Вихревые индукционные нагреватели ВИН: устройство, плюсы и минусы использования в отопительных системах

Индукционный нагреватель: схема и порядок действий при изготовлении своими руками

Уникальность человека заключается в том, что он все время изобретает приборы и механизмы, которые в значительной степени облегчают труд в той или иной сфере трудовой или жизненной деятельности.

Для этого, как правило, применяются новейшие разработки в области науки.

Исключением не стал и индукционный нагрев. В последнее время принцип индукции получил широкое применение во многих сферах, к которым можно смело отнести:

• в металлургии индукционный нагрев используется для плавки металлов;
• в некоторых отраслях промышленности используются специальные печи быстрого разогрева, функционирование которых основано на принципе индукции;
• в бытовой сфере индукционные нагреватели можно использовать, например, для приготовления пищи, нагрева воды или отопления частного дома. (Об особенностях индукционного отопления Вы можете прочитать в этой статье ).

На сегодняшний день существует великое множество индукционных установок промышленного типа. Но это отнюдь не означает, что конструкция таких приборов очень сильно замысловатая.

Простейший индукционный нагреватель вполне возможно изготовить для бытовых нужд своими руками. В этой статье подробно поговорим об индукционном нагревателе, а также о различных способах его изготовления своими руками.

Индукционные агрегаты для нагрева, которые конструируются своими руками, как правило, принято разделять на два основных вида:

• вихревые индукторные нагреватели (сокращенно – ВИН), которые в основном используются для нагрева воды и обогрева жилища;
• обогреватели, в конструкции которых предусмотрено использование различных типов электронных деталей и узлов.

Вихревой индукционный нагреватель (ВИН) состоит из следующих конструктивных компонентов:

• устройство, которое преобразует обычную электроэнергию в высокочастотный ток;
• индуктор, являющийся своего рода трансформатором, который образовывает магнитное поле;
• теплообменник или нагревательный элемент, который расположен внутри индуктора.

Принцип функционирования ВИН заключается в следующих этапах:

• преобразователь передает высокочастотный ток на индуктор, который представлен в виде цилиндра из медной проволоки;
• индуктор образовывает электромагнитное поле, которое провоцирует появление вихревых потоков;
• теплообменник, находящийся внутри индуктора, под воздействием этих вихревых потоков разогревается, и как следствие, нагревается и теплоноситель, который потом в таком виде поступает в отопительную систему.

Замечание специалиста: так как индукционная катушка считается самым важным элементом нагревателя этого вида, то к ее изготовлению нужно подойти достаточно щепетильно: медная проволока должна аккуратными витками наматываться на пластиковую трубу. Количество витков должно быть не менее 100.

Как видно из описания, конструкция ВИН достаточно не сложная, поэтому вихревой нагреватель смело можно сделать своими руками.

Сравнение индукционного котла с ТЭН- котлами

равноценные

Скорость нагрева одинакового объема теплоносителя равными по потребляемой мощности котлами этих видов преобразовательных устройств электрической энергии в тепловую — тоже одинаковая.

Индукционный котел имеет много эксплуатационных преимущества, потому что у него намного большая площадь отдачи тепла теплоносителю, чем в ТЭН- котла.

Основные отличия:

1. Разность между температурой нагревательного элемента индукционного котла и Т* теплоносителя 10 — 15* С и они разогреваются вместе. На нагревательном элементе индукционного котла накипь практически не образуется. По данной причине его нагревательный элемент даже теоретически выйти со строя не может.
2. ТЭН нагревается от того, что через его проводник с повышенным сопротивлением протекает ток, поэтому в любом случае он нагревается до заданных 600 — 750* С и теплоноситель на его поверхности всегда кипит. Из-за этого ТЭН быстро обрастает накипью. От этого теплоотдача уменьшается, и ТЭН в конце концов перегорает.
3. В индукционном котле можно использовать разные теплоносители, даже нефтепродукты, если их не перегревать свыше 70* С.
4. В ТЭН- котлах можно использовать теплоносителем только воду и к тому же лучше всего дистиллированную.
5. В обслуживании ТЭН- котлы менее практичные, чем индукционные, потому что переходной контакт между проводником электроснабжения и проводником самого ТЭН- а постоянно перегретый, из-за этого окисляется и ослабляется. Необходимо постоянно следить за тем, чтобы проводник электроснабжения не отгорел; в противном случае при отгорании — может быть повреждено резьбовое соединение ТЭН- а; и такой рабочий нагревательный элемент приходится менять. этой проблемы в индукционных котлах не существует, потому что связь его нагревательного элемента с электроснабжением осуществляется через электромагнитное поле переменного тока.
6. Индукционные котлы можно ставить в любом, даже не в обособленном месте. Они пожаробезопасны и работают бесшумно.
7. Индукционные котлы обеспечивают электрическую безопасность человека гораздо высшую, чем ТЭН- котлы, потому что сам ТЭН может перегорать двояко: а) с разгерметизацией корпуса; в этом случае разогретый нихром от попадания на него воды рассыпается — опасности попадания человека под напряжение нет; б) без разгерметизации корпуса; в этом случае разогретый нихром может прилипнуть к корпусу ТЭН- а. Нагревательный элемент продолжает работать, и через воду металлический корпус котла оказывается под напряжением.
8. Индукционную катушку индукционного котла при мощностях 3 КВт и больше на 50 Гц маленькой и компактной сделать пока что не удается. Поэтому ТЭН- котел имеет намного меньшие габариты при той же мощности, чем индукционный котел.

Преимущества и недостатки установки ВИН

Как уже упоминалось ранее, индукционные котлы, по сравнению с их предшественниками ТЭН, характеризуются большей эффективностью. Денежные затраты на отопление индукционными нагревателями не только ниже, чем в случае использования ТЭН, но и не изменяются в течение эксплуатации. Автоматическая система регулирования контролирует температуру воздуха в помещении и при необходимости выключает теплонагреватель, поэтому время работы котла в сутки составляет не более 8 часов. КПД трубчатых нагревателей впоследствии значительно снижается и удорожает расходы на электричество.

Экономика использования ВИН

ВИН относятся к приборам 2-го класса электробезопасности, имея усиленную изоляцию. Индукционный котел не требует заземления, а также дополнительной вентиляции в помещении. Пожарную безопасность обеспечивает отсутствие соединительных участков и электрических контактов, находящихся под воздействием высокой температуры.

В качестве теплоносителя может выступать не только вода, но и любые жидкие непромерзаемые материалы, которые не нужно удалять из системы с наступлением холодов. Это актуально для помещений, не используемых в такой период – котел можно просто отключить. Дополнительная технологическая подготовка носителя не требуется. Кроме того, даже при использовании «жёсткой» технической воды отсутствует проблема накипи, поскольку ионы магния и кальция за счет воздействия мощных вихревых токов не оседают на стенках трубы, а выводятся с потоком горячей воды.

Для установки ВИН не требуется специальных согласований с контролирующими органами (Роспотребнадзором), в отличие от газовых нагревателей. Конструкция легко встраивается в имеющуюся отопительную систему.

Главный минус индукционных котлов — их высокая стоимость. Их применение также невозможно в открытым системах отопления. Также не всегда возможен монтаж нагревателя на стену.

В отличие от ТЭН, индукционный котел прослужит в течение 30, а при эксплуатации в жилом помещении — 40 лет, или более 100 000 часов. Оборудование не требует межсезонных проверок, профилактическое обслуживание сведено к минимуму. При проведении работ по установке котлов также нет необходимости привлекать квалифицированных работников. Кроме того, индукционные котлы бесшумны при эксплуатации.

Долговечность, компактность, автономность и отсутствие необходимости частого обслуживания делают ВИН выгодной альтернативой неэкономичным трубчатым нагревателям и требующим высоких первоначальных затрат газовым котлам.

Правила безопасности и рекомендации

Техника безопасности должна соблюдаться всегда. Особенно когда мастерят что-то самостоятельно. Здесь нагреватели применяются для систем, имеющих принудительную циркуляцию. Теплоэнергия вырабатывается очень быстро и может возникнуть перегрев теплоносителя.

Нельзя забывать про предохранительный клапан. Он крепится на нагревателе. В случае когда циркулярный насос перестанет работать, то стопроцентно случится перегрев теплоносителя. Если клапан не будет установлен заранее, то произойдет разрыв системы

Последняя должна из предосторожности оснащаться термостатом. Если нагреватель заключен в металлический корпус, то он обязательно заземляется

Так как у самодельной конструкции нет нормального экранирования, то индукционник устанавливается как минимум в 80-и сантиметрах от горизонтальных поверхностей. Расстояние до стены — от 30 сантиметров.

Так, без глобальных финансовых трат, нетрудно собственноручно сделать этот нехитрый прибор. Схема сборки проста, и справиться с работой по сборке нагревателя собственноручно сможет практически каждый. Тут не требуется профильных технических знаний. Завершить работу можно буквально за несколько часов.

Видео по теме:

Что такое индукция и ее принцип

Электромагнитная индукция была открыта еще более ста лет назад. Она позволяет генерировать тепло с помощью высокочастотных токов – данная технология активно применяется для выплавки металлов. Дошла эта технология и до бытовых потребителей – мы можем увидеть ее воплощение на кухне в виде индукционных электрических печей. Индукционные печи позволяют быстро разогревать пищу и отличаются небольшими габаритами. Еще одним достоинством является их продолжительный срок службы.

Индукционный нагреватель представляет собой мощную катушку, на которую подается переменный ток высокой частоты. Внутри катушки помещается металлический сердечник, разогревающийся под действием вихревых токов. Таким образом, никаких привычных нагревательных элементов здесь нет, а тепло генерируется исключительно за счет индукционного нагрева.

Магнитная индукция используется в металлургической промышленности. Здесь она позволяет избавиться от угольных и газовых печей, отличающихся большими размерами. Сегодня в металлургических цехах стоят небольшие индукционные печи, быстро разогревающие металлы и сплавы до высоких температур. Они безопасны для людей и позволяют сократить время, затрачиваемое на переработку металлов.

С помощью индукционной катушки можно быстро нагреть металл до очень высоких температур.

В бытовой сфере магнитная индукция работает в индукционных кухонных печах и в электрических индукционных котлах. В чем заключаются преимущества такого нагрева?

• Отсутствует прямой контакт между нагреваемым телом и индукционной катушкой.
• Отсутствие накипи в индукционных котлах, что связано с отсутствием привычных нагревательных элементов.
• Продолжительный срок службы оборудования.
• Быстрый прогрев теплоносителей и металлических конструкций.
• Высокая эффективность оборудования.
• Безопасность для окружающих.

Электромагнитная индукция греет быстро и очень эффективно – коэффициент полезного действия тех же индукционных котлов достигает 98-99%. Также здесь отсутствует прямой контакт теплоносителя и токоведущих частей, что значительно повышает безопасность оборудования.

Напомним, что в ТЭНовых и электродных электрических отопительных котлах используется прямой контакт нагревательных элементов и теплоносителя.

Сделать индукционный нагреватель воды своими руками не так уж и сложно, как это может показаться на первый взгляд. Многие люди, обладающие познаниями в области электротехники и «прямыми руками», умеючи создают индукционные нагреватели, используемые для обогрева жилых домов. Давайте разберемся, как создаются такие нагреватели и что нам понадобится для самостоятельной сборки оборудования.

Сравнение индукционного и ТЭН котла с одинаковой мощностью

Для сравнения будут взяты две модели одинаковой мощности – 25 кВт.

Цена индукционного – 85 тыс. Цена тэнового – 46 тыс. Цены указаны на период 2021 года.

Чтобы индукционный прибор можно было ввести в эксплуатацию, комплектуют следующими элементами:

Индукционный обогреватель

• Насос.
• Проточный датчик.
• Спиротоп, манометр, предохранительный клапан.
• Электрощиток.
• Температурный датчик.
• Запорные шаровые краны.
• Вес полной конструкции — 80 кг.

Если сравнивать с тэновым котлом:

Оборудование

• Весит на 40 кг меньше.
• Электроника расположена внутри. Преимущество исключает необходимость дополнительного электрического щитка.
• Возможен автоматический выбор мощности, поддержание температуры. Индукционный прибор, не способен на это. Настройка производится вручную. Сказывается на максимальном потреблении мощности тэнового котла.

Недостаток, при переключениях котельного оборудования, будет вызывать моргание света.

Контакторы, вмонтированные в индукционные приборы — мощные, при переключении, будут слышны громкие хлопки.

Проводя сравнение с тэновым аппаратом, имеет небольшой контактор, работа которого не вызовет раздражения, почти не слышна.

• Агрегат снабжен термозащитой. Следит, чтобы система не перегревалась, не охлаждалась.
• Можно увидеть датчик, определяющий низкое давление воды. Необходим для обнаружения утечек. У индукционных приборов наблюдается нагрев сердечника нагревателя, приведет к полной поломке устройства.

Вихревой нагреватель: как установить

Как уже было сказано выше, котлы такого типа могут быть установлены исключительно в закрытую систему отопления.

После этого контур отопления можно подключить к патрубку. Таким образом, в результате вы должны получить своего рода «дугу», по которой в дальнейшем будет проходить нагретая жидкость.

Для того чтобы избежать аварийных ситуаций или неполадок, измерьте расстояние от пола и потолка.

Показатели должны быть следующими:

• От стен – не менее 30 см;
• От пола и потолка – не менее 80 см.

Так же не следует забывать о том, что крепление к стене должно быть очень надежным, так как при потоке воды, вес устройства значительно увеличиться. Что касается техники безопасности, то она такая же как и у всех бытовых электрических приборов. Позаботьтесь о надежном заземлении.

Вихревой нагреватель: как установить

Как уже было сказано выше, котлы такого типа могут быть установлены исключительно в закрытую систему отопления.

После этого контур отопления можно подключить к патрубку. Таким образом, в результате вы должны получить своего рода «дугу», по которой в дальнейшем будет проходить нагретая жидкость.

Для того чтобы избежать аварийных ситуаций или неполадок, измерьте расстояние от пола и потолка.

Показатели должны быть следующими:

• От стен – не менее 30 см;
• От пола и потолка – не менее 80 см.

Так же не следует забывать о том, что крепление к стене должно быть очень надежным, так как при потоке воды, вес устройства значительно увеличиться. Что касается техники безопасности, то она такая же как и у всех бытовых электрических приборов. Позаботьтесь о надежном заземлении.

Принцип действия инверторного котла

Традиционное электрическое оборудование работает по принципу передачи энергии непосредственно теплоносителю посредством ТЭНов. При этом, если прибор имеет в комплектации ТЭНы, то, следовательно, нужно подготовить место для нагрева воды.

ТЭНы также сильно подвержены влиянию коррозии, поэтому их необходимо защитить от необратимых процессов.

Инверторное оборудование работает на основе электромагнитной индукции. Генерация самого тока происходит благодаря переменному магнитному полю. С этой целью необходимо преобразовать постоянный сетевой ток в переменный. С этой задачей превосходно справляется инвертор, действие которого возможно, как от сети, так и от аккумуляторов.

Существует два вида контуров в инверторном котле:

1. Магнитный, позволяющий генерировать магнитное поле переменного типа.
2. Теплообменник, который способствует нагреву теплоносителя.

При соответствующей подачи переменного электричества, катушка начинает формировать магнитное поле. Это способствует нагреванию жидкости в системе и дальнейшей ее передачи по трубам.

Схема индукционной системы нагрева

Безопасное использование

Учитывайте, что индукционный обогреватель – это электрическое устройство повышенной опасности. Правила, которые стоит учесть, при изготовлении такого оборудования:

1. Оснастите устройство датчиком температуры. В случае перегрева оборудования система должна иметь возможность автоматического отключения.
2. Для самодельного оборудования организуйте отдельную линию электропроводки с увеличенным сечением провода.
3. Не пренебрегайте изоляцией оголённых участков, обезопасьте своих близких от удара током.
4. Перед включением индуктора убедитесь, что труба заполнена водой. При её отсутствии прибор может сгореть, а труба расплавиться.
5. Не размещайте оборудование в жилой зоне. Электромагнитные волны оказывают негативное влияние на здоровье людей и животных.
6. Прибор следует установить на высоте более чем 80 см от пола, а расстояние от устройства до потолка должно составлять не менее 30 см.
7. Заземлите оборудование.
8. Установку прибора следует производить через автомат, чтобы в случае аварии, устройство было отключено от питания.
9. Для снижения давления в системе не лишним будет установить предохранительный клапан в системе трубопровода.

Если обобщить информацию, то можно сделать вывод:

1. Индукционный нагреватель имеет высокий коэффициент полезного действия, у некоторых моделей он достигает 99%.
2. Устройство может использоваться как в виде водонагревателя, так и в виде котла в системе отопления.
3. Конструкция нагревателя достаточно проста, поэтому её сборка и установка возможна своими силами.
4. Использование индукционного водонагревателя на территории РФ не регламентировано.

Несмотря на все плюсы, решение об установки подобного оборудования стоит принимать взвешенно:

1. Во-первых, оно потребляет достаточно большое количество электроэнергии.
2. Во-вторых, прибор, особенно собранный самостоятельно, нельзя назвать полностью безопасным.
3. В-третьих, он оказывает негативное влияние на здоровье людей и животных. Поэтому устанавливать его всё же следует на дачах или в собственных домах.

Электронный вариант

Рассчитать параметры электроводонагревателя индукционного типа при намотке на трубу и сварочном инверторе можно приблизительно, это параметры, описанные выше, но более точные исчисления понадобятся для электросхем, когда учитывают емкость деталей.

Используется электронная схема с принципом последовательного резонанса, которая не требует настройки, начинает работать сразу после сборки. Выходная мощность со стандартными комплектующими средняя, но ее можно повысить, использовав емкие конденсаторы и сильные полевые ключи. Частоты больше 50 Гц создаются транзисторными (до 25 кГц), тиристорными (до 8 кГц) преобразователями.

Схема будет потреблять большой ток, используют блоки питания от 24 В до 60 В, минимум с 20 А. Лезвие ножа нагревается до красного за 10 сек.

Готовый прибор и его схемы:

 

Другие варианты:

Что потребуется (для нижеприведенной схемы):

• дроссели из компьютерного блока питания;
• оттуда же ферритовые (из порошкового железа) кольца с намотанной медной проволокой сечением 1,5 мм², достаточно от 10 до 30 витков;
• полевые транзисторы. Надо подобрать по максимальному сопротивлению открытого перехода. Подойдут из серии IRF740, IRFP250;
• диоды на обратное напряжение от 500 В при не меньше 3 – 4 А, подойдут UF4007, HER305;
• стабилитроны на 15 – 18 В до 2 – 3 Вт;
• резисторы на 0,5 Вт.

Детали собираются по схеме. Изготавливается и присоединяется индукционная катушка из 6 – 7 витков провода 1,5 мм². Конструкция способна нагреть до желтого цвета болты М6. Выделяемое тепло может повредить транзисторы, поэтому обязательные радиаторы, небольшой вентилятор (из того же компьютерного БП). Получается частота 30 кГц, чего более чем достаточно. Управление – через адаптер 12 В. Силовую часть можно напрямую подсоединить к 220 В через диодный мост. Остается смонтировать проточный бойлер на этой основе.

Варианты схем:

Схема и созданный по ней индукционный нагреватель:

Снижение КПД электрокотла

Еще один аргумент при сравнении – индукционный котел в период эксплуатации не теряет своей первоначальной мощности. А вот у тэна из-за образования накипи, это происходит в порядке вещей.

Даже иногда приводятся расчеты, согласно которым, в течение всего одного года, мощность тэнового уменьшается на 15-20%. А значит, снижается и его КПД.

Давайте разберем это поподробнее.

Практически у любого электрического котла КПД превышает 98%. И даже котлы, работающие на токах сверхвысоких частот от 25кГц и выше, что могут для вас изменить? Добавить лишних полтора процента, но при этом подскочить в цене на 100%?!

Что касается отложений на элементе ТЭНа, то они действительно присутствуют.

В системах водоснабжения в бойлерах прямого нагрева, на рабочий элемент осаждается некая ”накипь”. Она на самом деле постепенно препятствует быстрому прогреву воды.

А что происходит там, где нет постоянной подпитки примесей? На ТЭНе может осесть небольшой слой отложений, однако:

этот слой не достаточно толстый

он никоим образом не препятствует передаче тепла

Для примера, пусть на чистой поверхности греющего элемента, теплообмен условно происходит при t=60 градусов. Как только эта поверхность загрязнится отложениями, теплообмен никуда не исчезнет, а начнет происходить при больших градусах, допустим 75-80С.А соответственно, свое изначальное КПД, котел никоим образом не теряет.

То есть фактически, и на чистом элементе нагрева и на грязном, происходит передача одинакового количества энергии, только при других температурах.

Основные технологические этапы работ

Обустраивая систему индукционного водонагрева необходимо знать и придерживаться основных правил:

1. Сварочный ток высокочастотного инвертора для обогревателя должен соответствовать его мощности. Оптимальная величина его варьируется от 15 ампер или выше, если это необходимо.
2. Для нагревательных материалов в высокочастотном поле нужно использовать пятисантиметровые отрезки стальной катанной или нержавеющей проволоки. Для этого подготовленную проволоку необходимо порезать кусачками, придерживаясь этих размеров.
3. Корпус индукционного нагревателя должен быть сделан из толстостенной пластиковой трубы, внутренний диаметр которой должен быть не менее 5 сантиметров аналогично длине порезанной проволоки.
4. К одной стороне этой пластиковой трубы крепится переходник, который должен соединить данную конструкцию с системой отопления.
5. На дно пластиковой трубы своими руками укладывается металлическая сетка, которая предотвращает проваливание катанки.
6. Внутрь трубы из пластика плотно засыпаются нарезанные куски металлической проволоки так, чтобы там отсутствовало свободное пространство.
7. Второй конец трубы оснащается еще одним переходным элементом.
8. Для изготовления индукционной катушки эту пластиковую трубу обматывают заготовленным медным эмалированным проводом. Количество витков в обмотке должно быть минимальным 80, а максимальным 90.
9. Затем аппарат подсоединяется к индивидуальной отопительной системе, заливается вода, к изготовленной обмотке подключается инвертор.
10. Для принудительной циркуляции теплоносителя в отопительную систему встраивается насос.
11. Чтобы обеспечить регулирование температуры воды в автоматическом режиме, в разрыве основной линии питания индукционного инвертора подключается терморегулятор.

https://youtube.com/watch?v=khpDLWb0Cyw