ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована в устройствах электрического нагрева воды для бытовых и технических нужд.
Известны электроводонагреватели двух типов - проточные и накопительные. Проточные электроводонагреватели, известные, например, из литературы [1] и [2], предназначены для мгновенного подогрева воды, непрерывно поступающей из водопроводной сети. Они характеризуются высоким быстродействием, однако, несмотря на разнообразие их конструкций, все они имеют существенный недостаток, заключающийся в большом энергопотреблении. В проточном электроводонагревателе 100 л воды могут быть нагреты до 35-40°С за 12-15 мин, но затраты мощности составят при этом 14-15 кВт. Накопительный электроводонагреватель вместимостью 80-120 л способен нагреть воду до 70-75°С при затрате мощности 2,5-3 кВт лишь за 2 часа, а при затрате 1-1,5 кВт за 6 часов. Однако, проблема экономии затрат мощности является актуальной и для электроводонагревателей накопительного типа. Попытки решения указанной проблемы встречаются в ряде отечественных и зарубежных публикаций.
Известен водонагреватель [3] с резервуаром для хранения горячей воды, содержащий водяной резервуар и циркуляционный насос. Циркуляционный насос забирает воду из нижней части резервуара и возвращает ее обратно через его верхнюю часть. Водонагреватель [3] содержит также нагреватель для подогрева воды во время ее циркуляции, датчик для контроля температуры нагретой воды и блок регулирования, который сравнивает фактическую и заданную температуру горячей воды и в соответствии с результатом сравнения генерирует управляющие сигналы для нагревателя и циркуляционного насоса.
Известна также система горячего водоснабжения [4], содержащая несколько параллельных резервуаров для горячей воды, водонагреватель с тепловым насосом, контур циркуляции, в котором вода циркулирует между нагревателем и резервуарами и при этом нагревается до кипения. Известная система [4] содержит также подводящий трубопровод для холодной воды, подсоединенный к нижней части резервуаров, трубопровод для горячей воды, соединенный с верхней частью резервуаров, электроводонагреватели, встроенные внутрь резервуаров, а также многоходовые клапана.
Оба известных электроводонагревателя, как [3], содержащий один резервуар, так и [4], представляющий собой целую систему баков, позволяют получить горячую воду заданной температуры в необходимом потребителю количестве. Однако известные электроводонагреватели являются энергоемкими, поскольку в их состав входят электронасосы, обеспечивающие циркуляцию нагретой воды.
Известен также подогреватель [5] с постоянной температурой воды на выходе. Подогреватель состоит из цилиндрического бака, внутри которого установлен поршень, разделяющий полость бака на две камеры переменного объема. Обе камеры имеют по одному впускному патрубку для холодной воды и одному выпускному патрубку для горячей воды. Подогреватель оборудован регулятором цикличной работы, посредством которого реверсируют движение поршня. При потребности в горячей воде по команде регулятора цикличности поршень перемещается вдоль бака, вытесняя из соответствующей камеры горячую воду. В это время другая камера заполняется холодной водой. После полного вытеснения горячей воды из одной камеры регулятор реверсирует поршень, который начинает вытеснять нагретую к этому времени до заданной температуры воду из другой камеры. Источниками нагрева могут быть газовая горелка или электрический нагреватель. Нагрев двух камер в баке гарантирует постоянство температуры выдаваемой воды, что является несомненным достоинством известного
подогревателя [5]. Однако, его конструкция, усложненная перемещающимся поршнем, регулятором цикличности его работы и множеством клапанов, громоздка и сложна.
Наиболее близким по своей конструкции и технической сущности к предлагаемой полезной модели является электроводонагреватель, описанный в литературе [6], выбранный в качестве прототипа. Известный электроводонагреватель [6] предназначен для нагрева воды для горячего автономного водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий, дач и гаражей. Электроводонагреватель содержит два вертикально расположенных бака, соединенных двумя трубами. Верхний бак снабжен трубой подачи холодной воды и вентилем, а нижний - трубой выпуска горячей воды, вентилем и нагревательным элементом, расположенным в нижней части полости бака. Труба выпуска горячей воды расположена в дне нижнего бака, а входной конец ее заведен в верхнюю часть полости этого бака. Выходной конец соединительной трубы заведен в нижнюю полость нижнего бака в зону расположения нагревательного элемента, а вторая соединительная труба представляет собой патрубок, снабженный вентилем и расположенный между дном верхнего бака и верхом нижнего бака. В электроводонагревателе [6] за счет нового расположения элементов устройства обеспечивается уменьшение потерь тепла нагретой воды и, следовательно, сокращение времени нагрева воды до заданной температуры. Однако, несмотря на его несомненные достоинства, следует отметить недостатки, присущие техническому решению, выбранному в качестве прототипа. В известном электроводонагревателе [6] происходят значительные потери тепла, которые возникают в результате того, что баки электронагревателя имеют форму, вытянутую в вертикальном направлении, причем холодная вода поступает в верхний бак, а нагрев воды происходит в нижнем баке. Такая конструкция оказывает противодействие естественной конвекции воды, что затрудняет теплообменные процессы водных масс.
Кроме того, теплоизолированным в электроводонагревателе [6] является только один из баков, а именно - нижний, имеющий меньшую емкость, что приводит к дополнительным потерям тепла, а, следовательно, повышению расхода электроэнергии. К недостаткам известного электроводонагревателя [6] следует отнести также наличие трех вентилей, обеспечивающих работу устройства, управление которыми осуществляется вручную.
Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение энергопотребления электроводонагревателя за счет оптимизации процессов теплообмена и уменьшения потерь тепла нагретой воды при одновременном повышении удобства пользования устройством и упрощении его конструкции.
Для достижения поставленной задачи предлагается электроводонагреватель, который, как и наиболее близкий к нему, выбранный в качестве прототипа, содержит два расположенных один над другим бака - верхний и снабженный теплоизоляцией нижний, соединенные двумя патрубками, нагревательный элемент, расположенный в нижней части нижнего бака, входной патрубок подачи холодной воды и выходной патрубок забора горячей воды. Особенностью предлагаемой полезной модели, отличающей ее от известного, принятого за прототип устройства, является то, что верхний и нижний баки расположены внутри общего корпуса, заполненного теплоизоляцией и имеют вытянутую в горизонтальном направлении форму. Соединительные патрубки связывают дно верхнего бака и верхнюю стенку нижнего бака. Входной патрубок подачи холодной воды расположен в дне нижнего бака, снабжен обратным клапаном и рассекателем, установленным в полости нижнего бака. Выходной патрубок забора горячей воды расположен в верхней части верхнего бака. С целью защиты стальных элементов конструкции внутренних баков от электрохимической коррозии в нижнем баке электроводонагревателя может быть установлен анод. Для промывки баков в нижнем баке может быть
установлен сливной патрубок. Для осуществления режима ускоренного нагрева воды электроводонагреватель может быть снабжен дополнительным нагревательным элементом.
Важнейшей из задач, поставленных при создании предлагаемой полезной модели, является уменьшение энергопотребления электроводонагревателя. Выполнение указанной задачи стало возможным благодаря следующему.
В заявляемой полезной модели улучшена теплоизоляция за счет размещения как верхнего, так и нижнего баков в едином общем корпусе. Это позволило существенно уменьшить тепловые потери электроводонагревателя во внешнюю среду. В прототипе теплоизолирован только нижний бак, имеющий меньший объем.
Кроме того, в заявляемом электроводонагревателе предложена новая, по сравнению с прототипом, вытянутая в горизонтальном направлении форма выполнения баков. Этот существенный признак, а также вновь введенный рассекатель водной струи обеспечивают снижение конвективного теплообмена водных масс, сводя к минимуму перемешивание холодной и нагретой воды за счет более плавного воздействия водных слоев низких температур на слои с более высокой температурой. Оптимизации процесса теплообмена способствует также расположение соединительных патрубков электроводонагревателя. Эти признаки обеспечили сведение к минимуму перемешивания горячей и поступающей холодной воды в зоне забора горячей воды, что позволяет забирать из электроводонагревателя воду максимальной температуры.
Следует также отметить, что такой существенный признак, как наличие обратного клапана на месте обычного ручного вентиля, установленного в прототипе, обеспечивает работу электроводонагревателя в автоматическом режиме, создавая удобство и комфортность при его использовании. Признаки, включенные в зависимые пункты формулы
(наличие анода, сливного патрубка, дополнительного нагревательного элемента), отсутствующие в прототипе, обеспечивают такие дополнительные полезные для потребителя качества, как увеличение срока службы электроводонагревателя, возможность больших потреблении горячей воды без понижения ее температуры и промывку баков.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлен один из конкретных примеров реализации предлагаемого электроводонагревателя.
На фиг. изображен предлагаемый электроводонагреватель в разрезе с фрагментом лицевой панели.
Электроводонагреватель состоит из общего корпуса 1, внутри которого смонтированы верхний бак 2 и нижний бак 3. Для сообщения верхнего 2 и нижнего 3 баков они соединены между собой патрубками 4 и 5. Баки 2 и 3 имеют форму цилиндров, вытянутых в горизонтальном направлении (так называемое горизонтальное расположение баков). В нижней части бака 3 смонтированы:
- входной патрубок 6 подачи холодной воды, снабженный обратным клапаном 7, предназначенным для предотвращения опустошения баков 2 и 3 в случае падения давления в водопроводной сети;
- рассекатель 8 струи, предназначенный для равномерного распределения поступающей холодной воды и представляющий собой пластину с отверстиями, установлен в полости нижнего бака;
- сливной патрубок 9, служащий для промывки баков 2 и 3;
- магниевый анод 10, предназначенный для защиты стальных элементов конструкции внутреннего бака от электрохимической коррозии. В верхнюю часть верхнего бака 2 вмонтирован выходной патрубок 11, предназначенный для забора горячей воды. Корпус 1 электроводонагревателя
может быть выполнен, например, из специального конструкционного пластика, либо из зеркальной полированной нержавеющей стали. Баки 2 и 3 изготавливаются из эффективно противостоящей коррозии аустенитной (немагнитной) нержавеющей стали. Соединительные швы баков 2 и 3 свариваются электронно-лучевой сваркой в вакуумном поле. Такая технология обеспечивает высокую коррозионную устойчивость сварных швов. Все патрубки электроводонагревателя - соединительные 4 и 5, входной патрубок 6 подачи холодной воды, сливной патрубок 9, выходной патрубок 11 забора горячей воды выполнены из нержавеющей стали. Анод 10 изготовлен из магниевого сплава. Во внутренней полости нижнего бака 3 смонтированы датчик термостата 12 и нагревательный элемент (ТЭН) 13. Электроводонагреватель может быть снабжен вторым нагревательным элементом (на фиг. не показан), предназначенным для осуществления ускоренного нагрева воды. На лицевой панели 14 электроводонагревателя расположены элементы управления режимами мощности и температуры нагрева воды:
- регулятор 15 установки мощности;
- регулятор 16 установки температуры воды;
- шкала 17 электрического термометра. Объем между общим корпусом 1 и баками 2, 3 заполнен теплоизоляцией 18, выполненной из экологически чистого пенополиуретана. Пенополиуретан имеет самый низкий коэффициент теплопроводности и является наиболее эффективным теплоизоляционным материалом. Утолщение слоя теплоизоляции, обусловленное описанной выше конфигурацией баков, соединенных патрубками, обеспечивает снижение теплопотерь электроводонагревателя.
Предлагаемый электроводонагреватель работает следующим образом.
Перед включением в электрическую сеть электроводонагреватель заполняют холодной водой. Холодная вода через обратный клапан 7, входной патрубок 6 и рассекатель 8 струи поступает в нижний бак 3, при этом,
холодная вода заполняет сначала нижний бак 3, а затем верхний 2, вытесняя воздух из верхнего бака 2 через выходной патрубок 11. Как только вода в верхнем баке 2 достигнет верхнего уровня выходного патрубка 11, она через патрубок 11 начнет выливаться наружу, что является признаком полного заполнения электроводонагревателя. После этого закрывается выходной вентиль на выходном патрубке 11, и электроводонагреватель подключается к электрической сети. По мере нагрева воды в нижнем баке 3 она за счет конвекции поднимается в верхнюю часть нижнего бака 3 и по патрубкам 4 и 5 попадает в верхний бак 2, постепенно нагревая и замещая в нем холодную воду. Расход горячей воды происходит из верхней части верхнего бака 2, при этом за счет максимальной удаленности точки забора горячей воды от точки поступления холодной и минимальном перемешивании за счет разделения баков, а также малого сечения соединяющих патрубков 4 и 5 из электроводонагревателя отбирается вода максимальной температуры, на которую настроен термостат. На лицевой панели 14 с помощью рукояток 15 и 16 пользователь задает нужный температурный режим, который поддерживается термостатом 12. В случае превышения установленной температуры нагрева, термостат 12 автоматически отключает питание устройства. Нагрев воды в баке осуществляется электронагревательным элементом 13. При снижении температуры воды термостат 12 автоматически подключает питание, поддерживая таким образом установленную температуру. На шкале 17 (см. фиг.2) отражается фактический уровень температуры воды. При расходе горячей воды из верхнего бака 2 ее объем непрерывно замещается равным количеством подогретой воды из бака 3 за счет подпора давлением водопровода. Таким образом, работа устройства осуществляется в автоматическом режиме. При больших расходах воды из верхнего бака 2 подключается второй электронагревательный элемент, благодаря чему происходит непрерывная подача горячей воды потребителю.
Таким образом, предлагаемый электроводонагреватель, имеющий описанную выше конструкцию, обеспечивает по сравнению с прототипом существенное снижение теплопотерь а, следовательно, сокращение времени нагрева воды и экономию электроэнергии. Кроме того, в отличие от прототипа, устройство работает в автоматическом режиме и не требует постоянного ручного управления вентилями. При этом конструкция электроводонагревателя проста и компактна.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Патент РФ 2008570, кл. F 24 H 1/20, опубл. 1994.
2. Патент РФ 2172900, кл. F 24 H 1/20, опубл. 2001.
3. Заявка Японии 3-173275, кл. F 24 H 1/18, опубл. 2001.
4. Заявка Японии 3-173204, кл. F 24 H 1/18, опубл. 2001.
5. Патент США 6292628, кл. F 24 H 1/18, опубл. 2001.
6. Патент РФ 2116580, кл. F 24 H 1/20, опубл. 1998 - прототип.