Jaké typy indukčních ohřívačů existují?

Za posledních 10-15 let se rozšířily indukční ohřívače využívající průmyslové frekvenční proudy. Výrobci deklarované vysoké spotřebitelské kvality indukčních ohřívačů, jako je spolehlivost, nenáročnost a účinnost, jsou však potvrzeny v reálných provozních podmínkách. Ale zároveň téměř každý výrobce demonstruje jiný patent a prohlašuje, že jeho indukční ohřívač je „nejindukční“. Pokusme se zjistit, co spojuje a co odlišuje indukční ohřívače od různých výrobců.

INDUKČNÍ OHŘÍVAČE: CO SPOLEČNÉ?

Bez ohledu na to, jak triviální to může znít, co mají indukční ohřívače společného, ​​je metoda indukčního ohřevu. Již jsme podrobně prozkoumali princip fungování indukčních ohřívačů a jejich rozdíl od jiných typů elektrických ohřívačů.

Jakýkoli indukční ohřívač se bude skládat z primárního vinutí (induktoru) a sekundárního vinutí – zařízení pro výměnu tepla. Zařízení tepelné výměny je zkratovaná cívka, která se zahřívá vlivem střídavého magnetického pole indukovaného indukčními cívkami (odtud ve skutečnosti samotný název – „indukční ohřívač“). Obecně lze princip znázornit takto:

Navíc je zajímavé, že tento princip není možné patentovat – je založen na elementárních fyzikálních zákonech a je přístupný všem. Například energetici znají takovou vlastnost transformátoru, jako je jeho zahřívání při provozu. Pouze v případě transformátoru je tvorba tepla pro energetiky bolehlav, ale v konstrukci indukčního ohřívače je tato vlastnost povýšena na absolutní a dnes výrobci tvrdí, že dosáhli účinnosti 98, nebo dokonce 99 %. . Výrobci obecně milují ukazatel účinnosti, protože tento ukazatel je relativní, a proto můžete deklarovat cokoli a nebát se odpovědnosti: za určitých podmínek můžete prohlásit, že účinnost je obecně 100% – proto je to relativní koeficient.

Indukční ohřívače: jednota a boj protikladů

Jaké jsou tedy tyto patentované rozdíly? Ukazuje se to hlavně v konstrukci výměníku tepla. Rozdíly jsou samozřejmě v provedení magnetických jader a v provedení cívek – mohou být prodloužené, zploštělé, mohou se lišit materiálem drátu a počtem závitů, ale podstata se nemění. Úkolem primárního vinutí je generovat střídavé magnetické pole a v každém ohřívači se s tím vyrovná. Mezi indukčními ohřívači od různých výrobců tedy nejsou prakticky žádné rozdíly ve způsobu ohřevu. Významné rozdíly však spočívají v konstrukcích výměníků tepla. Zajímavé je, že v současné době neexistuje žádná obecně přijímaná klasifikace, takže si dovolme navrhnout svou vlastní, takže:

1. Indukční ohřívač plášťového typu
2. Indukční ohřívač s trubkovým výměníkem tepla
3. Indukční ohřívač s objemovým výměníkem tepla (elektrický ohřívač indukčně-vodivého typu – tak to nazývá výrobce)

Indukční ohřívač plášťového typu

Začněme tím prvním – „indukčním ohřívačem typu shell“. Výrobci takovým topidlům říkají jinak, ale nás v tomto článku nezajímají názvy, ale princip topení.

Tento typ indukčního ohřívače jsme nazvali „skořepina“, protože navenek se tento typ liší od ostatních v tom, že výrobci umísťují konstrukci ohřívače (tj. induktor a výměník tepla) do pláště válcového tvaru. Navenek se dokonce trochu podobá elektrodovému kotli, ale liší se od něj způsobem ohřívání chladicí kapaliny.

Uvnitř pouzdra je podlouhlý induktor, uvnitř i vně je tepelný výměník, který se zahřívá vlivem elektromagnetického pole. Procházejícím výměníkem tepla se voda ohřívá a přivádí do topného systému.

1. Kompaktnější, má menší rozměry a hmotnost než jiné typy indukčních ohřívačů. Existuje názor, že to vypadá i esteticky lépe, ale to je za prvé diskutabilní a u průmyslového topidla to za druhé není rozhodující.
2. Méně náročné na materiál (zařízení pro výměnu tepla se skládá z „železného“ kovu St3sp) ve srovnání s jinými zástupci této třídy, a proto má nižší náklady a tím i nižší pořizovací cenu.
3. Lze umístit na stěnu (jiné indukční ohřívače jsou pouze podlahové)

1. Výroba výměníku tepla z obyčejného kovu snižuje náklady na konstrukci, ale činí její prvky náchylnější ke korozi, zejména během období údržby a vypouštění chladicí kapaliny.
2. Konstrukce výměníku tepla je taková, že má zvýšený hydrodynamický odpor, v důsledku čehož se rychlost chladicí kapaliny při vstupu snižuje. To může vést ke dvěma problémům najednou: za prvé k usazování nečistot přítomných v chladicí kapalině ve spodní části ohřívače a následně k ještě větším obtížím proudění a za druhé ke snížení odvodu tepla z ohřívače. povrch výměníku tepla. Obecně platí, že konstrukce takových ohřívačů předpokládá dosti vysokou hustotu tepelného toku – 9-10 W/cm 2 a zhoršení přenosu tepla způsobí var v mezní vrstvě chladiva. To je zatíženo zrychleným usazováním vodního kamene na takových místech (ve skutečnosti po celé ploše výměníku tepla), jakož i dalším snížením přenosu tepla a nakonec přehřátím topného okruhu.
3. Nevýhoda z předchozího bodu je umocněna tím, že provedení není opravitelné – náklady a doba opravy budou přibližně stejné jako náklady a čas na nákup nového ohřívače.
4. Vertikální umístění výměníku tepla také vede k tomu, že plyny a vzduch rozpuštěné v chladicí kapalině se během procesu ohřevu shromažďují v horní části výměníku tepla a vytlačují odtud chladicí kapalinu, což může vést k místnímu přehřátí. výměníku tepla kvůli nedostatku potřebného odvodu tepla a tepelné zatížení ohřívače, jak jsme uvedli výše, je poměrně velké.
5. Navzdory tomu, že jednou z hlavních výhod elektrických ohřívačů indukčního typu je zajištění třídy 2 ochrany před úrazem elektrickým proudem (tj. téměř absolutní ochrana i bez uzemnění), tato vlastnost se bohužel na konstrukci tohoto typu nevztahuje. ohřívačů, protože pokud je porušena izolace vinutí induktoru, chladicí kapalina bude pod napětím – stejně jako kotel s topným článkem.
6. Indukční ohřívače typu Shell mají omezený topný výkon a teplotu. Výkon jednoho ohřívače zpravidla nepřesahuje 70-100 kW a maximální teplota chladicí kapaliny je 100-110 °C (to však stačí pro běžný topný systém). Omezení výkonu vede k nutnosti paralelní instalace několika ohřívačů.

Závěr: konstrukce plášťových indukčních ohřívačů se značně rozšířila, a to především díky snadné výrobě, relativně nízkým nákladům (a v důsledku toho i prodejní ceně) a distribučnímu systému prostřednictvím prodejců (marže produktu to umožňuje sdílet se zprostředkovateli). Tento typ ohřívačů však pouze podmíněně odkazuje na ohřívače typu „transformátor“ a ne vždy ve svých prohlášeních zaslouženě využívá výhody, které jsou tomuto typu ohřívačů vlastní.

Indukční ohřívač s trubkovým výměníkem tepla

Upřímně řečeno, první komerční úspěch indukčních elektrických ohřívačů skutečného transformátorového typu doprovázel právě tento konkrétní design indukčních ohřívačů, který se objevil na trhu v polovině 90. let minulého století a stal se značně rozšířeným. Jaká je jejich vlastnost:

Za prvé, tyto ohřívače již nejsou skryty v plášti. Samozřejmě nezáří zvláštní krásou, ale pro kupujícího jsou důležité jejich další vlastnosti. Za druhé, zde je indukční cívka (primární vinutí) zcela oddělena od tepelného výměníku (sekundární vinutí), což eliminuje úraz elektrickým proudem: i když je izolace vinutí porušena, elektrická síť nemůže být uzavřena chladicí kapalinou, takže je skutečnou 2. třídu elektrické bezpečnosti. A konečně, za třetí, teplosměnným zařízením je zde sada trubek, které vedou kolem indukčních cívek.

Jinak je vše stejné jako u všech ostatních indukčních ohřívačů – cívky vybudí magnetické pole, které v něm při průchodu kovem výměníku vybudí vířivé proudy, které jej zahřejí a následně teplo odvádí el. chladicí kapalina s nuceným oběhem.

1. Konstrukce se blíží „suchému“ transformátoru, a proto má při náležitě vysoké kvalitě výroby takové vlastnosti, jako je životnost (až 100 000 hodin), elektrická bezpečnost a vysoká spolehlivost (v každém případě vyšší než u „ohřívače pláště“ a mnohonásobně vyšší než u topných těles).
2. Dostupnost velkých výkonů na jednotku zařízení (až 500 kW výkonu v jednom ohřívači). Podobně jako u plášťových indukčních ohřívačů lze trubkové indukční ohřívače instalovat také paralelně a potřebný výkon pak bude omezen pouze dostupností výkonu a potřebou tepelné energie.
3. Schopnost zajistit vysoké teploty ohřevu (až 250-300 °C), což výrazně rozšiřuje rozsah použití ohřívačů. Již se neomezuje pouze na oblast vytápění a zásobování teplou vodou. Pomocí vysokoteplotního kapalného chladiva je možné nahradit parní topné systémy v průmyslu (reaktory, lisy apod.) kapalnými, což výrazně zvyšuje spolehlivost, bezpečnost a regulovatelnost topných procesů.
4. Obecně lze ve srovnání s topnými články a elektrodovými kotli zaznamenat mnoho výhod. Naším hlavním úkolem je srovnání s jinými typy konstrukcí indukčních ohřívačů.

1. Možná nerovnoměrné rozložení tepelného toku napříč průřezem trubky výměníku tepla. V důsledku nerovnoměrného ohmického odporu a povrchového efektu se největší část tepelné energie (vypočteno, až 70 %) může uvolnit pouze ve 30 % povrchu trubky na straně vinutí. Hustota tepelného toku v těchto zónách je srovnatelná s hustotou tepelného toku konvenčního topného prvku. Což může vést k lokálnímu přehřívání, odpařování v mezní vrstvě chladiva a usazování solí na stěnách potrubí s následným zhoršením přenosu tepla a v důsledku toho k lokálnímu přehřívání. Účinek tvorby okují je výrazně zesílen v místech, kde jsou trubky svařovány, kvůli vysokým proudovým hustotám v těchto spojích.
2. Navzdory uváděnému účiníku 0,98 účinek zvýšeného rozptylu magnetického toku kolem trubkových cívek s největší pravděpodobností snižuje tento koeficient na 0,9, což jinak vysvětluje, že pro zajištění stejného tepelného výkonu mají ohřívače s trubkovým výměníkem vyšší spotřebu energie a proudy v vinutí? To následně vede k vyšším nákladům pro spotřebitele, protože musí používat vodiče s větším průřezem, a také zvyšuje náklady výrobce (a tedy kupní cenu pro kupujícího).
3. Trubkový výměník tepla má zvýšený hydrodynamický odpor, což vede k nutnosti instalovat výkonnější (a dražší) oběhová čerpadla.
4. Hmotnost ohřívače je zvýšena, protože trubková konfigurace výměníku tepla vyžaduje značnou mezeru mezi tyčemi jádra transformátoru. To vede ke zvýšení jha magnetického jádra transformátoru a zvýšení ceny výrobku jako celku.
5. Cívky induktorů jsou sice spolehlivě impregnovány izolací, ale nejsou nijak chráněny před náhodným nebo (ještě hůř) cíleným mechanickým nárazem, což samozřejmě nezvyšuje spolehlivost topidla.
6. Trubkový výměník není opravitelný a v případě poruchy musí být kompletně vyměněn ve výrobním závodě.

Závěr: indukční ohřívače s trubkovým výměníkem jsou v zásadě prvními komerčně úspěšnými indukčními ohřívači a to je skutečně krok vpřed oproti kotlům s topným tělesem a plášťovým ohřívačům a jen dva kroky vpřed ve srovnání s elektrodovými kotli ( kvůli bezpečnostním faktorům). Použití trubkového výměníku tepla bylo zpočátku diktováno technologickými omezeními a finančními problémy, protože trubkový výměník je jednodušší na výrobu než objemový výměník tepla (o kterém bude řeč později), ale není bez nedostatků, které výrobci nejsou povoleno korigovat v rámci patentově právních vztahů.

Indukční ohřívač s objemovým výměníkem tepla

Objemový typ výměníku tepla ve formě prototypů se objevil ještě dříve než trubkový. První návrhy se však příliš nepovedly – ​​popisovat je snad ani nemá smysl, jelikož nyní, pokud se vyrábí, jsou vyráběny doma. Nás bude zajímat nejnovější iterace konstrukce, kterou výrobce nazývá také indukčně-vodivé topení. Samozřejmě je to jen způsob umístění produktu, ale tento název velmi jasně odráží podstatu tohoto ohřívače.

Indukční ohřívače s objemovým výměníkem se objevily již v 21. století a při jejich vzniku se nepochybně počítalo s nedostatky všech ostatních konstrukcí. Jaká je konstrukce indukčně-vodivého elektrického ohřívače s objemovým výměníkem?

Jak je patrné z obrázku, designem dost připomíná indukční ohřívač s trubkovým výměníkem, nicméně místo trubek je zde použit dutý válec, uvnitř kterého je induktor. Podle mnohých (včetně autora) vypadají indukčně-vodivé indukční ohřívače esteticky lépe než ohřívače s trubkovým výměníkem, protože objemový výměník funguje také jako plášť: vzhled vytváří pocit úplnosti a určitého druhu bezpečnosti.

Jedná se také o plnohodnotný indukční ohřívač, jehož konstrukce je podobná „suchému“ transformátoru. A má samozřejmě všechny výhody, které z toho plynou: vysoká spolehlivost, odolnost, požární a elektrická bezpečnost, protože primární vinutí, na které je přivedeno napětí, je odděleno od výměníku tepla, což eliminuje zásah elektrickým proudem: 2. třída elektrické bezpečnosti .

Vířivé proudy zde vznikají v tloušťce kovu, ze kterého je dutý válec vyroben. Ihned je třeba poznamenat, že samotné konstrukční řešení zvyšuje spolehlivost ohřívače a jeho odolnost proti poškození. Posuďte sami: před vnějšími vlivy jsou zde spolehlivě chráněna vinutí indukčních cívek, která se v ohřívači s trubkovým výměníkem snadno poškodí. Samozřejmě, že vás nezachrání před tvrdohlavým škůdcem, ale náhodné poškození induktoru je mnohem obtížnější.

Materiálem výměníku je zde nerezová ocel AISI-304, takže mu nehrozí koroze.

Jediné místo, které lze zařadit mezi úzké hrdlo (a které konkurenti rádi zmiňují), jsou svary na výměníku tepla, protože lidstvo se bohužel dosud nenaučilo odlévat duté válce beze švů. Ale lidstvo se naučilo díly dobře svařovat. Případ objemových výměníků není výjimkou.

1. Indukčně-vodivý elektrický ohřívač je co nejblíže konstrukci „suchého“ transformátoru, a proto má takové vlastnosti, jako je životnost (až 100 000 hodin nebo v přepočtu na roky asi 30 let!), elektrická bezpečnost , vysoká spolehlivost a všechny další výhody oproti topným tělesům a elektrodovým kotlům.
2. Dostupnost velkých výkonů na jednotku zařízení (až 500 kW výkonu v jednom ohřívači). Existují také modifikace vysokonapěťových indukčních kotlů, které mohou poskytnout topný výkon přesahující 6 MW. Podobně jako ostatní indukční ohřívače lze i indukční ohřívače s objemovým výměníkem instalovat paralelně a poskytovat tak libovolný topný výkon.
3. Schopnost zajistit vysoké teploty ohřevu (až 200-250 °C), což výrazně rozšiřuje rozsah použití ohřívačů. Ta je o něco nižší než u trubkových výměníků, což je dáno právě konstrukcí. Trubky zajišťují lepší ventilaci a chlazení cívek. U indukčních ohřívačů s objemovým výměníkem jsou spirály uzavřené, nicméně teploty, které tyto ohřívače poskytují, jsou dostatečné pro řadu technologických procesů (ohřívací reaktory, galvanické lázně, sušící komory, lisy atd.).
4. Rovnoměrné rozložení tepelného toku po rozvinutější ploše tepelného výměníku zaručuje absenci lokálního přehřívání, usazování vodního kamene a velmi malý teplotní gradient mezi chladicí kapalinou a tepelným výměníkem (ne více než 20 °C), který slouží jako další argument ve prospěch spolehlivosti a požární bezpečnosti indukčně vodivého typu ohřívače.
5. „Poctivý“ vysoký účiník 0,98-0,985 díky rovnoměrnější absorpci magnetického pole válcovým výměníkem tepla.
6. Nižší hmotnost ohřívačů ve srovnání s trubkovými ohřívači podobného výkonu.

1. Vyšší náklady na materiály a high-tech výroba: vysoká kvalita a vynikající spotřebitelské vlastnosti nejsou levné.
2. Nízké marže (marže) činí produkt pro zprostředkovatele nezajímavým, proto je nutné produkty objednávat pouze u výrobce.
3. Ve většině případů není výměník opravitelný, nicméně riziko jeho poruchy je ze všech typů indukčních ohřívačů nejnižší. Kromě toho může jeho výměnu provádět provozní organizace, a nikoli pouze výrobce.

Závěr: řekneme-li, že indukční ohřívače jsou dalším krokem ve vztahu k topným tělesům a elektrodovým kotlům, pak jsou indukčně-vodivé ohřívače s objemovým výměníkem tepla příkladem dalšího vývoje konstrukce, která se snad více než kdy jindy blíží očekávanému ideál. Hlavní věc, za přítomnosti velmi dobrého a energeticky úsporného designu, je vysoká kultura a kvalita výroby, která by se striktně řídila projektovou dokumentací a naplňovala plány inženýrů a vědců, kteří léta tvořili takový složitý, ale takový jednoduché zařízení jako indukční elektrický ohřívač.