Накопительный, аккумуляционный электрический водонагреватель

Заявляемая полезная модель относится к бытовой технике и может быть использована для нагрева воды в термически хорошо изолированном резервуаре, для продолжительного хранения нагретой воды, снабжённой устройством плавной многоступенчатой регулировки температуры, используемая в бытовых помещениях таких как жилые помещения, офисы, дачные домики, бытовки строительно-монтажных организаций и прочие объекты. Устройство содержит внутреннюю емкость, выполненную из нержавеющей, стали, и внешний корпус с торцевыми крышками, теплоизолированные друг от друга. В нижней части емкости выполнена отбортовка овальной формы с установленными в ней изнутри фланцем с нагревательными элементами, электронным анодом и звуковоспроизводящим устройством - акустической системой. Подача воды осуществляется через трубку подачи холодной воды, расположенную в нижней части внутренней емкости, а забор производят через трубку забора горячей воды из верхней части внутренней емкости. В нижней части водонагревателя расположен блок управления в виде размещенного в корпусе с крышкой электронного терморегулятора с цветным дисплеем и электронные платы. На передней плоской части корпуса водонагревателя расположена панель управления с электронным индикатором температуры. Использование данной полезной модели увеличивает его ремонтопригодность и позволяет минимизировать затраты на электроэнергию, связанную с постоянными суточными потерями.
Известен водонагреватель накопительного типа (патент на полезную модель RU №44373, 2004), который содержит расположенные параллельно два вертикальных бака, соединенных вверху и внизу патрубками, входной патрубок подачи холодной воды, расположенный в нижней части, и выходной патрубок выхода горячей воды, расположенный в верхней части другого бака. Баки расположены внутри наружного защитного корпуса, заполненного теплоизоляцией. Два нагревательных элемента смонтированы на герметично установленных фланцах каждого бака. Водонагреватель снабжен выносным термостатом. На наружном корпусе установлена панель управления с ручкой управления термостатом и переключателями режимов мощности нагревательных элементов. Нижняя часть корпуса снабжена предохранительной крышкой.
Недостатком данного устройства являются ограниченные эксплуатационные и функциональные возможности.
Известен электроводонагреватель бытовой для горячего децентрализованного водоснабжения помещений, который содержит вертикально расположенные два бака, соединенные двумя трубами, при этом верхний бак снабжен трубой подачи холодной воды, нижний - трубой выпуска горячей воды 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 часть полости 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 (патент на изобретение RU № 2116580, 1998).
Известный электронагреватель накопительного типа описан в патенте на полезную модель RU №59782 от 03.05.2006 г. Электроводонагреватель аккумуляционный бытовой содержит внутреннюю емкость, покрытую фарфоровой стеклоэмалью, корпус и торцевые крышки, теплоизолированные друг от друга, трубу забора горячей воды, трубу подачи холодной воды, корпус ТЭНов, закрепленный в нижней части внутренней емкости шестью болтами и покрытый фарфоровой стеклоэмалью, в герметичных трубах которого расположены два воздушных «сухих» нагревательных элемента, магниевый анод, установленный на корпусе ТЭНов. В нижней части электроводонагревателя установлена пластмассовая крышка, на передней панели которой расположена ручка терморегулятора, световая индикация работы ТЭНов и кнопка переключателя режимов мощности ТЭНов.
Известны нагревательные устройства для водонагревателей для электрического водонагревателя, душа, моечной машины, посудомоечной машины или чайника с регулировкоймощности, которые включают в себя сосуд для нагрева жидкости и электрический нагревательный элемент, предназначенный для нагрева участка сосуда. Нагревательный элемент включает в себя толстопленочную резистивную нагревательную схему с плавкой вставкой, помещенной в толстой пленке. Документ, кроме того, описывает регулятор мощности типа симистора, смонтированный непосредственно на нагревательном элементе и действующий как теплоотвод для этого симистора. Также описаны терморезистор, датчик температуры, образованный в толстой пленке, плавкая вставка, клапана контроля расхода для непрерывного регулирования расхода через нагреватель, средство регулирования расхода и средство регулирования температуры. Эти электрические компоненты соединены с блоком управления, который может быть дистанционным или образован как часть диэлектрического слоя толстой пленки в месте, расположенным рядом с впускным патрубком, где металлическая подложка нагревателя поддерживается в холодном состоянии за счет подачи холодной воды (EP 0485211, DE 10322034, DE 19732414 и DE 19737694).
Наиболее близким к предлагаемому, является электроводонагреватель проточно-накопительный бытовой, который содержит последовательно соединенные первую и вторую внутренние емкости, выполненные из нержавеющей стали, корпус с верхней и нижней торцевыми крышками, теплоизолированные друг от друга, трубу подачи холодной воды с обратным предохранительным клапаном, выполненную с изгибом и рассекателем на конце трубы, трубу забора горячей воды, смонтированные на первом и втором фланцах четыре «сухих» нагревательных элемента и магниевые аноды, при этом два «сухих» нагревательных элемента, магниевый анод и капиллярный термовыключатель смонтированы на первом фланце, в нижней части первой внутренней емкости, а два других «сухих» нагревательных элемента с магниевым анодом и контактным термовыключателем - на втором фланце, в верхней части второй внутренней емкости, установленный на соединительной трубе электромагнитный клапан, трубу для полного слива воды, установленную в нижней части второй внутренней емкости, а на передней части корпуса расположена панель управления с электронным программатором (патент на полезную модель RU № 71735, 2008).
Общими признаками аналогов и прототипа является наличие резервуара для воды, отделенного от внешнего корпуса теплоизоляционным материалом, корпус снабжен торцевыми крышками, резервуар для воды снабжен штуцерами забора горячей воды и подачи холодной воды, вход и выход штуцеров размещены в одной плоскости на торцевой крышке, наличие нагревательного элемента, органов управления, нагревательный элемент электрически через органы управления подключен к электросети. Также общим для всех водонагревателей является место размещения электрических компонентов, т.к. все они располагаются в зоне одной из торцевых крышек, что обусловлено схожей технологией изготовления и стремлению производителей снизить себестоимость производства водонагревателей. Чувствительный элемент терморегуляторов, как правило, располагается в нижней части резервуара с водой и измеряет температуру в одной локальной точке, при этом чем выше мощность нагревателя, тем выше темп нагрева и тем выше неравномерность температуры по высоте резервуара.
Общими недостатками известных устройств являются: потеря энергии, вызванная неравномерностью температуры воды неравномерность нагрева воды в разных уровнях резервуара водонагревателя и как следствие высокие затраты на эксплуатацию; неудобство пользователей связанные с изменением температуры воды при использовании водонагревателей и с несоответствием фактической температуры воды установленному значению на панели управления. В известных устройствах используются регулируемые термостаты, если температура окажется меньше выставленной температуры пользователем, то на нагревательный элемент подается полная электрическая мощность (или частичная), он начинает нагреваться и передает тепло воде. При достижении установленной температуры на чувствительном зонде термостата, нагревательный элемент полностью отключается от электрической сети. В существующих водонагревателях отсутствует  функция плавной регулировки мощности нагревательного элемент, т.к. либо применяется пошаговая регулировка мощности, которая осуществляется пользователем, либо эта функция отсутствует совсем. В отсутствии плавной регулировки мощности при использовании полной мощности нагрева температура воды в верхней части водонагревателей значительно выше температуры в нижней части водонагревателей, что приводит к неравномерному нагреву воды и при отключении нагрева по сигналу регулируемого термостата температура воды в водонагревателе не равномерна, что может приводить к перегреву воды и увеличению расхода электроэнергии. При использовании частичной мощности нагрева разница температуры в слоях воды снижается, но существенно увеличивается время подготовки горячей воды. При задании полной или частичной мощности нагрева  вода верхней части водонагревателя значительно горячее, чем вода в нижней части резервуара, это связано с природой конвекции в жидкостях. Снизить неравномерность температуры воды в резервуаре можно несколькими способами: уменьшить высоту водонагревателя, что приведет к изменению габаритных размеров водонагревателя, увеличив глубину и ширину и снизить темп нагрева, что увеличит время подготовки горячей воды и снизит ценность для потребителей.
Задача полезной модели – повышение энергоэффективности и снижение суточных потерь путем изменения темпа нагрева при приближении температуры воды к значению, установленному пользователем для снижения неравномерности температуры воды по высоте резервуара.
Технический результат – улучшение показателя энергоэффективности водонагревателей и снижение суточных потерь при сохранении компактной формы и внешних габаритных размеров, быстрой подготовки горячей воды, высокой надежности.
Техническая задача решается тем, что заявляемый накопительный, аккумуляционный электрический водонагреватель, содержит сообщающиеся баки для воды, размещенные в корпусе, который снабжен торцевыми крышками, баки для воды снабжены штуцерами забора горячей воды и подачи холодной воды, вход и выход штуцеров размещены в одной плоскости на торцевой крышке, нагревательный элемент с фланцем размещен в одном из баков для воды и электрически соединен с блоком управления, который содержит электронную плату управления с элементом контроля и электронную плату питания, подключенную к источнику питания, электронные платы питания и управления электрически соединены друг с другом, корпус имеет замкнутый объем с панелью управления, на которой размещены органы управления, взаимодействующие с блоком управления, термостат, который установлен на торцевой крышке и подключен к источнику питания, при этом на фланце нагревательного элемента дополнительно установлен датчик температуры, который размещен в полой трубке и подключен параллельно к электронной плате питания и термостату, электронная плата питания снабжена полупроводниковым коммутирующим элементом, выполненным в виде тиристора, подключенным параллельно реле, тиристор электрически соединен с элементом контроля электронной платы управления, который выполнен программируемым с возможностью приема сигналов от датчика температуры и передачи управляющих сигналов на нагревательный элемент.
Блок управления выполнен с возможностью подключения к электросети, представлен соединенными друг с другом электронной платой питания, электронной платой управления.
Электронная плата питания преобразует переменное сетевое напряжение в постоянное низковольтное напряжение, которое необходимо для работы блока управления.
Полупроводниковый коммутирующий элемент, выполненный в виде тиристора, размещен на электронной плате питания и представлен преимущественно, но не ограничиваясь этим, тиристором марки TYN640RG, который используются в коммутации в цепях переменного тока, а также может быть представлен симистером марки BTA24-600BW или иными аналогичными моделями на основе комбинации тиристоров. В отличие от классического механического реле, тиристоры обладают неограниченным ресурсом, что дает возможность осуществлять коммутацию с высокой частотой (например 20 раз в секунду).
Датчик температуры снабжен термопарой, которая размещенав полой трубке, установленной на фланце нагревательного элемента.  В целях повышения надежности, упрощения монтажа и обеспечения ремонтопригодности, датчик температуры подключен к электронной плате питания.  Сигнал от термопары датчика температуры передается на элемент контроля электронной платы управления посредством шлейфа, соединяющего электронные платы питания и управления. Датчик температуры параллельно подключен к термостату. В качестве датчика температуры может использоваться, например, но не ограничиваясь этим, датчик температуры марки WE50220TB638 или датчики температуры аналогичных моделей.
Термостат электрически соединен со шнуром питания, который дополнительно может быть снабжен устройством защитного отключения. Термостат подключен в цепь питания водонагревателя и отключает напряжение в случае опасного перегрева воды внутри прибора, не связан с элементом контроля электронной платы управления. Термостат состоит из баллона с рабочей жидкостью, который помещается в месте измерения температуры, корпус с контактами и подвижной мембраной, которая размыкает контакты, и капилляра, который соединяет баллон и корпус с контактами термостата.Термостат напрямую подключен в цепь питания водонагревателя и отключает напряжение в случае опасного перегрева воды внутри электрического водонагревателя.
Электронная плата питания снабжена электрическими контактами для обеспечения возможности электрического соединения с электрической сетью питания и элементами–потребителями в водонагревателе, под которыми понимаются нагревательный элемент, электронная плата управления, активный анод, питание акустической системы. На электронной плате питания при помощи реле и тиристора смонтирована цепь с высокой токовой нагрузкой. Тиристор выполняет функцию коммутационного элемента. Высокий ток и напряжение подается на нагревательный элемент, размещенный в электрическом водонагревателе. На электронной плате питания реле подключено параллельно тиристору  и используется в цепи в тот момент когда нужно обеспечить 100% нагрева. При снижении мощности нагрева для снятия нагрузки с тиристора, реле отключается и токовая нагрузка коммутируется тиристором.
Электрическая часть блока управления содержит управляющие компоненты, которые компактно зафиксированы внутри корпуса блока управления на электронной плате управления. Электрическая часть снабжена элементами для электрического соединения - разъемами, колодками и иными известными аналогичными элементами для обеспечения электрического соединения. Электрическая часть электронной платы управления представлена печатной платой и размещенными на ее поверхности функциональными электрическими управляющими компонентами, обеспечивающими управляющую функцию и имеющими электрический выход на органы управления, размещенные на панели управления. Управляющие компоненты могут иметь встроенный интерфейс для управления и сервисного обслуживания, электрически подключены к органам управления панели управления. Под управляющими компонентами понимаются конденсаторы, резисторы, реле и иные электронные компоненты. В качестве элемента контроля, выполненного программируемым, может быть использованы программируемый процессор, микропроцессор, микроконтроллер, контроллер, например, но не ограничиваясь этим.
Автоматическая плавная регулировка мощности достигается в заявляемом водонагревателе путем плавной подачи электрической мощности на нагревательный элемент, которая осуществляется коммутационным элементом, выполненным в виде тиристора, размещенным на электронной плате питания. Тиристор электронной платы питания электрически соединен с элементом контроля электронной платы управления,  на который поступает сигнал от датчика температуры, измеряющего температуру внутри водонагревателя.
Используемая в заявляемом устройстве схема электрического подключения элемента контроля, коммутационного элемента, датчика температуры, термостата и нагревательного элемента, обеспечивает возможность автоматической плавной регулировки электрической мощности, подаваемой на нагревательный элемент в зависимости от окружающих температур. Тиристор, смонтированный на электронную плату питания водонагревателя, позволяет плавно регулировать мощность нагревательного элемента в зависимости от объема водонагревателя, номинальной мощности нагревательного элемента, установленной пользователем температуры на блоке управления и текущей температуры воды в резервуаре водонагревателя. Это позволяет гибко настраивать функцию нагрева воды исключая потери тепла, которые могут быть вызваны неравномерным нагревом воды по высоте водонагревателя. Плавная регулировка мощности в заявляемом электрическом водонагревателе осуществляется автоматически и позволяет в широких пределах регулировать мощность нагревательного элемента, а, следовательно, тепловую мощность водонагревателя.
Используемое в известных водонагревателях механическое реле, применяемые для изменения темпа нагрева, не целесообразно ввиду частого включения и отключения нагревательного элемента, что ведет к неэкономичности энергопотребления (наличие стартовых токов): неточному поддержанию заданной температуры воды; постоянным включением и отключением нагревательного элемента; уменьшением срока службы нагревательного элемента против возможного срока; негативному влиянию сильных скачков напряжения во всей электросети жилого помещения во время включения и отключения; появлению нагара на электрических контактах.
В отличие от известных водонагревателей, регулировка мощности в заявляемом устройстве производится не только с использованием реле, а посредством коммутационного элемента в виде тиристора, представляющего собой полупроводниковый исполнительный элемент, размещенный на электронной плате питания, который электрически соединен с нагревательным элементом. Тиристор обладает практически неограниченным ресурсом, что дает возможность осуществлять коммутацию с высокой частотой (например, 20 раз в секунду). В заявляемом устройстве реле подключено параллельно тиристору и используется в цепи в то момент когда нужно обеспечить 100% нагрева и для снятия нагрузки с тиристора. При снижении мощности нагрева, реле отключается и токовая нагрузка коммутируется тиристором.
Заявляемый водонагреватель обеспечивает улучшение показателя энергоэффективности  за счет регулировки мощности путем исключения появления нагара на электрических контактах и негативного влияния сильных скачков напряжения электросети за счет отсутствия пусковых токов, расширение эксплуатационных возможностей водонагревателя за счет обеспечения более точного поддержания температуры воды внутри бака с минимизацией потребляемой электроэнергии за счет интеллектуального алгоритма работы электронной платы обеспечивающего плавную регулировку мощности для компенсации постоянных суточных потерь.
На корпусе блока управления размещена панель управления и может быть размещен дисплей с сенсорными элементами управления.
Электронная плата управления выполнена с возможностью принимать сигналы, например, от сенсорных органов управления, обеспечивая заданный режим работы электрического водонагревателя.  Электронная плата управления может также иметь встроенный модуль Wi-Fi для управления заявляемого электрического водонагревателя удаленно через WEB страницу или программу ЭВМ, установленную на мобильном телефоне для управления всеми функциями прибора.
Баки для воды сообщены друг с другом по принципу сообщающихся сосудов. Штуцер подачи холодной воды может быть снабжен рассекателем.
Заявляемый накопительный, аккумуляционный водонагреватель отличается тем, что:
- в баке для воды установлен датчик температуры,размещенныйв полой трубке, установленной на фланце нагревательного элемента;
- датчик температуры подключен к электронной плате питания;
-
датчик температуры параллельно подключен к термостату;
- электронная плата питания снабжена полупроводниковым коммутирующим элементом, выполненным в виде тиристора, выполняющим функцию  коммутационного элемента, который подключен параллельно реле;
- тиристор электрически взаимодействует с элементом контроля, размещенным на электрической плате управления;
- элемент контроля выполнен программируемым с возможностью приема, обработки сигналов от датчика температуры и передачи управляющих сигналов на нагревательный элемент.
Сравнение заявляемого устройства с известным позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна».
Заявляемое устройство может быть изготовлено из известных материалов с помощью известных технологий и известных конструктивных элементов, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».
Заявляемое устройство иллюстрируется следующими чертежами и схемами.
На Фиг. 1 – показан общий вид водонагревателя и блока управления по инверторному типу, в разрезе;
На Фиг. 2 – показана схема водонагревателя в разрезе;
На Фиг. 3 – Показана электронная плата питания с тиристором;
На фиг.4 показана схема электронной платы управления.
На Фиг. 5 изображена схема взаимодействия электронных компонентов от приема сигнала с датчика температуры до подачи напряжения с платы питания на нагревательный элемент.
На Фиг. 6 – показана блок схема определения мощности нагревательного элемента в зависимости от объема водонагревателя, номинальной мощности нагревателя, температуры установленной пользователем и температуры воды в водонагревателе.
Заявляемый электрический водонагреватель состоит из корпуса 1, в котором размещены сообщающиеся друг с другом по принципу сообщающихся сосудов баки для воды, при этом в баке для воды 2 размещены нагревательный элемент 3, который выполнен в виде двух параллельно соединенных трубчатых нагревателей (ТЭН), присоединенных к одному нейтральному проводу и смонтированных на общий герметичный фланец. Корпус 1 содержит нижнюю 6 и верхнюю 7 торцевые крышки, в нижней 6 торцевой крышке установлены штуцера забора горячей воды 4 и подачи холодной воды 5, вход и выход штуцеров горячей и холодной воды 4 и 5 размещены в одной плоскости на нижней 6 торцевой крышке, в штуцере подачи холодной воды 5 установлен рассекатель (не показан). Внутри корпуса 1 на нижней 6 торцевой крышке размещен термостат 8.  Электрический водонагреватель содержит блок управления, представляющий собой электронную плату питания 10 и электронную плату управления 11. Термостат 8 напрямую подключен к источнику питания, представленный шнуром питания 9 с вилкой для включения в сеть. Термостат 8 состоит из баллона 15 с рабочей жидкостью, который помещается в место измерения температуры, корпус с контактами и подвижной мембраной, которая размыкает контакты, и капилляра 16, который соединяет баллон 15 и корпус с контактами термостата (Фиг.2). Под местом  измерения температуры понимается  место размещения датчика температуры 17, а именно полая трубка, установленная на фланце нагревательного элемента 3, термостат 8 соединен с датчиком температуры 17. Датчик температуры 17 также подключен к электронной плате питания 10, с которой сигнал от термопары датчика температуры 17 передается на электронную плату управления 11 посредством соединительного шлейфа 18, соединяющие электронные платы питания 10 и управления 11. На электронной плате питания 10 параллельно реле 22 установлен тиристор 19, выполняющий функцию коммутационного элемента, который снабжен радиатором охлаждения 21, и посредством соединительного шлейфа 18 электрически соединен с электронной платой управления 11, содержащей программируемый процессор 20, выполняющий функцию элемента контроля и принимающий сигналы с термопары датчика температуры 17. На корпусе электрического водонагревателя размещены соединенные друг с другом передняя  панель управления 12 с органами управления, дисплей 13, внутренняя пластиковая панель 14. Панель управления электрически взаимодействуют с блоком управления.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
,
,
Электрический  водонагреватель устанавливают в удобном месте и включают в электросеть посредством шнура питания 9 с вилкой, которая подключается к розетке электросети. Электрический водонагреватель подключают к водопроводу через штуцер подачи холодной воды 5, согласно схеме подключения, указанной в инструкции по эксплуатации. Нагревательный элемент 3 (ТЭН) нагревает воду в баке 2 для воды до температуры, заданной на передней панели управления 12, мощность нагревательного элемента 3 уменьшается в зависимости от разницы температуры в баке 2 для воды и установленной пользователем на передней панели управления 12, при достижении заданной температуры нагрев отключается. Регулировка мощности нагревательного элемента (ТЭН) 3 производится при помощи программируемого процессора 20 электронной платы управления 11 и посредством электрически связанного с ним тиристора 19 установленного на электронную плату питания 10. Подогретая вода через штуцер забора горячей воды 4 подается потребителю. По мере остывания воды, сигнал с датчика температуры 17  поступает на программируемый процессор 20, обрабатывается им, управляющий  сигнал поступает через тиристор 19 на нагревательный элемент 3 (ТЭН) и поддерживает температуру воды на заданном значении (значение устанавливается от 35°С до 75°С) посредством алгоритма заложенного в программируемом процессоре 20 электронной платы управления 11. В случае превышения температуры, сигнал от датчика температуры 17 поступает на термостат 8, который срабатывает на отключение подачи питания.
Изменение темпа нагрева заявляемого водонагревателя поясняется схемой на Фиг.5, где показано  как осуществляется работа программируемого процессора 20, размещенного на электронной плате управления 11 блока управления водонагревателя, по приему и обработке сигналов, поступающих с датчика температуры 17, и последующее формирование управляющего сигнала на нагревательный элемент 3 через  тиристор 19.
Блок управления, содержащий электронную плату управления 11, программируемый процессор 20, которой принимает сигналы с датчика температуры 17 и термостата 8, обрабатывает их и выдает управляющий сигнал на тиристор 19 электронной  платы питания 10, задавая нелинейную функцию мощности в зависимости от объема водонагревателя, мощности нагревательного элемента, температуры, установленной пользователем, и фактической температуры воды в водонагревателе. Алгоритм нагрева заявляемого водонагревателя представлен на схеме (Фиг.6).
Заявляемая конструкция  электрического водонагревателя позволяет гибко настраивать функцию нагрева воды, исключая потери тепла, плавно или ступенчато регулировать мощность нагревательного элемента. Повышение энергоэффективности водонагревателя и снижение суточных потерь тепла осуществляется за счет измерения температуры воды датчиком температуры, подключенного к электронной плате питания, регулированием питания триодным регулятором переменного тока, шунтированный реле, обработкой сигналов программируемым элементом контроля электронной платы управления, который принимает сигналы от датчика температуры и передает управляющие сигналы на нагревательный элемент. Заявляемая совокупность признаков водонагревателя обеспечивает реализации функции изменения темпа нагрева при приближении температуры воды к значению, установленному пользователем.  Также заявляемая совокупность признаков позволяет снизить неравномерность температуры воды в резервуаре по высоте, повысить эксплуатационную надежность, а также расширить ассортимент водонагревателей, обладающих важными для пользователя функциями: скорость нагрева воды для использования и уменьшение разницы температуры по высоте при сохранении компактных внешних габаритов  водонагревателя.