Схема индукционная печь своими руками. Плавка металла в домашних условиях в индукционной электрической печи. Печь для плавки металла на сварочном инверторе

Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.

В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид). Через индуктор пропускают переменный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это — первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое первым уравнением Максвелла .

Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданной индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т. е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Это — второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла .

В нагреваемом объекте энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии, следствием чего является нагрев объекта, определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). Это — третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывается законом Ленца-Джоуля .

Описанные превращения энергии электромагнитного поля дают возможность:
1) передать электрическую энергию индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам (в отличие от печей сопротивления)
2) выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте (так называемая «печь с внутренним источником нагрева» по терминологии проф. Н. В. Окорокова), в результате чего использование тепловой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается (по сравнению с так называемыми «печами с внешним источником нагрева»).

На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т. е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т. е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом.

Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются и по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с сердечником и без сердечника.

По технологическому назначению установки индукционного нагрева подразделяют на плавильные печи для плавки металлов и нагревательные установки для термической обработки (закалки, отпуска), для сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой), для сварки, пайки и наплавки, для химико-термической обработки изделий и т. д.

По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:
1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы;
2) установки повышенной частоты (500-10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;
3) высокочастотные установки (66 000-440 000 Гц и выше), питающиеся от ламповых электронных генераторов.

Установки индукционного нагрева с сердечником

В плавильной печи (рис. 1) цилиндрический многовитковый индуктор, изготовленный из медной профилированной трубки, насаживают на замкнутый сердечник, набранный из листовой электротехнической стали (толщина листов 0,5 мм). Вокруг индуктора размещают огнеупорную керамическую футеровку с узким кольцевым каналом (горизонтальным или вертикальным), где находится жидкий металл. Необходимым условием работы является замкнутое электропроводное кольцо. Поэтому невозможно расплавить отдельные куски твердого металла в такой печи. Для пуска печи приходится в канал заливать порцию жидкого металла из другой печи или оставлять часть жидкого металла от предыдущей плавки (остаточная емкость печи).

Рис.1. Схема устройства индукционной канальной печи: 1 - индикатор; 2 - металл; 3 - канал; 4 - магнитопровод; Ф - основной магнитный поток; Ф 1р и Ф 2р - магнитные потоки рассеяния; U 1 и I 1 - напряжение и ток в цепи индуктора; I 2 - ток проводимости в металле

В стальном магнитопроводе индукционной канальной печи замыкается большой рабочий магнитный поток и лишь небольшая часть полного магнитного потока, создаваемого индуктором, замыкается через воздух в виде потока рассеяния. Поэтому такие печи успешно работают на промышленной частоте (50 Гц).

В настоящее время существует большое число типов и конструкций таких печей, разработанных во ВНИИЭТО (однофазные и многофазные с одним и несколькими каналами, с вертикальным и горизонтальным закрытым каналом разной формы). Эти печи применяют для плавки цветных металлов и сплавов со сравнительно низкой температурой плавления, а также для получения высококачественного чугуна. При плавке чугуна печь используют либо в качестве копильника (миксера), либо в качестве плавильного агрегата. Конструкции и технические характеристики современных индукционных канальных печей приведены в специальной литературе.

Установки индукционного нагрева без сердечника

В плавильной печи (рис. 2) расплавляемый металл находится в керамическом тигле, помещенном внутрь цилиндрического многовиткового индуктора. изготовляют из медной профилированной трубки, через которую пропускают охлаждающую воду. Узнать подробнее о конструкции индуктора можно .

Отсутствие стального сердечника приводит к резкому увеличению магнитного потока рассеяния; число магнитных силовых линий, сцепляемых с металлом в тигле, будет крайне мало. Это обстоятельство требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому для эффективной работы индукционных тигельных печей приходится питать их токами повышенной, а в отдельных случаях и высокой частоты от соответствующих преобразователей тока. Подобные печи имеют очень низкий естественный коэффициент мощности (cos φ=0,03-0,10). Поэтому необходимо применять конденсаторы для компенсации реактивной (индуктивной) мощности.

В настоящее время имеется несколько типов индукционных тигельных печей, разработанных во ВНИИЭТО в виде соответствующих размерных рядов (по емкости) высокой, повышенной и промышленной частоты, для плавки стали (тип ИСТ).

Рис. 2. Схема устройства индукционной тигельной печи: 1 - индуктор; 2 - металл; 3 - тигель (стрелками показана траектория циркуляции жидкого металла в результате электродинамических явлений)

Преимуществами тигельных печей являются следующие: выделяющееся непосредственно в металле тепло, высокая равномерность металла по химическому составу и температуре, отсутствие источников загрязнения металла (помимо футеровки тигля), удобство управления и регулирования процесса плавки, гигиеничность условий труда. Кроме этого, для индукционных тигельных печей характерны: более высокая производительность вследствие высоких удельных (на единицу емкости) мощностей нагрева; возможность плавить твердую шихту, не оставляя металл от предыдущей плавки (в отличие от канальных печей); малая масса футеровки по сравнению с массой металла, что уменьшает аккумуляцию тепловой энергии в футеровке тигля, снижает тепловую инерцию печи и делает плавильные печи этого типа исключительно удобными для периодической работы с перерывами между плавками, в частности для фасонно-литейных цехов машиностроительных заводов; компактность печи, что позволяет достаточно просто изолировать рабочее пространство от окружающей среды и осуществлять плавку в вакууме или в газовой среде заданного состава. Поэтому в металлургии широко применяют вакуумные индукционные тигельные печи (тип ИСВ).

Наряду с преимуществами у индукционных тигельных печей имеются следующие недостатки: наличие относительно холодных шлаков (температура шлака меньше температуры металла), затрудняющих проведение рафинировочных процессов при выплавке качественных сталей; сложное и дорогое электрооборудование; низкая стойкость футеровки при резких колебаниях температуры вследствие небольшой тепловой инерции футеровки тигля и размывающего действия жидкого металла при электродинамических явлениях. Поэтому такие печи применяют для переплава легированных отходов с целью снижения угара элементов.

Использованная литература:
1. Егоров А.В., Моржин А.Ф. Электрические печи (для производства сталей). М.: «Металлургия», 1975, 352 с.

Индукционная печь может использоваться для плавления небольшого количества металла, разделения и очистки драгоценных металлов, для нагрева металлических изделий с целью их закалки или отпуска.

Кроме того, такие печи предлагается использовать для обогрева жилища. Индукционные печи имеются в продаже, но интересней и дешевле изготовить такую печь своими руками.

Принцип действия индукционной печи основан на разогреве материала с помощью вихревых токов.

Для получения таких токов используется так называемый индуктор, который представляет собой катушку индуктивности, содержащую всего несколько витков толстого провода.

Индуктор питается сети переменного тока 50 Гц (иногда через понижающий трансформатор) или от генератора высокой частоты.

Протекающий по индуктору переменный ток генерирует переменное магнитное поле, которое пронизывает пространство. Если в этом пространстве окажется какой-либо материал, то в нем будут наводиться токи, которые начнут нагревать этот материал. Если этот материал – вода, то у нее будет повышаться температура, а если это металл, то через некоторое время он начнет плавиться.

Индукционные печи бывают двух типов:

• печи с магнитопроводом;
• печи без магнитопровода.

Принципиальная разница между двумя этими типами печей состоит в том, что в первом случае индуктор расположен внутри плавящегося металла, а во втором – снаружи. Наличие магнитопровода увеличивает плотность магнитного поля, пронизывающего помещенный в тигель металл, что облегчает его нагревание.

Примером индукционной печи с магнитопроводом является канальная индукционная печь. Схема такой печи включает замкнутый магнитопровод из трансформаторной стали, на котором располагаются первичная обмотка – индуктор и кольцеобразный тигель, в котором располагается материал для плавления. Тигель изготавливается из жаропрочного диэлектрика. Питание такой установки осуществляется от сети переменного тока с частотой 50 Гц или генератора с повышенной частотой 400 Гц.

Такие печи используются для плавления дюраля, цветных металлов или получения высококачественного чугуна.

Большее распространение имеют тигельные печи, не имеющие магнитопровода. Отсутствие в печи магнитопровода приводит к тому, что магнитное поле, создаваемое токами промышленной частоты, сильно рассеивается в окружающем пространстве. И для того, чтобы увеличить плотность магнитного поля в диэлектрическом тигеле с материалом для плавления, необходимо использовать более высокие частоты. При этом считается, что если контур индуктора настроен в резонанс с частотой питающего напряжения, а диаметр тигеля соизмерим с длиной волны резонанса, то в районе тигеля может сконцентрироваться до 75% энергии электромагнитного поля.

Схема изготовления индукционной печи

Как показали исследования, для обеспечения эффективного плавления металлов в тигельной печи желательно, чтобы частота питающего индуктор напряжения превышала резонансную частоту в 2-3 раза. То есть, такая печь работает на второй или третьей частотной гармонике. Кроме того, при работе на таких повышенных частотах происходит лучшее перемешивание сплава, что улучшает его качество. Режим с применением еще больших частот (пятой или шестой гармоники) может использоваться для поверхностной цементации или закалки металла, что связано с появлением скин-эффекта, то есть, вытеснением электромагнитного поля высокой частоты к поверхности заготовки.

Выводы по разделу:

1. Существуют два варианта индукционной печи – с магнитопроводом и без магнитпровда.
2. Канальная печь, относящаяся к первому варианту печей, более сложна по конструкции, но может питаться непосредственно от сети 50 Гц или сети повышенной частоты 400 Гц.
3. Тигельная печь, относящаяся к печам второго типа, более проста по конструкции, но требует для питания индуктора генератора высокой частоты.

Если печь – это отопительный прибор для практических нужд, то камин нужен для декора и уюта. , а также пример порядовки камина с аркой.

О том, как правильно опдойти к выбору электрического котла отопления, читайте .

А здесь вы узнаете, как работает автоматика для газовых котлов отопления. Котлы по способу инсталляции и разновидности энергозависимых систем.

Конструкции и параметры индукционных печей

Канальная

Одним из вариантов изготовления индукционной печи своими руками является канальная.

Для ее изготовления можно использовать обычный сварочный трансформатор, работающий на частоте 50 Гц.

В этом случае вторичную обмотку трансформатора надо заменить кольцевым тигелем.

В такой печи можно плавить до 300-400 г цветных металлов, а потреблять она будет 2-3 кВт мощности. Такая печь будет иметь большой кпд и позволит выплавлять металл высокого качества.

Основной трудностью изготовления канальной индукционной печи своими руками является приобретение подходящего тигеля.

Для изготовления тигеля должен использоваться материал с высокими диэлектрическими свойствами и высокой прочности. Такой как электрофарфор. Но такой материал не просто найти, а еще трудней обработать в домашних условиях.

Тигельная

Важнейшими элементами тигельной печи индукционного типа являются:

• индуктор;
• генератор напряжения питания.

В качестве индуктора для тигельных печей мощностью до 3 кВт можно использовать медную трубку или провод диаметром 10 мм или медную шину сечением 10 мм². Диаметр индуктора может составлять около 100 мм. Число витков от 8 до 10.

При этом существует много модификаций индуктора. Например, его можно выполнить в виде восьмерки, трилистника или иной формы.

В процессе работы индуктор обычно сильно нагревается. В промышленных образцах для индуктора используется водяное охлаждение витков.

В домашних условиях использование такого метода затруднительно, однако индуктор может нормально работать в течение 20-30 минут, что вполне достаточно для домашних работ.

Однако такой режим работы индуктора вызывает появление на его поверхности окалины, что резко уменьшает кпд печи. Поэтому время от времени индуктор приходится заменять на новый. Некоторые специалисты для защиты от перегрева предлагают покрывать индуктор жаропрочным материалом.

Генератор переменного тока высокой частоты – другой важнейший элемент тигельной печи индукционного типа. Можно рассмотреть несколько типов таких генераторов:

• генератор на транзисторе;
• генератор на тиристоре;
• генератор на МОП- транзисторах.

Простейшим генератором переменного тока для питания индуктора является генератор с самовозбуждением, схема которого имеет один транзистор типа КТ825, два резистора и катушку обратной связи. Такой генератор может вырабатывать мощность до 300 Вт, а регулировка мощности генератора осуществляется путем изменения постоянного напряжения источника питания. Источник питания должен обеспечивать ток до 25 А.

Предлагаемый для тигельной печи генератор на тиристоре включает в схему тиристор типа Т122-10-12, динистор КН102Е, ряд диодов и импульсный трансформатор. Тиристор работает в импульсном режиме.

Индукционная печь самостоятельного изготовления

Такие сверхвысокочастотные излучения могут негативно повлиять на здоровье человека. В соответствии с российскими нормами безопасности с высокочастотными колебаниями разрешается работать при плотности потока электромагнитной энергии не более 1-30 мВт/м². Для данного генератора, как показали расчеты, это излучение на расстоянии в 2,5 м от источника достигает 1,5 Вт/м². Такая величина является неприемлемой.

Схема генератора на МОП-транзисторах включает четыре МОП-транзистора типа IRF520 и IRFP450 и представляет собой двухтактный генератор с независимым возбуждением и индуктором, включенным в мостовую схему. В качестве задающего генератора используется микросхема типа IR2153. Для охлаждения транзисторов требуется радиатор не менее 400 см² и воздушный обдув.
Этот генератор может обеспечивать мощность питания до 1 кВт и менять частоту колебаний в пределах от 10 кГц до 10 МГц. Благодаря этому печь, использующая генератор такого типа, может работать как в режиме плавления, так и поверхностного нагрева.

Печь длительного горения может работать на одной закладке от 10 до 20 часов. При изготовлении нужно учитывать особенности конструкции, чтобы она выдавала максимум тепла при минимальных затратах энергии. О том, как правильно собрать печь, читайте на нашем сайте.

Возможно, вам будет интересно узнать о газовых обогревателях для гаража. Каким он должен быть, чтобы обеспечивалось тепло и безопасность, читайте в материале.

Использование для обогрева

Для обогрева жилища печи такого типа, как правило, используются вместе с водогрейным котлом.

Одним из вариантов самодельного водогрейного котла индукционного типа является конструкция, нагревающая трубу с протечной водой с помощью индуктора, получающего питание от сети с помощью ВЧ сварочного инвертора.

Однако, как показывает анализ таких систем, из-за больших потерь энергии электромагнитного поля в диэлектрической трубе кпд подобных систем крайне низок. Кроме того, для обогрева жилища требуется очень большое количество электроэнергии, что делает такой обогрев экономически невыгодным.

Из данного раздела можно сделать выводы:

1. Наиболее приемлемым вариантом изготовленной своими руками индукционной печи является тигельный вариант с генератором питания на МОП-транзисторах.
2. Использование изготовленной своими руками индукционной печи для обогрева дома невыгодно экономически. В этом случае лучше приобрести заводскую систему.

Особенности эксплуатации

Важным вопросом использования печи индукционного типа является безопасность.

Как уже говорилось выше, в печах тигельного типа используются источники питания высокой частоты.

Поэтому при эксплуатации индукционной печи индуктор необходимо располагать вертикально, перед включением печи на индуктор надо надевать заземленный экран. При включенной печи необходимо наблюдать за происходящими в тигле процессами на расстоянии, а после выполнения работ немедленно выключать ее.

При эксплуатации изготовленной своими руками индукционной печи необходимо:

1. Принимать меры для защиты пользователя печью от возможного высокочастотного излучения.
2. Учитывать возможность ожога индуктором.

При работе с печью необходимо учитывать и термическую опасность. Касание горячим индуктором кожи может вызвать сильный ожог.

Индукционный нагрев невозможен без использования трех основных элементов:

• индуктора;
• генератора;
• нагревательного элемента.

Индуктор представляет собой катушку, обычно выполненную из медной проволоки, с ее помощью генерируют магнитное поле. Генератор переменного тока используют для получения высокочастотного потока из стандартного потока домашней электросети с частотой 50 Гц. В качестве нагревательного элемента применяется металлический предмет, способный поглощать тепловую энергию под воздействием магнитного поля.

Если правильно соединить эти элементы, можно получить высокопроизводительный прибор, который прекрасно подходит для подогрева жидкого теплоносителя и отопления дома. С помощью генератора электрический ток с необходимыми характеристиками подается на индуктор, т.е. на медную катушку. При прохождении через нее поток заряженных частиц формирует магнитное поле.

Принцип действия индукционных нагревателей основан на возникновении электротоков внутри проводников, появляющихся под воздействием магнитных полей

Особенность поля состоит в том, что оно обладает способностью на высоких частотах изменять направление электромагнитных волн. Если в это поле поместить какой-нибудь металлический предмет, он начнет нагреваться без непосредственного контакта с индуктором под воздействием созданных вихревых токов.

Высокочастотный электрический ток, поступающий от инвертора к индукционной катушке, создает магнитное поле с постоянно изменяющимся вектором магнитных волн. Помещенный в это поле металл быстро разогревается

Отсутствие контакта позволяет сделать потери энергии при переходе из одного вида в другой ничтожными, чем и объясняется повышенный КПД индукционных котлов.

Чтобы подогреть воду для отопительного контура, достаточно обеспечить ее контакт с металлическим нагревателем. Часто в качестве нагревательного элемента используют металлическую трубу, через которую просто пропускают поток воды. Вода попутно охлаждает нагреватель, что значительно увеличивает срок его службы.

Электромагнит индукционного прибора получают путем намотки проволоки вокруг сердечника из ферромагнита. Полученная в результате катушка индукции разогревается и передает тепло нагреваемому телу или протекающему рядом теплоносителю через теплообменник

Литература

• Бабат Г. И., Свенчанский А. Д. Электрические промышленные печи. - М. : Госэнергоиздат, 1948. - 332 с.
• Бурак Я. И., Огирко И. В. Оптимальный нагрев цилиндрической оболочки с зависящими от температуры характеристиками материала // Мат. методы и физ.-мех. поля. - 1977. - Вып. 5 . - С. 26-30 .
• Васильев А. С. Ламповые генераторы для высокочастотного нагрева. - Л. : Машиностроение, 1990. - 80 с. - (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 15). - 5300 экз. - ISBN 5-217-00923-3.
• Власов В. Ф. Курс радиотехники. - М. : Госэнергоиздат, 1962. - 928 с.
• Изюмов Н. М., Линде Д. П. Основы радиотехники. - М. : Госэнергоиздат, 1959. - 512 с.
• Лозинский М. Г. Промышленное применение индукционного нагрева. - М. : Изд-во АН СССР, 1948. - 471 с.
• Применение токов высокой частоты в электротермии / Под ред. А. Е. Слухоцкого. - Л. : Машиностроение, 1968. - 340 с.
• Слухоцкий А. Е. Индукторы. - Л. : Машиностроение, 1989. - 69 с. - (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 12). - 10 000 экз. - ISBN 5-217-00571-8.
• Фогель А. А. Индукционный метод удержания жидких металлов во взвешенном состоянии / Под ред. А. Н. Шамова. - 2-е изд., испр. - Л. : Машиностроение, 1989. - 79 с. - (Библиотечка высокочастотника-термиста; Вып. 11). - 2950 экз. - .

Принцип действия

Последний вариант, наиболее часто используемый в котлах отопления, стал востребован за счёт простоты его реализации. Принцип работы установки индукционного нагрева основан на передаче энергии магнитного поля теплоносителю (воде). Магнитное поле формируется в индукторе. Переменный ток, проходя через катушку, создаёт вихревые потоки, которые трансформируют энергию в тепло.

Принцип работы установки индукционного нагрева

Вода, подаваемая через нижний патрубок в котёл, прогревается за счёт передачи энергии, и выходит через верхний патрубок, попадая дальше в систему отопления. Для создания давления используют встроенный насос. Постоянно циркулирующая в котле вода не позволяет элементам перегреваться. Кроме того, во время работы происходит вибрация теплоносителя (при низком уровне шума) за счёт чего невозможно отложение накипи на внутренних стенках котла.

Индукционные нагреватели могут быть реализованы различными способами.

Расчет мощности

Так как индукционный способ плавки стали менее затратный, чем аналогичных методик, основанных на использовании мазута, угля и других энергоносителей, то расчет индукционной печи начинается с вычисления мощности агрегата.

Мощность индукционной печи подразделяется на активную и полезную, для каждой из них есть своя формула.

В качестве исходных данных нужно знать:

• емкость печи, в рассматриваемом для примера случае она равна 8 тоннам;
• мощность агрегата (берется максимальное ее значение) – 1300 кВт;
• частота тока – 50 Гц;
• производительность печной установки – 6 тонн в час.

Требуется также учитывать расплавляемый металл или сплав: по условию он цинковый. Это важный момент, тепловой баланс плавки чугуна в индукционной печи, также как и других сплавов свой.

Полезная мощность, которая передается жидкому металлу:

• Рпол = Wтеор×t×П,
• Wтеор – удельный расход энергии, он теоретический, и показывает перегрев металла на 10С;
• П – производительность печной установки, т/ч;
• t - температура перегрева сплава или металлической заготовки в ванной печи, 0С
• Рпол = 0,298×800×5,5 = 1430,4 кВт.

Активная мощность:

• Р = Рпол/Ютерм,
• Рпол – берется с предыдущей формулы, кВт;
• Ютерм – КПД литейной печи, его пределы от 0,7 до 0,85, в среднем принимают 0,76.
• Р =1311,2/0,76=1892,1кВт, проводится округление значения до 1900 кВт.

На заключительном этапе рассчитывается мощность индуктора:

• Ринд = Р/N,
• Р – активная мощность печной установки, кВт;
• N – количество индукторов, предусмотренных на печи.
• Ринд =1900/2= 950 кВт.

Потребление мощности индукционной печью при плавке стали зависит от ее производительности и вида индуктора.

Компоненты печи

Итак, если вас интересует индукционная мини-печь своими руками, то важно знать, что ее главным элементом является нагревательная катушка. В случае самодельного варианта достаточно использовать индуктор, выполненный из голой медной трубки, диаметр которой составляет 10 мм

Для индуктора используется внутренний диаметр 80-150 мм , а количество витков – 8-10. Важно, чтобы витки не соприкасались, а расстояние между ними было 5-7 мм. Части индуктора не должны соприкасаться с его экраном, минимальный зазор должен быть 50 мм.

Если вами собирается печь индукционная своими руками, то вы должны знать, что в промышленных масштабах охлаждением индукторов занимается вода или антифриз. В случае малой мощности и непродолжительной работы создаваемого прибора можно обойтись и без охлаждения. Но при работе индуктор сильно нагревается, а окалина на меди может не просто резко снизить КПД устройства, но и привести к полной утрате его работоспособности. Самостоятельно невозможно сделать индуктор с охлаждением, поэтому потребуется его регулярная замена. Нельзя использовать принудительное воздушное охлаждение, так как корпус вентилятора, размещенного поблизости с катушкой, «притянет» к себе ЭМП, что приведет к перегреву и падению КПД печи.

Проблема индукционного нагрева заготовок из магнитных материалов

Если инвертор для индукционного нагрева не является автогенератором, не имеет схемы автоподстройки частоты (ФАПЧ) и работает от внешнего задающего генератора (на частоте, близкой к резонансной частоте колебательного контура «индуктор - компенсирующая батарея конденсаторов»). В момент внесения заготовки из магнитного материала в индуктор (если размеры заготовки достаточно крупны и соизмеримы с размерами индуктора), индуктивность индуктора резко увеличивается, что приводит к скачкообразному уменьшению собственной резонансной частоты колебательного контура и отклонению её от частоты задающего генератора. Контур выходит из резонанса с задающим генератором, что приводит к увеличению его сопротивления и скачкообразному уменьшению передаваемой в заготовку мощности. Если мощность установки регулируется внешним источником питания, то естественной реакцией оператора является увеличить напряжение питания установки. При разогреве заготовки до точки Кюри, её магнитные свойства исчезают, собственная частота колебательного контура возвращается обратно к частоте задающего генератора. Сопротивление контура резко уменьшается, резко возрастает потребляемый ток. Если оператор не успеет снять повышенное напряжение питания, то установка перегревается и выходит из строя.
Если установка оборудована автоматической системой управления, то система управления должна отслеживать переход через точку Кюри и автоматически уменьшать частоту задающего генератора, подстраивая его в резонанс с колебательным контуром (либо уменьшать подаваемую мощность, если изменение частоты недопустимо).

Если производится нагрев немагнитных материалов, то вышесказанное значения не имеет. Внесение в индуктор заготовки из немагнитного материала практически не меняет индуктивность индуктора и не сдвигает резонансную частоту рабочего колебательного контура, и необходимости в системе управления нет.

Если размеры заготовки много меньше размеров индуктора, то она тоже не сильно сдвигает резонанс рабочего контура.

Индукционные плиты

Основная статья: Индукционная плита

Индукционная плита - кухонная электрическая плита, разогревающая металлическую посуду индуцированными вихревыми токами, создаваемыми высокочастотным магнитным полем, частотой 20-100 кГц.

Такая плита обладает большим КПД по сравнению с ТЭН электроплитками, так как меньше тепла уходит на нагрев корпуса, а кроме того отсутствует период разгона и остывания (когда зря тратится выработанная, но не поглощенная посудой энергия).

Индукционные плавильные печи

Основная статья: Индукционная тигельная печь

Индукционные (бесконтактные) плавильные печи - электрические печи для расплавления и перегрева металлов, в которых нагрев происходит за счет вихревых токов, возникающих в металлическом тигеле (и металле), либо только в металле (если тигель изготовлен не из металла; такой способ нагрева более эффективен, если тигель плохо теплоизолирован).

Применяется в литейных цехах заводов, а также в цехах точного литья и ремонтных цехах машиностроительных заводов для получения стальных отливок высокого качества. Возможна плавка цветных металлов (бронзы, латуни, алюминия) и их сплавов в графитовом тигле. Индукционная печь работает по принципу трансформатора, у которого первичной обмоткой является водоохлаждаемый индуктор, вторичной и одновременно нагрузкой - находящийся в тигле металл. Нагрев и расплавление металла происходят за счёт протекающих в нём токов, которые возникают под действием электромагнитного поля, создаваемого индуктором.

История индукционного нагрева

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году принадлежит Майклу Фарадею. При движении проводника в поле магнита в нём наводится ЭДС, так же как при движении магнита, силовые линии которого пересекают проводящий контур. Ток в контуре называется индукционным. На законе электромагнитной индукции основаны изобретения множества устройств, в том числе определяющих - генераторов и трансформаторов, вырабатывающих и распределяющих электрическую энергию, что является фундаментальной основой всей электротехнической промышленности.

В 1841 году Джеймс Джоуль (и независимо от него Эмиль Ленц) сформулировал количественную оценку теплового действия электрического тока: «Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля» (закон Джоуля - Ленца). Тепловое действие индуцированного тока породило поиски устройств бесконтактного нагрева металлов. Первые опыты по нагреву стали с использованием индукционного тока были сделаны Е. Колби в США.

Первая успешно работающая т. н. канальная индукционная печь для плавки стали была построена в 1900 году на фирме «Benedicks Bultfabrik» в городе Gysing в Швеции. В респектабельном журнале того времени «THE ENGINEER» 8 июля 1904 г. появилась знаменитая, где шведский изобретатель инженер F. A. Kjellin рассказывает о своей разработке. Печь питалась от однофазного трансформатора. Плавка осуществлялась в тигле в виде кольца, металл, находящийся в нём, представлял вторичную обмотку трансформатора, питающегося током 50-60 Гц.

Первая печь мощностью 78 кВт была запущена в эксплуатацию 18 марта 1900 года и оказалась весьма неэкономичной, поскольку производительность плавки составляла всего 270 кг стали в сутки. Следующая печь была изготовлена в ноябре того же года мощностью 58 кВт и ёмкостью 100 кг по стали. Печь показала высокую экономичность, производительность плавки составила от 600 до 700 кг стали в сутки. Однако износ от тепловых колебаний оказался на недопустимом уровне, частые замены футеровки снижали итоговую экономичность.

Изобретатель пришёл к выводу, что для максимальной производительности плавки необходимо при сливе оставлять значительную часть расплава, что позволяет избежать многих проблем, в том числе износа футеровки. Такой способ выплавки стали с остатком, который стали называть «болото», сохранился до сих пор в некоторых производствах, где применяются печи большой ёмкости.

В мае 1902 года была введена в эксплуатацию значительно усовершенствованная печь ёмкостью 1800 кг, слив составлял 1000-1100 кг, остаток 700-800 кг, мощность 165 кВт, производительность плавки стали могла доходить до 4100 кг в сутки! Такой результат по потреблению энергии 970 кВт⋅ч/т впечатляет своей экономичностью, которая мало уступает современной производительности порядка 650 кВт⋅ч/т . По расчётам изобретателя из потребляемой мощности 165 кВт в потери уходило 87,5 кВт, полезная тепловая мощность составила 77,5 кВт, получен весьма высокий полный КПД, равный 47 %. Экономичность объясняется кольцевой конструкцией тигля, что позволило сделать многовитковый индуктор с малым током и высоким напряжением - 3000 В. Современные печи с цилиндрическим тиглем значительно компактнее, требуют меньших капитальных вложений, проще в эксплуатации, оснащены многими усовершенствованиями за сотню лет своего развития, однако КПД повышен несущественно. Правда, изобретатель в своей публикации игнорировал тот факт, что плата за электроэнергию осуществляется не за активную мощность, а за полную, которая при частоте 50-60 Гц примерно вдвое выше активной мощности. А в современных печах реактивная мощность компенсируется конденсаторной батареей.

Своим изобретением инженер F. A. Kjellin положил начало развития промышленных канальных печей для плавки цветных металлов и стали в индустриальных странах Европы и в Америке. Переход от канальных печей 50-60 Гц к современным высокочастотным тигельным длился с 1900 по 1940 г.

Система для отопления

Для того чтобы сделать индукционный нагреватель, понимающие мастера используют простой сварочный инвертор, который преобразовывает постоянное напряжение в переменное. Для таких случаев используют кабель с поперечным сечением 6-8 мм, но не стандартный для сварочных аппаратов в 2,5 мм.

Подобные отопительные системы обязательно должны иметь закрытый тип, а управление происходит автоматически. Для прочей безопасности нужен насос, который обеспечит циркуляцию по системе, а также воздухоспускной клапан. Такой нагреватель необходимо ограждать от деревянной мебели, а также от пола и потолка минимум в 1 метр.

Реализация в бытовых условиях

Индукционное отопление ещё не завоевало в достаточной степени рынок из-за высокой стоимости самой системы обогрева. Так, например, для промышленных предприятий подобная система обойдётся в 100 000 рублей, для бытового использования – от 25 000 руб. и выше. Поэтому вполне понятен интерес к схемам, которые позволяют создать самодельный индукционный нагреватель своими руками

индукционный котел отопления

На базе трансформатора

Основным элементом системы индукционного отопления с трансформатором станет само устройство, у которого есть первичная и вторичная обмотки. Вихревые потоки будут формироваться в первичной обмотке и создадут электромагнитное индукционное поле. Это поле будет воздействовать на вторичную, которая и есть, по сути, индукционный нагреватель, реализованный физически в виде корпуса котла отопления. Именно вторичная короткозамкнутая обмотка передает энергию теплоносителю.

Вторичная короткозамкнутая обмотка трансформатора

Главными элементами установки индукционного нагрева являются:

• сердечник;
• обмотка;
• два вида изоляции – тепло- и электроизоляция.

Сердечник – это две ферримагнитные трубки разного диаметра с толщиной стенок не менее 10 мм, вваренные друг в друга. Тороидальная обмотка из медного провода производится по внешней трубке. Необходимо наложить от 85 до 100 витков с равным расстоянием между витками. Переменный ток, изменяясь во времени, создаёт вихревые потоки в замкнутом контуре, которые и нагревают сердечник, следовательно, и теплоноситель, осуществляя индукционный нагрев.

С использованием высокочастотного сварочного инвертора

Индукционный нагреватель может быть создан с использованием сварочного инвертора, где главными компонентами схемы служат генератор переменного тока, индуктор и нагревательный элемент.

Генератор используется для преобразования стандартной частоты в сети электропитания 50 Гц в в ток с более высокой частотой. Этот модулированный ток подаётся на цилиндрическую катушку-индуктор, где в качестве обмотки используется медная проволока.

Медная проволока для обмотки

Катушка создаёт переменное магнитное поле, вектор которого меняется с заданной генератором частотой. Созданные вихревые токи, индуцированные магнитным полем, производят нагрев металлического элемента, который передаёт энергию теплоносителю. Таким образом реализуется ещё одна схема индукционного отопления, выполненная своими руками.

Нагревательный элемент тоже может быть создан своими руками из нарезанной металлической проволоки длиной около 5 мм и отрезка полимерной трубы, в которую помещается металл. При установке вентилей сверху и снизу трубы следует проверить плотность наполнения – не должно оставаться свободного пространства. Согласно схеме поверх трубы накладывается около 100 витков медной проводки, которая и является индуктором, подключаемым к клеммам генератора. Индукционный нагрев медной проволоки происходит за счёт вихревых токов, формируемых переменным магнитным полем.

Примечание: Индукционные нагреватели своими руками могут выполнены по любой схеме, главное помнить о том, что важно осуществить надёжную теплоизоляцию, в противном случае КПД системы отопления значительно упадёт. .

Преимущества и недостатки прибора

“Плюсов” у вихревого индукционного нагревателя великое множество. Это простая для самостоятельного изготовления схема, повышенная надежность, высокий КПД, относительно низкие затраты на электроэнергию, длительный срок эксплуатации, малая вероятность возникновения поломок и т.п.

Производительность прибора может быть значительной, агрегаты этого типа успешно используются в металлургической промышленности. По скорости нагрева теплоносителя устройства этого типа уверенно соперничают с традиционными электрическими котлами, температура воды в системе быстро достигает необходимого уровня.

Во время функционирования индукционного котла нагреватель слегка вибрирует. Эта вибрация стряхивает со стенок металлической трубы известковый осадок и другие возможные загрязнения, поэтому в очистке такой прибор нуждается крайне редко. Конечно, отопительную систему следует защитить от этих загрязнений с помощью механического фильтра.

Индукционная катушка нагревает металл (трубу или куски проволоки), помещенные внутри нее, с помощью высокочастотных вихревых токов, контакт не обязателен

Постоянный контакт с водой сводит к минимуму и вероятность перегорания нагревателя, что является довольно частой проблемой для традиционных котлов с ТЭНами. Несмотря на вибрацию, котел работает исключительно тихо, дополнительная шумоизоляция в месте установки прибора не понадобится.

Еще индукционные котлы хороши тем, что они практически никогда не протекают, если только монтаж системы выполнен правильно. Отсутствие протечек обусловлено бесконтактным способом передачи тепловой энергии нагревателю. Теплоноситель с помощью описанной выше технологии можно разогреть чуть ли не до парообразного состояния.

Это обеспечивает достаточную тепловую конвекцию, чтобы стимулировать эффективное перемещение теплоносителя по трубам. В большинстве случаев отопительную систему не придется оборудовать циркуляционным насосом, хотя все зависит от особенностей и схемы конкретной системы отопления.

Иногда циркуляционный насос необходим. Установить прибор относительно несложно. Хотя для этого понадобятся некоторые навыки монтажа электроприборов и отопительных труб.

Но есть у этого удобного и надежного прибора ряд недостатков, с которыми также следует считаться. Например, котел греет не только теплоноситель, но и все окружающее его рабочее пространство. Нужно выделить для такого агрегата отдельное помещение и удалить из него все посторонние предметы. Для человека длительное пребывание в непосредственной близости от работающего котла также может быть небезопасным.

Для работы индукционным нагревателям необходим электроток. Как самоделки, так и оборудование заводского изготовления подключают к бытовой сети переменного тока

Для работы прибора необходима электроэнергия. В местностях, где свободный доступ к этому благу цивилизации отсутствует, индукционный котел будет бесполезен. Да и там, где наблюдаются частые перебои с электричеством, он продемонстрирует невысокую эффективность

При неосторожном обращении с прибором может произойти взрыв.

Если перегреть теплоноситель, он превратится в пар. В результате давление в системе резко возрастет, чего трубы просто не выдержат, их разорвет. Поэтому для нормальной работы системы прибор следует снабдить как минимум манометром, а еще лучше - устройством аварийного отключения, терморегулятором и т.п.

Все это может заметно повысить стоимость самодельного индукционного котла. Хотя прибор и считается практически бесшумным, это не всегда так. Некоторые модели в силу разных причин могут все же издавать некоторые шумы. Для устройства, выполненного самостоятельно, вероятность такого исхода возрастает.

В конструкции как заводских, так и самодельных индукционных нагревателей практически нет изнашивающихся компонентов. Они долго служат и безупречно работают

Самодельные индукционные котлы

Самая простая схема устройства, которую собирают, состоит из отрезка пластиковой трубы, в полость которую закладываются различные металлические элементы с целью создать сердечник. Это может быть тонкая нержавеющая проволока, скатанная шариками, нарубленная мелкими кусочками проволока – катанка диаметром 6-8 мм или даже сверло диаметром, соответствующим внутреннему размеру трубы. Снаружи к ней приклеиваются палочки из стеклотекстолита, а на них наматывается провод толщиной 1.5-1.7 мм в стеклоизоляции. Длина провода – порядка 11 м. Технологию изготовления можно изучить, просмотрев видео:

Затем самодельный индукционный нагреватель испытали, заполнив его водой и подключив к индукционной варочной панели заводского изготовления ORION мощностью 2 кВт вместо штатного индуктора. Результаты испытаний показаны на следующем видео:

Другие мастера рекомендуют в качестве источника принять сварочный инвертор небольшой мощности, подключив клеммы вторичной обмотки к выводам катушки. Если внимательно изучить проделанную автором работу, то напрашиваются выводы:

• Автор хорошо потрудился и его изделие, несомненно, работает.
• Никаких расчетов по толщине провода, числу и диаметру витков катушки не производилось. Параметры обмотки были приняты по аналогии с варочной панелью, соответственно, индукционный водонагреватель получится мощностью не выше 2 кВт.
• В лучшем случае самодельный агрегат сможет нагревать воду для двух радиаторов отопления по 1 кВт каждый, этого хватит на обогрев одной комнаты. В худшем случае нагрев будет слабым или вообще пропадет, ведь испытания проводились без протока теплоносителя.

Более точные выводы сделать трудно из-за недостатка информации о дальнейших испытаниях прибора. Другой способ, как самостоятельно организовать индукционный нагрев воды для отопления, показан на следующем видео:

Сваренный из нескольких металлических труб радиатор выполняет роль внешнего сердечника для вихревых токов, создаваемых катушкой той же индукционной варочной панели. Выводы следующие:

• Тепловая мощность получившегося отопителя не превышает электрической мощности панели.
• Количество и размер труб были выбраны случайно, но обеспечили достаточную поверхность для передачи тепла, возникающего от вихревых токов.
• Данная схема индукционного нагревателя оказалась успешной для конкретного случая, когда квартира окружена помещениями других отапливаемых квартир. Кроме того, автор не показывал работу установки в холодное время года с фиксацией температуры воздуха в комнатах.

В подтверждение сделанных выводов предлагается просмотреть видео, где автор пытался применить подобный нагреватель в условиях отдельно стоящего утепленного здания:

Принцип действия

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 бессердечниковый трансформатор, 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 (скин-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока увеличивается в e раз относительно плотности тока в заготовке, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки.

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

Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

Δ=103ρμπf{\displaystyle \Delta =10^{3}{\sqrt {\frac {\rho }{\mu \pi f}}}} ,

где ρ - удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки, Ом·м, f - частота электромагнитного поля, генерируемого индуктором, Гц.

Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,047 мм, для железа ≈ 0,0001 мм.

Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием - этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Принцип действия

Плавильный узел индукционной печи применяется для нагрева самых различных металлов и сплавов. Классическая конструкция состоит из следующих элементов:

1. Сливной насос .
2. Индуктор, охлаждающийся водой.
3. Каркас из нержавеющей стали или алюминия.
4. Контактная площадка.
5. Подина из жаропрочного бетона.
6. Опора с гидравлическим цилиндром и подшипниковым узлом.

Принцип действия основан на создании вихревых индукционных токов Фуко. Как правило, при работе бытовых приборов подобные токи вызывают сбои, но в этом случае они применяются для нагрева шихты до требуемой температуры. Практически вся электроника во время работы начинает нагреваться. Этот негативный фактор применения электричества используется на полную мощность.

Преимущества устройства

Печь плавильная индукционная стала применяться относительно недавно. На производственных площадках устанавливаются знаменитые мартены, доменные печи и другие разновидности оборудования. Подобная печь для плавки металла обладает следующими преимуществами:

1. Применение принципа индукции позволяет делать оборудование компактным. Именно поэтому не возникает проблем с их размещением в небольших помещениях. Примером можно назвать доменные печи, которые могут устанавливаться исключительно в подготовленных помещениях.
2. Результаты проведенных исследований указывают на то, что КПД составляет практически 100%.
3. Высокая скорость плавки. Высокий показатель КПД определяет то, что на разогрев металла уходит намного меньше времени, если сравнивать с другими печами.
4. Некоторые печи при плавке могут привести к изменению химического состава металла. Индукционная занимает первое место по чистоте расплава. Создаваемые токи Фуко проводят нагрев заготовки изнутри, за счет чего исключается вероятность попадания в состав различных примесей.

Именно последнее преимущество определяет распространение индукционной печи в ювелирном деле, так как даже небольшая концентрация посторонней примеси может негативно сказаться на полученном результате.

Из-за того, что М. Фарадей в далеком 1831 году открыл явление электромагнитной индукции, мир увидел большое количество приспособлений, которые греют воду и прочие среды.

Потому как было реализовано данное открытие люди ежедневно используют в быту :

• Электрочайник с дисковым нагревателем для нагрева воды;
• Печь мультиварка;
• Индукционная варочная панель;
• Микроволновки (плита);
• Калорифер;
• Нагревательная колонка.

Также открытие применяется для экструдера (не механический). Раньше оно широко применялось в металлургии и прочих отраслях промышленности, связанной с обработкой металла. Заводской индуктивный котел функционирует по принципу действия вихревых токов на специальный сердечник, расположенный во внутренне части катушки. Вихревые токи Фуко поверхностные, поэтому лучше брать в качестве сердечника полую трубу из металла, сквозь которую проходит элемент теплоносителя.

Возникновение электротоков происходит из-за подачи на обмотку переменного электронапряжения, вызывающего появление переменного электрического магнитного поля, которое меняет потенциалы 50 раз/сек. при стандартной пром частоте 50 Гц.

При этом индукционная катушка Румкорфа выполнена так, что её можно подключить к электросети переменного тока напрямую. На производстве для такого нагрева применяют высокочастотные электротоки – до 1 МГц, поэтому добиться функционирования устройства при 50 Гц довольно сложно. Толщина проволоки и число обматывающих витков, которую применяет устройство, рассчитано в отдельности для каждого агрегата по специальному методу под требуемую мощность тепла. Самодельный, мощный агрегат должен функционировать эффективно, быстро греть идущую по трубе воду и при этом не нагреваться.

Организации вкладывают серьезные финансы в разработку и внедрение таких продуктов, поэтому :

• Все задачи разрешаются удачно;
• КПД нагревательный прибор имеет 98%;
• Функционирует без перебоев.

Кроме высочайшей эффективности не может не привлекать скорость, с которой идет нагревание идущей через сердечник среды. На рис. предложена схема функционирования индукционного водонагревателя, созданного на заводе. Такую схему имеет агрегат марки «ВИН», которые производит Ижевский завод.

Насколько долго будет работать агрегат, зависит исключительно от того, насколько герметичен корпус и не повреждена изоляции витков провода, а это довольно значительный период, по заявлению изготовителя – до 30 лет.

За все эти плюсы, которыми 100% обладает аппарат, нужно выложить немалые финансы, индукторный, магнитный водонагреватель – самый дорогой из всех видов установок для отопления. Поэтому многие мастера предпочитают собрать сверхэкономичный агрегат для отопления самостоятельно.

Правила изготовления оборудования самостоятельно

Для того чтобы установка индукционного нагрева работала правильно, ток для такого изделия должен соответствовать мощности (составлять он должен не меньше 15 ампер, если требуется, то можно больше).

• Проволока должна быть нарезана на куски не более пяти сантиметров. Это нужно для эффективного нагрева в высокочастотном поле.
• Корпус должен быть по диаметру не меньше, чем подготовленная проволока, и обладать толстыми стенками.
• Для крепления к сети отопления на одну сторону конструкции крепится специальный переходник.
• На дно трубы нужно положить сетку для предотвращения выпадения проволоки.
• Последняя нужна в таком количестве, чтобы она заполнила все внутреннее пространство.
• Конструкция закрывается, ставится переходник.
• Затем сооружают из этой трубы катушку. Для этого обматывают ее уже заготовленной проволокой. Число витков нужно соблюсти: минимум 80, максимум 90.
• После подключения к системе отопления в аппарат заливают воду. Катушку подключают к заготовленному инвертору.
• Устанавливается насос для подачи воды.
• Монтируется регулятор температуры.

Таким образом, расчет индукционного нагрева будет зависеть от следующих параметров: длина, диаметр, температура и время обработки

Обращайте внимание и на индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше показателей самого индуктора.

Высокоточный индукционный нагрев

Такое нагревание имеет самый простой принцип, так как является бесконтактным. Высокочастотный импульсный нагрев дает возможность достигать высочайшего температурного режима, при котором возможно обрабатывать самые сложные в плавке металлы. Чтобы выполнить индукционный нагрев, нужно создать в электромагнитных полях необходимое напряжение 12В (вольт) и частоту индуктивности.

Сделать это возможно в специальном устройстве – индукторе. Питается оно электричеством от промышленной электросети в 50 Гц.

Возможно, для этого применять индивидуальные источники электропитания – преобразователи/генераторы. Наиболее простое устройство прибора малой частоты – спираль (проводник заизолированный), который может размещаться во внутренней части трубы из металла или наматываться на неё. Идущие токи греют трубку, которая, в дальнейшем, дает тепло в жилое помещение.

Использование индукционного нагрева на минимальных частотах явление не частое. Наиболее распространено обрабатывание металлов на более высокой или средней частоте. Такие приспособления отличаются тем, что магнитная волна идет на поверхность, где затухает. Энергия преобразуется в тепло. Чтобы эффект был лучше обе составные части должны иметь схожую форму. Где применяется нагрев?

Сегодня применение высокочастотного нагрева широко распространено :

• Для плавки металлов, и их пайка бесконтактным методом;
• Машиностроительная промышленность;
• Ювелирное дело;
• Создание небольших элементов (плат), которые могут быть повреждены при использовании других методик;
• Закалка поверхностей деталей, разной конфигурации;
• Термическая обработка деталей;
• Медицинская практика (дезинфекция приборов/инструментов).

С помощью нагрева можно решить множество задач.

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.

Тепловая энергия при индукционном нагревании тратится экономно и при невысокой скорости разогрева. Благодаря этому индукционный прибор доводит воду для системы отопления за небольшой временной период до высокой температуры.

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 .

Однако данный недостаток можно нивелировать, если собрать индукционный нагреватель своими руками. Монтируется агрегат из легкодоступных элементов, их цена невелика.

Преимущества использования всех типов индукционных нагревателей

Индукционный нагреватель обладает несомненными преимуществами и является лидером среди всех типов приборов. Это преимущество складывается в следующим:

• Он потребляет меньше электроэнергии и не загрязняет окружающее пространство.
• Удобный в управлении, он обеспечивает высокое качество работы и позволяет контролировать процесс.
• Нагревание через стенки камеры обеспечивает особую чистоту и возможность получить сверхчистые сплавы, при этом плавку можно производить в разной атмосфере, в том числе в инертных газах и в вакууме.
• С его помощью возможен равномерный нагрев деталей любой формы или избирательный нагрев
• Наконец, индукционные нагреватели универсальны, что позволяет их использовать повсеместно, вытесняя устаревшие энергозатратные и неэффективные установки.

Изготавливая индукционный нагреватель собственными руками, необходимо побеспокоиться о безопасности устройства. Для этого требуется руководствоваться следующими правилами, повышающими уровень надежности общей системы:

1. В верхний тройник стоит врезать предохранительный клапан, стравливающий лишнее давление. Иначе при выходе из строя циркуляционного насоса сердечник попросту лопнет под воздействием пара. Как правило, схема простого индукционного нагревателя предусматривает такие моменты.
2. Инвертор включается в сеть только через УЗО. Это устройство срабатывает в критических ситуациях и поможет избежать короткого замыкания.
3. Сварочный инвертор нужно заземлить, выводя кабель на особый металлический контур, смонтированный в грунте за стенами сооружения.
4. Корпус индукционного нагревателя нужно размещать на высоте 80 см над уровнем пола. Причем расстояние до потолка должно быть не менее 70 см, а до других предметов меблировки – более 30 см.
5. Индукционный нагреватель – это источник очень сильного электромагнитного поля, поэтому такую установку нужно держать подальше от жилых помещений и вольеров с домашними животными.

Схема индукционного нагревателя

Благодаря открытию М. Фарадеем в 1831 году явления электромагнитной индукции в нашей современной жизни появилось множество устройств, нагревающих воду и другие среды. Мы каждый день пользуемся электрочайником с дисковым нагревателем, мультиваркой, индукционной варочной панелью, поскольку реализовать это открытие для быта удалось только в наше время. Ранее оно использовалось в металлургической и других отраслях металлообрабатывающей промышленности.

Заводской индукционный котел использует в своей работе принцип воздействия вихревых токов на металлический сердечник, помещенный внутрь катушки. Вихревые токи Фуко имеют поверхностную природу, поэтому есть смысл задействовать в качестве сердечника полую металлическую трубу, сквозь которую протекает нагреваемый теплоноситель.

Принцип действия индукционного нагревателя

Возникновение токов обусловлено подачей на обмотку переменного электрического напряжения, вызывающего появление переменного электромагнитного поля, меняющего потенциалы 50 раз в секунду при обычной промышленной частоте 50 Гц. При этом индукционная катушка выполнена таким образом, чтобы ее можно было подключить к сети переменного тока напрямую. В промышленности для такого нагрева используют токи высокой частоты – до 1 МГц, поэтому добиться работы устройства при частоте 50 Гц достаточно непросто.

Толщина медной проволоки и количество витков обмотки, которую используют индукционные нагреватели воды, рассчитано отдельно для каждого агрегата по специальной методике под требуемую тепловую мощность. Изделие должно работать эффективно, быстро нагревать протекающую по трубе воду и при этом не перегреваться. Предприятия вкладывают немалые средства в разработку и внедрение подобных продуктов, поэтому все задачи решены успешно, а показатель КПД нагревателя составляет 98%.

Помимо высокой эффективности особо привлекает скорость, с которой происходит нагрев протекающей через сердечник среды. На рисунке представлена схема работы индукционного нагревателя, сделанного в заводских условиях. Такая схема применена в агрегатах известной торговой марки «ВИН», выпускаемых Ижевским заводом.

Схема работы нагревателя

Долговечность работы теплогенератора зависит только от герметичности корпуса и целостности изоляции витков провода, а это получается достаточно большой период, производители декларируют – до 30 лет. За все эти достоинства, которыми в действительности обладают данные аппараты, надо выложить немалые деньги, индукционный нагреватель воды – самый дорогой из всех видов отопительных электроустановок. По этой причине некоторые умельцы взялись за изготовление самодельного прибора с целью задействовать его в отоплении дома.

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.

Медная проволока разного диаметра для обмотки

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!

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.

Индукционная катушка, обмотанная медной проволокой

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.

Обмотка на корпусе индукционника

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.

В зависимости от особенностей конструкции выделяют напольные и настольные индукционные печи. Независимо от того, какой именно вариант был выбран, выделяют несколько основных правил по установке:

1. При работе оборудования на электросеть оказывается высокая нагрузка. Для того чтобы исключить вероятность возникновения короткого замыкания по причине износа изоляции, при установке должно быть проведено качественное заземление.
2. Конструкция имеет водяной охлаждающий контур, который исключает вероятность перегрева основных элементов. Именно поэтому следует обеспечивать надежный подъем воды.
3. Если проводится установка настольной печи, то следует уделить внимание устойчивости используемого основания.
4. Печь для плавки металла представлена сложным электрическим прибором, при установке которого нужно соблюдать все рекомендации производителя. Особое внимание уделяется параметрам источника питания, который должен соответствовать модели аппарата.
5. Не стоит забывать о том, что вокруг печи должно быть довольно много свободного пространства. Во время работы даже небольшой по объему и массе расплав может случайно выплеснуться из формы. При температуре более 1000 градусов Цельсия он нанесет непоправимый вред различным материалам, а также может стать причиной возгорания.

Во время работы устройство может серьезно нагреваться. Именно поэтому поблизости не должно быть никаких легковоспламеняющихся или взрывчатых веществ. Кроме этого, по технике пожарной безопасности вблизи должен быть установлен пожарный щит .

Правила безопасности

для систем отопления, где используется индукционный нагрев, важно соблюдать несколько правил во избежание утечек, потерь КПД, расходования электроэнергии, несчастных случаев. . В системах индукционного отопления необходимо наличие предохранительного клапана для сброса воды и пара на случай выхода из строя насоса.


Для предотвращения сбоев в работе электросети рекомендуется подключение котла с индукционным нагревом, выполненного своими руками по предложенным схемам, к отдельной питающей линии, сечение кабеля которой будет составлять не менее 5 мм2

Обычная проводка может не выдержать требуемое энергопотребление.

1. В системах индукционного отопления необходимо наличие предохранительного клапана для сброса воды и пара на случай выхода из строя насоса.
2. Манометр и УЗО обязательны для безопасной работы отопительной системы, собранной своими руками.
3. Наличие заземления и электроизоляции всей системы индукционного отопления предупредит поражение электрическим током.
4. Во избежание пагубного воздействия электромагнитного поля на организм человека подобные системы лучше выносить за пределы жилой зоны, где следует соблюдать правила монтажа, согласно которым устройство индукционного нагрева должно размещаться на расстоянии 80 см от горизонтальных (пола и потолка) и 30 см от вертикальных поверхностей.
5. Перед включением системы следует обязательно проверять наличие теплоносителя.
6. Для предотвращения сбоев в работе электросети рекомендуется подключение котла с индукционным нагревом, выполненного своими руками по предложенным схемам, к отдельной питающей линии, сечение кабеля которой будет составлять не менее 5 мм2. Обычная проводка может не выдержать требуемое энергопотребление.

Создание усложненных приборов

Сделать нагревательную установку ТВЧ своими руками сложнее, но это подвластно радиолюбителям, ведь для ее сбора потребуется схема мультивибратора. Принцип работы аналогичен - вихревые токи, возникающие из взаимодействия металлического наполнителя в центре катушки и ее собственного высокомагнитного поля, нагревают поверхность.

Конструирование ТВЧ-установок

Поскольку даже небольшого размера катушки вырабатывают ток около 100 А, вместе с ними потребуется подключить резонирующую емкость для уравновешивания индукционной тяги. Существует 2 вида рабочих схем для нагревательной ТВЧ в 12 В:

• подключенная к питанию сети.

• целенаправленная электрическая;
• подключенная к питанию сети.

В первом случае мини ТВЧ-установку можно собрать за час. Даже при отсутствии сети в 220 В можно использовать такой генератор где угодно, но при наличии автомобильных аккумуляторов как источников питания. Конечно, она недостаточно мощная, чтобы плавить металл, но способна нагреться до высоких температур, необходимых для мелкой работы, например, нагрев ножей и отверток до синего цвета. Для ее создания необходимо приобрести:

• полевые транзисторы BUZ11, IRFP460, IRFP240;
• автомобильный аккумулятор от 70 А/ч;
• высоковольтные конденсаторы.

Ток источника питания 11 А в процессе нагревания снижается до 6 А из-за сопротивления металла, но необходимость в толстых проводах, выдерживающих ток 11−12 А, сохраняется, чтобы избежать их перегрева.

Вторая схема для индукционной установки нагрева в пластиковом корпусе более сложная, на основе драйвера IR2153, но по ней удобнее выстроить резонанс по регулятору в 100к. Управлять схемой необходимо через адаптер сети с напряжением от 12 В. Силовую часть можно подвести напрямую к основной сети в 220 В, используя диодный мост. Частота резонанса получается 30 кГц. Потребуются следующие элементы:

• ферритовый сердечник 10 мм и дроссель 20 витков;
• медная трубка в качестве катушки ТВЧ в 25 витков на оправку 5−8 см;
• конденсаторы 250 V.

Вихревые нагреватели

Более мощную установку, способную греть болты до желтого цвета, можно собрать по простой схеме. Но при работе выделение тепла будет довольно большим, поэтому рекомендуется устанавливать радиаторы на транзисторы. Также потребуется дроссель, позаимствовать который можно из блока питания любого компьютера, и следующие вспомогательные материалы:

• стальной ферромагнитный провод;
• медная проволока в 1,5 мм;
• полевые транзисторы и диоды под обратное напряжение от 500 В;
• стабилитроны мощностью 2−3 Вт с расчетом на 15 В;
• простые резисторы.

В зависимости от желаемого результата, намотка провода на медную основу составляет от 10 до 30 витков. Далее идет сборка схемы и подготовка катушки-основы нагревателя примерно из 7 витков медной проволоки в 1,5 мм. Она подключается к схеме, а затем к электричеству.

Умельцы, знакомые со сваркой и управлением трехфазным трансформатором, способны еще больше повысить КПД устройства при одновременном снижении веса и размера. Для этого нужно сварить основания двух труб, которые послужат как сердечником, так и нагревателем, а в корпус после обмотки вварить два патрубка для осуществления подвода и отвода теплоносителя.

Преимущества и недостатки

Разобравшись с принципом работы индукционного нагревателя, можно рассмотреть его положительные и отрицательные стороны. Учитывая высокую популярность теплогенераторов этого типа, можно предположить, что преимуществ у него значительно больше, чем недостатков. Среди наиболее значимых плюсов можно выделить:

• Простота конструкции.
• Высокий показатель КПД.
• Длительный срок эксплуатации.
• Небольшие риски поломки устройства.
• Существенная экономия электроэнергии.

Так как показатель производительности индукционного котла находится в широком диапазоне, то можно без особых проблем подобрать агрегат под конкретную систему обогрева здания. Эти устройства способны быстро нагревать теплоноситель до заданной температуры, что сделало их достойным конкурентом традиционным котлам.

Во время работы индукционного нагревателя наблюдается небольшая вибрация, благодаря которой с труб стряхивается накипь. В результате можно реже проводить чистку агрегата. Так как теплоноситель находится в постоянном контакте с нагревательным элементом, то риски его выхода из строя сравнительно малы.

Часть 1. ИНДУКЦИОННЫЙ КОТЕЛ своими руками - это просто. Приспособление для индукционной плитки.

Если во время монтажа индукционного котла не было допущено ошибок, то протечки практически исключены. Этот связано с бесконтактной передачей теплоэнергии нагревателю. Использование индукционной технологии нагрева воды позволяет довести его практически до газообразного состояния . Таким образом достигается эффективное движение воды по трубам, и в некоторых ситуациях можно даже обойтись без использования циркуляционных насосных установок.

К сожалению, идеальных устройств сегодня не существует. Вместе с большим количеством преимуществ, индукционные нагреватели имеют и ряд недостатков. Так как для работы агрегата требуется электроэнергия, то в регионах с частыми перебоями в подаче электричества он не сможет работать с максимальной эффективностью. При перегреве теплоносителя резко возрастает давление в системе и трубы может разорвать. Чтобы этого избежать, индукционный нагреватель нужно оснастить устройством аварийного отключения.

Индукционный нагреватель своими руками

Принцип работы индукционного нагрева

В работе индукционного нагревателя используется энергия электромагнитного поля, которую нагреваемый объект поглощает и преобразует в тепловую. Для генерирования магнитного поля используется индуктор, т. е. многовитковая цилиндрическая катушка. Проходя через этот индуктор, переменный электрический ток создает вокруг катушки переменное магнитное поле.

Самодельный инверторный нагреватель позволяет производить нагрев быстро и до очень высоких температур. С помощью таких устройств можно не только нагревать воду, но даже плавить различные металлы

Если внутрь индуктора или близ него разместить нагреваемый объект, его будет пронизывать поток вектора магнитной индукции, который постоянно меняется во времени. При этом возникает электрическое поле, линии которого располагаются перпендикулярно направлению магнитного потока и движутся по замкнутому кругу. Благодаря этим вихревым потокам электрическая энергия трансформируется в тепловую и объект нагревается.

Таким образом, электрическая энергия индуктора передается объекту без использования контактов, как это происходит в печах сопротивления. В результате тепловая энергия расходуется более эффективно, а скорость нагрева заметно повышается. Широко применяется этот принцип в области обработки металла: его плавки, ковки, пайки наплавки и т. п. С не меньшим успехом вихревой индукционный нагреватель можно использовать для подогрева воды.

Индукционные нагреватели высокочастотного типа

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.

Индукционная плавка - широко распространенный в черной и цвет­ной металлургии процесс. Плавка в устройствах с индукционным нагревом нередко превосходит плавку в топливных печах по эффективности исполь­зования энергии, качеству продукта и гибкости производства. Эти пре-

современных электротехнологий

имущества обусловлены специфическими физическими характеристиками индукционных печей.

При индукционной плавке происходит перевод твердого материала в жидкую фазу под воздействием электромагнитного поля. Так же как в слу­чае индукционного нагрева, тепло выделяется в расплавляемом материале вследствие эффекта Джоуля от наведенных вихревых токов. Первичный ток, проходящий через индуктор, создает электромагнитное поле. Вне за­висимости от того, концентрируется электромагнитное поле магнитопро - водами или нет, связанная система индуктор - загрузка может быть пред­ставлена как трансформатор с магнитопроводом или как воздушный трансформатор. Электрический КПД системы сильно зависит от влияющих на поле характеристик ферромагнитных конструктивных элементов.

Наряду с электромагнитными и тепловыми явлениями в процессе индукционной плавки важную роль играют электродинамические силы. Эти силы должны учитываться, особенно в случае плавки в мощных ин­дукционных печах. Взаимодействие индуктированных электрических то­ков в расплаве с результирующим магнитным полем вызывает механиче­скую силу (силу Лоренца)

Давление Потоки расплава

Рис. 7.21. Действие электромагнитных сил

Например, вызванное силами турбулентное движение расплава име­ет очень большое значение как для хорошего теплообмена, так и для пере­мешивания и адгезии непроводящих частиц, находящихся в расплаве.

Различают два основных типа индукционных печей: индукционные тигельные печи (ИТП) и индукционные канальные печи (ИКП). В ИТП расплавляемый материал обычно загружается кусками в тигель (рис. 7.22). Индуктор охватывает тигель и расплавляемый материал. Из-за отсутствия концентрирующего поля магнитопровода электромагнитная связь между

современных электротехнологий

индуктором и загрузкой сильно зависит от толщины стенки керамического тигля. Для обеспечения высокого электрического КПД изоляция должна быть как можно тоньше. С другой стороны, футеровка должна быть доста­точно толстой для того, чтобы противостоять термическим напряжениям и

движению металла. Следовательно, следует искать компромисс между электрическими и прочностными критериями.

Важными характеристиками индукционной плавки в ИТП являются движение расплава и мениск как результат воздействия электромагнитных сил. Движение расплава обеспечивает как равномерное распределение температуры, так и однородный химический состав. Эффект перемешива­ния у поверхности расплава снижает потери материала во время дозагруз - ки малоразмерной шихты и добавок. Несмотря на использование дешевого материала воспроизводство расплава постоянного состава обеспечивает высокое качество литья.

В зависимости от размеров, рода расплавляемого материала и облас­ти применения ИТП работают на промышленной частоте (50 Гц) или сред-

современных электротехнологий

них частотах до 1000 Гц. Последние приобретают все более важное значе­ние благодаря высокой эффективности при плавке чугуна и алюминия. По­скольку движение расплава при постоянной мощности ослабляется с по­вышением частоты, на более высоких частотах становятся доступными бо­лее высокие удельные мощности и, как следствие, большая производи­тельность. Вследствие более высокой мощности сокращается время плав­ки, что ведет к повышению КПД процесса (по сравнению с печами, рабо­тающими на промышленной частоте). С учетом других технологических преимуществ, таких как гибкость при смене выплавляемых материалов, среднечастотные ИТП разработаны как мощные плавильные установки, доминирующие в настоящее время в чугунолитейном производстве. Со­временные мощные среднечастотные ИТП для плавки чугуна имеют ем­кость до 12 т и мощность до 10 МВт. ИТП промышленной частоты разра­батываются для больших емкостей, чем среднечастотные, до 150 т для плавки чугуна. Интенсивное перемешивание ванны имеет особое значение при выплавке однородных сплавов, например латуни, поэтому в этой об­ласти широко используются ИТП промышленной частоты. Наряду с при­менением тигельных печей для плавки в настоящее время их используют также для выдержки жидкого металла перед разливкой.

В соответствии с энергетическим балансом ИТП (рис. 7.23) уровень электрического КПД почти для всех типов печей составляет около 0,8. Приблизительно 20 % исходной энергии теряется в индукторе в виде Джо - улева тепла. Отношение тепловых потерь через стенки тигля к индуктиро­ванной в расплаве электрической энергии достигает 10 %, поэтому полный КПД печи составляет около 0,7.

Вторым широко распространенным типом индукционных печей яв­ляются ИКП. Они применяются для литья, выдержки и, особенно, плавки в черной и цветной металлургии. ИКП в общем случае состоит из керамиче­ской ванны и одной или нескольких индукционных единиц (рис. 7.24). В

принципе, индукционная единица может быть представлена как трансфор-

Принцип действия ИКП требует наличия постоянно замкнутого вто­ричного витка, поэтому эти печи работают с жидким остатком расплава. Полезное тепло генерируется главным образом в канале, имеющем малое сечение. Циркуляция расплава под действием электромагнитных и терми­ческих сил обеспечивает достаточный перенос тепла в основную массу расплава, находящуюся в ванне. До настоящего времени ИКП проектиро­вались на промышленную частоту, однако исследовательские работы про­водятся и для более высоких частот. Благодаря компактной конструкции печи и очень хорошей электромагнитной связи ее электрический КПД дос­тигает 95%, а общий КПД - 80 % и даже 90 % в зависимости от расплав­ляемого материала.

В соответствии с технологическими условиями в разных областях применения ИКП требуются различные конструкции индукционных кана­лов. Одноканальные печи используются в основном для выдержки и литья,

современных электротехнологий

реже плавки стали при установленных мощностях до 3 МВт. Для плавки и выдержки цветных металлов предпочтительнее двухканальные конструк­ции, обеспечивающие лучшее использование энергии. В установках для плавки алюминия каналы выполняются прямыми для удобства очистки.

Производство алюминия, меди, латуни и их сплавов является основ­ной областью применения ИКП. Сегодня наиболее мощные ИКП емкостью

до 70 т и мощностью до 3 МВт используются для плавки алюминия. Наря­ду с высоким электрическим КПД в производстве алюминия очень важны низкие потери расплава, что и предопределяет выбор ИКП.

Перспективными применениями технологии индукционной плавки являются производство высокочистых металлов, таких как титан и его сплавы, в индукционных печах с холодным тиглем и плавка керамики, на­пример силиката циркония и оксида циркония.

При плавке в индукционных печах ярко проявляются преимущества индукционного нагрева, такие как высокая плотность энергии и произво­дительность, гомогенизация расплава благодаря перемешиванию, точный

современных электротехнологий

энергетический и температурный контроль, а также простота автоматиче­ского управления процессом, легкость ручного управления и большая гиб­кость. Высокие электрический и тепловой КПД в сочетании с низкими по­терями расплава и, следовательно, экономией сырья обусловливают низ­кий удельный расход энергии и экологическую конкурентоспособность.

Превосходство индукционных плавильных устройств над топливны­ми непрерывно возрастает благодаря практическим исследованиям, под­крепленным численными методами решения электромагнитной и гидроди­намической задач. В качестве примера можно отметить внутреннее покры­тие медными полосами стального кожуха ИКП для плавки меди. Умень­шение потерь от вихревых токов повысило КПД печи на 8 %, и он достиг 92 %.

Дальнейшее улучшение экономических показателей индукционной плавки возможно за счет применения современных технологий управле­ния, таких как тандем или управление двойным питанием. Две ИТП тан­дема имеют один источник питания, и пока в одной идет плавка, в другой расплавленный металл выдерживается для разливки. Переключение источ­ника питания с одной печи на другую повышает коэффициент его исполь­зования. Дальнейшим развитием этого принципа является управление двойным питанием (рис. 7.25), которое обеспечивает продолжительную одновременную работу печей без переключения с помощью специальной автоматики управления процессом. Следует также отметить, что неотъем­лемой частью экономики плавки является компенсация общей реактивной мощности.

В заключение для демонстрации преимуществ энерго - и материалос­берегающей индукционной технологии можно сравнить топливный и элек­тротермический способы плавки алюминия. Рис. 7.26 показывает значи­тельное снижение энергопотребления на тонну алюминия при плавке в

Глава 7. Энергосберегающие возможности современных электротехнологий

□ потери металла; Щ плавление

современных электротехнологий

индукционной канальной печи емкостью 50 т. Потребляемая конечная энергия уменьшается примерно на 60 %, а первичная на 20 %. Наряду с этим значительно сокращается выброс СО2. (Все расчеты основываются на типичных для Германии коэффициентах преобразования энергии и выде­ления СО2 при работе смешанных электростанций). Полученные результа­ты подчеркивают особое влияние потерь металла при плавке, связанных с его окислением. Их компенсация требует большого дополнительного рас­хода энергии. Примечательно, что в производстве меди потери металла при плавке также велики и должны учитываться при выборе той или иной технологии плавки.

В металлургической промышленности широко применяются индукционные печи. Такие печи нередко изготавливают самостоятельно. Для этого необходимо знать их принцип работы и конструктивные особенности. Принцип работы таких печей был известен еще два столетия назад.

Индукционные печи способны решать следующие задачи:

• Плавка металла.
• Термообработка металлических деталей.
• Очистка драгоценных металлов.

Такие функции имеются в промышленных печах. Для бытовых условий и обогрева помещения существуют печи специальной конструкции.

Принцип действия

Работа индукционной печи заключается в нагревании материалов путем использования свойств вихревых токов. Чтобы создать такие токи применяется специальный индуктор, который состоит из катушки индуктивности с несколькими витками провода большого поперечного сечения.

К индуктору подводится сеть питания переменного тока. В индукторе переменный ток создает магнитное поле, которое меняется с частотой сети, и пронизывает внутреннее пространство индуктора. При помещении какого-либо материала в это пространство, в нем возникают вихревые токи, осуществляющие его нагревание.

Вода в работающем индукторе нагревается и кипит, а металл начинает плавиться при достижении соответствующей температуры. Условно можно разделить индукционные печи на типы:

• Печи с магнитопроводом.
• Без магнитопровода.

Первый тип печей содержит индуктор, заключенный в металл, что создает особый эффект, повышающий плотность магнитного поля, поэтому нагревание осуществляется качественно и быстро. В печах без магнитопровода индуктор находится снаружи.

Виды и особенности печей

Индукционные печи можно разделить на виды, которые обладают своими особенностями работы и отличительными признаками. Одни служат для работ в промышленности, другие применяются в быту, для приготовления пищи.

Вакуумные индукционные печи

Такая печь предназначена для плавки и литья сплавов индукционным методом. Она состоит из герметичной камеры, в которой расположена тигельная индукционная печь с литейной формой.

В вакууме можно обеспечить совершенные металлургические процессы, получать качественные отливки. В настоящее время вакуумное производство перешло на новые технологические процессы из непрерывных цепочек в вакуумной среде, которая дает возможность создавать новые изделия, и уменьшать издержки производства.

Достоинства вакуумной плавки

• Жидкий металл можно выдерживать в вакууме длительное время.
• Повышенная дегазация металлов.
• В процессе плавки можно производить дозагрузку печи и воздействовать на процесс рафинирования и раскисления в любое время.
• Возможность постоянного контроля и регулировки температуры сплава и его химического состава во время работы.
• Высокая чистота отливок.
• Быстрый нагрев и скорость плавки.
• Повышенная гомогенность сплава из-за качественного перемешивания.
• Любая форма сырья.
• Экологическая чистота и экономичность.

Принцип действия вакуумной печи состоит в том, что в тигле, находящемся в вакууме с помощью индуктора высокой частоты плавят твердую шихту и очищают жидкий металл. Вакуум создается путем откачки воздуха насосами. При вакуумной плавке достигается большое снижение водорода и азота.

Канальные индукционные печи

Печи с электромагнитным сердечником (канальные) широко применяются в литейном производстве для цветных и черных металлов в качестве раздаточных печей, миксеров.

1 — Ванна
2 — Канал
3 — Магнитопровод
4 — Первичная катушка

Переменный магнитный поток проходит по магнитопроводу, контуру канала в виде кольца из жидкого металла. В кольце возбуждается электрический ток, который разогревает жидкий металл. Магнитный поток образуется первичной обмоткой, работающей от переменного тока.

Чтобы усилить магнитный поток, используется замкнутый магнитопровод, который выполнен из трансформаторной стали. Пространство печи соединяется двумя отверстиями с каналом, поэтому при наполнении печи жидким металлом создается замкнутый контур. Печь не сможет работать без замкнутого контура. В таких случаях сопротивление контура большое, и в нем течет малый ток, который назвали током холостого хода.

Вследствие перегрева металла и действия магнитного поля, которое стремится вытолкнуть металл из канала, жидкий металл в канале постоянно движется. Так как металл в канале нагрет выше, чем в ванне печи, то металл постоянно поднимается в ванну, из которой поступает металл с меньшей температурой.

Если металл слить ниже допустимой нормы, то жидкий металл будет выбрасываться из канала электродинамической силой. В итоге произойдет самопроизвольное выключение печи и разрыв электрического контура. Чтобы избежать таких случаев печи оставляют некоторое количество металла в жидком виде. Его называют болотом.

Канальные печи разделяют на:

• Плавильные печи.
• Миксеры.
• Раздаточные печи.

Чтобы накопить некоторое количество жидкого металла, усреднения химического состава его и выдержки, используют миксеры. Объем миксера рассчитывают равным не ниже двукратной часовой выработки печи.

Канальные печи разделяют на классы по расположению каналов:

• Вертикальные.
• Горизонтальные.

По форме рабочей камеры:

• Барабанные индукционные печи.
• Цилиндрические индукционные печи.

Барабанная печь выполнена в виде стального сварного цилиндра с двумя стенками на торцах. Для поворота печи применяются приводные ролики. Чтобы повернуть печь, необходимо включить привод электродвигателя с двумя скоростями и цепной передачей. Двигатель имеет пластинчатые тормоза.

На торцевых стенках есть сифон для заливки металла. Для загрузки присадок и снятия шлаков имеются отверстия. Также для выдачи металла имеется канал. Канальный блок состоит из индуктора печи с V-образными каналами, сделанными в футеровке при помощи шаблонов. При первой же плавки эти шаблоны расплавляются. Обмотка и сердечник охлаждаются воздухом, корпус блока охлаждается водой.

Если канальная печь имеет другую форму, то выдача металла осуществляется с помощью наклона ванны гидроцилиндрами. Иногда металл выдавливают избыточным давлением газа.

Достоинства канальных печей

• Малый расход электроэнергии вследствие малых потерь тепла ванны.
• Повышенный электрический КПД индуктора.
• Малая стоимость.

Недостатки канальных печей

• Сложность регулировки химического состава металла, так как наличие оставленного жидкого металла в печи создает трудности при переходе от одного состава к другому.
• Малая скорость движения металла в печи уменьшает возможности технологии плавки.

Конструктивные особенности

Каркас печи изготавливается из листовой стали с низким содержанием углерода толщиной от 30 до 70 мм. Внизу каркаса есть окна с присоединенными индукторами. Индуктор выполнен в виде стального корпуса, первичной катушки, магнитопровода и футеровки. Его корпус сделан разъемным, а части изолированы между собой прокладками для того, чтобы части корпуса не создавали замкнутый контур. В противном случае будет создаваться вихревой ток.

Магнитопровод выполнен из пластин специальной электротехнической стали 0,5 мм. Пластины изолированы между собой для снижения потерь от вихревых токов.

Катушка изготавливается из медного проводника сечением, зависящим от тока нагрузки и метода охлаждения. При воздушном охлаждении допустимый ток 4 ампера на мм 2 , при охлаждении водой допустимый ток 20 ампер на мм 2 . Между футеровкой и катушкой монтируют экран, который охлаждается водой. Экран изготовлен из магнитной стали или меди. Для отведения тепла от катушки монтируют вентилятор. Чтобы получить точные размеры канала, применяют шаблон. Он выполнен в виде полой стальной отливки. Шаблон ставится в индуктор до того момента, пока не будет заполнения огнеупорной массой. Он находится в индукторе при разогреве и сушке футеровки.

Для футеровки применяют огнеупорные массы влажного и сухого вида. Влажные массы используют в виде набивных или заливных материалов. Заливные бетоны используют при сложной форме индуктора, если нельзя уплотнить массу по всему объему индуктора.

Такой массой наполняют индуктор и уплотняют вибраторами. Сухие массы уплотняют вибраторами высокой частоты, набивные массы уплотняют пневматическими трамбовками. Если в печи будет выплавляться чугун, то футеровку выполняют из оксида магния. Качество футеровки определяется по температуре охлаждающей воды. Наиболее эффективным методом проверки футеровки является проверка по значению индуктивного и активного сопротивления. Эти измерения проводятся с помощью контрольных приборов.

В электрооборудование печи входит:

• Трансформатор.
• Батарея конденсаторов для компенсации потерь электрической энергии.
• Дроссель для подсоединения 1-фазного индуктора к 3-фазной сети.
• Щиты управления.
• Кабели питания.

Чтобы печь нормально функционировала, к питанию подключают на 10 киловольт, который имеет на вторичной обмотке 10 ступеней напряжения для регулировки мощности печи.

Набивочные материалы футеровки содержат:

• 48% сухого кварца.
• 1,8% кислоты борной, просеянной через мелкое сито с ячейками 0,5 мм.

Массу для футеровки готовят в сухом виде с помощью смесителя, и последующей просевкой через сито. Приготовленная смесь не должна храниться более 15 часов после подготовки.

Футеровку тигля производят с помощью уплотнения вибраторами. Электрические вибраторы используются для футеровки больших печей. Вибраторы погружают в пространство шаблона и производят уплотнение массы через стенки. При уплотнении вибратор передвигают краном и вертикально вращают.

Тигельные индукционные печи

Основными компонентами тигельной печи являются индуктор и генератор. Для изготовления индуктора используется медная трубка в виде намотанных 8-10 витков. Формы индукторов могут выполняться различных видов.

Этот вид печи наиболее распространенный. В конструкции печи нет сердечника. Распространенная форма печи представляет собой цилиндр из огнестойкого материала. Тигель находится в полости индуктора. К нему подводится питание переменного тока.

Преимущества тигельных печей

• Энергия выделяется при загрузке материала в печь, поэтому вспомогательные нагревательные элементы не нужны.
• Достигается высокая однородность многокомпонентных сплавов.
• В печи можно создать реакцию восстановления, окисления, независимо от величины давления.
• Высокая производительность печей из-за повышенной удельной мощности на любых частотах.
• Перерывы в плавке металла не влияют на эффективность работы, так как для разогрева не требуется много электроэнергии.
• Возможность любых настроек и простая эксплуатация с возможностью автоматизации.
• Нет местных перегревов, температура выравнивается по всему объему ванны.
• Быстрое плавление, позволяющее создать качественные сплавы с хорошей однородностью.
• Экологическая безопасность. Внешняя среда не подвергается никакому вредному воздействию печи. Плавка также не оказывает вреда природе.

Недостатки тигельных печей

• Малая температура шлаков, применяющихся для обработки зеркала расплава.
• Малая стойкость футеровки при резких температурных перепадах.

Несмотря на имеющиеся недостатки, тигельные индукционные печи получили большую популярность на производстве и в других областях.

Индукционные печи для отопления помещения

Чаще всего такая печь устанавливается в помещении кухни. В ее конструкции основной частью является сварочный инвертор. Конструкция печи обычно совмещается с водонагревательным котлом, который дает возможность для отопления всех помещений в здании. Также есть возможность подключения подачи горячей воды в здание.

Эффективность работы такого устройства небольшая, однако, нередко такое оборудование все-таки применяется для отопления дома.

Конструкция нагревающей части индукционного котла подобна трансформатору. Наружный контур – это обмотки своеобразного трансформатора, которые подключаются к сети. Второй контур внутренний – это устройство обмена теплом. В нем происходит циркуляция теплоносителя. При подключении питания катушка создает переменное . В итоге внутри теплообменника индуцируются токи, которые осуществляют его нагревание. Металл нагревает теплоноситель, который обычно состоит из воды.

На таком же принципе основана работа бытовых индукционных плит, в которых в качестве вторичного контура выступает посуда из специального материала. Такая плита намного экономичнее обычных плит из-за отсутствия тепловых потерь.

Водонагреватель котла оснащен устройствами управления, которые дают возможность поддержания температуры теплоносителя на определенном уровне.

Отопление электроэнергией является дорогим удовольствием. Оно не может создать конкуренцию с твердым топливом и газом, дизельным топливом и сжиженным газом. Одним из методов снижения расходов является установка теплоаккумулятора, а также подключение котла в ночное время, так как ночью чаще всего действует льготное начисление за электричество.

Для того, чтобы принять решение об установке индукционного котла для дома, необходимо получить консультацию у профессиональных специалистов по теплотехнике. У индукционного котла практически нет преимуществ перед обычным котлом. Недостатком является высокая стоимость оборудования. Обычные котел с ТЭНами продается уже готовым к установке, а индукционный нагреватель требует дополнительного оборудования и настройки. Поэтому, прежде чем приобрести такой индукционный котел, необходимо произвести тщательный экономический расчет и планировку.

Футеровка индукционных печей

Процесс футеровки необходим для обеспечения защиты корпуса печи от воздействия повышенных температур. Она дает возможность значительно сократить потери тепла, увеличить эффективность плавки металла или нагрева материала.

Для футеровки применяют кварцит, являющийся модификацией кремнезема. К материалам для футеровки предъявляются некоторые требования.

Такой материал должен обеспечить 3 зоны состояний материала:

• Монолитная.
• Буферная.
• Промежуточная.

Только наличие трех слоев в покрытии способно защитить кожух печи. На футеровку отрицательно влияет неправильная укладка материала, плохое качество материала и тяжелые условия работы печи.