НАКОПИТЕЛЬНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ, ФЛАНЕЦ НАКОПИТЕЛЬНОГО ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ И СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАКИПИ В ВОДОНАГРЕВАТЕЛЕ
STORAGE WATER HEATER, FLANGE OF STORAGE WATER HEATER AND PROCEDURE FOR CONTROL OF SCALE FORMATION IN WATER HEATER

Изобретение относится к водонагревателю, предпочтительно электрического, накопительного типа, фланцу упомянутого водонагревателя, способу контроля образования накипи на нагревательном средстве водонагревателя и применению температурных датчиков для обнаружения процессе образования накипи на нагревательном средстве водонагревателя.
Настоящее изобретение также относится к газовому водонагревателю с тепловым аккумулятором или по меньшей мере тем его моделям, в которых воду нагревают при помощи дымохода, расположенного внутри накопительного бачка.
Для облегчения понимания далее в настоящем описании речь идет лишь об электрических накопительных водонагревателях с учетом того, что все особенности электронагревательных элементов в равной мере также относятся к дымоходам, по меньшей мере, в соответствии с приведенным выше описанием.
Известные в настоящее время электрические водонагреватели обычно имеют резервуар и съемный фланец, на котором установлен один или два электронагревательных элементов, оболочку с одним или несколькими термостатными датчиками и антикоррозионное устройство.
Среди наиболее распространенных на рынке современных термостатов первое место по частоте использования занимают термостаты так называемого стержневого типа, а за ними - термостаты так называемого капсульного типа, причем термостаты обоих типов относятся к электромеханическим термостатам, но используются также электронные термостаты, у которых датчик обычно представляет собой NTC.
Даже несмотря на более высокую стоимость электронных датчиков, их преимуществом является то, что они способны с высокой точностью регулировать температуру, а при очень незначительном увеличении затрат и оснащении соответствующей электронной логической схемой они способны выполнять другие дополнительные функции, такие как передача сигналов времени или температуры воды.
Если электронный термостат оснащен по меньшей мере двумя датчиками, расположенными на достаточном расстоянии друг от друга по вертикали, можно также получать информацию о содержимом нагретой воды в накопительном водонагревателе, что является общеизвестным с учетом продукции, предлагаемой на рынке в последние годы.
У водонагревателей, известных в настоящее время на рынке, через определенное время возникают проблемы надежности.
В частности, накипь, которая все больше осаждается на электронагревательных элементах, постепенно начинает касаться и полностью закрывать оболочку термостатного датчика(-ов), в результате чего ослабляется тепловой контакт между датчиками и нагретой водой и создается тепловой мост между электронагревательным элементом и оболочкой.
Это приводит к ошибкам при измерении температуры воды.
Тепловой мост, по существу, позволяет температурному датчику нагреваться быстрее по сравнению с объемом воды в резервуаре, в результате чего показания температуры воды превышают фактическую температуру.
Кроме того, из-за накопления накипи вокруг нагревательного элемента происходит избыточный нагрев, ощущается шумовой эффект, характерный для поверхностного кипения воды, что приводит к его быстрому износу. Для контроля образования накипи на электронагревательном элементе необходимо осуществлять регулярные проверки с разборкой фланца водонагревателя.
В результате таких операций существенно увеличиваются расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание водонагревателей.
Учитывая, что из-за образования накипи изменяется процесс передачи тепла от нагревательного элемента воде, известно, что температурные датчики обнаруживают разницу температур на отдельных участках водонагревателя, которая при прочих равных условиях появляется в зависимости от того, образуется ли или нет накипь.
В патенте Японии JP 01103395 предложен способ создания своего рода трехмерного отображения допустимой толщины накипи на поверхности теплообменника при помощи множества датчиков, установленных на увеличивающемся расстоянии от упомянутой поверхности и во множестве точек на такой поверхности. Толщину накипи определяют за счет того, что датчики, покрывающиеся накипью, обнаруживают температуру, которая заметно отличается от температуры, которую обнаруживают датчики, близко соприкасающиеся в жидкой фазе.
Решение, раскрытое в данном документе, рассчитано на создание теплообменников для применения в ядерной установке, при этом предполагается использование большого числа датчиков, значительно превышающего экономические и практические возможности применения в водонагревателе. В Европейских патентах ЕР 0947767, ЕР 1108385, патенте Швейцарии СН 691948, патентах Великобритании GB 2358971 и GB 2404099 осуществляют измерение температуры внутри нагревательного элемента и используют тот факт, что слой накипи на нагревательном элементе приводит к его перегреву, в результате которого повышается температура внутри нагревательного элемента. В большинстве из перечисленных документов просто сравнивают выявленную температуру с пороговым значением, которое не должно быть превышено, при этом в одном из них (СН 691948) сначала вычисляют разность между внутренней температурой нагревательного элемента и температурой нагретой воды, затем сравнивают ее с пороговым значением, которое не должно быть превышено. Несмотря на то, что во всех документах данной группы используют преимущественно одинаковый способ, используемые средства, будучи почти идентичными, значительно отличаются друг от друга в связи с тем, что их необходимо адаптировать к фактическим особенностям нагревательного элемента, в результате чего из них невозможно почерпнуть идею устройства общего назначения. Также невозможно создать устройство обнаружения накипи без значительного изменения конструкции нагревательного элемента и использовать одинаковые механические детали в электрическом водонагревателе для топлива или накопительных водонагревателях и нагревателях воды проточного типа.
Несмотря на известность упомянутого отрицательного эффекта увеличения образования накипи на датчике температуры воды, не было найдено решения, как использовать изменение сигнала температуры в качестве детектора нарастания накипи.
Задачей настоящего изобретения является устранение по меньшей мере части недостатков, присущих современным водонагревателям, и, в частности, описанных выше недостатков. Более точно задачей настоящего изобретения является создание средств и способов быстрого предупреждения об образовании накипи.
Упомянутая задача решена при помощи водонагревателей, фланцев водонагревателей и способов, охарактеризованных в независимых пунктах.
Дополнительные преимущества изобретение охарактеризованы в зависимых пунктах.
Далее описан возможный вариант осуществления изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг.1 показано лобовое сечение электрического водонагревателя,
на фиг.2 показано частичное лобовое сечение фланца водонагревателя согласно первому варианту осуществления,
на фиг.3 показано частичное лобовое сечение фланца водонагревателя согласно второму варианту осуществления,
на фиг.4 показана блок-схема алгоритма вычисления температурного градиента,
на фиг.5 показана диаграмма движения температуры в условиях отсутствия образования накипи и через 27 дней применения, соответственно, согласно первому варианту осуществления,
на фиг.6 показана диаграмма движения температуры в условиях отсутствия образования накипи и через 27 дней применения, соответственно, согласно второму варианту осуществления,
на фиг.7 показана диаграмма движения температуры через 130 дней применения водонагревателя согласно второму варианту осуществления.
На фиг.1-7 позицией 1 обозначен водонагреватель, предпочтительно, накопительного типа, включающий резервуар 2 и фланец 3, на котором установлен один или несколько электронагревательных элементов 4, оболочку с одним или несколькими датчиками 6.1 или 6.2 и 6.3, измеряющими температуру воды в резервуаре и передающими сигналы средству (обычно электронному устройству, не показанному на чертежах), и, предпочтительно, средство 7 против коррозии.
1
2
Согласно настоящему изобретению для обнаружения образования накипи на электронагревательном элементе 4 на стадии нагрева используют показания t6.1 или T и Т температуры, поступающие от упомянутых датчиков 6.1-6.3, соответственно.
Упомянутые датчики 6.1-6.3, предпочтительно, представляют собой датчики, используемые термостатом водонагревателя, и в данном случае должны быть электронными; еще более предпочтительно, согласно настоящему изобретению может быть предусмотрено единое электронное устройство, которое помимо выполнения известных функций, таких как термостатирование и/или вычисление количества горячей воды, и/или передача сигнала температуры воды, также способно передавать сигнал образования накипи.
Согласно первому варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 2 и на блок-схеме, показанной на фиг. 4, предусмотрен единый температурный датчик 6.1, распложенный вблизи элемента 4.
Следует отметить, что термин "вблизи" следует понимать таким образом, что расстояние от температурного датчика 6.1 до элемента 4 таково, что начавшая образовываться накипь перекрывает его до того, как ее толщина достигла такой величины, что, по мнению специалиста в данной области техники, накипь наносит непоправимый ущерб.
Например, в водонагревателях для применения в домашних условиях упомянутое расстояние составляет менее 60 мм, более предпочтительно, менее 50 мм, еще более предпочтительно, менее 40 мм. Предпочтительно, датчик 6.1 расположен на меньшей высоте, чем максимальная высота электронагревательного элемента 4; тем не менее, он также может располагаться выше элемента 4 при условии, что образующаяся накипь может достигнуть его до того, как она нанесет непоправимый ущерб.
Как более подробно пояснено далее, показания t6.1 температуры, считываемые датчиком 6.1, могут рассматриваться применительно к толщине накипи, которая образуется на электронагревательном элементе 4.
f
Для этого электронное устройство оснащено вычислительным средством (аналоговым или цифровым), рассчитанным на определение скорости G1 нагрева воды вблизи элемента 4 и сравнение упомянутой скорости нагрева с контрольным значением.
0
Предпочтительно упомянутое контрольное значение зависит от контрольной скорости G1 нагрева, которая соответствует скорости нагрева, наблюдаемой в условиях отсутствия образования накипи или при очень незначительном уровне образования накипи.
0
Контрольная скорость G1 нагрева зависит от типа водонагревателя и, в частности, его установленной мощности и геометрии.
f
0
Если скорость G1 нагрева превысит контрольную скорость G1 нагрева на определенную пороговую величину ΔG, образование накипи считается достаточно сильным и требующим осуществления технического обслуживания.
Чем выше измеренная скорость, тем больше разность между температурой t6.1, измеренной датчиком 6.1 температуры, расположенным вблизи электронагревательного элемента 4, и фактической температурой воды в водонагревателе.
f
0
Таким образом, для вычисления увеличения образования накипи измеряют фактическую температуру G1 нагрева вблизи элемента 4 в течение первых минут нагрева и сравнивают ее с контрольным значением G1, которое соответствует скорости нагрева в условиях отсутствия образования накипи или при незначительном образовании накипи.
На фиг.5 показан пример движения температуры, считываемой датчиком вблизи электронагревательного элемента в условиях отсутствия образования накипи и через 27 дней применения водонагревателя.
После начала применения водонагревателя и, следовательно, осаждения накипи на электронагревательный элемент, скорость нагрева необходимо увеличивать.
0
Предпочтительно также предусмотрены другие средства запоминания и/или коррекции контрольной скорости G1 нагрева, позволяющие пользователю предварительно задавать или изменять упомянутую скорость.
0
0
Также предусмотрено программирование контрольной скорости G1 в режиме самообучения, для чего предусмотрено средство, позволяющее запоминать контрольный сигнал G1 во время начальной установки.
Пороговое значение ΔG зависит от используемой модели водонагревателя, и может быть предварительно задано или изменено в процессе применения, а в наиболее распространенных моделях оно находится в пределах от 3 до 5°С/мин.
В предпочтительном режиме работы скорость нагрева измеряют в заданном временном интервале, не превышающем 5 минут, или до тех пор, пока температура воды не достигнет 30°С.
По существу основные различия между кривыми нагрева в условиях образования и отсутствия образования наслоений накипи заметны при температурах до около 30°С, которые обычно достигаются в течение менее 5 минут.
f
0
Также предусмотрены визуальные и/или звуковые сигналы для предупреждения о том, что скорость G1 нагрева вблизи элемента на определенное пороговое значение ΔG превысила заданную контрольную скорость G1 или, иными словами, о том, что образование накипи достаточно велико и требует осуществления технического обслуживания.
Согласно второму альтернативному варианту осуществления, показанному на фиг.3 и на блок-схеме, показанной на фиг.4, водонагреватель имеет первый датчик 6.2, расположенный вблизи элемента 4, и второй температурный датчик 6.3, расположенный на определенном расстоянии от элемента 4.
1
Первый датчик 6.2, рассчитанный на измерение температуры T, расположен внутри зоны нагрева или внутри зоны, находящейся несколько выше упомянутой зоны нагрева, в таких условиях, которые описаны применительно к первому варианту осуществления.
2
Второй датчик 6.3 расположен на определенном расстоянии от электронагревательного элемента и способен измерять фактическую температуру Т объема нагретой воды даже в условиях образования накипи.
Для этого второй датчик 6.3 помещают обычно на расстоянии не менее 100 мм, предпочтительно не менее 150 мм от элемента 4.
1
2
Температурный градиент T-Т, считываемый парой 6.2 и 6.3, может быть соотнесен с толщиной образования накипи.
На фиг.6 и 7 проиллюстрированы примеры движения температуры, считываемой двумя температурными датчиками, и движение температурного градиента, соответственно, в условиях нового элемента и через 130 дней его применения.
1
2
После начала применения водонагревателя и, следовательно, также в результате образования накипи на элементе температурный градиент T-T должен быть увеличен.
1
2
0
Для этого в упомянутом электронном устройстве предусмотрено вычислительное средство (аналоговое или цифровое), рассчитанное на измерение температурного градиента T-T воды вблизи двух датчиков в одно и то же время сравнение результатов с контрольным градиентом ΔТ.
0
Контрольный градиент ΔТ зависит от используемого типа водонагревателя и, в частности, его установленной мощности и геометрии, и задан применительно к условию отсутствия образования накипи или ее незначительного образования.
0
Контрольный градиент ΔТ у наиболее распространенных моделей находится в пределах от 20 до 30°С.
0
Предпочтительно также предусмотрены средства запоминания и/или коррекции контрольного градиента ΔТ, позволяющие пользователю предварительно задавать и/или изменять упомянутый градиент.
0
Также предусмотрено программирование контрольного градиента ΔТ в режиме самообучения, для чего предусмотрено средство, позволяющее запоминать контрольное значение во время начальной установки.
1
2
0
Если измеренный температурный градиент T-Т превысит заданное контрольное значение ΔТ, образование накипи считается достаточным для снижения эффективности водонагревателя, в связи с чем необходимо осуществление технического обслуживания водонагревателя. Предпочтительно температурный градиент измеряют в течение всего периода нагрева, более предпочтительно в течение времени нагрева, не превышающего 5 минут, или до тех пор, пока по показаниям датчика 6.2 температура не достигнет 30°С.
0
Если контрольное значение градиента ΔТ превышено, для предупреждения об избыточном образовании накипи используются визуальные и/или звуковые сигналы.
Могут быть предусмотрены индикаторы, отображающие, как меняется во времени скорость нагрева или градиент температур нагрева, чтобы пользователь мог контролировать образование накипи на электронагревательном элементе.
Помимо визуальных и/или звуковых предупредительных сигналов водонагреватель также может быть оснащен системой отключения.
В обоих вариантах осуществления можно осуществлять особую операцию контроля образования накипи.
Данная операция предусматривает нагрев электронагревательного элемента в течение достаточного времени, чтобы вычислить скорость нагрева или температурный градиент и сравнить их контрольными значениями.
Предпочтительно время нагрева составляет менее 5 минут.
Водонагреватель также может быть оснащен передающим средством с дистанционным управлением для передачи сигнала данных образования накипи.
Следует учитывать, что настоящее изобретение без дополнительных затрат, если не считать модернизацию вычислительной производительности и выхода сигнала/средства приведения в действие, в целом применимо в водонагревателях, уже оснащенных термостатным/электронным устройством с описанными во вводной части дополнительными функциями (таймер, датчик объема горячей воды и т.д.).