ПЛОСКИЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ С БАКАМИ-НАКОПИТЕЛЯМИ УМЕНЬШЕННОЙ ВМЕСТИМОСТИ
FLAT WATER HEATER WITH STORAGE TANKS OF REDUCED CAPACITY

Настоящее изобретение относится к водонагревателю с тепловым аккумулятором, известному как плоский водонагреватель.
Используемые в описании термины имеют указанное далее значение:
"стандартный водонагреватель с тепловым аккумулятором" или просто "стандартный водонагреватель" означает водонагреватель с тепловым аккумулятором, имеющий один цилиндрический бак,
"заданная температура Тасс хранения" или просто "температура Тасс хранения" означает максимальную температуру хранения воды в водонагревателе, которую позволяет поддерживать терморегулятор; температура Тасс хранения является одним из стандартных параметров водонагревателя любой модели и обычно составляет 60-75°С, что по меньшей мере на 10-15°С ниже температуры хранения, отвечающей нормам безопасности,
"установленная температура Timp" означает оптимальную температуру воды, которая может быть установлена пользователем и которая как максимум может быть равна температуре Тасс хранения,
"температура Tu потребления" означает температуру, которую предположительно имеет горячая вода, используемая в системе водоснабжения (обычно Tu=40°С); для получения этой температуры в системе водоснабжения смешивается вода, поступающая из водонагревателя, с поступающей из системы холодной водой, имеющей температуру Th (обычно Th=15°С),
"вместимость Vc" означает общий объем воды, содержащейся в баках, которыми оснащен один водонагреватель,
"полезный объем Vu воды" означает максимальный объем воды с температурой Tu потребления, получаемой за один отбор из водонагревателя, в котором поддерживается максимальная температура, допустимая производителем,
"эквивалентными" являются два водонагревателя с тепловым аккумулятором, имеющие одинаковый объем полезный объем Vu воды,
"плоский водонагреватель с тепловым аккумулятором" или просто "плоский водонагреватель" означает водонагреватель с тепловым аккумулятором, одно из трех измерений которого, в частности, расстояние между передней поверхностью и задней поверхностью, то есть толщина значительно уменьшена по сравнению с соответствующим измерением эквивалентного стандартного водонагревателя.
Хотя плоский водонагреватель имеет увеличенную наружную поверхность рассеяния и более высокую стоимость, чем стандартный водонагреватель аналогичной вместимости Vc, такое оборудование больше ценится, поскольку имеет более привлекательный внешний вид и меньше загромождает помещение, в котором оно установлено.
Значительно меньшая толщина плоских водонагревателей по сравнению с толщиной эквивалентного стандартного водонагревателя объясняется использованием плоского бака и(или) двух или более баков, уменьшенной толщины по сравнению с диаметром единственного бака стандартного водонагревателя.
При использовании двух или более баков в "расположенный выше по потоку" бак поступает холодная вода для нагрева, которая после нагрева подается из "расположенного ниже по потоку" бака в систему водоснабжения.
Один из примеров плоского водонагревателя с двумя баками описан в US 2004/0079749.
Далее термином "плоский водонагреватель" будут обозначаться предпочтительно, но необязательно цилиндрические плоские водонагреватели с двумя или более баками, поскольку настоящее изобретение относится к таким водонагревателям за исключением тех, в которых используется один плоский бак. Что касается системы нагрева, она без различия может являться электрической или с использованием топлива.
Одним из преимуществ таких плоских водонагревателей является возможность достаточно просто нагреть лишь часть хранящейся воды, если этого достаточно для обеспечения ожидаемого потребления, путем нагрева только воды, содержащейся в расположенном ниже по потоку баке (или баках).
В водонагревателях с тепловым аккумулятором известен так называемый феномен "перемешивания", который преимущественно состоит в том, что холодная вода, поступающую в бак после каждого отбора горячей воды, смешивается с хранящейся горячей водой, в результате чего часть воды, температура которой уже превысила минимальную требуемую температуру (равную температуре Tu потребления), становится ниже этой температуры и тем самым уменьшается полезный объем Vu воды по сравнению с объемом, теоретически возможным для этого бака. По существу, при одинаковом объеме горячей воды, желательном в качестве резерва, чем сильнее феномен "перемешивания", тем большим является объем бака-накопителя, который должен сравниваться с теоретически необходимым объемом.
Два водонагревателя с тепловым аккумулятором с одинаковой вместимостью Vc и поддерживаемой на одинаковом уровне температурой Тасс хранения воды (то есть с одинаковым теплосодержанием), могут не являться эквивалентными в значении, в котором этот термин используется в изобретении, поскольку в одном из них феномен перемешивания может быть сильнее, чем в другом. Иными словами, при одинаковом запасе тепловой энергии полезный объем Vu воды может различаться.
В IT 1345007 и IT 1345037 предложены средства предварительного нагрева холодной воды, поступающей из системы водоснабжения, до ее смешивания с водой в баке за счет тепловой энергии, уже запасенной в водонагревателе. В их основу положена идея снижения отрицательного эффекта перемешивания за счет уменьшения количества воды, которая после достижения температуры, превышающей температуру Tu потребления или равной ей, становится непригодной для потребления из-за того, что она уже остыла ниже такой температуры вследствие перемешивания с поступающей более холодной водой. Средства, описанные в этих двух документах, являются эффективными, однако требуют дополнительных теплообменников, расходы на которые не всегда обоснованны. Что касается описанных выше плоских водонагревателей, эффект перемешивания ослаблен в них в большей степени, чем в стандартном водонагревателе такого же объема, поскольку при одинаковой скорости поступления холодной воды перемешивание ослабляется с уменьшением проходного сечения бака, то есть сечения, преимущественно ортогонального направлению потока воды. По существу, с уменьшением проходного сечения расположенного выше по потоку бака масса поступающей в него холодной воды в возрастающей степени ведет себя как своего рода поршень, толкающий вышележащую массу горячей воды без значительного перемешивания двух масс.
Вследствие этого, плоский водонагреватель имеет меньшую вместимость Vc, чем эквивалентный стандартный водонагреватель, и такое уменьшение вместимости при одинаковой температуре Тасс хранения преимущественно зависит от проходного сечения расположенного выше по потоку бака.
В основу настоящего изобретения положена задача создания способов и средств дополнительного уменьшения объема воды, содержащейся в плоском водонагревателе, по сравнению с объемом эквивалентного стандартного водонагревателя.
Эта задача решена в настоящем изобретении за счет плоского водонагревателя согласно прилагаемой формуле изобретения. Признаки настоящего изобретения станут более ясными из следующего далее описания предпочтительного варианта его осуществления, охарактеризованного в формуле изобретения и проиллюстрированного в качестве не ограничивающего примера на фиг.1, на которой показан местный разрез баков плоских водонагревателей согласно изобретению.
Как показано на фиг.1, позицией 1 в целом обозначены основные детали плоского водонагревателя согласно предпочтительному варианту осуществления.
Между основанием и тепловой изоляцией (не показанной на чертеже) последовательно установлены два бака-накопителя 2.М и 2.V; в расположенный выше по потоку бак 2.М поступает холодная вода для нагревания, а из расположенного ниже по потоку бака 2.V горячая вода распределяется в систему водоснабжения. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, который проиллюстрирован на фиг.1 и к которому относится следующее далее описание, предусмотрено, что упомянутые баки-накопители 2.М и 2.V имеют одинаковые размеры, форму цилиндра, диаметр которого преимущественно равен половине диаметра бака эквивалентного стандартного водонагревателя, и последовательно соединены друг с другом.
Позицией 3 для обоих баков 2.М и 2.V обозначен фланец, перекрывающий нижнее отверстие, а позицией 4 обозначена оболочка, в котором может помещаться один или несколько датчиков терморегуляторов TR.M, TR.V (не показаны) для поддержания в каждом баке 2.М и 2.V установленной температуры путем включения/выключения нагревательных приборов 5, которыми в данном случае являются электрические сопротивления 5.
Позицией 6 обозначен впускной патрубок для холодной воды, поступающей из системы водоснабжения, на котором установлена известная как таковая перегородка 7 для сведения к минимуму турбулентности потока при поступлении воды в бак и тем самым ослабления отрицательного эффекта перемешивания.
Позицией 8 обозначены выпускные патрубки для горячей воды, расположенные в верхней части баков 2.М и 2.V, более точно патрубок 8 бака 2.М направляет хранящуюся в нем воду в сторону бака 2.V посредством соединительного элемента 9, а патрубок 10 бака 2.V направляет хранящуюся в нем воду в сторону системы водоснабжения.
Согласно изобретению упомянутые терморегуляторы TR.M и TR.V калибруют таким образом, чтобы поддерживать в расположенном выше по потоку баке 2.М более высокую температуру ТМ воды, равную температуре Тасс хранения в расположенном ниже по потоку баке 2.V, увеличенной на температуру АТасс перегрева, предпочтительно составляющую от 8 до 12°С, более предпочтительно 10°С.С помощью такого способа регулирования температур ТМ и Тасс хранения по существу ослабляется эффект перемешивания за счет того, что меньшая часть воды из расположенного выше по потоку бака 2.М, имеющей температуру хранения ТМ, охлаждается до более низкой температуры, чем температура Tu потребления, когда она смешивается с поступающей холодной водой.
Разумеется, что при повышении температуры Тасс хранения по сравнению с текущим используемым значением в стандартном водонагревателе также увеличится полезный объем Vu воды, но при этом значительно усилится рассеяние тепла. В отличие от этого, в предложенном устройстве этот эффект является пренебрежимо малым, и может быть дать устранен без увеличения затрат в случае расположенного выше по потоку бака 2.М плоских водонагревателей.
Лучшему пониманию преимуществ изобретения могут помочь следующие числовые примеры.
Теоретический полезный объем Vu.teor воды, который может быть получен за один отбор при температуре Tu потребления из водонагревателя, имеющего вместимость Vc и температуру Тасс хранения, если Th означает температуру поступающей холодной воды, определяется согласно формуле:
Vu.teor=Vc×(Тасс-Th)/(Tu-Th)
Рассмотрим стандартный водонагреватель, обозначенный в данном случае как SCB.rif и имеющий цилиндрический бак диаметром 412 мм, вместимость Vc=76 литров и температуру Тасс хранения=65°С.
Если Tu=40°С, а Th=15°С, получаем:
Vu.teor=76×(65-15)/(40 -15)=152 литров.
В действительности, вследствие эффекта перемешивания полезный объем Vu воды, фактически полученный при лабораторных испытаниях, составляет 126 литров.
Можно задать коэффициент Cu используемости, равный соотношению между полезным объемом Vu воды и теоретическим полезным объемом Vu.teor воды, то есть Си=Vu/Vu.teor.
В приведенном примере он составляет Cu=0,83.
Теперь рассмотрим плоский водонагреватель с двумя одинаковыми цилиндрическими баками, диаметр которых преимущественно равен половине диаметра бака упомянутого стандартного водонагревателя (220 мм), и одинаковой температурой Тасс хранения=65°С в обоих баках.
Такой плоский водонагреватель (в данном случае обозначенный как FLAT.1) эквивалентен предыдущему стандартному водонагревателю, если оба его бака имеют объем 36 литров каждый (то есть вместимость Vc, равную 72, а не 76 литрам, или уменьшенную на 5%).
При этом объеме фактический полезной объем Vu воды, полученный в лаборатории, также составляет 126 литров. Поскольку теоретический полезный объем Vu.teor воды водонагревателя FLAT.1 равен 144 литрам, коэффициент Си используемости возрастает до 0,88.
Наконец, рассмотрим плоский водонагреватель с двумя одинаковыми цилиндрическими баками такого же диаметра, как и у водонагревателя FLAT.1, но в данном случае с температурой хранения ТМ в расположенном выше по потоку баке 2.М, равной 75°С, и температурой Тасс хранения в расположенном ниже по потоку баке 2.V, равной, как и в предыдущем примере, 65°С. Плоский водонагреватель с такими температурами хранения (в данном случае обозначенный как FLAT.2) эквивалентен стандартному водонагревателю, если его баки имеют объем 33 литра каждый (то есть вместимость Vc, равную 66, а не 76 литрам, или уменьшенную на 13% по сравнению со стандартным водонагревателем); При таком объеме фактический полезный объем Vu воды, полученный в лаборатории, всегда составляет упомянутые 126 литров.
Теоретический полезный объем Vu.teor воды водонагревателя FLAT.2 равен 145 литрам, а коэффициент Си используемости достигает 0,87, преимущественно как у водонагревателя FLAT.1.
С помощью таких числовых примеров можно показать, что при использовании температур Тасс, ТМ хранения согласно изобретению происходит лишь очень незначительное увеличение рассеяния тепла по сравнению с водонагревателем FLAT.1, которое также можно легко устранить.
2
2
Плоский водонагреватель FLAT.1 может иметь общую площадь SE.1 поверхности внешней оболочки 1,8 м при использовании изоляционного материала принятой в настоящее время толщины, а плоский водонагреватель FLAT.2 за счет уменьшенного размера при такой же толщине изоляционного материала имеет общую площадь SE.2 поверхности внешней оболочки 1,69 м (или на 6% меньше, чем у FLAT.1).
Поскольку рассеяние тепла может считаться пропорциональным средней температуре внутри водонагревателя и площади поверхности его внешней оболочки, легко проверить, что при температуре в помещении, в котором установлены плоские водонагреватели FLAT.1 и FLAT.2, составляющей 20°С, рассеяние тепла у FLAT.2 всего на 4% превышает рассеяние тепла у FLAT.1; это незначительное увеличение рассеяния тепла может быть полностью исключено за счет незначительного увеличения толщины тепловой изоляции (преимущественно на 4%), при этом плоский водонагреватель имеет значительно более низкую стоимость производства, чем FLAT.1 за счет уменьшения на 13% объема баков и уменьшения преимущественно на 6% площади внешней оболочки.
Таким образом, на числовом примере показано, что за счет использовании системы установки температур Тасс, ТМ хранения согласно изобретению можно снизить стоимость и общие размеры плоских водонагревателей с сохранением характеристик в том, что касается полезного объема Vu и расхода энергии.
В одном из вариантов осуществления изобретения терморегуляторами TR.M и TR.V могут являться устройства любого известного типа, электромеханические или электронные, физически раздельные или в любом случае независящие друг от друга.
В этом случае терморегулятор TR.V калибруют для поддержания заданной температура Тасс в баке 2.V, а терморегулятор TR.M калибруют для поддержания в расположенном выше по потоку баке 2.М температуры ТМ хранения, равной Тасс+АТасс.
Если один или несколько из упомянутых терморегуляторов TR.V, TR.M являются терморегуляторами регулируемого пользователем типа, они рассчитаны на предотвращение установки более высоких температур, чем, соответственно, Тасс и ТМ.
В качестве альтернативы, терморегуляторы TR.M и TR.V могут преимущественно представлять собой единое электронное устройство TR со способностью к обработке данных, которое обеспечивает терморегулирование в обоих баках 2.М и 2.V и необязательно, в свою очередь, входит в состав электронного блока управления для выполнения дополнительных функций.
В этом случае, когда пользователю разрешено регулировать температуру нагрева воды, в расположенном ниже по потоку баке 2.V поддерживается выбранная пользователем установленная температура Timp, а в расположенном выше по потоку баке 2.М автоматически поддерживается температура хранения ТМ, равная Timp+АТасс.
Подразумевается, что в любом случае максимальная приемлемая температура Timp такова, что сумма Timp+АТасс отвечает нормам безопасности.
Тем не менее, пользователю удобнее, если ему предоставляется возможность выбора количества желаемой горячей воды, имеющей температуру Tu потребления, а не повышения температуры воды в водонагревателе. Разумеется, что электронное устройство TR определяет и устанавливает необходимые минимальные температуры Timp нагрева для каждого выбранного количества таким образом, чтобы обеспечить в обоих баках и, только когда требуемое количество воды настолько велико, что необходимо исключить эффекты перемешивания, температуру ТМ хранения в расположенном выше по потоку баке 2.М, равную Timp+АТасс.
Изобретение было описано применительно к плоскому водонагревателю с двумя цилиндрическими баками-накопителями 2.М и 2.V одинакового размера, диаметр которых преимущественно составляет половину диаметра бака эквивалентного стандартного водонагревателя и которые последовательно соединены друг с другом.
Тем не менее, изобретение относится в целом к плоским водонагревателям с двумя или более баками необязательно цилиндрической формы или одинакового объема без различия с электрическим нагревом или нагревом с использованием топлива, в которых холодная вода поступает в расположенный выше по потоку бак-накопитель 2.М, а затем в последующие баки 2.V, без различия соединенные друг с другом последовательно или параллельно.