Нагреватели индукционные – Индукционный нагрев, основные принципы и технологии.

Содержание

Индукционный нагрев, основные принципы и технологии.

1 августа 2013

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.

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.

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:
— повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
— 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 трёх точки:

Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

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 являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.

При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.

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).

Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.
Параллельный колебательный контур – резонанс токов.
В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение такое же, как у генератора. При резонансе, сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток (I общ) через сопротивление нагрузки Rн будет минимальным (ток внутри контура I-1л и I-2с больше чем ток генератора).

В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности — схема не потребляет тока от источника. При изменение частоты генератора в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается и линейный ток (I общ) возрастает.

Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.

Главной чертой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. (ZL + ZC – минимум). При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает.
Вывод:
В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0, а напряжение максимально.
В последовательном контуре наоборот — напряжение стремится к нулю, а ток максимален.

Статья взята с сайта http://dic.academic.ru/ и  переработана в более понятный для читателя текст, компанией ООО «Проминдуктор».

prominductor.ru

Индукционный нагреватель Low ZVS 12-48 В 20 A

Добрый день, уважаемые читатели. Сегодня рассмотрим необычный предмет — индукционный нагреватель мощностью до 1 кВт.

Несмотря на специфичность этого предмета, обзоры на слабенькие подобные нагреватели мелькали на сайте:
Вот и еще вот.
Обозреваемый нагреватель имеет мощность на порядок большую и его хоть как то можно применить для практических целей, а не для опытов по физике.

Не буду останавливать на теории индукционного нагрева (подробно изложено на вики)
Для тестов изделия нам нужно учесть две основные особенности:

  • Нагрев происходит только у токопроводящих магнитных материалов.
  • Нагрев происходит в поверхностных слоях.

Промышленные установки закалки ТВЧ имеют приличные габариты, вот, например, наша на заводе:

Закалка зубчатого колеса:

Китайский же кит отлично поместится на верстаке или рабочем столе, а делать будет то же самое, конечно с меньшей мощностью и размерами закаливаемых заготовок.
Где его можно применить практически:
  • Закалка инструмента
  • Бесконтактный нагрев
  • Ювелирка, переплавка

Перейдем непосредственно к предмету обзора.
Доставка была ТК с отслеживаемым треком.

Упаковка

Кит нагревателя упакован в плотную картонную коробку:

Плата в антистатическом пакете, индуктор был обернут в пупырчатую пленку:


Кит индукционного нагревателя состоит из двух частей:
  • Медный индуктор
  • Плата генератора
Для использования нагревателя нужно добавить блок питания 12-48 В до 20 А и желательно водяное охлаждение индуктора.

Рассмотрим индуктор:

Похож на кипятильник или змеевик самогонного аппарата, но в данном случае это катушка. 7 витков 6 мм медной трубки.
Внутренний диаметр (куда вносится заготовка) — 46 мм.
Длина намотки 54 мм.
Водяное охлаждение так и просится:

А вот такого размера индуктор в индукционной печи для плавки:

Плата генератора:

Размеры платы: 100х100 мм, есть 4 отверстия диаметром 4 мм для стоек или крепления в корпус. На клеммах подачи напряжения питания обозначен только «-«. Есть зеленый светодиод — индикатор работы.
Снизу:

флюс смывать ленятся.

Примерная схема подобных устройств:

Это двухтактный полумостовой преобразователь в автогенераторном режиме.

С боков платы:

Стойки индуктора латунные шестигранники 6 мм по 3 шт, но сверху хиленькая скоба. Максимальный ток указан 20 А.
Радиаторы мосфетов:

Китайцы такие китайцы, плата выходит за радиаторы на добрый сантиметр, это будет мешать нормальному их обдуву.
Мосфеты IRFP260N в корпусе TO-247AC:

Конденсаторы 0,33 мкф 600 VAC 50 кГц:

На работе электрики помогли составить схему именно этой платы (я далек от этого) и заодно промоделировали частоту генератора:

Осциллограмма генератора:

теоретическая частота 90 кГц.

Теперь перейдем к практической части:
Для удобства подключения индуктора его выводы нужно согнуть, я использовал трубогиб, но все равно плохо получилось, стенки тонкие:

Получилось так:

некоторые в отзывах выводят индуктор на бок, но мне показалось так удобней.

Я когда выбирал нагреватель, рассчитывал на свой БП wanptek KPS305D 30 В 5 А, но он отказался работать с нагревателем, уходит в защиту и скидывает напряжение с 12 до 5 В:

Почему кстати?

Пришлось воспользоваться БП от ноутбука 19 В 4,7 А.
Ток на холостом режиме:

Напряжение на индукторе:

Ток при нагреве сверла:

Частота работы генератора:

Близка к расчетной.
Так как при работе индуктор быстро разогревается (от нагреваемой детали больше всего), опыты я проводил при проточном водном охлаждении:

организовать его просто, две трубки одна к крану с холодной водой, вторая в раковину в слив. Главное разместить надежно, весит плата с индуктором почти полкило.
Опыты:
Классическая проверка на гвозде))

Подкалил китайский зенкер:

на разогрев ушло пару минут, все таки тока 4 А маловато.
Олово с припоем плавится не захотело:

Мелкие сверла разогреваются за минуту:

Извращение с народным кухонным термометром:

Узнать температуру стали для закалки можно по цвету или измерить бесконтактным способом:

Доработка кита нагревателя из отзывов:

  • Для плавки в тигле логично упрятать индуктор в изолятор.
  • Обдув большим вентилятором платы.
  • Усиленные медные прижимные пластины для выводов индуктора.
Это напрашивается при постоянной работе с нагревателем.

Так как получить максимум возможностей от своего БП я не смог, поехал к другу — у него есть техника посерьезней:

24 В и 24 А.
Пробуем на фрезе 6 мм:

Ток холостой 4 А. Ток рабочий около 10 А, нагревается быстро.

А теперь задача посложнее — плавка алюминия (660 С):

так не заработало, там виток, втулка полая.
В стальном тигле дело пошло (на 15 А):

но лопнула керамическая пластинка. Индуктор обувается вентилятором 120 мм, температура его не выше 50 С. Мосфеты примерно так же.
Подложили под тигель керамический патрон:

За 4 минуты алюминиевая втулка толщиной с палец размякла (ток при этом 12 А).


Остывший расплав:

При должном оснащении, этому нагревателю по силам и плавка легкоплавких металлов. Главное иметь мощный блок питания.

Есть купон SJZVS снижающий цену до $27.99 (до 30 августа).

Спасибо за просмотр. Удачных покупок!

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

mysku.ru

Индукционные нагреватели — варианты конструкций

За последние 10-15 лет индукционные нагреватели на токах промышленной частоты приобрели широкое распространение. Впрочем, заявляемые производителями высокие потребительские качества индукционных нагревателей, такие как надежность, неприхотливость, экономичность находят подтверждение в условиях реальной эксплуатации. Но при этом почти каждый производитель демонстрирует очередной патент и заявляет, что его индукционный нагреватель – «самый индукционный». Давайте попробуем разобраться, что объединяет, а что различает индукционные нагреватели разных производителей.

ИНДУКЦИОННЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ: ЧТО ОБЩЕГО?

Как бы это банально ни звучало, но общее в индукционных нагревателях – это индукционный способ нагрева. Мы уже рассматривали подробно принцип работы индукционных нагревателей и их отличие от других типов электронагревателей.

Любой индукционный нагреватель будет состоять из первичной обмотки (катушки индуктивности) и вторичной обмотки – теплообменного устройства. Теплообменное устройство представляет собой короткозамкнутый виток, который разогревается под воздействием переменного магнитного поля, индуцируемого катушками индуктивности (отсюда, собственно, само название – «индукционный нагреватель»). В общем виде, принцип можно проиллюстрировать так:

Причем, что интересно, запатентовать этот принцип невозможно – он основан на элементарных физических законах и доступен каждому. Так, например, энергетикам известно такое свойство трансформатора как его разогрев в процессе работы. Только в случае с трансформатором выделение тепла – это головная боль для энергетиков, в конструкции же индукционного нагревателя это свойство возведено в абсолют, и сегодня производители заявляют о достижении ими КПД 98, а то и все 99%. Производители вообще любят показатель КПД, потому что этот показатель – относительный, а следовательно можно заявлять что угодно, и при этом не бояться ответственности: при определенных условиях можно заявить, что КПД вообще 100% — на то он и относительный коэффициент.

Индукционные нагреватели: единство и борьба противоположностей

Так в чем же тогда эти запатентованные различия? Оказывается, главным образом, в конструкции теплообменника. Конечно, есть различия и в конструкции магнитопроводов и в конструкции катушек – они могут быть вытянутыми, сплющенными, могут отличаться материалом провода и количеством витков, однако суть от этого не поменяется. Задача первичной обмотки – генерировать переменное магнитное поле, и в любом нагревателе она с этим справляется. Так что в способе нагрева различий у индукционных нагревателей разных производителей практически нет. Зато существенные различия заключаются в конструкциях теплообменников. Что интересно, общепринятой классификации в настоящее время не существует, поэтому возьмем на себя смелость предложить свою собственную, итак:

  1. Индукционный нагреватель кожухового типа
  2. Индукционный нагреватель с трубчатым теплообменником
  3. Индукционный нагреватель с объемным теплообменником (электронагреватель индуктивно-кондуктивного типа – именно так называет его сам производитель)

Индукционный нагреватель  кожухового типа

Начнем с первого – «индукционного нагревателя кожухового типа». Производители таких нагревателей называют их иначе, но в данной статье нам интересны не названия, а принцип нагрева.

Мы назвали этот тип индукционных нагревателей «кожуховым» потому что внешне этот тип отличается от остальных тем, что производители помещают конструкцию нагревателя (т.е. индуктор и теплообменник) внутрь кожуха цилиндрической формы. Внешне он даже чем-то напоминает электродный котел, однако отличается от последнего способом нагрева теплоносителя.

Внутри кожуха размещен вытянутый индуктор, внутри и снаружи которого располагается теплообменник, нагревающийся под воздействием электромагнитного поля. Проходя через теплообменник, вода нагревается и подается в систему отопления.

Преимущества конструкции:

  1. Более компактен, имеет меньшие габариты и массу чем остальные типы индукционных нагревателей. Есть мнение, что эстетически он также выглядит лучше, но это спорно, во-первых, и не является определяющим для промышленного нагревателя – во-вторых.
  2. Менее материалоемок (теплообменное устройство состоит из «черного» металла марки Ст3сп) по сравнению с другими представителями класса, а потому у него ниже себестоимость и, соответственно, цена приобретения.
  3. Может размещаться на стене (другие индукционные нагреватели – только напольного исполнения)

Недостатки конструкции:

  1. Изготовление теплообменника из обычного металла удешевляет конструкцию, но делает ее элементы более подверженными коррозии, особенно в периоды профилактических работ и слива теплоносителя.
  2. Конструкция теплообменника такова, что она оказывает повышенное гидродинамическое сопротивление, вследствие чего снижается скорость теплоносителя, при поступлении его внутрь. Это может приводить сразу к двум неприятностям: во-первых, к осаждению загрязнений, имеющихся в теплоносителе, в нижней части нагревателя и, в дальнейшем, еще большему затруднению протока и, во-вторых, к снижению теплосъема с поверхности теплообменника. Вообще, конструкция таких нагревателей предполагает довольно высокую плотность теплового потока – 9-10 Вт/см2 и ухудшение теплопередачи вызовет кипение в пограничном слое теплоносителя. Это чревато ускоренным осаждением накипи в таких местах (по сути – по всей площади теплообменника), а также к дальнейшему снижению теплопередачи и, в конце концов, к перегреву греющего контура.
  3. Недостаток из предыдущего пункта усугубляется тем, что конструкция неремонтопригодна – стоимость и сроки ремонта будут примерно такими же, как и стоимость, и сроки на приобретение нового нагревателя.
  4. Также вертикальное расположение теплообменника приводит к тому, что растворенные в теплоносителе газы и воздух, в процессе нагрева, будут собираться в верхней части теплообменника, вытесняя оттуда теплоноситель, что может привести к местному перегреву теплообменника из-за отсутствия необходимого теплосъема, а теплонагруженность нагревателя, как мы указывали выше, достаточно велика.
  5. Несмотря на то, что одним из главных преимуществ электронагревателей индукционного типа является обеспечение 2-го класса защиты от поражения электрическим током (т.е. практически абсолютная защита даже без заземления), к конструкции этого типа нагревателей эта особенность, увы, не относится, поскольку в случае нарушения изоляции обмоток индуктора, теплоноситель окажется под напряжением – точно так же, как и ТЭНовый котел.
  6. Индукционные нагреватели кожухового типа ограничены в мощности и температуре нагрева. Мощность единичного нагревателя, как правило, не превышает 70-100 кВт, а максимальная температура теплоносителя – 100-110 °С (впрочем, для обычной системы отопления этого достаточно). Ограничение по мощности приводит к необходимости параллельной установки нескольких нагревателей.

Вывод: конструкция индукционных нагревателей кожухового типа получила достаточно широкое распространение, главным образом, благодаря простоте изготовления, относительно низкой себестоимости (а, следовательно, отпускной цены) и системе распределения через дилеров (маржинальность продукта позволяет делиться ею с посредниками). Однако данный тип нагревателей лишь условно относится к нагревателям «трансформаторного» типа, и не всегда заслуженно использует в своих заявлениях те преимущества, которые присущи этому типу нагревателей.

 

Индукционный нагреватель  с трубчатым теплообменником

Если говорить откровенно, то первый коммерческий успех индукционных электронагревателей истинно трансформаторного типа, сопутствовал именно этой конструкции индукционных нагревателей, которые появились на рынке в середине 90-х годов прошлого века и получили довольно широкое распространение. В чем их особенность:

 

Во-первых, эти нагреватели уже не прячутся в кожух. Особенной красотой они, конечно, не блещут, но для покупателя важны другие их свойства. Во-вторых, здесь катушка индуктивности (первичная обмотка) полностью отделена от теплообменника (вторичной обмотки) что исключает поражение электрическим током: даже в случае нарушения изоляции обмоток электросеть не может замкнуться на теплоноситель, так что это настоящий 2-ой класс электробезопасности. И, наконец, в третьих, теплообменное устройство здесь представляет собой набор трубок, огибающих катушки индуктора.

В остальном, все так же как у всех остальных индукционных нагревателей – катушки возбуждают магнитное поле, которое, проходя через металл теплообменника, возбуждает в нем вихревые токи, которые его и разогревают, а потом тепло снимается теплоносителем с принудительной циркуляцией.

Преимущества конструкции:

  1. Конструкция приближена к «сухому» трансформатору, а, следовательно, при должном высоком качестве производства, обладает такими свойствами как долговечность (до 100 000 часов), электрическая безопасность и высокая надежность (во всяком случае, выше чем у «кожуховых нагревателей» и многократно выше, чем у ТЭНовых нагревателей).
  2. Доступность больших мощностей в единице оборудования (до 500 кВт мощности в одном нагревателе). Аналогично кожуховым индукционным нагревателям, трубчатые индукционные нагреватели также могут устанавливаться в параллель, и тогда необходимая мощность будет ограничиваться только доступностью электроэнергии и потребностью в тепловой энергии.
  3. Возможность обеспечения высоких температур нагрева (до 250-300 °С), что существенно расширяет области применения нагревателей. Она уже не ограничивается областью отопления и горячего водоснабжения. При помощи высокотемпературного жидкого теплоносителя есть возможность заменять паровые системы нагрева в промышленности (реакторы, пресса и т.д.) на жидкостные, что существенно повышает надежность, безопасность и управляемость процессами нагрева.
  4. Вообще, если сравнивать с ТЭНами и электродными котлами, преимуществ можно указать множество. Наша же основная задача – сравнить с другими типами конструкций индукционных нагревателей.

Недостатки конструкции:

  1. Вероятно неравномерное распределение теплового потока по сечению трубы теплообменника. Из-за неравномерного омического сопротивления и поверхностного эффекта наибольшая часть тепловой энергии (рассчетно, до 70%) может выделяться всего в 30% поверхности трубы со стороны обмотки. Плотность теплового потока в этих зонах соизмерима с плотностью теплового потока обычного ТЭНа. Что может привести к локальному перегреву, парообразованию в пограничном слое теплоносителя и отложению солей на стенках трубы, с последующим ухудшением теплопередачи и, как следствие, местным перегревам. Эффект накипеобразования многократно усиливается в местах сварки труб, в связи с высокими значениями плотности тока в этих соединениях.
  2. Несмотря на заявляемый коэффициент мощности 0,98, эффект повышенного рассеяния магнитных потоков вокруг трубчатых витков, скорее всего, снижает этот коэффициент до 0,9, иначе чем объяснить, что для обеспечения одной и той же тепловой мощности, нагреватели с трубчатым теплообменником имеют боле высокие потребляемые мощности и токи в обмотках? В свою очередь это приводит к повышению затрат у потребителя, поскольку ему приходится использовать провода увеличенного сечения, а также повышает себестоимость производителя (и, следовательно, цену приобретения для покупателя).
  3. Трубчатый теплообменник оказывает повышенное гидродинамическое сопротивление, что приводит к необходимости установки более мощных (и дорогих) циркуляционных насосов.
  4. Повышена масса нагревателя, т. к. трубчатая конфигурация теплообменника требует значительного промежутка между стержнями сердечника трансформатора. Это приводит к увеличению ярем магнитопровода трансформатора и удорожанию изделия в целом.
  5. Катушки индуктора хоть и надежно пропитаны изоляцией, однако же ничем не защищены от случайного или (того хуже) целенаправленного механического воздействия, что, конечно же, не повышает надежность нагревателя.
  6. Трубчатый теплообменник не ремонтопригоден, и в случае выхода из строя подлежит полной замене на заводе-производителе.

Вывод: индукционные нагреватели с трубчатым теплообменником – это в принципе первые коммерчески успешные индукционные нагреватели, и это действительно шаг вперед по сравнению с ТЭНовыми котлами и нагревателями кожухового типа и сразу два шага вперед по отношению к электродным котлам (за счет факторов безопасности). Применение трубчатого теплообменника изначально было продиктовано технологическими ограничениями и финансовыми вопросами, поскольку трубчатый теплообменник проще в производстве, чем объемный (о котором речь пойдет далее), однако он не лишен недостатков, исправить которые производителям не позволяют рамки патентных правоотношений.

 

Индукционный нагреватель  с объемным теплообменником

Объемный тип теплообменника, в виде опытных образцов, появился даже раньше, чем трубчатый. Однако первые конструкции были не очень удачны – пожалуй, даже нет смысла их описывать, поскольку сейчас они если и выпускаются, то кустарно. Нас будет интересовать последняя итерация конструкции, которую производитель называет также нагревателем индуктивно-кондуктивного типа. Конечно, это лишь способ позиционирования продукта, однако это название очень четко отражает сущность данного нагревателя.

Индукционные нагреватели с объемным теплообменником появились уже в XXI веке и при их создании, несомненно, были учтены недостатки всех прочих конструкций. Что же представляет собой конструкция индуктивно-кондуктивного электронагревателя с объемным теплообменником?

Как видим из рисунка, конструкция довольно сильно напоминает индукционный нагреватель с трубчатым теплообменником, однако вместо трубок здесь используется полый цилиндр, внутри которого находится индуктор. По мнению многих (и автора в том числе) индуктивно-кондуктивные индукционные нагреватели эстетически выглядят лучше, чем нагреватели с трубчатым теплообменником, поскольку объемный теплообменник выполняет и роль кожуха: внешний вид создает ощущение законченности и какой-то защищенности.

Это также полноценный индукционный нагреватель, конструкция которого роднит его с «сухим» трансформатором. И он, конечно, обладает всеми преимуществами, которые из этого вытекают: высокая надежность, долговечность, пожарная и электрическая безопасность, поскольку первичная обмотка, на которую подается напряжение, отделена от теплообменника, что исключает поражение электрическим током: это полноценный 2-ой класс электробезопасности.

Вихревые токи здесь возникают в толще металла, из которого сделан полый цилиндр. Надо сразу отметить, что само конструктивное решение повышает надежность нагревателя и его устойчивость к повреждениям. Судите сами: обмотки катушек индуктивности, которые можно легко повредить у нагревателя с трубчатым теплообменником, здесь надежно закрыты от внешнего воздействия. От упорного вредителя они, конечно, не спасут, а вот случайно повредить индуктор уже значительно сложнее.

Материал теплообменника здесь – нержавеющая сталь марки AISI-304, так что коррозия ей не грозит.

Единственное место, которое можно отнести к узким местам (и о котором любят упоминать конкуренты) – это сварные швы на теплообменнике, ведь отливать полые цилиндры без швов человечество еще, к сожалению, не научилось. Но зато человечество научилось хорошо сваривать детали. Случай с объемными теплообменниками здесь не исключение.

Преимущества конструкции:

  1. Индуктивно-кондуктивный электронагреватель максимально приближен к конструкции «сухого» трансформатора, а, следовательно, обладает такими свойствами как долговечность (до 100 000 часов или, в пересчете на годы, порядка 30 лет!), электрическая безопасность, высокая надежность и все прочие преимущества по сравнению с ТЭНовыми и электродными котлами.
  2. Доступность больших мощностей в единице оборудования (до 500 кВт мощности в одном нагревателе). Также существуют модификации высоковольтных индукционных котлов, которые могут обеспечить мощность нагрева свыше 6 МВт. Аналогично прочим индукционным нагревателям, индукционные нагреватели с объемным теплообменником также могут устанавливаться в параллель, и, тем самым, обеспечивать любую мощность нагрева.
  3. Возможность обеспечения высоких температур нагрева (до 200-250 °С), что существенно расширяет области применения нагревателей. Это немного ниже, чем у трубчатых теплообменников, что обусловлено как раз конструкцией. Трубки обеспечивают лучшую вентиляцию и охлаждение катушек. В индукционных нагревателях с объемным теплообменником катушки закрыты, однако и температур, обеспечиваемых этими нагревателями, достаточно для многих технологических процессов (обогрев реакторов, гальванических ванн, сушильных камер, прессов и т.д.).
  4. Равномерное распределение теплового потока по более развитой поверхности теплообменника гарантирует отсутствие явлений местного перегрева, отложения накипи и очень небольшой градиент температур между теплоносителем и теплообменником (не более 20 °С) что служит дополнительным аргументом в пользу надежности и пожарной безопасности нагревателя индуктивно-кондуктивного типа.
  5. «Честный» высокий коэффициент мощности 0,98-0,985 благодаря более равномерному поглощению магнитного поля цилиндрическим теплообменником.
  6. Более низкая масса нагревателей по сравнению с аналогичными по мощности нагревателями на трубках.

Недостатки:

  1. Более высокая себестоимость материалов и высокотехнологичность производства: высокое качество и отличные потребительские свойства дешевыми не бывают.
  2. Низкая маржинальность (наценка) делает продукт не интересным для посредников, поэтому продукцию необходимо заказывать только у производителя.
  3. Теплообменник в большинстве случаев не ремонтопригоден, однако, риск выхода его из строя самый низкий из всех типов индукционных нагревателей. Кроме того, его замена может быть произведена эксплуатирующей организацией, а не только заводом-изготовителем.

Вывод: если говорить о том, что индукционные нагреватели – это следующий шаг по отношению к ТЭНовым и электродным котлам, то индуктивно-кондуктивные нагреватели с объемным теплообменником – это пример дальнейшего развития конструкции, которая, пожалуй, как никогда близка к ожидаемому идеалу. Главное, при наличии очень хорошей и энергоэффективной конструкции, — это высокая культура и качество производства, которая бы неукоснительно следовала конструкторской документации и исполняла замысел инженеров и ученых, положивших годы в создание такого сложного, но такого простого оборудования, как индукционный электронагреватель.

termanik.ru

Индукционный нагреватель. Огонь, вода, работающие люди, но не пожар!

Эту игрушку я ждал с нетерпением. Об индукционном нагреве я знал давно, со времен студенчества. Иногда видел ролики, как закаляют заготовки, припавают твердосплавные пластины на резцы и прочая-прочая. Но для меня все это было чем-то из области производства, грязных жарких и душных цехов.

Поэтому, когда в списке предлагаемых на обзор гаджетов я увидел данный нагреватель, колебаний не было. Я его просто возжелал!

Оговорка по Фрейду и п.18

Как и, наверное, большинство читателей, я интересуюсь разными вещами. Всегда есть соблазн и желание приобрести что-то для своего увлечения, либо просто хочется поиграть с приглянувшимся гаджетом, как известно с возрастом лишь меняется цена игрушек.

Обзоры — это совмещение приятного с полезным. Мне нравится делиться своим опытом взаимодействия с различными вещами, спонсорам нравится видимо, как я это делаю, и получается взаимовыгодное сотрудничество. Я никогда не беру на обзор вещи, которые мне не интересны, и с которыми я не хочу провести какое-то время. Как правило я беру вещи, предназначение и характеристики которых я себе неплохо представляю, так я избегаю своего и вашего, мои уважаемые читатели, разочарования в большинстве случаев.

Обзоры я делаю объективно, товары не рекламирую, и моя цель дать вам пищу для размышления, и поделиться своим опытом пользования данной вещи. Читайте, думайте, пишите свое мнение в комментариях — в общении и обмене мнениями рождается истина!

Недавно был обзор данного устройства от уважаемого dia. В этом обзоре dia даже выпаял часть деталей, чтобы лучше понять устройство этого гаджета и нарисовал его электрическую схему. Не буду дублировать его работу, можно сходить в тот обзор и все посмотреть. И не забудьте поставить dia плюсик пожалуйста.

В своем обзоре я бы хотел рассказать, что такое индукционные нагреватели, зачем они вообще нужны, и почему же я так радовался и ждал приезда этого гаджета. И самое интересное — что я с ним делал 🙂

Как обычно, начнем с небольшого экскурса в историю.

Явление электромагнитной индукции открыл Майкл Фарадей в 1831 году. Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Без открытия Фарадея не было бы у нас трансформаторов, генераторов, радио и вообще электротехнической и электронной промышленности.

Индукционный нагрев — это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Т.е. создав переменное магнитное поле и поместив туда материал мы сможем его нагреть. И уже в 1900 г. шведская фирма «Benedicks Bultfabrik» построила и запустила первую индукционную сталеплавильную печь!

Для того, чтобы расплавить или хотя бы нагреть металл, нам необходимо создать колебательный контур и в поле, создаваемое данным контуром поместить металлический предмет.

Вот чертеж индукционной сталеплавильной печи. Как раз на нем видно, что тигель с расплавляемым металлом, окружен катушками, наводящими на него переменное магнитное поле.

А это печь в действии.

В общем случае схема индукционного нагрева выглядит следующим образом: У нас есть генератор и колебательный контур. Частота колебания в контуре зависит от индуктивности катушки и емкости конденсаторов. Различные материалы восприимчивы к различным частотам колебаний. Например, при частоте колебаний контура, при которой происходит плавления стали, например, цветные металлы могут даже не начать толком нагреваться. И наоборот.

Где же используется индукционный нагрев. На самом деле в огромном количестве мест. Он везде вокруг нас. Индукционные электроплиты, как самый яркий пример

Индукционные проточные водонагреватели

Портативные нагреватели, с их помощью например можно разогреть и открутить приржавевшую гайку.

А на производстве индукционный нагреватель используется для поверхностной закалки изделий. Это быстро, экономично и безопасно, с точки зрения отсутствия огня и горючих материалов.

И самое для меня наверное интересное, т.к. я обладатель небольших домашних токарного и фрезерного станков — напайка твердосплавных пластин на державки резцев.

Как я и говорил, для меня системы индукционного нагрева всегда были либо уделом промышленности, либо умельцев, паяющих огромные монструозные схемы с гигантскими блоками питания, которым место дома можно найти с огромной натяжкой. И какое же удивление вызвало обнаружение крохотного устройства из класса — «воткни в блок питания и получай удовольствие».

Переходим к герою нашего обзора. Состоит он из двух частей. Генератор построенный на основе обычного двухтранзисторного мультивибратора (за схемой можно сходить в обзор уважаемого dia), для тех кто разбирается в электронике, то ничего сложного, а для тех, для кого это незнакомые термины, то в двух словах — простая и надежная схема, работающая «из коробки». На плате генератора размещена сборка из емкостей. Вторая деталь — катушка колебательного контура. Соединяются обе детали винтовым разъемом.

Размер миниатюрный 5.5 см на 4 см и толщиной 2 см. Диаметр катушки 2.8 см, длина 7.5 см. Питание устройства 5-12В, ток до 5А.

Т.е. максимальная потребляемая мощность может составить 12В х 5А = 60Вт. Это потребление не самой яркой лампочки накаливания. Много это или мало? Давайте прикинем на пальцах. Современная сталелитейная промышленность в среднем тратит 650 кВтч на плавку 1 тонны стали, т.е. 650 Втч на 1 кг или 65 Втч на плавку 100 грамм. Таким образом наша малявка при должном подходе и минимизации теплопотерь в атмосферу за час может расплавить чуть меньше 100 грамм стали. Очень и очень недурственно. Казалось бы 60 Вт потребляемой мощности и 100 грамм расплавленной стали. Весьма полезно все считать, т.к. на глазок некоторые вещи совсем не очевидны, как например мне было в этом случае.

Давайте перейдем от слов к развлечениям делу.

У меня была целая куча идей, которые я хотел реализовать.

По всем идеям я снял подробное видео. Его можно будет посмотреть в конце обзора.

Идея номер 1. Закалка отверточных бит. Частенько, если приходится много закручивать шуруповертом винтов приходится наблюдать картину слизывания крестовины бит.

Есть способ продлить жизнь битам. Частенько биты продают чуть недозакалеными. Это делают видимо для избежания их раскалывания в процессе эксплуатации. Либо по каким-то другим неведомым причинам. Такие биты можно дозакалить. Этим мы и займемся.

Как же закаливают металлы? Существует огромное количество сплавов и индивидуальных режимов их термической обработки. Я не буду погружаться в рамках данного обзора в эти дебри. Если все предельно упростить, то для закалки в примитивных домашних условиях изделий из неопознанной стали можно (с кучей условностей разумеется) использовать следующий способ.

а. Нагрев до вишневого цвета (750 градусов по Цельсию).
б. Охлаждение в воде
в. Отпуск в духовке при температуре 180-190 градусов по Цельсию в течении 1 часа. Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, чтобы изделие не лопнуло у нас в руках в процессе эксплуатации

Привожу картинку с цветами металла и соответствующим им температурам

Соответственно, разогреваем биту

И охлаждаем ее в воде. Затем отпуск в духовке и… вуаля. Более прочная бита у нас в арсенале.

Идея номер 2. Из остатков ножовочного полотна сделать мини стамески по дереву. Подробный процесс в видео. Делюсь лишь фоткой конечных изделий

Выглядят они неказисто, но древесину режут исправно. Тест есть на видео.

Идея номер 3. Из подручных гвоздей и железяк сделать настоящее сверло. И сверло получилось! Оно успешно просверлило дерево, алюминий… и не только. Посмотрите на видео))) Заточка и закаленный кончик все выдержали, кроме тела сверла, которое я отпустил, но повторно не закалил. Вот что с ним стало после моих издевательств)))

Идея номер 4. Водонагреватель. Проверка концепции. Кладем гвоздь в трубочку, трубочку в спираль — вода кипит.

Можно сделать подогрев чего — либо, например воды в емкости. Туда поставить банку с молоком, подключить термодатчик, для контроля температуры и будет йогуртница))).

Вот видео моих издевательств над материей )))

Как резюме. Мне индукционный нагреватель понравился. Для домашнего использования мне лично пригодится однозначно. Я периодически нуждаюсь в необходимости закалить какую-либо небольшую деталь (ось накатки для токарника, например). И этот способ мне нравится больше горелки в домашних условиях. Также я получил большое удовольствие от процесса созидания из обломков пилки и ненужных ключей качественно новых вещей.

Хочу ли я нагреватель большей мощности? В квартиру — однозначно нет. Другие режимы, другая техника безопасности. В отдельную мастерскую — однозначно да.

Меня поражает скорость прогресса, если честно. И технологии. Устройство размером со спичечный коробок позволяет ощутить себя и кузнецом, и термистом и сантехником- отопителем))

Получайте удовольствие от жизни, выбирайте себе инструменты и игрушки по вкусу, и Удачи!

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

mysku.ru

Индукционные нагреватели своими руками — как сделать? Простая схема и инструкция

Индукционные нагреватели работают по принципу “получение тока из магнетизма”. В специальной катушке генерируется переменное магнитное поле высокой мощности, которое порождает вихревые электрические токи в замкнутом проводнике.

Замкнутым проводником в индукционных плитах является металлическая посуда, которая разогревается вихревыми электрическими токами. В общем, принцип работы таких приборов не сложен, и при наличии небольших познаний в физике и электрике, собрать индукционный нагреватель своими руками не составит большого труда.

Самостоятельно могут быть изготовлены следующие приборы:

  1. Приборы для нагрева теплоносителя в котле отопления.
  2. Мини-печи для плавки металлов.
  3. Плиты для приготовления пищи.

Индукционная плита своими руками, должна быть изготовлена с соблюдением всех норм и правил для эксплуатации данных приборов. Если за пределы корпуса в боковых направлениях будет выделяться опасное для человека электромагнитное излучение, то использовать такой прибор категорически запрещается.

Кроме этого большая сложность при конструировании плиты заключается в подборе материала для основания варочной поверхности, которое должно удовлетворять следующим требованиям:

  1. Идеально проводить электромагнитное излучение.
  2. Не являться токопроводящим материалом.
  3. Выдерживать высокую температурную нагрузку.

В бытовых варочных индукционных поверхностях используется дорогая керамика, при изготовлении в домашних условиях индукционной плиты, найти достойную альтернативу такому материалу – довольно сложно. Поэтому, для начала следует сконструировать что-нибудь попроще, например, индукционную печь для закалки металлов.

Инструкция по изготовлению

Чертежи

Рисунок 1. Электрическая схема индукционного нагревателяРисунок 2. Устройство.Рисунок 3. Схема простого индукционного нагревателя

Для изготовления печи понадобятся следующие материалы и инструменты:

  • паяльник;
  • припой;
  • текстолитовая плата.
  • мини-дрель.
  • радиоэлементы.
  • термопаста.
  • химические реагенты для травления платы.

Дополнительные материалы и их особенности:

  1. Для изготовления катушки, которая будет излучать необходимое для нагрева переменное магнитное поле, необходимо приготовить отрезок медной трубки диаметром 8 мм, и длиной 800 мм.
  2. Мощные силовые транзисторы являются самой дорогой частью самодельной индукционной установки. Для монтажа схемы частотного генератора необходимо приготовить 2 таких элемента. Для этих целей подойдут транзисторы марок: IRFP-150; IRFP-260; IRFP-460. При изготовлении схемы используются 2 одинаковых из перечисленных полевых транзисторов.
  3. Для изготовления колебательно контура понадобятся керамические конденсаторы ёмкостью 0,1 mF и рабочим напряжением 1600 В. Для того, чтобы в катушке образовался переменный ток высокой мощности, потребуется 7 таких конденсаторов.
  4. При работе такого индукционного прибора, полевые транзисторы будут сильно разогреваться и если к ним не будут присоединены радиаторы из алюминиевого сплава, то уже через несколько секунд работы на максимальной мощности, данные элементы выйдут из строя. Ставить транзисторы на теплоотводы следует через тонкий слой термопасты, иначе эффективность такого охлаждения будет минимальна.
  5. Диоды, которые используются в индукционном нагревателе, обязательно должны быть ультрабыстрого действия. Наиболее подходящими для данной схемы, диоды: MUR-460; UF-4007; HER – 307.
  6. Резисторы, которые используются в схеме 3: 10 кОм мощностью 0,25 Вт – 2 шт. и 440 Ом мощностью – 2 Вт. Стабилитроны: 2 шт. с рабочим напряжением 15 В. Мощность стабилитронов должна составлять не менее 2 Вт. Дроссель для подсоединения к силовым выводам катушки используется с индукцией.
  7. Для питания всего устройства понадобится блок питания мощностью до 500. Вт. и напряжением 12 – 40 В. Запитать данное устройство можно от автомобильного аккумулятора, но получить наивысшие показания мощности при таком напряжении не получится.

Сам процесс изготовления электронного генератора и катушки занимает немного времени и осуществляется в такой последовательности:

  1. Из медной трубы делается спираль диаметром 4 см. Для изготовления спирали следует медную трубку накрутить на стержень с ровной поверхностью диаметром 4 см. Спираль должна иметь 7 витков, которые не должны соприкасаться. На 2 конца трубки припаиваются крепёжные кольца для подключения к радиаторам транзистора.
  2. Печатная плата изготавливается по схеме. Если есть возможность поставить полипропиленовые конденсаторы, то благодаря тому, что такие элементы обладают минимальными потерями и устойчивой работой при больших амплитудах колебания напряжений, устройство будет работать намного стабильнее. Конденсаторы в схеме устанавливаются параллельно образуя с медной катушкой колебательный контур.
  3. Нагрев металла происходит внутри катушки, после того как схема будет подключена к блоку питания или аккумулятору. При нагреве металла необходимо следить за тем, чтобы не было короткого замыкания обмоток пружины. Если коснуться нагреваемым металлом 2 витка катушки одновременно, то транзисторы выходят из строя моментально.

Нюансы

  1. При проведении опытов по нагреву и закалке металлов, внутри индукционной спирали температура может быть значительна и составляет 100 градусов Цельсия. Этот теплонагревательный эффект можно использовать для нагрева воды для бытовых нужд или для отопления дома.
  2. Схема нагревателя рассмотренного выше (рисунок 3), при максимальной нагрузке способна обеспечить излучение магнитной энергии внутри катушки равное 500 Вт. Такой мощности недостаточно для нагрева большого объёма воды, а сооружение индукционной катушки высокой мощности потребует изготовление схемы, в которой необходимо будет использовать очень дорогие радиоэлементы.
  3. Бюджетным решением организации индукционного нагрева жидкости, является использование нескольких устройств описанных выше, расположенных последовательно. При этом, спирали должны находиться на одной линии и не иметь общего металлического проводника.
  4. В качестве теплообменника используется труба из нержавеющей стали диаметром 20 мм. На трубу «нанизываются» несколько индукционных спиралей, таким образом, чтобы теплообменник оказался в середине спирали и не соприкасался с её витками. При одновременном включении 4 таких устройств, мощность нагрева будет составлять порядка 2 Квт, что уже достаточно для проточного нагрева жидкости при небольшой циркуляции воды, до значений позволяющих использовать данную конструкцию в снабжении тёплой водой небольшого дома.
  5. Если соединить такой нагревательный элемент с хорошо изолированным баком, который будет расположен выше нагревателя, то в результате получится бойлерная система, в которой нагрев жидкости будет осуществляться внутри нержавеющей трубы, нагретая вода будет подниматься вверх, а её место будет занимать более холодная жидкость.
  6. Если площадь дома значительна, то количество индукционных спиралей может быть увеличено до 10 штук.
  7. Мощность такого котла можно легко регулировать путём отключения или включения спиралей. Чем больше одновременно включённых секций, тем больше будет мощность работающего таким образом отопительного устройства.
  8. Для питания такого модуля понадобится мощный блок питания. Если есть в наличии инверторный сварочный аппарат постоянного тока, то из него можно изготовить преобразователь напряжения необходимой мощности.
  9. Благодаря тому, что система работает на постоянном электрическом токе, который не превышает 40 В, эксплуатация такого устройства относительно безопасна, главное обеспечить в схеме питания генератора блок предохранителей, которые в случае короткого замыкания обесточат систему, там самым исключив возможность возникновения пожара.
  10. Можно таким образом организовать “бесплатное” отопление дома, при условии установки для питания индукционных устройств аккумуляторных батарей, зарядка которых будет осуществляться за счёт энергии солнца и ветра.
  11. Аккумуляторы следует объединить в секции по 2 шт., подключённые последовательно. В результате, напряжение питания при таком подключении будет не менее 24 В., что обеспечит работу котла на высокой мощности. Кроме этого, последовательное подключение позволит снизить силу тока в цепи и увеличить срок эксплуатации аккумуляторов.

Блиц-советы

  1. Эксплуатация самодельных устройств индукционного нагрева, не всегда позволяет исключить распространение вредного для человека электромагнитного излучения, поэтому индукционный котёл следует устанавливать в нежилом помещении и экранировать оцинкованной сталью.
  2. Обязательно при работе с электричеством следует соблюдать правила техники безопасности, особенно это касается сетей переменного тока напряжением 220 В.
  3. В качестве эксперимента можно изготовить варочную поверхность для приготовления пищи по схеме указанной в статье, но эксплуатировать данный прибор постоянно не рекомендуется по причине несовершенства самостоятельного изготовления экранирования данного устройства, из-за этого возможно воздействие на организм человека вредного электромагнитного излучения, способного негативно сказаться на здоровье.

housetronic.ru

Индукционный обогреватель для дома – плюсы и минусы, обзор

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.

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.

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.
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.

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.

Обзор производителей

Известных российские производители:

  • Миратрон;
  • Эдисон;
  • Гейзер.

Миратрон дает возможность владельцу менять мощность агрегата — 4,5–30 кВт.

Обогреватель, автоматика находятся в ящике

Мощный котел Эдисон снабжен необходимой автоматикой.

Обогреватель Эдисон

Гейзер мощностью 4,5 — 250 кВт имеет 2-ой класс безопасности, не требуется заземление.

Обогреватель Гейзер с автоматикой

Когда есть полная информация о котлах, легче выбрать. Отзыв пользователя:

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

laminatepol.ru

устройство и принцип работы, схема изготовления своими руками

Индукционный нагреватель можно устанавливать в квартире, для этого не нужно никаких согласований и связанных с ними расходов и хлопот. Достаточно желания хозяина. Проект подключения требуется только теоретически. Это и стало одной из причин популярности индукционных нагревателей, даже несмотря на приличную стоимость электроэнергии.

Индукционный способ нагрева

Индукционный нагрев — это нагрев переменным электромагнитным полем проводника, помещенного в это поле. В проводнике возникают вихревые токи (токи Фуко), которые и нагревают его. По сути дела — это трансформатор, первичная обмотка — это катушка, называемая индуктором, а вторичная обмотка — это вкладка или короткозамкнутая обмотка. Тепло не подводится к вкладке, а генерируется в ней самой блуждающими токами. Все, окружающее ее, остается холодным, что является определенным преимуществом устройств такого рода.

Тепло во вкладке распределяется неравномерно, а только в поверхностных ее слоях и далее по объему распространяется за счет теплопроводности материала вкладки. Причем с повышением частоты переменного магнитного поля глубина проникновения уменьшается, а интенсивность увеличивается.

Для работы индуктора с частотой большей, чем в сети (50Гц), применяются транзисторные или тиристорные преобразователи частоты. Тиристорные преобразователи позволяют получать частоты до 8 КГц, транзисторные — до 25КГц. Схемы их подключения можно найти легко.

Планируя установку систем отопления в собственном доме или на даче, кроме прочих вариантов на жидком или твердом топливе, необходимо рассмотреть вариант с применением индукционного нагрева котла. С таким отоплением экономить на электроэнергии не удастся, но отсутствуют опасные для здоровья вещества.

Принцип работы индуктора

Основное назначение индуктора — выработка тепловой энергии за счет электрической без использования теплоэлектронагревателей принципиально другим способом.

Типовой индуктор состоит из следующих основных деталей и устройств:

  • генератор переменного тока — устройство для изменения сетевой частоты в более высокую, которая транслируется на катушку;
  • индуктор — катушка, в которой индуцируется переменное магнитное поле;
  • нагревательный элемент — металлический предмет, в котором под воздействием электромагнитного поля возникают вихревые токи, которые и нагревают проводник.

Устройство нагревательного прибора

Основные элементы индукционного нагревателя для отопительной системы.

  1. Стальная проволока диаметром 5-7 мм.
  2. Труба из пластика с толстой стенкой. Внутренний диаметр не менее 50 мм и длина подбирается по месту установки.
  3. Медная эмалированная проволока для катушки. Размеры подбираются в зависимости от мощности устройства.
  4. Сетка из нержавеющей стали.
  5. Сварочный инвертор.

Порядок изготовления индукционного котла

Вариант первый

Стальную проволоку порубить на отрезки длиной не более 50 мм. Рубленой проволокой заполнить пластиковую трубу. Торцы заглушить проволочной сеткой для предотвращения высыпания проволоки.

На концах трубы установить переходники от пластиковой трубы к размеру трубы в месте подключения нагревателя.

Медным эмалированным проводом намотать обмотку на корпусе нагревателя (пластиковой трубе). Для этого понадобится порядка 17 метров провода: количество витков — 90, наружный диаметр трубы порядка 60 мм: 3,14 х 60 х90 = 17 (метров). Длину уточните дополнительно, когда будет точно известен наружный диаметр трубы.

Пластиковую трубку, а теперь уже индукционный котел, врезать в трубопровод в вертикальном положении.

При проверке работоспособности индукционного нагревателя убедитесь, что в котле присутствует теплоноситель. В противном случае корпус (пластиковая труба) расплавится очень быстро.

Подключить котел к инвертору, необходимо заполнить систему теплоносителем и можно включать.

Вариант второй

Конструкция индукционного нагревателя из сварочного инвертора по этому варианту более сложна, требует определенных навыков и умений работать своими руками, однако, она более эффективна. Принцип тот же — индукционный нагрев теплоносителя.

Для начала нужно изготовить сам индукционный нагреватель — котел. Для этого понадобятся две трубки разного диаметра, которые вставляются одна в другую с зазором между ними порядка 20 мм. Длина трубок от 150 до 500 мм, в зависимости от предполагаемой мощности индукционного нагревателя. Нужно вырезать два кольца соответственно зазору между трубками и приварить их герметично по торцам. Получилась емкость тороидальной формы.

Остается вварить в наружную стенку входную (нижнюю) трубку по касательной к корпусу и верхнюю (выходную) трубку параллельно входной на противоположной стороне тороида. Размер трубок — по размеру труб отопительной системы. Расположение входного и выходного патрубков по касательной, обеспечит циркуляцию теплоносителя по всему объему котла без образования застойных зон.

Второй шаг — создание обмотки. Эмалированный медный провод нужно наматывать вертикально, пропуская его внутрь и поднимая наверх по внешнему контуру корпуса. И так 30-40 витков, образуя тороидальную катушку. В таком варианте нагреваться будет одновременно вся поверхность котла, таким образом, значительно повышая его производительность и эффективность.

Изготовить наружный корпус обогревателя из непроводящих материалов, использовав, например, пластиковую трубу большого диаметра или банальное пластиковое ведро, если будет достаточно его высоты. Диаметр наружного корпуса должен обеспечивать выход патрубков котла сбоку. Обеспечить соблюдение правил электробезопасности по всей схеме подключения.

Корпус котла отделить от наружного корпуса теплоизолятором, можно использовать как сыпучий термоизоляционный материал (керамзит), так и плиточный (изовер, минплита и тому подобное). Этим предотвращаются потери тепла в атмосферу от конвекции.

Остается заполнить систему своим теплоносителем и подсоединить индукционный нагреватель из сварочного инвертора.

Такой котел совершенно не требует вмешательства и может работать 25 и более лет без ремонта, поскольку в конструкции отсутствуют движущиеся детали, а в схеме подключения предусмотрено использование автоматического управления.

Вариант третий

Это, наоборот, самый простой вариант обогрева жилища, выполняемый своими руками. На вертикальной части трубы системы отопления нужно выбрать прямой участок длиной не менее метра и очистить его от краски наждачной шкуркой. Затем этот участок трубы изолировать 2-3 слоями электротехнической ткани или плотной стеклоткани. После этого эмалированным медным проводом намотать индукционную катушку. Тщательно изолировать всю схему подключения.

Остается только подключить сварочный инвертор и наслаждаться теплом в своем жилище.

Обратите внимание на несколько моментов.

  1. Нежелательно устанавливать такой обогреватель в жилых комнатах, где чаще всего находятся люди. Дело в том, что электромагнитное поле распространяется не только внутри катушки, но и в окружающем пространстве. Чтобы убедиться в этом, достаточно воспользоваться обыкновенным магнитом. Нужно взять его в руку и подойти к катушке (котлу). Магнит начнет ощутимо вибрировать и тем сильнее, чем ближе катушка. Поэтому лучше использовать котел в нежилой части дома или квартиры.
  2. Устанавливая катушку на трубе, убедитесь, что на этом участке системы отопления теплоноситель естественным образом течет вверх, чтобы не создавать противотока, иначе система вообще не будет работать.

Можно предложить много вариантов применения индукционного нагрева в жилище. Например, в системе горячего водоснабжения можно вообще отказаться от подачи горячей воды, подогревая ее на выходах из каждого крана. Однако, это тема для отдельного рассмотрения.

Несколько слов о безопасности при использовании индукционных нагревателей со сварочным инвертором:

  • для обеспечения электробезопасности необходимо тщательно изолировать токопроводящие элементы конструкций по всей схеме подключения;
  • индукционный нагреватель рекомендуется только для закрытых систем отопления, в которых циркуляция обеспечивается водяным насосом;
  • рекомендуется размещать индукционную систему на расстоянии не менее 30 см от стен и мебели и в 80 сантиметрах от пола или потолка;
  • чтобы обезопасить работу системы нужно оснастить систему манометром, аварийным клапаном и устройством автоматического регулирования.
  • установить устройство для стравливания воздуха из системы отопления во избежание образования воздушных пробок.

КПД индукционных котлов и нагревателей близка к 100%, при этом нужно учитывать, что потери электроэнергии в сварочных инверторах и проводке, так или иначе, возвращаются к потребителю в виде тепла.

Прежде чем приступать к изготовлению индукционной системы, посмотрите технические данные промышленных образцов. Это поможет определиться с исходными данными самодельной системы.

Желаем успехов в творчестве и труде на самого себя!

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

kotel.guru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о