Явление индукции заключается в возникновении наведенных токов. В случае нагревателей траектории движения носителей имеют вихревой характер и значительную амплитуду. В результате металл резко нагревается. В промышленных целях используют токи разной частоты, но не выше 1 МГц, в противном случае глубина проникновения резко снижается. Однако находится применение. Подобным образом удается закалить поверхность осей и прочих вытянутых деталей, которые сложно обработать прочим методом. Локальный поверхностный нагрев вызывает образование аустенита с последующим резким охлаждением до мартенсита. Используется в металлургии и металлообработке и процесс отпуска стали с целью придания пластичности. Индукционный водонагреватель представляет упрощенную промышленную установку уменьшенного размера и малой мощности.
Индукция в промышленности и быту
Для процесса индукции характерна минимальная инерция. Стоит появиться переменному полю, возникают в ответ токи Фуко. Преимущество метода: излучение практически отсутствует, поле быстро затухает с расстоянием. Поэтому радиочастоты начинаются на сотнях кГц. По озвученной причине использовать указанные длины волн в металлургии уже невыгодно. Спираль индукционного нагревателя в этом случае превращается в антенну. Другое дело ультразвук и частоты, лежащие чуть ниже. Отлично наводят токи Фуко и не вредят рабочим (операторам, покупателями, кухаркам), использующим оборудование.
Промышленные индукционные нагреватели имеют потрясающую мощность – 100 кВт и более. При подобных условиях металл нагревается от двух процессов, упомянутых выше, закалки и отпуска, просто-напросто плавится. На этом принципе построены индукционные печи с потрясающими способностями к энергопотреблению. Воплощаемая задумка: энергия передается непосредственно стали, нагреваемой на глазах. Это позволяет применять явление индукции в кузнечном деле.
Ряд областей, где требуется нагрев, упомянутые устройства с успехом решают поставленные задачи:
- штамповка металлов;
- сварка и пайка;
- отжиг;
- нормализация стали.
В быту индукционный нагрев используют в приборах для готовки пищи и водонагревателях. Это позволяет получать дорогие безынерционные приборы, одновременно имеющие высокий КПД. Тройка названий на слуху, где используется технология:
- Мультиварки.
- Варочные панели.
- Водонагреватели.
Не исключаем наличие прочих устройств, призванных облегчить жизнь человека.
Итак, принцип действия индукционного нагревателя промышленного типа заключается в следующем. Напряжение на входе выпрямляется и поступает на вход инвертора, генерирующего импульсы нужной частоты. В кухонных плитах с уменьшением длины волны поднимается температура. Не исключено, что подобный эффект используется в индукционных нагревателях. Главным элементом является катушка (Николы Теслы). От формы зависит нагреваемая часть. Спиральные катушки в виде пружины поднимают температуру той детали, что внутри (к примеру, труба), плюс детали снаружи (внутренность трубы).
Читатели представят эффект по картинкам из школьных учебников. Вспомните, как магнитное поле пронизывает катушку: максимальная плотность линий напряженности приходится на осевую линию конструкцию, придуманной Лапласом.
Материалом служит медная трубка. У нее хорошие электропроводность и прочность. Поскольку высокочастотный ток идет преимущественно по поверхности, внутренняя часть проводника не задействована. Получается относительно дешевая и легкая конструкция. На частоте 50 Гц это неактуально, скорее, подходит для тока акустического диапазона и выше. Дополнительный момент – электрическое сопротивление. Нисколько эффект не увеличиваем, убирая сердцевину, ток уже идет по поверхности. Чем выше мощность индукционного нагревателя, тем толще трубка. Одновременно падает электрическое сопротивление.
Одновременно в ферромагнитном материале, поневоле ставшим сердечником катушки, по которой течет ток высокой частоты, возникает магнитный поток, согласно напряжению меняющий направление. Эффект сопровождается выделением тепла, на которое тратится мощность индукционного нагревателя. Потому КПД настолько высок.
Катушка не греется. На всякий случай покрывают специальным материалом: керамическая ткань или жесткий состав. Делается это из соображений:
- Чтобы витки катушки не перемкнулись между собой, тогда работа устройства окажется нарушена.
- Второй причиной для промышленных индукционных нагревателей служит защита от докрасна раскаленных деталей, иногда касающихся катушки.
Современные материалы легко выдерживают температуры свыше 1000 ºС без последствий.
Устройство индукционных водонагревателей
Принцип действия индукционного водонагревателя напоминает промышленные эквиваленты. Только функционал и задачи намного скромнее. Предназначением индукционного водонагревателя является подача на рабочую катушку тока высокой частоты и мощности. В результате сердцевина начинает греться. Располагается там труба с водой – типичный проточный водонагреватель. Соль в том, что дроссель наводит переменный магнитный поток в стальной трубе, а вода, протекая мимо, забирает тепло. Не значит, что индукционный водонагреватель непригоден для пластиковых стояков, их возможно присоединить. Но внутри прибора труба стальная.
В сравнении с промышленными индукционными нагревателями дело намного проще. Стоит медный трансформатор, как у сварочного аппарата, передающий ток катушке. Напрямую включать нежелательно, выйдет нечто вроде короткого замыкания. Считаем, что внутри должны быть обыкновенный термостат для регулировки температуры и потенциометр для изменения мощности. Как в утюгах.
Отдельные любители предлагают изготовить индукционный водонагреватель своими руками путем размещения в отрезке полиэтиленовой трубы стального сверла, еле-еле проходящего внутрь по диаметру. Вокруг конструкции прокладываются продольные деревянные рейки. Сверху наматывается катушка, охватывающая трубу. При пропускании по виткам переменного тока сверло начнёт ударно греться. Понятно, что в результате прохождения внутри трубы воды, струя получит львиную долю тепла.
Любители рекомендуют использовать сварочный инвертор, нагруженный на катушку из армированной стеклоизоляцией проволоки, обмотанную вокруг трубы со сверлом внутри. Так избавляемся от потребности изобретать. Но вспоминая про стоимость сварочного инвертора, язык не поворачивается назвать изобретение удачным. Зато возможно безопасно опробовать задумку – работает или нет. Трудность в создании приемлемой конструкции генератора. Вряд ли ток из розетки в 50 Гц наведет индукционные токи и перемагнитит домены. Иначе зачем производители промышленных электрически нагревателей стараются и делают источники питания для приборов.
Упомянутые любители рекомендуют выбирать частоту питания прибора в 50 кГц. Чтобы собрать инвертор на мощность 3—6 кВт, придется здорово попотеть. Не у каждого дома пробки потянут такую нагрузку. Теперь обрисованы недостатки индукционных водонагревателей. Преимущества — в большом КПД. Принцип работы индукционного водонагревателя основывается на двух ипостасях:
- Токи Фуко вызываются электромагнитной волной, неизбежно возникающей, когда появляются переменные электрическое или магнитное поле. В металле наводится эффект, независимо от принадлежности к ферромагнитным материалам.
- Эффект перемагничивания тоже вызывает нагрев. Переменное магнитное поле изменяет ориентацию доменов, что сопровождается тепловым эффектом. Выше точки Кюри явление пропадает. Для стали температура потери магнитных свойств лежит выше 700 ºС. Потому посуда для индукционной варочной панели выбирается стальная. Алюминиевая будет греться исключительно за счет токов Фуко, значит, гораздо медленнее, нежели железо. У стали электрическое сопротивление больше, что является дополнительным преимуществом.
Вывод
Преимущества индукционных водонагревателей:
- Экономия энергии до 30% относительно прочих приборов.
- Безынерционность.
- Долговечность. Вихревые Индукционные нагреватели из Ижевска работают до 30 лет при гарантии производителя 3 года.
- Экологичность спорная, если вспомнить про тепловые насосы, но это лучше, чем жечь дрова, уголь и газ.
Прибор требуется заизолировать базальтовой ватой, чтобы грел не воздух, а трубу. В противном случае получатся большие потери на конвекцию. Причем базальтовая вата защищает катушку от трубы, не иначе. Использование индукционных водонагревателей собственной конструкции представляется сегодня проблематичным. Генератор колебаний возможно собрать самостоятельно либо использовать инвертор, сварочный или из варочной панели. ВИНы из Ижевска соединяют последовательно для целей отопления и водоснабжения. Но не в домашних условиях.
