Индукционный нагрев — принципы и технологии — ZAVODRR

Принцип работы индукционного нагревателя следующий. Создаваемые в электромагнитном поле вихревые токи (у них есть и другое название – токи Фуко) производят нагрев металла.

Как работает индукционный нагреватель?

Для реализации процесса индукционного нагрева используется известный физический принцип, когда для деформирования в горячем состоянии заготовку размещают в магнитном поле кольцеобразного индуктора. Питание такой катушки производится электрическим переменным током частоты, резко выше, чем обычная (50 или 60 Гц).

Принцип работы индукционного нагревателя следующий. Создаваемые в электромагнитном поле вихревые токи (у них есть и другое название – токи Фуко) производят нагрев металла. Непосредственное соприкосновение заготовки и нагревательного элемента не обязательно, важно только, чтобы индуктор равномерно охватывал нагреваемую поверхность металла. Используя трансформатор, установка подключается к генератору, который обеспечивает требующиеся значения мощности и частоты.

Индукционным нагревом можно обеспечить сравнительно быстрое повышение температуры поверхностных слоёв. В частности, для нагревания прутковой заготовки сечением 35…40 мм и длиной 140….150 мм потребуется около 20…25 с.

Примерные диапазоны соответствия наилучшей частоты тока и поперечного сечения круглого прутка приведены в таблице.

Диаметр, мм	20…40	40…60	60…80	80…100	100…120
Частота, кГц	100…40	40…10	10…4	4…1	1…0,5

Для полосового металла применять индукционный нагрев менее выгодно, чем для круглого прутка, поскольку расстояние между внутренним диаметром катушки и металлом непостоянно.

Обычно применяется частота от 10 кГц, тогда КПД индукционного нагревателя достигает максимума. Частота регулируется в зависимости от:

• требуемой производительности нагрева;
• температуры нагреваемого металла;
• размеров поперечного сечения.

Конструкции промышленных индукторов снабжаются устройствами для автоматической загрузки-выгрузки нагретых заготовок. Это необходимо потому, чтобы интервал между нагревом и пластическим деформированием металла был минимальным.

Время нагрева стальных заготовок невелико: для сечения 20 мм оно составляет всего 10 с, поэтому потери металла в окалину незначительны.

Исторические памятки на заметку

Применяется отмеченная техника плавки в промышленности, медицине, бытовой сфере, благодаря выраженным преимуществам по сравнению с традиционными методами прогрева:

• резистивным,
• пламенным,
• печным и другими.

Индукционный нагрев особенно полезен для выполнения высокоточных или повторяющихся операций.

Индукционный нагрев впервые применил Майкл Фарадей – физик и химик в одном лице – выходец из Великобритании. Учёный обнаружил уникальное свойство нагрева в момент изучения индукции токов в проводах под действием магнита.

Однако базовые принципы индукционного нагрева чуть позже представил Джеймс Максвелл в единой теории электромагнетизма. В то же время Джеймс П. Джоуль первым описал эффект прогрева током, протекающим через проводящий материал.

На момент 1887 года, Себастьян Зиани де Ферранти предложил индукционный нагрев как метод плавки металлов. Первую полнофункциональную индукционную печь соорудил и представил обществу (1891 год) Ф. А. Кьеллин, Первое применение высокочастотной печи реализовано Эдвином Ф. Нортрупом (1916 год).

Разработка твердотельных генераторов с использованием новых технологий силовых полупроводников обеспечила потенциал за пределами промышленной среды. С конца 1980-х годов появились различные предложения к применению.

Последние годы фиксируется особый интерес к индукционному нагреву под медицинские процедуры, поскольку этот метод обеспечивает точное и целевое локальное прогревание.

Устройство и принцип действия индукционного нагревателя

Упрощённо индукционный нагреватель состоит из трёх составных элементов:

• генератор переменного тока (1);
• индуктор (2);
• сердечник (3).

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:

Достоинства и преимущества

Индукционный нагрев нашёл применение в различных сферах деятельности человека благодаря:

• быстрому разогреву;
• возможности работы в различных по физическим свойствам средах (газ, жидкость, вакуум);
• отсутствию загрязнений продуктами горения;
• возможности избирательного нагрева;
• формам и размерам индуктора – они могут быть любыми;
• возможности автоматизации процесса;
• высокому проценту КПД – до 99%;
• экологичности – нет вредных выбросов в атмосферу;
• длительному сроку службы.

Индукционный нагрев металла

Индукционный нагрев металла сочетает в себе частоту, температуру, скорость и контроль производственного процесса. В принципе индукционного нагрева лежит закон Фарадея. деталь из металла помещается в индуктор, внутри ее возникает вихревой ток, который стремится к наружным стенкам.

То есть тепло возникает прямо в предмете (металлической заготовке), оставляя все вокруг холодным, что является несомненным преимуществом данного способа нагрева. Глубина нагрева зависит от частоты индукционного нагревателя, при этом металлическая деталь может располагаться в изоляции от источника питания.

Тепло в металлической заготовке образуется не равномерно по всему сечению, но экспоненциально спадает по мере удаления от поверхности из-за ослабления воздействия магнитного поля. Этот процесс характеризует особая физическая величина — глубина проникновения магнитного поля (по сути, толщина поверхностного слоя предмета, в котором внешнее магнитное поле спадает до нуля). Эта величина зависит от частоты тока индуктора и от удельного сопротивления и относительной проницаемости материала заготовки при рабочей температуре.

Преимущества и недостатки прибора

В качестве жидкости можно использовать машинное масло или антифриз

Индукционный нагрев может предоставить ряд выгод, которые не способно дать применение электродных приспособлений. Поскольку нагрев жидкости осуществляется металлическим элементом, не принимающим участия в электрохимических реакциях, долговечность устройства зависит только от катушки. Продолжительностью ее эксплуатации определяется продолжительность функционирования устройства. Некоторые индукторы сохраняют работоспособность более 10 лет. С этим же связана совместимость агрегата с разными типами жидкостей-теплоносителей. Помимо простой воды для этой роли пригодны машинные масла и незамерзающие составы.

Внутренние части агрегата в процессе использования не покрываются скоплениями накипи. Благодаря постоянному соприкосновению с жидкостью снижается вероятность перегрева деталей, что также способствует продлению срока эксплуатации. Конвекция в устройстве обычно достигает достаточного уровня, чтобы не потребовалось устанавливать циркуляционный насос. Нет необходимости и в шумоизоляционных мероприятиях – аппарат работает достаточно тихо.

Для аварийного отключения самодельного устройства необходим датчик температуры датчик

Однако индукционный нагреватель имеет и слабые стороны:

1. Для функционирования устройства требуется электрическая энергия. В помещении, где не проведено электричество или нет возможности обеспечить к нему доступ, котел работать не сможет. В местах с регулярными сетевыми перебоями он не будет работать эффективно.
2. При чрезмерном повышении температуры переносящая тепло жидкость переходит в газообразное состояние. Это провоцирует сильное повышение давления в конструкции, в результате чего может случиться разрыв труб. Чтобы это не произошло, потребуется оборудовать установку средствами контроля давления и температуры. Это могут быть манометр, термодатчик, приспособление для аварийного отключения при выходе параметров за рамки заданного диапазона.

Потребность в дополнительных оснастках может поспособствовать серьезному увеличению расходов на оборудование самодельного индукционного обогревателя.

Устройство считается почти полностью бесшумным, но на практике это не всегда так. Это касается моделей промышленного производства и установок, спроектированных в домашних условиях.

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.

Сборка агрегата

Делается самодельный индукционный нагреватель из сварочного инвертора. Кроме него вам понадобятся некоторые материалы и инструменты.

Какие материалы и инструментарий будут нужны

Чтобы собрать индукторный котел самостоятельно, необходим:

1. Инвертор от сварочного аппарата. Это устройство значительным образом упростит сборку водонагревателя.

1. Толстостенная труба из пластика. Она будет играть роль корпуса агрегата.
2. Проволока из стали-нержавейки. Она станет выполнять функцию нагревательного элемента в магнитном поле.
3. Сеточка из металла. В ней будут заключены отрезки проволоки из стали-нержавейки.
4. Водяной насос для циркуляции жидкости.

1. Проволока из меди для установки индуктора.
2. Термический регулятор.
3. Фитинги и шаровые вентили для соединения водонагревателя с отопительной системой.
4. Пассатижи для работы с проволокой.

Этапы работы

Собирая нагреватель, придерживайтесь точной последовательности работ:

1. Сначала закрепите на одной стороне трубы из пластика металлическую сеточку. Она не даст вываливаться проволочным отрезкам нагревательного элемента.
2. В этом же конце корпуса зафиксируйте патрубок для подключения к системе отопления.
3. Пассатижами нарежьте куски проволоки-нержавейки. Их длина должна быть 1–5 см. Плотно уложите отрезки в пластиковый корпус. В трубе при этом не должно остаться свободного места.
4. Другой конец трубы закройте металлической сеткой. Затем установите в нем второй патрубок для отопительной сети.

1. Далее займитесь изготовлением индукционной катушки. Для этого обмотайте трубу проволокой из меди. Инструкция предупреждает, что в намотке должно быть не меньше 80–90 витков.
2. После этого подсоедините концы медной обмотки к инверторным полюсам аппарата для сварки. Обмотайте изолентой все точки соединений.

1. Подключите водонагреватель к отопительной сети.
2. Если обогревательная система еще не была оснащена циркуляционным насосом, то подключите его.

1. К инвертору подсоедините термический регулятор. Он даст возможность автоматизации функционирования водонагревателя.
2. В последнюю очередь проверьте работоспособность собранного прибора.

После включения инвертора, индукторная катушка воссоздает электромагнитное поле. Оно генерирует вихревые потоки. Те быстро нагревают проволочные отрезки проволоки. Они передают тепло циркулирующей воде.

Сила индукции своими руками

Нагревательные приборы, которые в качестве энергии используют электричество, максимально удобны и комфортны в использовании. Они намного безопаснее, чем оборудование, работающее на газу. К тому же в этом случае нет ни копоти, ни сажи.

Один из недостатков такого нагревателя — высокий расход электричества. Чтобы как-то экономить, народные умельцы научились собирать индукционные нагреватели своими руками. В итоге получается отличный аппарат, которому для работы нужно гораздо меньше электрической энергии.

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).

Применение индукционного нагрева

Разнообразное применение индукционного нагрева, обусловлено его свойствами и функциями, облегчающими технологический процесс, позволяющий его максимально автоматизировать и повысить качество результатов работы. Практическое применение нагрева:

• формовка, плавление железных и не железных металлов;
• закалка;
• пайка;
• горячее прессование;
• сварка;
• вакуумная плавка;
• поддержание температуры расплавленного стекла;
• обработка очень мелких деталей, в том числе ювелирных;
• сгибание труб и других деталей;
• стерилизация лабораторных инструментов.

Самодельная индукционная печь

Схема к конструкции из генератора

Не так давно отечественные радиолюбители наглядно продемонстрировали, что индукционную печь можно сделать самому. Сегодня существует масса различных схем и технологий изготовления, мы же привели лишь самые популярные из них, а значит, самые эффективные и простые в выполнении.

Индукционная печь из высокочастотного генератора

Ниже приведена электрическая схема для изготовления самодельного прибора из высокочастотного (27,22 мегагерца) генератора.

Помимо генератора, при сборке потребуются четыре электролампочки высокой мощности и тяжелая лампа для индикатора готовности к работе.

Обратите внимание! Главным отличием печи, сделанной по этой схеме, является ручка конденсатора – в данном случае она располагается снаружи.

Помимо того, металл, находящийся в катушке (индукторе), расплавится в приборе самой незначительной мощности.

При изготовлении необходимо помнить о некоторых важных моментах, влияющих на скорость правления металла. Это:

• мощность;
• частота;
• вихревые потери;
• интенсивность теплопередачи;
• потери на гистерезисе.

Устройство будет питаться от стандартной сети в 220 В, но с предварительно установленным выпрямителем. Если печь предназначается для обогрева помещения, то рекомендуется использовать нихромовую спираль, а если для плавки, то графитовые щетки. Ознакомимся с каждой из конструкций более детально.

Видео – Конструкция из сварочного инвертора

Принцип работы

Основа работы такой печки – это извлечение тепла из электрического тока, которое вырабатывает переменное магнитное поле с помощью катушки индуктивности. Выходит, мы получаем тепло сначала из электромагнитной энергии, а потом с электрической. Замкнутость токов, которые текут по виткам индуктора (катушке индуктивности), выделяет тепло и прогревает металл изнутри.

Такая печь может работать иметь упрощенный вариант и работать от домашней сети 220В. Но для этого требуется выпрямитель, то есть адаптер.