Как сделать индукционный нагреватель своими руками?

Введение. Теория Эйнштейна

Рис. 1a. Поглощение фотона Рис. 1б. Вынужденное испускание фотона Рис. 1в. Спонтанное испускание фотона Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении (испускании) внёс А. Эйнштейн опубликовав в 1916 и 1917 годах соответствующие научные статьи. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может:

• перейти с более низкого энергетического уровня E 1 {\displaystyle E_{1}} на более высокий E 2 {\displaystyle E_{2}} с поглощением фотона энергией ℏ ω = E 2 − E 1 {\displaystyle \hbar \omega =E_{2}-E_{1}} (см. рис. 1a);
• перейти с более высокого энергетического уровня E 2 {\displaystyle E_{2}} на более низкий E 1 {\displaystyle E_{1}} с испусканием фотона энергией ℏ ω = E 2 − E 1 {\displaystyle \hbar \omega =E_{2}-E_{1}} (см. рис. 1б);
• кроме того, как и в отсутствие возбуждающего поля, остаётся возможным самопроизвольный переход молекулы (атома) с верхнего на нижний уровень с испусканием фотона энергией ℏ ω = E 2 − E 1 {\displaystyle \hbar \omega =E_{2}-E_{1}} (см. рис. 1в).

Первый процесс принято называть поглощением, второй — вынужденным (индуцированным) испусканием, третий — спонтанным испусканием. Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода: B 12 ⋅ u {\displaystyle B_{12}\cdot u} и B 21 ⋅ u , {\displaystyle B_{21}\cdot u,} где B 12 , {\displaystyle B_{12},} B 21 {\displaystyle B_{21}} — коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания, u {\displaystyle u}

— спектральная плотность излучения.

Число переходов d n 1 {\displaystyle \mathrm {d} n_{1}} с поглощением света выражается как

d n 1 = B 12 u ⋅ n 1 d t , ( 1 ) {\displaystyle \mathrm {d} n_{1}=B_{12}u\cdot n_{1}\mathrm {d} t,\qquad \qquad (1)}

с испусканием света даётся выражением:

d n 2 = ( A 21 + B 21 u ) ⋅ n 2 d t , ( 2 ) {\displaystyle \mathrm {d} n_{2}=(A_{21}+B_{21}u)\cdot n_{2}\mathrm {d} t,\qquad (2)}

где A 21 {\displaystyle A_{21}} — коэффициент Эйнштейна, характеризующий вероятность спонтанного излучения, а n 1 , n 2 {\displaystyle n_{1},n_{2}} — число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число квантов света d n 1 {\displaystyle \mathrm {d} n_{1}} при переходах 1 → 2 должно равняться числу квантов d n 2 , {\displaystyle \mathrm {d} n_{2},} испущенных в обратных переходах 2 → 1.

Гальванический элемент

Одним из самых распространенных источников тока является гальванический элемент. Его же мы и будем использовать в различных опытах. Поэтому мы рассмотрим его более подробно.

Что такое гальванический элемент простыми словами? Это всем нам хорошо известная батарейка.

Заглянем внутрь нее (рисунок 7), чтобы разобраться, как она работает.

Рисунок 7. Гальванический элемент

Этот элемент в своей основе (рисунок 7, б) представляет собой цинковый корпус 2, внутри которого находится угольный стержень 3. На верхнем конце этого стержня находится металлическая крышка 1.

Стержень окружен смесью 4 оксида марганца (IV) $MnO_2$ и измельченного углерода $C$. Между этой смесью и самим корпусом находится желеобразный раствор соли 5 (хлорида аммония $NH_4Cl$).

В чем же суть? Дело в том, что цинк $Zn$, из которого состоит корпус, взаимодействует с хлоридом аммония $NH_4Cl$. Идет химическая реакция. Цинковый сосуд приобретает отрицательный заряд.

А вот оксид марганца имеет положительный заряд. Угольный стержень передает его на металлическую крышку.

Итак, мы имеет отрицательно заряженный корпус и положительно заряженный стержень. Они будут называться электродами. Между ними возникает электрическое поле.

Само понятие электрода синонимично с понятием полюса. «Электрод» больше используется в описании электрических явлений и приборов, а «полюс» чаще применяют, когда говорят о магнитах.

Соединим эти два электрода проводником. По нему потечет электрический ток. Так энергия химических реакций превращается в электрическую.

{"questions":,"answer":}}}]}

Монтаж и предварительные мероприятия

Установку Индигирки предваряют защитные работы помещения по пожарной безопасности, после выполнения которых осуществляется монтаж:

1. Место установки печи покрывается листами из металла по картону из асбеста толщиной 1,0 см.
2. Поверхности стен и ограждающих конструкций, расположенных в непосредственной близости от отопительного котла, облицовываются асбестовым картоном или штукатуркой на 25-30 см выше верхней плоскости агрегата.
3. Пол перед топкой усиливается пластиной из металла (50,0 х 70,0 см).
4. Потолочное отверстие для вывода дымохода на улицу отделывается противопожарной изоляцией.
5. Трубу дымохода необходимо оборудовать искроулавливателем, а крышу – кровельными негорючими материалами.
6. Конструкция дымовой трубы должна быть с минимальным числом колен, предпочтительнее дымоотвод прямой, без изгибов.
7. Расстояние от ограждающих конструкций до дверки топки должно быть не менее 1,25 м. Необходимо выдерживать промежуток не менее чем в 1,2 м от варочной панели до потолка. Рекомендованный минимальный зазор между зольным ящиком и полом должен соответствовать 10,0 см.

Производство монтажных работ по устройству дымохода и установка печи на постоянное место должно производиться высококвалифицированными работниками специализированных СМУ.

Следует знать: перед началом эксплуатации печь следует проверить на предмет выявления неисправностей. Обнаруженные повреждения необходимо устранить.

Самодельные станции

Также многие умельцы создают самодельные станции (обычно на основе газогенератора), которые после продают.

Все это указывает на то, что можно и самостоятельно изготовить электростанцию из подручных средств и использовать ее для своих целей.

Далее рассмотрим, как можно сделать устройство самостоятельно.

На основе термоэлектрогенератора.

Первый вариант – электростанция на основе пластины Пельтье. Сразу отметим, что изготовленное в домашних условиях устройство подойдет разве что для зарядки телефона, фонаря или для освещения с использованием светодиодных ламп.

Для изготовления потребуется:

• Металлический корпус, который будет играть роль печи;
• Пластина Пельтье (отдельно приобретается);
• Регулятор напряжения с установленным USB-выходом;
• Теплообменник или просто вентилятор для обеспечения охлаждения (можно взять компьютерный кулер).

Изготовление электростанции — очень простое:

1. Изготавливаем печь. Берем металлический короб (к примеру, корпус от компьютера), разворачиваем так, чтобы печь не имела дна. В стенках внизу проделываем отверстия для подачи воздуха. Вверху можно установить решетку, на которую можно установить чайник и т. д.
2. На заднюю стенку монтируем пластину;
3. Сверху на пластину монтируем кулер;
4. К выводам от пластины подключаем регулятор напряжения, от которого и запитываем кулер, а также делаем выводы для подключения потребителей.

Работает все просто: разжигаем дрова, по мере нагрева пластины на ее выводах начнется генерация электроэнергии, которая будет подаваться на регулятор напряжения. От него же начнет и работать кулер, обеспечивая охлаждение пластины.

Изготовление своими руками

Производить электрогенераторы на дровах стали совсем недавно, поэтому цены на них довольно высокие. Это подстегивает умельцев делать такие приспособления самостоятельно. Основа генератора – элемент Петелье, то есть термоэлектрический преобразователь, который можно купить. Если вам нужна небольшая щепочница, то подойдет элемент Петелье, извлеченный из старого компьютера.

Понадобится стабилизатор напряжения, модуль с выходом USB, корпус, кулер для охлаждения.

Репортаж про один из вариантов данного устройства

[su_youtube url=»https://www.youtube.com/embed/-bCVMh5iXAQ?feature=oembed»]

Критерии выбора

Ввиду того, что дровяной автономный электрогенератор существует в нескольких исполнениях, выбор пользователя упрощается. Так как для дома подходит лишь печь-генератор, то других вариантов нет. А крупногабаритные электростанции на дровах используются для электроснабжения промышленных или гражданских объектов, так как их мощность варьируется в пределах 100-200 кВт.

При выборе следует учесть, объект какой площади будет обслуживаться, а также на какую мощность следует рассчитывать. Чтобы определиться с величиной расхода топлива, нужно спланировать, с какой степенью эффективности и как часто будет использоваться устройство, исходя из этого, подбирается и объем загрузочного контейнера для дров.

Существующие модели

Полнофункциональное высокопроизводительное оборудование типа электростанции BioKIBOR стоит довольно дорого. Если для объекта был выбран генератор на дровах, то купить его можно в пределах суммы 2 000 000 руб. По конструкции это модульная установка с автоматической подачей топлива. Чтобы обеспечить оборудование мощностью 100 кВт дровами на одни сутки, потребуется 5 т (или 200 кг на час работы). Указанное количество топлива требуется для полноценной работы станции.

Смотрим видео о модели печь-генератор на дровах Индигирка:

Такое устройство, как печь-генератор на дровах (Индигирка марки Термофор) обойдется пользователю примерно в 30 000 руб. При покупке учитывается вместительность камеры сгорания (41 л), причем максимальная загрузка – 30 л. Для отвода продуктов горения предусмотрен дымоход, диаметр которого 80 мм, а высота – 3 м. Выходное напряжение составляет 12 В, а мощность – 60 Вт.

Общие рекомендации

Генератор на дровах для зарядки телефона

Для поддержания высокой температуры необходимо следить за тем, достаточно ли топлива в камере сгорания. Если в случае с автоматизированной электростанцией этого делать не придется, то печь-генератор не имеет функции автономной подачи топлива.

Такое устройство должно обязательно эксплуатироваться с отводящим продукты горения дымоходом, в особенности, если эксплуатация ведется в помещении.

В качестве альтернативы дорогостоящему оборудованию можно сделать электрогенератор резервный на дровах своими руками. Но и такая конструкция подразумевает использование элемента Пельтье. Без этого проблематично организовать преобразование температуры в электричество. По оценкам пользователей компактная печь-генератор вполне оправдывает себя, особенно в условиях нынешнего снижения цены на такой агрегат и доступности твердого топлива.

Таким образом, эксплуатация бытового электрогенератора малой мощности является альтернативой производительным бензиновым и дизельным устройствам. Но перед покупкой следует продумать такой момент, как необходимость приобретения инвертора для преобразования выходного напряжения величиной 12 В в 220 В. Без этого невозможно будет подключить большинство современных приборов.

Генераторы

Получить электрический ток можно с помощью специального устройства — генератора.

Генераторы превращают механическую энергию в электрическую, иногда достаточно сложными способами.

Они применяются во всех транспортных средствах для выработки электроэнергии при движении транспорта. Эта энергия идет в том числе и на зарядку аккумулятора.

Генераторы стоят на электростанциях, гидроэлектростанциях, атомных электростанциях генераторы используются для выработки электроэнергии. Существуют даже геотермальные электростанции, на которых установлены генераторы электрического тока. В таких местах насыщенный пар из пробуренной скважины направляется в паровые турбины, соединенные с генераторами. Так внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию, а затем в электрическую.

{"questions":,"answer":}}}]}

Представители электростанций заводского изготовления

Отметим, что указанные варианты – термоэлектрогенератор и газогенератор сейчас являются приоритетными, поэтому выпускаются уже готовые станции для использования, как бытовые, так и промышленные.

Ниже приведено несколько из них:

• Печь «Индигирка»;
• Печь туристическая «BioLite CampStove»;
• Электростанция «BioKIBOR»;
• Электростанция «Эко» с газогенератором «Куб».

Печь «Индигирка».

Обычная бытовая твердотопливная печь (сделанная по типу печи «Буржайка»), оснащенная термоэлектрогенератором Пельтье.

Отлично подойдет для дачных участков и небольших домов, поскольку достаточно компактна и ее можно перевозить в авто.

Основная энергия при сгорании дров идет на обогрев, но при этом имеющийся генератор позволяет получить также электроэнергию напряжением 12 В и мощностью 60 Вт.

Печь «BioLite CampStove».

Тоже использует принцип Пельтье, но она еще более компакта (вес всего 1 кг), что позволяет брать ее в туристические походы, но и количество энергии, вырабатываемой генератором – еще меньше, но ее будет достаточно зарядить фонарь или телефон.

Электростанция «BioKIBOR».

Тоже используется термоэлектрогенератор, но это уже – промышленный вариант.

Производитель по заказу может изготовить устройство, обеспечивающие на выходе электроэнергию мощностью от 5 кВт до 1 МВт. Но это влияет на размеры станции, а также потребляемое количество топлива.

К примеру, установка, выдающая 100 кВт, расходует 200 кг дров в час.

«Эко».

А вот электростанция «Эко» — газогенераторная. В ее конструкции используется газогенератор «Куб», бензиновый двигатель внутреннего сгорания и электрогенератор мощностью 15 кВт.

Помимо промышленных уже готовых решений, можно отдельно купить те же термоэлектрогенераторы Пельтье, но без печки и использовать его с любым источником тепла.

Установка и подготовка к работе

• Место монтажа печи покрывают металлическими листами с прокладкой асбестовыми листами толщиной 10 мм.
• Ограждающие конструкции и поверхности стен, находящиеся рядом с отопительным котлом, покрываются штукатуркой или асбестовым картоном на 30 см выше печи.
• Пол рядом с топкой усиливают металлической пластиной размером 50 х 70 см.
• Отверстие в потолке для дымовой трубы облицовывается термостойкой изоляцией.
• Дымовую трубу необходимо оснастить искрогасителем, а крышу покрыть несгораемым материалом.
• Дымовая труба должна состоять из минимального количества колен, желательно без изгибов.
• Расстояние от топочной дверцы до ограждений должно быть не меньше 125 см. от верхней плиты печи до потолка расстояние не должно быть меньше 120 см.
• Наименьший зазор между полом и ящиком для золы должен быть не менее 10 см.

Установочные работы по монтажу дымовой трубы и самой печи на стационарное место рекомендуется доверить квалифицированным специалистам. Перед началом использования печи необходимо проверить ее на наличие повреждений, и при необходимости устранить их.

Умное отопление, контроллеры для управления электрокотлом

Самый простой способ оптимизировать работу электрического котла и, соответственно, снизить затраты электроэнергии – это установить контроллер с поддержкой недельного расписания и термодатчиков, располагаемых снаружи и изнутри дома.

Электрический котел в плане автоматизации куда проще и надежнее газового или твердотельного котла. Для газового по умолчанию устанавливается только температура теплоносителя в баке. Менять ее приходиться только вручную и чаще «на глазок». Для твердотопливного все еще хуже, ведь нужно регулярно подбрасывать уголь или дрова и конечный результат сложно проконтролировать или настроить.

Если же разобраться по сути, то постоянный и равномерный нагрев дома не нужен.

Днем, когда дома никого нет, включать отопление на полную мощность нет смысла, достаточно поддерживать, например 16-18°С и только.

Максимальная отдача нужна лишь утром и вечером, когда все дома и хочется создать комфортные условия.

Ночью опять-таки температуру можно снизить, что актуально и в плане экономии, и в плане здорового образа жизни.

В выходные, когда весь день кто-то есть дома, в течение дня поддерживается комфортная температура и только ночью можно снизить температуру батарей или теплого пола.

Речь не идет о том, чтобы постоянно сидеть в холодном доме. Достаточно учесть время, в течение которого прогревать дом сверх меры не следует, и указать электрическому котлу соответствующий режим. В дополнение к этому контроллер способен учитывать не только фактическую температуру внутри помещения, но и снаружи. Если на улице стало резко холодать, он отдаст котлу команду «повысить обороты».

Важно: контроллер с поддержкой недельного расписания с точностью в час или даже полчаса, а также с учетом внешней температуры позволяет снизить непосредственно затраты электроэнергии, пресекая работу котла в те моменты, когда обогрев не нужен. У такого подхода есть два несомненных плюса даже в сравнении с использованием аккумулирующего бака:

У такого подхода есть два несомненных плюса даже в сравнении с использованием аккумулирующего бака:

• Стоимость контроллера ниже, чем стоимость изготовления или покупки аккумулирующего бака и дополнительного оборудования.
• Установка контроллера не требует специфических навыков и занимает несколько часов, считая вместе с настройкой.

В конечном счете, контроллеру достаточно задать такие параметры:

• оптимальная температура в помещении;
• минимальная температура в период простоя;
• расписание работы котла по дням недели и времени суток.

В некоторых системах автоматизации есть возможность установить целевую температуру даже для отдельных помещений, что еще больше снимает нагрузку на отопительное оборудование. Однако такой вариант потребует существенных стартовых вложений, что не всегда уместно.

Фактически у всех электрических котлов есть возможность подключения внешних контроллеров управления. Для самодельных устройств достаточно приобрести блок управления ТЭНами или другой нагрузкой с возможностью подключения внешних управляющих сигналов.

Плюсы данного генератора

Чем проще конструкция, тем она надежнее, это можно сказать и о представленном виде выработки электроэнергии. Здесь нет трущихся между собой деталей, которые могли бы выйти из строя. Поэтому, генератор на дровах:

• долговечен и надёжен;
• работает бесшумно;
• использует доступное топливо;
• лёгкий, переносной – может быть до 1 кг.

Печь-генератор – это ноу-хау последних лет. Она будет интересна как экспериментаторам – любителям, так и путешественникам, поклонникам походов и рыбалки. Да и кому не хотелось бы иметь доступ к электричеству во время отключения света.

Для самодельной печи все детали можно купить весьма недорого – в пределах 500 руб. (Через интернет китайские элементы Пельтье можно заказать примерно за 300 руб.)

Виды отопительных установок

Отопительная модель на дровах Термофор

Компания Термофор производит разные модели печей, которые отличаются конструкцией, теплопроизводительностью, наличием дополнительных опций и работают по отдельным принципам. В ассортименте присутствуют:

• отопительные устройства;
• дровяные каменки;
• газовые и электрические печи для бани;
• агрегаты для отопления и варки;
• котлы различного назначения.

На печь в баню Термофор можно установить отдельный бак самоварного типа. Также он может присутствовать в комплекте моделей как опция.

Учитывая материал изготовления, печки Термофор делят на устройства из высоколегированной нержавейки (Inox) и более дешевые агрегаты из конструкционной углеродистой стали (Carbon).

Малой мощности

Маломощное устройство для небольшого помещения

Компактные банные печи Термофор подойдут для парилки 4-10 м3. Отопительные агрегаты разогреваются быстро, дров расходуется немного. Каменки в современных моделях имеют внушительные размеры, в них можно разместить много камней. Это позволяет прогревать парилку длительное время. Оборудование этой категории считается идеальным вариантом для дач и маленьких коттеджей. Несмотря на то что маломощные модели потребляют немного топлива, их КПД достаточно высокий. По этой причине удается сэкономить на отоплении, не уменьшая комфорт в доме. К данной группе принадлежат печи «Компакт», «Нормаль», «Березка», «Золушка».

Базовые

Отлично подойдут для парилки 6-16 м3. Устройства средней мощности хорошо прогревают помещение в течение часа, стенки конструкции удерживают тепло продолжительный период времени. Базовые модели сохраняют все свойства маломощных устройств, только их устанавливают в помещениях с большим объемом. Если для парилки неправильно подобрать отопитель, могут возникать проблемы: перерасход топлива, нарушение эксплуатации агрегата (со всеми последствиями), низкая температура в комнате. Поэтому базовые модели на ровне с маломощными часто устанавливаются на дачах, в небольших коттеджах. К Термофор печам этого класса принадлежат «Тунгуска», «Гейзер 2014».

Увеличенные

Банная печь Гекла увеличенной мощности

Самые мощные отопительные агрегаты рассчитаны на прогревание парилок 12-24 м3. Это наилучший вариант для загородного дома. Выбрав такую модель, можно за небольшие деньги обеспечить достаточный уют и комфорт в помещении. Надежность высокомощных отопительных печей Термофор исключает излишние финансовые затраты и другие неприятные моменты. Представители устройств с увеличенной мощностью: «Калина» и «Гекла» Inox.

Отопительные печи работают в диапазоне от наименьшей до максимальной мощности. Многие производители, чтобы привлечь клиента, указывают максимальные параметры. Использование отопительного оборудования на такой мощности приведет к его скорому износу. Поэтому печь следует покупать с небольшим запасом показателей.

Термоэлектрогенераторы

Электростанции с генераторами, построенными по принципу Пельтье – достаточно интересный вариант.

Физик Пельтье обнаружил эффект, который сводится к тому, что при пропускании электроэнергии через проводники, состоящие из двух разнородных материалов, на одном из контактов происходит поглощение тепла, а на втором – выделение.

Причем эффект этот обратный – если с одной стороны проводник разогревать, а со второй – охлаждать, то в нем будет образовываться электроэнергия.

Именно обратный эффект используется в электростанциях на дровах. При сгорании они разогревают одну половину пластины (она и является термоэлектрогенератором), состоящую их кубиков, сделанных из разных металлов, а вторая же ее часть – охлаждается (для чего используются теплообменники), в результате чего на выводах пластины появляется электроэнергия.

Но есть у такого генератора несколько нюансов. Один из них – параметры выделяемой энергии напрямую зависят от разницы температуры на концах пластины, поэтому для их выравнивания и стабилизации необходимо использование регулятора напряжения.

Второй нюанс заключается в том, что выделяемая энергия – лишь побочный эффект, большая часть энергии при сгорании дров просто преобразуется в тепло. Из-за этого КПД такого типа станции не очень высокая.

К достоинствам электростанций с термоэлектрогенераторами относятся:

• Длительный срок службы (нет подвижных частей);
• Одновременно вырабатывается не только энергия, но и тепло, которое можно использоваться для обогрева или приготовления пищи;
• Бесшумность работы.

Электростанции на дровах, использующие принцип Пельтье, — достаточно распространенный вариант, и выпускаются как портативные устройства, которые способны лишь выделить электроэнергии для зарядки маломощных потребителей (телефона, фонаря), так и промышленные, способные запитать мощные агрегаты.

Особенности индукционных печей

Этот тип оборудования обладает определенными характерными чертами, которые являются как преимуществами, так и недостатками.

Так как распределение металла должно быть равномерным, полученный материал характеризуется хорошей однородной массой. Этот тип печи работает за счет транспортировки энергии по зонам, при этом представлена и функция фокусировки энергии. Для использования доступны такие параметры, как емкость, рабочая частота и способ футеровки, а также регуляция температуры, при которой происходит плавление металла, что заметно облегчает рабочий процесс. Имеющийся технологический потенциал печи создает высокий темп плавки, устройства являются экологически чистыми, совершенно безопасными для человека и готовыми к работе в любой момент.

Самым заметным недостатком такого оборудования является сложность его чистки. Так как нагревание шлака происходит исключительно за счет тепла, выделяемого металлом, этой температуры не хватает для обеспечения его полноценного использования. Высокая разница в температуре металла и шлака не позволяет делать процесс удаления отходов максимально простым. В качестве еще одного недостатка принято выделять зазор, из-за которого требуется всегда уменьшать толщину футеровки. Из-за таких действий спустя некоторое время она может оказаться неисправной.

Сфера применения

Первые дуговые печи изобрели еще в девятнадцатом веке. Использовались они для выплавки металлов. Со временем оборудования существенно усовершенствовали. На сегодняшний день дуговые печи стали незаменимыми в металлургической промышленности.

Процесс переплавки стали в дуговых печах осуществляется за счет высокого температурного режима, который достигается посредством электрической дуги. Таким образом, происходит преобразование энергии электрической в тепловую.

Благодаря высоким техническим характеристикам дуговые печи применяют для создания различных сплавов, которые используют в своих нуждах оборонные и авиационные структуры. С помощью такого теплового оборудования можно получить однородные сплавы любых металлов.

Некоторые виды дуговых печей используют для определения физико-химических анализов. Такие исследования в основном проводятся для выявления количества составляющих различных материалов.