АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ НАКОПИТЕЛЬНОГО ТИПА Российский патент 1999 года по МПК F24H1/20 F24H7/02 

Изобретение относится к области бытовой техники, а более конкретно - к электронагревательным устройствам для автоматического поддержания постоянной заданной температуры воды, поступающей из водопровода к потребителю.

Общеизвестны неавтоматические теплоэлектронагреватели (ТЭНы), преобразующие электрическую энергию в энергию горячей воды. К недостаткам таких нагревателей можно отнести необходимость постоянного контроля оператора за его работой.

Известны автоматические электронагреватели проточного типа [1], в которых преобразование электрической энергии в тепловую энергию воды происходит в темпе потребления этой воды. К недостаткам таких нагревателей можно отнести то, что при известной температуре воды на входе в нагреватель температура воды, поступающей к потребителю, ограничена как тепловой мощностью нагревателя, так и энергетическими характеристиками электрической сети, к которой подключен этот нагреватель. А при заданной температуре воды, поступающей к потребителю, ограничена величина расхода этой воды.

Кроме того, отбор горячей воды из таких нагревателей не может осуществляться при отключенном нагревательном элементе, что ужесточает предъявляемые к ним требования электробезопасности.

Наиболее близким к заявляемому является электроводонагреватель жидкости накопительного типа [2], содержащий накопитель тепловой энергии, включающий электронагревательный элемент, размещенный в основном сосуде, полость которого подключена к входному водопроводу и целиком заполнена жидкостью и паром этой жидкости, вспомогательный сосуд, нижняя точка полости которого гидравлически связана с нижней точкой основного сосуда, а верхняя сообщена с атмосферой, а также теплообменный элемент, контактирующий с накопителем тепловой энергии, и подключенные к нему трубопроводы холодной и горячей воды.

К недостаткам этого нагревателя можно отнести: отсутствие аккумулятора тепловой энергии как самостоятельного конструктивного элемента, что ограничивает возможности устройства по накоплению тепла теплоемкостью нагревательного элемента, поскольку теплоемкость жидкости в основном сосуде ограничена температурой ее кипения при атмосферном давлении, это ограничивает удельную (на единицу массы и объема) тепловую энергию, запасаемую в устройстве; контакт теплообменного элемента с накопителем тепловой энергии по стенке основного сосуда, что ограничивает возможности устройства по расходованию тепла площадью этой стенки; отсутствие элементов регулирования температуры жидкости в трубопроводе горячей воды, это не позволяет осуществлять подачу к потребителю горячей воды с заданной, в общем случае - переменной температурой.

Указанные недостатки сужают функциональные возможности электроводонагревателя, тем самым ограничивая область его применения.

Целью настоящего изобретения является расширение области применения автоматического электроводонагревателя за счет расширения его функциональных возможностей.

Эта цель достигается тем, что автоматический электроводонагреватель содержит накопитель тепловой энергии, включающий электронагревательный элемент, размещенный в основном сосуде, полость которого целиком заполнена жидкостью и паром этой жидкости, вспомогательный сосуд, нижняя точка полости которого гидравлически связана с нижней точкой основного сосуда, а верхняя сообщена с атмосферой, а также теплообменный элемент, контактирующий с накопителем тепловой энергии, и подключенные к нему трубопроводы холодной и горячей воды. При этом накопитель тепловой энергии включает в себя аккумулятор тепла, в котором размещены электронагревательный элемент и датчик температуры, сигнал которого через логическое устройство управляет работой электронагревательного элемента, и смеситель, к которому подключены через регуляторы расхода трубопроводы холодной и горячей воды и выходной водопровод, а теплообменный элемент выполнен в виде рекуперативного теплообменника.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен вариант конструктивного исполнения заявленного устройства.

Устройство (см. чертеж) имеет в своем составе сосуды 1 и 2, которые заполнены жидкостью 3.

Нижние точки полостей сосудов 1 и 2 гидравлически связаны друг с другом магистралью 4.

Верхняя точка сосуда 2 сообщается с окружающей атмосферой через горловину 5.

Электрический нагревательный элемент 6 связан с аккумулятором тепловой энергии 7 с возможностью передачи тепла от элемента 6 к аккумулятору 7.

Аккумулятор 7 имеет вертикальную поверхность 8, контактирующую с полостью сосуда 1.

Входной водопровод 9 соединен со смесителем 10 трубопроводами 21 и 22 холодной и горячей воды. Один из них магистралью связывает элементы 9 и 10 через настроечный вентиль 11. Второй - связывает элементы 9 и 10 через теплообменник 12 и настроечный вентиль 13. Выходной водопровод 14 соединен со смесителем 10 гидравлической магистралью через регулировочный вентиль 15. Внешняя поверхность сборки элементов 1, 6, 7, 12 покрыта слоем теплоизоляции 16. Датчик температуры 17 имеет чувствительный элемент, контактирующий с аккумулятором тепла 7. Электрический нагревательный элемент 6 запитан от источника электрической энергии 18 через управляемый преобразователь 19. Преобразователь 19 связан управляющей электрической линией 20 с датчиком температуры 17.

Устройство работает следующим образом.

Электрическая энергия поступает от источника 18 через преобразователь 19 к нагревательному элементу 6, где она превращается в тепловую энергию. Тепловая энергия поступает от элемента 6 к аккумулятору тепловой энергии 7, а от аккумулятора 7 - в полость сосуда 1 через поверхность 8. Поток воды из входного водопровода 9 разделяется на две части, одна из которых поступает в смеситель 10 через вентиль 11, а вторая - через теплообменник 12 и вентиль 13. При этом соотношение расходов воды, поступающих в смеситель 10 через теплообменник 12 и, минуя его, определяется гидравлическими сопротивлениями вентилей 11 и 13 и при их неизменной настройке остается постоянным. Из смесителя 10 поток воды поступает в выходной водопровод 14 (к потребителю) через вентиль 15. Величина суммарного расхода воды, поступающего из водопровода 9 в водопровод 14 при постоянной настройке вентилей 11 и 13 и постоянном давлении во входном водопроводе 9 определяется гидравлическим сопротивлением вентиля 15 и может быть отрегулировано вручную. В теплообменнике 12 происходит обмен тепловой энергией между полостью сосуда 1 и потоком воды из водопровода 9, что приводит к нагреву воды проходящей через элементы 12 и 13.

При нагреве аккумулятора 7 до максимально допустимой температуры по сигналу датчика температуры 17 преобразователь 19 отключает элемент 6 от источника электрической энергии 18, и происходит остывание аккумулятора 7 как под действием тепловых утечек через теплоизоляцию 16, так и в результате теплопередачи через стенки теплообменника 12. После остывания аккумулятора 7 до минимально допустимой температуры по сигналу датчика температуры 17 преобразователь 19 подключает элемент 6 к источнику электрической энергии 18, и цикл нагрева и остывания аккумулятора 7 повторяется.

Далее приняты следующие обозначения: H - уровень жидкости 3 в сосуде 1, отсчитываемый от нижней точки поверхности 8; H_1max, H_2max, H_4max - вертикальные габариты поверхности 8, полости сосуда 2 и магистрали 4 соответственно; Q - тепловой поток, передаваемый от аккумулятора 7 к полости сосуда 1; Q₁ - тепловой поток, передаваемый от нагревательного элемента 6 к аккумулятору 7; Q₂ - тепловой поток, передаваемый от полости сосуда 1 к потребителю 14; P_атм - атмосферное давление в газовой подушке сосуда 2; T_зад - заданная температура вещества в полости сосуда 1, равная температуре насыщенного пара жидкости 3 при давлении P_атм. При постоянном значении величины P_атм значение T_зад - определяется химическим составом жидкости 3.

Передача тепловой энергии от сосуда 1 к водопроводу 9 не связана с отбором вещества из полости сосуда 1, и при равновесном положении зеркала жидкости в сосуде 1 (H=const) общее количество жидкой фазы в сосуде 1 остается постоянным.

Проведем анализ процесса передачи тепловой энергии от нагревательного элемента 6 к потребителю 14.

Покажем, что при переменных значениях величин Q₁ и Q₂ устройство обеспечит поддержание постоянной температуры T_зад вещества, находящегося в полости сосуда 1.

При анализе примем следующие допущения и положения:
1. Для величин H_1max, H_2max, H_4max, а также для гидравлических характеристик магистрали 4 справедливо
(H_1max+H_2max+H_4max)ρ_жg ≤ P_зад (1),
где ρ_ж - плотность жидкости 3; g = 9,81 м/с² - физическая константа.

Физически условие (1) означает, что можно пренебречь перепадом давления между зеркалом жидкости в сосуде 1 и зеркалом жидкости в сосуде 2, что при равновесном положении зеркала жидкости в сосуде 1 (H=const) позволяет записать P_г=P_атм; ΔP_г= P_г-P_атм= 0 (2), где P_г - давление в газовой подушке сосуда 1, ΔP_г - перепад давления между газовыми подушками сосудов 1 и 2.

При известном значении P_атм и свойствах жидкости 3 условие (1) налагает ограничения на геометрию элементов 1, 2 и 4 заявленного устройства.

2. При работе устройства выполняется условие α_ж≫ α_г; (α_ж/α_г)_min≫ 1 (3), где α_ж - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора 7 к полости сосуда 1 через смоченную часть поверхности 8, т.е. через часть поверхности 8, контактирующую с жидкой фазой; α_г - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора 7 к полости сосуда 1 через несмоченную часть поверхности 8, т.е. через часть поверхности 8, контактирующую с газовой фазой; (α_ж/α_г)_min - наименее возможное значение величины α_ж/α_г.
Справедливость соотношений (3) для большинства практически важных случаев подтверждается данными работы [3].

Физически условие (3) означает, что при соизмеримых площадях смоченной и несмоченной частей поверхности 8, а также при соизмеримых перепадах температур между этими частями и полостью сосуда 1 теплообменом на несмоченной части поверхности 8 можно пренебречь по сравнению с теплообменом на смоченной части поверхности 8.

3. Для вещества, находящегося в полости сосуда 1, справедливо условие F₀ = a_min/H_1max ² > 1 (4), где a_min - наименьший коэффициент температуропроводности вещества в полости сосуда 1; t_x - характерное время изменения внешних условий для вещества в полости сосуда 1, например, период колебания величин Q₁ и Q₂; F₀ - критерий Фурье.

Физически условие (1) означает, что процесс теплообмена между полостью сосуда 1 и окружающей эту полость средой можно рассматривать как квазистационарный, т. е. как набор ряда последовательных стационарных процессов. Это позволяет, в частности, рассматривать, зеркало жидкости в сосуде 1 в каждый конкретный момент времени как неподвижное (H=const), что в совокупности с принятым допущением 1 позволяет считать соотношение (2) справедливым для газовой подушки сосуда 1.

При заданных конструкции сосуда 1 и аккумулятора 7, а также свойствах вещества в сосуде 1, соотношение (4) налагает ограничения на циклограмму функционирования генератора 6 и потребителя 14.

4. Для вещества, находящегося в полости сосуда 1, справедливо условие B_i= λ_min/α_maxH_max≫ 1 (5), где λ_min - наименьший коэффициент теплопроводности вещества в полости сосуда 1; α_max - наибольший коэффициент теплоотдачи на границах полости сосуда 1 между полостью сосуда 1 и окружающей этот сосуд средой; Bi - критерий Био.

Физически условие (5) в совокупности с условием (4) означает, что в каждый конкретный момент времени температура T₁ вещества, находящегося в полости сосуда 1, одинакова для всех точек этой полости T₁=const (6).

При заданных конструкции сосуда 1 и аккумулятора 7, а также свойствах вещества в сосуде 1, условие (5) налагает ограничения на величину α_max, характеризующую интенсивность тепловых потоков Q₁ и Q₂, т.е. на тепловую мощность генератора 6 и потребителя 14.

5. Для аккумулятора 7 справедливо условие, аналогичное условию 8, где λ_min и α_max - соответственно величины, характеризующие свойства и граничные условия материала аккумулятора 7.

Это позволяет в каждый конкретный момент времени для температуры T₇ произвольной точки аккумулятора 7 (в том числе для поверхности 8) считать T₇=const (7).

Как и в случае допущения 4, допущение 5 налагает ограничения на тепловую мощность генератора 6 и потребителя 14.

6. Величина теплового потока Q₂ имеет следующий рабочий диапазон изменения Q_2min> α_гmaxΔT_maxS = Q_гmax ; (8) Q_2max< α_жminΔT_minS = Q_жmin (9), где S - полная площадь поверхности 8; Q_2min и Q_2max - соответственно нижняя и верхняя границы диапазона изменения величины Q₂; α_гmax - максимально возможное значение величины α_г; α_жmin - минимально возможное значение величины α_ж; ΔT_max - максимальный перепад температур между поверхностью 8 и полостью сосуда 1; ΔT_min - минимальный перепад температур между поверхностью 8 и полостью сосуда 1; Q_гmax - максимальное значение величины Q при полностью не смоченной поверхности 8; Q_жmin - минимальное значение величины Q при полностью смоченной поверхности 8.

Величина ΔT_max определяется верхней границей диапазона изменения температуры T₇ (T_7max): ΔT_max= T_7max-T_зад (10).

Величина T_7max зависит от свойств конструктивных материалов аккумулятора 7 и сосуда 1, свойств вещества в сосуде 1, характеристик генератора 6 и потребителя 14.

Соотношение 11 при заданных конструкции сосуда 1 и аккумулятора 7, а также свойствах вещества в сосуде 1 налагает ограничения на величину Q_2min.

Соотношение 12 при заданных конструкции сосуда 1 и аккумулятора 7, а также характеристиках потребителя 14 налагает ограничения на нижнюю границу диапазона изменения температуры T₇ (T_7min): T_7min= T_зад+ΔT_min (11).

Преобразуя соотношения (8) и (9), имеем. (12).

Для обеспечения функционирования заявляемого устройства необходимо одновременное выполнение условий: Q_max/Q_min > 1; ΔT_max/ΔT_min> 1 (13).

Сравнительный анализ соотношений (12), (13) и (3) позволяет сделать вывод, что рассматриваемое допущение не противоречит допущению 2, справедливость которого показана выше, и может быть принято при дальнейшем рассмотрении.

Физически совокупность соотношений (8) и (9) означает, что при изменении величины Q₂ и T₇ в рабочих диапазонах равенство тепловых потоков, поступающих в полость сосуда 1 и отводимых из этой полости (Q = Q₂) может иметь место только при условии: O<S_ж<S; O<H<H_1max (14), где S_ж - площадь смоченной части поверхности 8.

7. Газовая подушка в полости сосуда 1 состоит только из паров жидкости 3.

Физически это условие означает, что при T₁<T_зад произойдет полная конденсация газовой подушки в сосуде 1, и сосуд 1 будет целиком заполнен жидкой фазой вещества 3, т.е. будет выполнено условие S_ж = S; H = H_max(15).

Рассматриваемое допущение при заданной конструкции сосуда 1 и характеристиках потребителя 10 накладывает ограничение на объем сосуда 2 V₂, который должен обеспечить заправку жидкостного 3 объема сосуда 1 V₁: V₂ > V₁(16).

Выполнение условия (16) обеспечит непопадание газа из газовой подушки сосуда 1 в газовую подушку сосуда 2 при функционировании заявляемого устройства.

8. Для T_зад выполняется условие T_пл < T_зад ≤ T_кр (17), где T_пл и Т_кр - соответственно температура плавления и критическая температура вещества 3. Это условие является очевидным следствием введенного выше определения величины T_зад.

Условие (17) при заданных свойствах вещества в сосуде 1 ограничивает значение величины T_зад.

9. Для величины Q₁ и Q₂ справедливо ∫t0t0+t1

(Q₂ - Q₁) dt ≤ C₇(T_7max - T_7min)(18), ∫t0+t1t0 (Q₂ - Q₁)dt ≥ 0 (19), где t - текущее время; t₀ - момент времени, когда T₇ = T_7max; t₁ - произвольный период времени; C₇ - теплоемкость аккумулятора 7;
Физически условия (18) и (19) с учетом допущения 5 означают, что при начальном условии T₇ = T_7max, а также при функционировании генератора 6 и потребителя 14 в расчетном режиме температура T₇ не может выйти за пределы своего рабочего диапазона T₇=T_7min^oC T_7max.

Условия (18) и (19) при заданных характеристиках элемента 6 и потребителя 14 накладывают ограничения на величину C₇.

Принимая величину t₀ за нулевую точку отсчета, t₁ - за характерное время t_x, при заданных Q_2max и нижней границе диапазона изменения величины Q₁(Q_1min), из условия (18) получаем выражение для определения величины C₇, которая гарантировано обеспечит выполнение этого условия C₇ ≥ (Q_2max - Q_1min)t_x/T_7max - T_7min(20).

Условие (22) при известных характеристиках потребителя 14 накладывает ограничение на потребную тепловую мощность M_т элемента 6.

В частности, условие M_т ≥ Q_2max(21), при непрерывной работе элемента 6 гарантированно обеспечит выполнение условия (19).

Поскольку каждое из рассматриваемых допущений технически выполнимо и не противоречит физике рассматриваемого процесса, система допущений 1-9 может быть принята при дальнейшем анализе.

В соответствии с допущением 3 для вещества, находящегося в полости сосуда 1, процесс теплообмена с окружающей средой рассматривается как квазистационарный, что позволяет для каждого конкретного момента времени записать условие теплового баланса для этого вещества в виде Q = Q₂ (22), а условие равновесия зеркала жидкости в полости сосуда 1 записать в виде H=const (23).

В соответствии с допущением 9 можно записать: T_7min ≤ T₇ ≤ T_7max(24).

Допущение 6 с учетом соотношений (21) и (24) позволяет сделать вывод о гарантированном наличии в верхней точке полости сосуда 1 газовой фазы, а в нижней точке полости сосуда 1 - жидкой фазы.

С учетом допущения 7 газовая подушка в полости сосуда 1 состоит из паров жидкости 3, находящихся в состоянии фазового равновесия с жидкой фазой, т.е. из насыщенных паров жидкости 3.

По данным работы [4] состояние насыщения паров жидкости, при известном химическом составе этой жидкости, определяет однозначную монотонную - возрастающую зависимость равновесной температуры этих паров от их давления.

Для давления P_г в газовой подушке сосуда 1, с учетом допущения 1 и соотношения (23), можно считать справедливыми соотношениями (2).

Отсюда, с учетом допущения 8 для температуры газовой подушки сосуда 1 T_г можно записать: T_г = T_зад(25).

Допущение 4 позволяет распространить соотношение (25) на всю полость сосуда 1 и записать для произвольной точки этой полости: T₁=T_г=const= T_зад(26).

Соотношение (26) фактически означает, что при выполнении принятых допущений и соответствующих им ограничений заявляемое устройство действительно обеспечивает автоматическое терморегулирование вещества, находящегося в полости сосуда 1, т.е. поддерживает постоянную заданную температуру этого вещества при переменных значениях Q₁ и Q₂.

Температура воды на выходе из теплообменника 12 определяется как его конструкцией, так и величиной расхода воды через теплообменник 12. Как показано в работе [5], при достаточно больших значениях площади стенки, разделяющей нагреваемый поток воды и полость сосуда 1, а также теплопроводности этой стенки практически всегда может быть обеспечено выполнение условия: T₁-T_вых≤ ΔT_вых (27), где T_вых - температура воды на выходе из теплообменника 12; ΔT_вых - заданная конечная величина, характеризующая допустимую погрешность поддержания величины T_вых.

Соотношение (27) фактически означает, что с точностью ΔT_вых можно считать T_вых=T₁=const (28), т.е. заявляемое устройство обеспечивает поддержание постоянной температуры T_вых при переменных значениях Q₁, Q₂ и T₇.

Температура воды на выходе из смесителя 10 (на входе к потребителю 14) T₁₄ определяется температурами потоков воды через элементы 11 и 13, а также соотношением расходов этих потоков [5] , которое остается постоянным при неизменной настройке элементов 11 и 13 [6]. При этом величина T₁₄ не зависит от суммарного расхода воды через смеситель 10 Q_Σ, т.е. от настройки элемента 15. Следовательно, при постоянной температуре воды во входном водопроводе 9 T₉ с учетом соотношения (28) можно записать: T₁₄=const, при T₇=var; Q_Σ =var.

Очевидно, что при данной схеме подключения возможность регулирования величины T₁₄ ограничена пределами T₉ ≤ T₁₄ ≤ T₁ (30), где крайние случаи реализуются при полностью закрытых элементах 11 или 13.

Соотношение (29) фактически означает, что заявленное устройство действительно является автоматическим в том смысле, что оно обеспечивает поддержание постоянной заданной температуры воды, поступающей к потребителю.

Таким образом, можно считать работоспособность заявленного устройства доказанной, а само устройство - отвечающим критерию "новизна".

Анализ конструкций существующих электроводонагревателей не позволил выявить в них черты, отличающие заявляемое устройство от прототипа.

Таким образом, заявленное устройство отличает критерию "существенные отличия".

Источники информации
1. Краткая энциклопедия домашнего хозяйства/ под ред. И.М. Терехова. -М. : Советская энциклопедия, 1988, с. 18.

2. Авторское свидетельство СССР N 687320, МКИ F 24 H 1/20, 25.09.1979.

3. Справочник машиностроителя /под ред. Н.С. Ачеркана. -М.: Машгиз, 1960, Т.2, с.214.

4. Справочник машиностроителя /под ред. Н.С.Ачеркана. -М.: Машгиз, 1960, Т.2, с.89.

5. Справочник машиностроителя /под ред. Н.С. Ачеркана. -М.: Машгиз, 1960, Т.2, с. 239 - с. 243.

6. Справочник машиностроителя /под ред. Н.С. Ачеркана. -М.: Машгиз, 1960, Т.2, с. 649 - с. 651.

Изобретение предназначено для автоматического поддержания постоянной заданной температуры воды, поступающей из водопровода к потребителю. Автоматический электроводонагреватель содержит: накопитель тепловой энергии, включающий электронагревательный элемент, размещенный в основном сосуде, полость которого подключена к входному водопроводу и целиком заполнена жидкостью и паром этой жидкости, вспомогательный сосуд, нижняя точка полости которого гидравлически связана с нижней точкой основного сосуда, а верхняя сообщена с атмосферой, а также теплообменный элемент, контактирующий с накопителем тепловой энергии, и подключенные к нему трубопроводы холодной и горячей воды. При этом накопитель тепловой энергии включает в себя аккумулятор тепла, в котором размещены электронагревательный элемент и датчик температуры, сигнал которого через логическое устройство управляет работой электронагревательного элемента, и смеситель, к которому подключены через регуляторы расхода трубопроводы холодной и горячей воды и выходной водопровод, а теплообменный элемент выполнен в виде рекуперативного теплообменника. Такое выполнение электроводонагревателя позволит расширить его функциональные возможности. 1 ил.

Электроводонагреватель накопительного типа, содержащий накопитель тепловой энергии, включающий электронагревательный элемент, размещенный в основном сосуде, полость которого целиком заполнена жидкостью и паром этой жидкости, вспомогательный сосуд, нижняя точка полости которого гидравлически связана с нижней точкой основного сосуда, а верхняя сообщена с атмосферой, а также теплообменный элемент, контактирующий с накопителем тепловой энергии, и подключенные к нему трубопроводы холодной и горячей воды, отличающийся тем, что накопитель тепловой энергии дополнительно включает в себя аккумулятор тепла, в котором размещены электронагревательный элемент и датчик температуры, сигнал которого через логическое устройство управляет работой электронагревательного элемента, и смеситель, к которому подключены через регуляторы расхода трубопроводы холодной и горячей воды и выходной водопровод, а теплообменный элемент выполнен в виде рекуперативного теплообменника.