НАКОПИТЕЛЬНО-ПРОТОЧНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ
STORAGE-DEMAND WATER HEATER

Область техники
Изобретение относится к области горячего водоснабжения и может быть использовано на жилых, общественных и производственных объектах для подготовки и подачи воды необходимой температуры в различные точки потребления.
Уровень техника
Известен накопительно-проточный водонагреватель, содержащий теплоизолированный снаружи полый накопительный бак и встроенную в его внутреннюю полость камеру проточного нагрева воды, позволяющий подавать потребителю воду необходимой температуры, при одновременном употреблении сравнительно малого тока за счет поэтапного ее нагревания (см. Патент RU №2115068, кл. МПК F24H 1/20 и Патент RU №2116581, кл. МПК F24H 1/20).
Недостатками известного устройства накопительно-проточного водонагревателя являются сложность конструкции и обслуживания, связанные с организацией переключений каналов протока воды для ее дополнительного нагрева и отбора, а также проблемы не решенной адаптации к серийно выпускаемым накопительным водонагревателям.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является накопительно-проточный водонагреватель, содержащий теплоизолированный снаружи полый накопительный бак и встроенную в его внутреннюю полость камеру проточного нагрева воды, снабженные соответствующими нагревательными элементами, причем рабочая часть нагревательного элемента камеры проточного нагрева воды, вмонтирована через монтажное отверстие в нижней части накопительного бака в камеру проточного нагрева воды посредством монтажно-запорного устройства, патрубок подвода холодной воды, выходная полость которого выведена в нижнюю область полости накопительного бака, датчик расхода воды, установленный на патрубке подвода холодной воды, патрубок отбора нагретой воды, состоящий из гидравлически сообщенных друг с другом через канал в корпусе накопительного бака водоотводящей (наружной) и водозаборной (внутренней) частей, причем входная полость последней выведена в верхнюю область полости накопительного бака, причем камера проточного нагрева воды образует герметичный канал гидравлического сообщения обеих частей патрубка отбора нагретой воды, причем входной конец водоотводящей части патрубка отбора нагретой воды выведен в полость камеры проточного нагрева воды, а нагревательный элемент камеры проточного нагрева воды и датчик расхода воды подключены к блоку автоматического управления, включающему, в том числе, устройство регулирования мощности нагревательного элемента камеры проточного нагрева воды (см. Патент RU №2519115, кл. МПК F24H 1/20.
Недостатками данной конструкции накопительно-проточного электрического водонагревателя являются сложности ее реализации и обслуживания, обусловленные специфичностью конструкций камеры проточного нагрева воды и его нагревательного элемента, а также возможность аварийной ситуации и низкая экономичность.
Так, отсутствие привязки конструкций и форм камеры проточного нагрева воды и его нагревательного элемента в известном техническом решении к серийно выпускаемым нагревательным элементам, сравнительно легко монтируемым на уже разработанных типах монтажно-запорных устройств, усложняет адаптацию и широкое использование данной конструкции накопительно-проточного водонагревателя на выпускаемых промышленностью конструкциях электрических накопительных водонагревателей.
Между тем сложность обслуживания известного устройства связана с необходимостью полного слива из накопительного бака воды и демонтажа камеры проточного нагрева воды вместе с водоприемной частью патрубка отвода нагретой воды при замене, нагревательного элемента камеры проточного нагрева воды.
Мало того, при относительно не высоком варианте установки накопительного бака в известном устройстве от пола по сравнению с суммарной длиной демонтируемых при этом конструкций для замены упомянутого нагревательного элемента потребуется демонтировать еще и сам накопительный бак, что практически делает неприемлемым использование известной конструкции в таких случаях.
Кроме того, включение нагревательного элемента камеры проточного нагрева воды с использованием датчика расхода, установленного на патрубке подачи холодной воды в накопительный бак, в данном накопительно-проточном водонагревателе может привести к возникновению нештатной ситуации в его работе, например, при появлении течи воды из накопительного бака в местах крепления к нему каких-либо узлов.
При этом наличие датчика расхода воды только в одной точке, хоть и на общей магистрали, не позволяет учесть в известном устройстве отдаленность подключенных точек забора нагретой воды и соответствующие теплопотери для адекватного регулирования мощности нагревательного элемента камеры проточного нагрева воды, с целью обеспечения высокой экономичности.
Мало того, при таком расположении датчика расхода, в качестве последнего необходимо использовать, относительно дорогой, полноценный расходомер с аналоговым выходом и соответствующий (более сложный) блок автоматического управления, так как в этом случае использование простого и относительно дешевого датчика-реле протока воды не позволит реализовать функцию регулирования мощности вышеуказанного нагревательного элемента в зависимости от объема потребления горячей воды или числа подключенных точек ее забора.
К недостаткам известной конструкции накопительно-проточного водонагревателя можно также отнести охлаждение отбираемой нагретой воды через стенку водозаборной внутренней части патрубка отбора нагретой воды при поступлении в накопительный бак холодной воды через определенный интервал времени отбора нагретой воды.
Целью изобретения является расширение области применения за счет упрощения конструкции и обслуживания, а также повышение надежности и экономичности работы.
Раскрытие сущности изобретения
Поставленная цель достигается тем, что в накопительно-проточном водонагревателе, содержащем теплоизолированный снаружи полый накопительный бак и встроенную в его внутреннюю полость камеру проточного нагрева воды, снабженные соответствующими нагревательными элементами, причем рабочая часть нагревательного элемента камеры проточного нагрева воды, вмонтирована через монтажное отверстие в нижней части накопительного бака в камеру проточного нагрева воды посредством монтажно-запорного устройства, патрубок подвода холодной воды, выходная полость которого выведена в нижнюю область полости накопительного бака, датчик расхода воды, установленный на патрубке подвода холодной воды, патрубок отбора нагретой воды, состоящий из гидравлически сообщенных друг с другом через канал в корпусе накопительного бака водоотводящей и водозаборной частей, причем входная полость последней выведена в верхнюю область полости накопительного бака, причем камера проточного нагрева воды образует герметичный канал гидравлического сообщения обеих частей патрубка отбора нагретой воды, причем входной конец водоотводящей части патрубка отбора нагретой воды выведен в полость камеры проточного нагрева воды, а нагревательный элемент камеры проточного нагрева воды и датчик расхода воды подключены к блоку автоматического управления, включающему, в том числе, устройство регулирования мощности нагревательного элемента камеры проточного нагрева воды, камера проточного нагрева воды, совмещена с водозаборной частью патрубка отбора нагретой воды, диаметр сечения внутренней полости, по меньшей мере, нижней и верхней части, которой выполнен в размере, превышающем габаритную ширину по наружному контуру рабочей части вставляемого нагревательного элемента камеры проточного нагрева воды, причем нижний конец водозаборной части патрубка отбора нагретой воды закреплен герметичным соединением к нижней части накопительного бака, причем монтажное отверстие нагревательного элемента камеры проточного нагрева воды размещено в области нижней части накопительного бака, ограниченной контуром крепления к ней нижнего конца водозаборной части патрубка отбора нагретой воды, причем входной канал водоотводящей части патрубка отбора нагретой воды выведен в полость камеры проточного нагрева воды либо непосредственно через корпус накопительного бака, либо через монтажно-запорное устройство, в том числе, выполненное с полостью, выходящей через монтажное отверстие накопительного бака к полости камеры проточного нагрева воды, а входной конец водоотводящей части патрубка отбора нагретой воды герметично соединен, соответственно, либо с нижней частью накопительного бака, либо с корпусом монтажно-запорного устройства, причем камера проточного нагрева воды снабжена дополнительным монтажно-запорным устройством и соответствующим нагревательным элементом, рабочая часть которого частично или на всю длину свободно вставлена во внутреннюю полость водозаборной части патрубка отбора нагретой воды через дополнительное монтажное отверстие, выполненное в верхней части корпуса накопительного бака в области пересечения с последней оси внутренней полости водозаборной части патрубка отбора нагретой воды, причем нагревательные элементы камеры проточного нагрева воды укомплектованы одним и более дополнительными датчиками расхода, выполненными, предпочтительно, в виде датчиков протока воды, и устанавливаемыми, в том числе, на соответствующих ответвлениях канала отбора нагретой воды к различным точкам водопотребления, а их электрические цепи выполнены с возможностью коммутации по параллельной схеме индивидуально или совместно, а также по последовательной электрической схеме, в том числе, с помощью упомянутых датчиков протока воды и соответствующих коммутирующих устройств, таймеров, в том числе программируемых посуточно или недельно, и логических устройств, входящих в блок автоматического управления, и тем, что монтажно-запорные устройства и соответствующие монтажные отверстия в верхней и нижней частях накопительного бака выполнены идентичными с возможностью монтажа либо идентичных нагревательных элементов проточного нагрева, либо нагревательных элементов проточного нагрева с идентичными монтажными приспособлениями и габаритами рабочих частей по ширине, и тем, что он укомплектован универсальной заглушкой, позволяющей заглушить одно из монтажных отверстий накопительного бака, и тем, что патрубок подвода холодной воды и водоотводящая часть патрубка отбора нагретой воды снабжены, соответственно, автоматическим запорным устройством, и дополнительным датчиком расхода воды, выводы которых подключены также к блоку автоматического управления, и тем, что водоприемная часть патрубка отбора нагретой воды покрыта теплоизоляционным материалом по меньшей мере с одной стороны, или выполнена непосредственно из теплоизоляционного материала.
Принципы конструирования, сборки схем и наладки работы блоков автоматического управления при заданных технологических алгоритмах широко известны соответствующим специалистам, поэтому нет необходимости приводить их электрические схемы, в том числе, и для случаев возможного использованиях таймеров.
Кроме того, предлагаемый накопительно-проточный водонагреватель, может укомплектовываться подключенными к блоку автоматического управления, широко известными средствами регулирования температуры воды в накопительном баке (обычно термореле с одним или несколькими датчиками температуры, необходимыми средствами безопасности и защиты от коррозии корпуса (внутренней оболочки) накопительного бака (такими как магниевый анод или электрод для катодной защиты), а также предохранительными средствами температурной защиты каждого из нагревательных элементов от перегрева и специальным клапаном выпуска воздуха из накопительного бака при его первичном заполнении (используется редко), датчиком потребляемой электрической мощности, средствами регулирования мощности используемых нагревательных элементов, например, фазовыми регуляторами, а также средствами ручного программирования и управления, поэтому, с целью упрощения понимания сути изобретения, их чертежи и описание работы не приводятся в тексте заявки.
Краткое описание чертежей
Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого накопительно-проточного водонагревателя в общем варианте (с двусторонним размещением нагревательных элементов встроенного проточного водонагревателя).
На фиг. 2 представлена схема варианта выполнения узла вывода входного канала наружной части патрубка отбора нагретой воды в полость камеры проточного нагрева воды через монтажно-запорное устройство с полым корпусом.
Накопительно-проточный водонагреватель содержит теплоизолированный снаружи полый накопительный бак 1 и встроенную в его внутреннюю полость камеру 2а проточного нагрева воды, снабженные соответствующими нагревательными 3 элементами, причем рабочая часть 4а нагревательного элемента камеры проточного нагрева воды, вмонтирована через монтажное отверстие 5 в нижней части накопительного бака 1 в камеру 2а проточного нагрева воды посредством монтажно-запорного устройства 6, патрубок 7 подвода холодной воды, выходная полость которого выведена в нижнюю область полости накопительного бака 1, датчик расхода воды, установленный на патрубке 7 подвода холодной воды, патрубок отбора нагретой воды, состоящий из гидравлически сообщенных друг с другом через канал в корпусе накопительного бака 1 водоотводящей 2б и водозаборной 2а частей, причем входная полость последней выведена в верхнюю область полости накопительного бака 1, причем камера 2а проточного нагрева воды образует герметичный канал гидравлического сообщения обеих частей 2а и 2б патрубка отбора нагретой воды, причем входной конец 2в водоотводящей части 2б патрубка отбора нагретой воды выведен в полость камеры 2а проточного нагрева воды, а нагревательный элемент камеры 2а проточного нагрева воды и датчик расхода воды подключены к блоку автоматического управления (не показан), включающему, в том числе, устройство (не показан) регулирования мощности нагревательного элемента камеры 2а проточного нагрева воды.
При этом камера 2а проточного нагрева воды, совмещена с водозаборной частью 2а патрубка отвода нагретой воды, диаметр сечения внутренней полости, по меньшей мере, нижней и верхней части, которой выполнен в размере, превышающем габаритную ширину по наружному контуру рабочей части 4а вставляемого нагревательного элемента камеры 2а проточного нагрева воды, причем нижний конец 2г водозаборной части 2а патрубка отбора нагретой воды жестко закреплен герметичным соединением к нижней части накопительного бака 1, причем монтажное отверстие 5 нагревательного элемента камеры 2а проточного нагрева воды размещено в области нижней части накопительного бака 1, ограниченной контуром крепления к ней нижнего конца 2г водозаборной части 2а патрубка отвода нагретой воды, причем входной канал водоотводящей части 2б патрубка отвода нагретой воды выведен в полость камеры 2а проточного нагрева воды либо непосредственно через корпус накопительного бака 1, либо через монтажно-запорное устройство 6, в том числе, выполненное с полостью, выходящей через монтажное отверстие 5 накопительного бака 1 к полости камеры 2а проточного нагрева воды, а входной конец 2в водоотводящей части 2б патрубка отбора нагретой воды герметично соединен, соответственно, либо с нижней частью накопительного бака 1, либо с корпусом монтажно-запорного устройства 6, причем камера 2а проточного нагрева воды снабжена дополнительным монтажно-запорным устройством 9 и соответствующим нагревательным элементом, рабочая часть 10а которого частично или на всю длину свободно вставлена во внутреннюю полость водозаборной части 2а патрубка отбора нагретой воды через дополнительное монтажное отверстие 11, выполненное в верхней части корпуса накопительного бака 1 в области пересечения с последней оси 12 внутренней полости водозаборной части 2а патрубка 2а отбора нагретой воды, причем нагревательные элементы и  камеры проточного нагрева воды укомплектованы одним и более дополнительными датчиками 13 и 14 расхода, выполненными, предпочтительно, в виде датчиков 13 и 14 протока воды, и устанавливаемыми, в том числе, на соответствующих ответвлениях 15 и 16 канала отбора нагретой воды к различным точкам (не показаны) водопотребления, а их электрические цепи (не показаны) выполнены с возможностью коммутации по параллельной схеме индивидуально или совместно, а также по последовательной электрической схеме, в том числе, с помощью упомянутых датчиков протока воды и соответствующих коммутирующих устройств (не показаны), таймеров (не показаны), в том числе программируемых посуточно или недельно, и логических устройств (не показаны), входящих в блок автоматического управления.
Между тем монтажно-запорные устройства 6 и 9 и соответствующие монтажные отверстия 5 и 11 в верхней и нижней частях накопительного бака 1 могут быть выполнены идентичными с возможностью монтажа либо идентичных нагревательных элементов проточного нагрева, либо нагревательных элементов проточного нагрева с идентичными монтажными приспособлениями и габаритами рабочих частей по ширине.
Кроме того накопительно-проточный водонагреватель может быть укомплектован универсальной заглушкой, позволяющей заглушить одно из монтажных отверстий 5 и 11 накопительного бака 1.
Вместе с тем патрубок 7 подвода холодной воды и водоотводящая часть 2б патрубка отбора нагретой воды могут быть снабжены, соответственно, автоматическим запорным устройством 17, и дополнительным датчиком 18 расхода воды, выводы которых подключены также к блоку автоматического управления.
Кроме того водоприемная часть 2а патрубка отбора нагретой воды в предлагаемой конструкции накопительно-проточного водонагревателя может быть покрыта теплоизоляционным материалом по меньшей мере с одной стороны, или выполнена непосредственно из теплоизоляционного материала.
Осуществление изобретения
Предлагаемый накопительно-проточный водонагреватель работает следующим образом.
Первичное заполнение накопительного бака 1 водой осуществляется при изначально открытом запорном устройстве 17 через патрубок 7 подвода холодной воды аналогично процессу заполнения накопительных баков соответствующих бытовых водонагревателей, после чего накопительно-проточный водонагреватель переводится в состояние готовности к работе, а его накопительный бак 1 остается в постоянно заполненном состоянии в течении всего времени эксплуатации за исключением случаев консервации работы или проведении определенных ремонтно-профилактических работ.
При включении накопительно-проточного водонагревателя в работу автоматически включается нагревательный элемент (не показан) накопительного бака 1, который доводит через определенное время (зависящее от его мощности, а также от исходной температуры воды в накопительном баке 1 и теплоотдачи последнего) температуру воды в баке 1 до заданного значения, после чего нагревательный элемент последнего отключается и водонагреватель переходит в ждущий («дежурный») режим поддерживания температуры воды в баке 1 в заданном диапазоне с помощью нагревательного элемента накопительного бака 1.
При этом автоматическое включение и выключение нагревательного элемента накопительного бака 1 осуществляется от его собственного термореле (не показан) или по сигналу блока автоматического управления, который может, например, в зависимости от запрограммированной опции, отключить и заблокировать его включение, например, при включенных нагревательных элементах, когда включение дополнительного нагревательного элемента накопительного бака 1 может привести к перегрузке проводки или электрооборудования.
При отборе нагретой воды в различных точках водопотребления блок автоматического управления получает сигналы соответствующих датчиков расхода 13 и 14, и по предварительно заданной программе включает один или два нагревательных элемента по заданной электрической схеме обеспечивая потребителей водой необходимой температуры.
При прекращении потребления нагретой воды в каких либо точках по сигналу соответствующего датчика расхода 13 либо 14 блок автоматического управления отключает соответствующий нагревательный элемент или их сочетание.
При этом блок автоматического управления может иметь опции включения соответствующих таймеров при работающих двух нагревательных элементах, и отключать один из последних или оба сразу по истечении определенного времени, если дальнейшее продолжение их работы может привести к перегреву питающих электрических проводов и включать их заново через заданный промежуток времени, достаточный для остывания проводов. Кроме того, блок автоматического управления после длительного перерыва в водопотреблении, достаточного для остывании соответствующих каналов 15 и 16 отбора нагретой воды при возобновлении отбора нагретой воды в какой либо точке может включить оба имеющихся нагревательных элемента с одновременным запуском соответствующих таймеров и по истечении времени, достаточного для прогрева канала подачи воды, отключить один из работающих нагревательных элементов. Данная опция может существенно сократить время появления в точках возобновления водопотребления нагретой воды необходимой температуры.
Вместе с тем во время работы накопительно-проточного водонагревателя в «дежурном» режиме при срабатывании датчика расхода воды на патрубке 5 подачи холодной воды и отсутствии срабатывания хотя бы одного из датчиков 13, 14 или 18 расхода, блок автоматического управления отключает нагревательный элемент накопительного бака 1 (если в этот момент он был включен) и перекрывает запорное устройство 17 с одновременной блокировкой включения нагревательных элементов.
Таким образом предложенная конструкция накопительно-проточного водонагревателя позволяет выявить наличие течи воды в узлах соединений накопительного бака 1 и предотвратить возможность соответствующего внештатного режима работы накопительно-проточного водонагревателя.
Между тем наличие программируемых суточного и недельного таймеров и логического устройства в схеме блока автоматического управления позволит учитывать при выборе сочетания одновременно включенных нагревательных элементов или их схем соединений в предлагаемом накопительно-проточном водонагревателе возможное включение в режиме реального времени других электрических нагрузок потребителя в общую сеть, что будет способствовать обеспечению комфортных температур воды в различных точках водопотребления, не допуская при этом перегруза подводящих электрических проводов и установленного электрооборудования потребителя.
Очевидно, нагревательные элементы в предлагаемом изобретении могут иметь резьбовое и (или) фланцевое крепление.
Отличительные признаки предлагаемого изобретения, изложенные в его формуле, могут быть использованы с получением соответствующего положительного эффекта в той или иной мере как в совокупности их различных комбинаций, так и в отдельности, однако максимальный технический результат зависит в том числе от условий использования накопительно-проточного водонагревателя.
Например, предлагаемый накопительно-проточный водонагреватель может быть выполнен в вариантах оснащения проточного водонагревателя только одним нагревательным элементом, встроенным через верхнюю часть накопительного бака 1, что будет способствовать удобству его замены в случае установки накопительного бака 1 невысоко от уровня пола, или, наоборот, - только одним нагревательным элементом, встроенным через нижнюю часть бака 1, что будет способствовать удобству его замены в случае относительно высокой установки последнего.
При этом накопительно-проточный водонагреватель может быть укомплектован всего одним нагревательным элементом проточного нагрева, который может быть установлен в одном из идентичных монтажных отверстий 5 или 11 и заглушкой, с помощью которой могут быть заглушены любая из упомянутых монтажных отверстий, что обеспечит универсальность предлагаемого накопительно-проточного водонагревателя в плане возможностей установки.
Кроме того идеи изобретения в целом или в частичном объеме реализации могут быть применены, в том числе, при нагреве других жидкостей, а также при использовании других вариантов источников энергии, в том числе, комбинированных.
Между тем использование изобретения позволит поддерживать максимально низкие расчетные значения температуры воды в накопительном баке и ее дополнительное нагревание в момент отбора воды по мере необходимости в зависимости от потребности соответствующей точки отбора, чем также обеспечивается экономичность работы.
Следует также отметить, что технические решения предлагаемого накопительно-проточного водонагревателя относительно легко могут быть реализованы на действующих серийных производствах накопительных электрических водонагревателей, так как предусматривают минимальные и не сложные изменения выпускаемых конструкций.
Отсутствие в технической и патентной литературе сведений по использованию заявленной конструкции накопительно-проточного водонагревателя в целях достижения описанного эффекта и технического результата показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и его положительным эффектом, что подтверждает его изобретательский уровень.
Это обеспечивает существенное отличие данного изобретения от всех известных конструкций накопительно-проточного водонагревателя.