НАГРЕВАТЕЛЬ ВОДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ Российский патент 2001 года по МПК F24H1/20 

Изобретение относится к области водоснабжения, в частности к конструкции электрических нагревателей воды.

Горячая вода необходима во многих сферах производства, включая и сельское хозяйство, и быта. Особенно это важно для потребителей при отсутствии централизованного снабжения горячей водой.

Известны различные типы нагревателей воды электрических: а) на базе элементов электрических сопротивлений, так называемых ТЭНов и б) на базе пропускания электрического тока через воду, при этом вода выступает в двойном качестве - нагревающего элемента и нагреваемого тела потребления. Именно в этом заключается большое преимущество, т.к. при этом коэффициент полезного действия достигает 98%, тогда как нагреватели с ТЭНами имеют КПД не более 75-80%.

Наиболее близким аналогом заявленного нагревателя, выбранного в качестве прототипа, является конструкция трехфазного электрического нагревателя, содержащая металлическую емкость, выполненную из металлических труб, соединенных последовательно и сообщающихся друг с другом в верхней и нижней частях. При этом холодная вода подается снизу, а горячая выпускается сверху. Каждая труба содержит аксиальный стержневой фазовый электрод, а сама емкость является электродом нулевой фазы и заземляется. Температура воды в этом нагревателе достигает 80^oC не более чем за 10 минут при расходе воды около 600 л/час (1. Информ. листок N 18/273, Укрпромконструктор, Киев, 1960). Эти параметры подтверждены нашими испытаниями. Основными недостатками прототипа является то, что температура воды на выходе всегда остается неизменной при данном расходе воды. Регулировку воды на выходе осуществляют только степенью открытия входного крана. Это очень невыгодно, т.к. при снижении температуры, например, до 40^oC нужно почти вдвое увеличить расход воды, что не всегда возможно (слабый напор в водопроводе, некуда девать нагретую воду и т.д.). Осуществление регулировки температуры другими способами, например применением электрических регуляторов - автотрансформаторов или реостатов, экономически невыгодно особенно при потреблении энергии в несколько десятков кВт, т. к. такие устройства становятся очень сложными и дорогими. Другим недостатком является отсутствие контроля за уровнем воды в емкости нагревателя. Если входной кран окажется закрытым, становится неизвестным есть ли вода, включен ли нагреватель, готов ли он к работе, что вносит дополнительные неудобства при эксплуатации нагревателя.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик путем плавной регулировки температуры воды при неизменном ее расходе и контроля верхнего и нижнего уровня воды в емкости нагревателя и включения его в сеть.

Указанный технический результат достигается тем, что в нагревателе воды электрическом трехфазном содержится металлическая емкость с нижним расположением вентильного штуцера входа холодной воды и с верхним расположением штуцера свободного выхода горячей воды, причем емкость является электродом нулевой фазы и выполнена в виде трех последовательно сообщающихся сверху и снизу отсеков, в каждом из которых соосно размещен стержневой фазовый электрод и закреплен на держателе из изоляционного материала. При этом согласно изобретению емкость нагревателя в нижней части снабжена дополнительным выходным вентильным штуцером холодной воды и смесителем, соединенным с ним, а другой вход смесителя соединен трубопроводом со штуцером выхода горячей воды, при этом суммарное сечение выходного вентильного штуцера холодной воды и штуцера горячей воды на 10-20% меньше сечения вентильного штуцера входа холодной воды; кроме того, нагреватель снабжен схемой контроля уровня воды, содержащей датчики верхнего и нижнего уровня воды, расположенные своими рабочими торцами на осевых линиях выходных штуцеров горячей и холодной воды, двухвходовую ключевую схему с двумя выходами, при этом ко входам схемы подключены датчики уровней, а выходы нагружены светодиодами.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показал, что заявленный нагреватель отличается наличием дополнительного выходного штуцера холодной воды и смесителем холодной и горячей воды, при этом стало возможно плавно регулировать температуру воды при неизменном ее расходе, а также наличием схемы контроля уровней воды, что соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявленного технического решения не только с прототипом, но и с другими решениями в данной области техники не позволили выявить в них признаки, отличающие заявленное решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Тот факт, что заявитель провел сравнительные испытания прототипа и заявленного нагревателя и последний был изготовлен в производстве, указывает на его соответствие критерию изобретения "промышленно применим", как в производстве, так и в эксплуатационных условиях.

Изобретение поясняется чертежами на фиг. 1 представлено продольное сечение нагревателя, где 1 - емкость, 2 - вентильный штуцер входа холодной воды, 3 - перегородки металлические, 4 - стержневые электроды, 5 - крышка из изоляционного материала, 6 - крепежный болт, 7 - монтажный отсек, 8 - сетевой кабель, 9 - пакетный выключатель, 10 - сигнальная плата со схемой контроля уровня воды, 11 - выходной штуцер горячей воды, 12 - выходной вентильный штуцер для холодной воды, 13 - смеситель, 14 - трубопровод, 15 - свободный выход смесителя, 16 - датчик верхнего уровня воды, 17 - датчик нижнего уровня воды.

На фиг. 2 дана электрическая схема нагревателя, где цифры от 1 до 17 соответствуют конструктивным узлам и элементам под теми же цифрами на фиг. 1; 18 - светодиод красного цвета, 19 - светодиод зеленого цвета, 20 - ключевая схема, 21 - блок питания сигнальной платы.

Нагреватель содержит емкость 1, в нижней части которой закреплен вентильный штуцер 2 входа холодной воды. Емкость 1 разделена перегородками 3 на три отсека, последовательно сообщающихся друг с другом, как сверху, так и снизу. Это обеспечивается тем, что перегородки 3 не доходят до крышки 5 и до дна емкости, образуя отверстия с суммарной площадью не менее площади сечений входных и выходных штуцеров емкости, чтобы не создавать дополнительного гидросопротивления потоку воды. На крышке 5 закреплены стержневые электроды 4 так, что они располагаются по осевой линии каждого отсека. Сама крышка 5 крепится через герметичную прокладку к емкости болтами 6, один из которых служит клеммой для заземления - нулевая фаза. На противоположной стороне в верхней части емкости от вентильного штуцера 2 закреплен выходной штуцер вентильный выход холодной воды, который соединен со смесителем 13. Другой вход смесителя соединен трубопроводом 14 со штуцером 11 - выходом горячей воды. На фиг.1 видно, что выход смесителя 15 свободный.

Над крышкой 5 расположен монтажный отсек 7, в который входит сетевой кабель 8 (380 В). В отсеке 7 также закреплены пакетный выключатель 9 и сигнальная плата со схемой контроля уровня воды 10.

Схема контроля уровня воды (фиг. 2) состоит из ключевой схемы 20 с двумя входами и двумя выходами. К одному из ее входов подключен датчик 16 верхнего уровня воды, а к другому ее входу - датчик 17 - нижнего уровня воды. Выходы ключевой схемы 20 нагружены светодиодами 18 и 19, соответствующие датчикам 16 и 17. Питание схемы контроля осуществляется от блока питания 21, который связан с одним из фазовых проводов, подключенных к стержням нагревателя.

Нагреватель воды работает следующим образом. Вне зависимости от того есть или нет воды в емкости включают подачу тока, нажимая выключатель 9. При этом, если на сигнальной плате 10 загорается светодиод 19 (красный), то это значит - емкость пуста - рабочий торец датчика 17 на уровне "A" осевой линии штуцера 12, а уровень воды ниже ее и ключевая схема 20 в этом случае включает светодиод 19. Это является сигналом, что вентиль штуцера 2 закрыт и его следует открыть, а вентиль 12 закрыть. При этом уровень воды во всех отсеках емкости начнет повышаться. В момент касания водой датчика 17 ключевая схема срабатывает и выключает светодиод 19. Как только уровень воды коснется торцов фазовых стержней по цепи "сеть - стержни - вода - стенки емкости (нулевая фаза сети)" потечет ток и вода начнет нагреваться. По достижении водой уровня осевой линии "B" штуцера горячей воды она коснется и торца датчика 16, его сигнал поступит на вход ключевой схемы 20, которая сработает и включит светодиод 18 (зеленый), т. е. нагреватель начал работать - по штуцеру 11, трубопроводу 14 вода стекает в смеситель 13 и выходит в выходное отверстие 15. Если температура горячей воды начинает превышать заданное значение, то открывают вентиль штуцера 12, донная холодная вода в емкости начинает поступать в смеситель 13, а на выходе 15 смесителя температура воды станет более низкой. При этом, поскольку вентиль входного штуцера 2 не изменяет своего положения, то на выходе количество воды остается неизменным. Общий расход воды устанавливается и регулируется только вентилем 2. При этом суммарное сечение выходного вентильного штуцера и штуцера 11 выхода горячей воды должно быть на 10 - 20% меньше сечения вентильного штуцера входа холодной воды 2. Такая разница сечений обеспечит непрерывное восполнение расхода нагретой воды, оставляя ее уровень неизменным у крышки емкости. Пределы выбираются из соображений сохранения уровня воды и диапазона регулировки температуры ее. Чем ниже предел, тем уже диапазон регулировки температуры. При 10% это единицы градусов, а свыше 20% регулировка происходит слишком грубо. Наиболее плавная регулировка происходит при 15 - 17% разности сечений.

Если в процессе эксплуатации по каким-нибудь причинам закроется вентиль штуцера 2 или прекратится поступление воды из магистрали водопровода, то оставшаяся в емкости вода выльется (при открытом кране штуцера 12) ее уровень выйдет из соприкосновения со стержнями, цепь электрическая разорвется и нагреватель автоматически отключится от сети, но останется под напряжением. Как только уровень воды станет ниже уровня "A", датчик 17 выйдет из соприкосновения с водой и загорится светодиод 19 (красный), сигнализируя об отсутствии воды. При закрытом вентиле 12 и отсутствии притока холодной воды через вентиль 2, вода будет испаряться, дойдя даже до кипения, ее уровень будет понижаться, пока он не опустится ниже уровня торцов стержней - нагрев автоматически прекратится. Однако датчик 17 не оголится и светодиод 19 не загорится, т.е. вода в емкости есть.

Таким образом, введение дополнительного вентильного штуцера выхода холодной воды и смесителя позволило при неизменном расходе воды обеспечить плавную регулировку ее температуры, что вместе с введением сигнальной платы со схемой контроля уровня воды в емкости нагревателя привело к повышению эксплуатационных характеристик нагревателя воды. Кроме того, выполнение секторов квадратными и в единой конструкции емкости привело к уменьшению габаритов в 1,25 раза и повысило производительность нагревателя по горячей воде на 25%.

Изобретение относится к водоснабжению, в частности к конструкции трехфазных электрических нагревателей, и может быть использовано для нагрева воды. Нагреватель воды содержит металлическую емкость с нижним расположением вентильного штуцера входа холодной воды и с верхним расположением штуцера свободного выхода горячей воды, причем емкость является электродом нулевой фазы и выполнена в виде трех последовательно сообщающихся сверху и снизу отсеков, в каждом из которых соосно размещен закрепленный на держателе из изоляционного материала стержневой фазовый электрод. Новым в нагревателе являются вентильный штуцер холодной воды на выходе, смеситель, соединенный с ним и с выходным штуцером горячей воды, причем их суммарная площадь сечения на 10-20% меньше сечения штуцера входной воды. Кроме того, нагреватель снабжен электрической схемой контроля уровня воды в емкости с датчиками верхнего и нижнего уровня, торцы которых находятся на осевых линиях выходных штуцеров холодной и горячей воды, при этом датчики подключены к двухвходовой ключевой схеме, два выхода которой нагружены светодиодами. Такое выполнение нагревателя повышает его эксплуатационные характеристики путем обеспечения плавной регулировки температуры воды при неизменном ее расходе и контроля уровня воды. 2 ил.

Нагреватель воды электрический трехфазный, содержащий металлическую емкость с нижним расположением вентильного штуцера входа холодной воды и с верхним расположением штуцера свободного выхода горячей воды, при этом емкость является электродом нулевой фазы и выполнена в виде трех последовательно сообщающихся сверху и снизу отсеков, в каждом из которых соосно размещен стержневой фазовый электрод и закреплен на держателе из изоляционного материала, отличающийся тем, что емкость в нижней части снабжена дополнительным выходным вентильным штуцером холодной воды и смесителем, соединенным с ним, при этом другой вход смесителя соединен трубопроводом со штуцером выхода горячей воды, причем суммарное сечение выходного вентильного штуцера холодной воды и штуцера выхода горячей воды на 10-20% меньше сечения вентильного штуцера входа холодной воды, дополнительно нагреватель снабжен электрической схемой контроля уровня воды, содержащей датчики верхнего и нижнего уровней воды, расположенные своими рабочими торцами на осевых линиях выходных штуцеров горячей и холодной воды, двухвходовую ключевую схему с двумя выходами, при этом ко входам подключены датчики уровней, а выходы ее нагружены светодиодами.