Индукционная нагреватель – Индукционный нагреватель своими руками: самодельный вихревой прибор

Чтобы избежать разрыва системы из-за перегрева теплоносителя, с одной стороны к нагревателю через тройник следует подсоединить предохранительный клапан.

При наличии 3-фазной сети нагреватель можно усовершенствовать, установив вместо одной катушки три.

Полезные советы по безопасности

Несколько рекомендаций помогут избежать аварийных ситуаций:

1. Индукционные нагреватели допускается применять только в системах с принудительной циркуляцией. Тепло вырабатывается довольно интенсивно, поэтому при естественной циркуляции, тем более с учетом значительного гидравлического сопротивления сердечника из рубленой проволоки, возможен перегрев теплоносителя.
2. Не следует пренебрегать предохранительным клапаном. Он должен быть смонтирован либо на нагревателе, как было рассказано выше, либо в другом месте системы. Очевидно, что при выходе циркуляционного насоса из строя перегрева теплоносителя избежать не удастся, а при отсутствии предохранительного клапана такое явление приведет к разрыву системы.
3. Подключать нагреватель следует через УЗО. Желательно, также, дооборудовать систему отопления термостатом.

Часто умельцы помещают самодельный индукционный нагреватель в утепленный металлический корпус. В таком случае он должен быть заземлен.

Из-за отсутствия у самодельного «индукционника» полноценного экранирования его следует размещать не ближе 80-ти см от потолка или пола. Расстояние между прибором и стеной должно составлять не менее 30 см.

Помните, что переменное электромагнитное поле существует не только внутри катушки, но и снаружи, поэтому оно может нагревать любые находящиеся рядом металлические предметы. Например, застежки или пуговицы на одежде пользователя.

Технология индукционного нагрева нашла широкое применение в промышленности и стала проникать в бытовую сферу. Индукционные котлы отопления привлекают своей экономичностью и простотой конструкции. Читайте об устройстве прибора и смотрите примеры самодельных конструкций.

О видах чугунных отопительных печей и вариантах их установки вы узнаете в этом материале.

Видео на тему

microklimat.pro

Индукционные нагреватели своими руками — как сделать для воды: инструкция

Индукционный нагреватель. В его работе используется принцип индукции. Это экологичный прибор, не несущий вред и опасность человеческому здоровью, не дающий копоти и не требующий заготовки или закупки твердого топлива. Индукционный генератор с успехом нагревает воду в отопительной системе и может быть сделан собственноручно, что сэкономит финансы семьи.

Его использование возможно в бытовых электроприборах для нагревания воды, на кухне для приготовления еды, для плавки металлических сплавов дома. Чтобы изготовить такой безопасный и экономный прибор, можно приобрести доступные по цене микроконтроллеры и датчики.

Преимущества:

• Изначальная герметичность цельнометаллического элемента нагрева и дистанционная транспортировка энергии электромагнитным полем. Это поможет избежать протечек.
• Бесшумность даже при вибрировании нагревательного элемента, так как частота вибраций не воспринимается человеческими звуковыми волнами.
• Возможность самостоятельной сборки нагревателя благодаря доступной цене его элементов.
• Простое обслуживание и исключение поломок, которое гарантирует постоянно циркулирующий теплоноситель, не дающий сердечнику перегреваться.
• Экологическая безопасность.
• Быстрый нагрев.
• Отсутствие необходимости в чистке, так как накипь не оседает из-за вибраций, генерируемых вихревыми токами.
• Долговечность – до 25 лет, надежность и эффективность. А также возможность отказаться от циркуляционного насоса, так как на старте происходит разогрев теплоносителя до газообразного состояния, и он течет по трубопроводу под действием тепловой конвекции.

Виды нагревателей и принцип действия

Классификация индукционных нагревателей на определенные категории осуществляется по диапазонам их частот на выходе, которые и определяют в дальнейшем их использование. Виды:

• высокой частоты – 20-40 или 30-100кГц;
• средней частоты – 0,5-20 кГц;
• сверхвысокочастотные – 100кГц – 1,5МГц.

Индукционный котел состоит из сердечника, электро- и теплоизоляции и самого корпуса. Отличительная его черта – тороидальная обмотка проводниками из меди, которая располагается между 2-ух сваренных стальных труб толщиной от 10 мм из ферромагнита.

Данная конструкция более легкая, с высоким КПД и малогабаритна. Сердечником выступает труба с обмоткой. А 2-ая труба нагревает теплоноситель. Индукционный токовый поток, генерируемый магнитным высокочастотным полем с внешней обмотки на трубу, способствует нагреву теплоносителя, вызывая одновременно вибрацию стенок.

Работа прибора основана на электромагнитной энергии, забираемую теплоносителем и преобразующим ее в тепло. Индуктор в виде многовиткового цилиндра способствует образованию магнитного поля водонагревателя.

Переменный электроток течет через катушку и образует магнитное поле переменного типа, чьи линии расположены перпендикулярно магнитному потоку и замыкаются в круг при их передвижении. Именно вихревые потоки преобразуют электроэнергию в тепловую, которая расходуется достаточно эффективно и при незначительной скорости нагревания.

Делаем своими руками

Необходимые материалы и инструменты

• Полимерная труба с толщиной стенок от 3 мм и диаметром 5 см для выполнения роли сердечника.
• Обмотки из эмалированной проволоки из меди диаметром от 3 мм, чтобы создать индукционную катушку с 50 или 90 витками на нагревателе и подсоединить их без спайки и разрывов к клеммам.
• В качестве нагревателя выступает рубленая проволока в 5 см диаметром 5-6 мм.
• Сварочный инвертор высокой частоты, позволяющий плавно изменять диапазон силы электротока (от 15 А). Или 3-ехфазный трансформатор.
• Кусачки, паяльник и сварочный аппарат.

Процесс изготовления

1. Подготовительный этап заключается в фиксировании полимерной трубы и намотке на нее витков.
2. Торцы сердечника обрезаются с запасной длиной проволоки в 10 см на отводы.
3. На нижнем отводе устанавливается уголок для подключения отопительной обратки и поступления уже охлажденной воды. Должен быть установлен шаровой вентиль, чтобы заменять сердечник, не сливая систему.
4. Труба плотно заполняется рубленой проволокой.
5. На верхнем патрубке устанавливается тройник, чтобы выводить нагретую воду в напорный контур замкнутого типа через шаровой вентиль. Использование незанятого отвода – чтобы подключить предохранительный клапан.
6. Далее монтируется металлический или полимерный защитный нагревательный контур. Должно быть предусмотрено окно доступа к управлению расположенному в самом низу сварочному инвертору.
7. Проволока из меди подсоединяется к индукционным нагревательным клеммам, а сердечник наполняется теплоносителем.

Большей надежностью отличается водонагреватель с фиксированным 3-ехфазным трансформатором и 2-умя трубами из металла, которые вварены друг в друга, т.е. контур имеет форму бублика. Обмотка делается на наружной трубе, а к корпусу производят приварку патрубков.

Нагревательный элемент должен быть расположен только по центру для усиления воздействия вихревых потоков. Абсолютная герметичность системы будет обеспечена только при имеющихся рабочих навыках со сварочным аппаратом.

Производительность прибора будет выше, а размерные параметры — меньше. Необязательно установленный защитный чехол поможет снизить тепловые и токовые утечки.

Правила безопасности

• Категорически не разрешено включение оборудования вне разводки, не заполнив полимерную трубу водой. Так как это грозит расплавлением полимерного корпуса и выпадением раскаленных металлических отрезков.
• Включение оборудования должно происходить в отдельную линию, для которой требуется кабель сечением 4-6 кв. мм.
• Должна присутствовать напорная циркуляция, чтобы не разорвало корпус от вскипевшей воды. Для этого устанавливается клапан избыточного давления на выходе.
• Необходимо монтировать предохранительный клапан, чтобы снизить давление в случае выхода из строя циркуляционного насоса и выработке пара в избытке.
• Инвертор должен быть подключен к сети с использованием защитного отключения. Желательно установить манометр или контроллеры.
• Должно быть предусмотрено заземление индукционной обмотки, для чего электропровод выводится на металлический контур, который зарыт в землю.
• Оборудование должно размещаться от 80 см от полового и потолочного перекрытий, от 30 см — от стеновых поверхностей. Чтобы огородить себя от действия электромагнитного поля, монтаж следует делать вдалеке от зоны проживания людей.
• Чтобы избежать ожогов и токовых ударов, следует изолировать открытые медные участки.

Блиц-советы

1. Оборудование индукционных водонагревателей представляет собой индивидуальную отопительную закрытую систему, которая обустраивается трубопроводом из пластика. Чтобы обезопасить монтируемого оборудование, после выводного патрубка требуется установка таких деталей, как манометр, подрывной клапан и автомат для отвода воздушных скоплений.
2. На первый взгляд изготовление водонагревателя, основанного на принципе индукции, представляется сложным и трудоемким процессом. Но благодаря значительному снижению затрат на электроэнергию, которая на сегодняшний день один не из дешевых ресурсов, со временем польз для бюджета семьи будет очевидна. Конструкция данного оборудования способствует нагреву воду намного быстрее, благодаря своим особенностям индукционный прибор имеет ряд преимуществ перед электронагревательными аналогами при одинаковом расходе электричества.
3. Возможно создание водонагревателя, основанного на принципе индукции, из электромагнитного трансформатора, в основу работы которого входят 2 мощных транзистора. Прибор нагревается в результате действия на металл токов Фуко.
4. Так как переменное электромагнитное поле способствует разогреву и нагревательного элемента, и всего, что окружает его – это касается и тканей человеческого тела, то от данного устройства необходимо находиться вдалеке.
5. К недостаткам данного прибора стоит отнести еще и его работу на недешевом источнике энергии – электричестве.
6. Благодаря эффективности и колоссальной теплоотдачи водонагревателя существует риск детонации котла от перегрева воды, который можно устранить датчиком давления.

orcmaster.com

📌 Индукционный нагрев — это… 🎓 Что такое Индукционный нагрев?

Индукционный нагрев (Induction Heating) — метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH — radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.

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 μ₀ = 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.

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 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. — ISBN 5-217-00571-8
• Фогель А. А. Индукционный метод удержания жидких металлов во взвешенном состоянии / Под ред. А. Н. Шамова. — 2-е изд., испр. — Л.: Машиностроение, 1989. — 79 с. — (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 11). — 2950 экз. — ISBN 5-217-00572-6

dic.academic.ru