Индукционный нагреватель металла. принцип работы

Плюсы и минусы индукционных устройств для нагрева воды

Прибор имеет довольно простую конструкцию и не требует специальных документов, разрешающих использование и установку. Индукционный нагреватель воды имеет высокую степень эффективности и оптимальную для пользователя надежность. При использовании его в качестве котла для отопления можно даже не устанавливать насос, так как вода течет по трубам благодаря конвекции (при нагреве жидкость практически превращается в пар).

Также устройство обладает рядом преимуществ, что выгодно отличает его среди других видов водонагревателей. Итак, индукционный нагреватель:

В индукционных нагревателях вода становится горячей за счет трубы по которой течет, а последняя нагревается за счет индукционного тока, создаваемого катушкой.

• намного дешевле своих аналогов, такое устройство можно без проблем собрать самостоятельно;
• полностью бесшумный (хотя катушка и вибрирует при работе, но эта вибрация не ощутима для человека);
• во время работы вибрирует, благодаря чему грязь и накипь не прилипает к его стенкам, поэтому и в чистке не нуждается;
• имеет теплогенератор, который можно легко сделать герметичным благодаря принципу работы: теплоноситель находится внутри нагревательного элемента и энергия передается нагревателю посредством электромагнитного поля, никаких контактов не нужно; поэтому не понадобятся уплотнительные резинки, сальники и прочие элементы, способные быстро испортиться или протекать;
• ломаться в теплогенераторе просто нечему, так как воду нагревает обычная труба, которая неспособна испортиться или перегореть, в отличие от ТЭНа;

Не стоит забывать и о том, что обслуживание индукционного нагревателя выйдет намного дешевле, чем бойлера или газового котла. Устройство имеет минимум деталей, которые практически никогда не выходят из строя.

Несмотря на огромное количество достоинств, индукционный водонагреватель имеет и ряд недостатков:

• первый и самый болезненный для владельцев – это счет за электричество; прибор нельзя назвать экономичным, поэтому придется выкладывать порядочную сумму раз за его использование;
• второе – устройство сильно греется и нагревает не только себя, но и окружающее пространство, поэтому лучше не прикасаться к корпусу теплогенератора во время его работы;
• третье – прибор имеет крайне высокую эффективность и теплоотдачу, поэтому при его использовании обязательно устанавливайте датчик температуры, иначе может взорваться система.

В чем отличия от других плит?

Индукционные плиты выгодно отличаются от иных типов печек (газовых и электрических).

Стоит выделить ряд моментов:

КПД печей индукционного типа достигает 90%. Для сравнения в газовых плитах этот показатель всего 30-60%, а в электрических — не более 70%; Высокая скорость нагрева (устройства с ТЭНами или газовыми конфорками этой особенностью похвастаться не могут); Эффективность. После снятия посуды рабочую зону не нужно отключать вручную — это происходит автоматически. В электрических или газовых плитках горелка продолжает работать, что приводит к перерасходу газа и электричества

В летний период это особенно важно, ведь имеет место дополнительный нагрев воздуха, что усложняет процесс кондиционирования (охлаждения) помещения; Точная регулировка температуры. На печках с ТЭНами или работающих на газе регулирование температуры происходит «на глаз». В случае с индукционными плитами можно поддерживать один и тот же параметр в течение всего времени приготовления пищи;

В случае с индукционными плитами можно поддерживать один и тот же параметр в течение всего времени приготовления пищи;

Безопасность. Если человек случайно перепутает посуду и поставит изделие с не магнитным дном, конфорка не сработает. Для активации конфорки посуда должна максимально покрывать ее площадь, от 50% и более; Множество дополнительных функций, чем не могут похвастаться классические газовые или электрические плиты.

Индукционные нагреватели валов

Индукционные нагреватели для закалки валов работают совместно с закалочным комплексом. Обрабатываемая деталь находится в вертикальном положении и вращается внутри неподвижного индуктора. Нагреватель позволяет использовать все типы валов для последовательного локального нагрева, глубина закалки может составлять доли миллиметров по глубине.

В результате индукционного нагрева вала по всей длине с мгновенным охлаждением, многократно повышается его прочность и стойкость.

Применение:

• закалка валов, осей и пальцев;
• закалка шестеренок, зубчатых колес и венцов;
• закалка ТВЧ зубьев или впадин
• щелей и внутренних частей деталей
• крановых колес и шкивов

Наиболее часто высокочастотную закалку применяют для деталей, которые состоят из углеродистой стали. подробнее

Индукционный обогреватель своими руками

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

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

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

Устройство и принцип работы индукционных ламп

Конструкция ИЛ с внутренним и внешним индуктором

Индукционная лампа состоит из газоразрядной трубки, индукционной катушки и генератора высокочастотного тока. В некоторых моделях добавляется сердечник или ферромагнитный экран для снижения рассеивания магнитного поля.

Колба ИЛ покрыта изнутри люминофором и обычно заполнена смесью аргона с парами ртути. В особых случаях применяется другая смесь: ксенон-аргон-криптон-неон.

Индукционная катушка является первичной обмоткой трансформатора, а полость колбы с ионизированным газом – вторичный виток.

Подключение ИЛ к сети происходит через балласт:

Электрическая схема подключения ИЛ

Балласт подключается к источникам напряжения: постоянного или переменного. Балласты работают при разных значениях напряжения.

Генератор нужен для запитывания катушки индуктивности высокочастотным током (от 190 кГц до 2,65 МГц). При этом напряженность электрического поля повышается до степени возникновения электрического пробоя – газовая смесь переходит в низкотемпературную плазму. Плазма – хороший проводник тока. Внутри колбы начинает протекать ток, и от этого выделяется энергия. Выделенная энергия возбуждает атомы газовой смеси, которые начинают излучать фононы. Причем длина волны излучения атомов ртути лежит в ультрафиолетовом спектре, то есть не видимом человеческому глазу. Для перевода излучения в видимое световое применяют люминофор, который наносится на внутреннюю поверхность колбы.

Отсутствие в конструкции ИЛ электродов предотвращает их постепенное разрушение и осаждение материала электродов на стенках колбы. За счет этого значительно вырастает период использования индукционных источников света: до 120000 часов, что является максимальным из всех видов осветительных приборов.

Кузнечные индукционные нагреватели

Основное назначение индукционных нагревателей кузнечного типа (ИКН) — подогрев деталей или их частей, предшествующий последующей ковке. Заготовки могут быть самого разного типа, сплава и формы. Индукционные кузнечные нагреватели позволяют обрабатывать цилиндрические заготовки любым диаметром в автоматическом режиме:

• экономичны, так как тратят на нагрев всего несколько секунд и имеют высокий КПД до 95%;
• просты в использовании, позволяют осуществлять: полный контроль процесса, полуавтоматическую загрузку-выгрузку. Есть варианты с полной автоматикой;
• надежны и могут работать непрерывно долгое время.

• Индукционный кузнечный нагреватель 300 кВт Москва
• Индукционный кузнечный нагреватель 100 кВт Екатеринбург
• Индукционный кузнечный нагреватель 60 кВт Амур

Применение:

• нагрев металлических заготовок
• нагрев круглых заготовок
• горячая штамповка, гибка, ковка и высадка
• нагрев магнитных и немагнитных металлических заготовок, как цветных металлов (медь, алюминии), так и черных металлов (стали нержавеющие и легированные), а так же чугуна.

подробнее

Что такое индукционное нагревание

Принцип, по которому работает индукционный водонагреватель.

Работает индукционный прибор на энергии, вырабатываемой электромагнитным полем. Ее вбирает в себя носитель тепла, отдавая его затем помещениям:

1. Создает электромагнитное поле в таком водонагревателе индуктор. Это многовитковая проволочная катушка цилиндрической формы.
2. Протекая сквозь нее, переменный электроток вокруг катушки генерирует магнитное поле.
3. Его линии размещаются перпендикулярно вектору электромагнитного потока. При перемещении они воссоздают замкнутую окружность.
4. Вихревые потоки, создаваемые переменным током, преобразуют энергию электричества в тепло.

Особенности прибора

Электроток подключается к первичной обмотке.

Индукционный нагрев осуществляется при помощи трансформатора. Он состоит из пары обмоток:

• внешней (первичной);
• короткозамкнутой внутренней (вторичной).

Вихревые токи возникают в глубинной части трансформатора. Они перенаправляют появляющееся электромагнитное поле на вторичный контур. Тот одновременно исполняет функцию корпуса и выступает, как нагревательный элемент для воды.

С ростом плотности вихревых потоков, направленных на сердечник, сначала разогревается он сам, затем — весь тепловой элемент.

Для подачи прохладной воды и отвода подготовленного теплоносителя в отопительную систему индукционный нагреватель оснащается парой патрубков:

1. Нижний из них устанавливается на входную часть водопровода.
2. Верхний патрубок — на питающий участок отопительной системы.

Из каких элементов состоит прибор, и каким образом работает

Индукционный водонагреватель состоит из таких конструктивных элементов:

Фото	Конструктивный узел
	Индуктор. Он состоит из множества витков медной проволоки. В них и генерируется электромагнитное поле.
Нагревательный элемент. Это труба из металла или обрезки стальной проволоки, размещаемые внутри индуктора.
Генератор. Он трансформирует бытовую электроэнергию в высокочастотный электроток. Роль генератора может играть инвертор от сварочного аппарата.

Схема работы отопительной системы с индукционным водонагревателем.

При взаимодействии всех составляющих прибора происходит выработка тепловой энергии и передача ее воде. Схема работы агрегата такова:

1. Генератор продуцирует высокочастотный электроток. Затем он передает его индукционной катушке.
2. Та, восприняв ток, трансформирует его в электрическое магнитное поле.
3. Нагреватель, расположенный внутри катушки, раскаляется от действия вихревых потоков, появляющихся из-за смены вектора магнитного поля.
4. Вода, циркулирующая внутри элемента, нагревается от него. Затем она поступает в систему отопления.

Достоинства и недостатки индукционного метода нагревания

Агрегат компактен и занимает мало места.

Индукционные нагреватели наделены такими достоинствами:

• высокий уровень КПД;
• не нуждаются в частом техобслуживании;
• они отнимают мало свободного пространства;
• вследствие вибраций магнитного поля, внутри них не оседает накипь;
• приборы бесшумны;
• они безопасны;
• благодаря герметичности корпуса не появляются протечки;
• функционирование нагревателя полностью автоматизировано;
• агрегат экологически чист, не выделяет копоть, сажу угарный газ и пр.

На фото — заводской водонагревательный индукционный котел.

Главный минус прибора — дороговизна его заводских моделей.

Высокочастотные индукционные нагреватели

Самая широкая область применения у индукционных нагревателей высокочастотного типа. Нагреватели характеризуются высокой частотой 30-100 кГц и широким диапазоном мощностей 15-160 кВт. Высокочастотный тип обеспечивают небольшой по глубине нагрев, однако этого достаточно, чтобы улучшить химические свойства металла.

Высокочастотные индукционные нагреватели легки в управлении и экономичны, и при этом их КПД может достигать 95%. Все типы работают непрерывно продолжительное время, а двухблочный вариант (когда трансформатор высокой частоты вынесен в отдельный блок) допускает круглосуточную работу. Нагреватель имеет 28 типов защит, каждая из которых отвечает за свою функцию. Пример: контроль напора воды в системе охлаждения.

• Индукционный нагреватель 60 кВт Пермь
• Индукционный нагреватель 65 кВт Новосибирск
• Индукционный нагреватель 60 кВт Красноярск
• Индукционный нагреватель 60 кВт Калуга
• Индукционный нагреватель 100 кВт Новосибирск
• Индукционный нагреватель 120 кВт Екатеринбург
• Индукционный нагреватель 160 кВт Самара

Применение:

• поверхностной закалки шестерни
• закалка валов
• закалка крановых колес
• нагрев деталей перед изгибом
• пайка резцов, фрез, буровой коронки
• нагрев заготовки при горячей штамповке
• высадка болтов
• сварка и наплавки металлов
• восстановление деталей.

подробнее

Области применения

В промышленности индукционные нагреватели используются для выполнения следующих сложных процессов:

• сверхчистая плавка металлов (производится в канальных — бесконтактных индукционных печах);
• гибка стальных труб большого диаметра;
• выполнение поверхностной закалки стальных изделий (строительная арматура, детали передаточных механизмов станков и т.д.);
• термообработка мелких деталей сложной конфигурации;

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

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

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

Вакуумные печи индукционного действия

Этот вид имеет широкое применение для плавления сталей высокого качества и никелевых, кобальтовых и железных сплавов жаростойкого качества. Агрегат успешно справляется с плавкой цветных металлов. В вакуумных агрегатах варят стекло, обрабатывают высокой температурой детали, производят монокристаллы.

Печь относят к высокочастотному генератору, расположенному в изолированном от внешней среды индукторе, пропускающем ток высокой частоты. Для создания вакуума из него насосами откачивают воздушные массы. Все операции по введению добавок, загрузке шихты, выдаче металла производится автоматическими механизмами с электрическим или гидравлическим управлением. Из вакуумных печей получают сплавы с небольшими примесями кислорода, водорода, азота, органики. Результат намного превосходит открытые печи индукционного действия.

Жаропрочную сталь из вакуумных печей применяют в инструментальном и оружейном производстве. Некоторые сплавы из никеля, с содержанием никеля и титана являются химически активными, и получить их в других видах печей проблематично. Вакуумные печи выполняют розлив металла поворотом тигеля во внутреннем пространстве кожуха или вращением камеры с неподвижно закрепленной печью. Некоторые модели имеют в дне открывающееся отверстие для слива металла в установленную емкость.

Канальные печи индукционной плавки

Такой тип нашел широкое применение в плавильном деле цветных металлов. Эффективно используется для меди и медных сплавов на основе латуни, мельхиора, бронзы. Активно плавят в канальных агрегатах алюминий, цинк и сплавы в составе этих металлов. Широкое использование печей этого типа ограничено из-за невозможности выполнить футеровку, стойкую к разрушениям, на внутренних стенках камеры.

Расплавленный металл в канальных печах индукционного типа совершает тепловое и электродинамическое движение, что обеспечивает постоянную однородность смешивания компонентов сплава в печной ванне. Использование канальных печей индукционного принципа оправдано в случаях, если к расплавленному металлу и изготовленным слиткам предъявляются особые требования. Сплавы получаются качественными в плане коэффициента насыщения газами, присутствия в металле органических и синтетических примесей.

Индукционные канальные печи работают по типу миксера и предназначаются для выравнивания состава, поддержки постоянной температуры процесса, и выбора скорости разлива в кристаллизаторы или формы. Для каждого сплава и состава литья существуют параметры специальной шихты.

Достоинства

• подогревание сплава происходит в нижней части, к которой нет воздушного доступа, что уменьшает испарение с верхней поверхности, нагретой до минимальной температуры;
• канальные печи относят к экономичным индукционным печам, так как происходящее расплавление обеспечивается маленьким расходом электрической энергии;
• печь имеет высокий коэффициент полезного действия благодаря применению в работе замкнутого контура магнитного провода;
• постоянная циркуляция в печи расплавленного металла вызывает ускорение плавильного процесса и способствует однородности перемешивания компонентов сплава.

Недостатки

• стойкость каменной внутренней футеровки снижается при использовании высоких температур;
• футеровка разрушается при плавлении химически агрессивных сплавов из бронзы, олова и свинца.
• при плавлении загрязненной низкосортной шихты происходит засорение каналов;
• поверхностный шлак на ванне не нагревается до высокой температуры, что не позволяет проводить операции в промежутке между металлом и укрытием и расплавлять стружку и скрап;
• канальные агрегаты плохо переносят перерывы в работе, что заставляет постоянно хранить в жерле печи значительное количество жидкого сплава.

Полное удаление расплавленного металла из печи ведет к ее быстрому растрескиванию. По этой же причине невозможно выполнить быструю перестройку с одного сплава на другой, приходится делать несколько промежуточных плавок, получивших название балластных.

Индукционный генератор тепла в системе отопления

У применяемых в отопительных контурах индукционных водонагревателей имеются как общие для всех электронагревателей достоинства, так и присущие только им. Начнем с первой группы:

1. По удобству использования электронагреватели опережают даже газовое оборудование, так как обходятся без розжига. К тому же они являются намного более безопасными: владельцу можно не опасаться утечки топлива или продуктов его сгорания.
2. Электрооборудованию не нужны дымоход и обслуживание в виде удаления нагара и копоти.
3. КПД электронагревателя не зависит от его мощности. Его можно установить на самый минимум, и при этом КПД агрегата останется на уровне 99%, в то время как КПД газового или твердотопливного котла в таких условиях окажется значительно ниже паспортного.
4. При наличии электрического теплогенератора система отопления может работать в самом низкотемпературном режиме, что весьма актуально в периоды межсезонья. В случае применения газового или твердотопливного котла падение температуры «обратки» ниже 50 градусов не допускается, так как при этом на теплообменнике образуется конденсат (при использовании твердого топлива он содержит кислоту).
5. Ну и последнее: при использовании электрообогрева можно обойтись без жидкостного теплоносителя, правда, к индукционным нагревателям это не относится.

Простой индукционный нагреватель

Перейдем к достоинствам непосредственно «индукционников»:

1. Площадь контакта теплоносителя с горячей поверхностью в индукционных нагревателях в тысячи раз больше, чем в приборах с трубчатыми электронагревателями. Поэтому среда прогревается гораздо быстрее.
2. Все элементы «индукционника» монтируются только снаружи, без каких-либо врезок. Соответственно, и протечки полностью исключаются.
3. Поскольку нагрев осуществляется бесконтактным способом, нагреватель индукционного типа может работать с абсолютно любым теплоносителем, включая все виды антифризов (для ТЭНового электрокотла понадобился бы специальный). При этом вода может содержать сравнительно большое количество солей жесткости – переменное магнитное поле препятствует образованию накипи на стенках теплообменника.

На всякую бочку меда, как известно, найдется своя ложка дегтя. Здесь без этого тоже не обошлось: мало того, что сама по себе электроэнергия стоит достаточно дорого, так еще и индукционные нагреватели относятся к наиболее дорогому типу электроотопительного оборудования.

Проточный индукционный водонагреватель своими руками

Прежде чем приступать к монтажу, вам необходимо запастись необходимыми деталями. Так, лучшим вариантом будет сварочный высокочастотный инвертор, плавно изменяющийся диапазон силы тока. Такое устройство обойдется дешевле всего. Более дорогим вариантом станет трехфазный трансформатор, являющийся источником питания переменного тока для индуктора водонагревателя. В таком случае стоит использовать катушку на 50-90 витков, а в качестве материала взять медную проволоку с диаметром 3 или более миллиметров.

В качестве сердечника можно использовать как металлическую, так и полимерную трубу вместе с проволокой (используется как нагревательный элемент). В последнем случае толщина стен не должна быть менее 3 мм, чтобы спокойно выдерживать высокие температуры.

Для сборки водонагревателя вам понадобятся: кусачки, отвертки, паяльник и сварочный аппарат, если используется металлическая труба.

Монтаж индукционного нагревателя воды

Обмотайте трубу медной проволокой, сделав около 90 витков.

Вариантов сборки устройства существует множество. Предлагаем попробовать собрать прибор по следующей схеме:

1. Подготовьте рабочее место, материалы и инструменты.
2. Зафиксируйте небольшой отрезок полимерной трубы (не забывайте, что минимальная толщина стенки должна составлять 3 мм).
3. Обрежьте торцы сердечника, чтобы осталось 10 см в запасе провода для отводов.
4. На нижнем отводе смонтируйте уголок. В дальнейшем сюда следует подключить обратку от отопления (если нагреватель используется в качестве котла).
5. Плотно уложите рубленый провод вокруг трубы. Необходимо сделать не менее 90 витков.
6. Установите на верхнем патрубке тройник, через который будет выходить горячая вода.
7. Смонтируйте защитный контур устройства. Его можно изготовить как из полимера, так и из металла.
8. Подключите к клеммам водонагревателя медную проволоку, затем заполните сердечник водой.
9. Проверьте работоспособность индуктора.

Рекомендации. На всех выводах лучше устанавливать шаровые краны для удобства и простоты демонтажа водонагревателя в случае поломки. А вот заполнять металлическими кусочками трубу необязательно, так как должного эффекта это не дает. Не забудьте оставить окошко в корпусе для доступа к панели управления сварочного аппарата.

Сборка индукционного нагревателя

Работы по изготовлению нагревателя производятся в несколько этапов:

1. Порезать проволоку из нержавейки на части длиной примерно 5-7 мм. На дно трубы из пластика поместить металлическую сетку и наполнить все свободное пространство внутри нарезанными кусочками проволоки. Затем закрыть трубу с той и другой стороны.
2. Далее нужно сделать индукционную катушку. Для этого подготовленную трубу аккуратно и с равными промежутками обмотать медной проволокой. Должно получиться не менее 90-100 витков проволоки.
3. Подготовленное устройство можно встроить в любом месте системы отопления. Устройство подключается к инвертору внешней обмоткой из медной проволоки. Для прокачки воды встраивается циркулирующий насос. Обязательно нужно произвести работы по электроизоляции устройства. Не стоит забывать и о тепловой изоляции нагревателя специальным материалом. Без теплоизоляции КПД системы будет значительно ниже.

Себестоимость самодельного индукционного котла довольно небольшая. Но все же для его изготовления необходим опыт подобных работ, а также хотя бы небольшие технические знания в данной области. Если же все работы проводятся аккуратно и в соответствии с рекомендациями, такое устройство будет работать бесперебойно, с неплохой отдачей тепла. Возможно, что оно получится несколько неказистым на вид, но от этого нагреватель не станет функционировать хуже.