Индукционный нагреватель – принцип работы, достоинства и недостатки, особенности самостоятельного изготовления

Принцип разогрева материалов наведенными токами высокой частоты давно применяется в промышленности. Метод можно использовать в быту для нагрева воды, в том числе в целях отопления дома, так как передача энергии происходит более эффективно и с меньшими потерями. Разберем, что собой представляет индукционный нагреватель, как он работает, какими плюсами и минусами обладает, а также в чем заключаются особенности его самостоятельного изготовления.

Индукционное нагревание – что это такое, применение

В настоящее время в промышленности широко применяется метод бесконтактного разогрева заготовок перед выполнением различного рода операций – плавки, сварки, пайки, ковки и проч. Эффективность его настолько высока, что он быстро вытесняет традиционные способы нагрева. При этом ввиду особенностей передачи энергии – без использования проводника – потери минимальны, и потому у метода высокий экономический показатель.

Индукционный нагрев – это повышение температуры предметов из электропроводящих материалов посредством действия в их структуре переменного магнитного поля. Технологическая суть процедуры заключается в следующем:

1. Предмет, который требуется нагреть, помещается внутрь индуктора – свитого в виде спирали проводника.
2. Далее в индуктор посредством специального генератора направляются переменные токи большой силы и различной частоты.
3. В результате проводник начинает излучать переменное магнитное поле.
4. Электропроводящий предмет пронизывается этим полем, в следствие чего в нем возникают наведенные токи.
5. Под действием вихревых токов температура материала повышается.

Такая схема «индуктор-предмет» по сути является трансформатором без сердечника. В ней индуктор – это первичная обмотка, предмет – накоротке замкнутая вторичная. Потоки магнитного поля замыкаются между ними по воздуху. На мощных промышленных установка индукторный проводник сам может сильно разогреваться, поэтому для обеспечения безопасности к нему подводится система охлаждения.

Принцип индукционного нагрева находит широкое применение в самых различных областях:

1. Бесконтактная сварка, плавка и пайка сверхвысокой чистоты.
2. Термическая обработка и гибка элементов и узлов в автопромышленности.
3. Создание экспериментальных образцов сплавов.
4. Изготовление ювелирных украшений.
5. Закаливание изделий по поверхности.
6. Термообработка мелко габаритных деталей, не доступных для воздействия плазмой и дугой.
7. Термическая обработка и закаливание элементов сложных форм.
8. Дезинфекция приборов и инструментов в медицине.

На заметку! Метод бесконтактного разогрева также нашел широкое применение для изготовления бытовых нагревательных приборов, особенно для воды. Однако по цене такие модели существенно превосходят традиционные аналоги, работающие на ТЭНе. Поэтому при достаточном опыте их можно изготовить самостоятельно.

Принцип работы нагревателя

Механизм выработки тепла у бытовых электроприборов рассматриваемого типа основан на том же самом законе, на котором функционируют промышленные установки. Однако в схеме их работы есть свои особенности. Прежде всего они касаются устройства. Так, бытовой индукционный проточный водонагреватель состоит из следующих основных элементов:

• Индуктор – катушка-намотка медной проволоки. При прохождении через него тока образуется магнитное поле, под действием которого разогревается электропроводящий материал нагревателя.
• Генератор – преобразователь стабильного бытового тока в необходимый по мощности высокочастотный поток.

• Нагревательный элемент – металлическая труба, через которую пропускается водяной поток для нагрева. Нагреватель попутно выполняет функцию охладителя для индуктора, тем самым обеспечивая ему стабильные характеристики работы и долговечность.

Генератор преобразует ток из обычного в высокочастотный и подает его на катушку. Обмотка из проволоки вырабатывает магнитное поле. Находящийся внутри нее нагреватель-трубка разогревается и передает тепло проходящему через него водяному потоку. Ввиду отсутствия прямого контакта при переходе из одного вида энергии в другой, потери минимальны. КПД таких электронагревателей достигает 98%.

Справка! По аналогичной выше рассмотренной схеме работает индукционный котел, являющийся экономным, эффективным и долговечным обогревателем для дома. Только вместо трубки в индуктор помещается теплообменный контур, проходя через который нагревается и распределяется по всем радиаторам жилой площади специальный теплоноситель.

Достоинства и недостатки

Преимущества бытового нагревателя воды рассматриваемого типа заключаются в следующем:

• Большой срок службы. Средний период гарантии большинства производителей – 30 лет. При этом установка не требует серьезного технического обслуживания и ремонта с заменой основных элементов на протяжении всего периода эксплуатации. Профилактическая чистка проводится не чаще одного раза в 7-9 лет.
• Экономный расход электроэнергии. Для производства одного и того же количества тепла в сравнении с разновидностями, работающими на традиционных ТЭН-ах, энергии затрачивается на 30-40% меньше.
• Отсутствие накипи. Специфика механизма действия прибора исключает образование накипи на рабочих элементах установки. Кроме того, во включенном состоянии прибор слегка вибрирует, что также является хорошим защитным фактором от нароста различного рода отложений на контактирующих с водой его внутренних частях.
• Минимальный риск протечек. Бесконтактная технология нагрева исключает факторы разрушения – когда под действием тепла и сырости металлические элементы быстро ржавеют.

• Высокая степень естественной конвекции. Благодаря этому в большинстве случаев прибор, применяемый для отопления, может функционировать без применения циркуляционного насоса.

При таком большом количестве плюсов, индукционный нагреватель воды не лишен и некоторых явных недостатков:

• Прибор нагревает окружающее пространство. Это может быть небезопасно не только с точки зрения противопожарных правил, но и находящихся рядом людей или животных. Поэтому при монтаже требуется соблюдать особый ряд условий, а для мощных установок выделять отдельное помещение.
• Для эффективной работы требуется стабильная электросеть. В местностях с прерывной подачей электроэнергии и ее нестабильными характеристиками в работе оборудования такого типа будут постоянные проблемы.
• Необходимость постоянного контроля рабочих параметров. Прежде всего температура и давление не должны превышать безопасных значений. В противном случае теплоноситель может перейти в парообразную фазу, в результате чего может произойти авария – от разгерметизации труб или корпуса до взрыва. Поэтому прибор должен оборудоваться манометром, термодатчиком или комплексной системой автоматики.

• Рабочий шум. Электронагреватель индукционного типа нередко издает различные шумы, особенно при неправильном монтаже или неграмотной самодельной сборке.

Важно! Действие переменного магнитного поля, создаваемого индуктором, не ограничивается нагревательным элементом и выходит далеко за рамки корпуса. Поэтому для исключения вредного воздействия на людей, животных и растения его необходимо качественно экранировать и устанавливать в нежилом помещении.

Особенности самостоятельного изготовления

Для того, чтобы сделать индукционный нагреватель, необходимо иметь опыт электротехнических работ и сборки самодельных электроприборов, а также навыки по обработке металла и других материалов и уметь монтировать проводку. Поэтому при их отсутствии доверить такую работу лучше профессионалам. При этом общий алгоритм изготовления прибора состоит из следующих последовательных этапов:

• Изготовление нагревателя. Как правило, используется отрезок толстостенной металлической трубы с переходниками на концах, заключенный в термостойкую пластиковую трубку большего диаметра.

• Создание индуктора. На трубку плотно наматывается изолированный медный провод сечением около 1-1,5 мм2. Количество витков должно быть не менее 90.
• Подбор подходящего генератора переменного тока. Наиболее простой и доступный способ – воспользоваться инвертором от соответствующего сварочного агрегата.
• Соединение нагревателя с индуктором к водопроводу или трубе отопления.
• Подключение индуктора к сети. Контактные жилы от катушки подсоединяются к плюсовым контактам инвертора.
• Подводка электропитания. На выводах устанавливаются диоды-выпрямители. Без них напряжение подаваемого тока будет подаваться выпрямленным, и катушка будет функционировать по типу электромагнита, а не индуктора.
• Включение и проверка работы прибора.

Обратите внимание! Изготовленный своими силами нагреватель в отличие от заводских аналогов не оснащен системой защиты и контроля. Поэтому перед включением необходимо убедиться, что нагревательный элемент заполнен водой.

Коротко о главном

Индукционное нагревание основано на способности переменного магнитного поля повышать температуру предметов из электропроводных материалов. Нагрев осуществляется бесконтактным способом и отличается высокой производительностью и малыми потерями энергии. По этой причине метод находит широкое применение в различных сферах – плавке, сварке, пайке металлов, термообработке узлов и элементов в производстве, дезинфекции инструментов в медицине.

В работе бытового водонагревателя действует тот же принцип. Нагревательный элемент, через который проходит вода, помещается в катушку-индуктор. При подаче высокочастотного тока вырабатывается переменное магнитное поле, разогревающее металлический нагреватель. Среди главных плюсов таких приборов выделяются:

• Долговечность.
• Экономность.
• Отсутствие накипи.
• Работа без протечек.
• Естественная конвекция.

Недостатки связаны с выделение тепла в окружающее пространство, необходимостью стабильной подачи электроэнергии, постоянном контроле рабочих характеристик, рабочим шумом и вредным излучением. При изготовлении устройства необходимо следовать инструкции и иметь достаточный опыт.