Электрический котёл своими руками. Строим экологичный отопительный агрегат

Электрический котёл. Конструкция и принцип работы 

Самодельный электрический котёл

Электрические отопительные котлы имеют несложную конструкцию, что обуславливает их высокую надёжность и демократичную стоимость. В основе любого агрегата находится теплообменник, который состоит из ёмкости и нагревательного устройства. В зависимости от способа работы последнего, все электрокотлы делятся на несколько типов:

• агрегаты с трубчатыми электрическими нагревателями (ТЭНами);
• котлы с индукционным преобразователем энергии;
• устройства с электродными нагревателями.

Кроме этого, каждая отопительная установка снабжается патрубками для подачи и отвода теплоносителя, а также термостатом, который поддерживает температуру в котле на заданном уровне. Движение рабочей жидкости в отопительной системе может осуществляться как гравитационным способом, так и принудительно — это зависит от типа оборудования. Если есть необходимость в циркуляционном насосе, то его устанавливают на входе обратной магистрали.

Устройство электрического отопительного котла

Безопасность работы электрического отопительного агрегата обеспечивает предохранительный клапан. Это автоматическое устройство сбрасывает излишки давления в случае его неконтролируемого роста из-за вскипания теплоносителя. Подобные проблемы случаются при поломках блока управления или термостата, отвечающего за стабильность температуры. Защиту от поражения электричеством обеспечивает контур заземления и устройство защитного отключения (УЗО).

Если необходимо снизить тепловые потери (например, в случае установки котла в неотапливаемом помещении), то теплообменник защищают слоем утеплителя и устанавливают в защитный кожух.

Типы электрических отопительных агрегатов

Принцип работы установки зависит от способа нагрева теплоносителя, поэтому рассмотрим особенности котлов всех типов.

Отопительный котёл с ТЭНами

Котлы, в которых используются трубчатые нагревательные элементы, получили самое широкое распространение благодаря простой и недорогой конструкции. ТЭНы, которые обеспечивают их работоспособность, установлены непосредственно в ёмкость теплообменника. Нагрев происходит благодаря высокому сопротивлению спирали нагревателя. При прохождении тока она разогревается до высокой температуры. Тепловая энергия передаётся жидкости, которая омывает поверхность рабочего элемента. Благодаря постоянной циркуляции теплоносителя исключается перегрев ТЭНа и обеспечивается бесперебойная работа системы. Для поддержания температуры на одном уровне конструкцией котла предусмотрен термостат, разрывающий электрическую цепь при превышении установленных параметров. Повторное включение аппарата в работу происходит автоматически, при снижении температуры до минимального уровня. «Вилка» параметров задаётся пользователем и выбирается с учётом личных предпочтений.

Принципиальная схема электрического котла с ТЭНами

Описанный отопительный агрегат является идеальной конструкцией для изготовления в домашних условиях. Всё, что для него потребуется — подходящая ёмкость и трубчатые электронагреватели. Тем не менее считать идеальным такой котёл нельзя. К недостаткам подобного решения относится низкий КПД — менее 80 % и сильная зависимость от качества теплоносителя. Дело в том, что растворённые в воде соли образуют накипь на трубках нагревателя. Снижение теплопроводности приводит к перегреву и преждевременному выходу ТЭНов из строя. Специалисты говорят о том, что известковый налёт толщиной всего 2 мм уменьшает производительность прибора более чем на 25 %. Несмотря на это, преимущества в виде простоты и низкой стоимости делают электрический котёл с трубчатыми электронагревателями самой популярной конструкцией у домашних мастеров.

Индукционного типа

В отличие от ТЭНовых обогревающих установок, котлы, использующие физическое явление электрической индукции, обладают почти стопроцентным КПД и впечатляющей долговечностью. Срок службы агрегатов достигает 30 лет, причём параллельно с основной задачей они могут выполнять функции бойлера для системы горячего водоснабжения. Благодаря преобразованию энергии практически без потерь, индукционные отопительные установки очень экономичны и обладают максимальной энергоффективностью. В чём же подвох, спросите вы? Почему этот вариант не стал самым популярным у «самодельщиков»? Всё дело в сложности конструкции и необходимости использования электронных преобразователей напряжения.

Принципиальная схема индукционной отопительной установки

Конструкционно индукционный котёл состоит из электрической катушки — индуктора, установленного на металлический сердечник. В качестве последнего выступает лабиринт труб, по которым циркулирует теплоноситель системы отопления. По большому счёту подобная схема является не чем иным, как трансформатором с короткозамкнутой вторичной обмоткой. При подаче на индуктор питающего напряжения, вокруг него возникает электромагнитное поле, которое в теле кондуктора (участок трубопровода системы отопления) порождает вихревые токи. Они-то и разогревают металл полого сердечника, внутри которого циркулирует вода или антифриз. Теплопередача происходит практически без потерь, а площадь соприкосновения в несколько раз выше, чем при использовании ТЭНа. Это, а также возможность разогрева стального кондуктора до более высокой температуры, способствует увеличению скорости нагрева и снижению тепловой инерционности отопительной системы. Так же, как и в случае с трубчатыми электронагревателями, постоянное движение жидкости предотвращает перегрев установки и способствует длительной работе агрегата. Отметим и тот факт, что рабочие токи создают вибрацию стенок сердечника, препятствующие образованию накипи.

Видео: Принцип действия индукционного нагревателя

Электродный агрегат

Принцип действия электродного котла напоминает работу всем известной конструкции «армейского» кипятильника, состоящего из двух лезвий, зазор между которыми определяется толщиной проложенных спичек. Благодаря растворённым в воде солям жидкость является неплохим проводником. Это и используется в популярной схеме. Постоянный электрический ток, приложенный к погружённым в воду контактам, способствует перемещению заряженных частиц от одного электрода к другому. Если же подать на описанную схему переменный ток нашей сети, то заряженные частицы будут менять направление движения с частотой 50 Гц (то есть 50 раз в секунду). Согласно закону Ома, снижение сопротивления при условии постоянного напряжения влечёт за собой повышение силы тока, поэтому важно поддерживать высокое содержание солей в жидкости.

Принцип действия электродного котла

Разогрев теплоносителя осуществляется благодаря постоянному движению ионов от одного электрода к другому. При этом даже максимально насыщенная вода по электропроводности значительно уступает таким металлам, как сталь или медь. Благодаря её повышенному сопротивлению и происходит нагрев, мощность которого можно рассчитать по формуле:

P=UI, где:

• P — искомая мощность установки, Вт
• U — напряжение (220В и 380В для наших сетей, в зависимости от количества фаз);
• I — сила тока, А.

Конструкция электродного котла

Конструктивно электродный котёл представляет собой корпус в виде отрезка металлической трубы и расположенного внутри круглого электрода, изолированного при помощи фторопластовой или стеклотекстолитовой втулки. Фазное напряжение подаётся на внутренний контакт, а ноль подключается к корпусу агрегата. Обязательным условием является наличие качественного заземляющего контура, который также соединяют с массой котла. При эксплуатации установки, в качестве электролита используют специальный теплоноситель или раствор пищевой соды. При этом важно выдержать точное содержание щёлочи, поскольку от её количества зависит сила тока в цепи, а следовательно, и мощность установки. Для регулировки температуры в системе с электродным котлом также используют термостат, а безопасность агрегата обеспечивают монтажом предохранительного клапана, автоматическим выключателем и УЗО.

Преимущества и недостатки электрических отопительных котлов

Если сравнивать электрические конструкции с котлами, сжигающими топливо, то нельзя не отметить преимущества первых:

• простое, надёжное устройство;
• повышенная безопасность во время эксплуатации;
• нет необходимости в обустройстве дымоходов;
• электричество является наиболее доступным типом энергии;
• установку можно разместить в любом месте, нет необходимости в отдельном помещении;
• при изготовлении электрокотла требуется намного меньше материалов;
• владелец получает возможность точно отрегулировать температуру;
• высокий КПД — до 99%;
• срок службы отдельных отопительных установок превышает 30 лет;
• бесшумность и безопасность для окружающей среды;
• электрические отопительные приборы отлично поддаются автоматизации.

Что же касается недостатков, то на сегодняшний день он один — высокая стоимость электроэнергии. Тем не менее использование электрических силовых установок при отсутствии других вариантов или в качестве резервных источников тепла является не только оправданным, но и экономически обоснованным.

Сравнение параметров электрических отопительных котлов

Расчёт мощности

Приступая к постройке самодельного отопительного агрегата, прежде всего, определяют необходимую мощность. На основании этой величины делают вывод о целесообразности выбора того или иного типа котла, проводят дальнейшие расчёты, определяют размеры и количество компонентов.

Различные источники приводят несколько методик определения мощности обогревающих установок. Проще всего использовать формулу:

W = Wy × S (кВт), где:

W —мощность котла;

Wy — удельная мощность для разных регионов (северные районы — 0.2, центральные — 0.12 -0.15, южные — 0.07);

S — отопляемая площадь, м2.

Для уточнения полученных значений результат надо умножить на поправочный коэффициент:

• для домов с неутепленной кровлей — 0.25;
• если отсутствует теплоизоляция стен — 0.35;
• при частом проветривании — 0.15.

Нередко специалисты, которые занимаются монтажом систем отопления, рекомендуют вести расчёт исходя из нормы в 100 – 150 Вт на 1 кв. м. в зависимости от региона проживания. Конечно, такой способ не назовёшь самым точным, однако, для прикидочной оценки он подойдёт. В других случаях всё же лучше сделать небольшой запас мощности на непредвиденные обстоятельства.

При выборе кабеля для подключения электрического котла особое внимание уделяют площади сечения проводника

Получив искомое значение, обязательно проанализируйте параметры вашей электрической сети. Возможно, для подключения оборудования потребуется тянуть дополнительную силовую линию или проводить реконструкцию имеющихся коммуникаций. Лучше всего проконсультироваться по этим вопросам с электриками энергопоставляющей компании.

Инструкции по изготовлению своими руками

Прежде чем приступать к работе, надо выбрать подходящую конструкцию, провести необходимые расчёты и подготовить чертежи, запастись материалами и инструментами.

Как и для любого другого самодельного устройства, использование готовых чертежей с точными размерами при постройке электрокотла маловероятно. Скорее всего, каждый будет исходить из собственных потребностей и наличия того или иного материала. Тем не менее мы подготовили чертежи, схемы и инструкции по изготовлению отопительных котлов различного типа. Возможно, они послужат примером для ваших собственных разработок, а может, одна из представленных конструкций полностью подойдёт по всем параметрам.

Как сделать индукционную отопительную установку

Схема самодельного индукционного котла

Несмотря на мудрёный принцип действия, индукционные котлы устроены просто, поэтому их легко можно сделать в домашних условиях. Единственное, что может вызвать трудности — изготовление высокочастотного преобразователя напряжения. Если у вас нет опыта в постройке электронных устройств, то эту часть работы лучше доверить специалистам. Электронная схема, представленная ниже, позволит питать котёл мощностью до 5 кВт. Чтобы облегчить задачу, можно использовать для питания установки недорогой сварочный инвертор, подключаясь перед выходными выпрямительными диодами.

Схема преобразователя напряжения для индукционного отопительного котла

Установка подобных индукционных котлов возможна только в системах с принудительной циркуляцией теплоносителя. В противном случае корпус отопительной установки может расплавиться. Именно поэтому котёл включают только после проверки работоспособности циркуляционного насоса.

Инструменты и материалы

Для изготовления индукционного отопительного котла понадобятся:

• толстотелая пластиковая труба внутренним диаметром не более 50 мм, которая будет использоваться как корпус котла и основа индукционной катушки;
• в качестве кондуктора будет применяться круглый стальной прокат диаметром до 7мм (катанка), нарезанный кусками длиной до 50 мм;
• фитинги для подключения к отопительной системе;
• металлическая сетка с мелкой ячейкой для фиксации стальных элементов кондуктора;
• медный изолированный провод диаметром 5 мм;
• автомат отключения питания на 25 А;
• термостат, коммутирующий ток не менее 16 А.

Перед началом работы надо приготовить такие инструменты:

• угловую шлифмашину с установленным отрезным диском;
• паяльник для пайки пластиковых труб;
• мультиметр;
• кусачки;
• ножницы по металлу;
• тиски.

Самостоятельное изготовление

1. Круглый металлопрокат (катанку) разрезают на части длиной 50 см. Они понадобятся в качестве кондуктора нашего индукционного агрегата.
2. От пластиковой трубы отпиливают кусок длиной не менее 1 м. Он послужит корпусом и одновременно участком трубопровода для теплоносителя системы отопления.
3. Из металлической сетки вырезают круглые детали, диаметр которых равняется внутреннему размеру корпуса котла. Они необходимы для того, чтобы нарезанные элементы кондуктора удерживались внутри трубы. Поэтому размер ячеек сетки должен быть меньше диаметра катанки.
4. Один конец пластиковой трубы закрывают проволочной заглушкой на расстоянии до 10 см от торца.
5. Внутреннее пространство котла заполняют элементами кондуктора, после чего фиксируют металлические детали сеткой, расположенной на расстоянии 10 см от края.
6. В корпус котла вваривают фитинги для подключения устройства к отопительной системе. Лучше, если циркуляционный насос при этом будет установлен на входе обратной магистрали.
7. Индуктор изготавливают из медного изолированного провода (шины), наматывая его виток к витку на пластиковую трубу. Длина катушки должна составлять 90 см. Для этого потребуется примерно 10 м провода.

Изготовление индуктора

8. Концы катушки присоединяют к преобразователю напряжения. Сам электронный прибор обязательно заземляют. Напоминаем, что при использовании сварочного инвертора его надо будет вскрыть и припаять выводы катушки индуктора ко входу мощных выпрямительных диодов (они установлены на выходе прибора).
9. После заполнения системы теплоносителем котёл включают и тестируют.

Для регулировки температуры в отопительной системе используют термостат, к силовой части которого подключают провода питания преобразователя напряжения. 

Видео: Индукционная установка

Высокочастотное электромагнитное излучение индукционных аппаратов можно экранировать. Для этого используют установленный на расстоянии стальной или латунный лист, соединяя его с «массой» агрегата.

Отопительный котёл с трубчатыми электронагревателями

Чертёж ТЭНового электрического котла

Представленная конструкция отопительного агрегата с ТЭНами в виде нагревательных элементов характеризуется простотой и нетребовательностью к материалам. Такой котёл можно использовать для обогрева небольшого помещения, установить в бане или гараже, а для его подключения потребуется обычная бытовая электросеть напряжением 220 В.

Всё, что потребуется для его изготовления — отрезки стальных труб для корпуса и патрубков, листовой металл для фланцев и один-два трубчатых электронагревателя. К слову, для одного ТЭНа достаточно трубы диаметром 100 мм. Если же надо установить 2 – 3 нагревателя, то понадобится труба диаметром 130 – 150 мм. Что касается длины корпуса, то она должна превышать линейные габариты нагревательного элемента как минимум на 50 – 60 мм.

При использовании в конструкции нескольких ТЭНов, каждый из них необходимо подключить через отдельный автомат. Кроме того, если в доме есть трёхфазная сеть, то нагревательные элементы лучше подсоединять к разным фазам.

Инструменты и материалы

Для изготовления маломощного электрокотла на 2.4 кВт понадобятся такие материалы:

• стальная труба Ø120 мм (толщина стенки не менее 3 мм) длиной 650 мм;
• металлические сгоны: Ø1.25˝ – 2 шт., Ø0.5˝ – 3 шт.;
• пластина стальная толщиной от 5 мм размерами не менее 150×150 мм;
• круглая стальная пластина от 3 мм диаметром не менее 120 мм.
• два ТЭНа мощностью 0.9 и 1.5 кВт;
• термостат, коммутирующий ток не менее 12 А при напряжении 220 В;
• предохранительный клапан, рассчитанный на давление не более 8 атм.

Из инструментов необходимо подготовить:

• сварочный аппарат (лучше всего постоянного тока, или инвертор);
• угловую шлифмашину с отрезным и шлифовальным дисками;
• дрель электрическую с набором свёрл по металлу;
• набор отвёрток и гаечных ключей;
• мерительный инструмент и маркер.

Кроме того, потребуется подготовить преобразователь ржавчины, грунтовку и краску для защиты готового изделия от ржавчины и придания ему эстетичного вида.

Инструкция по изготовлению

1. Изготавливаем теплообменник. Для этого надо взять трубу Ø120 мм и в местах подключения к отопительной системе проделать в ней отверстия Ø1˝. Для этого лучше всего воспользоваться аппаратом плазменной резки или газорезом. В крайнем случае места под входной и выходной патрубки можно прожечь электродом.
2. Отверстия зачищают при помощи «болгарки», после чего вваривают подготовленные сгоны Ø1.25˝.

Отверстия зачищают при помощи болгарки

3. В качестве днища отопительного агрегата используют металлическую пластину толщиной не менее 5 мм. Она будет закрывать корпус теплообменника снизу и послужит фланцем для ТЭНа большей мощности. Подобный вариант является наиболее простым, однако, если нагреватель перегорит, то заменить его будет непросто. Устранить этот недостаток можно, установив фланец разъёмного типа.

Монтаж патрубка

4. Сгоны меньшего диаметра ввариваются аналогично патрубкам подачи. Один из них устанавливается в самой нижней точке теплообменника и предназначен для сброса воды из системы. В дальнейшем на этот сгон будет установлен шаровой кран. Другой патрубок предназначен для монтажа маломощного ТЭНа, оборудованного терморегулятором. Третий сгон понадобится в том случае, если систему надо будет дополнительно оборудовать расширительным бачком.

Теплообменник готов к монтажу ТЭнов

5. Со стороны стены к корпусу котла приваривают шпильку Ø6 мм. Она понадобится для подключения заземления.
6. В нижней пластине сверлят отверстия под установку мощного ТЭНа, после чего монтируют нагреватель, устанавливают герметизирующие прокладки и затягивают гайки крепления.

Отверстия под ТЭН U-образного типа

7. Верхнюю часть теплообменника закрывают круглой металлической пластиной Ø120 мм, вырезанной из стального листа толщиной не менее 3 мм. После этого проходят сваркой по периметру детали.

Нагреватели устанавливают на уплотняющие прокладки

Представленная конструкция имеет существенный недостаток в виде невозможности замены трубчатого нагревателя. Для того чтобы проделать эту операцию, котёл придётся демонтировать и срезать болгаркой верхнюю крышку. Избежать этой неприятности можно, применяя фланец разъёмного типа или стержневые ТЭНы, которые устанавливаются в бойлерах. Разумеется, предварительно надо будет вварить в теплообменник резьбовые посадочные гнёзда для их монтажа.

8. Герметичность сварочных швов можно проверить в большой ёмкости с водой, предварительно закрыв патрубки полиэтиленовой плёнкой.
9. После установки дополнительного ТЭНа, терморегулятора и шарового крана котёл присоединяют к отопительной системе и заполняют систему теплоносителем.
10. Если к герметичности системы нет вопросов, котёл подключают сначала к контуру заземления, а потом к электрической сети. Лучше всего это сделать посредством защитного автомата на 25 А с использованием УЗО.
11. На завершающем этапе на ТЭНы подают рабочее напряжение, после чего тестируют систему при максимальной температуре и при включении нагревателей по отдельности.

Электрокотёл будет готов к эксплуатации после покраски

Для защиты котла от коррозии его поверхность обрабатывают преобразователем ржавчины, после чего грунтуют и красят. Конечно, эту процедуру удобнее выполнять до инсталляции котла в отопительную систему.

Видео: Самодельный электрический котёл на ТЭНах

Электродный котёл

Электродный котёл, представленный на чертеже, имеет очень простую конструкцию. Тем не менее вы можете модифицировать её. К примеру, резьбовые заглушки 4 можно исключить, заменив их наглухо заваренными сварщиками. Или же в качестве патрубков 3 использовать готовые сгоны с резьбой, приварив их к корпусу.

1 — железная бесшовная труба Ø57 мм с внутренней резьбой; 2 — покрытие из термостойкой краски; 3 — патрубки входа и выхода теплоносителя Ø32 мм с наружной резьбой; 4 — боковые металлические заглушки; 5 — внутренний электрод для котла Ø25 мм; 6 — присоединительные клеммы с резьбой М6 для подключения нулевого провода и заземления; 8 — прокладки из резины или паронита

Материалы и инструменты

Для сборки электродного котла понадобятся:

• стальная бесшовная труба Ø57 мм длиной до 300 мм;
• сгоны Ø32 мм с наружной резьбой — 2 шт.;
• шпильки с резьбой М6 длиной до 20 мм — 2 шт.;
• заглушки с наружной резьбой — 2 шт. (лучше, если одна из них будет выточена из фторопласта или другого электроизоляционного материала);
• электрод Ø25 мм;
• резиновые или паронитовые прокладки;
• термостат.

Так же, как и для изготовления других электрических котлов, в этом случае потребуется самый простой и распространённый инструмент:

• сварочный аппарат;
• болгарка;
• электрическая дрель с набором свёрл;
• набор метчиков и плашек;
• набор гаечных ключей;
• токовые клещи.

Не забудьте и о термостойкой краске — самоделку надо будет защитить от коррозии.

Инструкция по сборке

1. К отрезку трубы — корпусу котла приваривают сгоны с внутренней резьбой, в которые будут ввинчиваться пробки. Если есть доступ к токарному станку, то эту операцию можно упростить, сделав с его помощью нарезку по краям трубы.
2. В местах установки впускного и выпускного патрубков сверлят отверстия диаметром не менее 25 мм. На краях сгонов делают сферические углубления для лучшего прилегания патрубков к корпусу.
3. К основной трубе приваривают сгоны и шпильки, которые будут клеммами заземления.
4. На конце электрода делают проточку, после чего нарезают на ней резьбу.

При сооружении котла можно использовать электроды от отопительных агрегатов заводского изготовления

5. Во фторопластовой заглушке сверлят отверстие, равное диаметру резьбовой части электрода.
6. Внутренний электрод устанавливают в пробку и крепят гайкой.

Детали электродного котла готовы к сборке

7. Заглушки устанавливают на место, котёл врезают в систему отопления и заливают в него теплоноситель для электродных конструкций.

После установки отопительного агрегата проверяют герметичность соединений, после чего подключают провода заземления и питания. Подачу напряжения осуществляют через автомат отключения, рассчитанный на 25 А и УЗО.

Настройку котла выполняют при помощи токовых клещей и раствора соды в пропорции 1:10. Измерительный прибор устанавливают на одном из проводов подачи питания и включают котёл в сеть. Добавляя раствор соды в теплоноситель, наблюдают за показаниями амперметра. Необходимо добиться значения силы тока в 18 А. В этом случае мощность отопительного агрегата будет составлять около 4 Вт.

Видео: самодельная конструкция

Самостоятельно собранная электрическая отопительная установка обеспечит тепло и уют в доме, придаст уверенности в собственных силах. Работая своими руками, вы сэкономите немало денег для других проектов. Только не забывайте, что использование электричества потребует предельной собранности и внимания как во время монтажа, так и в процессе эксплуатации. Собирая отопительный котёл, выполняйте рекомендации опытных мастеров, прислушивайтесь к советам профессионалов. После запуска периодически контролируйте работу установки и соблюдайте правила обращения с электричеством. Только в этом случае самодельный электрический агрегат будет приносить пользу, а его владелец сможет гордиться проделанной работой.