Индукционная печь из сварочного инвертора своими руками

Нагревательные системы стали более совершенными, благодаря индукционным катушкам, сменившим традиционные ТЭНы. У них существенно возрос КПД, а энергопотребление, наоборот, снизилось. Эти устройства еще не нашли широкого применения, в основном из-за высокой стоимости. Используя подручные материалы, домашние мастера конструируют индукционный нагреватель из сварочного инвертора не только для систем отопления, но и для разогрева металлических заготовок перед их обработкой.

История индукционных нагревателей

В период с 1822 по 1831 год известнейший английский ученый Фарадей провел серию экспериментов, целью которых было добиться преобразования магнетизма в электрическую энергию. Он проводил много времени в своей лаборатории. Пока в один прекрасный день, в 1831 году, Майкл Фарадей все-таки не добился своего. У ученого наконец вышло получить электрический поток в первичной обмотке из проволоки, которая была намотана на железный сердечник. Так была открыта электромагнитная индукция.

Принцип действия

Теоретические разработки в области индукционных средств нагрева долгое время не могли найти практического применения, так как низкая частота не давала нужного эффекта. Существенные сдвиги появились после того как разрешилась проблема относительно выработки высокочастотных магнитных полей. После этого появилась реальная возможность применения индукционных элементах в нагревательных системах.

Конструкция типового устройства состоит из следующих деталей:

Принцип действия
  • Генератор тока. Выполняет преобразование напряжения домашней сети в высокочастотный электрический ток.
  • Индуктор. Представляет собой катушку, изготовленную из медной проволоки, в которой, под действием тока образуется магнитное поле.
  • Нагревательный элемент. Как правило, это отрезок металлической трубы, помещенный внутрь индуктора. Он нагревается сам и передает тепловую энергию в систему отопления.

Все эти компоненты находятся в тесном взаимодействии между собой. Ток высокой частоты, вырабатываемый генератором, попадает на индукционную катушку и превращается в электромагнитное поле. Вихревые потоки, возникающие в катушке, воздействуют на металлическую трубу, помещенную внутри, и разогревают ее. Вода, используемая в качестве теплоносителя, проходит через нагревательный элемент, нагревается и переносит тепловую энергию во всю систему отопления. Одновременно вода охлаждает нагревательный элемент, продлевая срок его эксплуатации.

Преимущества и недостатки

Благодаря использованию этого устройства в быту можно добиться максимальной производительности и высокой надежности при эксплуатации. Для установки агрегата не нужно брать разрешение, в отличие от газового бойлера. Если устройство используется в отопительных котлах, то в определенных ситуациях вполне можно обойтись без насосной установки, так как движение теплоносителя будет осуществляться путем конвекции. Нагреватель индуктивного типа имеет ряд преимуществ:

  • Невысокая стоимость.
  • Индуктивный нагреватель своими руками собрать достаточно просто.
  • Во время работы устройство не производит шум.
  • Наличие постоянной вибрации делает необязательным регулярный уход.
  • Выходы из строя наблюдаются крайне редко.

Все это и сделало устройство весьма популярным. Однако сегодня не существует приборов, которые были бы полностью лишены недостатков. Среди минусов индукционных нагревателей стоит отметить несколько:

  • Потребляется много электрической энергии.
  • Во время работы выделяется большое количество тепла.
  • Для предотвращения перегрева и последующей поломки агрегата, необходимо устанавливать датчик температуры.

Однако плюсы этого устройства полностью нивелируют его недостатки. В домашних условия чаще всего собирают индукционный нагреватель из сварочного инвертора.

Принцип действия индукционного нагревателя

После открытия Фарадеем электромагнитной индукции в 1831 году, силу индукции стали использовать в промышленности, различных моторах и генераторах, в трансформаторных устройствах. Были созданы нагреватели, которые работали на основе того же принципа индукции, что и печь для плавки металла. Чуть позже стали изготавливать бытовые приборы.

Итак, электромагнитная индукция возникает в обмотке из проволоки, намотанной на железный сердечник.

Материалом для изготовления этих труб служит ферримагнитная сталь. Стенки таких труб имеют толщину более 10 мм. Благодаря данному типу конструкции нагреватель весит гораздо меньше, его габариты более компактные, а КПД гораздо выше.

Сердечником здесь служит труба с обмоткой. Другая, необходима для непосредственного нагрева теплоносителя. Индукционный ток, генерируемый высокочастотным магнитным полем с внешней обмотки на трубу, служит для нагрева теплоносителя. Данный процесс вызывает вибрацию стенок, из-за чего на них не может отложиться накипь.

Из-за нагрева сердечника при работе происходит и нагрев теплоносителя. Температура сердечника увеличивается благодаря вихревым токам. Они образуются из-за магнитного поля, генерируемого токами высокого напряжения. Это является основным принципом индукционных нагревателей воды, а также большинства современных котлов.

Принцип работы

Индукционные нагреватели получили популярность на рынке, что объясняется их эффективностью и простотой конструкции. Состоят такие отопители из следующих основных элементов:

  • Генератора.
  • Индуктора.
  • Нагревателя.

Индуктор имеет вид металлической катушки, выполненной из медной проволоки. Основное его назначение — это создание вихревого магнитного поля. Генератор переменного тока необходим для получения из электроэнергии от бытовой сети высокочастотного потока. В качестве нагревательных элементов используется металлический наполнитель, который излучает тепло под воздействием магнитного поля.

Принцип работы

Вся работа индукционного нагревателя может полностью контролироваться автоматикой, которая с помощью специальных датчиков анализирует показатели температуры теплоносителя, уменьшая или увеличивая интенсивность нагрева. Используемые блоки управления отвечают за безопасность котла, предупреждая его перегрев и выход из строя силовой части по причине перенапряжения.

Наибольшее распространение получили вихревые нагреватели индукционного типа, которые сочетают простоту конструкции, отличаются топливной экономичностью и универсальностью использования. Последнее позволяет использовать их не только для решения проблем горячего водоснабжения, но и для нагрева теплоносителя при отоплении частного дома.

Принцип действия индукционных нагревателей

Перед тем как приступить к сборке, давайте разберемся в принципе действия индукционных нагревателей. Здесь используется мощная индукционная катушка, располагающаяся вокруг пластиковой трубы. В трубе находится металлический сердечник, омываемый теплоносителем. Подача питающего напряжения на индукционную катушку приводит к появлению вихревых токов, вызывающих нагрев металлического сердечника. Он, в свою очередь, начинает прогревать теплоноситель.

В индукционной катушке образуются вихревые токи, которые и нагревают сердечник.

Металлический сердечник греется исключительно за счет вихревых токов. Нагреваясь до высокой температуры, он отдает тепло теплоносителю, который отправляется в отопительную систему. Установив в систему терморегулятор, можно добиться точного поддержания заданной температуры. Сама конструкция получается невероятно простой и надежной – кроме трубы с металлическим сердечником и катушки, здесь ничего нет, ломаться просто нечему.

Подобный принцип нагрева активно используется в отопительных котлах заводской сборки. Они отличаются:

  • продолжительным сроком службы – для некоторых моделей заявлено 20-30 лет работы;
  • отсутствием накипи – металлический сердечник не разогревается до таких температур, чтобы возникала накипь;
  • отсутствием требований к качеству теплоносителя – через котлы может протекать любой теплоноситель, начиная от воды и заканчивая незамерзающими жидкостями.

Учитывая столь блестящие свойства и характеристики заводского оборудования, попробуем создать индукционный нагреватель воды своими руками, воспользовавшись подручным инструментом.

Под обычный тигель

Устройство тигельной индукционной печи

Остаточная емкость раздражала металлургов – сплавы-то плавились дорогие. Поэтому, как только в 20-х годах прошлого века появились достаточно мощные радиолампы, тут же родилась идея: выкинуть на (не будем повторять профессиональные идиомы суровых мужиков) магнитопровод, а обычный тигель засунуть прямо в индуктор, см. рис.

На промышленной частоте так не сделаешь, магнитное поле низкой частоты без концентрирующего его магнитопровода расползется (это т. наз. поле рассеяния) и отдаст свою энергию куда угодно, только не в расплав. Компенсировать поле рассеяния можно повышением частоты до высокой: если диаметр индуктора соизмерим с длиной волны рабочей частоты, а вся система – в электромагнитном резонансе, то до 75% и более энергии ее электромагнитного поля будет сосредоточено внутри «бессердечной» катушки. КПД выйдет соответственный.

Однако уже в лабораториях выяснилось, что авторы идеи проглядели очевидное обстоятельство: расплав в индукторе, хотя бы и диамагнитный, но электропроводящий, за счет собственного магнитного поля от вихревых токов изменяет индуктивность нагревательной катушки. Начальную частоту понадобилось устанавливать под холодную шихту и менять по мере ее плавления. Причем в пределах тем больших, чем больше заготовка: если для 200 г стали можно обойтись диапазоном в 2-30 МГц, то для болванки с железнодорожную цистерну начальная частота будет около 30-40 Гц, а рабочая – до нескольких кГц.

Читайте также:  Вентиляция в деревянном доме с печным отоплением

Подходящую автоматику на лампах сделать сложно, «тянуть» частоту за болванкой – нужен высококвалифицированный оператор. Кроме того, на низких частотах сильнейшим образом проявляет себя поле рассеяния. Расплав, который в такой печи еще и сердечник катушки, до некоторой степени собирает магнитное поле возле нее, но все равно, для получения приемлемого КПД понадобилось окружать всю печь мощным ферромагнитным экраном.

Тем не менее, благодаря своим выдающимся достоинствам и уникальным качествам (см. далее) тигельные индукционные печи широко применяются и в промышленности, и самодельщиками. Поэтому остановимся подробнее на том, как правильно сделать такую своими руками.

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.

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. Это очень ценное качество для электрического отопления, так как исключает или значительно сокращает вероятность возникновения опасных ситуаций.

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.

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 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.

С инвертором

Основной составной частью этой системы станет высокочастотный сварочный инвертор, где уже есть индуктор, нагревательный элемент и генератор переменного тока.

Устройство генерирует высокочастотный ток, который передается на катушку. Она, в свою очередь, и создает магнитное поле, изменяющееся со временем. Его вихревой ток нагревает металлическую часть, которая и передает энергию нужному объекту.

Читайте также:  Геотермальное отопление дома: принцип работы и типы конструкций

Инструкция создания:

  1. в полимерную трубу поместить металл;
  2. на трубку наносятся сто витков проволоки из меди таким образом, чтобы не осталось большое пространство.

Таким образом, дома можно изготовить индукционный нагреватель без особых затрат и глубоких знаний физики. Главное, не забывать о безопасности.

Из чего состоит и как работает

Нагреватель этого вида состоит из следующих конструктивных узлов:

  • индуктор изготовлен из определенного количества витков медной проволоки, которые, по сути, и образуют электромагнитное поле;
  • нагревательный компонент представлен в виде металлической трубы, которая расположена внутри индукторного элемента;
  • генератор, который преобразует обычную бытовую энергию в высокочастотный ток.

Взаимодействие этих конструктивных элементов и представляет собой принцип действия индукционного нагревателя, который заключается в следующих важных моментах:

Из чего состоит и как работает
  • генератор вырабатывает высокочастотный ток и передает его на катушку из медной проволоки;
  • индуктор, приняв высокочастотный ток, преобразует его в электромагнитное поле;
  • нагревательный элемент, находящийся внутри индуктора, разогревается под воздействием вихревых потоков, которые возникают от перемены вектора электромагнитного поля;
  • теплоноситель, находящийся внутри нагревательного элемента, разогревается одновременно с ним, и передается непосредственно в отопительную систему.

Такой принцип действия индукционного нагревателя, соответственно, несет в себе и преимущества использования агрегата этого вида.

Процедура

Хотя технология создания сварных соединений отличается, во всех случаях процесс начинается с подготовительных операций. Для дуговых методов это подготовка кромок под сварку, или как говорят, их разделка. Для холодной ковки — тщательная зачистка (вплоть до полировки) соединяемых деталей и т.п. Подготовка может включать очистку от грязи, обезжиривание.

Еще одно негативное явление, объединяющее все виды сварочных контактов — температурные деформации и напряжения.

Борются с этим по-разному. В некоторых случаях изделия заранее фиксируют струбцинами. Еще один распространенный способ — термическая обработка готового изделия: нагрев с последующим медленным охлаждением (отпуск).

Инвертор от устройства для сварки.

Формирование электромагнитного поля за пределами индуктора требует мощной катушки с большим количеством витков, да и согнуть трубу тоже дело не из лёгких. Поэтому мастера рекомендуют сделать из трубы подобие сердечника, поместив её в индукционную катушку. Вообще, корпус устройства задумывался металлическим, но, в силу малых размеров индуктора, трубу заменяют на полимерную с металлической проволокой внутри. После сбора необходимых деталей можно приступить к изготовлению индукционного котла по приведённой ниже схеме. Нужно обратить внимание на последовательность шагов, так как от соблюдения этапов зависит результат.

Сначала нужно закрепить металлическую сетку на один из концов полимерной трубы, чтобы нагревательные кусочки проволоки не проваливались во время эксплуатации.

С этого же конца трубы закрепляется переходник для дальнейшего соединения с отоплением.

Далее нужно нарезать проволоку, используя кусачки. Длина кусочков варьируется от 1 до 6 см. Потом эти кусочки нужно максимально плотно уложить в трубу так, чтобы в ней не оставалось свободного пространства.

Второй конец трубы проходит те же 2 начальных этапа: установка металлической сетки и переходника. Далее начинается этап изготовления индуктора: нужно намотать медную проволоку, при этом норма витков составляет 80-90 штук. К полюсам инвертора нужно подключить концы медной проволоки.

Важно: Необходимо изолировать все электрические соединения. Этот этап лучше перепроверить несколько этого нужно подключить обогреватель к отоплению.

Нужно монтировать в систему отопления циркуляционный насос (если он отсутствовал). И, наконец, подключается терморегулятор. Он обеспечивает автоматизированную работу нагревателя.

Индуктор начинает создавать электромагнитное поле после запуска инвертора. Появляются вихревые потоки, нагревающие проволоку внутри трубы, и как итог – весь теплоноситель.

Так, создание индукционного нагревателя на базе сварочного инвертора довольно несложное дело. Тем более, у данного типа обогревания есть множество плюсов, которые вытекают в эффективность, долговечность оборудования и низкие финансовые затраты. Однако нужно помнить о мерах предосторожности, чтобы не пришлось переделывать всю работу заново, подбирать качественные детали и сохранять поэтапность сборки нагревателя.