Индукционный нагрев металлов. Индукционный нагреватель: простые схемы для реализации своими руками

Содержание

Сегодня электроэнергия обходится потребителям совсем недешево, но работающие на таком ресурсе отопительные приборы пользуются у населения определенной популярностью. Большой интерес вызывают устройства, функционирующие на принципе электромагнитной индукции. В статье описано, как работает подобное устройство, где используется, и как сделать индукционный нагреватель своими руками. Но прежде - немного истории.

Вихревой индукционный нагреватель

В начале девятнадцатого века ученый из Англии Фарадей проводил эксперименты, преследуя цель преобразовать магнетизм в электроэнергию. У него вышло получить поток энергии в первичной обмотке, состоящей из провода, накрученного на сердечник, изготовленный из железа. Таким образом стала открыта электромагнитная индукция. Произошло это в 1831 г.

Первую плавильню, использующую мощный водонагреватель, работающий по принципу индукции, открыли в Англии, в тридцатых годах прошлого века. В восьмидесятых прошлого века принцип индукции применялся более активно. Специалисты разработали вихревые нагреватели. Ими обогревали заводские цеха и различные производственные помещения. Через некоторое время начали производить бытовые устройства.

Принцип работы индуктора

Вихревые нагреватели обычно используются для отопительных котлов. Они пользуются большим спросом у населения за счет своей мощности и простой конструкции. Функционирование их основывается на передаче теплоносителю энергии магнитного поля. Вода, подающаяся в аппарат, нагревается путем подачи энергии. Далее она подается в отопительную систему. Чтобы появилось давление, применяется насос. Вода циркулирует и защищает элементы от перегрева. Теплоноситель вибрирует, что предотвращает появление накипи на стенках оборудования.

Если изучить изнутри индукционный обогреватель, там можно обнаружить металлический корпус, изоляцию и сердечник. Основное отличие такого нагревателя от промышленных - обмотка медными проводниками. Последняя находится между 2-ух сваренных стальных труб.

Самодельный индукционный нагреватель мало весит, обладает хорошим КПД и компактными размерами. Как сердечник, тут используется труба с обмоткой. Вторая труба нужна для нагревания. Ток, генерируемый магнитным полем, греет воду. По такому принципу функционируют самодельные устройства и часть современных нагревателей.

Устройство нагревательного прибора

Прибор состоит из таких элементов :

1. Пластиковая трубка.
2. Сетка из нержавейки.
3. Проволока из стали.
4. Медная проволока.
5. Сварочный инвертор.

Одно из главных достоинств данного устройства - это простая конструкция. Схема индукционного нагревателя примерно такова. В круглом корпусе находится катушка - индуктор. Внутри последнего находится отрезок стальной трубы с 2-мя патрубками на концах. Они нужны для присоединения прибора к отопительной системе. После подключения через трубу будет проходить вода. Труба будет нагреваться. От соприкосновения с ней разогревается теплоноситель.

У других видов прибора катушка крепится к электрической сети, однако имеется и другая схема подключения. Отличается она преобразователем, который повышает частоту колебаний тока, подаваемого на катушку. Этот преобразователь называется инвертором и состоит их 3-х модулей:

1. Выпрямитель.
2. Инвертор с 2-мя транзисторами.
3. Схема управления транзисторами.

Процессы, происходящие в устройстве, похожи на работу трансформатора. Разница во вторичной обмотке, которая тут короткозамкнута и расположена внутри первичной. Еще одно отличие в том, что в случае с трансформатором нагрев - побочный эффект, его стараются избежать.

Интересный факт: обслуживание индукционника обойдется гораздо дешевле, чем, если использовать газовый котел или бойлер. Аппарат состоит из минимума деталей, практически не выходящих из строя. Ломаться в нагревателе нечему. Воду греет обыкновенная трубка, которая в отличие от того же ТЭНа не может перегореть либо испортиться.

Сфера применения

Сегодня применение индукционного нагрева используется очень часто. Основные области применения :

• плавка металла, получение новых сплавов;
• производство металлической проволоки;
• ювелирное дело;
• производство котлов отопления;
• термическая обработка запчастей для транспортных средств;
• медицинская отрасль (дезинфекция инструментов, врачебного оборудования);
• машиностроение, обогрев автосервиса;
• промышленные печи.

Недостатки и достоинства

Рассмотрим положительные характеристики и преимущества индукционного оборудования:

1. Нагрев производится в любой среде.
2. Возможность изготовления сверхчистых сплавов.
3. Быстрый нагрев и плавка любого материала, который проводит ток.
4. Элементы прибора монтируются снаружи, врезки отсутствуют. Это гарантирует исключение протечек.
5. Индукционный водонагреватель не загрязняет окружающую среду.
6. Удобен при необходимости нагрева определенного участка поверхности.
7. Площадь контакта теплоносителя с поверхностью нагревателя во много раз больше, нежели в аппаратах с трубчатыми электронагревателями. За счет этого среда греется очень быстро.
8. Компактные размеры прибора.
9. Оборудование легко настраивается на нужный режим работы и без труда регулируется.
10. Имеется возможность изготовления прибора любой формы (в том числе самостоятельно). Это предупреждает локальный нагрев и способствует равномерному распределению тепла.

Проточный нагреватель такого типа практически не имеет минусов, если сравнивать с приборами, работающими по иным принципам. Единственная сложность эксплуатации в том, что необходимо сопоставить индуктор с заготовкой. Иначе нагрев будет недостаточным и маломощным.

Процесс изготовления своими руками

Для работы пригодятся следующие инструменты:

• сварочный инвертор;
• сварочный генерирующий ток силой от 15 ампер.

Еще понадобится проволока из меди, которая наматывается на корпус сердечника. Устройство будет выполнять роль индуктора. Контакты проволоки соединяются с клеммами инвертора так, чтобы не образовалось скруток. Отрезок материала, нужный для сборки сердечника, должен быть нужной длины. В среднем число витков равно 50, диаметр проволоки - 3-м миллиметрам.

Теперь перейдем к сердечнику. В его роли будет полимерная труба, сделанная из полиэтилена. Такой вид пластмассы выдерживает довольно высокую температуру. Диаметр сердечника - 50 миллиметров, толщина стенок - минимум 3 мм. Данная деталь используется как калибр, на который навивается проволока из меди, формируя индуктор. Собрать простейший индукционный нагреватель воды может практически любой человек.

На видео увидите способ - как самостоятельно организовать индукционный нагрев воды для отопления:

Первый вариант

На 50-миллиметровые отрезки рубится проволока, ей заполняется пластиковая трубка. Чтобы она не высыпалась из трубы, следует закупорить торцы проволочной сеткой. На концах ставятся переходники от трубы, в том месте, где подключается нагреватель.

На корпус последнего медной проволокой наматывается обмотка. Для этой цели нужно примерно 17 метров проволоки: нужно сделать 90 витков, диаметр трубы - 60 миллиметров. 3,14×60×90=17 м.

Важно знать! В ходе проверки функционирования устройства следует тщательно удостовериться, что в нем есть вода (теплоноситель). Иначе корпус устройства быстро расплавится.

Труба врезается в трубопровод. Нагреватель подключается к инвертору. Осталось заполнить устройство водой и включить. Все готово!

Второй вариант

Этот вариант гораздо попроще. Выбирается прямой участок метрового размера на вертикальной части трубы. Его следует тщательно очистить от краски, используя наждачку. Далее этот участок трубы покрывается тремя слоями электротехнической ткани. Медной проволокой наматывается индукционная катушка. Вся система подключения хорошенько изолируется. Теперь можно подключить сварочный инвертор, и процесс сборки полностью завершен.

Перед тем как начинать изготовление водонагревателя своими руками, желательно ознакомиться с характеристиками заводских изделий и изучить их чертежи. Это поможет разобраться с исходными данными самодельного оборудования и избежать возможных ошибок.

Третий вариант

Чтобы сделать нагреватель этим более сложным способом, нужно использовать сварку. Для работы еще понадобится трехфазный трансформатор. Друг в друга нужно вварить две трубы, которые будут выполнять роль нагревателя и сердечника. На корпус индукционника накручивается обмотка. Таким образом повышается производительность прибора, который имеет компактные размеры, что очень удобно при его эксплуатации в домашних условиях.

Для подвода и отвода воды, в корпус индукционника ввариваются 2 патрубка. Чтобы не терять тепло и предотвратить возможные утечки тока, нужно сделать изоляцию. Она избавит от проблем, описанных выше, и полностью исключит появление шума при работе котла.

Техника безопасности должна соблюдаться всегда. Особенно когда мастерят что-то самостоятельно. Здесь нагреватели применяются для систем, имеющих принудительную циркуляцию. Теплоэнергия вырабатывается очень быстро и может возникнуть перегрев теплоносителя.

Нельзя забывать про предохранительный клапан. Он крепится на нагревателе. В случае когда циркулярный насос перестанет работать, то стопроцентно случится перегрев теплоносителя. Если клапан не будет установлен заранее, то произойдет разрыв системы. Последняя должна из предосторожности оснащаться термостатом. Если нагреватель заключен в металлический корпус, то он обязательно заземляется.

Так как у самодельной конструкции нет нормального экранирования, то индукционник устанавливается как минимум в 80-и сантиметрах от горизонтальных поверхностей. Расстояние до стены - от 30 сантиметров.

Совет: мощность самодельных нагревателей может способствовать распространению электромагнитного излучения. Устройство желательно экранировать оцинкованной сталью и не устанавливать в жилом помещении! Электромагнитное переменное поле есть внутри и снаружи катушки. Оно будет нагревать все металлические поверхности, расположенные рядом.

Так, без глобальных финансовых трат, нетрудно собственноручно сделать этот нехитрый прибор. Схема сборки проста, и справиться с работой по сборке нагревателя собственноручно сможет практически каждый. Тут не требуется профильных технических знаний. Завершить работу можно буквально за несколько часов.

Нагревающие устройства, принцип действия которых основан на индукционном нагреве, называются индукционными нагревателями. Применяются они как в промышленности, так и в быту, причём в промышленности значение их использования трудно переоценить.

Рассмотрим эти устройства подробнее.

Устройство и принцип действия индукционного нагревателя

Упрощённо индукционный нагреватель состоит из трёх составных элементов:

В катушку, состоящую из определённого числа витков проводника заданной площади сечения, помещают токопроводящий (металлический, графитовый) стержень без непосредственного контакта с ней, после чего на контакты катушки с генератора переменного тока подаётся напряжение. Вокруг витков катушки образуется электромагнитное поле, под воздействием которого в стержне возникают вихревые токи Фуко, разогревающие сердечник. Таким образом, теплопередача на сердечник отсутствует, тепло вырабатывается им самостоятельно под воздействием блуждающих в нём токов, и может быть передано при помощи теплоносителя. Температура стержня повышается не одновременно по всей массе, а от поверхностных слоёв к центру, в зависимости от теплопроводности материала сердечника. При этом, повышение частоты переменного тока уменьшает глубину индуктивного нагрева, но увеличивает его интенсивность. Особого внимания заслуживает то обстоятельство, что катушка вокруг сердечника во время работы остаётся практически холодной.

Наглядно этот процесс выглядит так:

Области применения

В промышленности индукционные нагреватели используются для выполнения следующих сложных процессов:

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.

Индукционный обогреватель – котёл отопления

С тех пор, как владельцы жилья стали устанавливать в своих домах автономные системы отопления, вопрос экономичности нагревательных котлов для них остаётся одним из самых важных. По этому показателю, по крайней мере, среди устройств, вырабатывающих тепло из электричества, индукционные котлы отопления лидируют. При этом мощность их, не сравнимая с идентичным параметром такого прибора, как плинтусный обогреватель, позволяет применять агрегаты в качестве основного способа отопления в помещениях большой площади.

Индукционные котлы отопления состоят из двух контуров – первичного (электромагнитного) и вторичного (теплообменная обвязка). Первый контур, состоящий из преобразователя напряжения и теплогенератора с нагревателем индукционного типа, создаёт электромагнитное поле, вихревые токи и вырабатывает тепло. Второй контур, включающий в себя теплообменник с системой обвязки, передаёт это тепло посредством циркуляции теплоносителя на радиаторы системы отопления. В качестве теплоносителя используется вода в чистом виде или с присадками.

Кроме указанных двух контуров, система отопления включает автоматику, отвечающую за работу отдельных узлов агрегата.

Современные индукционные котлы отопления устанавливаются только в теплообменный контур закрытого типа, имеющий в конструкции расширительный бачок мембранного типа и насос принудительной циркуляции. Использование циркуляционного насоса является вынужденной мерой и обусловлено малым объёмом теплоносителя при высокой интенсивности нагрева теплообменника. Возможность естественной циркуляции в такой системе исключена – без насоса закипание воды произойдёт раньше начала её движения по трубам.

Важно! Индукционный котёл должен быть обязательно заземлён. Кроме того, при монтаже системы отопления контур разводки теплоносителя в целях безопасности необходимо монтировать из пластиковых труб, или же изолировать нагревательный агрегат от стального контура вставкой фитингов из полипропилена.

Классифицируются индукционные котлы отопления идентично другим отопительным электрическим агрегатам – по мощности, исполнению, параметрам потребляемого электричества. Но у этих устройств имеется ещё классификация по конструктивному решению электрической части.

Разновидности индукционных котлов

Существуют следующие разновидности нагревательных котлов индукционного типа, обозначаемые как по принципу действия, так и по марке производителя:

• SAV – разновидность и одновременно торговая марка котлов нового поколения мощностью от 2,5 до 100 кВт, с 2007 г. выпускаемых российской компанией ЗАО НПК «ИНЭРА»;
• ВИН — аббревиатура является не только сокращением названия вида индукционных устройств (вихревые индукционные нагреватели), но и запатентованным названием котлов, производимых ижевской компанией «Альтернативная энергия».

Индукционные обогреватели SAV

Эксплуатация агрегатов SAV не требуют использования инвертора, на индуктор подаётся ток частотой 50 Гц. Индуцированное первичной обмоткой электромагнитное поле вызывает образование вихревых потоков во вторичной обмотке, роль которой в котлах данного типа выполняет участок замкнутого контура труб с теплоносителем. Данный участок трубы – вторичная обмотка интенсивно нагревается под воздействием токов Фуко и передаёт тепло теплоносителю, принудительно циркулирующему в системе отопления с помощью циркуляционного насоса.

Устройство отопительной системы выполняется с использованием радиаторов или лабиринтовым способом, напоминающим плинтусовый обогрев, чтобы увеличить общую площадь наружной поверхности (теплоотдачи) труб — контур отопления, как минимум, не должен быть минимальным по протяжённости.

Котлы SAV производятся под напряжение в 220V и 380V. В качестве теплоносителя в них используется вода (в чистом виде или с противозамерзающими присадками), а также антифриз. Выход агрегата на полную мощность работы занимает порядка 5-20 минут (в зависимости от объёма теплоносителя), КПД нагревателей таких устройств составляет минимум 98%. Для эффективного обогрева помещения площадью до 30 м кв. достаточно индукционного устройства мощностью в 2,5 кВт, покупка которого в комплекте с системами автоматики и управления обойдётся приблизительно в 30 тыс. руб.

ВИН-агрегаты отопления

Котлы данного типа более совершенны по принципу действия и конструкции, что, естественно, отражается на их стоимости. Для работы ВИН-устройств необходим инвертор – устройство повышения частоты входящего тока. Ток высокой частоты вызывает образование электромагнитного поля высокой напряжённости, которое, в свою очередь, обуславливает возникновение более мощных вихревых токов во вторичной обмотке. Кроме того, теплообменник и корпус котла изготавливаются из ферромагнитных сплавов, имеющих собственное магнитное поле. Результатом всех этих процессов является большая интенсивность нагрева теплообменника и, естественно, теплоносителя.

ВИН-агрегата мощностью в 3 КВт достаточно для отопления помещения площадью 35-40 м кв. (в зависимости от климатических условий и качества теплоизоляции наружных строительных конструкций).

ВИН-агрегаты вследствие большей производительности могут использоваться не только в системах отопления жилья, но и для горячего водоснабжения. Для этого в контур теплоносителя врезают дополнительные накопительные резервуары, оборудованные защитной автоматикой, ёмкость которых рассчитывается в зависимости от количества точек горячего водозабора. Горячей водой эти ёмкости обеспечиваются путём её циркуляции в системе с прямоточным нагревом индукционным обогревателем.

Оценка маркетинговых характеристик-утверждений

Индукционным котлам отопления приписывают множество достоинств, часто – без аргументов. Перечислим эти характеристики и дадим оценку степени соответствия утверждений факту:

Экономичность

Утверждение

Потребление электроэнергии индукционными котлами на 20-30% меньше, чем другими обогревателями на электричестве.

Факт

Все нагревательные электроприборы, не выполняющие механической работы, 100% энергии электрического тока превращают в тепло, их КПД всегда ниже 100%, но отличается по величине у разных устройств в разных условиях. Для выработки 1 КВт тепловой энергии необходимо затратить более 1 КВт электричества, а вот насколько более — зависит от параметров среды рассеивания. Внутри котла потери, конечно, тоже присутствуют – например, на нагрев катушки, так как любой материал проводника имеет сопротивление, но все эти потери остаются внутри помещения

Важно! Счётчики старого образца (бакелитовые) зафиксируют меньший (в 1,6 – 1,8 раза) расход электроэнергии, чем современные электронные, так как они не рассчитаны на учёт реактивной мощности индукционных котлов.

Возможно, этим фактом и обусловлено утверждение об экономичности индукционных котлов.

Долговечность

Утверждение

Высокая надёжность и большой ресурс оборудования — более 25 лет.

Факт

Действительно, отсутствие подвижных деталей исключает механический износ индукционных котлов. Но в систему отопления с ВИН-агрегатом входит циркуляционный насос, ресурс которого гораздо скромнее. Кроме того, в систему управления и автоматики входят механизмы, также состоящие из многих комплектующих, подверженных износу.

Сердечник индукционного нагревателя функционирует в условиях постоянного циклического нагрева и охлаждения, температурных деформаций, которые тоже являются отрицательным фактором. Поэтому называть ресурс индукционных котлов чуть ли не безграничным – преувеличение. Однако он и в самом деле в разы выше ТЭНовых нагревателей.

Неизменность характеристик за весь срок эксплуатации

Утверждение

Отсутствие процесса образования накипи на внутренней поверхности труб обуславливает постоянную эффективность нагревателя и теплообменника.

Факт

Накипь – это отложение солей, содержащихся в воде (теплоносителе). Количество этих примесей в ограниченном объёме теплоносителя также ограничено и невелико, поэтому влияние накипи на эффективность обогревателя незначительно. А в индукционном котле вторичная обмотка находится под почти постоянным воздействием вибрации, и образования накипи не происходит вообще. Так что утверждение верное, преувеличена лишь его значимость.

Бесшумность

Утверждение

Работа индукционных обогревательных котлов бесшумна, что отличает их от других электрических отопителей.

Факт

Утверждение справедливо, но — все бойлеры на электроэнергии не шумят при работе, так как в диапазон их колебаний акустические волны не входят. Шуметь может только циркуляционный насос, но при желании можно подобрать модель бесшумного действия.

Компактность

Утверждение

Индукционные котлы компактны, что удобно при выборе места их установки.

Факт

Это действительно так, если не применять каскада индукционных котлов и не устанавливать промежуточных резервуаров при наличии нескольких точек горячего водозабора в системе горячего водоснабжения, так как индукционный нагреватель – это по большому счёту небольшой кусок трубы с обмоткой.

Безопасность

Утверждение

Безопасность устройства абсолютна.

Факт

Абсолютно безопасных электронагревателей не существует. При эксплуатации индукционных устройств не исключена вероятность утечки теплоносителя из системы, а генератор электромагнитного поля продолжит свою работу, и система пустых труб будет нагреваться. Для предотвращения возникновения такой ситуации в конструкции котла предусмотрено устройство автоматического отключения, но ведь и оно может выйти из строя.

Поэтому индукционные обогреватели, выигрывая у соперников по некоторым критериям безопасности, полностью безопасными не являются.

Недостатки индукционных нагревателей

• Высокая стоимость устройств.
• Значительный вес при компактности.
• Наличие фактора влияния электромагнитного поля на организм и приборы.

Последний пункт рассмотрим подробнее.

Электромагнитное поле влияет на живые организмы приблизительно так, как на продукты в микроволновой печи – прогревает их на определённую глубину, и это может иметь последствия. Интенсивность воздействия поля, в том числе на человека, определяется таким его показателем, как плотность потока энергии (ППЭ), растущая с увеличением частоты подаваемого на первичную обмотку тока. При эксплуатации индукционных обогревателей необходимо соблюдать санитарную норму предельного значения ППЭ, которая установлена в СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96, зависит от продолжительности воздействия поля и составляет, к примеру, для 8-часового воздействия – 25 мкВт/кв.см, одночасового – 200 мкВт/кв.см.

Кроме того, излучение индуктора отрицательно влияет на электронику и радиоаппаратуру, расположенную поблизости, создавая помехи при работе.

Важно! Чтобы защититься от воздействия электромагнитного поля, можно обнести котёл мелкоячеистой (1х1, 2х2 мм) металлической сеткой (клеткой Фарадея), не контактирующей с корпусом котла и заземлённой.

Правила эксплуатации

Безопасная эксплуатация индукционных котлов отопления, как и любых других технических устройств, обеспечивается выполнением ряда правил, касающихся как их монтажа, так и использования после установки:

• Заземление котла обязательно.
• Расстояние от устройства до стен по бокам должно быть не менее 30 см, от нижней точки котла до пола – 80 см, от верхней его точки до потолка – 80 см.
• Индукционные котлы устанавливаются только в закрытый контур с расширительным баком мембранного типа.
• Система должна включать в себя блок устройств обеспечения безопасности (манометр, воздушный клапан, клапан сброса избыточного давления, система автоматического отключения при перегреве).

Обзор известных производителей

Заключение

Современный рынок котлов для монтажа систем автономного отопления представлен сотнями моделей агрегатов различных видов. Объективность критерия цена/качество каждой разновидности различно. Выбор в пользу индукционных нагревательных устройств в плане риска последующего разочарования в покупке наиболее разумен.

Индукционный нагрев – это способ бесконтактной тепловой обработки металлов, способных проводить электрическую энергию, под воздействием токов высокой частоты. все активнее стал применяться на предприятиях для осуществления высокотемпературной обработки металлов. На сегодняшний день индукционное оборудование смогло занять лидирующие позиции, вытесняя альтернативные методы нагрева.

Индукционный нагрев как работает

Принцип действия индукционного нагрева предельно прост. Нагрев производится за счет трансформации электрической энергии в электромагнитное поле, обладающее высокой мощностью. Нагрев изделия осуществляется при проникновении магнитного поля индукторов в изделие, способное проводить электрическую энергию.

Заготовка (обязательно из материала, проводящего электрическую энергию) размещается в индукторе или в непосредственной близости с ним. Индуктор, как правило, выполняется в виде одного или нескольких витков провода. Чаще всего для изготовления индуктора используют толстые медные трубки (провода). Специальный генератор электрической энергии подает ее в индуктор, наводя токи высокой частоты, которые могут варьироваться от 10-и Гц до нескольких МГц. В результате наведения токов высокой частоты на индуктор, вокруг него образуется мощное электромагнитное поле. Вихревые токи образовавшегося электромагнитного поля проникают в изделие и преобразуются внутри его в тепловую энергию, осуществляя нагрев.

Во время работы индуктор довольно сильно нагревается за счет поглощения собственного излучения, поэтому он непременно должен охлаждаться во время рабочего процесса за счет проточной технической воды. Вода для охлаждения подается в установку при помощи отсасывания, такой метод позволяет обезопасить установку, если вдруг произойдет прожог или разгерметизация индуктора.

Индукционный нагрев применение в производстве

Как уже можно было понять из описанного выше, применяется индукционный нагрев в производстве довольно активно. На сегодняшний день индукционное оборудование успело занять лидирующее позиции, вытеснив конкурирующие способы обработки металлов на второй план.

Индукционная плавка металлов

Применяется индукционный нагрев для осуществления плавильных работ. Активное использование индукционных печей началось благодаря тому, что нагрев ТВЧ способен уникально обрабатывать все виды металлов, существующие на сегодняшний день.
Плавильная индукционная печь быстро осуществляет плавку металла. Температуры нагрева установки достаточно даже для плавки самых притязательных металлов. Главное преимущество индукционных плавильных печей заключается в том, что они способны производить чистую плавку металла с минимальным шлакообразованием. Работа выполняется за короткий промежуток времени. Как правило, время выплавки 100 килограмм металла равняется 45-и минутам.

Закалка ТВЧ (токами высокой частоты)

Закалка производится чаще всего в отношении изделий из стали, но может быть применена и к медным и другим металлическим изделиям. Принято различать два вида закалки ТВЧ поверхностная и глубокая закалка.
Главное достоинство, которым обладает индукционный нагрев по отношению к закалочным работам – это возможность проникновения тепла на глубину (глубокая закалка). На сегодняшний день закалка ТВЧ стала довольно часто производиться именно в индукционном оборудовании.
Индукционный нагрев позволяет не просто произвести закалку ТВЧ, но дает в конечном результате изделие, которое будет обладать отменным качеством. При использовании индукционного нагрева в целях осуществления закалочных работ количество брака в производстве существенно снижается.

Пайка ТВЧ

Индукционный нагрев полезен не только для обработки металла, но и для соединения одной части изделия с другой. На сегодняшний день пайка ТВЧ стала довольно популярной и смогла вытеснить сварку на второй план. Где только появляется возможность заменить сварку пайкой, производители делают это. Чем именно вызвано такое желание? Все предельно просто. Пайка ТВЧ дает возможность получить целостное изделие, которое будет обладать высокой прочностью.
Пайка ТВЧ получается целостной за счет прямого (бесконтактного) проникновения тепла в изделие. Для нагрева металла не требуется стороннее вмешательства в его структуру, что положительно сказывается на качестве готового изделия и на его сроке эксплуатации.

Термообработка сварных швов

Термообработка сварных швов – это еще один важный технологичный процесс, с которым отлично справится индукционный нагреватель. Термообработка осуществляется для того, чтобы придать изделию повышенную прочность и разгладить напряжение металла, которое, как правило, образуется в местах соединений.
Термообработка при помощи индукционного нагрева производится в три этапа. Каждый из них очень важен, ведь если упустить что-то, то впоследствии качество изделия станет другим и его срок эксплуатации снизится.
Индукционный нагрев положительно сказывается на металле, позволяя равномерно проникать на заданную глубину и разглаживать напряжение, образовавшееся во время произведения сварочных работ.

Ковка, пластика, деформация

Кузнечный нагреватель – это один из видов установок, в основе которых лежит индукционный нагрев. Используют кузнечный нагреватель для произведения деформации металла, а также в целях штамповки и т.п.
Индукционный нагрев равномерно прогревает металл, позволяет изогнуть его в нужных местах и придать изделию необходимую форму.
На сегодняшний день все больше предприятий стали использовать кузнечный нагреватель в целях штамповки и пластики изделий.
Индукционный нагрев способен справиться со всеми необходимыми операциями тепловой обработки металла, но чаще всего применяется в тех случаях, которые были описаны выше.

Индукционный нагрев преимущества и недостатки

У каждой вещи есть преимущества и недостатки, хорошие и плохие стороны. Индукционный нагрев не отличается и имеет как плюсы, так и минусы. Однако минусы индукционного нагрева настолько ничтожны, что не видны за огромным количеством преимуществ.
Так как недостатков у индукционного нагрева меньше, сразу же перечислим их:

1. Некоторые установки являются довольно сложными и для их программирования необходимо квалифицированный персонал, который сможет обслуживать установку (осуществлять ремонт, чистку, программировать).
2. Если индуктор и заготовка плохо согласованы между собой, то потребуется куда больше мощности нагрева, чем если выполнять похожу задачу в электрической установке.

Как видите, недостатков действительно немного и они не оказывают сильное влияние на принятие решение в пользу использования или неиспользования индукционного нагрева.
Достоинств индукционный нагрев имеет гораздо больше, но мы укажем только главные:

• Скорость нагрева изделия очень высокая. Индукционный нагрев практически сразу приступает к обработке металлического изделия, никаких промежуточных этапов прогрева оборудования не требуется.
• Нагрев изделия может производиться в любой воссозданной среде: в атмосфере защитного газа, в окислительной, в восстановительной, в вакуумной и в непроводящей жидкости.
• Индукционная установка обладает сравнительно небольшими размерами, благодаря чему довольно удобна в эксплуатации. Если возникает необходимость, то индукционное оборудование можно перевезти на место проведения работ.
• Нагрев металла производится через стенки защитной камеры, которая изготавливается из материалов способных пропускать вихревые токи, поглощая незначительное количество. Во время работы индукционное оборудование не нагревается, поэтому оно признано пожаробезопасным.
• Так как нагрев металла производится при помощи электромагнитного излучения, загрязнение самой заготовки и окружающей атмосферы отсутствует. Индукционный нагрев был по праву признан экологически безопасным. Он не причиняет абсолютно никакого вреда сотрудникам предприятия, которые будут находиться в цеху во время работы установки.
• Индуктор может быть изготовлен практически любой сложной формы, что позволит подогнать его под габариты и форму изделия, чтобы нагрев получился более качественным.
• Индукционный нагрев позволяет просто производить избирательный нагрев. Если нужно прогреть какую-то конкретную область, а не все изделие, то достаточно будет разместить в индукторе только ее.
• Качество обработки при помощи индукционного нагрева получается отменным. Количество брака в производстве существенно снижается.
• Индукционный нагрев позволяет экономить электрическую энергию и другие производственные ресурсы.

Как видите, достоинств у индукционного нагрева очень много. Выше были указаны лишь основные, которые оказали серьезное воздействие на решение многих владельцев приобрести индукционные установки для термообработки металла.

Индукционный нагрев

Индукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла. Система «индуктор-заготовка» представляет собой трансформатор без сердечника, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является как бы вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху. На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ, 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. Если деталь из ферромагнитного материала, то она ещё подвергается перемагничиванию и дополнительному нагреву из-за магнитного гистерезиса. Нагрев детали, вызванный магнитным гистерезистом, длится до тех пор, пока температура детали не достигнет температуры, при которой вещество теряет магнитные свойства (точка Кюри). Выделяющееся в теле при возникновении вихревых токов количество тепла пропорционально квадрату тока в данном участке проводника.

Для немагнитных материалов и материалов, имеющих температуру выше точки Кюри, относительная магнитная проницаемость равна единице. Глубина проникновения Δ возрастает с увеличение удельного электрического сопротивления ρ v (Ом·м) и уменьшается с увеличением частоты f (Гц) и относительной магнитной проницаемости материала μ. При частоте тока более 1 кГц можно получать тонкий нагретый слой, т.е. проводить поверхностную термическую обработку изделия, а используя ток промышленной частоты (50 Гц), - сквозной прогрев изделия.

Форма и размеры индуктора зависят от геометрии нагреваемого изделия. Индуктор изготавливают из медной трубки специального профиля в виде цилиндрической спирали или плоских витков с короткими наклонными переходами между витками. Для охлаждения индуктора по нему пропускают воду.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице. Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

где = 4π·10 −7 - магнитная постоянная Гн/м, - удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки, - частота электромагнитного поля, генерируемого индуктором. 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.

Достоинствами электроустановок индукционного нагрева являются:

Высокая скорость нагрева, пропорциональная вводимой мощности;

Хорошие санитарно-гигиенические условия труда;

Возможность регулирования зоны действия вихревых токов в про-странстве (ширина и глубина прогрева);

Простота автоматизации технологического процесса;

Неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева, расплава, испарения материалов и получения плазмы.

Недостатки:

Требуются более сложные источники питания;

Повышенный удельный расход электроэнергии на технологические операции.

К особенностям индукционного нагрева можно отнести возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов.

Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому телу зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении. Глубина нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления и снижается с увеличением частоты тока. Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч ампер при средней плотности тока 20 А/мм 2 . Потери мощности в индукторах могут достигать 20-30 % от полезной мощности.

Индукционные нагревательные установки (ИНУ) широко применяются в различных технологических процессах в машиностроительной и других отраслях промышленности. Их подразделяют на два основных типа: установки сквозного и поверхностного нагрева.

Установки для закалки и сквозного нагрева в зависимости от назначения питаются от сетей переменного тока на частоте от 50 Гц до сотен кГц. Питание установок повышенной и высоких частот производится от тиристорных или машинных преобразователей..

По режиму работу установки сквозного нагрева подразделяют на установкипериодического и непрерывного действия.

В установках периодического действия нагревается только одна заготовка или ее часть. При нагреве заготовок из магнитного материала происходит изменение потребляемой мощности: вначале она возрастает, а затем по достижении точки Кюри снижается до 60-70 % от начальной. При нагреве заготовок из цветных металлов мощность в конце нагрева несколько увеличивается за счет роста удельного электрического сопротивления.

В установках непрерывногодействияодновременно находится несколько заготовок, расположенных в продольном или поперечном магнитном поле (рис.3.1). В процессе нагрева они перемещаются по длине индуктора, нагреваясь до заданной температуры. В нагревателях непрерывного действия полнее используется мощность источника питания, поскольку средняя мощность, потребляемая ими от источника питания, выше, чем средняя мощность, потребляемая нагревателем периодического действия.

Индукционные нагреватели непрерывного действия имеют более высокий КПД источника питания. Производительность выше, чем у установок периодического действия. Возможно питание нескольких нагревателей от одного источника, а также подключение нескольких генераторов к одному нагревателю, состоящему из нескольких секций (рис. 3.1, в)

Конструкция индуктора для сквозного нагрева зависит от формы и размеров деталей. Индукторы выполняют круглого, овального, квадратного или прямоугольного сечения. Для нагрева концов заготовок индукторы выполняют щелевыми или петлевыми (рис.3.1, г, д).

Необходимость поддержания высокого электрического и теплового КПД системы индуктор-нагреваемое тело определяет исключительно большое количество форм и размеров индукторов. Схемы некоторых индукторов для поверхностного нагрева показаны на рис.3.2. Между индуктором и огнеупорным цилиндром проложен слой теплоизолирующего материала, что снижает тепловые потери и защищает электрическую изоляцию индуктора.

Электрический КПД системы индукционного нагрева увеличивается с уменьшением зазора индуктором и нагреваемым изделием, а также с увеличением отношения удельных сопротивлений нагреваемого изделия и материала индуктора.

Резистивный нагрев

Нагрев проводящего тела при прохождении через него электрического тока по закону Джоуля-Ленца называют резистивным нагревом. Для выделения тепла в твёрдом проводнике можно использовать постоянный и переменный электрический ток. Применение постоянного тока затруднено и экономически не выгодно из-за отсутствия источников (генераторов) большой силы тока и низкого напряжения, которые необходимы для выделения тепла в твёрдом проводнике, обладающей высокой электропроводностью. Способность переменного тока к трансформации позволяет получать требуемые напряжения. При переменном токе под сопротивлением проводника постоянному току. Это объясняется наличием скин-эффекта, влияние которого возрастает с увеличением частоты, диаметра проводника, магнитной проницаемостью и падает с ростом электрического сопротивления.

Принцип выделения тепла в проводнике при пропускании тока находит применение в печах прямого (контактного) и косвенного нагрева.

В печах сопротивления прямого нагрева ток проводиться непосредственно к нагреваемому изделию. При расчёте электрических параметров нагрева необходимо учитывать изменение в процессе нагрева сопротивления материала.

В качестве материала нагревателей применяют сплавы на основе Fe, Ni, Cr , Mo и Al. В виде проволоки или ленты. Также используют нагреватели из графита. Электронагреватели трубчатые (ТЭН) предназначены для нагрева различных сред путём конвекции, теплопроводности или излучения посредством преобразования электрической энергии в тепловую (рис.3.3). Применяются в качестве комплектующих изделий в промышленных устройствах. ТЭНы используются для следующих целей: нагрев жидкости, воздуха и прочих газов; нагрев воды и слабых растворов кислот и щелочей; нагрев подложек в вакуумных камерах.

Рисунок 3.3 – Конструкция трубчатого электронагревателя

Конструкция двухконцевого трубчатого элетронагревателя круглого сечения представляет собой расположенный внутри металлической оболочки нагревательный элемент 5 (спираль или несколько спиралей из сплава с высоким сопротивлением) с контактными стержнями 1. От оболочки 4 нагревательный элемент изолирован спрессованным электроизоляционным наполнителем 6. Для предохранения от попадания влаги из окружающей среды торцы ТЭН герметизируют. Контактные стержни изолируют от оболочки диэлектрическими изоляторами 3,7. Для присоединения проводов используются гайки с шайбами 2.

Преимущества резистивного нагрева: высокий КПД, простота, и низкая стоимость.Недостатки: загрязнение материалом нагревателя, старение нагревателя.

Многих привлекает электрическое отопление тем, что оно работает автономно и не надо за ним постоянно присматривать. Негативной стороной таких отопительных котлов является стоимость и технические требования.

В некоторых местах их просто нельзя применить. Но многих владельцев это не пугает, и они считают, что именно простота эксплуатации перекрывает все недостатки.

Особенно тогда, когда на рынках сбыта появились новые типы , имеющих индуктивные катушки, а не ТЕНы. Они с мгновенной скоростью разогревают и экономно отапливают здание, по мнению владельцев агрегатов. Новый тип котлов называют индукционным.

Новый вид нагревателей удобен в эксплуатации. Считаются безопасными, в сравнении с газовыми нагревателями, нет сажи и копоти, что не скажешь о приборах с твёрдым топливом. И самое главное преимущество – нет нужды заготавливать твёрдое топливо (уголь, дрова, ).

И как только появились индукционные нагреватели, сразу нашлись умельцы, которые в целях экономии, пытаются создать такую установку своими руками.

В этой статье мы поможем вам сконструировать нагревательный прибор самостоятельно.

Устройство, где происходит нагревание металла и продуктов ему подобных без контакта, называют индукционным нагревателем. Работой управляет переменное индукционное поле, воздействующее на металл, и токи внутри образуют тепло.

Токи высокой частоты воздействуют на продукцию помимо изоляции, из-за чего конструкция является необыкновенной перед другими видами нагрева.

В сегодняшних индукционных нагревателях присутствуют полупроводниковые редукторы частоты. Такой тип нагревания широко используется в термообработке поверхностей из стали и различных соединений, сплавов.

Компактность оборудования используются в новаторских технологиях, при этом, присутствует огромный экономический эффект. Разнообразные модели помогают внедряться гибким и автоматизированным сочетаниям, включающие в себя транзисторные редукторы частот всестороннего типа и соединительные блоки, когда предпочитается индукционная система.

Описание

В состав типового нагревательного элемента входят следующие узлы:

1. Нагревательный элемент в виде прутка или металлической трубки.
2. Индуктор – это медная проволока, обрамляющая витками катушку. В процессе работы он исполняет роль генератора.
3. Генератор переменного тока. Отдельная конструкция, где происходит преобразование стандартного тока в величину с высокой частотой.

На практике, индукционные установки используются недавно. Теоретические изучения намного опережают. Такое можно объяснить одной преградой – получение высокой частоты магнитных полей. Дело в том, что использовать установки с низкой частотой считается неэффективным. Как только появились с высокой частотой, проблема разрешилась.

Генераторы ТВЧ прошли свой эволюционный период; от ламповых, до современных моделей, выполняющихся на базе IGBT. Теперь они более эффективные, имеют малый вес и размеры. Частотное ограничение их 100 кГц за счёт динамических потерь транзисторов.

Принцип работы и область применения

Генератором повышается частота тока и передаёт свою энергию катушке. Индуктором ведётся преобразование высокочастотного тока в переменное электромагнитное поле. С высокой частотой меняются электромагнитные волны.

Нагревание происходит за счёт разогрева вихревых токов, которые провоцируются переменными вихревыми векторами электромагнитного поля. Почти без потерь передаётся энергия с высоким КПД и энергии достаточно на разогрев теплоносителя и даже больше.

Аккумуляторная энергия передаётся на теплоноситель, который находится внутри трубы. Теплоноситель, в свою очередь, является охладителем нагревательного элемента. За счёт чего, увеличивается срок эксплуатации.

Промышленность является наиболее активным потребителем индукционных нагревателей, так как многие проектирования предусматривают вести с высокой термообработкой. С их использованием повышается прочность продукции.

В высокочастотных кузницах устанавливаются приборы с высокой мощностью.

Кузнечно-прессовые компании, используя такие агрегаты, повышают производительность труда и уменьшают износ штампов, сокращают расход металла. Установки со сквозным нагревом могут охватывать сразу некоторое количество заготовок.

При поверхностном упрочнении деталей, применение такого нагрева позволяет увеличить в несколько раз износостойкость и получить значительный экономический эффект.

Общепринятой областью применения устройств, являются пайка, плавка, нагрев перед деформацией, закалка ТВЧ. Но есть ещё зоны, где получают монокристаллические полупроводниковые материалы, наращивают эпитаксиальные плёнки, вспенивают материалы в эл. поле, ТВЧ сварка оболочек и труб.

Преимущества и недостатки

Плюсы:

1. Высокое качество нагрева.
2. Высокая точность управления и гибкость.
3. Надёжность. Может работать автономно, имея автоматику.
4. Греет любую жидкость.
5. КПД прибора 90%.
6. Длительный срок службы (до 30 лет).
7. Простота монтирования.
8. Нагревательный прибор не собирает накипь.
9. За счёт автоматики, экономия электроэнергии.

Минусы:

1. Высокая стоимость моделей с автоматикой.
2. Зависимость от электроснабжения.
3. Некоторые модели шумят.

Как сделать своими руками?

Допустим, вы решили сделать лично индукционный нагреватель, для этого подготавливаем трубу, в неё насыпаем небольшие куски стальной проволоки (9 см в длину).

Труба может быть пластиковой или металлической, главное, с толстенными стенками. Затем, она закрывается специальными переходниками со всех сторон.

Далее, на неё накручиваем медную проволоку до 100 витков и располагаем по центральной части трубки. В результате получится индуктор. К этой обмотке подсоединяем выходную часть инвертора. В качестве помощника прибегаем к .

В качестве нагревателя выступает труба.

Подготавливаем генератор и всю конструкцию собираем.

Необходимые материалы и инструменты:

• проволока из нержавеющей стали или катанка (диаметр 7 мм);
• вода;
• провод из эмалированной меди;
• сетка из металла, имеющая маленькие отверстия;
• переходники;
• толстостенная труба из пластика;

Пошаговое руководство:

1. Режим проволоку на кусочки , длиною 50 мм.
2. Подготавливаем оболочку для нагревателя. Используем толстостенную трубу (диаметр 50 мм).
3. Дно и верх корпуса закрываем сеткой.
4. Готовим индукционную катушку. Медным проводом делаем намотку на корпус 90 витков и располагаем их в центре оболочки.
5. Из трубопровода вырезаем часть трубы и устанавливаем индукционный котёл.
6. Катушку соединяем с инвертором и заполняем котёл водой.
7. Заземляем полученную конструкцию.
8. Проверяем систему в работе. Без воды использовать нельзя, так как может расплавиться пластиковая труба.

Из сварочного инвертора

Самым простым бюджетным вариантом является изготовление индукционного нагревателя, используя сварочный инвертор:

1. Для этого берём полимерную трубу , стенки её должны быть толстыми. С торцов монтируем 2 вентиля и подсоединяем разводку.
2. Засыпаем в трубу кусочки (диаметр 5 мм) металлической проволоки и монтируем верхний вентиль.
3. Далее, делаем 90 витков вокруг трубы медной проволокой , получаем индуктор. Нагревательным элементом является труба, генератором используем сварочный аппарат.
4. Прибор должен стоять в режиме переменного тока с высокой частотой.
5. Подсоединяем медную проволоку к полюсам сварочного аппарата и проверяем работу.

Работая индуктором, будет излучаться магнитное поле, при этом, вихревые токи будут раскалять рубленую проволоку, что приведёт к закипанию воды в полимерной трубе

1. Открытые участки конструкции, в целях безопасности, следует изолировать.
2. Применение индукционного нагревателя рекомендовано только в закрытых системах отопления, где обустроен насос для циркуляции теплоносителя.
3. Конструкцию с индукционным нагревателем размещают на 800 мм от потолка, 300 – от мебели и стен.
4. Установка манометра обезопасит вашу конструкцию.
5. Нагревательное устройство желательно оснастить автоматической системой управления.
6. Нагревательный прибор к электросети следует подсоединять специальными переходниками.