ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована в устройствах нагрева воды, предназначенных для обеспечения потребителей автономным источником горячей воды во время периодических или аварийных отключений от централизованного снабжения горячей водой, а также в тех случаях, когда горячее водоснабжение вообще отсутствует.
Особенностью настоящего периода времени является неблагополучное состояние окружающей среды, обусловленное ее загрязнением, при этом особую тревогу вызывает экологическое состояние водоемов, а, следовательно, и водопроводной воды. Небезопасным является не только использование водопроводной воды в пищу, но и ее воздействие на кожу человека, которая связана со всеми органами человека. Решением указанной проблемы занимаются специалисты в различных областях науки и техники, в том числе и в электроэнергетике, к которой относятся устройства нагрева воды.
Известны водонагреватели двух типов - проточные и накопительные. Проточные электроводонагреватели (см., например, патент РФ на изобретение №2008570, кл. F24Н 1/20, опубл. 1994, а также патент РФ на изобретение №2172900, кл. F24Н 1/20, опубл. 2001) предназначены для мгновенного подогрева воды, непрерывно поступающей из водопроводной сети. Они характеризуются высоким быстродействием при значительном энергопотреблении.
Конструкции водонагревателей отличаются большим разнообразием и непрерывно совершенствуются. При конструировании водонагревателей разработчики сталкиваются с решением целого ряда проблем, таких как повышение экономичности, надежности, скорости нагрева воды, защиты от коррозии, уменьшения материальных затрат, увеличения срока службы прибора и др. Наибольшую сложность представляет проблема антикоррозийной защиты баков и очистка воды.
Известны проточные электроводонагреватели, содержащие резервуар для воды с закрепленным на боковой стенке трубчатым нагревателем (ТЭНом), термоограничители нагрева воды и ТЭНа, поплавковый датчик наличия воды в резервуаре, трубу перелива и светосигнальный индикатор работы ТЭНа (Электроводонагреватель марки ЭВАО-10/1,6 "Гейзер". Руководство по эксплуатации ПО "Гродторгмаш", г.Гродно, 1994 г.), и аналогичные по устройству нагреватели жидкости (Авторское свидетельство СССР по заявке N 3967181/29-06 от 21.10.85, кл. F24Н 1/20).
Известен быстродействующий электроводонагреватель, обеспечивающий только нагрев воды, протекающей через нагреватель во время пользования. Этот нагреватель содержит не менее 2-х горизонтальных теплообменников, каждый из которых состоит из внешней и внутренней труб, установленных одна в другую с зазором для прохождения воды и соединенных между собой перепускными трубами, причем во внутренней трубе размещен источник лучистой энергии и установлены керамические заглушки для предотвращения утечки энергии, а нагреватель соединен с подводящим и отводящим патрубками воды (RU заявкам 93035600/06 кл. F24Н 1/10 от 18.07.93,).
Известно устройство для нагрева проточной жидкости, содержащее цилиндрический корпус с подводящим и отводящим патрубками, оси которых перпендикулярны оси корпуса, крышки со смонтированным на одной из них трубчатым электронагревателем (ТЭН), герметично установленные на корпусе, сливную медную трубку, расположенную внутри корпуса и проходящую вне зоны размещения ТЭН, жестко закрепленную в сливном патрубке, применяемый, например, в водонагревателях фирмы ATMOR (Израиль).
Такой теплообменник имеет две крышки, герметично установленные на корпусе. На одной из крышек закреплены трубчатый электронагреватель и дискретный регулятор нагрева, содержащий биметаллический элемент. Сливная трубка проходит через внутреннюю полость корпуса и упирается в его верхнюю часть. Наличие сливной трубки предложенной конструкции препятствует сокращению габаритов теплообменника, что создает объемы жидкости, не подвергаемые нагреву. Течение струи жидкости происходит, в основном, вдоль нагревателя. Вследствие этих условий теплообменник имеет недостаточную эффективность и значительное время выхода на режим. Кроме того, недостатком указанного теплообменника является сравнительно грубое отслеживание заданной температуры на выходе из теплообменника из-за тепловой инерции биметаллического элемента, отсутствует возможность плавного регулирования температуры нагрева жидкости при заданном ее расходе. Частые включения и отключения нагревателей в процессе регулирования температуры приводят к снижению срока их службы, ухудшают качество питающего напряжения и влияют на работу других потребителей (патент RU 2220381 С1 кл. F24H 1/20. 2004 г.).
Известен водоподогреватель (см. патент Японии JP 3658818 В2 9145156 А, кл. 7 F24Н 1/10, опубл. 08.06.05), содержащий трубопровод для подачи водопроводной воды, соединенный с нагревателем. Нагреватель содержит расположенный в корпусе тепловыделяющий элемент, расположенный на внешней поверхности корпуса спиральный нагревательный элемент, соединенный с источником переменного тока; устройство для очистки воды перед нагревателем или очистки горячей воды; датчик температуры, отпускаемой горячей воды; устройство регулирования мощности нагревателя по измеряемой температуре воды с целью поддержания заданной температуры; датчик расхода воды и устройство регулирования расхода воды по входному сигналу датчика расхода с целью поддержания заданного расхода воды.
Недостатком указанного водоподогревателя является необходимость установки дополнительной системы очистки воды перед нагревателем, что значительно усложняет конструкцию.
Широкое применение в настоящее время имеют накопительные водонагреватели. Рабочие баки водонагревателей изготавливаются из нержавеющей стали, или стали покрытой эмалью, а также из композиционных материалов и пластмасс. Баки, изготовленные из нержавеющей стали, эффективно противостоят коррозии. Соединительные швы рабочих баков свариваются электронно-лучевой сваркой в вакуумном поле. Такая технология обеспечивает высокую коррозионную устойчивость сварных швов. Кроме того, в рабочие баки водонагревателей устанавливают специальные элементы - магниевые аноды, предназначенные для защиты стальных элементов конструкции водонагревателя от электрохимической коррозии. Однако в результате длительного использования анод сам подвергается коррозии, его работа становится неэффективной, сварные швы коррелируют, что в свою очередь, может привести к протечке швов. Необходимо также подчеркнуть, что водонагреватели с баками, изготовленными из нержавеющей стали, характеризуются очень высокой стоимостью.
Имеются также конструкции накопительных водонагревателей с пластиковыми рабочими баками, имеющими существенные преимущества по сравнению со стальными. Пластик обеспечивает высокие, не зависящие от времени гигиенические показатели при контакте с водой. Отсутствие коррозии позволяет исключить специальные антикоррозионные покрытия, применяемые для стальных баков. Кроме того, отпадает необходимость в использовании защитных магниевых анодов.
В качестве аналогов предлагаемой полезной модели рассмотрим некоторые разновидности конструкций водонагревателей.
Известен накопитель горячей воды (см. европейский патент ЕР №1171742, МПК F24Н 1/20, опубл. 16.01.02), содержащий резервуар, в нижнюю часть которого подводится холодная вода, а из верхней части отводится нагретая вода. В нижней части резервуара расположен источник тепла (ТЭН), который охватывается колпаком с расположенным внизу входным отверстием для ввода холодной воды внутрь колпака. Вверху расположено выходное отверстие, к которому присоединяется труба. Выходной конец трубы расположен над или на высоте пограничного слоя, создающегося в резервуаре между верхним объемом горячей воды и нижним объемом холодной воды, и перемещается вместе с ним. При этом холодная вода, нагретая внутри колпака, поднимается по трубе через окружающую холодную воду и поступает в резервуар в области пограничного слоя или несколько выше его.
Известен, например, бойлер, (см. патент Германии №60105123Т, МПК F24Н 1/18, опубл. 2005.09.01, аналог: ЕР 1254343). Корпус бойлера изготовлен из сложной полимерной композиции и состоит из двух слоев: внутреннего и наружного. Внутренний слой выполнен из термопластичного эластомера и предназначен для непосредственного контакта с водой. Наружный слой корпуса бойлера образован множеством нитей или полосок из синтетического материала, покрытого смолой. Наружный слой спекается, в результате чего образуется сетчатая структура, устойчивая к относительно высоким давлениям. В нижней части рабочего бака установлены: нагревательный элемент (ТЭН), термостат и патрубок подачи холодной воды. Выпуск горячей воды из бака осуществляется патрубком выпуска горячей воды.
Следует отметить недостатки присущие этим бакам, а именно: сложность конструкции рабочего бака; технологические сложности, связанные с применением специальных материалов, обеспечивающих высокую механическую прочность рабочего бака; большие материальные затраты, а, следовательно, высокая стоимость электроводонагревателя.
Наиболее близким по своей конструкции и технической сущности к предлагаемой полезной модели является бытовой водонагреватель (см. патент РФ на ПМ №75013, кл. МПК 24Н 1/20, опубл. 20.07.08), который предназначен для нагрева воды в бытовых условиях, например, в ванной комнате или на кухне.
Водонагреватель содержит теплоизолированный рабочий бак, патрубки подвода холодной воды и выпуска горячей воды. Внутри рабочего бака размещено электронагревательное устройство (ТЭН). На всю внутреннюю поверхность рабочего бака, имеющую непосредственный контакт с водой, нанесено покрытие, содержащее серебро или титан и являющееся продуктом передовых европейских технологий. Это покрытие обеспечивает антикоррозийную стойкость рабочего бака, а также биологическую очистку воды путем ее обеззараживания ионами серебра.
Обеззараживающие свойства воды, которые она приобретает после контакта с металлическим серебром, были известны еще в глубокой древности. В 1893 году швейцарец К.Негели сделал открытие: растворенное в воде серебро убивает бактерии. В дальнейшем его открытие было подтверждено многими учеными. Большое биологическое и физиологическое влияние на живые организмы оказывают микроколичества серебра. Многие вредные патогенные микроорганизмы быстро гибнут под действием самых ничтожных доз серебра. Вот почему среди многих дезинфицирующих и обеззараживающих средств значительное внимание привлекают к себе препараты серебра, в частности электролитическая серебряная вода, представляющая собой обыкновенную природную воду, насыщенную ионами и коллоидными частицами серебра.
Установлено, что при непосредственном соприкосновении с поверхностью кожи, растворы серебра оказывают благотворное воздействие, помогая даже при серьезных патологиях кожи.
Несмотря на несомненные достоинства известного водонагревателя, следует отметить и недостатки, присущие анализируемому техническому решению. Существенным недостатком является сложность конструкции и технология изготовления, связанная с нанесением серебряного покрытия на всю внутреннюю поверхность рабочего бака.
Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции и технологии изготовления водонагревателя при снижении материальных затрат на его изготовление.
Для достижения поставленной задачи предлагается водонагреватель, который, как и наиболее близкий к нему, выбранный в качестве прототипа, содержит теплоизолированный герметичный рабочий бак, патрубок подвода холодной воды, патрубок выпуска горячей воды и размещенное внутри рабочего бака нагревательное устройство.
Особенностью предлагаемой полезной модели, отличающей ее от известного, принятого за прототип водонагревателя, является то, что на наружную поверхность нагревательного устройства нанесено серебряное покрытие.
Технический результат, достигаемый при создании предлагаемой полезной модели заключается в:
- упрощении конструкции и технологии изготовления водонагревателя;
- снижении материальных затрат.
Существенное упрощение конструкции и технологии изготовления водонагревателя по сравнению с прототипом достигается за счет того, что на наружную поверхность нагревательного устройства нанесено серебряное покрытие, обеспечивающее биологическую очистку воды путем ее обеззараживания ионами серебра.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленную задачу.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлен один из конкретных примеров предлагаемого водонагревателя. На фиг. изображен общий вид предлагаемого водонагревателя (вертикальный разрез).
Водонагреватель состоит из рабочего бака 1, предназначенного для нагрева и хранения воды. Рабочий бак 1 может быть изготовлен из стали, например, стали 08-ПС ГОСТ 16523-97.
К рабочему баку 1 водонагревателя подведен патрубок 2 подвода холодной воды и патрубок 3 выпуска горячей воды. Рабочий бак водонагревателя окружен наружным корпусом 4, имеющим, в основном, декоративное эстетическое назначение. Объем между наружным корпусом 4 и рабочим баком 1 заполнен теплоизоляцией 5, выполненной из экологически чистого пенополиуретана.
Пенополиуретан имеет самый низкий коэффициент теплопроводности и является наиболее эффективным теплоизоляционным материалом.
Внутри рабочего бака 1 размещено нагревательное устройство (ТЭН) 6, на наружную поверхность которого нанесено серебряное покрытие 7.
Нагревательное устройство представляет собой тонкостенную металлическую трубку, в которой расположен нагревательный элемент в виде спирали (несколько спиралей) из проволоки с высоким электрическим сопротивлением. Свободное пространство трубки заполнено наполнителем, хорошо проводящим тепло и служащим изоляцией спирали от стенок трубки. В качестве наполнителя используется кристаллическая окись магния. Трубка изготавливается из нержавеющей или углеродистой стали, меди, латуни с оловянным покрытием. Торцы нагревательного устройства заполнены термостойким и предохраняющим от влаги герметиком. Нагревательное устройство может быть различной конфигурации: прямой, кольцевой, согнутой в различных плоскостях. Серебряное покрытие 7 (толщиной 5 -15 мкм) может быть выполнено путем его нанесения гальваническим способом на наружную поверхность корпуса нагревательного устройства или методом плазменного напыления, а также с помощью вакуумного холодного (температура металла в процессе не превышает 40-50°С) нанесения.
Биоинертность серебряного покрытия обеспечивает гигиенические свойства. Ионы Серебра в малых концентрациях стерилизуют воду. Из оксидов Серебра устойчивыми являются оксид Ag2O и оксид AgO. Оксид образуется на поверхности серебра в виде тонкой пленки в результате адсорбции кислорода, которая увеличивается с повышением температуры и давления.
Предлагаемый накопительный водонагреватель работает следующим образом:
Перед включением в электрическую сеть водонагреватель заполняют холодной водой. Холодная вода через входной патрубок 2 поступает в рабочий бак, вытесняя из него воздух через выходной патрубок 3. Как только вода в рабочем баке достигнет верхнего уровня выходного патрубка 3, она начнет выливаться через него наружу, что является признаком полного заполнения водонагревателя. После этого на выходном патрубке 3 закрывается выходной вентиль (на фиг. не показан) и водонагреватель подключается к электрической сети. По мере нагрева вода за счет конвекции поднимается в верхнюю часть рабочего бака, постепенно нагревая и замещая в нем холодную воду. Расход горячей воды происходит из верхней части рабочего бака, при этом за счет максимальной удаленности точки забора горячей воды от точки поступления холодной из водонагревателя отбирается вода максимальной заданной температуры.
Пользователь задает нужный температурный режим. Нагрев воды в рабочем баке осуществляется нагревательным элементом (ТЭНом) 6 на котором нанесено серебряное покрытие 7. При снижении температуры воды термостат автоматически подключает питание, поддерживая, таким образом, установленную температуру. При расходе горячей воды ее объем непрерывно замещается равным количеством подогретой воды из нижней части рабочего бака за счет подпора давлением водопровода.
Таким образом, предлагаемый водонагреватель, по сравнению с прототипом, (в котором серебряное покрытие нанесено на всю внутреннюю поверхность рабочего бака) позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления, а также существенно снизить материальные затраты, обеспечивая при этом биологическую очистку воды и повышение защиты от различных отложений, присутствующих в воде, оказывая благотворное воздействие на организм человека.