнить систему теплоносителем, стравить воздух и включить нагрев индуктора.

Здесь вас подстерегает та же проблема, что встречалась с предыдущей моделью. Несомненно, индукционный нагрев будет работать, но его мощности 2.5 кВт хватит для обогрева парочки небольших комнат при морозе на улице. Осенью и весной, когда температура не опустилась ниже нуля, самодельный котел сможет отопить площадь 35—40 м². Как его правильно подключить к системе, смотрите в очередном видеосюжете:

Выводы и рекомендации

Мы намеренно представили варианты индукционных водонагревателей несложной конструкции, чтобы каждый желающий мог сделать подобный агрегат своими силами. Но остался вопрос, нужно ли заниматься этим делом и тратить собственное время. На этот счет есть ряд объективных соображений:

  1. Пользователи, не разбирающиеся в электрике и радиотехнике, вряд ли смогут добиться увеличения мощности нагрева свыше 2.5 кВт. Для этого придется собрать схему преобразователя частоты.
  2. КПД индуктора ничуть не выше, чем у других электрических котлов. Но собрать нагреватель с ТЭНами гораздо проще.
  3. Если у вас не завалялась дома индукционная панель, то потребуется ее купить примерно за 80 у. е. Столько стоят дешевые китайские изделия в интернет-магазинах. За те же деньги продаются готовые электродные котлы мощностью до 10 кВт.
  4. Электроплиты оснащаются автоматикой безопасности, отключающих бытовой прибор спустя 1 или 2 часа работы. Это доставляет неудобство при эксплуатации.
  5. Если в силу разных причин теплоноситель вытечет из самодельного теплогенератора, то нагрев не прекратится. Это чревато пожаром.

Конечно, вы можете обойтись без дорогих покупок, досконально разобраться в конструкции и смастерить индукционный нагреватель с нуля. Но выполнить все бесплатно не получится, ведь потребуется приобрести комплектующие для схемы. Заметьте, что бонусы от подобного отопительного агрегата невелики, так что всерьез браться за его изготовление с целью обогрева частного дома нецелесообразно.

Источник: otivent.com



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.