Индукционные нагреватели (котлы) - варианты конструкций

Устройство и принцип действия индукционного нагревателя

Упрощённо индукционный нагреватель состоит из трёх составных элементов:

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

В катушку, состоящую из определённого числа витков проводника заданной площади сечения, помещают токопроводящий (металлический, графитовый) стержень без непосредственного контакта с ней, после чего на контакты катушки с генератора переменного тока подаётся напряжение. Вокруг витков катушки образуется электромагнитное поле, под воздействием которого в стержне возникают вихревые токи Фуко, разогревающие сердечник. Таким образом, теплопередача на сердечник отсутствует, тепло вырабатывается им самостоятельно под воздействием блуждающих в нём токов, и может быть передано при помощи теплоносителя. Температура стержня повышается не одновременно по всей массе, а от поверхностных слоёв к центру, в зависимости от теплопроводности материала сердечника. При этом, повышение частоты переменного тока уменьшает глубину индуктивного нагрева, но увеличивает его интенсивность. Особого внимания заслуживает то обстоятельство, что катушка вокруг сердечника во время работы остаётся практически холодной.

Наглядно этот процесс выглядит так:

Области применения

В промышленности индукционные нагреватели используются для выполнения следующих сложных процессов:

сверхчистая плавка металлов (производится в канальных — бесконтактных индукционных печах);
гибка стальных труб большого диаметра;
выполнение поверхностной закалки стальных изделий (строительная арматура, детали передаточных механизмов станков и т.д.);
термообработка мелких деталей сложной конфигурации;

В быту индукционные нагревательные устройства распространены также достаточно широко. Области их применения:

бытовые автономные системы отопления (для дачи, квартиры, частного дома);
индукционные варочные поверхности и плитки для кухни;
тигельные печи малого объёма для бытовой плавки металла;
ювелирное ремесло.

Поскольку основная тема статьи – индукционный обогреватель, то подробно остановимся на отопительном котле, в основу работы которого заложена идея индуктивного нагрева теплоносителя.

Индукционный обогреватель – котёл отопления

С тех пор, как владельцы жилья стали устанавливать в своих домах автономные системы отопления, вопрос экономичности нагревательных котлов для них остаётся одним из самых важных. По этому показателю, по крайней мере, среди устройств, вырабатывающих тепло из электричества, индукционные котлы отопления лидируют. При этом мощность их, не сравнимая с идентичным параметром такого прибора, как плинтусный обогреватель, позволяет применять агрегаты в качестве основного способа отопления в помещениях большой площади.

Индукционные котлы отопления состоят из двух контуров – первичного (электромагнитного) и вторичного (теплообменная обвязка). Первый контур, состоящий из преобразователя напряжения и теплогенератора с нагревателем индукционного типа, создаёт электромагнитное поле, вихревые токи и вырабатывает тепло. Второй контур, включающий в себя теплообменник с системой обвязки, передаёт это тепло посредством циркуляции теплоносителя на радиаторы системы отопления. В качестве теплоносителя используется вода в чистом виде или с присадками.

Кроме указанных двух контуров, система отопления включает автоматику, отвечающую за работу отдельных узлов агрегата.

Современные индукционные котлы отопления устанавливаются только в теплообменный контур закрытого типа, имеющий в конструкции расширительный бачок мембранного типа и насос принудительной циркуляции. Использование циркуляционного насоса является вынужденной мерой и обусловлено малым объёмом теплоносителя при высокой интенсивности нагрева теплообменника. Возможность естественной циркуляции в такой системе исключена – без насоса закипание воды произойдёт раньше начала её движения по трубам.

Важно! Индукционный котёл должен быть обязательно заземлён. Кроме того, при монтаже системы отопления контур разводки теплоносителя в целях безопасности необходимо монтировать из пластиковых труб, или же изолировать нагревательный агрегат от стального контура вставкой фитингов из полипропилена.

Классифицируются индукционные котлы отопления идентично другим отопительным электрическим агрегатам – по мощности, исполнению, параметрам потребляемого электричества. Но у этих устройств имеется ещё классификация по конструктивному решению электрической части.

Индукционный нагреватель для отопления

Индукционный нагреватель для отопления – это электронагревательное устройство, работающее на принципе нагрева проводника, находящегося в переменном магнитном поле и используемое, как следует из определения, для отопления различных объектов, как жилого, так и хозяйственного назначения. Рассмотрим особенности данного типа нагревателей и разберемся, в их преимуществах и недостатках.

►См. Индукционные нагреватели для отопления в нашем каталоге

ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ: ЧТО-ТО НОВОЕ ИЛИ ХОРОШО ПРИМЕНЕННОЕ СТАРОЕ?

Некоторые производители индукционных нагревателей для отопления говорят об уникальности, суперсовременности и высокотехнологичности своих продуктов. В плане уникальности – да, большинство компаний, выпускающих такие изделия серийно, обладает запатентованными разработками на подобные конструкции и позже мы расскажем, в чем заключается эта уникальность.

Сам же принцип индукционного нагрева известен еще с середины XIX века, и в его основе лежит открытое Майклом Фарадеем явление электромагнитной индукции. Первые индукционные нагреватели появились на заре XX века, после чего стали широко применяться в сталеплавильной промышленности, а затем – в машиностроении. Нашему современнику индукционный нагрев знаком по такому бытовому прибору, как индукционная плита. Где-то с середины 90-х годов прошлого столетия стали появляться первые промышленные конструкции индукционных нагревателей для отопления.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ

Так или иначе все индукционные нагреватели, что бытовые, что промышленные, работают на одном и том же принципе трансформатора, который состоит из двух контуров. Первый контур – катушки обмотки, подключенные к электрической сети. Второй – теплообменное устройство, по которому циркулирует теплоноситель. При подаче напряжения на катушку, она начинает генерировать переменное магнитное поле. Находящийся в переменном магнитном поле проводник (теплообменник) разогревается под действием возникающих в нем короткозамкнутых вихревых токов. От поверхности теплообменника тепловая энергия передаётся теплоносителю, в качестве которого может выступать вода, либо смесь воды и этиленгликоля. Теоретически, индукционный нагреватель может нагревать любую жидкость, что существенно расширяет сферу его применения в промышленности. Естественно, это требует согласования с заводом-изготовителем.

В ЧЕМ УНИКАЛЬНОСТЬ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ

Казалось бы, конструкция индукционного нагревателя не представляет собой ничего сложного, трансформатор – хорошо известный и распространенный прибор, в чем же уникальность конструкций индукционных нагревателей для отопления? Дело в том, что собрать индукционный нагреватель можно и своими руками, однако энергетическая эффективность такого котла будет весьма сомнительной. Индукционные нагреватели, выпускаемые серийно имеют КПД близкий к 100% (98-99%) и коэффициент мощности порядка 0,98-0,985. Чтобы достичь таких показателей потребовались годы кропотливой работы ученых Новосибирского электротехнического института – именно их разработки и легли в основу наиболее известных на рынке марок индукционных нагревателей. Сегодня каждый производитель имеет запатентованные особенности конструкций, которые тщательно оберегает.

Важно также отметить, что индукционный нагреватель для отопления – это нагреватель, работающий на промышленной частоте тока, 50 Гц. В этом заключается его принципиальное отличие от высокочастотных и сверхвысокочастотных индукторов, предназначенных для нагрева и плавки металлов в металлургии. В индукционном нагревателе для отопления нет сложных и дорогостоящих преобразователей частоты, так как перед ним не ставится задача достижения высоких температур теплообменника. Благодаря развитой поверхности теплообмена, разница температур между теплообменником и теплоносителем не превышает 15-20 °С при надлежащей циркуляции, поэтому в штатной ситуации температура теплообменника не превышает 100-115 °С.

►См. Индукционные нагреватели для отопления в нашем каталоге

ОТЛИЧИЯ ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ ОТ ДРУГИХ ТИПОВ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ

В настоящее время широкое распространение получили ТЭНовые, электродные и индукционные электронагреватели. Все они преобразуют электрическую энергию в тепловую. Различается только способ этого преобразования. Так, в ТЭНовом котле нагревается трубчатый электронагреватель, состоящий из корпуса, диэлектрика и нити накаливания. Электродный котел греет теплоноситель за счет проходящего по нему электрического тока. Работу индукционного нагревателя мы только что рассмотрели. В чем же разница, а главное, что лучше?

С точки зрения энергетической эффективности – паритет. Все типы электронагревателей имеют КПД около 100%, то есть практически вся электроэнергия переводится в тепло. Здесь можно было бы дискутировать о том, что электроотопление – самое дорогое, однако у электронагревателей слишком много плюсов, чтобы их можно было бы снимать со счетов. Итак, по эффективности все электронагреватели примерно равны. Но это если брать идеальные условия – подготовленный теплоноситель, новые ТЭН и электроды, однако со временем ТЭН, из-за высокой удельной тепловой нагрузки, начинает обрастать накипью, в результате его теплоотдача и КПД падает. Снижается со временем и мощность нагрева электродного котла, и хотя при этом снижается пропорционально и его электропотребление, однако котел для того и приобретается, чтобы выдавать столько тепла, сколько нужно. С индукционным нагревателем подобного не происходит. Во-первых, отложение накипи на стенках теплообменника из-за относительно низких температур нагрева идет не так интенсивно; во-вторых энергетические характеристики индукционного нагревателя не зависят от химсостава теплоносителя и времени службы нагревателя.

ГЛАВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СИСТЕМАХ ОТОПЛЕНИЯ:

чрезвычайная долговечность и надежность. Движущихся деталей в устройстве нет, отсутствует механический износ. Если обмотка и катушка изготовлены как положено, они могут прослужить не одно десятилетие. Индукционный нагреватель прослужит без поломок заметно дольше других типов генераторов тепла для отопления. При этом не потребуется менять выходящие из строя ТЭНы и электроды – их в нагреватели просто нет.
высокая электробезопасность. В индукционном нагревателе отсутствует контакт между токопроводящими элементами и теплоносителем, разогрев теплообменника происходит косвенно и напряжение прикосновения к нему практически равно нулю. Электробезопасность индукционного нагревателя соответствует второму классу (к примеру, ТЭНовый котел имеет 1 класс элктробезопасности; электродный – нулевой, это означает дополнительные вложения в обеспечение безопасности оборудования)
пожарная безопасность. В индукционном нагревателе отсутствуют высокотемпературные элементы, соединения и уплотнения.

Как итог, можно сказать, что в плане эффективности индукционный нагреватель для отопления не превосходит другие типы электронагревателей, что неудивительно: о КПД, превышающем 100% могут говорить, пожалуй, только мошенники. Зато в плане экономичности в процессе эксплуатации индукционный нагреватель превзойдет и ТЭНовые, и электродные котлы – он более неприхотлив, более надежен и не потребует каких-либо дополнительных затрат и хлопот. При правильной эксплуатации индукционный нагреватель способен проработать несколько десятков лет.

►См. Индукционные нагреватели для отопления в нашем каталоге

ГДЕ НАИБОЛЕЕ ВЫГОДНО ПРИМЕНЯТЬ ИНДУКЦИОННЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ?

У каждого продукта есть своя ниша. Есть такая ниша и у индукционных нагревателей. Дело в том, что такое оборудование дороже ТЭНовых и электродных котлов. Во-первых, выше материалоемкость и, следовательно, себестоимость; во-вторых, выше доля интеллектуального труда. При прочих равных составляющих, индукционный нагреватель для отопления будет выгоднее там, где выше потребность в мощном оборудовании – от 25 кВт и выше. И чем больше потребность в мощности, чем больше единиц нагревателей планируется установить, тем более выгодным будет приобретение именно индукционного нагревателя, поскольку более серьезной будет экономия на эксплуатации и обслуживании оборудования.

ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕРМАНИК ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ

НПП «Термические Технологии» из г. Новосибирска — это один из ведущих производителей индукционных нагревателей для отопления, известных на рынке под маркой ТЕРМАНИК. В чем заключаются преимущества этой марки перед другими? Во-первых, это собственная уникальная конструкция, разработанная совместно с научными сотрудниками НГТУ и запатентованная предприятием. Во-вторых, это проверенная конструкция, эксплуатируемая на сотнях крупных и мелких предприятий по всей стране и СНГ. В-третьих, это одно из лучших предложений на рынке по набору потребительских свойств. И, наконец, в-четвертых, это сертифицированная система качества производства и Золотая медаль за качество.

Специалисты предприятия готовы сделать квалифицированный расчет количества, мощности и стоимости оборудования по задаче заказчика на основании техзадания. Данные расчеты для заказчиков проводятся бесплатно.

Разновидности индукционных котлов

Существуют следующие разновидности нагревательных котлов индукционного типа, обозначаемые как по принципу действия, так и по марке производителя:

SAV – разновидность и одновременно торговая марка котлов нового поколения мощностью от 2,5 до 100 кВт, с 2007 г. выпускаемых российской ;
ВИН — аббревиатура является не только сокращением названия вида индукционных устройств (вихревые индукционные нагреватели), но и запатентованным названием котлов, производимых ижевской .

Индукционные обогреватели SAV

Эксплуатация агрегатов SAV не требуют использования инвертора, на индуктор подаётся ток частотой 50 Гц. Индуцированное первичной обмоткой электромагнитное поле вызывает образование вихревых потоков во вторичной обмотке, роль которой в котлах данного типа выполняет участок замкнутого контура труб с теплоносителем. Данный участок трубы – вторичная обмотка интенсивно нагревается под воздействием токов Фуко и передаёт тепло теплоносителю, принудительно циркулирующему в системе отопления с помощью циркуляционного насоса.

Устройство отопительной системы выполняется с использованием радиаторов или лабиринтовым способом, напоминающим плинтусовый обогрев, чтобы увеличить общую площадь наружной поверхности (теплоотдачи) труб — контур отопления, как минимум, не должен быть минимальным по протяжённости.

Котлы SAV производятся под напряжение в 220V и 380V. В качестве теплоносителя в них используется вода (в чистом виде или с противозамерзающими присадками), а также антифриз. Выход агрегата на полную мощность работы занимает порядка 5-20 минут (в зависимости от объёма теплоносителя), КПД нагревателей таких устройств составляет минимум 98%. Для эффективного обогрева помещения площадью до 30 м кв. достаточно индукционного устройства мощностью в 2,5 кВт, покупка которого в комплекте с системами автоматики и управления обойдётся приблизительно в 30 тыс. руб.

ВИН-агрегаты отопления

Котлы данного типа более совершенны по принципу действия и конструкции, что, естественно, отражается на их стоимости. Для работы ВИН-устройств необходим инвертор – устройство повышения частоты входящего тока. Ток высокой частоты вызывает образование электромагнитного поля высокой напряжённости, которое, в свою очередь, обуславливает возникновение более мощных вихревых токов во вторичной обмотке. Кроме того, теплообменник и корпус котла изготавливаются из ферромагнитных сплавов, имеющих собственное магнитное поле. Результатом всех этих процессов является большая интенсивность нагрева теплообменника и, естественно, теплоносителя.

ВИН-агрегата мощностью в 3 КВт достаточно для отопления помещения площадью 35-40 м кв. (в зависимости от климатических условий и качества теплоизоляции наружных строительных конструкций).

ВИН-агрегаты вследствие большей производительности могут использоваться не только в системах отопления жилья, но и для горячего водоснабжения. Для этого в контур теплоносителя врезают дополнительные накопительные резервуары, оборудованные защитной автоматикой, ёмкость которых рассчитывается в зависимости от количества точек горячего водозабора. Горячей водой эти ёмкости обеспечиваются путём её циркуляции в системе с прямоточным нагревом индукционным обогревателем.

Основные принципы работы

Принцип работы индукционного котла

Уже из названия индукционного отопления можно понять, что в основе работы таких котлов – принцип электромагнитной индукции. И чтобы точно понять, как же работает система, достаточно через катушку толстой проволоки пустить большой ток. Вокруг этого устройства обязательно появится электромагнитное поле, и довольно сильное. И если поставить в него любой ферромагнетик – то есть тот металл, который притягивается, то он нагреется – и достаточно быстро.

Поиск по сайту otoplenie-doma.org

Итак, простейший пример индукционного отопления, то есть, источника тепла, — это катушка, которая намотана на трубу из диэлектрика.

Вовнутрь необходимо поместить сердечник из стали. Катушка, которая подсоединена к источнику электричества, будет нагревать стержень из металла. Теперь остается подключить устройство к магистрали, где циркулирует носитель тепла, — и такое примитивное индукционное отопление своими руками начнет работать.

Если коротко описать принцип работы, то для этого потребуется всего лишь несколько суждений. Электрическая энергия создает электромагнитное поле. Металлический сердечник нагревается под воздействием электромагнитных волн. Избыточное тепло от стержня идет к теплоносителю, нагревая его.

Инверторные котлы отопления

Теплоноситель в таких системах может быть не только обычной водой, но и этиленгликолем, и маслом. Из-за того, что жидкость нагревается интенсивно, получаются конвекционные потоки. Горячий носитель тепла идет вверх, а его мощи уже достаточно, чтобы работал небольшой контур. Если же магистраль имеет большую протяженность, — то требуется ставить циркуляционный насос.

Система отопления с индукционным котлом

Оценка маркетинговых характеристик-утверждений

Индукционным котлам отопления приписывают множество достоинств, часто – без аргументов. Перечислим эти характеристики и дадим оценку степени соответствия утверждений факту:

Экономичность

Утверждение

Потребление электроэнергии индукционными котлами на 20-30% меньше, чем другими обогревателями на электричестве.

Факт

Все нагревательные электроприборы, не выполняющие механической работы, 100% энергии электрического тока превращают в тепло, их КПД всегда ниже 100%, но отличается по величине у разных устройств в разных условиях. Для выработки 1 КВт тепловой энергии необходимо затратить более 1 КВт электричества, а вот насколько более — зависит от параметров среды рассеивания. Внутри котла потери, конечно, тоже присутствуют – например, на нагрев катушки, так как любой материал проводника имеет сопротивление, но все эти потери остаются внутри помещения

Важно! Счётчики старого образца (бакелитовые) зафиксируют меньший (в 1,6 – 1,8 раза) расход электроэнергии, чем современные электронные, так как они не рассчитаны на учёт реактивной мощности индукционных котлов.

Возможно, этим фактом и обусловлено утверждение об экономичности индукционных котлов.

Долговечность

Утверждение

Высокая надёжность и большой ресурс оборудования — более 25 лет.

Факт

Действительно, отсутствие подвижных деталей исключает механический износ индукционных котлов. Но в систему отопления с ВИН-агрегатом входит циркуляционный насос, ресурс которого гораздо скромнее. Кроме того, в систему управления и автоматики входят механизмы, также состоящие из многих комплектующих, подверженных износу.

Сердечник индукционного нагревателя функционирует в условиях постоянного циклического нагрева и охлаждения, температурных деформаций, которые тоже являются отрицательным фактором. Поэтому называть ресурс индукционных котлов чуть ли не безграничным – преувеличение. Однако он и в самом деле в разы выше ТЭНовых нагревателей.

Неизменность характеристик за весь срок эксплуатации

Утверждение

Отсутствие процесса образования накипи на внутренней поверхности труб обуславливает постоянную эффективность нагревателя и теплообменника.

Факт

Накипь – это отложение солей, содержащихся в воде (теплоносителе). Количество этих примесей в ограниченном объёме теплоносителя также ограничено и невелико, поэтому влияние накипи на эффективность обогревателя незначительно. А в индукционном котле вторичная обмотка находится под почти постоянным воздействием вибрации, и образования накипи не происходит вообще. Так что утверждение верное, преувеличена лишь его значимость.

Бесшумность

Утверждение

Работа индукционных обогревательных котлов бесшумна, что отличает их от других электрических отопителей.

Факт

Утверждение справедливо, но — все бойлеры на электроэнергии не шумят при работе, так как в диапазон их колебаний акустические волны не входят. Шуметь может только циркуляционный насос, но при желании можно подобрать модель бесшумного действия.

Компактность

Утверждение

Индукционные котлы компактны, что удобно при выборе места их установки.

Факт

Это действительно так, если не применять каскада индукционных котлов и не устанавливать промежуточных резервуаров при наличии нескольких точек горячего водозабора в системе горячего водоснабжения, так как индукционный нагреватель – это по большому счёту небольшой кусок трубы с обмоткой.

Безопасность

Утверждение

Безопасность устройства абсолютна.

Факт

Абсолютно безопасных электронагревателей не существует. При эксплуатации индукционных устройств не исключена вероятность утечки теплоносителя из системы, а генератор электромагнитного поля продолжит свою работу, и система пустых труб будет нагреваться. Для предотвращения возникновения такой ситуации в конструкции котла предусмотрено устройство автоматического отключения, но ведь и оно может выйти из строя.

Поэтому индукционные обогреватели, выигрывая у соперников по некоторым критериям безопасности, полностью безопасными не являются.

Что же такое индукционный котел?

Индукционные системы отопления начали использовать в 80-х годах прошлого столетия на промышленных предприятиях. Бытовые же приборы появились только в середине девяностых годов. За последние десятилетия они были доработаны, и в их конструкцию были внесены некоторые обновления, однако, принцип их работы остается неизменным.

Название данных отопительных систем и приборов уже само по себе говорит о том, что в основе их функционирования лежит электромагнитная индукция. Суть принципа работы состоит в том, что если через проволоку достаточно большого диаметра в сечении, накрученную в виде катушки, пропустить переменный ток, то вокруг этой первичной обмотки создается мощное электромагнитное поле. Если в этом поле окажется проводник, то в нем будет наводиться (индуцироваться) напряжение. Ну а если силовые линии поля пересекают расположенный в нем сердечник из сплава, обладающего магнитными свойствами, то получается своеобразный короткозамкнутый контур. И за счёт появления на нем блуждающих токов Фуко, происходит очень быстрый и сильный нагрев этого материала.

Простейшая схема принципа работы индукционного нагревателя

Такой принцип широко используется, например, в сталелитейной промышленности. Нашли ему применение и для быстрого и высокотемпературного нагрева воды. Понятно, что в качестве сердечника в этом случае будет выступать труба или иной канал, по которому циркулирует теплоноситель.

А самый доступный для понятия пример индукционного нагревателя представляет собой проволоку, намотанную на трубу, изготовленную из диэлектрика, которая будет изолировать магнитный сердечник, помещаемый в ее внутреннее пространство.

Проволочная катушка подключается к электропитанию и создает электромагнитное поле. В результате воздействия переменного электромагнитного поля металлический стержень-сердечник будет нагреваться, передавая тепло теплоносителю, который затем поступает в трубы и радиаторы отопительного контура. В качестве теплоносителя в автономных системах отопления может быть использовано масло, вода или этиленгликоль.

Вместо сердечника, в современных котлах для теплообмена задействован целый лабиринт каналов и труб. Их стенки, выполненные из ферримагнитного сплава, обеспечивают большую площадь контакта с водой и оттого — очень интенсивный нагрев циркулирующего по ним теплоносителя

Это, конечно, очень упрощенное объяснение. В индукционных котлах промышленного производства в теплообменный ферромагнитным сердечником может являться целый лабиринт труб или каналов, а нередко, например, в вихревых нагревателях, в этом процессе задействован и корпус прибора.

Один индукционный котел правильно выбранной мощности способен обеспечить нагретым теплоносителем несколько контуров разветвленной системы отопления. Естественно, при грамотной расстановке коллекторов и циркуляционных насосов.

В системах отопления небольшой протяженности теплоноситель, нагреваясь, будет подниматься вверх, и создавшегося естественного давления обычно бывает достаточно для его естественной циркуляции. Если же отопительная магистраль довольно длинная и разветвлённая, завязана на коллекторы с дальнейшим распределением потоков теплоносителя по отдельным контурам, то в систему устанавливают один или несколько циркуляционных насосов, так как без них требуемого перемещения теплоносителя будет добиться невозможно.

Недостатки индукционных нагревателей

Высокая стоимость устройств.
Значительный вес при компактности.
Наличие фактора влияния электромагнитного поля на организм и приборы.

Последний пункт рассмотрим подробнее.

Электромагнитное поле влияет на живые организмы приблизительно так, как на продукты в микроволновой печи – прогревает их на определённую глубину, и это может иметь последствия. Интенсивность воздействия поля, в том числе на человека, определяется таким его показателем, как плотность потока энергии (ППЭ), растущая с увеличением частоты подаваемого на первичную обмотку тока. При эксплуатации индукционных обогревателей необходимо соблюдать санитарную норму предельного значения ППЭ, которая установлена в СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96, зависит от продолжительности воздействия поля и составляет, к примеру, для 8-часового воздействия – 25 мкВт/кв.см, одночасового – 200 мкВт/кв.см.

Кроме того, излучение индуктора отрицательно влияет на электронику и радиоаппаратуру, расположенную поблизости, создавая помехи при работе.

Важно! Чтобы защититься от воздействия электромагнитного поля, можно обнести котёл мелкоячеистой (1х1, 2х2 мм) металлической сеткой (клеткой Фарадея), не контактирующей с корпусом котла и заземлённой.

Индукционные нагреватели

►См. Индукционные нагреватели в нашем каталоге

ИНДУКЦИОННЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ: ЧТО ОБЩЕГО?

Как бы это банально ни звучало, но общее в индукционных нагревателях – это индукционный способ нагрева. Мы уже рассматривали подробно принцип работы индукционных нагревателей и их отличие от других типов электронагревателей.

Любой индукционный нагреватель будет состоять из первичной обмотки (катушки индуктивности) и вторичной обмотки – теплообменного устройства. Теплообменное устройство представляет собой короткозамкнутый виток, который разогревается под воздействием переменного магнитного поля, индуцируемого катушками индуктивности (отсюда, собственно, само название – «индукционный нагреватель»). В общем виде, принцип можно проиллюстрировать так:

Причем, что интересно, запатентовать этот принцип невозможно – он основан на элементарных физических законах и доступен каждому. Так, например, энергетикам известно такое свойство трансформатора как его разогрев в процессе работы. Только в случае с трансформатором выделение тепла – это головная боль для энергетиков, в конструкции же индукционного нагревателя это свойство возведено в абсолют, и сегодня производители заявляют о достижении ими КПД 98, а то и все 99%. Производители вообще любят показатель КПД, потому что этот показатель – относительный, а следовательно можно заявлять что угодно, и при этом не бояться ответственности: при определенных условиях можно заявить, что КПД вообще 100% — на то он и относительный коэффициент.

Индукционные нагреватели: единство и борьба противоположностей

Так в чем же тогда эти запатентованные различия? Оказывается, главным образом, в конструкции теплообменника. Конечно, есть различия и в конструкции магнитопроводов и в конструкции катушек – они могут быть вытянутыми, сплющенными, могут отличаться материалом провода и количеством витков, однако суть от этого не поменяется. Задача первичной обмотки – генерировать переменное магнитное поле, и в любом нагревателе она с этим справляется. Так что в способе нагрева различий у индукционных нагревателей разных производителей практически нет. Зато существенные различия заключаются в конструкциях теплообменников. Что интересно, общепринятой классификации в настоящее время не существует, поэтому возьмем на себя смелость предложить свою собственную, итак:

Индукционный нагреватель кожухового типа
Индукционный нагреватель с трубчатым теплообменником
Индукционный нагреватель с объемным теплообменником (электронагреватель индуктивно-кондуктивного типа – именно так называет его сам производитель)

Индукционный нагреватель кожухового типа

Начнем с первого – «индукционного нагревателя кожухового типа». Производители таких нагревателей называют их иначе, но в данной статье нам интересны не названия, а принцип нагрева.

Мы назвали этот тип индукционных нагревателей «кожуховым» потому что внешне этот тип отличается от остальных тем, что производители помещают конструкцию нагревателя (т.е. индуктор и теплообменник) внутрь кожуха цилиндрической формы. Внешне он даже чем-то напоминает электродный котел, однако отличается от последнего способом нагрева теплоносителя.

Внутри кожуха размещен вытянутый индуктор, внутри и снаружи которого располагается теплообменник, нагревающийся под воздействием электромагнитного поля. Проходя через теплообменник, вода нагревается и подается в систему отопления.

Преимущества конструкции:

Более компактен, имеет меньшие габариты и массу чем остальные типы индукционных нагревателей. Есть мнение, что эстетически он также выглядит лучше, но это спорно, во-первых, и не является определяющим для промышленного нагревателя – во-вторых.
Менее материалоемок (теплообменное устройство состоит из «черного» металла марки Ст3сп) по сравнению с другими представителями класса, а потому у него ниже себестоимость и, соответственно, цена приобретения.
Может размещаться на стене (другие индукционные нагреватели – только напольного исполнения)

Недостатки конструкции:

Изготовление теплообменника из обычного металла удешевляет конструкцию, но делает ее элементы более подверженными коррозии, особенно в периоды профилактических работ и слива теплоносителя.
Конструкция теплообменника такова, что она оказывает повышенное гидродинамическое сопротивление, вследствие чего снижается скорость теплоносителя, при поступлении его внутрь. Это может приводить сразу к двум неприятностям: во-первых, к осаждению загрязнений, имеющихся в теплоносителе, в нижней части нагревателя и, в дальнейшем, еще большему затруднению протока и, во-вторых, к снижению теплосъема с поверхности теплообменника. Вообще, конструкция таких нагревателей предполагает довольно высокую плотность теплового потока – 9-10 Вт/см2 и ухудшение теплопередачи вызовет кипение в пограничном слое теплоносителя. Это чревато ускоренным осаждением накипи в таких местах (по сути – по всей площади теплообменника), а также к дальнейшему снижению теплопередачи и, в конце концов, к перегреву греющего контура.
Недостаток из предыдущего пункта усугубляется тем, что конструкция неремонтопригодна – стоимость и сроки ремонта будут примерно такими же, как и стоимость, и сроки на приобретение нового нагревателя.
Также вертикальное расположение теплообменника приводит к тому, что растворенные в теплоносителе газы и воздух, в процессе нагрева, будут собираться в верхней части теплообменника, вытесняя оттуда теплоноситель, что может привести к местному перегреву теплообменника из-за отсутствия необходимого теплосъема, а теплонагруженность нагревателя, как мы указывали выше, достаточно велика.
Несмотря на то, что одним из главных преимуществ электронагревателей индукционного типа является обеспечение 2-го класса защиты от поражения электрическим током (т.е. практически абсолютная защита даже без заземления), к конструкции этого типа нагревателей эта особенность, увы, не относится, поскольку в случае нарушения изоляции обмоток индуктора, теплоноситель окажется под напряжением – точно так же, как и ТЭНовый котел.
Индукционные нагреватели кожухового типа ограничены в мощности и температуре нагрева. Мощность единичного нагревателя, как правило, не превышает 70-100 кВт, а максимальная температура теплоносителя – 100-110 °С (впрочем, для обычной системы отопления этого достаточно). Ограничение по мощности приводит к необходимости параллельной установки нескольких нагревателей.

Вывод: конструкция индукционных нагревателей кожухового типа получила достаточно широкое распространение, главным образом, благодаря простоте изготовления, относительно низкой себестоимости (а, следовательно, отпускной цены) и системе распределения через дилеров (маржинальность продукта позволяет делиться ею с посредниками). Однако данный тип нагревателей лишь условно относится к нагревателям «трансформаторного» типа, и не всегда заслуженно использует в своих заявлениях те преимущества, которые присущи этому типу нагревателей.

Индукционный нагреватель с трубчатым теплообменником

Если говорить откровенно, то первый коммерческий успех индукционных электронагревателей истинно трансформаторного типа, сопутствовал именно этой конструкции индукционных нагревателей, которые появились на рынке в середине 90-х годов прошлого века и получили довольно широкое распространение. В чем их особенность:

Во-первых, эти нагреватели уже не прячутся в кожух. Особенной красотой они, конечно, не блещут, но для покупателя важны другие их свойства. Во-вторых, здесь катушка индуктивности (первичная обмотка) полностью отделена от теплообменника (вторичной обмотки) что исключает поражение электрическим током: даже в случае нарушения изоляции обмоток электросеть не может замкнуться на теплоноситель, так что это настоящий 2-ой класс электробезопасности. И, наконец, в третьих, теплообменное устройство здесь представляет собой набор трубок, огибающих катушки индуктора.

В остальном, все так же как у всех остальных индукционных нагревателей – катушки возбуждают магнитное поле, которое, проходя через металл теплообменника, возбуждает в нем вихревые токи, которые его и разогревают, а потом тепло снимается теплоносителем с принудительной циркуляцией.

Преимущества конструкции:

Конструкция приближена к «сухому» трансформатору, а, следовательно, при должном высоком качестве производства, обладает такими свойствами как долговечность (до 100 000 часов), электрическая безопасность и высокая надежность (во всяком случае, выше чем у «кожуховых нагревателей» и многократно выше, чем у ТЭНовых нагревателей).
Доступность больших мощностей в единице оборудования (до 500 кВт мощности в одном нагревателе). Аналогично кожуховым индукционным нагревателям, трубчатые индукционные нагреватели также могут устанавливаться в параллель, и тогда необходимая мощность будет ограничиваться только доступностью электроэнергии и потребностью в тепловой энергии.
Возможность обеспечения высоких температур нагрева (до 250-300 °С), что существенно расширяет области применения нагревателей. Она уже не ограничивается областью отопления и горячего водоснабжения. При помощи высокотемпературного жидкого теплоносителя есть возможность заменять паровые системы нагрева в промышленности (реакторы, пресса и т.д.) на жидкостные, что существенно повышает надежность, безопасность и управляемость процессами нагрева.
Вообще, если сравнивать с ТЭНами и электродными котлами, преимуществ можно указать множество. Наша же основная задача – сравнить с другими типами конструкций индукционных нагревателей.

Недостатки конструкции:

Вероятно неравномерное распределение теплового потока по сечению трубы теплообменника. Из-за неравномерного омического сопротивления и поверхностного эффекта наибольшая часть тепловой энергии (рассчетно, до 70%) может выделяться всего в 30% поверхности трубы со стороны обмотки. Плотность теплового потока в этих зонах соизмерима с плотностью теплового потока обычного ТЭНа. Что может привести к локальному перегреву, парообразованию в пограничном слое теплоносителя и отложению солей на стенках трубы, с последующим ухудшением теплопередачи и, как следствие, местным перегревам. Эффект накипеобразования многократно усиливается в местах сварки труб, в связи с высокими значениями плотности тока в этих соединениях.
Несмотря на заявляемый коэффициент мощности 0,98, эффект повышенного рассеяния магнитных потоков вокруг трубчатых витков, скорее всего, снижает этот коэффициент до 0,9, иначе чем объяснить, что для обеспечения одной и той же тепловой мощности, нагреватели с трубчатым теплообменником имеют боле высокие потребляемые мощности и токи в обмотках? В свою очередь это приводит к повышению затрат у потребителя, поскольку ему приходится использовать провода увеличенного сечения, а также повышает себестоимость производителя (и, следовательно, цену приобретения для покупателя).
Трубчатый теплообменник оказывает повышенное гидродинамическое сопротивление, что приводит к необходимости установки более мощных (и дорогих) циркуляционных насосов.
Повышена масса нагревателя, т. к. трубчатая конфигурация теплообменника требует значительного промежутка между стержнями сердечника трансформатора. Это приводит к увеличению ярем магнитопровода трансформатора и удорожанию изделия в целом.
Катушки индуктора хоть и надежно пропитаны изоляцией, однако же ничем не защищены от случайного или (того хуже) целенаправленного механического воздействия, что, конечно же, не повышает надежность нагревателя.
Трубчатый теплообменник не ремонтопригоден, и в случае выхода из строя подлежит полной замене на заводе-производителе.

Вывод: индукционные нагреватели с трубчатым теплообменником – это в принципе первые коммерчески успешные индукционные нагреватели, и это действительно шаг вперед по сравнению с ТЭНовыми котлами и нагревателями кожухового типа и сразу два шага вперед по отношению к электродным котлам (за счет факторов безопасности). Применение трубчатого теплообменника изначально было продиктовано технологическими ограничениями и финансовыми вопросами, поскольку трубчатый теплообменник проще в производстве, чем объемный (о котором речь пойдет далее), однако он не лишен недостатков, исправить которые производителям не позволяют рамки патентных правоотношений.

Индукционный нагреватель с объемным теплообменником

Объемный тип теплообменника, в виде опытных образцов, появился даже раньше, чем трубчатый. Однако первые конструкции были не очень удачны – пожалуй, даже нет смысла их описывать, поскольку сейчас они если и выпускаются, то кустарно. Нас будет интересовать последняя итерация конструкции, которую производитель называет также нагревателем индуктивно-кондуктивного типа. Конечно, это лишь способ позиционирования продукта, однако это название очень четко отражает сущность данного нагревателя.

Индукционные нагреватели с объемным теплообменником появились уже в XXI веке и при их создании, несомненно, были учтены недостатки всех прочих конструкций. Что же представляет собой конструкция индуктивно-кондуктивного электронагревателя с объемным теплообменником?

Как видим из рисунка, конструкция довольно сильно напоминает индукционный нагреватель с трубчатым теплообменником, однако вместо трубок здесь используется полый цилиндр, внутри которого находится индуктор. По мнению многих (и автора в том числе) индуктивно-кондуктивные индукционные нагреватели эстетически выглядят лучше, чем нагреватели с трубчатым теплообменником, поскольку объемный теплообменник выполняет и роль кожуха: внешний вид создает ощущение законченности и какой-то защищенности.

Это также полноценный индукционный нагреватель, конструкция которого роднит его с «сухим» трансформатором. И он, конечно, обладает всеми преимуществами, которые из этого вытекают: высокая надежность, долговечность, пожарная и электрическая безопасность, поскольку первичная обмотка, на которую подается напряжение, отделена от теплообменника, что исключает поражение электрическим током: это полноценный 2-ой класс электробезопасности.

Вихревые токи здесь возникают в толще металла, из которого сделан полый цилиндр. Надо сразу отметить, что само конструктивное решение повышает надежность нагревателя и его устойчивость к повреждениям. Судите сами: обмотки катушек индуктивности, которые можно легко повредить у нагревателя с трубчатым теплообменником, здесь надежно закрыты от внешнего воздействия. От упорного вредителя они, конечно, не спасут, а вот случайно повредить индуктор уже значительно сложнее.

Материал теплообменника здесь – нержавеющая сталь марки AISI-304, так что коррозия ей не грозит.

Единственное место, которое можно отнести к узким местам (и о котором любят упоминать конкуренты) – это сварные швы на теплообменнике, ведь отливать полые цилиндры без швов человечество еще, к сожалению, не научилось. Но зато человечество научилось хорошо сваривать детали. Случай с объемными теплообменниками здесь не исключение.

Преимущества конструкции:

Индуктивно-кондуктивный электронагреватель максимально приближен к конструкции «сухого» трансформатора, а, следовательно, обладает такими свойствами как долговечность (до 100 000 часов или, в пересчете на годы, порядка 30 лет!), электрическая безопасность, высокая надежность и все прочие преимущества по сравнению с ТЭНовыми и электродными котлами.
Доступность больших мощностей в единице оборудования (до 500 кВт мощности в одном нагревателе). Также существуют модификации высоковольтных индукционных котлов, которые могут обеспечить мощность нагрева свыше 6 МВт. Аналогично прочим индукционным нагревателям, индукционные нагреватели с объемным теплообменником также могут устанавливаться в параллель, и, тем самым, обеспечивать любую мощность нагрева.
Возможность обеспечения высоких температур нагрева (до 200-250 °С), что существенно расширяет области применения нагревателей. Это немного ниже, чем у трубчатых теплообменников, что обусловлено как раз конструкцией. Трубки обеспечивают лучшую вентиляцию и охлаждение катушек. В индукционных нагревателях с объемным теплообменником катушки закрыты, однако и температур, обеспечиваемых этими нагревателями, достаточно для многих технологических процессов (обогрев реакторов, гальванических ванн, сушильных камер, прессов и т.д.).
Равномерное распределение теплового потока по более развитой поверхности теплообменника гарантирует отсутствие явлений местного перегрева, отложения накипи и очень небольшой градиент температур между теплоносителем и теплообменником (не более 20 °С) что служит дополнительным аргументом в пользу надежности и пожарной безопасности нагревателя индуктивно-кондуктивного типа.
«Честный» высокий коэффициент мощности 0,98-0,985 благодаря более равномерному поглощению магнитного поля цилиндрическим теплообменником.
Более низкая масса нагревателей по сравнению с аналогичными по мощности нагревателями на трубках.

Недостатки:

Более высокая себестоимость материалов и высокотехнологичность производства: высокое качество и отличные потребительские свойства дешевыми не бывают.
Низкая маржинальность (наценка) делает продукт не интересным для посредников, поэтому продукцию необходимо заказывать только у производителя.
Теплообменник в большинстве случаев не ремонтопригоден, однако, риск выхода его из строя самый низкий из всех типов индукционных нагревателей. Кроме того, его замена может быть произведена эксплуатирующей организацией, а не только заводом-изготовителем.

►См. Индукционные нагреватели в нашем каталоге

Вывод: если говорить о том, что индукционные нагреватели – это следующий шаг по отношению к ТЭНовым и электродным котлам, то индуктивно-кондуктивные нагреватели с объемным теплообменником – это пример дальнейшего развития конструкции, которая, пожалуй, как никогда близка к ожидаемому идеалу. Главное, при наличии очень хорошей и энергоэффективной конструкции, — это высокая культура и качество производства, которая бы неукоснительно следовала конструкторской документации и исполняла замысел инженеров и ученых, положивших годы в создание такого сложного, но такого простого оборудования, как индукционный электронагреватель.

Правила эксплуатации

Безопасная эксплуатация индукционных котлов отопления, как и любых других технических устройств, обеспечивается выполнением ряда правил, касающихся как их монтажа, так и использования после установки:

Заземление котла обязательно.
Расстояние от устройства до стен по бокам должно быть не менее 30 см, от нижней точки котла до пола – 80 см, от верхней его точки до потолка – 80 см.
Индукционные котлы устанавливаются только в закрытый контур с расширительным баком мембранного типа.
Система должна включать в себя блок устройств обеспечения безопасности (манометр, воздушный клапан, клапан сброса избыточного давления, система автоматического отключения при перегреве).

Обзор известных производителей

Эдисон – нагреватели индукционного типа мощностью от 4,7 до 500 КВт, выпускаемые новосибирским , для бытовых и промышленных нужд;
Miratron – продукция российского производителя индукционного отопительного оборудования НПК Миратрон для бытового использования, отличающаяся передовым дизайном, позволяющим использовать оборудование без ущерба интерьеру помещения;
Teco-House – индукционные котлы отопления с уникальной системой управления, производимые одноимённой украинской компанией по стандартам ЕС и Российской Федерации.