Автоматический электроводонагреватель накопительного типа
Изобретение предназначено для автоматического поддержания постоянной заданной температуры воды, поступающей из водопровода к потребителю. Автоматический электроводонагреватель содержит: накопитель тепловой энергии, включающий электронагревательный элемент, размещенный в основном сосуде, полость которого подключена к входному водопроводу и целиком заполнена жидкостью и паром этой жидкости, вспомогательный сосуд, нижняя точка полости которого гидравлически связана с нижней точкой основного сосуда, а верхняя сообщена с атмосферой, а также теплообменный элемент, контактирующий с накопителем тепловой энергии, и подключенные к нему трубопроводы холодной и горячей воды. При этом накопитель тепловой энергии включает в себя аккумулятор тепла, в котором размещены электронагревательный элемент и датчик температуры, сигнал которого через логическое устройство управляет работой электронагревательного элемента, и смеситель, к которому подключены через регуляторы расхода трубопроводы холодной и горячей воды и выходной водопровод, а теплообменный элемент выполнен в виде рекуперативного теплообменника. Такое выполнение электроводонагревателя позволит расширить его функциональные возможности. 1 ил.
Изобретение относится к области бытовой техники, а более конкретно - к электронагревательным устройствам для автоматического поддержания постоянной заданной температуры воды, поступающей из водопровода к потребителю.
Общеизвестны неавтоматические теплоэлектронагреватели (ТЭНы), преобразующие электрическую энергию в энергию горячей воды. К недостаткам таких нагревателей можно отнести необходимость постоянного контроля оператора за его работой. Известны автоматические электронагреватели проточного типа [1], в которых преобразование электрической энергии в тепловую энергию воды происходит в темпе потребления этой воды. К недостаткам таких нагревателей можно отнести то, что при известной температуре воды на входе в нагреватель температура воды, поступающей к потребителю, ограничена как тепловой мощностью нагревателя, так и энергетическими характеристиками электрической сети, к которой подключен этот нагреватель. А при заданной температуре воды, поступающей к потребителю, ограничена величина расхода этой воды. Кроме того, отбор горячей воды из таких нагревателей не может осуществляться при отключенном нагревательном элементе, что ужесточает предъявляемые к ним требования электробезопасности. Наиболее близким к заявляемому является электроводонагреватель жидкости накопительного типа [2], содержащий накопитель тепловой энергии, включающий электронагревательный элемент, размещенный в основном сосуде, полость которого подключена к входному водопроводу и целиком заполнена жидкостью и паром этой жидкости, вспомогательный сосуд, нижняя точка полости которого гидравлически связана с нижней точкой основного сосуда, а верхняя сообщена с атмосферой, а также теплообменный элемент, контактирующий с накопителем тепловой энергии, и подключенные к нему трубопроводы холодной и горячей воды. К недостаткам этого нагревателя можно отнести: отсутствие аккумулятора тепловой энергии как самостоятельного конструктивного элемента, что ограничивает возможности устройства по накоплению тепла теплоемкостью нагревательного элемента, поскольку теплоемкость жидкости в основном сосуде ограничена температурой ее кипения при атмосферном давлении, это ограничивает удельную (на единицу массы и объема) тепловую энергию, запасаемую в устройстве; контакт теплообменного элемента с накопителем тепловой энергии по стенке основного сосуда, что ограничивает возможности устройства по расходованию тепла площадью этой стенки; отсутствие элементов регулирования температуры жидкости в трубопроводе горячей воды, это не позволяет осуществлять подачу к потребителю горячей воды с заданной, в общем случае - переменной температурой. Указанные недостатки сужают функциональные возможности электроводонагревателя, тем самым ограничивая область его применения. Целью настоящего изобретения является расширение области применения автоматического электроводонагревателя за счет расширения его функциональных возможностей. Эта цель достигается тем, что автоматический электроводонагреватель содержит накопитель тепловой энергии, включающий электронагревательный элемент, размещенный в основном сосуде, полость которого целиком заполнена жидкостью и паром этой жидкости, вспомогательный сосуд, нижняя точка полости которого гидравлически связана с нижней точкой основного сосуда, а верхняя сообщена с атмосферой, а также теплообменный элемент, контактирующий с накопителем тепловой энергии, и подключенные к нему трубопроводы холодной и горячей воды. При этом накопитель тепловой энергии включает в себя аккумулятор тепла, в котором размещены электронагревательный элемент и датчик температуры, сигнал которого через логическое устройство управляет работой электронагревательного элемента, и смеситель, к которому подключены через регуляторы расхода трубопроводы холодной и горячей воды и выходной водопровод, а теплообменный элемент выполнен в виде рекуперативного теплообменника. Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен вариант конструктивного исполнения заявленного устройства. Устройство (см. чертеж) имеет в своем составе сосуды 1 и 2, которые заполнены жидкостью 3. Нижние точки полостей сосудов 1 и 2 гидравлически связаны друг с другом магистралью 4. Верхняя точка сосуда 2 сообщается с окружающей атмосферой через горловину 5. Электрический нагревательный элемент 6 связан с аккумулятором тепловой энергии 7 с возможностью передачи тепла от элемента 6 к аккумулятору 7. Аккумулятор 7 имеет вертикальную поверхность 8, контактирующую с полостью сосуда 1. Входной водопровод 9 соединен со смесителем 10 трубопроводами 21 и 22 холодной и горячей воды. Один из них магистралью связывает элементы 9 и 10 через настроечный вентиль 11. Второй - связывает элементы 9 и 10 через теплообменник 12 и настроечный вентиль 13. Выходной водопровод 14 соединен со смесителем 10 гидравлической магистралью через регулировочный вентиль 15. Внешняя поверхность сборки элементов 1, 6, 7, 12 покрыта слоем теплоизоляции 16. Датчик температуры 17 имеет чувствительный элемент, контактирующий с аккумулятором тепла 7. Электрический нагревательный элемент 6 запитан от источника электрической энергии 18 через управляемый преобразователь 19. Преобразователь 19 связан управляющей электрической линией 20 с датчиком температуры 17. Устройство работает следующим образом. Электрическая энергия поступает от источника 18 через преобразователь 19 к нагревательному элементу 6, где она превращается в тепловую энергию. Тепловая энергия поступает от элемента 6 к аккумулятору тепловой энергии 7, а от аккумулятора 7 - в полость сосуда 1 через поверхность 8. Поток воды из входного водопровода 9 разделяется на две части, одна из которых поступает в смеситель 10 через вентиль 11, а вторая - через теплообменник 12 и вентиль 13. При этом соотношение расходов воды, поступающих в смеситель 10 через теплообменник 12 и, минуя его, определяется гидравлическими сопротивлениями вентилей 11 и 13 и при их неизменной настройке остается постоянным. Из смесителя 10 поток воды поступает в выходной водопровод 14 (к потребителю) через вентиль 15. Величина суммарного расхода воды, поступающего из водопровода 9 в водопровод 14 при постоянной настройке вентилей 11 и 13 и постоянном давлении во входном водопроводе 9 определяется гидравлическим сопротивлением вентиля 15 и может быть отрегулировано вручную. В теплообменнике 12 происходит обмен тепловой энергией между полостью сосуда 1 и потоком воды из водопровода 9, что приводит к нагреву воды проходящей через элементы 12 и 13. При нагреве аккумулятора 7 до максимально допустимой температуры по сигналу датчика температуры 17 преобразователь 19 отключает элемент 6 от источника электрической энергии 18, и происходит остывание аккумулятора 7 как под действием тепловых утечек через теплоизоляцию 16, так и в результате теплопередачи через стенки теплообменника 12. После остывания аккумулятора 7 до минимально допустимой температуры по сигналу датчика температуры 17 преобразователь 19 подключает элемент 6 к источнику электрической энергии 18, и цикл нагрева и остывания аккумулятора 7 повторяется. Далее приняты следующие обозначения: H - уровень жидкости 3 в сосуде 1, отсчитываемый от нижней точки поверхности 8; H1max, H2max, H4max - вертикальные габариты поверхности 8, полости сосуда 2 и магистрали 4 соответственно; Q - тепловой поток, передаваемый от аккумулятора 7 к полости сосуда 1; Q1 - тепловой поток, передаваемый от нагревательного элемента 6 к аккумулятору 7; Q2 - тепловой поток, передаваемый от полости сосуда 1 к потребителю 14; Pатм - атмосферное давление в газовой подушке сосуда 2; Tзад - заданная температура вещества в полости сосуда 1, равная температуре насыщенного пара жидкости 3 при давлении Pатм. При постоянном значении величины Pатм значение Tзад - определяется химическим составом жидкости 3. Передача тепловой энергии от сосуда 1 к водопроводу 9 не связана с отбором вещества из полости сосуда 1, и при равновесном положении зеркала жидкости в сосуде 1 (H=const) общее количество жидкой фазы в сосуде 1 остается постоянным. Проведем анализ процесса передачи тепловой энергии от нагревательного элемента 6 к потребителю 14. Покажем, что при переменных значениях величин Q1 и Q2 устройство обеспечит поддержание постоянной температуры Tзад вещества, находящегося в полости сосуда 1. При анализе примем следующие допущения и положения: 1. Для величин H1 max, H2 max, H4 max, а также для гидравлических характеристик магистрали 4 справедливо (H1 max+H2 max+H4 max)жg Pзад (1), где ж - плотность жидкости 3; g = 9,81 м/с2 - физическая константа. Физически условие (1) означает, что можно пренебречь перепадом давления между зеркалом жидкости в сосуде 1 и зеркалом жидкости в сосуде 2, что при равновесном положении зеркала жидкости в сосуде 1 (H=const) позволяет записать Pг=Pатм; Pг= Pг-Pатм= 0 (2), где Pг - давление в газовой подушке сосуда 1, Pг - перепад давления между газовыми подушками сосудов 1 и 2. При известном значении Pатм и свойствах жидкости 3 условие (1) налагает ограничения на геометрию элементов 1, 2 и 4 заявленного устройства. 2. При работе устройства выполняется условие ж г; (ж/г)min 1 (3), где ж - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора 7 к полости сосуда 1 через смоченную часть поверхности 8, т.е. через часть поверхности 8, контактирующую с жидкой фазой; г - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора 7 к полости сосуда 1 через несмоченную часть поверхности 8, т.е. через часть поверхности 8, контактирующую с газовой фазой; (ж/г)min - наименее возможное значение величины ж/г. Справедливость соотношений (3) для большинства практически важных случаев подтверждается данными работы [3]. Физически условие (3) означает, что при соизмеримых площадях смоченной и несмоченной частей поверхности 8, а также при соизмеримых перепадах температур между этими частями и полостью сосуда 1 теплообменом на несмоченной части поверхности 8 можно пренебречь по сравнению с теплообменом на смоченной части поверхности 8. 3. Для вещества, находящегося в полости сосуда 1, справедливо условие F0 = amin/H1 max2 > 1 (4), где amin - наименьший коэффициент температуропроводности вещества в полости сосуда 1; tx - характерное время изменения внешних условий для вещества в полости сосуда 1, например, период колебания величин Q1 и Q2; F0 - критерий Фурье. Физически условие (1) означает, что процесс теплообмена между полостью сосуда 1 и окружающей эту полость средой можно рассматривать как квазистационарный, т. е. как набор ряда последовательных стационарных процессов. Это позволяет, в частности, рассматривать, зеркало жидкости в сосуде 1 в каждый конкретный момент времени как неподвижное (H=const), что в совокупности с принятым допущением 1 позволяет считать соотношение (2) справедливым для газовой подушки сосуда 1. При заданных конструкции сосуда 1 и аккумулятора 7, а также свойствах вещества в сосуде 1, соотношение (4) налагает ограничения на циклограмму функционирования генератора 6 и потребителя 14. 4. Для вещества, находящегося в полости сосуда 1, справедливо условие Bi= min/maxHmax 1 (5), где min - наименьший коэффициент теплопроводности вещества в полости сосуда 1; max - наибольший коэффициент теплоотдачи на границах полости сосуда 1 между полостью сосуда 1 и окружающей этот сосуд средой; Bi - критерий Био. Физически условие (5) в совокупности с условием (4) означает, что в каждый конкретный момент времени температура T1 вещества, находящегося в полости сосуда 1, одинакова для всех точек этой полости T1=const (6). При заданных конструкции сосуда 1 и аккумулятора 7, а также свойствах вещества в сосуде 1, условие (5) налагает ограничения на величину max, характеризующую интенсивность тепловых потоков Q1 и Q2, т.е. на тепловую мощность генератора 6 и потребителя 14. 5. Для аккумулятора 7 справедливо условие, аналогичное условию 8, где min и max - соответственно величины, характеризующие свойства и граничные условия материала аккумулятора 7. Это позволяет в каждый конкретный момент времени для температуры T7 произвольной точки аккумулятора 7 (в том числе для поверхности 8) считать T7=const (7). Как и в случае допущения 4, допущение 5 налагает ограничения на тепловую мощность генератора 6 и потребителя 14. 6. Величина теплового потока Q2 имеет следующий рабочий диапазон изменения Q2 min> г maxTmaxS = Qг max ; (8) Q2 max< ж minTminS = Qж min (9), где S - полная площадь поверхности 8; Q2 min и Q2 max - соответственно нижняя и верхняя границы диапазона изменения величины Q2; г max - максимально возможное значение величины г; ж min - минимально возможное значение величины ж; Tmax - максимальный перепад температур между поверхностью 8 и полостью сосуда 1; Tmin - минимальный перепад температур между поверхностью 8 и полостью сосуда 1; Qг max - максимальное значение величины Q при полностью не смоченной поверхности 8; Qж min - минимальное значение величины Q при полностью смоченной поверхности 8. Величина Tmax определяется верхней границей диапазона изменения температуры T7 (T7 max): Tmax= T7 max-Tзад (10). Величина T7 max зависит от свойств конструктивных материалов аккумулятора 7 и сосуда 1, свойств вещества в сосуде 1, характеристик генератора 6 и потребителя 14. Соотношение 11 при заданных конструкции сосуда 1 и аккумулятора 7, а также свойствах вещества в сосуде 1 налагает ограничения на величину Q2 min. Соотношение 12 при заданных конструкции сосуда 1 и аккумулятора 7, а также характеристиках потребителя 14 налагает ограничения на нижнюю границу диапазона изменения температуры T7 (T7 min): T7 min= Tзад+Tmin (11). Преобразуя соотношения (8) и (9), имеем. (12). Для обеспечения функционирования заявляемого устройства необходимо одновременное выполнение условий: Qmax/Qmin > 1; Tmax/Tmin> 1 (13). Сравнительный анализ соотношений (12), (13) и (3) позволяет сделать вывод, что рассматриваемое допущение не противоречит допущению 2, справедливость которого показана выше, и может быть принято при дальнейшем рассмотрении. Физически совокупность соотношений (8) и (9) означает, что при изменении величины Q2 и T7 в рабочих диапазонах равенство тепловых потоков, поступающих в полость сосуда 1 и отводимых из этой полости (Q = Q2) может иметь место только при условии: O<S<S; O<HФормула изобретения
Электроводонагреватель накопительного типа, содержащий накопитель тепловой энергии, включающий электронагревательный элемент, размещенный в основном сосуде, полость которого целиком заполнена жидкостью и паром этой жидкости, вспомогательный сосуд, нижняя точка полости которого гидравлически связана с нижней точкой основного сосуда, а верхняя сообщена с атмосферой, а также теплообменный элемент, контактирующий с накопителем тепловой энергии, и подключенные к нему трубопроводы холодной и горячей воды, отличающийся тем, что накопитель тепловой энергии дополнительно включает в себя аккумулятор тепла, в котором размещены электронагревательный элемент и датчик температуры, сигнал которого через логическое устройство управляет работой электронагревательного элемента, и смеситель, к которому подключены через регуляторы расхода трубопроводы холодной и горячей воды и выходной водопровод, а теплообменный элемент выполнен в виде рекуперативного теплообменника.РИСУНКИ
Рисунок 1