ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ С НАКОПИТЕЛЬНОЙ ЁМКОСТЬЮ
ELECTRIC WATER HEATER WITH STORAGE TANK

Область техники, к которой относится изобретение
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 техники
Известна конструкция электрического водонагревателя с накопительной емкостью, содержащего кожух и полый накопительный бак с теплоизолированным снаружи корпусом и с герметично закрывающимся, как правило круглой формы, монтажным отверстием в нижней части последнего, нагревательный элемент и датчик температуры воды, установленные в нижней части накопительного бака, терморегулятор с нормально замкнутым контактом, подключенный к датчику температуры, и соединенный последовательной электрической цепью с нагревательным элементом, патрубки подвода холодной воды и отвода нагретой воды, сообщенные с внутренней полостью накопительного бака, причем выходная полость патрубка подвода холодной воды выведена в нижнюю область полости накопительного бака, а входная горловина патрубка отвода нагретой воды выведена в верхнюю область внутренней полости накопительного бака (см. Патент RU 2382292, кл. МПК F24H 1/20).
Недостатком известного электрического нагревателя с накопительной емкостью является относительно малая продолжительность работы в режиме отдачи нагретой воды и неэффективность использования режима нагрева нагревательного элемента бака в момент отбора нагретой воды, особенно при объемах накопительных баков выше 30 л, в том числе и при полном расходе накопленной в накопительном баке нагретой до заданной температуры воды.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электрический водонагреватель с накопительной емкостью, содержащий кожух и полый накопительный бак с теплоизолированным снаружи корпусом и с герметично закрывающимся, как правило круглой формы, монтажным отверстием в нижней части последнего, нагревательный элемент и датчик температуры воды, рабочие части которых встроены в полость накопительного бака через упомянутое монтажное отверстие и закреплены общим корпусом основания к монтажно-запорному устройству, терморегулятор с нормально замкнутым контактом, подключенный к датчику температуры, и соединенный последовательной электрической цепью с нагревательным элементом, патрубки подвода холодной воды и отвода нагретой воды, сообщенные с внутренней полостью накопительного бака, причем выходная полость патрубка подвода холодной воды выведена в нижнюю область полости накопительного бака, а входная горловина патрубка отвода нагретой воды выведена в верхнюю область внутренней полости накопительного бака (см. Патент RU 2371640, кл. МПК F24H 1/20).
Недостатками данного известного электрического нагревателя с накопительной емкостью являются также относительно малая продолжительность работы в режиме отдачи нагретой воды и неэффективность использования режима нагрева нагревательного элемента бака в момент отбора нагретой воды, особенно при объемах накопительных баков выше 30 л, в том числе и при полном расходе накопленной в накопительном баке нагретой до заданной температуры воды.
При этом для обеспечения удовлетворительного режима отдачи нагретой воды потребители вынуждены устанавливать либо накопительные емкости с некоторым запасом по объему, либо использовать накопительные емкости меньших размеров в режиме поддерживания в них относительно высоких температур в «дежурном» режиме работы электрического водонагревателя с накопительной емкостью, характеризующемся отсутствием отбора нагретой воды.
Использование накопительных емкостей больших размеров связано с относительно высокими капитальными затратами, проблемами их установки при ограниченных площадях и высотах помещений их размещения.
Кроме того, накопительные емкости больших размеров характеризуются большими теплопотерями при прочих равных условиях.
Между тем поддерживание в «дежурном» режиме работы электрического водонагревателя с накопительной емкостью величины температуры воды в накопительном баке на уровне, превышающем потребное рабочее значение, приводит к повышенным теплопотерям в накопительном баке и повышенному расходу как нагретой, так и холодной воды в режиме отбора нагретой воды в процессе получения с помощью смесителей нужной для потребителей рабочей ее температуры.
Цель изобретения - снижение капитальных затрат и повышение экономичности за счет увеличения продолжительности работы в режиме отдачи нагретой воды.
Раскрытие сущности изобретения
Поставленная цель достигается тем, что в электрическом водонагревателе с накопительной емкостью, содержащем кожух и полый накопительный бак с теплоизолированным снаружи корпусом и с герметично закрывающимся, как правило круглой формы, монтажным отверстием в нижней части последнего, нагревательный элемент и датчик температуры воды, рабочие части которых встроены в полость накопительного бака через упомянутое монтажное отверстие и закреплены общим корпусом основания к монтажно-запорному устройству, терморегулятор с нормально замкнутым контактом, подключенный к датчику температуры и соединенный последовательной электрической цепью с нагревательным элементом, патрубки подвода холодной воды и отвода нагретой воды, сообщенные с внутренней полостью накопительного бака, причем выходная полость патрубка подвода холодной воды выведена в нижнюю область полости накопительного бака, а входная горловина патрубка отвода нагретой воды выведена в верхнюю область внутренней полости накопительного бака, накопительный бак снабжен пустотелым, предпочтительно, с теплоизолированными стенками (в том числе за счет выполнения их полыми с выкачкой с их внутренней полости воздуха или без такового) или выполненным из теплоизоляционного материала циркуляционным патрубком с внутренней полостью, предпочтительно, цилиндрической формы и диаметром поперечного сечения упомянутой полости, превышающим максимальную габаритную ширину рабочей части нагревательного элемента, вмонтированным во внутреннюю полость накопительного бака в вертикальном положении соосно монтажному отверстию с частичным перекрытием окружающего пространства боковой поверхности рабочей части нагревательного элемента по высоте, и образующим изолированный циркуляционный канал гидравлического сообщения нижней и верхней областей внутренней полости накопительного бака, причем циркуляционный патрубок выполнен по длине размером, меньшим высоты внутренней полости накопительного бака и жестко закреплен посредством одного и более монтажных кронштейнов или проточного основания к внутренней поверхности корпуса накопительного бака, предпочтительно в верхней или нижней ее части, или к верхнему основанию монтажно-запорного устройства, либо подвешен в указанном положении к поверхности корпуса накопительного бака, предпочтительно в верхней его части, центрованной симметричной гибкой подвеской, либо установлен на поверхности нижней части корпуса накопительного бака или верхнего основания монтажно-запорного устройства свободно без крепления на ножках, в том числе подставных, или на проточном основании, с возможностью обеспечения свободной циркуляции потока воды между внутренними внутренних полостями циркуляционного патрубка и накопительного бака, а проточное основание циркуляционного патрубка выполнено, предпочтительно, цилиндрической формы, с отверстиями (прорезями) на боковой поверхности, и с диаметром сечения, равным диаметру входной или (и) выходной полости соответствующей части циркуляционного патрубка, и жестко соединено с соответствующей ее кромкой, и тем, что накопительный бак снабжен дополнительным датчиком температуры воды, установленным в нижней области внутренней полости накопительного бака за пределами входной полости нижней части циркуляционного патрубка, и подключенным к упомянутому датчику температуры терморегулятором с нормально замкнутым контактом, соединенным последовательной электрической цепью с терморегулятором нагревательного элемента, и тем, что верхняя часть циркуляционного патрубка на участке, расположенном над рабочей частью нагревательного элемента, выполнена, предпочтительно, с внутренней полостью меньшего сечения, чем его нижняя часть, обхватывающая внутренней полостью рабочую часть нагревательного элемента по ее окружающему по боковым сторонам пространству, причем внутренние полости встречных концов упомянутых частей циркуляционного патрубка соединены между собой, предпочтительно, плавным коническим переходом, а входная полость нижней части циркуляционного патрубка и (или) выходная полость его верхней части выполнены с некоторым расширением, предпочтительно конической формы, и тем, что накопительный бак, предпочтительно, выполнен вытянутой по высоте формы.
Краткое описание чертежей
Предлагаемое изобретение поясняется следующими схематическими изображениями.
На фиг. 1 показана схема варианта крепления циркуляционного патрубка монтажными кронштейнами к нижней части корпуса накопительного бака в предлагаемом водонагревателе с накопительной емкостью.
На фиг. 2 показана схема варианта крепления циркуляционного патрубка посредством крепежного основания цилиндрической формы к верхней части корпуса накопительного бака в предлагаемом водонагревателе с накопительной емкостью.
На фиг. 3 показана схема варианта крепления циркуляционного патрубка крепежным основанием цилиндрической формы к верхней поверхности монтажно-запорного устройства в предлагаемом водонагревателе с накопительной емкостью.
Электрический водонагреватель с накопительной емкостью содержит кожух 1 и полый накопительный бак с теплоизолированным снаружи корпусом 2 и с герметично закрывающимся, как правило круглой формы, монтажным отверстием 3 в нижней части последнего, нагревательный элемент 4 и датчик 5 температуры воды, рабочие части соответственно 4а и 5а которых встроены в полость накопительного бака 2 через упомянутое монтажное отверстие 3 и закреплены общим корпусом основания 4б/5б к монтажно-запорному устройству 6, терморегулятор 7 с нормально замкнутым контактом, подключенный к датчику температуры 5 и соединенный последовательной электрической цепью с нагревательным элементом 4, патрубки соответственно 8 и 9 подвода холодной воды и отвода нагретой воды, сообщенные с внутренней полостью накопительного бака 2, причем выходная полость патрубка 8 подвода холодной воды выведена в нижнюю область полости накопительного бака 2, а входная горловина 10 патрубка 9 отвода нагретой воды выведена в верхнюю область внутренней полости накопительного бака 2.
При этом накопительный бак 2 снабжен пустотелым, предпочтительно, с теплоизолированными стенками (в том числе за счет выполнения их полыми с выкачкой с их внутренней полости воздуха или без такового) или выполненным из теплоизоляционного материала циркуляционным патрубком 11 с внутренней полостью, предпочтительно, цилиндрической формы и диаметром поперечного сечения упомянутой полости, превышающим максимальную габаритную ширину рабочей части 4а нагревательного элемента 4, вмонтированным во внутреннюю полость накопительного бака 2 в вертикальном положении соосно монтажному отверстию 3 с частичным перекрытием окружающего пространства боковой поверхности рабочей части 4а нагревательного элемента 4 по высоте и образующим изолированный циркуляционный канал гидравлического сообщения нижней и верхней областей внутренней полости накопительного бака 2, причем циркуляционный патрубок 11 выполнен по длине размером, меньшим высоты внутренней полости накопительного бака 2 и жестко закреплен посредством одного и более монтажных кронштейнов 12 или проточного основания 13 к внутренней поверхности корпуса накопительного бака 2, предпочтительно в верхней или нижней ее части, или к верхнему основанию монтажно-запорного устройства 6, либо подвешен в указанном положении к поверхности корпуса накопительного бака 2, предпочтительно в верхней его части, центрованной симметричной гибкой подвеской (не показана), либо установлен на поверхности нижней части корпуса накопительного бака 2 или верхнего основания монтажно-запорного устройства 6 свободно без крепления на ножках (не показаны), в том числе подставных, или на проточном основании 13, с возможностью обеспечения свободной циркуляции потока воды между внутренними полостями циркуляционного патрубка 11 и накопительного бака 2, а проточное основание 13 циркуляционного патрубка 11 выполнено, предпочтительно, цилиндрической формы с отверстиями (прорезями) 14 на боковой поверхности и с диаметром сечения, равным диаметру входной или (и) выходной полости соответствующей части циркуляционного патрубка 11, и жестко соединено с соответствующей ее кромкой.
Кроме того, накопительный бак 2 может быть снабжен дополнительным датчиком 15 температуры воды, установленным в нижней области внутренней полости накопительного бака 2 за пределами входной полости нижней части циркуляционного патрубка 11 и подключенным к упомянутому датчику 15 температуры терморегулятором 16 с нормально замкнутым контактом, соединенным последовательной электрической цепью с терморегулятором 7 нагревательного элемента 4.
При этом верхняя часть 11а циркуляционного патрубка 11 на участке, расположенном над рабочей частью нагревательного элемента 4, может быть выполнена, предпочтительно, с внутренней полостью меньшего сечения, чем его нижняя часть 11б, обхватывающая внутренней полостью рабочую часть 4а нагревательного элемента 4 по ее окружающему по боковым сторонам пространству, причем внутренние полости встречных концов упомянутых частей циркуляционного патрубка 11 могут быть соединены между собой, предпочтительно, плавным коническим переходом 17, а входная полость нижней части 11б циркуляционного патрубка 11 и (или) выходная полость его верхней части 11а могут быть выполнены с некоторым расширением, предпочтительно конической формы.
Кроме того, накопительный бак 2, предпочтительно, может быть выполнен вытянутой по высоте формы.
Между тем линейные размеры и гидравлические параметры циркуляционного патрубка 11, монтажных кронштейнов 12, гибкой подвески, проточного основания 13 и его отверстий (прорезей) 14, ножек, в том числе подставных, конического перехода 17, а также мощности нагревательного элемента 4, устанавливаются с учетом возможных потерь напора циркуляционного потока воды исходя из условия обеспечения максимального значения эффективной составляющей гидростатического напора, обеспечивающей циркуляцию воды между полостями накопительного бака 2 и циркуляционного патрубка 11, и недопущения вскипания воды во внутренней полости циркуляционного патрубка 11.
При этом под центрованной гибкой подвеской подразумевается такая подвеска циркуляционного патрубка 11, которая обеспечивает его провисание в вертикальном положении с обеспечением свободного пространственного зазора внутренней полости накопительного бака 2 как сверху циркуляционного патрубка 11, так и снизу его.
Разумеется, возможны и другие варианты фиксации циркуляционного патрубка 11 в заданном положении в конструкции предлагаемого изобретения, не влияющие на суть последнего.
Очевидно также, что нагревательный элементы 4 в предлагаемом изобретении может иметь резьбовое и (или) фланцевое крепление, и то, что накопительный бак 2 может содержать и другие нагревательные элементы и устройства, устанавливаемые в накопительном баке 2 известными способами и управляемые автономно собственным реле с термодатчиком или от термодатчика и (или) блока автоматического управления предлагаемого устройства.
Следует также отметить, что понятие жестко закреплено или жестко соединено в тексте заявки на изобретение подразумевает, в том числе, крепление, допускающее возможность свободного демонтажа, например резьбовое, на шплинтах, пружинах и так далее.
Осуществление изобретения
Предлагаемый электрический водонагреватель с накопительной емкостью по пункту 1 формулы изобретения работает следующим образом.
Первичное заполнение накопительного бака 2 водой осуществляется подачей холодной воды через патрубок 8 и отводом воздуха из его внутренней полости через специальный клапан (не показан), вмонтированный в верхней части корпуса накопительного бака 2, или (и) через патрубок 9 отбора горячей воды аналогично процессу заполнения накопительных баков соответствующих бытовых водонагревателей, после чего с помощью терморегулятора 7 задается уставка требуемой рабочей температуры нагрева накопленной воды в накопительном баке 2 (уставка температуры разрыва электрической цепи нагревательного элемента 4), что означает перевод электрического водонагревателя с накопительной емкостью в состояние готовности к работе.
При этом накопительный бак 2 остается в постоянно заполненном состоянии в течение всего времени эксплуатации за исключением случаев консервации работы или проведения определенных ремонтно-профилактических работ.
При включении электрического водонагревателя с накопительной емкостью в электрическую сеть через нормально замкнутый контакт терморегулятора 7 включается нагревательный элемент 4.
При этом вся внутренняя полость циркуляционного патрубка 11 заполняется нагретой водой и благодаря возникшему дисбалансу весов столбов нагретой воды внутри циркуляционного патрубка 11 и пока еще холодной воды в полости самого накопительного бака 2 создается гидростатический напор, обеспечивающий циркуляцию воды между полостями циркуляционного патрубка 11 и накопительного бака 2.
При этом нагретая вода начиная с верхней области внутренней полости накопительного бака 2 постепенно заполняет все большие объемы пространства полости последнего.
Таким образом процесс приращения температуры воды в накопительном баке 2 в предлагаемом техническом решении происходит интегрально начиная с верхних слоев воды в его внутренней полости, и по истечению некоторого времени нагревательный элемент 4 доводит температуру воды в накопительном баке 2 до заданного значения, после чего нагревательный элемент 4 отключается терморегулятором 7 и водонагреватель переходит в ждущий («дежурный») режим поддерживания температуры воды в накопительном баке 2 на заданном уровне с помощью нагревательного элемента 4 и терморегулятора 7, который при некотором понижении температуры воды в накопительном баке 2 за счет его теплоотдачи в окружающую среду вновь включает нагревательный элемент 4 в работу.
При этом автоматическое включение и выключение нагревательного элемента 4 осуществляется через терморегулятор 7 с датчиком 5 температуры воды.
При отборе нагретой воды через патрубок 9 холодная вода через патрубок 8 поступает в нижнюю область внутренней полости накопительного бака 2, вытесняя при этом нагретую воду через водоприемную горловину 10 патрубка 9 отвода нагретой воды.
Как только уровень холодной воды в накопительном баке 2 покроет рабочую часть 5а датчика температуры 5, терморегулятор 7 включает нагревательный элемент 4, который, прогревая столб воды в циркуляционном патрубке 11, вновь создает циркуляционный поток воды в накопительном баке 2 через циркуляционный патрубок 11 и электрический водонагреватель с накопительной емкостью переходит в рабочий режим нагрева воды одновременно с процессом ее отбора.
При этом если отбор нагретой воды осуществляется в относительно в малом количестве, то большая часть (или практически весь объем) холодной воды, поступающей в накопительный бак 2 через патрубок 8, прогреваясь в циркуляционном патрубке 11, выходит в верхнюю область накопительного бака 2, где, перемешиваясь с предварительно нагретой водой в накопительном баке 2, поступает к потребителю через входную горловину 10 и патрубок 9 отвода нагретой воды.
Если же отбор нагретой воды через патрубок 9 происходит достаточно интенсивно, то относительно большая часть поступающей через патрубок 8 холодной воды остается в нижней части накопительного бака 2, что способствует повышению уровня холодной воды в накопительном баке 2 и вытеснению из него нагретой воды через водоприемную горловину 10 и патрубок 9 отвода нагретой воды.
Если отбор нагретой воды продолжает осуществляться интенсивно и иссякает весь объем накопленной нагретой воды, то электрический водонагреватель с накопительной емкостью продолжает выдавать потребителю нагретую воду с несколько меньшей температурой, величина которой зависит от интенсивности отбора воды, диаметра циркуляционного патрубка 11 и мощности нагревательного элемента 4.
Если же уменьшилась интенсивность водопотребления или прекратился отбор воды через патрубок 9 вообще, то электрический водонагреватель с накопительной емкостью, соответственно, продолжая выдавать потребителю ограниченное количество воды необходимой температуры или без такового, прогревает воду в накопительной емкости 2 согласно вышеописанному порядку.
Работа электрического водонагревателя с накопительной емкостью по пункту 2 формулы изобретения отличается от выше описанного лишь тем, что управление работой нагревательного элемента 4 осуществляется от терморегулятора 16 с датчиком температуры 15.
При этом терморегулятор 7 с датчиком температуры 5 используются лишь для аварийного защитного отключения нагревательного элемента 4, так как уставка температуры разрыва электрической цепи последнего на терморегуляторе 7 выставляется на большее значение, чем на терморегуляторе 16, на котором задается уставка температуры разрыва электрической цепи нагревательного элемента 4 исходя из необходимой рабочей температуры воды в накопительном баке 2.
Между тем в этом случае исполнения изобретения появляется возможность отбора нагретой воды потребителями в течение более длительного времени, так как при этом можно установить в накопительном баке циркуляционный патрубок 11 с меньшим поперечным сечением внутренней полости, чем в варианте исполнения изобретения по пункту 1 его формулы, не опасаясь срабатывания терморегулятора 7 на отключение нагревательного элемента 4, что и позволит повысить температуру воды на выходе из циркуляционного патрубка 11 и тем самым увеличить продолжительность времени отбора накопленной нагретой воды потребителями.
При этом исполнение предлагаемого изобретения по пункту 3 его формулы позволит уменьшить общий вес циркуляционного патрубка 11 и, соответственно, общий вес и стоимость электрического водонагревателя с накопительной емкостью при сохранении приемлемых гидравлических характеристик циркуляционного патрубка 11.
Вместе с тем исполнение предлагаемого изобретения по пункту 4 его формулы позволит повысить эффективность работы электрического водонагревателя с накопительной емкостью за счет увеличения мгновенных значений гидростатического напора, обеспечивающего циркуляционный поток между внутренними полостями циркуляционного патрубка 11 и накопительного бака 2.
Отличительные признаки 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 может быть получен при их наиболее полном совокупном использовании.
Очевидно предложенная конструкция электрического водонагревателя с накопительной емкостью может быть использована и в случаях необходимости нагрева и подачи потребителям других жидких сред, а также в нагревателях различных жидкостей, содержащих накопительные емкости и использующих другие виды энергии (топлива) для нагрева этих жидкостей.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит потребителю продлить время отбора накопленной нагретой воды на выходе электрического водонагревателя с накопительной емкостью за счет ее одновременного восполнения и даже получать ограниченное количество нагретой воды после отбора запасенного объема нагретой воды в накопительном баке.
Технические решения предлагаемого электрического водонагревателя с накопительной емкостью относительно легко могут быть реализованы на действующих серийных производствах электрических водонагревателей с накопительной емкостью согласно изобретению.
Отсутствие в технической и патентной литературе сведений по использованию заявленной конструкции электрического водонагревателя с накопительной емкостью в целях достижения описанного эффекта и технического результата показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и его положительным эффектом. Это обеспечивает существенное отличие данного изобретения от всех известных конструкций электрического водонагревателя с накопительной емкостью.