Автономный газовый водонагреватель
SELF-CONTAINED GAS WATER HEATER

Предлагаемое изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам для нагрева воды для бытовых и производственных нужд.
Известен газовый водонагреватель, содержащий цилиндрический корпус с крышкой и днищем, вертикальный ствол с отверстиями с верхней и нижней крышками, огневую камеру и газовую горелку, мембраны, витую платину, водораспределитель и водосборную емкость, причем в цилиндрическом корпусе, в центральной его части установлен вертикальный ствол с отверстиями, сверху корпус имеет крышку и днище, соединенную с водосборной емкостью, ствол внизу имеет крышку, над которой размещена газовая горелка с газовой задвижкой, а сверху ствол закрыт крышкой, через которую проходит трубопровод холодной воды, соединенный с кольцевым водораспределителем, размещенным над крышкой ствола [Патент РФ №25033893, МПК F24H1/10, 2014].
Недостатками известного устройства является отсутствие систем автоматики и безопасности, что снижает его экономическую и экологическую эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является бытовой газовый проточный водонагреватель, содержащий кожух (корпус), внутри которого размещены блок-кран, снабженный ручкой управления и системами автоматики и безопасности, соединенный с газовым трубопроводом, теплообменник, сообщающийся с подающим и обратным трубопроводами воды, запальную и рабочую горелки, расположенные под вытяжным устройством отвода продуктов сгорания газа, терморегулятор потока газа в рабочую горелку, адаптированный к заданной температуре нагрева воды теплообменником, который через газовую камеру соединен на входе с блок-краном и на выходе с рабочей горелкой, а обратным трубопроводом сообщен с камерой термостата, выход из которой соединен с трубопроводом для разбора нагретой воды [Патент РФ №2280215, МПК F24H1/00, F24H9/20, 2006].
Основным недостатками известного устройства является необходимость для его успешной работы постоянное снабжение систем автоматики и безопасности электроэнергией из посторонних источников, что снижает его эффективность и надежность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности автономного газового водонагревателя.
Технический результат достигается автономным газовым водонагревателем, содержащим цилиндрический корпус  с крышкой , снабженной выхлопным патрубком и днищем с центральным воздухозаборным отверстием, покрытыми теплоизоляцией, внутри которого снизу вверх помещены камера сгорания с горелкой с устройством автоматического зажигания, цилиндрический двухступенчатый теплообменник, первая ступень которого состоит из наружного водного кольцевого канала, заглушенного с торцов и снабженного входным и выходным патрубками и газового кольцевого канала, сообщающегося с торцов с камерой сгорания и камерой уходящих газов, вторая ступень состоит из внутреннего водного кольцевого канала, заглушенного с торцов, соединенного через патрубок с первой ступенью теплообменника  и снабженного патрубком, соединенным с накопительной емкостью, и газового цилиндрического канала, также сообщающегося с торцов с камерой сгорания и камерой уходящих газов, причем внутренние стенки водных кольцевых каналов первой и второй ступеней выполнены с вертикальными прямоугольными  пазами, в которые частично утоплены термоэлектрические звенья, состоящие из прямоугольных вставок, выполненных из термостойкого диэлектрического коррозионностойкого материала с высокой теплопроводностью, внутри которых помещены ряды, состоящие из расположенных  параллельно термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых представляет собой пару параллельных проволочных отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой с образованием зазора шириной Δ, каждое термоэлектрическое звено последовательно соединены между собой на торцах (в зонах водных кольцевых каналов первой и второй ступеней теплообменника) конденсаторами, покрытыми слоем водонепрницаемого диэлектрического материала, образуя термоэлектрический блок в форме разомкнутого кольца, первый и последний из вышеупомянутых конденсаторов  которого соединены с токовыводами, соединенными через преобразователь и аккумулятор с системой автоматизации и безопасности водонагревателя.
На фиг. 1, 2 представлены общий вид и разрез автономного газового водонагревателя (АГВН), на фиг. 3, 4 – узел  термоэлектрического звена (ТЭЗ), на фиг. 5  – узел термоэлектрических преобразователей (ТЭП).
Предлагаемый АГВН содержит цилиндрический корпус 1 с крышкой 2, снабженной выхлопным патрубком 3 и днищем 4 с центральным воздухозаборным отверстием 5, покрытыми теплоизоляцией 6, внутри которого снизу вверх помещены камера сгорания 7 с горелкой 8 с устройством автоматического зажигания (на фиг. 1–5 не показано), цилиндрический двухступенчатый теплообменник 9, первая ступень 10 которого состоит из наружного водного кольцевого канала 11, заглушенного с торцов и снабженного патрубками 12 и 13, соответственно, и газового кольцевого канала 14, сообщающегося с торцов с камерой сгорания 7 и камерой уходящих газов 15, вторая ступень 16 которого состоит из внутреннего водного кольцевого канала 17, заглушенного с торцов, соединенного через патрубок 13 с первой ступенью 10  и снабженного патрубком 18, соединенного с накопительной емкостью (на фиг. 1–5 не показана), соответственно, и газового цилиндрического канала 19, также сообщающегося с торцов с камерой сгорания 7 и камерой уходящих газов 15, причем внутренние стенки водных кольцевых каналов 11 и 17 выполнены с вертикальными прямоугольными  пазами 20, в которые частично утоплены термоэлектрические звенья (ТЭЗ) 21, состоящие из прямоугольных вставок 22, выполненных из термостойкого диэлектрического коррозионностойкого материала с высокой теплопроводностью (например, стеклопластика), внутри которых помещены ряды 23, состоящие из расположенных параллельно термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 24. Каждый ТЭП 24 представляет собой пару параллельных проволочных отрезков 25 и 26, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой с образованием некоторого зазора шириной Δ (значение Δ выбирается из условий надежной изоляции отрезков 25 и 26), причем ТЭЗ 21 установлены в пазах 20 таким образом, чтобы часть каждого ТЭП 24 рядов 23 омывалась дымовыми газами, поступающими из камеры сгорания, а другая часть, находящаяся в пазах 20 водных кольцевых водных каналов 11 и 17, охлаждалась проточной водой,  нагреваемой этими газами. Каждое ТЭЗ 21 последовательно соединены между собой на торцах (в зонах водных кольцевых каналов 11 и 17) конденсаторами 27, покрытыми слоем водонепрницаемого диэлектрического материала, образуя термоэлектрический блок (ТЭБ) 28 в форме разомкнутого кольца, первый и последний из вышеупомянутых конденсаторов 27 ТЭБ 28 соединены с токовыводами 29 и 30, которые, в свою очередь, через преобразователь и аккумулятор соединены с системой автоматизации и безопасности (на фиг. 1–5 не показаны).
В основу работы предлагаемого АГВН, наряду с процессами горения газа и теплообменными процессами  нагрева воды, положено использование эффекта термоэлектричества. Так как в ТЭЗ 21 помещены ряды 23, состоящие из ТЭП 24, изготовленных из проволочных отрезков 25 и 26, выполненных из металлов М1 и М2, спаянные на концах между собой, то при нагреве одних спаянных концов ТЭП 24 горячими дымовыми газами в газовых каналах 14 и 19 и охлаждении противоположных им спаянных концов этих  же ТЭП 24,  помещенных в пазы 20, проточной водой в водных каналах 11 и 17, в ТЭЗ 21 возникает термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506].
Автономный газовый водонагреватель  (АГВН),  представленный на фиг. 1–5, работает следующим образом. Горячие дымовые газы, выходя из камеры сгорания 7, нагревают вертикальные прямоугольные вставки 22 выполненного из термостойкого диэлектрического коррозионностойкого материала с высокой теплопроводностью, и соответственно, спаи термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 24 ТЭЗ 21, противоположные концы которых охлаждаются через пазы 20 проточной водой, нагреваемой этими же дымовыми газами в первой и второй ступенях 10 и 16 теплообменника 9. В результате нагрева спаянных концов проволочных отрезков 25 и 26 ТЭП 24 в рядах 22 ТЭЗ 21 горячими дымовыми газами и охлаждении других спаянных концов ТЭП 24, расположенных в пазах 20, проточной водой в ТЭЗ 21 образуется термоэлектричество, которое суммируется в ТЭБ 28 и через токовыводы 29 и 30 подается через преобразователь и аккумулятор в системы автоматизации и безопасности. При этом проволочные отрезки 25 и 26 ТЭП 24 ТЭЗ 21 изолированы от непосредственного контакта с дымовыми газами и водой слоем диэлектрического коррозионностойкого материала прямоугольных вставок 22, что предохраняет металлы М1 и М2 пар 25 и 26 ТЭП 24 от коррозии и появления между ними короткого замыкания. Выполнение вставок 22 прямоугольной формы, утопленной в прямоугольные пазы 20, обеспечивает их прочную стыковку с их поверхностью. Кроме того, соединение ТЭЗ 21 последовательно через конденсаторы 27 в конструкции ТЭБ 28 АГВН значительно снижает электрическое сопротивление АГВН и, соответственно, увеличивает силу тока на токовыводах 29 и 30.
Величина разности электрического потенциала на токовыводах 29 и 30 АГВН зависит от разности температур на противоположных спаях ТЭП 24,  характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлены проволочные отрезки 25 и 26 ТЭП 24, числа их в ТЭЗ 21, числа ТЭЗ 21 в ТЭБ 28 и количества ТЭБ 28. Полученный электрический ток используется для автоматического розжига горелки, работы систем автоматика и безопасности АГВН.
Таким образом, предлагаемый автономный газовый водонагреватель обеспечивает, наряду с получением горячей воды, генерацию электричества за счет использования термоэлектрического эффекта, позволяющее эксплуатировать устройство в автономном режиме  без использования посторонних источников электроэнергии, что повышает его надежность и эффективность.