АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ ДЛЯ НЕСКОЛЬКИХ ТОЧЕК ВОДОРАЗБОРА Российский патент 2024 года по МПК F24H1/00 F24H1/08 F24H1/18 H05B3/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к области тепловой энергетики, в частности к котлам газовым настенным для отопления и подготовки горячей воды, проточным газовым водонагревателям, проточным электрическим водонагревателям, и может быть использовано в автономных системах отопления и горячего водоснабжения индивидуальных домов, квартир в зданиях с разной высотой и этажностью.

Уровень техники

Стандартная номинальная мощность настенных котлов в режиме подготовки горячей воды и проточных газовых водонагревателей равна 24 киловатт в час, что позволяет использовать указанные устройства для производства горячей воды с расходом около 11 литров в минуту с нагревом температуры воды на 25 градусов Цельсия. С точки зрения потребления горячей воды для одной точки разбора этого достаточно. Современное домохозяйство оснащено минимум двумя точками водоразбора горячей воды, расположенными в ванной комнате и кухне. В ванной комнате, как правило, отдельно установлен душ или ванная и мойка, однако одновременное использование душа и мойки в ванной применяется крайне редко. Все точки разбора воды оснащены смесителями вентильного или однорычажного типа. Расход воды при использовании душа составляет 6-13 литров в минуту при средней продолжительности разового пользования 5-7 минут. Пользование краном смесителя мойки в кухне происходит со средним расходом 4 литра в минуту со средней продолжительностью от 2 минут до 6 минут. Из указанного выше следует, что одновременное использование двух точек разбора воды в автономной системе теплоснабжения, оснащенной типовыми настенными газовыми котлами или газовыми проточными водонагревателями, электрическими проточными водонагревателями с номинальной тепловой мощностью 24 киловатт в час возможно только в экономрежиме с ограниченными расходами. Комфортное потребление горячей воды в индивидуальной системе теплоснабжения с возможностью одновременного использования двух точек разбора возможно только при наличии генератора тепловой энергии с номинальной мощностью 28-32 киловатт в час. В указанных случаях возможно обеспечить расход горячей воды до 18-20 литров в минуту.

Вопрос использования и проточных водонагревателей, и настенных котлов в режиме ГВС для нескольких точек разбора горячей воды также связан с тепловой инерционностью данных устройств. Теплообменники газовых тепловых генераторов имеют массу 1,5-3 килограмма, выполнены из меди или нержавеющей стали, толщина стенок труб теплообменников 0,8-1 мм (Торопов А.Л., «Автономные системы теплоснабжения малой мощности. Настенные газовые котлы и тепловые аккумуляторы». - Издательство МИСИ - МГСУ, 2022. - 176 с. ISBN 978-5-7264-3110-9 и Торопов А.Л., «Настенные газовые котлы автономных систем теплоснабжения. История создания. Основные элементы. Классификация. Часть 1. Конвекционные настенные газовые котлы. - - М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2020. - 60 с. ISBN 978-5-91327-630-8 DOI 10.17513/пр.411). Возможность модуляции тепловой мощности горелки теплового генератора не решает вопрос значительных колебаний температуры в точках потребления при использовании смесителей воды. Резкое закрытие или открытие крана второй точки потребления при одновременном использовании первой приводит к скачкам температуры до 10 градусов Цельсия, что может привести даже к небольшим ожогам кожи или резкому охлаждению потребляемой воды. Электронная модуляция тепловой мощности не способна исключить влияние тепловой инерции первичного теплообменника настенного котла или проточного водонагревателя. Наиболее критичным при использовании газовых проточных водонагревателей с несколькими точками разбора горячей воды, сточки зрения комфорта, является использование душа и крана мойки в кухне. При потреблении душевой лейкой 10 литров воды в минуту и крана кухни 4 литра в минуту резкое изменений расхода горячей воды, связанное с закрытием крана в кухонной мойке приведет к изменению температуры в кране душа составит около 7 градусов Цельсия. При первоначальной температуре воды в душе 40 градусов Цельсия мгновенное и неожиданное изменение температуры воды до 47 градусов Цельсия воспринимается, как «кипяток». Проточные газовые водонагреватели, не оснащенные устройствами модуляции тепловой мощности, не могут быть использованы в системах горячего водоснабжения домохозяйств с несколькими точками водоразбора горячей воды поскольку регулировка температуры при изменении расхода потребления воды требует ручного изменения расхода газа непосредственно на водонагревателе. Проточные водонагреватели с модуляцией тепловой мощности отрабатывают изменение тепловой нагрузки за 2-6 секунд, влияние тепловой инерции теплообменников увеличивает это время до 4-11 секунд. Величина изменения температуры в душе при периодическом одновременном использовании удаленной мойки в кухне зависит от скорости изменения расхода горячей воды в мойке, тепловой инерции теплообменников генераторов тепла, алгоритмов модуляции тепловой мощности, тепловой инерционности и чувствительности температурных датчиков, параметров заводских настроек газового клапана и его гистерезиса.

Известен котел для отопления настенный газовый (см. патент RU №2452906, МПК F24H 1/08, опубликован 10.06.2012). Котел для отопления и/или горячего водоснабжения, содержащий расширительный бачок и герметичный корпус, в котором размещены топочная камера с газовой горелкой, теплообменник контура отопления с дымовой коробкой, буферная емкость с теплообменником контура горячего водоснабжения, патрубки для подачи воздуха в топку к газовой горелке и удаления продуктов сгорания, расположенные в верхней части котла, патрубки подвода-отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, и систему управления, отличающийся тем, что теплообменник контура отопления включает призматический корпус с открытой нижней частью, трубной доской в верхней части и змеевиком на наружной поверхности, дымовая коробка в месте ее соединения с патрубком удаления продуктов сгорания снабжена каналом, соединенным с внутренней полостью герметичного корпуса, а буферная емкость связана с патрубком отвода теплоносителя и включает призматический корпус с расположенным внутри него теплообменником контура горячего водоснабжения и собственными патрубками подвода и отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, при этом буферная емкость вынесена за пределы расположения теплообменника контура отопления, размещена в нижней части герметичного корпуса и посредством дополнительного патрубка через кран переключения в режим «отопление + горячее водоснабжение / только горячее водоснабжение» соединена с патрубком подвода теплоносителя, на котором после его соединения с дополнительным патрубком буферной емкости установлен насос.

Недостатком данного котла является отсутствие устройства поддержания температуры в паузах между потреблением горячей воды. При потреблении горячей воды после длительной паузы продолжительностью более 1-2 часов вода в буферной емкости остывает и требуется время на ее разогрев. При повторном использовании после кратковременной паузы, например, закрытия крана потребления горячей воды и повторного открытия через несколько секунд в алгоритмах работы газовых котлов существует технологическая пауза, связанная с блокировкой повторных кратковременных пусков работы газовой горелки котла продолжительностью 30 секунд (Торопов А.Л., «Автономные системы теплоснабжения малой мощности. Настенные газовые котлы и тепловые аккумуляторы». - Издательство МИСИ - МГСУ, 2022. - 176 с. ISBN 978-5-7264-3110-9). Емкости буферного бака предложенной конструкции недостаточно для поддержания стабильного значения температуры горячей воды, что приводит к значительному дискомфорту при потреблении горячей воды.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемой модели является Конструкция водонагревателя (см. патент RU №2496061, МПК F24H 1/20, опубл. 20.10.2013). Водонагревательная система с газовым водонагревательным устройством, которое подключено к впускной трубе для холодной воды и к выпускной трубе для горячей воды, содержащая электрический водонагреватель накопительного типа, встроенный по последовательной схеме в выпускную трубу для горячей воды и снабженный термостатом. Электрический водонагреватель установлен внутри газового водонагревательного устройства и имеет объем менее 20 литров. Корпус накопительной емкости электрического водонагревателя покрыт теплоизоляционным материалом. Недостатком данной конструкции является низкая ремонтопригодность, высокие экономические затраты в случае выхода из строя электрических нагревательных элементов. Недостатком также является большой рекомендованный объем (верхняя граница) электрического водонагревателя, наибольшее значение которого указано 20 литров. Данный объем значительно увеличивает размер теплового генератора, его общий вес и стоимость.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей предполагаемого изобретения является решение вопроса сглаживания колебания температуры в точках водоразбора автономной системы водоснабжения домохозяйства при одновременном произвольном во времени пользовании разных точек водоразбора с регулировкой расхода воды и ее температуры с помощью смесителей произвольной конструкции.

Решение вопроса подготовки горячей воды настенными тепловыми генераторами возможно при использовании буферной емкости, установленной в корпусе теплового генератора, из которой происходит разбор горячей воды. Горячая вода, подготовленная в горелочном устройстве или электрическом теплообменнике, поступает в буферную емкость, смешивается с водой в емкости и поступает к потребителю через выходной патрубок котла. Рекомендуемый объем буферной емкости для систем с двумя точками разбора составляет 1,5-3,5 литра, поскольку большой объем буферной емкости увеличит габариты котла, а меньший будет недостаточен для сглаживания резких изменений потребления горячей воды при нескольких точках разбора. Минимальная величина объема буферной емкости определяется временем алгоритма модуляции мощности теплового генератора при изменении от минимальных значений до максимальных, плюс 1,5 литра. Например, время роста тепловой мощности газового котла при подготовке горячей воды при старте нагрева до выхода на максимальную мощность составляет 6 секунд. При максимальном потреблении двух точек водоразбора 20 литров в минуту объем воды за 6 секунд составит 2 литра. Объем буферной емкости следует принять 2 литра плюс 1,5 литра, итого 3 литра. Если тепловая мощность включается мгновенно, как при использовании одного электрического нагревательного элемента, то объем буферной емкости равен 1,5 литра.

Проблема использования буферной емкости для подготовки горячей воды в настенных котлах связана с тем, что при больших паузах в потреблении горячей воды, в таких случаях как отсутствие пользователей, ночной период, вода в буферной емкости остывает и для ее разогрева при включении водонагревателя потребуется время до 10 секунд. Теплоизоляция буферной емкости решает вопрос не полностью, поскольку паузы в потреблении горячей воды могут иметь продолжительное время, за которое вода остынет. Техническая задача предполагаемого изобретения состоит также в том, чтобы решить вопрос поддержания температуры в буферной емкости в период пауз между потреблением горячей воды. Применение электрических трубчатых резисторных элементов для поддержания температуры в буферной емкости, равной 40 градусов Цельсия, неэффективно. В проточных нагревателях вода содержит соли жесткости, которые осаждаются в виде накипи на наиболее нагретых поверхностях. Трубчатые нагревательные элементы, при отсутствии движения воды в буферной емкости в период пауз между потреблением воды, вызывают при нагреве закипание контактирующего с ними слоя воды, что способствует нарастанию накипи на поверхности трубчатого элемента, приводит к потере эффективности нагрева и быстрого выхода его из строя. Применение резисторных нагревательных элементов поверхностного типа («греющий провод») требует установки термостатов, что усложняет конструкцию водонагревателя.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается креплением к поверхности буферной емкости, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, терморезисторных РТС нагревательных элементов, обладающих саморегуляцией интенсивности нагрева. При повышении температуры в буферной емкости выше заданной температуры 40 градусов Цельсия омическое сопротивление терморезистора с положительным термическим коэффициентом (РТС) резко возрастает и нагрев буферной емкости терморезисторным РТС элементом не происходит.

Краткое описание чертежей.

На фигуре 1 представлена схема предлагаемого изобретения.

1. Тепловой генератор производства горячей воды.

2. Входной патрубок

3. Выходной патрубок

4. Система модуляции тепловой мощности.

5. Буферная емкость.

6. Патрубок подключения к внутренним водопроводным сетям.

7. Терморезисторный нагревательный элемент с положительным термическим коэффициентом.

8. Теплоизоляционный материал.

Осуществление изобретения

Холодная вода системы водоснабжения (на фигуре 1 не показана) поступает в тепловой генератор производства горячей воды 1 через входной патрубок 2, нагревается тепловым генератором производства горячей воды 1 и выходит через выходной патрубок 3, к которому присоединена буферная емкость 5 объемом 1,5-3,5 литра. Нагретая вода поступает через патрубок подключения к внутренним водопроводным сетям 6 потребителя. Потребитель использует горячую воду для своих нужд путем смешения горячей и холодной воды через смесители произвольной конструкции с возможностью использования нескольких точек водозабора одновременно. При использовании произвольно во времени нескольких точек водоразбора происходит резкое изменение расхода горячей воды. В связи с тепловой инерционностью теплового генератора производства горячей воды 1 системе модуляции тепловой мощности 4 необходимо время для изменения мощности генерации тепловой энергии в соответствие с измененным расходом воды, протекающей через тепловой генератор производства горячей воды 1.

Технический результат задачи сглаживания колебания температуры в точках водозабора автономной системы теплоснабжения домохозяйства при одновременном произвольном во времени пользовании разных точек водозабора с регулировкой расхода воды и ее температуры с помощью смесителей произвольной конструкции достигается установкой буферной емкости 5 объемом 1,5-3,5 литра, выполненной из теплопроводного материала с размещенным на ее внешней поверхности пластинчатого терморезисторного нагревательного элемента с положительным термическим коэффициентом 7 мощностью 20-100 Ватт для поддержания температуры горячей воды в буферной емкости 5 в периоды отсутствия потребления горячей воды. Для снижения тепловых потерь и повышения энергетической эффективности буферная емкость 5 покрыта слоем теплоизоляционного материала 8.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- наличие устройства поддержания температуры в паузах между потреблением горячей воды;

- сглаживания колебания температуры в точках водоразбора автономной системы водоснабжения при одновременном произвольном во времени пользовании разных точек водоразбора;

- высокая ремонтопригодность;

- низкие экономические затраты в случае выхода из строя электрических нагревательных элементов;

- малый рекомендованный объем буферной емкости, не увеличивающий размер теплового генератора, его общий вес и стоимость.

Поскольку заявленное изобретение отличается от наиболее близкого аналога рядом существенных признаков, оно соответствует условию патентоспособности «новизна». В основу заявленного изобретения положены известные законы материального мира, что позволяет утверждать о соответствии изобретения условию «промышленная применимость».

Поскольку из уровня техники неизвестна автономная система подготовки горячей воды для нескольких точек разбора с буферной емкостью с размещенным на ее внешней поверхности пластинчатого терморезисторного нагревательного элемента для поддержания температуры горячей воды, то можно сделать вывод о соответствии заявленного устройства и способа условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение относится к области тепловой энергетики и может быть использовано в котлах для отопления и подготовки горячей воды, в проточных газовых, электрических водонагревателях, в автономных системах отопления и горячего водоснабжения. Изобретение заключается в том, что к выходному патрубку теплового генератора производства горячей воды присоединена буферная емкость, выполненная из теплопроводного материала, с выходным патрубком для подключения к внутренним сетям водопровода потребителя емкостью 1,5-3,5 литра, через которую протекает нагретая тепловым генератором вода, буферная емкость оснащена прижатым к ее внешней поверхности пластинчатым терморезисторным нагревательным элементом мощностью 20-100 Ватт с положительным тепловым коэффициентом. Технический результат - сглаживание колебания температуры в точках водозабора автономной системы теплоснабжения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Автономная система подготовки горячей воды для нескольких точек водоразбора, состоящая из теплового генератора производства горячей воды, входного, выходного патрубков, системы модуляции тепловой мощности в зависимости от потребной величины тепловой энергии на нагрев воды, отличающаяся тем, что к выходному патрубку теплового генератора производства горячей воды присоединена буферная емкость, выполненная из теплопроводного материала, с выходным патрубком для подключения к внутренним сетям водопровода потребителя, емкостью 1,5-3,5 литра, через которую протекает нагретая тепловым генератором вода, буферная емкость оснащена прижатым к ее внешней поверхности пластинчатым терморезисторным, с положительным тепловым коэффициентом, нагревательным элементом мощностью 20-100 Ватт.

2. Автономная система подготовки горячей воды по п. 1, отличающаяся тем, что буферная емкость покрыта по всей внешней поверхности теплоизоляционным материалом.