Экономичный энергосберегающий электрический котел (бойлерная) для отопления загородного дома и нагрева жидкостных сред

 

Полезная модель относится к средствам и технологиям энергосберегающего отопления и нагрева жидкостных сред и предназначено для отопления жилых, производственных и других помещений с принудительной циркуляцией теплоносителя в отопительной системе и горячего водоснабжения, а также может устанавливаться в действующие системы отопления параллельно с котлами, работающими на других видах топлива. Модуль имеет корпус, нагревательный элемент в виде инфракрасного кварцевого излучателя, расположенного в центре модуля, выполненного коаксиальным, имеющего каркас для спирали и подвод напряжения с одного торца. В модуле дополнительно установлен теплообменник, который охватывает по всей длине излучатель, выполнен относительно него герметичным и установлен с зазором относительно корпуса. Теплообменник выполнен в виде цилиндра, снабженного по наружной поверхности ребрами жесткости и/или цилиндрическими или спиралевидными канавками. В электрическом котле с системой труб, клапанов и соединительных элементов, циркуляционным насосом, электронным блоком контроля, управления, индикации и питания, цифровыми датчиками температуры воды на выходе системы и кожухом, нагревательный блок выполнен, по крайней мере, из одного или двух соединенных модулей, каждый из которых выполнен коаксиально в виде трубы, по оси которой установлен инфракрасный кварцевый излучатель, и дополнительно снабжен теплообменником, который охватывает по всей длине излучатель. Полезная модель позволяет упростить конструкцию, уменьшить вес и габариты, повысить эффективность, экономичность и срок службы электрического котла. При этом обеспечивается модульность котла (можно собрать тепловой узел 30-50 и более кВт), упрощается монтаж и эксплуатация. Кроме того, по сравнению с электродными предлагаемый электрический котел и модуль для него не требовательны к химическому составу воды в системе отопления, в сравнении с ТЭНовыми котлами - не образуют накипи, в отличие от индукционных котлов - не имеют повышенных электромагнитных излучений. 5 п. формулы 2 иллюстрация

Полезная модель относится к средствам и технологиям энергосберегающего отопления и нагрева жидкостных сред и предназначено для отопления жилых, производственных и других помещений с принудительной циркуляцией теплоносителя (воды) в отопительной системе и горячего водоснабжения, а также может устанавливаться в действующие системы отопления параллельно с котлами, работающими на других видах топлива.

Принцип работы электрических котлов электродного типа основан на использовании непосредственного нагрева теплоносителя за счет его ионизации, то есть распада молекул на заряженные частицы - ионы и направленного их движения к электродам соответствующего заряда. Колебания ионов сопровождаются выделением тепловой энергии, которая и поглощается теплоносителем. За счет того, что камера для ионизации имеет компактные размеры, нагрев теплоносителя происходит практически моментально, давление теплоносителя увеличивается, достигая рабочей величины без потребности в использовании циркуляционного насоса. (Сайт. Интернет, http://www.imperiales.ru/cat_35.html).

К недостаткам котлов электродного типа относятся:

- требуют квалифицированного обслуживания;

- обеспечение оптимальной циркуляции воды. При слабой циркуляции вода в котле может закипать. При слишком быстрой принудительной циркуляции электродный котел может не запускаться;

- требуется водоподготовка теплоносителя по электропроводности;

- ограничения по использованию антифризов в качестве теплоносителя;

- при понижении температуры на улице котел снижает мощность, а при повышении - увеличивает. Если мощность, на которую настроен котел, равна или ниже действительных теплопотерь, то при похолодании на улице возрастают теплопотери и температура обратной воды снижается. Электропроводность воды падает при понижении температуры воды, при этом уменьшается рабочий ток;

- необходимость замены электродов, которые постепенно растворяются, что приводит к снижению эффективности котла;

- есть токи утечки, которые, в зависимости от конструкции, могут достигать 25% номинального тока.

Известен индукционный водонагреватель, имеющий корпус и индуктор внутри него, причем вторичной обмоткой в виде короткозамкнутого витка является металлическая труба с водой. В результате протекания значительных по величине электрических токов высокой частоты, от индуктивно наведенного в ней электрического напряжения, труба интенсивно разогревается и нагревает воду. Поддержание заданной температуры теплоносителя, защита от экстремальных режимов работы осуществляется автоматической системой управления. Контроль температурных режимов осуществляется при помощи датчиков температуры, установленных на патрубке подачи нагретой воды и датчиком защиты от перегрева. (Патент RU 2191954 М. кл 7. F24H 1/20 от 03.01.2001).

Однако срок службы индукционных водонагревателей определяется практически только сроком службы электромагнитной катушки, поэтому она зачастую и является самой уязвимой в системе. Индукционные нагреватели применяются только в замкнутых системах теплоснабжения, где в качестве теплоносителя используется вода. Они имеют высокий уровень электромагнитных излучений.

Прототипом является электрический котел, который выполнен в виде металлического бака, в котором установлены в качестве нагревательных элементов ТЭНы с трубками из высококачественной нержавеющей стали, в которых происходит нагрев газов и наполнителя и передача тепловой энергии конвекцией, теплопередачей и излучением трубчатым оболочкам ТЭНов, а с них теплопередачей в циркулируемую воду. В качестве теплоносителя можно применять воду, воду с добавлением антифриза. В базовую модель котла входит: две (три) ступени мощности, регулятор, ограничитель и индикатор температуры, клапаны предохранительный и сброса воздуха. Дополнительно может быть поплавковый выключатель (защита от включения без воды), циркуляционный насос, устройство защитного отключения (защита от прикосновения к оголенным токоведущим частям, а также от тока утечки, который может привести к пожару), суточный программатор (позволяет обеспечивать работу котла в наиболее экономично выгодном для потребителя диапазоне времени), индикатор и датчик давления с сигнализацией (применяется для контроля и отключения оборудования при утечке теплоносителя), магниевый анод (используется для смягчения воды в системе отопления). (Сайт. Интернет, http://is.com.ua/articles/vidi_elektro_kotlov, стр.1 от 12.03.2013 г.).

В известном электрическом котле из-за длительного режима нагрева воды потребляется большое количество электроэнергии. Из-за медленного движения макроскопических частиц воды относительно друг друга и трубчатой оболочки ТЭНа создаются застойные зоны водных слоев, из-за чего образуются осадочные покрытия, накипь, ведущие к неравномерному распределению электрической нагрузки, к нестабильности работы теплового режима нагрева воды. Это приводит к выходу из работы пускорегулирующей аппаратуры и создается аварийная ситуация, заметно снижение КПД (с почти 100% до 80-60%), а затем отказ котла. Электрокотел отличается относительно большими габаритными размерами.

Аналогом является водогрейный модуль для электродного котла, который имеет металлический корпус из цельнотянутой трубы, покрытой толстым слоем диэлектрика из полиамида. Перпендикулярно к оси трубы вварены входной и выходной патрубки для подвода теплоносителя. С одного торца трубы через изолятор вкручен по резьбе электрод из специального сплава, а с другого торца труба заглушена специальной гайкой из полиамида с металлизированной резьбой. Посредине трубы перпендикулярно к ее оси через дополнительный толстый слой полиамида приварены клеммы ноль и заземления.

(Сайт. Интернет. http://teplodoma.com.ua/magazin.php?t=14).

Недостатком аналога является сложность конструкции, значительная трудоемкость в изготовлении, материалоемкость и высокая стоимость. Возможны токи утечки, что не безопасно. Требует обслуживания высокой квалификации. Высокая стоимость, по сравнению с тэновыми и электродными котлами, относительно большие габариты.

Прототипом является трубчатый электронагреватель (ТЭН), который выполнен в виде металлической трубки, заполненной теплопроводящим изолирующим материалом - периклазом (минерал, оксид магния). Точно по центру изолятора проходит токопроводящая спираль из проволоки высокого сопротивления, например, нихрома, для передачи необходимой мощности на поверхность ТЭНа. Трубки для ТЭНов изготавливают из стали, нержавеющей стали и меди.

К недостаткам ТЭНов следует отнести высокую металлоемкость и стоимость из-за использования дорогостоящих материалов (нихром, нержавеющая сталь, медь), не очень высокий срок службы (коррозионное нарушение оболочки, разрыв спирали из-за перегрева). Кроме того, образование накипи на ТЭНах приводит со временем к ухудшению теплоотдачи, а, следовательно, и к увеличению потребления электроэнергии. Невозможность ремонта при перегорании спирали.

В основу настоящей полезной модели по котлу поставлена задача создать такой электрический котел для отопления и нагрева жидкостных сред, в котором использование новых конструктивных элементов, новое их сочетание и расположение позволило бы обеспечить малую инерционность, уменьшение веса и габаритов, модульность (давал возможность собрать тепловой узел 30-50 и более кВт), упрощение монтажа и эксплуатации.

В основу настоящей полезной модели по модулю поставлена задача создать такой модуль для электрического нагрева жидкостных сред, в котором использование новых конструктивных элементов, новое их сочетание и расположение, новый подвод жидкостной среды позволил бы обеспечить малую инерционность, высокую термостойкость, возможность длительных перегрузок и стойкость к воздействию различных сред (вода, пыль и т.д.), упрощение конструкции и большой срок службы.

Поставленная задача по модулю решается тем, что модуль для электрического нагрева жидкостных сред, включающий корпус, нагревательный элемент, согласно полезной модели дополнительно снабжен теплообменником, нагревательный элемент выполнен в виде инфракрасного излучателя, расположенного в центре модуля, который выполнен коаксиальным, при этом теплообменник охватывает по всей длине излучатель, выполнен относительно него герметичным и установлен с зазором относительно корпуса.

Поставленная задача по котлу решается тем, что электрический котел для отопления и нагрева жидкостных сред, включающий, по крайней мере, один нагревательный блок, систему труб, клапанов и соединительных элементов, циркуляционный насос, электронный блок контроля, управления, индикации и питания, цифровые датчики температуры воды на выходе системы и кожух, согласно полезной модели нагревательный блок выполнен, по крайней мере, из одного или двух соединенных модулей, каждый из которых выполнен коаксиально в виде трубы, по оси которой установлен инфракрасный кварцевый излучатель, и дополнительно снабжен теплообменником, который охватывает по всей длине излучатель.

Благодаря тому, что по полезной модели (котлу и модулю) нагревательный элемент выполнен в виде инфракрасного излучателя, который расположен в центре модуля, и передают выделяемое тепло, преимущественно, инфракрасного излучения коротковолнового и/или средневолнового диапазонов, в радиальном направлении в теплообменник и в жидкостную среду, достигается целый ряд преимуществ по сравнению с аналогами и прототипом:

- малая инерционность, так как нагрев инфракрасным излучением бесконтактный и передача энергии от излучателя к объекту происходит очень быстро (со скоростью света), что позволяет использовать его в цикличных процессах;

- большой срок службы и сохранение в течение всего периода работы стабильного лучистого потока;

- высокая эффективность, экономичность;

- высокая термостойкость, возможность длительных перегрузок и стойкость к воздействию различных сред (вода, пыль и т.д.);

- упрощение конструкции, уменьшение веса и габаритов;

- модульность. Можно собрать тепловой узел 30-50 и более кВт;

- упрощение монтажа и эксплуатации.

Кроме того, по сравнению с электродными котлами предлагаемый электрический котел и модуль для него менее требовательны к химическому составу воды в системе отопления, в сравнении с ТЭНовыми котлами - не образуют накипи, в отличие от индукционных котлов - не имеют повышенных электромагнитных излучений и могут применяться как в открытых, так и замкнутых двухконтурных системах отопления и горячего водоснабжения.

Инфракрасные лучи - это электромагнитное излучение, подчиняющееся законам оптики. В зависимости от длины волны инфракрасную область спектра условно разделяют на коротковолновую (0,74-2,5 мкм), средневолновую (2,5-50 мкм) и длинноволновую (50-2000 мкм) части. Коротковолновые излучатели с максимальной температурой (выше 800°C), у средневолновых излучателей температура поверхности ниже (до 600°C).

Спектральный состав излучения кварцевой лампы определяется температурой кварцевой трубки. К примеру: при температуре кварцевой трубки порядка 500°C, основная часть лучистого потока тела накала, лежит в области спектра с длиной волны 3-4 мкм. Известно, что слой воды толщиной 1 см практически не прозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны более 1 мкм. Поэтому вода толщиной в несколько сантиметров используется как теплозащитный фильтр.

По модулю и по котлу, благодаря тому, что передают выделяемое тепло, преимущественно, инфракрасного излучения коротковолнового и/или средневолнового диапазонов, в радиальном направлении в теплообменник, который используют дополнительно, размещая вокруг излучателя, вся энергия инфракрасного излучения беспрепятственно проходит кварцевую трубку и полностью поглощается теплообменником, который нагревается и его тепло переходит теплопередачей и конвекцией в жидкостную среду, которой обеспечивают циркуляцию в осевом направлении модуля по внешней поверхности теплообменника.

Благодаря тому, что модуль дополнительно снабжен теплообменником, который охватывает по всей длине излучатель, выполнен относительно него герметичным и установлен с зазором относительно корпуса, происходит более быстрый нагрев воды, улучшаются условия эксплуатации и монтажа (излучатель легко извлекать из теплообменника и корпуса) и даже можно использовать в качестве проточного электроводонагревателя.

Инфракрасный излучатель может быть выполнен в виде кварцевой трубки, в которой расположена спираль, дополнительно снабженная каркасом в виде полосы или трубки, причем каркас выполнен из прозрачного для инфракрасного излучения материала, что позволяет подводить напряжение с одного конца модуля, повысить его надежность и возможность использовать в вертикальном положении, что значительно расширяет сферу применения.

Теплообменник может быть выполнен в виде цилиндра, внешняя поверхность которого выполнена с ребрами жесткости и/или с цилиндрическими или со спиралевидными канавками, что значительно увеличивает его поверхность, а значит и теплосъем.

Корпус дополнительно может быть снабжен теплоизоляцией и внешним экраном, что исключает тепловые потери.

Предлагаемое изобретение схематично представлено на фиг.1, 2. На фиг.1 показан схематично модуль для нагрева, где 1 - инфракрасный излучатель, 2 - корпус в виде трубы, 3 - теплообменник, 4 - жидкостная среда.

На фиг.2 дана блок-схема подключения электрического котла к системе отопления, где 1 - система горячего водоснабжения, 2 - насос циркуляционный, 3 - однонаправленный механический клапан, 4 - сливной кран, 5 - электромагнитный клапан, 6 - расширительный бак, 7 - электронный блок контроля, управления, питания и группа безопасности (подрывной клапан, манометр, воздушный клапан), 8 - модули для нагрева воды, 9 - радиаторы отопления.

Модуль для электрического нагрева жидкостных сред, включающий, корпус 2, нагревательный элемент 1. Модуль (корпус в виде трубы) 2 (см. фиг.1) дополнительно снабжен теплообменником 3, нагревательный элемент выполнен в виде инфракрасного излучателя 1, расположенного в центре модуля (корпуса в виде трубы) 2, который выполнен коаксиальным, при этом теплообменник 3 охватывает по всей длине излучатель 1, выполнен относительно него герметичным и установлен с зазором относительно корпуса (трубы) 2 для циркуляции жидкостной среды.

Электрический котел (см. фиг.2) для отопления и нагрева жидкостных сред, включающий, по крайней мере, один нагревательный блок 8, систему труб, клапанов 3 и соединительных элементов, циркуляционный насос 2, электронный блок 7 контроля, управления, индикации и питания, цифровые датчики температуры воды на выходе системы и кожух. В котле нагревательный блок 8 выполнен, по крайней мере, из одного или двух соединенных модулей 8, каждый из которых (см. фиг.1) выполнен коаксиальным в виде трубы 2, по оси которой установлен инфракрасный кварцевый излучатель 1, и дополнительно снабжен теплообменником 3, который охватывает по всей длине излучатель 1.

Котел может работать в двух режимах: в режиме подогревания воды в контуре системы отопления и в режиме подогревания воды в контуре горячего водоснабжения.

Режим подогревания воды в контуре системы отопления заключается в следующем. В момент начала работы котла в данном режиме электронный блок 7 управления открывает электромагнитный клапан 5 на выходе нагретой воды из котла в систему отопления.

Одновременно включаются насос 2 в режиме пониженных оборотов и модули 8 для нагрева воды на полную потребляемую мощность.

Данные цифрового датчика температуры воды на выходе системы (на фигуре условно не показан) поступают в электронный блок 7управления, который обеспечивает автоматизированный контроль за температурой и управлением мощностью модулей 8 для нагрева и насосом 2 для обеспечения оптимального режима нагревания и установления заданной оператором температуры воды на выходе котла.

По мере прогревания теплоносителя и установления заданной оператором температуры воды на выходе котла, расходуемая модулями 8 мощность уменьшается, а при понижении температуры окружающей среды и соответственно понижении температуры теплоносителя расходуемая модулями 8 мощность увеличивается автоматически. Таким образом в рабочем режиме номинальная потребляемая мощность на нагревание воды значительно меньше максимальной для модулей 8, поэтому обеспечивается режим энергосбережения.

Следует отметить возможности электронной системы управления: предварительная установка пользователем, автоматический контроль и управление температурой теплоносителя, управление оборотами насоса 2 и применение специальных режимов работы котла в различных условиях помещения, возможность дистанционного управления котлом посредством специального интерфейса и применение таймеров.

Режим подогревания воды в контуре горячего водоснабжения заключается в следующем. При переходе в данный режим сигнал с реле протока (на фигуре условно не показан) поступает в электронный блок 7 управления, который закрывает электромагнитный клапан 5 на выходе нагретой воды из котла в систему отопления.

Модули 8 для нагрева включаются на полную потребляемую мощность.

Данные цифрового датчика температуры воды на выходе системы (на фигуре условно не показан) поступают в электронный блока 7 управления, который обеспечивает автоматизированный контроль за температурой теплоносителя и управление модулями 8 для нагрева для обеспечения оптимального режима нагревания и установления заданной оператором температуры воды в системе горячего водоснабжения.

После отключения режима подачи горячей воды и подачи соответствующего сигнала с реле протока (на фигуре условно не показан) электронный блок 7 управления автоматически переходит в режим предустановленный пользователем: с включенной системой отопления (открывает электромагнитный клапан 5 системы отопления и запускает насос 2).

Описание и принцип работы модуля 8 для нагрева (см. фиг.1). Каждый нагревательный модуль имеет трубчатый металлический теплообменник 3, внутри которого размещен инфракрасный излучатель 1, выполненный в виде трубки из кварцевого стекла и спирали, разработанной на основе новейших технологий. Инфракрасный излучатель 1 генерирует инфракрасное излучение, преимущественно, коротковолнового и средневолнового диапазона.

Теплоноситель (вода) 4 поступает из отопительной системы во входное отверстие теплообменника 3 модуля для нагрева. При подаче напряжения питания инфракрасный излучатель генерирует инфракрасное излучение со своей поверхности (450-600°C) и нагревает окружающую среду: кварцевую трубку, воздух в зазорах, теплообменник.

Теплообменник 3 в результате воздействия на него мощного инфракрасного излучения и частично процессов теплопередачи конвекцией разогревается и нагревает теплоноситель (воду) 4, который циркулирует вдоль оси модуля по разветвленной поверхности теплообменника 3. Нагретый теплоноситель 4 из выходного отверстия теплообменника 3 поступает в отопительную систему.

Применяемый электронный блок 7 управления и регулирования температуры, выполненный на современном микроконтроллере, с полупроводниковой силовой коммутацией, оптоэлектронной развязкой и системой защитного отключения для предупреждения поражения электрическим током, позволяет надежно и безопасно эксплуатировать модули 8 для нагрева теплоносителя (воды) полностью в автономном режиме. Регулировка мощности модулей 8 позволяет работать в экономичном режиме, снизив энергопотребление и нагрузку на электрическую сеть. К блоку 7 возможно подключение систем телеуправления для удаленных объектов отопления и водонагревания.

1. Модуль для электрического нагрева жидкостных сред, включающий корпус, нагревательный элемент, отличающийся тем, что дополнительно снабжен теплообменником, нагревательный элемент выполнен в виде инфракрасного излучателя, расположенного в центре модуля, который выполнен коаксиальным, при этом теплообменник охватывает по всей длине излучатель, выполнен относительно него герметичным и установлен с зазором относительно корпуса.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что инфракрасный излучатель выполнен в виде кварцевой трубки, в которой расположена спираль, дополнительно снабженная каркасом в виде полосы или трубки, причем каркас выполнен из прозрачного для инфракрасного излучения материала.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что теплообменник выполнен в виде цилиндра, внешняя поверхность которого выполнена с ребрами жесткости и/или с цилиндрическими или со спиралевидными канавками.

4. Модуль по п.3, отличающийся тем, что корпус дополнительно снабжен теплоизоляцией и внешним экраном.

5. Электрический котел для отопления и нагрева жидкостных сред, включающий, по крайней мере, один нагревательный блок, систему труб, клапанов и соединительных элементов, циркуляционный насос, электронный блок контроля, управления, индикации и питания, цифровые датчики температуры воды на выходе системы и кожух, отличающийся тем, что нагревательный блок выполнен, по крайней мере, из одного или двух соединенных модулей, каждый из которых выполнен коаксиально в виде трубы, по оси которой установлен инфракрасный кварцевый излучатель, и дополнительно снабжен теплообменником, который охватывает по всей длине излучатель.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системам отопления и вентиляции, использующим в качестве источника питания электрическую энергию

Котел отопительный водогрейный стальной комбинированный (на газу или твердом топливе, дровах) относится к теплоэнергетике, а именно к комбинированным универсальным котлам и может быть использован в системах водяного отопления жилых и производственных помещений и сооружений.

Плоские солнечные коллекторы используются для нагрева воды для бытовых нужд, подогрева воды в бассейне или поддержания низкотемпературного отопления в доме. При благоприятных условиях коллекторы позволяют использовать солнечную энергию даже осенью и зимой.

Проектирование и монтаж мини-модуля для систем напольного водяного отопления малых площадей частного дома относится к устройствам для изменения теплопередачи.
Наверх