Модуль горячего водоснабжения "ВИН-LOGOS" Российский патент 2023 года по МПК F24D13/00 

Изобретение относится к электрическим отопительным системам зданий с применением электронагрева теплоносителя в отдельных узлах системы для горячего водоснабжения, предназначенным для потребителей жилых, гражданских и промышленных зданий с возможностью их эксплуатации в районах с умеренным и холодным климатом.

Из уровня техники известен электрорадиатор, содержащий полый корпус с теплоносителем и электронагревательный элемент с приборами управления (RU2143644C1, МПК F24D 13/04, H05B 3/60, опубл. 27.12.1999). Корпус радиатора изготовлен из П-образных соединенных в «замок» половин, на одной из которых внутри корпуса закреплена конвективная направляющая стенка, при этом электронагревательный элемент установлен по всей длине корпуса.

Недостатком известного нагревательного прибора является отсутствие в его конструкции средств автоматики, что ограничивает возможности применения электрорадиатора для регулируемого нагрева теплоносителя, циркулирующего внутри его корпуса.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан электрорадиатор-мини-котел (RU132165U1, МПК F24D 15/00, опубл. 10.09.2013). Устройство содержит корпус, заполненный жидким теплоносителем, имеющий электрический водонагреватель с терморегулятором. Корпус электрорадиатора выполнен прямоугольным, при этом с целью повышения его теплоемкости размеры корпуса выбраны так, чтобы поместить в нем количество теплоносителя из расчета 25 л/м² отапливаемой площади. Электрический водонагреватель котла содержит терморегулятор и подключен к электрической розетке с встроенным суточным таймером, при этом корпус электрорадиатора-мини-котла снабжен экранирующей шторкой из теплоизоляционного материала для регулирования оптимального теплового потока за счет возможности изменения площади активной поверхности теплоотдачи радиатора в моменты максимального нагрева и во время постепенного остывания его при отключенном электрическом водонагревателе.

Недостатком мини-котла является размещение в его корпусе только одного нагреваемого контура, что делает невозможным его включение в контур системы горячего водоснабжения (ГВС) для создания запаса горячей воды и сглаживания пиковых нагрузок на систему ГВС в момент пиковых нагрузок потребления.

Технической задачей заявленного изобретения является создание модуля горячего водоснабжения с автоматическим регулированием температуры в его аккумуляционной емкости, снабженного разделенными греющим и нагреваемым контурами, с возможностью использования в греющем контуре различных типов теплоносителя.

Указанная задача решена тем, что модуль горячего водоснабжения содержит аккумуляционную емкость, с подключенными к ней раздельными замкнутым греющим контуром и нагреваемым контуром. Замкнутый греющий контур выполнен в виде теплообменника, c подключенными к нему нижним и верхним патрубками, соединенными с радиатором, снабженным электронагревателем, а нагреваемый контур включает в себя впускной и выпускной патрубки, введенные внутрь аккумуляционной емкости; дополнительно греющий контур снабжен датчиком расхода теплоносителя, циркуляционным насосом и первым датчиком температуры, а в аккумуляционную емкость введен второй датчик температуры; выходы упомянутых датчиков подключены к измерительным входам блока управления, а его силовые выходы подключены к электронагревателю и циркуляционному насосу.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков модуля, является возможность автоматического контроля воды в нагреваемом контуре за счет применения в составе модуля средств автоматики, а именно датчика расхода и датчика температуры теплоносителя в нагревательном контуре, датчика температуры в аккумуляционной емкости, электронагревателя и циркуляционного насоса, подключенных к блоку управления, позволяющих реализовать замкнутую систему регулирования температуры воды в аккумуляционной емкости. Дополнительно, за счет разделения контуров в греющем контуре могут использоваться различные типы теплоносителей.

Изобретение поясняется чертежами где на фиг.1 показан внешний вид модуля в изометрической проекции с аккумуляционной емкостью в разрезе; на фиг. 2 показан внешний вид модуля в изометрической проекции со стороны электронагревателя. На фиг. 3 показана гидравлическая схема модуля с рекомендуемой схемой включения его в систему горячего водоснабжения (ГВС). На фиг. 4 приведена структурная схема блока управления модулем.

Модуль горячего водоснабжения имеет следующую конструкцию.

Его основой является из рама 1 на стойках 2, на которой установлена аккумуляционная теплоизолированная емкость 3, с подключенными к ней раздельными замкнутым греющим контуром, выполненным в виде теплообменника 4, представляющего собой змеевик, c подключенными к нему нижним 5 и верхним 6 патрубками, соединенными с радиатором 7, снабженным индукционным электронагревателем 8, и нагреваемым контуром, включающим в себя впускной 9 и выпускной 10 патрубки, введенные внутрь аккумуляционной емкости 3.

Замкнутый греющий контур снабжен датчиком расхода теплоносителя (датчиком «сухого хода») 11, циркуляционным насосом 12, расширительным баком 13, краном 14, предохранительным клапаном 15, первым датчиком 16 температуры, предназначенным для контроля температуры теплоносителя, и манометром 17, снабженным трехходовым краном 18, для контроля давления теплоносителя в греющем контуре. При этом датчик расхода теплоносителя 11, циркуляционный насос 12, расширительный бак 13, кран 14, и предохранительный клапан 15 установлены на нижнем 5 патрубке, а первый датчик температуры и манометр 17 установлены на верхнем 6 патрубке. Дополнительно в аккумуляционную емкость 3 введен второй датчик 18 температуры, предназначенный для контроля температуры воды в емкости 3 и, соответственно, в нагреваемом контуре.

Выходы датчика расхода теплоносителя 11, первого и второго датчиков температуры 16, 18 подключены к измерительным входам блока управления 19, а силовые выходы последнего подключены, соответственно к индукционному электронагревателю 8 и циркуляционному насосу 12.

Аккумуляционная емкость 3 может быть теплоизолирована с помощью минерального утеплителя или пенополиуретана. В качестве теплоносителя в греющем контуре может применяться вода или смесь, содержащая моноэтиленглюколь, воду и пакет антикоррозионных присадок.

Манометр 17 может представлять собой механический стрелочный или электронный прибор, при этом в последнем случае его выход может быть подключен к дополнительному измерительному входу блока управления.

Блок управления 19 может быть выполнен на основе программируемого логического контроллера (ПЛК), содержащего микроконтроллер, при этом измерительные входы блока управления могут быть выполнены на основе операционных усилителей, а его силовые выходы - на основе транзисторных ключей или электромеханических реле. В качестве промышленного контроллера может применяться, например, промышленный терморегулятор 2ТРМ1, предназначенный для измерения, регистрации или автоматического регулирования температуры и других физических величин¹ (¹2ТРМ1 обновленный погодозависимый двухканальный регулятор с RS-485 // ОВЕН. Оборудование для автоматизации. URL: https://owen.ru/product/2trm1 (дата обращения: 28.03.2023).

Микроконтроллер 20 программируемого логического контроллера содержит микропроцессорное ядро 21, включающее в себя арифметико-логическое устройство (ALU) 22, регистры общего назначения 23, регистр команд 24, FLASH-память программ 25 и SRAM-память данных 26, подключенное с помощью системной шины к периферийным устройствам микроконтроллера, а именно к многоканальному аналого-цифровому преобразователю (ADC) 27, Ethernet-контроллеру 28, универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику (USART) 29 и универсальным двунаправленным GPIO-портам ввода-вывода 30, 31, 32. К линиям аналого-цифрового преобразователя (ADC) 27 подключены измерительные входы блока управления, с помощью Ethernet-контроллера 28 или универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (USART) 29 блок управления 19 может быть подключен к удаленной автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУТП) посредством физического сетевого интерфейса RJ-45, подключенного к Ethernet-контроллеру 28, или промышленного асинхронного интерфейса RS-485, подключенного к универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику (USART) 29; линии первого GPIO-порта 30 подключены к силовым выходам блока управления, а выходы второго и третьего GPIO-портов 31, 32 подключены, соответственно, к линейке семисегментных индикаторов 33 и управляющим кнопкам 34, которые могут быть объединены в шестнадцатикнопочную клавиатуру, при этом индикаторы 33 и кнопки 34 закреплены на внешней поверхности корпуса блока управления.

Модуль горячего водоснабжения используют следующим образом.

Первоначально раму 1 модуля устанавливают на стойки 2 на горизонтальную заранее подготовленную площадку, далее устанавливают на раму 1 аккумуляционную емкость 3, с подключенным к ней греющим контуром, затем подводят и подключают к емкости 3 системы водопровода и горячего водоснабжения по схеме, приведенной на фиг. 3.

К впускному патрубку 9 аккумуляционной емкости 3 подключают линию водопровода, на которой последовательно установлены первый манометр 35, снабженным трехходовым краном, фильтр сетчатый 36, второй манометр 37, снабженный трехходовым краном, термометр 38, шаровой кран 39, дренажную линию 40, снабженную угловым предохранительным клапаном 41 и выведенную в бак 42. К патрубку 9 подсоединен дополнительный отвод, снабженный шаровым краном 43, выведенный в бак 44, для слива воды из аккумуляционной емкости 3.

На выпускной патрубок 10 устанавливают шаровой кран 45 и подключают его к системе горячего водоснабжения.

Для защиты персонала от контакта с нагретыми поверхностями модуль горячего водоснабжения ограждают в соответствии с ГОСТ 12.2.062.

Перед запуском модуля греющий контур заполняют теплоносителем через кран 14, стравливают из контура воздух через воздухоспускной патрубок (на фигурах условно не показан), затем кран 14 и воздухоспускной патрубок закрывают.

При отключенном электронагревателе 8 на непродолжительное время с помощью блока управления 19 включают циркуляционный насос 12 греющего контура. Отключив насос 12, осуществляют дополнительный спуск воздуха из контура с помощью воздухоспускного патрубка. Операцию повторяют до тех пор, пока в контуре не останется воздушных пробок.

Далее осуществляют настройку температурных уставок теплоносителя в микроконтроллере 20 контроллера блока управления 19. Состав и назначение индикаторов и элементов управления прибора, а также порядок его настройки рассмотрен для терморегулятора 2ТРМ1 «ОВЕН» и приведен ниже.

На внешней поверхности прибора закреплен четырехразрядный индикатор, состоящий из двух секций (линейка семисегментных индикаторов 33), предназначенный для отображения значений измеренных величин и светодиоды красного свечения, подключенные к четвертому GPIO-порту микроконтроллера, сигнализирующие о различных режимах работы (на фигурах условно не показаны). Первая секция индикатора отображает текущее значение уставки, вторая - значение гистерезиса, первый непрерывно включенный светодиод «I» сигнализирует о выводе на индикацию текущего измеренного значения физической величины; второй мигающий светодиод «II» сигнализирует об аварии по выходу.

Управляющие кнопки 34 реализуют следующие функции:

• кнопка «Прог.» предназначена для входа в режим программирования прибора и установки рабочих параметров;

• кнопка «↑» предназначена для просмотра заданного значения уставки и увеличения ее значения;

• кнопка «↓» предназначена для просмотра заданного значения уставки и уменьшения ее значения.

Для изменения установленной температуры нагрева теплоносителя кратковременно в течение 2÷3 с нажимают и удерживают кнопку «Прог.», при этом на первой секции линейки индикаторов 33 высветится текущая температура греющего контура и включится светодиод «I», после чего кнопками «↑», «↓» устанавливают необходимую температуру нагрева теплоносителя. Затем повторно нажимают кнопку «Прог.», при этом на второй секции линейки индикаторов 33 будет выведено текущее значение гистерезиса, после чего кнопками «↑», «↓» устанавливают требуемую величину гистерезиса. После следующего нажатия на кнопку «Прог.» на первой секции линейки индикаторов высветится заданная температура защиты по перегреву и включится светодиод «II». Уставка температуры по перегреву равна +130°С при гистерезисе ΔТ=20°С. Вносить изменения в данную уставку не требуется. После последнего нажатия на кнопку «Прог.» настройка прибора завершена.

После настойки блока управления его переводят в автоматический режим работы, при этом активируется электронагреватель 8 и циркуляционный насос 12, теплоноситель начинает циркулировать в греющем контуре, а теплообменник 4 начинает нагревать воду в аккумуляционной емкости 3.

Во все время работы модуля горячего водоснабжения контроллер блока управления 19 на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ 25 микроконтроллера 20 с использованием для буферизации данных SRAM-памяти данных 26, осуществляет опрос состояния датчиков 11, 16 и 18, управляя при этом электронагревателем 8 и циркуляционным насосом 12.

При температуре теплоносителя в греющем контуре ниже уставки, соответствующей минимальному значению, контроллер блока управления 19 автоматически включает электронагреватель 8, индицируя режим работы модуля с помощью индикатора «НАГРЕВ». В случае превышения температуры теплоносителя уставки, соответствующей максимальному значению температуры теплоносителя в греющем контуре или уставки, соответствующей максимальной температуре воды в нагреваемом контуре, контроллер блока управления 19 автоматически отключает электронагреватель 8.

Нагретый теплоноситель длительное время находится в системе под избыточным давлением, компенсируемым расширительным баком 13, при этом в случае превышения давления в греющем контуре сверх допустимого значения срабатывает предохранительный клапан 15, позволяя сбросить избыток теплоносителя в бак 46. Состояние теплоносителя в греющем контуре контролируется датчиком расхода теплоносителя (датчиком «сухого хода») 11 и манометром 17. В случае падения давления в греющем контуре контроллер блока управления 19 автоматически аварийно выключает циркуляционный насос 12 и электронагреватель 8.

В случае подключения блока управления 19 к удаленной системе управления технологическими процессами (АСУТП) измеренные значения температуры теплоносителя, температуры воды в аккумуляционной емкости 3, а также параметры текущих режимов работы электронагревателя 8 и циркуляционного насоса 12 передаются упомянутой системе, позволяя накапливать статистические данные о циклах работы модуля, в частности о частоте включения и выключения электронагревателя 8, что позволяет в дальнейшем оптимизировать значения минимальных и максимальных значений температурных уставок.

Таким образом, рассмотренное в настоящей заявке устройство является эффективным автоматическим безопасным модулем, позволяющим создавать запас горячей воды, для сглаживания пиковых нагрузок на систему ГВС, в момент пиковых нагрузок потребления и допускает эксплуатацию в районах с умеренным и холодным климатом УХЛ4 по ГОСТ 15150.

Изобретение относится к электрическим отопительным системам зданий. Технической задачей изобретения, совпадающей с положительным результатом от его применения, является создание модуля горячего водоснабжения с автоматическим регулированием температуры в его аккумуляционной емкости. Модуль горячего водоснабжения содержит аккумуляционную емкость, с подключенными к ней раздельными замкнутым греющим контуром и нагреваемым контуром. Замкнутый греющий контур выполнен в виде теплообменника, c подключенными к нему нижним и верхним патрубками, соединенными с радиатором, снабженным электронагревателем, а нагреваемый контур включает в себя впускной и выпускной патрубки, введенные внутрь аккумуляционной емкости; дополнительно греющий контур снабжен датчиком расхода теплоносителя, циркуляционным насосом и первым датчиком температуры, а в аккумуляционную емкость введен второй датчик температуры; выходы упомянутых датчиков подключены к измерительным входам блока управления, а его силовые выходы подключены к электронагревателю и циркуляционному насосу. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Модуль горячего водоснабжения, содержащий аккумуляционную емкость, с подключенными к ней раздельными замкнутым греющим контуром и нагреваемым контуром, отличающийся тем, что замкнутый греющий контур выполнен в виде теплообменника, c подключенными к нему нижним и верхним патрубками, соединенными с радиатором, снабженным электронагревателем, а нагреваемый контур включает в себя впускной и выпускной патрубки, введенные внутрь аккумуляционной емкости; дополнительно греющий контур снабжен датчиком расхода теплоносителя, циркуляционным насосом и первым датчиком температуры, а в аккумуляционную емкость введен второй датчик температуры; выходы упомянутых датчиков подключены к измерительным входам блока управления, а его силовые выходы подключены к электронагревателю и циркуляционному насосу.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что аккумуляционная емкость теплоизолирована с помощью минерального утеплителя или пенополиуретана.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что теплообменник представляет собой змеевик.

4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что электронагреватель выполнен индукционным.

5. Модуль по п.1, отличающийся тем, что греющий контур снабжен расширительным баком, краном, предохранительным клапаном и манометром.

6. Модуль по п.1, отличающийся тем, что блок управления выполнен на основе программируемого логического контроллера, содержащего микроконтроллер, при этом измерительные входы блока управления выполнены на основе операционных усилителей, а его силовые выходы – на основе транзисторных ключей или электромеханических реле.

7. Модуль по п.6, отличающийся тем, что микроконтроллер программируемого логического контроллера содержит микропроцессорное ядро, включающее в себя арифметико-логическое устройство, регистры общего назначения, регистр команд, FLASH-память программ и SRAM-память данных, подключенное с помощью системной шины к периферийным устройствам микроконтроллера: многоканальному аналого-цифровому преобразователю, Ethernet-контроллеру, универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику и универсальным двунаправленным GPIO-портам ввода-вывода.

8. Модуль по п.7, отличающийся тем, что к линиям аналого-цифрового преобразователя подключены измерительные входы блока управления, с помощью Ethernet-контроллера или универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика блок управления подключен к удаленной автоматизированной системе управления технологическими процессами посредством физического сетевого интерфейса RJ-45, подключенного к Ethernet-контроллеру, или промышленного асинхронного интерфейса RS-485, подключенного к универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику; линии первого GPIO-порта подключены к силовым выходам блока управления, а выходы второго и третьего GPIO-портов подключены к линейке семисегментных индикаторов и управляющим кнопкам.