КОТЕЛ ВОДОГРЕЙНЫЙ

Котел водогрейный бытового назначения предназначен для горячего водоснабжения и теплоснабжения индивидуальных жилых домов, оборудованных системами водяного отопления, и может использоваться при значительных изменениях стандартного напряжения в электрических сетях.
Большинство современных моделей водогрейных котлов изготавливаются энергозависимыми. Для работы газового или электрического водогрейного котла необходимо напряжение в электросети с постоянной величиной. Долговечность и безотказная работа устройств, содержащих электронные компоненты, обеспечивается, в значительной степени, стабильностью питающего их электрического тока. Характеристики питающей сети, согласно основному стандарту, в Российской Федерации определены следующими величинами: 0,4 кВ/220 В. Однако входное напряжение, подаваемое на подключаемый электрический прибор, может отличаться в зависимости от загрузки питающей сети. Нередко такие колебания достигают пределов от 140 до 280 В. При указанных параметрах, блок питания электроприбора не может обеспечить работоспособность устройства, что приводит к его отключению, либо к выходу из строя компонентов устройства.
Для предотвращения такого сценария, в схему блока питания устройства вводят стабилизатор напряжения, который должен обеспечить выравнивание напряжения питающей сети.
Известен блок питания газового котла (CN 200979189 (У), з. 200620036557.1), включающий стабилизатор напряжения LM317. В электрической схеме блока питания указанный стабилизатор установлен после понижающего трансформатора и выпрямителя, то есть на своем участке цепи стабилизатор обеспечивает коррекцию напряжения постоянного тока. Коррекция напряжения в данном случае осуществляется в узких пределах: от 1,25 В до 37 В, после его преобразования и выпрямления, для сглаживания погрешности работы схемы преобразования и может использоваться только в сетях с хорошим качеством электроэнергии. При использовании такой схемы не удается стабилизировать и нивелировать существенные перепады напряжения переменного тока на выходе из питающей сети.
Ближайшим аналогом принят котел бытовой газовый одноконтурный Bosch GAZ 6000W WBN 6000-18 Н (http://www.bosch-climate.ru/engels/gaz-6000-w.html). В рекомендациях по применению котлов водогрейных в сетях с нестабильным напряжением питания рекомендуется доукомплектовывать систему отопления/водоснабжения, частью которой является котел водогрейный, отдельно стабилизатором напряжения. Недостатками использования установленных отдельно стабилизаторов напряжения являются увеличенные габариты системы водонагрева, выражающиеся, в частности, в том, что стабилизатор напряжения, как устройство, представляет собой корпус параллелепипедной формы, в котором установлены, по меньшей мере, один трансформатор, и система переключения ступеней трансформатора, в зависимости от вида стабилизатора. Указанные компоненты, как правило, занимают не более 60% общего объема корпуса, остальное пространство остается неиспользованным. Это увеличивает габариты системы водогрейный котел-стабилизатор напряжения. Существует вероятность выхода из строя электронных блоков в результате неверного подбора типа стабилизатора, без учета технических параметров котла, например, его мощности, вида котла, что может привести к выходу из строя блока управления котлом и, в крайнем случае, стать причиной возгорания. В частности, водогрейные котлы, использующие в качестве источника тепловой энергии газ и электричество, требуют установки различных по мощности стабилизаторов напряжения. Увеличенная длина проводов и количество соединений усложняют монтаж котла, снижая надежность работы электрической схемы и котла в целом. Присутствие разъемных соединений на участке цепи стабилизатор - водогрейный котел также может способствовать возникновению искры, что может также привести к возгоранию. Среди прочего, дополнение стандартного котла водогрейного отдельным стабилизатором напряжения позволяет лишь выбрать модель стабилизатора, исходя из предложений на рынке, в частности, мощность стабилизатора может быть либо существенно выше мощности потребляемой котлом, что для потребителя повлечет дополнительные финансовые затраты, либо незначительно ниже потребляемой мощности, что при вероятном краткосрочном повышении нагрузки выведет такой стабилизатор из строя.
Задачей технического решения является создание котла водогрейного, конструкция которого позволяет повысить надежность и продолжительность работы электрических схем и котла в целом, в том числе и точным подбором рабочих параметров устройства, исключить дорогостоящий ремонт.
Поставленная задача решается тем, что котел водогрейный, включающий корпус в котором размещены нагревательный элемент, теплообменник с теплоносителем, снабженный входом и выходом, блок питания, соединенный через блок управления с элементами контроля, характеризующийся согласно изобретению тем, что в его корпус дополнительно установлен стабилизатор напряжения переменного тока, при этом вход стабилизатора напряжения переменного тока подключен к питающей сети, а выход стабилизатора напряжения переменного тока соединен с входом блока питания.
Целесообразна установка стабилизатора напряжения переменного тока в едином корпусе с блоком питания.
В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что в качестве стабилизатора напряжения переменного тока используют электромеханический стабилизатор напряжения на базе силового автотрансформатора.
В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что в качестве стабилизатора напряжения переменного тока используют релейный стабилизатор напряжения.
В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что в качестве стабилизатор напряжения переменного тока используют тиристорный стабилизатор напряжения.
В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что в качестве стабилизатора напряжения переменного тока используют симисторный стабилизатор напряжения.
В частном случае указанная задача дополнительно решается тем, что в качестве стабилизатора напряжения переменного тока используют импульсный стабилизатор напряжения.
Предлагаемая конструкция котла водогрейного во всех реализациях отличается от аналога тем, что устройство дополнительно снабжено стабилизатором напряжения переменного тока, вход которого подключен к питающей сети, а выход соединен с входом блока питания.
В процессе изготовления котла водогрейного в корпусе перед блоком питания, или непосредственно в корпусе блока питания размещается стабилизатор напряжения переменного тока, соответствующий ему по техническим характеристикам, в частности, по типу и мощности котла.
Наличие стабилизатора напряжения переменного тока позволяет контролировать и регулировать величину выходного, по отношению к стабилизатору, напряжения, нивелировать изменения напряжения на выходе из питающей сети, т.к. вход стабилизатора напряжения переменного тока подключается непосредственно к питающей сети, а выход стабилизатора напряжения переменного тока соединен с входом блока питания котла. Снабжение котла водогрейного стабилизатором напряжения переменного тока в заводских условиях позволяет избежать ошибок в подборе типа стабилизатора после монтажа котла у потребителя, которые чреваты возникновением пожара, коротких замыканий. Входное напряжение U1 отслеживается регулирующим устройством, при изменении параметров входного напряжения U1 регулирующее устройство подает сигнал на исполнительный элемент (исполнительным элементом могут быть электропривод автотрансформатора, электромеханические реле, электронные ключи) указанные элементы производят переключение ступеней силового трансформатора, затем регулирующее устройство производит проверку преобразованного напряжения. Стабилизированное напряжение приобретает постоянную и неизменную величину, поступая на блок питания и далее на блок управления с дисплеем управления. Чем обеспечивается надежность работы электрических схем управления, повышается электробезопасность эксплуатации котла и срок службы котла в целом. В случае несоответствия стабилизированного напряжения требованиям электрооборудования котла водогрейного, регулирующее устройство производит отключение стабилизатора от питающей сети.
Схема стабилизатора напряжения может быть дополнена термобиметаллическим прерывателем, установленном на одном из участков цепи. Вследствие длительной работы стабилизатора в условиях пониженного напряжения питающей сети, а, следовательно, при повышенной силе тока, происходит нагрев компонентов стабилизатора. Превышение критической температуры компонентов приводит к срабатыванию термобиметаллического прерывателя и отключению устройства от электрической сети
Размещение стабилизатора напряжения переменного тока именно в корпусе котла упрощает монтаж котла водогрейного у потребителя. Позволяет уменьшить габариты системы водонагрева в целом, уменьшается длина электрических проводов и количество их соединений.
В качестве стабилизатора напряжения переменного тока может быть использован электромеханический, релейный, тиристорный, симисторный или импульсный стабилизатор напряжения.
При снабжении стабилизатором напряжения водогрейного котла, конструкцией которого предусмотрено наличие блока активного дымоудаления и/или циркуляционного насоса, мощность стабилизатора напряжения должна рассчитываться по формуле:
где:
стаб.
P - требуемая мощность стабилизатора;
k - коэффициент запаса, рекомендуется 10-15%, т.е. 1,1-1,15
ЭК.
P - полная мощность электрических потребителей (компонентов);
ЭД
P - мощность электромотора блока активного дымоудаления;
ЦН
P - мощность электродвигателя циркуляционного насоса;
cosϕ1, cosϕ2 - поправочный коэффициент из документации по электромотору, если отсутствует, берется усредненное значение - 0,7
На панель управления водогрейного котла могут быть выведены индикаторы, передающие информацию о состоянии работы стабилизатора, как то: элемент управления, позволяющий использовать задержку включения контроля после пуска устройства.
Схема стабилизатора, использующая в качестве стабализирующего элемента автотрансформатор (АТР) может быть использована с применением гальванической развязки, подразумевающей использование дополнительного трансформатора сетевой развязки на участке цепи после силового трансформатора. Применение электромеханического стабилизатора напряжения невозможно в котлах водогрейных, использующих газ в качестве источника тепловой энергии вследствие наличия вероятности возникновения искры при работе стабилизатора, а именно, при размыкании и замыкании контакта.
Устройство пояснено на следующих рисунках:
Фиг. 1 - блок-схема обобщенная котла водогрейного;
Фиг. 2 - блок-схема электрической системы котла водогрейного;
Фиг. 3 - блок-схема электрической системы котла водогрейного с электромеханическим стабилизатором напряжения переменного тока;
Фиг. 4 - блок-схема электрической системы котла водогрейного с релейным стабилизатором напряжения переменного тока;
Фиг. 5 - блок-схема электрической системы котла водогрейного с электронным стабилизатором напряжения переменного тока;
Фиг. 6 - блок-схема электрической системы котла водогрейного с импульсным стабилизатором напряжения переменного тока.
В представленном на фиг. 1-6 устройстве котла водогрейного можно осуществлять стабилизацию поданного питающей сетью напряжения в пределах 140-280 В. Котел водогрейный включает корпус 1, установленные в нем стабилизатор напряжения переменного тока 2, блок питания 3, блок управления 4, нагревательный элемент 5, теплообменник с теплоносителем, снабженный входом и выходом 6. Изображенная на фиг. 2 блок-схема электрической системы котла водогрейного включает блок питания 3 с введенным в его корпус стабилизатором напряжения переменно тока 2. Устройства измерения параметров 7 работы котла водогрейного (устройство контроля температуры, давления газа, иные), контроллер 8 и исполнительные элементы 9 составляют структурную схему блока управления, дополненного панелью управления 10. На фиг. 3 представлен частный случай использования стабилизатора напряжения переменного тока на базе электромеханического автотрансформатора, где U1 входное напряжение, блок контроля 11, электромеханический привод автотрансформатора 12, силовой трансформатор 13, U2 стабилизированное напряжение постоянного тока, питающего компоненты блока управления 4. На фиг. 4 представлен частный случай котла водогрейного, в качестве стабилизатора напряжения в котором установлен релейный стабилизатор, где U1 входное напряжение, поступающее от питающей сети, величина U1 может колебаться в пределах 140-280 В, блок контроля 11, силовой трансформатор 14, K1, K2, K3 реле, осуществляющие переключения обмоток трансформатора согласно сигналу, поступающему от блока контроля, U2 стабилизированное напряжение постоянного тока для питания компонентов блока управления 4. На фиг. 5 представлен частный случай котла водогрейного с использованием в качестве стабилизатора напряжения переменного тока электронных ключей, где U1 нестабильное входное напряжение, блок контроля 11, K1…Kn электронные ключи (тиристоры или симисторы) 15, блок питания 3, U2 стабилизированное напряжение постоянного тока, блок управления 4.
Устройство работает следующим образом. При параметрах однофазной питающей сети, обеспечивающих разность потенциалов в 220 В±7% стабилизатор напряжения включен в работу электрической системы котла водогрейного, не изменяя, при этом, ее параметров, то есть силовой трансформатор, присутствующий в схеме стабилизатора, обеспечивает передачу на вторичную обмотку электрического тока с неизменным напряжением. При просадке напряжения в питающей сети U1 ниже 200 В блоком контроля отслеживается падение напряжения на входном участке электрической цепи. Блок контроля 11 производит вычисление параметров сети и подает команду на исполнительный механизм корректировки напряжения. В зависимости от варианта осуществления, таковым, как уже было приведено в описании, могут быть: электромеханический автотрансформатор, релейные ключи, электронные ключи (тиристоры, симисторы). При использовании в схеме автотрансформатора, блок контроля 11 подает сигнал на электромеханический привод 12, изменяющий (в данном случае увеличивающий) коэффициент трансформации, путем включения в сеть большего количества витков обмотки. Стабилизатор напряжения, в конструкции которого применены электрические реле, при просадке напряжения, осуществляет корректировку следующим образом: с блока контроля 11 подается сигнал на один, или несколько ключей, осуществляющих включение в цепь необходимого количества витков вторичных обмоток трансформатора. При использовании в качестве стабилизатора совокупности силового трансформатора и электронных ключей 15 блок контроля 11 осуществляет включение требуемого симистора (тиристора) путем подачи мощного импульса в момент прохождения синусоидой напряжения нулевой точки. Управляя коэффициентом трансформации с помощью описанных выше способов, стабилизатор подает откорректированный по напряжению переменный ток на блок питания 3, где осуществляется его снижение до рабочего напряжения компонентов электрической системы котла водогрейного, выпрямление и получение постоянного электрического тока напряжения U2, осуществляющего питание компонентов блока управления. При увеличении напряжения питающей сети, технически осуществляется уже описанная цепочка преобразований, отличие состоит лишь в понижении коэффициента трансформации.
При наличии в конструкции котла водогрейного электродвигателей, возможно оснащение заявляемого устройства блоком отсроченного контроля параметров питающей сети, поскольку во время запуска электромотора происходит кратковременное повышение потребляемой прибором мощности. Этот момент можно учесть при расчете мощности стабилизатора напряжения по формуле, приведенной ранее в описании.
Устройство котла водогрейного ниже представлено примерами конкретного выполнения, включающим различные вариации котлов по типу источника тепловой энергии и типу стабилизатора напряжения переменного тока.
Пример 1 - электрический котел
Котел водогрейный электрический полной мощностью 4,2 кВт в корпусе (1) которого размещен электромеханический стабилизатор напряжения переменного тока (2), подключенный к питающей сети с напряжением U1 140-280 В, выход которого соединен с входом блока питания (3). Электромеханический стабилизатор переменного напряжения установлен непосредственно в блок питания котла водогрейного.
С блоком питания последовательно соединен блок управления с устройствами измерения параметров (7) теплоэлектронагревателя (5), теплоносителя (6), контроллера (8), исполнительных элементов (9) и панели управления 10. Электромеханический стабилизатор напряжения переменного тока установлен с 20% запасом мощности с диапазоном рабочих напряжений от 140-280 В. Величина напряжения контролируется блоком контроля 11, при превышении предельно допустимого значения напряжения стабилизируется путем использования автотрансформатора 13 с приводом 12. При отклонении входного напряжения от номинального значения, блок контроля подает сигнал на привод автотрансформатора переместить токосъемный узел по обмотке автотрансформатора на нужную величину в ту или иную сторону. Посредством этого регулируемый автотрансформатор вырабатывает компенсационное напряжение, которое суммируется (или вычитается) с входным сетевым напряжением. Обратная связь работает до полной компенсации отклонения выходного напряжения. Напряжение приобретает постоянную и неизменную величину еще до попадания в блок питания. Стабилизатор напряжения переменного тока данного вида обеспечивает точность стабилизации выходного напряжения ±3% и обеспечивает надежную работу электрических схем управления и котла в целом. Стабилизированное постоянное напряжение U2 5-24 В после блока питания подается на блок управления и панель управления.
При использовании стандартной конструкции котла водогрейного при повышении или понижении напряжения могут выходить из строя компоненты электрической цепи, чувствительные к отклонениям от номинального диапазона напряжения, как правило, такими компонентами являются интегральные микросхемы, МОП-транзисторы и микропроцессоры. Стандартный понижающий трансформатор котла водогрейного обладает неизменным коэффициентом трансформации, поэтому изменения параметров питающей сети отражаются и на преобразованном токе. Следовательно, остальные компоненты цепи подвергаются воздействию повышенного или пониженного напряжения. За счет плотной упаковки компонентов в интегральных микросхемах и микропроцессорах, основным механизмом их отказа является процесс деградации и разрушения микропроводников вследствие воздействия на них тока высокого, в сравнении с расчетным, напряжения. В случае воздействия на полупроводниковые элементы тока пониженного в сравнении с расчетным, напряжения, возможна нестабильная работа отдельных элементов, что может стать причиной неправильной работы блока управления, и котла водогрейного в целом, а также привести к их повреждению.
Пример 2 - газовый котел
Котел водогрейный газовый с открытой камерой сгорания мощностью 100 Вт в корпусе (1) которого размещен релейный стабилизатор напряжения переменного тока (2), подключенный к питающей сети U1 140-280 В, выход которого соединен с входом блока питания (3). Физически, релейный стабилизатор напряжения установлен в отдельном корпусе от блока питания котла. Блок питания последовательно соединен с блоком управления (4) с устройствами измерения параметров (7), открытия заслонки - газовой горелки (5), температуры теплоносителя (6), контроллера (8) и исполнительных элементов (9), в частности, трехходового клапана, панели управления 10. Стабилизатор релейный выбран с запасом мощности 20%, т.е. мощностью 120 Вт с диапазоном рабочих напряжений 140-280 В. Величина напряжения контролируется на блоке контроля 11 при превышении предельно допустимого стабилизируется путем переключения при помощи реле K1, K2, K3 вторичных обмоток трансформатора 14. Напряжение стабилизируется и приобретает постоянную и неизменную величину еще до попадания в блок питания. Релейный стабилизатор напряжения переменного тока данного вида обеспечивает надежную работу электрических схем и котла в целом. Стабилизированное постоянное напряжение U2 5-24 В (в зависимости от типа блока управления) после блока питания подается на блок управления и панель управления.
Пример 3 - электрический котел
Котел водогрейный электрический мощностью 4,7 кВт в корпусе (1) которого размещен электронный стабилизатор напряжения переменного тока (2), подключенный к питающей сети U1 140-220 В и выход которого соединен с входом блока питания (3).
Блок питания последовательно соединен с блоком управления (4) с устройствами измерения параметров (7), контроллера (8) и исполнительных элементов (9), панели управления 10. Стабилизатор выбран с запасом мощности 20%, с диапазоном рабочих напряжений 140-280 В.
Величина напряжения контролируется на блоке контроля 11 при превышении предельно допустимого стабилизируется путем переключения при помощи электронных ключей K1, K2, …, Kn (15) вторичных обмоток трансформатора 14. В качестве электронных ключей (15) могут использоваться тиристоры или симисторы.
Напряжение стабилизируется и приобретает постоянную и неизменную величину еще до попадания в блок питания. Электронный стабилизатор переменного напряжения данного вида обеспечивает высокую степень стабилизации напряжения и надежную работу электрических схем и котла в целом. Стабилизированное постоянное напряжение U2 5-24 В (в зависимости от типа блока управления) после блока питания подается на блок управления и панель управления.
Пример 4 - газовый котел
Котел водогрейный газовый с закрытой камерой сгорания, блоком активного дымоудаления, мощностью 180 Вт в корпусе (1) которого размещен импульсный стабилизатор напряжения переменного тока (2), подключенный к питающей сети U1 140-280 В и выход которого соединен с входом блока питания (3). Стабилизатор напряжения и блок питания выполнены интегрированными, единой схемой. Блок питания последовательно соединен с блоком управления (4) с устройствами измерения параметров (7), контроллера (8) и исполнительных элементов (9), панели управления 10. Стабилизатор выбран с запасом мощности 20%, т.е. не менее 240 ВА с диапазоном рабочего (входного) напряжения 150-280 В. Величина напряжения на выходе стабилизатора контролируется блоком контроля (11) и поддерживается путем широтно-импульсной модуляции. Входное напряжение выпрямляется выпрямителем (16) и далее регулируется ключом (17) путем высокочастотного переключения, поддерживая неизменную по модулю величину выходного напряжения, которое поступает на разделительный трансформатор (14) блока питания
Напряжение стабилизируется и приобретает постоянную и неизменную величину еще до попадания в блок питания. Импульсный стабилизатор переменного напряжения обеспечивает высокую степень стабилизации напряжения и надежную работу электрических схем и котла в целом. Стабилизированное постоянное напряжение U2 5-24 В после блока питания подается на блок управления и панель управления.
Приведенные примеры являются частными случаями реализации полезной модели, объем правовой охраны устройства определяется формулой полезной модели.
Предлагаемый котел водогрейный может быть изготовлен в существующих мастерских или фабриках по производству отопительной техники, с использованием известных материалов и инструментов.
Предлагаемый котел водогрейный может использоваться в автономной системе отопления и горячего водоснабжения в электрифицированных районах с нестабильными параметрами питающей сети.