ИНДУКЦИОННЫЙ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к конструкциям индукционного отопительного котла с электронагревом [Н05В 6/10, F22B 1/00], и может быть использована в легкой и пищевой промышленности, сфере услуг, сельском хозяйстве и бытовой технике.
Известны электрические паронагреватели различного назначения с генераторами пара, в которых для парообразования используются трубчатые электронагреватели (ТЭНы), например отопительный прибор (заявка N 4038695, Германия, кл. F28D 1/100) парогенератор для прачечных (заявка N 4029511, Германия, кл. F24Н 1/00), генератор пара для предприятий общественного питания (патент N 5017759, США, кл. Н05В 3/28, кл. 392/386), электрический аппарат для выпаривания активных веществ в парфюмерии (патент N 5222186, США, кл. F24F 6/10, кл. 392/395), отечественные паровые котлы типа ЭК-4-03, ЭК-25-0,5 производства ПО "Бийскэнергомаш" Алтайского края и др. Основными недостатками подобных электропаронагревателей являются: повышенная тепловая инерционность и, как следствие, увеличенное время разогрева испаряемой воды из-за малой поверхности соприкосновения трубчатых электронагревателей (ТЭНов) и испаряемой воды; практическая невозможность реализации кондуктивного нагрева испаряемой воды из-за невозможности реализовать непосредственный контакт этой воды с греющим резистором (температура которого в ТЭНах составляет сотни градусов Цельсия), а также из-за появления в этом случае электрического потенциала питающей сети (220/380 В) непосредственно на воде, существенно снижающего электробезопасность устройства; накипеобразование на поверхности ТЭНов, существенно увеличивающее термическую напряженность греющего резистора из-за повышения его температуры (при наличии накипи) на 20-30% и более, что уменьшает долговечность подобных электропарогенераторов, а при авариях (например, появление трещин в оболочке ТЭНов) приводит к резкому снижению электробезопасности устройства.
Известны также электрические паронагреватели на основе электродных устройств с прямым нагревом испаряемой воды при протекании по ней электрического тока под воздействием напряжения сети (в т.ч. высокого, в несколько киловольт) между электродами, находящимися в испаряемой воде и выполняющими роль токоподвода, одновременно формируя в воде заданные параметры электрического поля проводимости. Например, паровой электродный котел струйного типа фирмы "Sulzer" или отечественный электродный паровой котел ЭЭП-160 и 1 конструкция ВНИИТО и др. (рис.2 и 9. Винокуров М.Х. Романов В.Ф. Хрущева Т.П. Яневский Г.Д. "Электрические паровые и водогрейные котлы". Обзор ЦНИИТЭНтяжмаш, Москва, 1991 г. Энергетическое машиностроение, серия 3, выпуск 3).
В этих устройствах обеспечивается достаточное термическое быстродействие (малое время разогрева), однако: остаются и усиливаются недостатки, связанные с электробезопасностью, поскольку испаряемая и нагреваемая вода находится все время под потенциалом сети низкого (220/380 В) или высокого напряжения (больше 1000 В). Именно поэтому устройства с электродным нагревом воды действующими правилами запрещено использовать в животноводческих фермах, банях, прачечных, душевых, в быту и т.д., а в других случаях рекомендуется устанавливать их в отдельных помещениях; имеет место коррозийный износ элементов электродной группы и усиленное электрическим полем накипеобразование на внутренних поверхностях в зоне электродного нагрева воды, что снижает долговечность конструктивных элементов подобных электропарогенераторов; усложнена эксплуатация парогенераторов и водогрейных устройств с электродным нагревом, так как требует поддержания соответствующего уровня электрической проводимости воды, регулярных профилактических осмотров парогенерирующих конструктивов, сравнительно частых текущих ремонтов элементов электродной группы для очищения их от накипи и продуктов коррозии, штатной замены электродов.
Известно решение по полезной модели РФ №87856, которое описывает устройство индукционного нагрева жидких сред, содержащее цилиндрический корпус с крышкой и днищем, внутреннее кольцо, смонтированное над днищем, и имеющее сквозные отверстия для прохождения нагреваемой жидкой среды, индуктор, входной патрубок для нагреваемой жидкой среды и выходной патрубок для нагретой жидкой среды, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит центральный внутренний цилиндрический канал, установленный соосно с корпусом, при этом верхняя часть центрального внутреннего цилиндрического канала соединена с крышкой корпуса и на ее поверхности выполнены сквозные отверстия для прохода нагреваемой жидкой среды, а нижняя часть соединена с выходным патрубком для нагретой жидкой среды, индуктор выполнен в виде цилиндрической полости, смонтированной между корпусом и центральным внутренним цилиндрическим каналом с образованием кольцевых каналов для прохождения нагреваемой жидкой среды, при этом внутри цилиндрической полости установлена обмотка, герметично запрессованная связующим диэлектрическим материалом, верхняя часть ее соединена с крышкой корпуса, а нижняя - с внутренним кольцом. Индукционные электрокотлы предназначены для использования в автономных системах отопления, горячего водоснабжения в технологических процессах, связанных с нагревом промежуточного теплоносителя. Отсутствие прямого нагрева в отличии от тэновых и газовых нагревателей, позволяет котлам работать намного дольше (свыше 30 лет) не теряя своих технических показателей.
Недостатком такого рода котлов является использование замкнутого проточного бака. В результате такое устройство нельзя регулировать по мощности выработки тепла. Котел работает постоянно, что не позволяет экономить электроэнергию. Один котел устанавливают на определенную площадь нагреваемых помещений. Наиболее близким решением является электрокотел индукционного принципа нагрева жидких сред (патент RU 109949 U), содержащий не менее одного проточного бака для прохождения через него нагреваемой жидкой среды, индуктор, входной патрубок для нагреваемой жидкой среды и выходной патрубок для нагретой жидкой среды, отличающийся тем, что каждый из проточных баков изолирован от другого при помощи проходных керамических изоляторов, на которые подведено напряжение, а в качестве индуктора использовано не менее трех электродов из нержавеющей стали, установленных внутри каждого проточного вертикально установленного бака так, что их соединение между собой обеспечивается в центральной точке через теплоноситель, причем концы электродов находятся снаружи бака, а электроды выполнены с возможностью погружения внутрь бака на разную глубину. Хотя котел способен регулировать мощность нагрева, он не способен работать при выходе из строя одного или нескольких нагревательных элементов. Общий автомат просто выключит котел в случае выхода из строя цепи или электрода. Также в котле не предусмотрена возможность прямого включения в сеть его нагревательных элементов, минуя электронную систему управления. Отсутствует система контроля за работоспособностью циркуляционного насоса, что не защищает нагреватели от перегрева и выхода из строя. Котел не имеет системы самодиагностики, отражающей работоспособность всех параметров нагревательных элементов.
Техническим результатом заявленной полезной модели является возможность дискретно изменять свою мощность в диапазоне от 0 до максимальной, котел также может работать на оставшихся работоспособных кластерах, при выходе из строя одного или нескольких нагревательных элементов. Также обеспечивается повышение безопасности работы котла и стабильность его работы при замыканиях и утечках (поражениях током), возможность слежения за работой всех параметров нагревательных элементов и насоса.
Указанный технический результат достигается за счет того, что индукционный отопительный котел, содержащий панель управления, автоматы включения котла, коммутатор нулевой шины, УЗО (устройство защитного отключения), циркуляционный насос, несколько индукторов, входной патрубок для нагреваемой жидкой среды и выходной патрубок для нагретой жидкой среды, отличающийся тем, что каждый из индукторов выполнен в качестве независимого нагревательного элемента - кластера, подключение к электропитанию которых выполнено по параллельной схеме на основе электрических контактов твердотельного реле, параллельно которым подключен механический включатель (автомат); содержит модуль электронного управления циркуляционным насосом, микропроцессор которой выполнен с возможностью слежения за наличием тока в электрической цепи циркуляционного насоса и способен отслеживать: подключения насоса к модулю; если модуль подал на насос сигнал включения; если модуль не подал на насос сигнал включения; если в питающей цепи насоса отсутствует напряжение; также котел содержит датчики температуры, установленные на входе и выходе из котла; в качестве автомата включения котла использован автомат аварийного режима БАЙПАС; также содержит блок конденсаторов, размещенных под кластерами. В качестве теплоносителя предпочтительно использован антифриз бытовой для систем отопления на основе этиленгликоля.
Полезная модель поясняется чертежом, см. Фиг.1 (слева - вид спереди, справа - вид сзади), где 1 - панель управления котлом, 2 - автоматы включения котла, 3 - коммутатор нулевой шины, 4 - автомат аварийного режима БАЙПАС, 5 - УЗО (устройство защитного отключения), 6 - реле включения кластера, 7 - конденсаторы реактивной нагрузки, 8 - циркуляционный насос, 9 - нагревательный элемент, 10 - входной коллектор, 11 - выходной коллектор, 12 - запорный клапан (например, клапан Маевского). Индукционный котел посредством электромагнитного поля разогревает сердечник кластера 9, через который циркулирует теплоноситель. Разогретый теплоноситель, в свою очередь, передает тепло радиаторам отопления.
Котел оснащен встроенным циркуляционным насосом 8, и его индукционные нагревательные элементы предназначены для использования только в системах с принудительной циркуляцией теплоносителя.
Предпочтительно в качестве теплоносителя использовать антифриз бытовой для систем отопления на основе этиленгликоля.
Так же может быть использована вода, однако длительное присутствие воды в системе отопления, неминуемо ведет к коррозии внутренних поверхностей радиаторов отопления, индукционных нагревателей и прочих металлических элементов системы, а, следовательно, к отложениям в системе и постепенному снижению ее эффективности.
Контроль за работой котла осуществляется автоматической системой управления, расположенной в панели управления 1.
Котел имеет кластерную схему, т.е. имеет несколько независимых нагревательных элементов (кластеров) 9. Благодаря такому устройству он может дискретно изменять свою мощность в диапазоне от 0 до максимальной. У большинства индукционных котлов подобного нет, т.е. они способны работать только на максимальной мощности.
Это удалось реализовать благодаря многообмоточной схеме, т.е. конечная мощность котла складывается из мощностей независимых друг от друга обмоток, задействованных в текущий момент.
Котел может работать на оставшихся работоспособных кластерах, при выходе из строя одного или нескольких нагревательных элементов. Это достигнуто благодаря вышеупомянутой многообмоточной схеме и параллельному электрическому подключению кластеров.
Котел сохраняет свою работоспособность без потери мощности при обрыве одной или двух фаз из трех. Аналогичные котлы работают либо от одной фазы, либо только от трех. Это достигнуто благодаря нескольким факторам: многообмоточной схеме и электронной системе распределения мощности.
Каждый кластер оснащен индивидуальной системой безопасности от короткого замыкания и утечек (поражения током) - своим УЗО 5. У аналогичных решений один общий автомат.
При выходе из строя электронной системы управления, в котле предусмотрена возможность прямого включения в сеть его нагревательных элементов, минуя электронную систему управления. Это достигается за счет того, что параллельно электрическим контактам твердотельного реле 6 подключен механический включатель (автомат) 2. Он же, в свою очередь, обеспечивает безопасность работы нагревательного элемента от короткого замыкания.
В заявленном котле реализована система контроля за работоспособностью насоса 8, что гарантированно защищает нагреватели от перегрева и выхода из строя.
Это реализовано благодаря тому, что микропроцессор электронной системы управления насосом, расположенной в панели управления 1, следит за наличием тока в электрической цепи циркуляционного насоса и способен отслеживать: подключения к модулю; если модуль подал на насос сигнал включения; если модуль не подал на насос сигнал включения; если в питающей цепи насоса отсутствует напряжение (сработал автомат, обнаружен обрыв или не подано напряжение питания).
Котел оснащен оригинальной системой самодиагностики, отражающей работоспособность всех параметров нагревательных элементов.
Данные о текущей температуре теплоносителя считываются с датчиков (на чертеже не показаны), интегрированных в отопительную систему на входе и выходе из котла.
Получаемая контрольная информация выводится на дисплей системы управления в панели управления 1.
Комфортные настройки тепловых режимов работы котла зависят от пожеланий пользователя, от местных климатических условий, от утепления помещения, уровня теплопотерь и ряда других факторов.
Если температура теплоносителя на входе ниже установочного значения, включается один кластер 9 (из доступных); если температура теплоносителя на входе выше или равна установочному значению, то кластеры не включаются; в режиме полной мощности» после подачи питания включаются все доступные кластеры.
Если насос 8 выключен или неисправен (по любой причине), то кластеры 9 котла отключаются автоматически.
Если температура выходящего трубопровода превысит 90°C, все кластеры автоматически выключаются, в т.ч. и режим полной мощности.
Если произошла потеря связи с силовым модулем или отсутствует напряжение в цепи питания кластера или насоса, то сигнал включения кластера или насоса снимается, но автоматически (кроме управления насосом) включается 1-й доступный выключенный кластер.