ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК F24H1/20 

Изобретение относится к отопительным системам, работающим на принципе нагрева текучей среды, и касается конструкции электрического водонагревателя, предназначенного для обеспечения товарным теплом индивидуального, коттеджного или многоэтажного жилищного фонда, подвижных составов, железнодорожных вагонов и иного специального оборудования, а также на объектах сельского хозяйства, крестьянско-фермерского хозяйства. Максимум теплового комфорта с минимальными затратами электроэнергии принесет применение предлагаемого водонагревателя во временных сооружениях, киосках, бытовках, дачных домиках, гаражах, неотапливаемых подвалах и т.д. Водонагреватель может быть с успехом использован как в одноконтурных, так и в многоконтурных системах отопления и с применением ортогональных, многоярусных и параллельных схем подсоединения.

Известно устройство для нагрева жидкости, содержащее два параллельных трубчатых теплообменника U-образной формы, внутри которых коаксиально размещен ТЭН с узлами герметизации и клеммами электропитания. Два близлежащих конца теплообменников соединены узлом герметизации, а два других конца соединены через второй узел герметизации с подводящим и отводящим патрубками (RU №2220381, 2003 г.). В известном устройстве не обеспечен достаточно протяженный путь прохождения жидкости через зону нагрева, в силу чего теплопроизводительность такого устройства невысока. Кроме того, устройство недостаточно компактно и имеет значительные габариты, что отрицательно сказывается на его хранении, транспортировке и эксплуатации, в частности в помещениях небольшой площади.

Известен проточный электроводонагреватель, содержащий корпус, входной и выходной патрубки и электронагревательный модуль, связанный с этими патрубками. Кожух электронагревательного модуля выполнен в виде панелей, образованных плоскими листами, в каждом из которых выполнены выштамповки. При соединении листов выштамповки примыкают друг к другу и образуют каналы для прохода жидкости. В каналах установлен электронагревательный элемент. Форма и протяженность каналов соответствует форме и протяженности электронагревательного элемента (RU №2269068, 2006 г.). Технология изготовления проточного электронагревателя, в панелях которого выполняются выштамповки, необходимые для последующего формирования каналов для прохода жидкости, требует использования специального штамповочного оборудования, а также проведения дополнительной операции по соединению панелей. При этом соединение панелей путем прилегания выштамповок не обеспечивает долговечность образующегося в результате узла для протока жидкости в электронагревателе: места прилегания (контакта) выштамповок могут размыкаться как при эксплуатации электронагревателя, так и при его неаккуратной транспортировке и хранении. Установка электронагревательного элемента в каналах для прохода жидкости затрудняет доступ к нему, например, в случае его поломки, а постоянное пребывание электронагревательного элемента в жидкости влечет за собой необходимость его особой изоляции от проникновения жидкости.

Ближайшим аналогом к заявляемому водонагревателю является устройство для нагрева проточных жидкостей, содержащее параллельные между собой пластины, между которыми размещены пластины, имеющие длину меньше длины сторон параллельных между собой пластин, и обечайку. Параллельные между собой пластины, размещенные между ними пластины и обечайка образуют зигзагообразный проточный канал. Пластины, размещенные между параллельными пластинами, расположены к ним под углом и установлены таким образом, что совместно с параллельными пластинами и обечайкой образуют канал параллелограммного сечения, и снабжены полостями для прохождения теплосодержащих газов (RU №2310139, 2006). Для повышения теплопроизводительности в известном водонагревателе пластины, образующие зигзагообразный канал, установлены под углом к корпусным пластинам, вследствие чего увеличиваются габариты водонагревателя. Использование теплосодержащих газов влечет за собой необходимость применения пластин определенной конструкции для образования полостей, через которые проходят теплосодержащие газы, а также ограничивает возможности применения водоподогревателя, т.к. требует наличия источника теплосодержащих газов.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию такой малогабаритной и компактной конструкции водонагревателя, которая способна обеспечить теплом закрытые помещения различной, в том числе большой, площади с применением различных схем подсоединения.

Технический результат, который может быть достигнут при реализации изобретения, заключается в значительном повышении температуры нагрева жидкости и, как следствие, в повышении теплопроизводительности водонагревателя, в улучшении его технологичности и эксплуатационных характеристик, в удобстве при хранении и транспортировке, а также в повышении надежности и долговечности конструкции водонагревателя и расширении его эксплуатационных возможностей.

Для достижения указанного технического результата предлагается конструкция водонагревателя, содержащего пустотелый корпус, выполненный по форме прямоугольного параллелепипеда и имеющий отверстия для входа и выхода жидкости (теплоносителя), средство нагрева жидкости, находящейся в корпусе, и расположенные внутри корпуса параллельно его узким боковым стенкам и разделяющие полость корпуса на проточные каналы пластины, высота которых меньше высоты боковой стенки корпуса. Пластины, которые примыкают с одной стороны к нижней горизонтальной стенке корпуса, а с другой стороны образуют зазор для прохода жидкости с верхней горизонтальной стенкой, чередуются с пластинами, которые примыкают с одной своей стороны к верхней горизонтальной стенке корпуса и образуют с другой стороны зазор для прохода жидкости с нижней горизонтальной стенкой. В результате внутри корпуса образуется зигзагообразный канал для протока жидкости. Средство нагрева жидкости включает два плоских электронагревателя, установленных на наружных поверхностях противолежащих широких боковых стенок корпуса. На обеих стенках пластин, а также на внутренних поверхностях узких боковых стенок корпуса расположены по всей их ширине ряды примыкающих к ним или выполненных заодно с ними параллельных планок фигурного профиля, образующих локальные завихрители потока жидкости. В пределах каждого соответствующего проточного канала указанные планки одного ряда смещены по отношению к планкам противолежащего ряда.

Смещение планок одного ряда по отношению к планкам противолежащего ряда осуществлено в шахматном порядке.

Преимущественно все проточные каналы имеют одинаковую ширину.

Предпочтительно, чтобы отверстие для входа жидкости и отверстие для выхода жидкости были расположены на одной широкой боковой стенке корпуса в ее противоположных нижних угловых участках.

Фигурный профиль планок может иметь грибовидную форму как наиболее эффективную для придания планкам функции завихрителей потока.

Максимальную теплопроизводительность водонагревателя можно получить при условии равенства расстояния между внутренними поверхностями широких боковых стенок корпуса толщине этих стенок.

Изобретение иллюстрируется чертежами,

где на фиг.1 изображен общий вид водонагревателя;

на фиг.2 - водонагреватель, вид спереди со снятой передней стенкой;

на фиг.3 - водонагреватель, вид сбоку, в разрезе.

Водонагреватель содержит пустотелый корпус 1, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда и образованный широкими боковыми (передней и задней) стенками 2 и 3, узкими боковыми стенками 4 и 5, а также верхней горизонтальной стенкой 6 и нижней горизонтальной стенкой 7.

На стенке 2 корпуса 1 имеются входное отверстие 8 и выходное отверстие 9, сообщающиеся с полостью корпуса и расположенные в противоположных нижних угловых участках стенки 2. К отверстию 8 подсоединен входной патрубок 10, через который производится подача жидкости (теплоносителя) в полость корпуса 1. К отверстию 9 подсоединен выпускной патрубок 11, через который прошедшая через водонагреватель жидкость (теплоноситель) подается к потребителю. Диаметры отверстий 8 и 9 равны.

Внутри корпуса и параллельно его узким боковым стенкам 4, 5 установлены пластины 12 и 13, которые разделяют полость корпуса 1 на сообщающиеся проточные каналы 14 одинаковой ширины. При этом боковые торцы 15 пластин 12, 13 примыкают к соответствующим противолежащим внутренним поверхностям широких боковых стенок 2 и 3 корпуса 1. Высота каждой пластины 12, 13 меньше высоты боковой стенки корпуса (2, 3, 4, 5). Пластины 12 чередуются с пластинами 13. При этом пластины 12 примыкают с одной своей стороны к нижней горизонтальной стенке 7 корпуса 1, а с другой стороны образуют зазор 16 для прохода жидкости с верхней горизонтальной стенкой 6 корпуса 1. В свою очередь пластины 13 примыкают с одной стороны к верхней горизонтальной стенке 6 корпуса 1 и образуют с другой стороны зазор 17 для прохода жидкости с нижней горизонтальной стенкой 7. В результате чередования пластин 12 и 13 внутри корпуса 1 образуется зигзагообразный канал для протока жидкости.

На обеих поверхностях (сторонах) 18 и 19 каждой из пластин 12 и 13 по всей ширине (вдоль всей ширины) пластин расположены планки 20. Планки 20 имеют фигурный профиль, конфигурация которого выбирается из условия придания планкам функции локальных завихрителей потока жидкости, проходящей по зигзагообразному каналу. Такие же планки 21 и 22 имеются на внутренних поверхностях узких боковых стенок 4 и 5 корпуса 1 и расположены вдоль всей ширины этих стенок. Планки 20 пластин 12, 13 могут быть выполнены заодно с этими пластинами или плотно примыкать к поверхностям стенок этих пластин. Соответственно и планки 21, 22 боковых стенок 4 и 5 могут быть выполнены заодно с этими стенками или плотно примыкать к поверхности этих стенок. На каждой из поверхностей (пластин или узких боковых стенок) планки расположены параллельно друг другу (параллельными рядами). В пределах каждого соответствующего проточного канала 14 планки 20 одного ряда смещены по отношению к планкам 20 противолежащего ряда. Преимущественно такое смещение осуществлено в шахматном порядке. На фиг.2 показана одна из предпочтительных конфигураций профиля планок 20 - это грибовидная форма, в основании которой образованы карманы 23.

Для нагрева жидкости, протекающей по зигзагообразному каналу водонагревателя, использованы два плоских электронагревателя 24 и 25, которые установлены на наружных поверхностях противолежащих широких боковых стенок 2 и 3 корпуса 1. Каждый электронагреватель 24, 25 содержит герметичный корпус из листового металла, изготовленный из углеродистой или нержавеющей стали, внутри которого расположен нагревательный элемент из материала, обладающего высоким электрическим сопротивлением (нихромовая проволока, лента и т.п.). Витки нагревательного элемента изолированы друг от друга и от корпуса при помощи изоляционного материала. Габариты каждого электронагревателя 24, 25 выбраны таким образом, что его греющая поверхность покрывает бóльшую часть поверхности соответствующей широкой боковой стенки 2, 3, например спиральных),

Водонагреватель работает следующим образом.

Холодная жидкость (теплоноситель) поступает в водонагреватель через отверстие 8 (фиг.1), проходит через зигзагообразный канал (движение жидкости указано стрелками) и, нагреваясь, выходит через отверстие 9 к потребителю. При прохождении жидкости через зигзагообразный канал за счет профиля планок 20 в зонах «А» возникают вихревые образования, направленные в сторону, противоположную основному потоку, поступающему через отверстие 8. При этом часть потока проходит по каналу, а часть его задерживается во времени вихрем в зонах локального завихрения «А». По всему зигзагообразному каналу поток преодолевает большое количество вихревых зон, за счет чего скорость прохождения основного потока уменьшается, а также происходит возврат части потока на дополнительный нагрев, что значительно повышает нагрев теплонесущей жидкости. Кроме того, использование профильных планок обеспечивает поочередное создание микротолчков основного потока, что очень выгодно при работе изделия без насоса.

Как установлено опытным путем, расстояние «а» (фиг.2) от профиля планки 20 до соседней противолежащей поверхности должно быть равно диаметру отверстий 8, 9 или больше этого диаметра. Наиболее предпочтительно, это расстояние должно быть равно указанному диаметру. Если расстояние «а» будет больше указанного диаметра, то кпд водонагревателя будет меньше. В случае значения «а» меньшего указанного диаметра, возможно парообразование, что недопустимо.

Максимальная теплопроизводительность водонагревателя может быть получена в том случае, когда расстояние «L» между внутренними поверхностями широких боковых стенок 2 и 3 корпуса 1 равно толщине «Н» этих стенок. В этом случае возникает зона «F» повышенного нагрева (фиг.2). Заявителем это установлено экспериментально, и возникновение такой зоны зафиксировано при использовании дисковых терморезисторов. При этом наиболее предпочтительное значение каждой из величин «L» и «H» - 4 см.

В качестве теплоносителя, проходящего через водонагреватель, могут быть использованы вода (желательно дождевая), антифризы, применяемые в отоплении, отработанные автомобильные масла и совокупные маслянистые автомобильные жидкости, включая тормозную жидкость. Водонагреватели с теплоносителями из отработанных автомобильных жидкостей предпочтительно устанавливать в тех местах, где возможно нерегулярное использование помещения в холодное время года (гаражи, киоски и т.д.). Автомобильные маслянистые жидкости имеют большую теплоемкость, а значит и больший температурный гистерезис, что немаловажно в условиях сбережения электроэнергии.

Водонагреватели подразделяются на три группы по мощности: 2000 Вт, 3000 Вт, 4000 Вт. Водонагреватели мощностью 2000 Вт обеспечивают, при разности температур между улицей и внутренним помещением в 65°С, комфортную температуру 18-26°С в помещении площадью примерно 100 м². Водонагреватели мощностью 3000 Вт обеспечивают при таких же условиях комфортную температуру в помещении площадью примерно 150 м², и водонагреватели мощностью 4000 Вт - в помещении площадью примерно 200 м². Дальнейшее наращивание тепловой мощности произойдет за счет применения ортогональных, многоярусных и параллельных систем включения или за счет применения многоконтурности систем.

Водонагреватель работает с циркуляционными насосами для отопительных систем, что в наиболее короткое время обеспечивает набор товарной температуры в радиаторах отопления 60-80°С и наиболее равномерный нагрев по всему периметру контура.

Водонагреватель может быть установлен и в контур существующей системы отопления. В случае последовательного включения с существующим твердотопливным, жидкостным или газовым котлом и верхним расположением труб подачи нагретой воды водонагреватель может работать без насоса.

Изобретение предназначено для обеспечения теплом помещений различной площади. В пустотелом корпусе водонагревателя расположены параллельные пластины. Пластины разделяют полость корпуса на проточные каналы, которые сообщаются между собой с образованием единого зигзагообразного канала. На обеих поверхностях пластин, а также на внутренних поверхностях узких боковых стенок корпуса расположены примыкающие к ним или выполненные заодно с ними параллельные планки фигурного профиля, образующие локальные завихрители потока жидкости. При прохождении жидкости через зигзагообразный канал за счет профиля планок возникают вихревые образования. При этом часть потока проходит по каналу, а часть его задерживается во времени в зонах локального завихрения. Происходит возврат части потока на дополнительный нагрев, что значительно повышает нагрев теплонесущей жидкости. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Водонагреватель, содержащий пустотелый корпус, выполненный по форме прямоугольного параллелепипеда и имеющий отверстия для входа и выхода жидкости, средство нагрева жидкости, находящейся в корпусе, и расположенные внутри корпуса параллельно его узким боковым стенкам и разделяющие полость корпуса на проточные каналы пластины, высота которых меньше высоты боковой стенки корпуса, причем пластины, которые примыкают с одной своей стороны к нижней горизонтальной стенке корпуса, а с другой стороны образуют зазор для прохода жидкости с верхней горизонтальной стенкой, чередуются с пластинами, которые примыкают с одной своей стороны к верхней горизонтальной стенке корпуса и образуют с другой стороны зазор для прохода жидкости с нижней горизонтальной стенкой, вследствие чего внутри корпуса образуется зигзагообразный канал для протока жидкости, отличающийся тем, что средство нагрева жидкости включает два плоских электронагревателя, установленных на наружных поверхностях противолежащих широких боковых стенок корпуса, а на обеих поверхностях пластин, а также на внутренних поверхностях узких боковых стенок корпуса расположены по всей их ширине ряды примыкающих к ним или выполненных заодно с ними параллельных планок фигурного профиля, образующих локальные завихрители потока жидкости, причем в пределах каждого соответствующего проточного канала указанные планки одного ряда смещены по отношению к планкам противолежащего ряда.

2. Водонагреватель по п.1, отличающийся тем, что смещение планок одного ряда по отношению к планкам противолежащего ряда осуществлено в шахматном порядке.

3. Водонагреватель по п.1, отличающийся тем, что все проточные каналы имеют одинаковую ширину.
4 Водонагреватель по п.1, отличающийся тем, что отверстие для входа жидкости и отверстие для выхода жидкости расположены на одной широкой боковой стенке корпуса в ее противоположных нижних угловых участках.

5. Водонагреватель по п.1, отличающийся тем, что фигурный профиль планок, образующих локальные завихрители потока жидкости, имеет грибовидную форму.

6. Водонагреватель по п.1, отличающийся тем, что расстояние между внутренними поверхностями широких боковых стенок корпуса равно толщине этих стенок.