Индукционный водонагреватель для дома: как сделать своими руками, устройство, принцип работы, эффективность и эксплуатация

Индукционные водонагреватели принадлежат к области инноваций. Варианты самодельного водонагревательного оборудования индукционного типа, это постоянные совершенствования, но уже есть успешно работающие образцы.

Индукционные водонагреватели могут применяться как проточные ЭВН, котлы для отопления дома. Сокращение ВИН означает вихревой индукционный нагреватель.

Работающие самодельные варианты индукционных бойлеров горячего водоснабжения:

• простые:
  • из трубы (полипропилен, металл), подключаемые через сварочный инвертор или индукционную кухонную плиту;
  • котлы (сталь) с той же панелью;
  • емкость в емкости;
  • с баком;
• сложнее:
  • электрические схемы.

Как работает индукционный бойлер

Принцип работы индукционных водонагревателей – на металлическую катушку должен поступать переменный ток (при постоянном получится простой электромагнит), образующий и с высокой частотой меняющий знак и вектор магнитного поля, инициирующего вихревые процессы. Выделяется тепло, поглощаемое обрабатываемым объектом.

Заметно начинает воздействовать частота выше 50 Гц, а величины от 1 кГц чаще используются в промышленности (способны плавить металл).

Генерирует магнитное поле индуктор – цилиндрическая катушка с большим числом витков металлической (медной) проволоки при прохождении через нее переменного тока. Предмет, вещество близко или внутри такой конструкции пронизывает постоянно изменчивый поток вектора магнитной индукции. Линии возникшего электрического поля ложатся перпендикулярно, движутся замкнуто. Образуются вихревые токи Фуко, трансформирующие электроэнергию в тепло, передающееся объекту.

Происходит бесконтактный нагрев, энергия передается электромагнитным полем, причем почти моментально, нет необходимости касаться индуктора, из-за этого снижаются теплопотери, ресурс расходуется эффективнее. Вода становится горячей от емкости или от ее внутреннего металлического наполнения, нагреваемых переменным током, создающимся витками катушки на ней же.

К емкости тепло не подводится, а генерируется в ней самой блуждающими токами. Все окружающее остается холодным, что является преимуществом. Распространение тепла во вкладке неравномерное, только в верхних слоях, объем оно заполняет за счет теплопроводности, причем, чем больше частота поля, тем меньшая глубина проникновения, а интенсивность возрастает.

Схема горячего водоснабжения с вихревым индукционным электрическим водонагревателем:

• патрубок водоподачи (холодный вход) подключается к одному концу нагревательного элемента, в роли которого вертикально расположенная труба, она же выступает корпусом для витков проволоки. Вся конструкция заключается в кожух;
• второй штуцер – выход уже нагретой воды;
• проточный ЭВН подключается к электросети через преобразователь напряжения (инвертор);
• жидкость из линии подачи движется по нагреваемому витками индуктора цилиндру.

Разводку делают аналогично, как для обычного проточного водонагревателя или заводского котла ВИН. Сложной обвязки с системой безопасности нет, это не накопительный бойлер. Потребуется просто подсоединить холодный отвод стояка, поставить отсекающие краны. Фильтр на входе потребуется при плохом качестве воды из стояка.

Индукционный прямоточный водонагреватель, это, проще говоря, понижающий трансформатор на сосуде, он же электроиндуктор в кожухе с обмотками:

• первичная – индуктор, витки провода, катушка. Тут образуются вихревые потоки, образовывающие электромагнитные поля, попадающие на нижеуказанный элемент;
• вторичная (короткозамкнутая) – вкладка, магнитопровод, корпус, нагреватель, сама труба с жидкостью.

Есть несколько вариантов получения переменного тока:

• через сварочный аппарат, трансформатор, индукционную плиту, подобные устройства. В данном случае высокочастотным напряжение можно назвать только условно, так как в сети 50 Гц (бытовое значение). Но электромагнитное поле все же возникает, в емкости наводятся токи Фуко (вихревые), начинается нагрев;
• специальной электротехнической схемой увеличивают скорость изменения магнитного поля, частоту, а соответственно, нагрев возрастает намного интенсивнее, достигается 1 кГц вплоть до 30 кГц и более. Так работает микроволновка, оборудование для плавки металлов, приборы стерилизации в медицине.

Эксплуатационная мощность зависит от частоты: при недостаточной интенсивности она упадет, если сечение обмотки или длина будет чрезмерной. Сила процессов Фуко возрастает при увеличении скорости изменения магнитного поля.

Плюсы и минусы индукционного нагрева ГВС

Плюсы самодельных и заводских индукционных проточных водонагревателей:

• полная бесшумность;
• КПД 98 – 99%;
• из-за микровибраций грязь и накипь не прилипают, электрохимических реакций нет, чистка не потребуется, эксплуатация продлевается;
• высокая ремонтопригодность, эффективность и простота, минимум деталей – нагрев производится отрезком трубы с обмоткой – (срок службы 10 – 20 лет), но этого достоинства нет, если используется радиосхема;
• компактность;
• экологичность, нет продуктов горения;
• нет затрат на техническое обслуживание, не надо чистить, менять аноды, ТЭН;
• регулируется, настраивается (уменьшая/увеличивая силу тока, размер намотки).

Нет зависимости мощности от температуры воды, но чем холоднее она поступает и интенсивнее проток, тем прохладнее на выходе, так как не успевает вобрать тепло, поэтому рекомендовано, чтобы жидкость дольше двигалась внутри индукционного водонагревателя (несколько секций, отделение, проволока внутри).

Минусы:

• не экономные;
• нагревается только рабочий элемент, но тепло передается и в пространство, прикасаться к прибору небезопасно, кожух не всегда решает проблему;
• риск взрыва системы, пожара из-за перегрева, поэтому надо устанавливать датчик температуры с автоотключением;
• высокая цена заводских моделей – в среднем 30 тыс. за изделие небольшой мощности;
• электромагнитное поле;
• без электротехнических навыков сложно добиться технических характеристик, обеспечивающих мощность выше 2,5 кВт, так как потребуется сборка частотного преобразователя.

Из чего можно сделать бойлер индукционного типа

Устройство индукционного электрического проточного водонагревателя, это всего 3 основных элемента. Мощность индуктора надо сопоставить с заготовкой, с количеством витков и толщиной проволоки, иначе нагрев воды будет незначительным в процессе ее протока.

Из сварочного инвертора или трансформатора

Сборка из инверторного сварочного аппарата, что понадобится:

• генератор переменного тока, варианты:
  • бытовой сварочник с настройкой на выходе на 15 – 25 А;
  • трехфазный трансформатор;
• труба пластиковая (стенки от 3 мм) для отопления, выдерживающая +95° C или металлическая ∅5 см;
• магнитящийся нагревательный элемент (обязательный в виде наполнения, если сосуд из полимеров):
  • проволока сечением 6 мм в сеточке из металла;
  • кухонные ершики;
  • листовая заготовка;
• индуктор (катушка) – проволока: медь, 1,5 – 3 мм² или стеклоизолированный провод 1,7—2 мм² как у сварочных трансформаторов;
• терморегулятор;
• фитинги, шаровые краны для водопровода, гибкая подводка (шланги в оплетке);
• пассатижи, плоскогубцы.

Порядок создания своими руками индукционного проточного нагревателя для ГВС с применением сварочника:

1. В трубу помещают металлическую сетку. Плотно засыпают проволочные отрезки (1 – 5 см).
2. На тот же торец приваривают патрубок с отсекающим краном для гибкой подводки к холодному отводу стояка, на другой – для подачи горячей воды в точку водозабора.
3. На цилиндр устанавливают 4 – 5 продольных планок из дерева или из стеклотекстолита, наматывают провод (90 витков желательно). При ∅60 мм потребуется около 17 м.
4. Концы подсоединяют к полюсам трансформатора инвертора, желательно без скруток. Изолируют соединения изолентой.
5. Водонагреватель собран, подключают к штуцерам стояка водопровода и точек водоразбора. Используют переходники, тройники, гибкие сантехнические шланги.
6. Терморегулятор устанавливают на сварочник для автоматического управления работой.

Обмотку с емкостью заключают в корпус, для чего используют пластиковый бак, другие емкости. Кожух утепляют пенопластом, минеральной ватой, другой теплоизоляцией. Аналогично создается самодельный водонагреватель из трансформатора.

Правила:

• размещают (врезают) вертикально сетчатым дном вниз, там же вход подачи, откуда вода движется вверх;
• в циркуляционном насосе нет необходимости как в системе отопления;
• соблюдают технику безопасности при работе с электроприборами, нагревающимися объектами. Рекомендованное расстояние до пола 80, потолка – 30, стен – 30 – 40 см.;
• должен быть датчик температуры с реле для автоотключения при перегреве;
• рекомендована отдельная медная линия электропроводки для сварочного аппарата с автоматикой защитного отключения (УЗО, диффавтоматом, заземлением). Рекомендованное сечение 2,5 мм² – хватит для проточного нагревателя до 3,5 кВт;
• все открытые провода изолируют;
• нельзя включать индуктор при пустой ёмкости – есть риск расплавления, возгорания, замыкания;
• не желательно устанавливать в жилой зоне – электромагнитное поле вредное.

Из индукционной плиты

В сети есть ролики о рабочих водонагревателях, котлах из индукционных печек (обычно на 2 кВт). Плоская катушка кухонной плиты, этот тот же индуктор.

Процесс создания предельно простой:

• варочную панель индукционной плиты разбирают;
• родной плоский индуктор демонтируют;
• подключают самодельный нагреватель из гофрированной нержавеющей трубы (∅20) и гибкую подводку от холодной подачи стояка с отсекающим краном.

Длину, сечение кабеля обмотки надо брать по индуктору печки для соответствия параметров полевых элементов электросхемы. При превышении характеристик упадет мощность, при уменьшении обмотка перегорит вместе с транзисторами.

С обмоткой электротехнической тканью

Отрезок металлической трубы, например, 1 м, очищают и заворачивают в три слоя электротехнической ткани, поверх – медная проволока. Создается индукционная катушка. Конструкция изолируется, утепляется – надевается кожух из огнеупорного пластика. Концы подключают к клеммам сварочного инвертора. Цилиндр врезают, подсоединяют к водопроводу.

Труба в трубе и змеевик внутри бака

Порядок создания водонагревателя с индукционным нагревом «сосуд в сосуде»:

1. Два отрезка (150 – 500 мм) металлической трубы вставляются друг в друга с зазором в 20 мм, который создают герметичным ввариванием по торцам двух колец.
2. Так же приделывают по касательной (для хорошей циркуляции) к корпусу в наружную стенку входной (нижний) и выходной (верхний) штуцер для подключения к водопроводу.
3. Водонагреватель будет иметь тороидальную форму (бублик) – цилиндр с отверстием внутри.
4. Наматывают медную проволоку вертикально, пропуская внутрь и поднимая по наружному контуру корпуса. Делают 30 – 40 витков, получится тороидальная катушка – нагреваться будет сразу вся поверхность.
5. Конструкцию помещают в кожух, применяют пластиковый бак, делают в нем отверстия для патрубков. От стенок отделяют теплоизолирующим негорючим материалом. Концы провода присоединяют к клеммам инвертора, подключают к стояку и точке водоразбора.

Можно создать котел со змеевидной структурой внутри и использовать его как проточный водонагреватель – чем больший внутри сегмент, заполняемый водой, тем лучше она будет прогреваться.

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:

Какой бойлер лучше — индукционный, накопительный или проточный

Развенчание мифов:

• экономическая эффективность не выше приборов с ТЭН. Водонагреватели примерно одинаковые по эффективности и КПД: в обоих случаях 98 – 99%, потери энергии ничтожные. Мощность от 3 до 37 кВт (у кустарных меньшая – 2 – 3,5 кВт), в тех же рамках находятся и обычные проточники. В обоих случаях для ощутимого результата необходимо 6 – 8 кВт;
• нагрев моментальный, но и у обычных ТЭН он такой же (проточного типа);
• по цене самостоятельная сборка, учитывая стоимость инвертора или индукционной плиты (около 80 у.е.), равная недорогому водонагревателю проточного типа на 5 – 6 кВт, электродному котлу;
• обычный прямоточный аппарат с ТЭН собрать проще;
• почти все те же плюсы присущи и обычным прямоточным бойлерам.

Индукционные водонагреватели не отличаются по эффективности от ЭВН с ТЭН: то же ограниченное количество точек водоразбора, такая же мощность и потребление электроэнергии. Они удобнее по ТО, эксплуатации, так как не надо чистить, ТЭНы не перегорают, но также имеют дополнительный минус: электромагнитное поле. В целом, плюс только в незначительно большем комфорте обслуживания и не налипании накипи. Заводские модели ВИН неоправданно дорогие (от 30 тыс. руб.), соответственно, цены на запчасти также высокие.

При сравнении с накопительными водонагревателями надо учесть, что это два разных типа устройств. По экономности сравнение аналогично, как если бы сравнивали обычный проточный бойлер: зависит от режима эксплуатации. Если индукционные водонагреватели использовать для интенсивного нагрева воды на всю семью каждый день: душ, мойка, умывание и пр., то они могут быть не выгодными.

Индукционный проточный водонагреватель, а тем более самодельный, обеспечит одновременно только 1 – 2 точки, при этом он не экономичен. При необходимости быстрого получения воды без паузы, это отличное решение.

Но накопительный бойлер всегда лучше для стабильного водоснабжения, обеспечит неограниченное число точек. При интенсивном расходе он экономнее: первичный нагрев, затем работает как термос с остыванием на 1– 2 градуса в час и с режимом поддержания (всего 0,3 кВт/сут). А также емкостный ЭВН имеет резерв на случай полного отключения водоснабжения и электричества. Единственный минус – большая пауза для первичного нагрева, поэтому часто совмещают: на мойку ставят прямоточный ЭВН, на остальное емкостный.

Особых явных преимуществ нет, тем не менее, индукционный водонагреватель и не слабоэффективный, аппарат стоит собирать, если есть возможность.