Способы электрического нагрева. Приборы для нагревания воды

Основные методы и способы преобразования электрической энергии в тепловую классифицируют следующим образом. Различают прямой и косвенный электрический нагрев.

При прямом электронагреве преобразование электрической энергии в тепловую происходит в результате прохождения электрического тока непосредственно по нагреваемому телу или среде (металл, вода, молоко, почва и т. п.). При косвенном электронагреве электрический ток проходит по специальному нагревательному устройству (нагревательному элементу), от которого тепло передается нагреваемому телу или среде посредством теплопроводности, конвекции или излучения.

Существует несколько видов преобразования электрической энергии в тепловую, которые определяют способы электрического нагрева.

Протекание электрического тока по электропроводящим твердым телам или жидким средам сопровождается выделением тепла. По закону Джоуля - Ленца количество тепла Q=I 2 Rt, где Q - количество, тепла, Дж; I - силатока, А; R - сопротивление тела или среды, Ом; t - время протекания тока, с.

Нагрев сопротивлением может быть осуществлен контактным и электродным способами.

Контактный способ применяется для нагрева металлов как по принципу прямого электрического нагрева, например в аппаратах электроконтактной сварки, так и по принципу косвенного электрического нагрева - в нагревательных элементах.

Электродный способ применяется для нагрева неметаллических проводящих материалов и сред: воды, молока, сочных кормов, почвы и др. Нагреваемый материал или среда помещается между электродами, к которым подводится переменное напряжение.

Электрический, ток, протекая по материалу между электродами, нагревает его. Обычная (недистиллированная) вода проводит электрический ток, так как в ней всегда содержится некоторое количество солей, щелочей или кислот, которые диссоциируют на ионы, являющиеся носителями электрических зарядов, то есть электрического тока. Аналогична природа электропроводности молока и других жидкостей, почвы, сочных кормов и т. п.

Прямой электродный нагрев осуществляется только на переменном токе, так как постоянный ток вызывает электролиз нагреваемого материала и его порчу.

Электронагрев сопротивлением нашел широкое применение в производстве в связи с его простотой, надежностью, универсальностью и невысокой стоимостью нагревательных устройств.

Электродуговой нагрев

В электрической дуге, возникающей между двумя электродами в газообразной среде, происходит превращение электрической энергии в тепловую.

Для зажигания дуги электроды, присоединенные к источнику питания, на мгновение соприкасают, а затем медленно разводят. Сопротивление контакта в момент разведения электродов сильно нагревается проходящим по нему током. Свободные электроны, постоянно движущиеся в металле, с повышением температуры в месте соприкосновения электродов ускоряют свое движение.

С ростом температуры скорость свободных электронов настолько возрастает, что они отрываются от металла электродов и вылетают в воздушное пространство. При движении они сталкиваются с молекулами воздуха и расщепляют их на положительно и отрицательно заряженные ионы. Происходит ионизация воздушного пространства между электродами, которое становится электропроводным.

Под действием напряжения источника положительные ионы устремляются к отрицательному полюсу (катоду), а отрицательные ионы - к положительному полюсу (аноду), тем самым образуя длительный разряд - электрическую дугу, сопровождающуюся выделением тепла. Температура дуги неодинакова в различных ее частях и составляет при металлических электродах: у катода - около 2400 °С, у анода - около 2600 °С, в центре дуги - около 6000 - 7000 °С.

Различают прямой и косвенный электродуговой нагрев. Основное практическое применение находит прямой электродуговой нагрев в дуговых электросварочных установках. В установках косвенного нагрева дуга используется как мощный источник инфракрасных лучей.

Если в переменное магнитное поле поместить кусок металла, то в нем будет индуктироваться переменная э. д. с, под действием которой в металле возникнут вихревые токи. Прохождение этих токов в металле вызовет его нагрев. Такой способ нагрева металла называется индукционным. Устройство некоторых индукционных нагревателей основано на использовании явления поверхностного эффекта и эффекта близости.

Для индукционного нагрева используются токи промышленной (50 Гц) и высокой частоты (8-10 кГц, 70-500 кГц). Наибольшее распространение получил индукционный нагрев металлических тел (деталей, заготовок) в машиностроении и при ремонте техники, а также для закалки металлических деталей. Индукционный способ может использоваться также для нагрева воды, почвы, бетона и пастеризации молока.

Диэлектрический нагрев

Физическая сущность диэлектрического нагрева заключается в следующем. В твердых телах и жидких средах с плохой электрической проводимостью (диэлектриках), помещенных в быстропеременное электрическое поле, электрическая энергия превращается в тепловую.

В любом диэлектрике имеются электрические заряды, связанные межмолекулярными силами. Эти заряды называются связанными в отличие от свободных зарядов в проводниковых материалах. Под действием электрического поля связанные заряды ориентируются или смещаются в направлении поля. Смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называется поляризацией.

В переменном электрическом поле происходит непрерывное перемещение зарядов, а следовательно, и связанных с ними межмолекулярными силами молекул. Энергия, затрачиваемая источником на поляризацию молекул непроводниковых материалов, выделяется в виде тепла. В некоторых непроводниковых материалах есть небольшое количество свободных зарядов, которые создают под действием электрического поля незначительный по величине ток проводимости, способствующий выделению дополнительного тепла в материале.

При диэлектрическом нагреве материал, подлежащий нагреванию, помещается между металлическими электродами - обкладками конденсатора, к которым подводится напряжение высокой частоты (0,5 - 20 МГц и выше) от специального высокочастотного генератора. Установка для диэлектрического нагрева состоит из лампового генератора высокой частоты, силового трансформатора и сушильного устройства с электродами.

Высокочастотный диэлектрический нагрев - перспективный способ нагрева и применяется главным образом для сушки и тепловой обработкидревесины, бумаги, продуктов и кормов (сушки зерна, овощей и фруктов), пастеризации и стерилизации молока и т. п.

Электронно-лучевой (электронный) нагрев

При встрече потока электронов (электронного луча), ускоренных в электрическом поле, с нагреваемым телом электрическая энергия превращается в тепловую. Особенностью электронного нагрева является высокая плотность концентрации энергии, составляющая 5х10 8 кВт/см2, что в несколько тысяч раз выше, чем при электродуговом нагреве. Электронный нагрев применяется в промышленности для сварки очень мелких деталей и выплавки сверхчистых металлов.

Кроме рассмотренных способов электронагрева, в производстве и быту находит применение инфракрасный нагрев (облучение).

Водонагреватель - прибор для нагревания воды в системе местного горячего водоснабжения. Бывает две разновидности данных агрегатов: накопительные и проточные нагреватели воды.

В свою очередь они разделяются на водонагреватели:

• косвенного нагревания;
• газовые;
• электрические.

Накопительные бойлеры

Накопительное устройство либо бойлер - это относительно большая емкость с помещенным в ней либо под ней тепловым источником. Нагревание делается с помощью парового либо водяного обменника тепла - в нем перегоняется теплая вода, которая греется при помощи котла отопления. Такие бойлеры именуются нагревателями воды косвенного нагревания.

Такие бойлеры лучше всего подойдут для большого дома. Электрические бойлеры, например водонагреватель Термекс , являются прекрасным вариантом для квартиры в городе. А газовые устройства часто приобретают тогда, когда есть некоторые проблемы с электрической энергией.

Бойлеры делятся на закрытые и открытые. Устройство первого типа можно применять в системе централизованного водоснабжения нескольких пунктов разбора воды. Его нагревательный бак может быть произведен из нержавеющей стали, эмалированной стали или меди.

Второй тип бойлера снабжает лишь один водоразборный пункт и лишь посредством смесителя. Основным принципом работы этой арматуры является перекрытие сетевой воды, которая находится под напором на входе в водонагреватель. Это разрешает производить емкость из менее крепких материалов, часто из пластмассы. Специальный смеситель также играет роль предохранителя, убирая в раковину излишнюю воду при расширении в период нагревания емкости.

Проточные устройства

В проточных нагревателях воды величина бака очень уменьшена, так что бак нагрева является узкой трубкой. Это приводит к скорому нагреву воды за тот период, пока она проходит через емкость нагрева (теплообменник). Применять газовые проточные нагреватели воды можно лишь при присутствии дымохода, который придуман при постройке частного здания по проекту.

Также бывают закрытые и открытые устройства проточного типа. Первые могут снабжать несколько пунктов разбора воды, при этом бак для расширения и группа безопасности не нужны. Открытые проточники могут позволять воде попасть только в один водоразборный пункт с применением особого смесителя.

Также нагреватели воды различаются по способу монтажа и устанавливаются вертикально либо горизонтально. Значительными факторами при приобретении являются объем емкости и мощность прибора. Эти параметры определяют стоимость устройства.

Нагревание и испарение

Литература:

1. Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил.

2. Процессы и аппараты пищевых производств. Учебник для вузов в 2 книгах/ [А.Н. Острикова и др.]; под ред. А.Н. Острикова.

План лекции:

1. Нагревание.

2. Испарение.

3. Аппараты для нагревания пищевых сред.

Контрольные вопросы:

1. Какими методами нагревают пищевые продукты?

2. В чем особенности нагревания водой?

3. Какими достоинствами обладает процесс нагревания водяным насыщенным паром?

4. В чем недостатки нагрева топочными газами?

5. Как используют электрический ток для нагревания?

6. В чем существо терморадиационного нагрева?

7. В каких аппаратах теплообменными конструкциями являются трубы?

8. Определите технологические преимущества пластинчатых теплообменников.

ВОПРОС № 1. НАГРЕВАНИЕ

Нагреванием называется процесс повышения температуры ма­териалов путем подвода к ним теплоты. В пищевой технологии широко распространены методы нагревания горячей водой или другими жидкими теплоносителями, насыщенным водяным па­ром, топочными газами и электрическим током.

Для этих целей применяют теплообменники различных конст­рукций.

Нагревание водой используют для повышения температуры и пастеризации пищевых продуктов при температурах ниже 100 °С. Для нагревания до температуры выше 100 °С применяют перегретую воду, находящуюся под избыточным давлением. Вода относится к доступным и дешевым некоррозиеактивным теплоно­сителям, обладающим высокими теплоемкостью и коэффициен­том теплоотдачи. Обычно обогрев водой осуществляется через разделяющую теплоноситель и продукт стенку аппарата.

При нагревании водой или другими жидкостями, например маслом, органическими теплоносителями, часто применяют циркуляционный способ обогрева. По этому способу го­рячая вода (либо другой теплоноситель) циркулирует между на­гревателем и теплообменником, в котором она отдает теплоту.

Циркуляция может быть естественной или принудительной. Есте­ственная циркуляция происходит за счет разности плотностей го­рячего и холодного теплоносителей.

Более эффективен способ обогрева с принудительной циркуля­цией при помощи насоса.

Для обогрева теплиц при выращивании огурцов, томатов и дру­гих овощей используют горячую воду, отходящую от заводских теплоиспользующих установок.

Другой способ нагревания горячими жидкостями - обогрев при помощи обогревательных бань, представляющих собой аппараты с рубашками. Рубашка нагревается топочными га­зами, электрическим током или насыщенным водяным паром вы­сокого давления, подаваемым в змеевик.

Из высококипящих органических жидкостей для создания вы­соких температур применяют минеральные масла (до 250... 300 °С), тетрахлордифенил (до 300 °С), глицерин, кремнийорганические соединения и др. Наибольшее распространение получила дифенильная смесь, которую используют для нагревания по циркуля­ционному способу, а также для заполнения обогревательных бань. Коэффициент теплоотдачи для жидкой дифенильной смеси в ус­ловиях естественной циркуляции составляет 200... 350 Вт/(м 2 · К). Дифенильная смесь обеспечивает обогрев до 260...400 °С.

Расход воды или другого теплоносителя на нагревание опреде­ляют из теплового баланса.

где W в и G п – массовые расходы соответственно воды и продукта, кг/ч; с в и с п – теплоёмкости соответственно воды и продукта, кДж/(кг · К); t в.н. и t п.к. – конечные температуры соответственно воды и продукта, °С; Q п – потери теплоты в окружающую среду, кДж/ч.

Нагревание водяным насыщенным паром получило широкое рас­пространение благодаря следующим его достоинствам: большому количеству теплоты, выделяющемуся при конденсации водяного пара (2024...2264 кДж на 1кг конденсирующегося пара при абсо­лютных давлениях соответственно 0,1...1,0 МПа); высокому коэф­фициенту теплоотдачи отконденсирующего пара стенке - при­мерно 20 000...40 000 кДж/(м 2 · ч · К); равномерности обогрева.

При нагревании водяным насыщенным паром применяют два способа: нагревание «глухим» насыщенным и «острым» паром.

При нагревании «глухим» паром теплота от кон­денсирующегося насыщенного водяного пара нагреваемому теп­лоносителю передается через разделяющую их стенку. Греющий «глухой» пар конденсируется и выводится из парового простран­ства теплообменника в виде конденсата. При этом температуру конденсата принимают равной температуре насыщенного грею­щего пара.

Массовый расход пара (кг/ч) при нагревании жидкости опреде­ляют из теплового баланса.

где D – массовый расход пара, кг/ч; G – массовый расход жидкости, кг/ч; с – удельная теплоёмкость жидкости, кДж/(кг · К); t и и t к – соответственно начальная и конечная температуры жидкости, °С; і ´ и і ´´ - удельные энтальпии соответственно греющего пара и конденсата, кДж/ч.

Чтобы пар полностью конденсировался в паровом простран­стве теплообменника, на отводной линии конденсата устанавли­вают конденсатоотводчики различных конструкций (рис. 1). Конденсатоотводчик пропускает конденсат, но не пропускает пар, поэтому он полностью конденсируется в паровом пространстве Теплообменника, что приводит к существенной экономии пара.

При нагревании «острым» паром водяной пар вводят непосредственно в нагреваемую жидкость. Пар конденсирует­ся и отдает теплоту нагреваемой жидкости, а конденсат смешива­ется с жидкостью. Пар вводится через барботер, представляющий собой во многих случаях трубу сотверстиями, согнутую по спирали Ар­химеда либо по окружности. Впуск пара по барботеру обеспечивает одно­временно с нагреванием жидкости ее перемешивание с паром.

Рис. 1. Схема установки конденсатоотводчика:

1 – теплообменник; 2 – продувочный вентиль; 3 – конденсатоотводчик;

4 – вентили; 5 – отводная линия.

Расход «острого» пара определяют из теплового баланса

Обозначения здесь те же, что и в уравнении (3).

Расход «острого» пара

Нагревание «острым» паром применяют в тех случаях, когда допустимо разбавление нагреваемой среды водой. Этот способ ча­сто используют для нагревания воды и водных растворов.

Нагревание топочными газами , образующимися при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива в специальных пе­чах, используют, например, для обогрева сушилок.

Недостатками обогрева топочными газами являются: низкий коэффициент теплоотдачи, равный 60...120кДж/(м 2 · ч · К), зна­чительные температурные перепады и неравномерный нагрев; сложность регулирования температуры; окисление стенок аппа­ратов, а также наличие вредныхпродуктов сгорания, что делает недопустимым применение топочных газов для нагревания пи­щевых продуктов при непосредственном соприкосновении с ними.

Кроме топочных газов, полученных в специальной печи, ис­пользуют также отработавшие газы от печей, котлов и т. д. тем­пературой 300...500 °С. Применение отработавших газов не требу­ет дополнительного расхода топлива, поэтому использование их для нагревания весьма рационально.

При нагревании электрическим током используют ток напряже­нием 220...380 В и частотой 50 Гц, токи высокой и сверхвысокой частоты (СВЧ) с частотой колебаний от нескольких сотен кило­герц до тысяч мегагерц.

Нагревание продуктов электрическим током может осуществляться прямым и косвенным действием. При прямом воздействии электрического тока тело нагревается при прохождении через него электрического тока. При косвенном воздействии теплота выде­ляется при прохождении электрического тока по нагревательным элементам (ТЭН). Выделяющаяся при этом теплота передается материалу тепловым излучением, теплопроводностью и конвек­цией. Нагревательные элементы изготовляют из проволоки или ленты нихрома (сплав, содержащий 20 % хрома, 30...80 % никеля, 0,5...50 % железа).

ТЭНы бывают разнообразной формы: цилиндрические, плос­кие, спиральные, круглые, кольцеобразные. ТЭНы устанавливают в электроплитах, мармитах, варочных котлах, фритюрницах, блинницах, в хлебопекарных печах.

Количество теплоты, которое необходимо подвести в процессе нагревания электрическим током, определяют из теплового ба­ланса

где Q э – количество теплоты, которое выделяется в нагревательном электрическом элементе при прохождении в нём электрического тока, Дж/ч; G – расход продукта, кг/ч; с – удельная теплоёмкость продукта, Дж/ (кг · К); t и и t к - соответственно начальная и конечная температуры перерабатываемого продукта, °С; Q п – потери теплоты в окружающую среду, Дж/ч.

Из уравнения (7) получим

(8)

Мощность электронагревательных элементов, Вт,

(9)

В настоящее время большинство оборудования пищевой промышленности работает на электрическом токе, который практически вытеснил газовые приборы.

Нагревание токами высокой частоты основано на том, что при воздействии на диэлектрик, помещенный между пластинами кон­денсатора переменного электрического тока, его молекулы прихо­дят в колебательное движение, при этом часть энергии затрачива­ется на преодоление трения между молекулами диэлектрика и превращается в теплоту, нагревая тело. Количество выделяющей­ся теплоты пропорционально квадрату напряжения и частоте тока. Обычно частота тока составляет 1 · 10 6 ...100 · 10 6 Гц.

Для получения токов высокой частоты используют генераторы различных конструкций. К достоинствам диэлектрического нагре­вания относятся: непосредственное выделение теплоты в нагрева­емом теле, равномерный быстрый нагрев всей массы продукта до требуемой температуры, простота регулирования процесса.

В последние годы широкое применение в пищевой технологии на­шел нагрев в поле СВЧ, которое характеризуется сантиметровым диа­пазоном длин волн и частотой колебаний в тысячи мегагерц. СВЧ-на­грев используют в микроволновых печах для разогревания продуктов, выпечки и т. д., а также для обеззараживания сырья и продуктов.

Для преобразования электрического тока частотой 50 Гц в токи СВЧ в микроволновых печах служат магнитроны. Частота колеба­ний находится в обратной зависимости от длины волны λ и опре­деляется как v = с/λ, где с - скорость распространения света, равная 300 000 км/с. Высокочастотный нагрев основан на явлении поляризации. В диэлектрике колебания молекул связаны с трени­ем частиц между собой. В результате возникающего трения в мас­се продукта выделяется теплота. Чем больше частота электричес­кого поля, тем больше генерируется в массе продукта теплоты.

Для определения количества теплоты, выделяемой в единице массы продукта, определим удельные диэлектрические потери.

Потери мощности в единице массы или объема, Вт/см 3 ,

где Р- общая потеря мощности, Вт, в диэлектрике емкостью с, находящемся под переменным напряжением U при частоте f, V- единица объема.

Подставим в уравнение (10) значения общей потери мощнос­ти Р= UI c м cos φ и полного значения тока смещения в диэлектрике I см - ωcU, где ω – угловая частота поля; ω = 2πf.

После подстановки получим

Заменив V= Sd, где площадь S- поверхности рабочей части пластин конденсатора; d- расстояние между пластинами; φ - угол, на который ток смещения в цепи опережает приложенное напряжение, получим

(12)

Если напряженность электрического поля Е (В/см) выразим как Е= U/d ,a емкость с = εS/d , где ε - диэлектрическая проница­емость продукта, получим

(12)

Выразив f в Гц, Е в В/см, окончательно получим потерю мощ­ности, Вт/см 3 , (13)

Произведение etg δ называется коэффициентом диэлектричес­ких потерь. Как следует из уравнения (85), удельные диэлект­рические потери, которые определяют количество выделяемой теплоты в единице массы или объема диэлектрика-продукта, зави­сят от параметров поля высокой частоты и от диэлектрических свойств материала, т. е. от угла δ диэлектрических потерь и ди­электрической проницаемости ε.

Терморадиационный нагрев представляет собой сложный физи­ческий процесс, обусловленный большой оптической плотностью и неоднородностью облучаемых продуктов.

При терморадиационном нагреве теплота подводится к про­дукту от генераторов инфракрасного излучения: высокотемпера­турных излучателей, кварцевых и зеркальных ламп.

Применение ИК-нагрева позволяет сократить продолжитель­ность обработки продуктов, а также повысить их качество. При облучении продукта ИК-лучами лучистая энергия превращается в теплоту. Эффективность нагревания зависит от спектральных ха­рактеристик генераторов излучения и облучаемого продукта.

Так, например, при вялении дынь продолжительность процес­са в поле ИК-излучений сокращается в 3...5 раз и при этом значи­тельно повышается качество продукта.

Инфракрасное излучение отличается от других видов электро­магнитных колебаний частотой, длиной волны и скоростью ее распространения. Длина волны ИК-излучения находится в преде­лах 7,7 · 10 -5 ...3,4 · 10 -2 см (0,77...340 мкм).

Оптические свойства продукта определяются его свойствами и содержащейся в нем воды. Спектральные характеристики генера­торов излучения должны соответствовать спектральным характе­ристикам облучаемых продуктов. При правильном выборе излуча­теля и режима облучения обеспечивается проникновение излуче­ния в глубь материала, что приводит к интенсификации процес­сов тепломассообмена. Проницаемость материалов для ИК-лучей зависит от вида материала (капиллярно-пористые или коллоид­ные), их структуры, размеров капилляров, характера их распреде­ления, от вида связи влаги с материалом.

Капиллярно-пористые материалы поглощают энергии больше, чем коллоидные. Это связано с многочисленными отражениями тепловых лучей от стенок капилляров материала.

Основная часть энергии поглощается поверхностным слоем продукта, а внутрь попадает только незначительная ее часть, со­ставляющая на глубине 1...2 мм только 5...20% энергии облуче­ния. Так, при ИК-нагреве слой муки не должен превышать 10 мм, фруктов и овощей - 10... 15 мм.

Если продукт способен выдерживать нагрев до высоких темпе­ратур, то при проникающем облучении следует применять высо­котемпературные источники излучения. При этом заметно ин­тенсифицируется процесс нагревания без опасности перегрева поверхности продукта.

В электрических индукционных печах нагревание осуществля­ется индукционными токами. Корпус печи выполняет роль сер­дечника соленоида, по которому пропускается переменный ток. Вокруг соленоида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенке печи электродвижущую силу. Стенки печи нагреваются вторичным током. Соленоид изготовляют из матери­алов с низким омическим сопротивлением, например из медной и алюминиевой проволоки.

Диэлектрическое нагревание используют для нагревания ди­электриков. Количество выделяющейся теплоты прямо пропорци­онально квадрату напряжения и частоте тока.

Преимущества диэлектрического нагревания: высокая скорость процесса, равномерный прогрев материала, возможность регули­рования процесса.

Современный мир диктует свои правила экономии потребления природных ресурсов. Для их сохранности многие люди делают свой выбор в пользу электроэнергии. Но потребность в ней растет с каждым днем. Стоимость ее увеличивается. Становится невыгодно обогревать дом за счет электрических приборов.

Совсем недавно в Россию пришла новая разработка в области автономного отопления и горячего водоснабжения под названием «индукционный водонагреватель». Установка устройства позволяет обеспечить теплом целый дом и сэкономить на электрической энергии. Оно не выделяет в воздух вредных веществ и считается совершенно безопасным для здоровья человека. Индукционные водонагреватели также используются для нагрева воды в системе отопления дома.

Принципы работы

Для сборки своими руками необходимо изучить, из чего он состоит и понять принципы его работы.

Устройство нагревается за счет энергии электромагнитного поля. Теплоноситель ее забирает на себя и преобразует в тепло.

Магнитное поле создается в индукторе (это цилиндрическая катушка с большим количеством витков). Проходя через нее, электричество создает вокруг себя напряжение. Магнитный поток движется по замкнутому кругу перпендикулярно электрическому полю. Переменный ток создает вихревые потоки и генерирует энергию в тепло. Передача электроэнергии нагревателю происходит без прямого контакта.

Индукционное тепло расходуется эффективно и экономно, поэтому вода при таком способе нагревания за короткий промежуток времени достигает высоких температур. Теплоноситель получает около 97% энергии.

Компоненты индукционного водонагревателя

Организация системы отопления в собственном доме с помощью индукционного котла не потребует ее серьезной перепланировки. В основе используется трансформатор, состоящий из первичной и вторичной обмоток.

Вихревые потоки образуются в первичной обмотке из электрической энергии и создают электромагнитное поле. Оно попадает на вторичную, которая несет функцию нагревателя.

Этот компонент вырабатывает тепло и передает ее воде в отопительной системе дома.

Вторичная обмотка представляет собой корпус котла. В него входят такие элементы, как:

• внешняя обмотка;
• сердечник;
• электроизоляция;
• тепловая изоляция.

Для подвода холодной воды в устройство и отвода теплой в систему отопления к водонагревателю устанавливают два патрубка. Нижний монтируют на вводный участок, а верхний на отводящую горячую воду часть.

Тепло, которое создается котлом, отдается теплоносителю. Чаще всего в его качестве выступает вода, так как она способна быстро забрать тепло. За счет встроенного насоса горячая вода через патрубок поступает в отопительную систему. Жидкость постоянно циркулирует, поэтому перегрев оборудования не возможен. Подается остывшая вода, а отводится горячая.

При циркуляции отопительная жидкость вибрирует, что не дает откладываться накипи внутри труб. Устанавливать индукционный водонагреватель можно в любом помещении, так как в процессе эксплуатации не создается шум.

Как собрать индукционный котел самостоятельно

Современный рынок отопительных устройств представляет большой выбор различных моделей индукционных нагревателей как для бытового, так и для промышленного использования. Несмотря на то, что на сегодняшний день подобное оборудование не вышло на уровень широкого применения в отопительных системах, стоимость его высока. Цена на бытовые котлы начинаются от 25 000 рублей, а на промышленные - от 100 000 руб.

В целях экономии сделать индукционный нагреватель можно своими руками. Такая работа под силу даже не специалисту.

Устройство со сварочным инвертором и пластиковыми трубами

Все материалы и компоненты, которые применяются для сборки, доступны и зачастую находятся под рукой. Что для этого нужно:

• катанка или нержавеющая проволока из стали (диаметр до 0,7 см);
• медная проволока;
• металлическая сетка;
• фрагмент с толстыми стенками для корпуса обогревателя (диаметр изнутри 5 см);
• сварочный аппарат;
• переходники для монтирования котла к системе отопления;
• инструменты;
• насос для обеспечения циркуляции воды.

Проволоку из нержавеющей стали нужно нарезать на кусочки длиной 0,5-0,7 см. Заполнить плотно ими пластиковую трубу и закрыть ее с обеих сторон. В ней не должно быть свободного пространства. На дно трубки устанавливается металлическая сетка, которая позволяет удержать стальные частички внутри.

Далее следует смастерить основной компонент нагревания - индукционную катушку. На пластиковую трубу наматывается медная проволока. Необходимо сделать не менее 100 аккуратных витков на одинаковом расстоянии друг от друга. Затем индукционная катушка подключается к системе индивидуального отопления. Устанавливается котел в любой части трубопровода. Для прокачки воды необходимо встроить насос.

Подключается самодельное устройство внешней обмоткой из меди к инвертору. Обязательно проводятся работы по электроизоляции и теплоизоляции котла. Все открытые участки закрываются специальным материалом. Для утепления используется базальтовая вата. Это необходимо для того, чтобы нагревалась труба без потерь теплоэнергии на воздух.

Если не провести теплоизоляцию, КПД системы значительно снизится при конвекции.

Устройство с трансформатором

Данный вариант проще в сборке, чем предыдущий. Что потребуется для изготовления своими руками:

• трехфазный трансформатор с возможностью крепления;
• сварочный аппарат;
• медная обмотка.

Необходимо вставить трубы одна в другую, сварить. Конструкция в разрезе должна напоминать форму бублика. Она выполняет одновременно две задачи – нагревательного элемента и проводника. Затем медной проволокой обматывается корпус нагревателя и подключается к трансформатору. Чтобы тепло не терялось в процессе эксплуатации, на котел можно соорудить защитный кожух.

Хорошая альтернатива стандартным системам отопления. Его эффективность составляет около 97% КПД. Такие системы экономичны, функционируют на любой жидкости, работают бесшумно, не выделяют вредных веществ.

При соблюдении правил сборки котлы безопасны в эксплуатации. Они долговечны. Но если какой-то элемент придет в негодность, замена его не составит сложностей. Все материалы легко заменимы и доступны.

Горячее водоснабжение стало привычным в домах городских жителей. Однако, его отключение – аварийное или с целью профилактических работ – способно серьезно нарушить привычный быт. Особенно остро вопрос о том, чтобы купить нагреватель воды становится в семьях с маленькими детьми и пожилыми членами семьи. Первым купание «из ковшика» может грозить простудами, а вторым тяжело переносить ведра с водой от плиты до ванной.

Виды нагревателей для воды

У тех, кто не привык иметь дело с водонагревателями, возникают опасения:

• если нагреватели газовые, не будет ли ситуации, что при падении давления горячей воды, горелка потухнет, а подача газа продолжится? Или другой вариант: при падении напора интенсивность работы горелки останется на прежнем уровне и колонка «закипит»;
• а электрические водонагреватели страшат итоговым счетом за электроэнергию? Есть ли защита, чтобы сохранить семейный бюджет;

Все эти страхи давно потеряли основание. Теперь нагреватели воды электрические или газового типа оснащены автоматизированными системами контроля на случай резкого падения давления подачи воды, а также термостатами, которые независимо от объема подачи поддержат установленную температуру.

Рассмотрим, какое отличие накопительных от проточных водонагревателей, и какому типу стоит отдать предпочтение. Что лучше – иметь в кране постоянный поток горячей воды, или ограниченный? Кто-то скажет «заверните оба» и приобретет комбинированный тип водонагревателя. Чем они будут отличаться:

• агрегаты проточного типа или прямоточные - производят нагрев движущейся жидкости и монтируются непосредственно в систему водопровода;
• накопительные водонагревательные приборы сначала обеспечивают необходимый запас воды, после чего происходит нагрев;
• агрегаты проточно-накопительного типа – это комбинированный вариант, позволяющий по необходимости применять более удобный способ в зависимости от потребности.

Хороший электрический или газовый нагреватель воды могут иметь в основе как накопительный, так и проточный тип нагрева воды. В первом случае требуемый объем поступает в бойлер и нагревается спустя некоторое время. Если это проточный водонагреватель, то поток воды пропускается через нагревательный ТЭН. Среди электрических, выделяют так называемые индукционные водонагреватели, которые имеют исключительно проточный механизм нагрева воды.

Проточные

Этот же тип водонагревателя может называться «прямоточный». Газовый агрегат экономически более выгоден с точки зрения затрат на использования энергоносителя, нежели электрический. Однако, осуществить его монтаж можно исключительно в домах с газификацией. А если ни газа, ни электричества? В этом случае остается «баллонный» вариант. Именно газовый баллон становится единственным источником горячей воды на дачах. Здесь есть ряд условий:

• ваша газовая колонка должна быть адаптирована под подключение к баллону и газу, который в нем используется. В противном случае требуется переналадка агрегата, замена сопел коллектора;
• после переоборудования аппарат проверяют на герметичность;
• на колонке маркируется дата осуществления переналадки с указанием вида газа, который приемлем для использования.

Монтаж газовой колонки осуществляется после тройника или коллектора, по которому происходит разводка горячей воды. Для сравнения: прямоточный вариант электрического водонагревателя устанавливается под краном, тем самым снижая тепловую потерю при транспортировке жидкости к месту потребления.

Электрический прямоточный водонагреватель не имеет накопительного резервуара и обладает большой мощностью. Затраты электроэнергии могут достигать 30 кВт. Это компактный агрегат, который позволяет произвести монтаж прямо под умывальником. Применение такого нагревателя возможно исключительно в домах, проводка которых рассчитана на электроплиты. Перед установкой необходимо проконсультироваться с электриком в обязательном порядке.

Еще одной разновидностью электрического прямоточного нагревателя воды называют так называемые индукционные колонки. В отличие от агрегатов с ТЭНами этот тип может похвастаться самым высоким КПД – до 98 процентов. Экономия электричества с таким нагревателем может составлять до 30-50 процентов. Простая конструкция. Нагревательный элемент не контактирует с водой, кроме внутренней стенки трубы по которой и осуществляется подача. Магнитное поле переменного типа не позволяет образовываться отложениям и прогревает сразу весь объем жидкости, что экономит время. Вода нагревается очень быстро. Большой эксплуатационный срок службы – до 30 лет. Единственный недостаток этого чудо агрегата – высокая стоимость.

Принцип работы

Накопительные

Бойлер с газовым подогревом устанавливают исключительно при отсутствии возможности подключить агрегат большей мощности. Это габаритный и при этом дорогостоящий вариант. Мощность прибора напрямую определяет его производительность.

Электрический накопительный водонагреватель - простой способ решить проблему с горячим водоснабжением. Электросеть есть практически везде. И в отличие от газового оборудования на него не нужно никаких согласований и разрешений.

В отличие от прямоточного, накопительный нагреватель воды имеет специальный резервуар, оснащенный ТЭНами и теплоизоляцией. Вода из трубопровода поступает в бак, а после посредством сливного штуцера поступает к потребителю. Это может происходить как под воздействием давления, так и путем самотека. На лицевой части такого агрегата устанавливается специальный градусник, который позволяет определять температуру воды в баке.

В зависимости от производителя электрический бойлер может оборудоваться датчиками:

• сухого хода - предотвращают нагрев ТЭНа, если в баке отсутствует вода;
• системы контроля давления - отключает энергопотребление при перегреве жидкости;
• комбинированный подход к безопасности. Механический клапан дополняется электронными датчиками на корпусе или штуцере.

Ко всему прочему должен быть силовой блок, рассчитанный на напряжение 180-240Вольт, а не только стандартные 220 вольт.

Бойлер монтируется на трубопровод с холодным водоснабжением и дополняется на выходе коллектором для труб горячего водоотведения к точкам потребления. Главное требование к корпусу водонагревателя – компактность и достаточная теплоизоляция. Самым эффективным с этой точки зрения является пенополиуретан. Качественная теплоизоляция – залог эффективной работы бойлера без лишних затрат на теплопотери.

Схема накопительного водонагревателя

Проточно-накопительные

Комбинированный проточно-накопительный тип нагревателей может работать как на электроэнергии, так и от газопровода. Более того, именно такой тип колонок могут быть подключены к различным альтернативным источникам энергии – например, солнечным батареям, тепловым насосам.

В схему такого агрегата входит как проточный, так и накопительный тип нагревателя. Имеется возможность аккумулировать запас горячей воды на небольшие нужды и обеспечить проточный нагрев для ванной или душа. Причем при осуществлении монтажа можно сразу произвести распределение водоотведения в соответствии с нужным объемом на точках потребления.

Установка осуществляется на трубопровод с холодной водой с дальнейшим водоотведением через коллектор.

Источник питания	Вид нагревателя	Достоинства	Недостатки	Примечания
Газовый	Проточный	Выгоден при небольшом потреблении горячей воды.	Можно установить только в домах с газификацией. Установка за коллектором увеличивает теплопотерю за время поступления воды к точке потребления.	Экономный в виду стоимости энергоносителя. Требуют достаточного напора воды для работы. Установка газового водонагревателя требует согласования с контролирующими органами.
	Накопительный	Будет более предпочтителен и экономичен при большом расходе воды.	Оправдывает установку только в случае отсутствия возможности подключения более эффективного агрегата.
	Проточно-накопительный	Позволяет эффективно разводить точки потребления по способу водонагрева.
Электрический	Проточный	Теплопотери при доставке горячей воды к месту потребления минимальны благодаря установке прямо за краном. Компактный.	Большой расход электроэнергии. Проводка должна соответствовать напряжению, в доме, где нет электрических плит, не выдержит напряжения.	Перед установкой требуется консультация электрика. Не требуется разрешения на установку. Пожаробезопасен, не нуждается в вентиляции.
	Накопительный	Компактный. Обладает датчиками контроля давления и нагрева ТЭНов.	При недостаточной теплоизоляции расход энергии будет увеличиваться.
	Проточно-накопительный	Позволяет экономить за счет разведения точек потребления по способу водонагрева. Допускает использование альтернативных источников энергии.	Требует установки двух систем нагрева.
Электрический индукционный	Проточный	Быстро нагревает воду. Экономия электроэнергии до 50 поцентов. КПД – до 98 процентов. Длительный срок службы. Простая конструкция.	Высокая стоимость.	Есть возможность собрать самостоятельно.

Газовый проточный

Индукционный Накопительный газовый Электрический накопительный

Электрический проточный

Принцип работы

Проточный нагреватель имеет простую схему работы. По медной трубке производится подача воды. Сама трубка в виде спирали оборачивается вокруг источника энергии – газовой горелки или ТЭНа (по-другому трубчатого электрического нагревателя). Индукционный нагреватель воды использует силу переменного магнитного поля, который воздействуя на материал с высоким сопротивлением, заставляет его нагреваться за счет возбуждения электротока. Ток из электросети с помощью инвертера преобразуется в высокочастотный и передается на катушку, которая генерирует переменное магнитное поле. Труба с жидкостью играет роль сердечника. Возбуждаемый в нем под действием магнитного поля электроток заставляет его нагреваться и увеличивать температуру воды.

Принцип работы

В накопительном нагревателе вода сначала поступает в резервуар, где постепенно нагревается до нужной температуры. Причем согласно физическим законам более теплые слои постепенно перемещаются в верхнюю часть бака, а холодные опускаются вниз.

Газовые водонагреватели имеют открытые и закрытые камеры сгорания для вывода продуктов отработки энергоносителя . Может использоваться дымоход или коаксиальный рукав из металла .

Электрические колонки могут различаться по типу ТЭНов: трубчатый или сухой. Самый распространенный трубчатый. Это металлическая трубка, внутри которой размещен проводник, обладающий высоким электрическим сопротивлением. Трубка нагревается за счет проводника и отдает тепло воде. Диэлектриком в этом случае выступает песок, заполняющий пространство между проводником и стенками трубки.

ТЭНы способствуют образованию накипи, что снижает эффективность работы нагревателя.

Так называемый сухой ТЭН – это не трубка, а особая колба, внутри которой специальное масло или кварцевый песок. Его еще называют керамическим. На стенках колбы образуется гораздо меньше накипи и такой вариант признан более электробезопасным.

Схема подключения

Правила выбора

Решая, какой водонагреватель лучше проточный или накопительный, определитесь со своими ожиданиями.

Какие конкретно функции будут возложены на оборудование по обеспечению горячей воды:

• у вас есть горячее водоснабжение, но на периоды профилактических работ вы хотите иметь дополнительный источник горячей воды;
• вас интересуют водонагреватели, чтобы просто вскипятить воду для мелких нужд;
• или же система горячего водоснабжения отсутствует и вам нужна электрическая или газовая колонка в ванной комнате в качестве основной системы водонагрева.

Определившись с конкретной целью покупки, переходите к следующему шагу. Вычислите предполагаемый суточный расход воды. Опираться в вычислениях можно на следующие величины:

• посещение душа – 20 литров на 1 человека;
• затраты на приготовление пищи, мытье посуды и прочие хозяйственные нужды – 12 литров.

В среднем российская семья состоит из четырех человек. На основании этого делаем расчет суточной потребности в горячей воде: 4 (количество членов семьи)*20 (затраты горячей воды при посещении душа на 1 человека)+12 (суточный расход на хозяйственные нужды)=92 литра.

В нашем примере оптимальным выбором станут водонагреватели с баком 100 литров. Меньший объем брать не рекомендуется, так как всегда будет риск, что кому-то воды не хватит и будет необходимость нагревать повторно. Если планируется использование водонагревателя для большого дома или не бытовое применение, в обязательном порядке получите консультацию специалистов.

Помимо цены , нужно объективно оценить возможность подключения водонагревателя к требуемому источнику энергообеспечения . Проверено : чем больше объем бака водонагревателя , тем больше эксплуатационный срок . Выбирайте модель с учетом ее технических требований к монтажу и эксплуатации . При покупке важна репутация производителя и продолжительность гарантии .

При выборе нагревателя для воды нельзя необоснованно экономить. Некачественная или несоответствующая реальным потребностям модель в будущем доставит много проблем, реагируя на перепады давления в трубопроводе или перегружая электросеть. Проточный водонагреватель хорош в жилище с большим расходом воды, а вот пытаться экономить используя накопительный газовый тип не самая лучшая идея. Это будет великий агрегат с зависимостью от давления воды, который стоит выбирать исключительно при отсутствии других альтернатив. Проточные индукционные нагреватели считаются самыми эффективными, но их покупку можно считать масштабной инвестицией в будущую экономию электроэнергии на горячей воде.

Видео