Патент на изобретение №2311594

Изобретение относится к оборудованию для автономного водяного отопления и горячего водоснабжения отдельных квартир, жилых домов и других помещений объемом до 600 кубометров от электрического источника энергии.

Известен электродный нагреватель жидкости (1) проточного типа, позволяющий нагревать воду для автономного отопления или горячего водоснабжения. Аналог содержит корпус с подводящим и отводящим патрубками, размещенный внутри корпуса подвижный конический электрод и элемент регулировки мощности путем изменения положения подвижного электрода относительно корпуса. Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного нагрева жидкости теплоносителя в системе отопления и холодной воды для горячего водоснабжения.

Наиболее близким известным техническим решением являются отопительные электрические котлы фирмы Protherm (2). Прототип содержит вертикальный цилиндрический теплообменник, внутри которого циркулирует жидкость-теплоноситель, а снаружи под корпусом на теплообменнике размещены электронагревательные элементы /ТЭНы/. Теплообменник снабжен термодатчиком безопасности, отключающим через контактор питание ТЭНов при достижении критического уровня температуры. Кроме того, в состав прототипа входит термодатчик с ручной установкой пользователем котла температуры срабатывания для обеспечения требуемой температуры обогрева помещения. С целью подогрева воды для горячего водоснабжения в прототипе используется дополнительный теплообменник /бойлер/, что существенно усложняет конструкцию котла и ведет к увеличению массогабаритных характеристик. Кроме того, существенным недостатком прототипа является наличие энергопотерь вследствие косвенного нагрева теплоносителя и подогрева воды через корпуса теплообменников от внешних ТЭНов.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и улучшение массогабаритных характеристик прототипа при снижении непроизводительных энергопотерь. Для решения поставленной задачи предлагается электрический котел для автономного отопления и горячего водоснабжения, содержащий корпус, размещенный в корпусе теплообменник, электронагреватели жидкости, подводящий и отводящий патрубки, датчик рабочей температуры с элементом установки, управляющий силовыми ключами подачи питания на электронагреватели, а также датчик предельной температуры, управляющий контактором сетевого напряжения. Электронагреватель жидкости выполнен проточным электродным и размещен во внутренней полости котла, подводящий патрубок этого электронагревателя выведен через дно корпуса и присоединен к вентилю подачи теплоносителя и байпасному вентилю подачи холодной воды, к отводящему патрубку этого электронагревателя присоединен через изолирующий патрубок вход теплообменника, выход теплообменника соединен через второй изолирующий патрубок с байпасным вентилем отвода горячей воды, теплообменник снабжен неподвижным электродом для регулировки тока подогрева воды в полости котла, а взаимодействующий с этим электродом подвижный электрод соединен с корпусом котла и оснащен элементами регулировки его положения относительно неподвижного электрода, кроме того, корпус котла снабжен снизу тройником с подключенными к нему байпасным вентилем и вентилем подачи холодной воды, а сверху корпус котла снабжен вторым тройником с подключеными к нему байпасным вентилем и вентилем отвода горячей воды, причем теплообменник с неподвижным электродом снабжен изолированным фазным проводником для подачи тока. Устройство регулировки положения подвижного электрода, введенного в полость котла, содержит коромысло с подпружиненным левым плечом и фигурным правым плечом с закрепленным на нем подвижным электродом, причем правое плечо опирается на введенный в устройство магнитный упор, связанный через неферромагнитную стенку корпуса котла с подвижным магнитом, размещенным на лицевой стенке корпуса и снабженным ручкой для перемещения магнита с целью регулировки тока электронагревателя воды, причем коромысло соединено осью с проушиной на внутренней стенке корпуса котла. Передняя стенка корпуса котла оснащена съемной герметичной крышкой, на которой размещены подвижный электрод нагревателя жидкости в полости котла и элементы устройства регулировки положения подвижного электрода. Датчик предельной температуры и датчик рабочей температуры с элементом установки ее значения выполнены в единой конструкции, содержащей закрепленный на верхней стенке корпуса котла кожух с ввернутыми в него двумя ходовыми винтами с ручками регулировки положения введенных в устройство концевых выключателей, размещенных под кожухом и связанных с двухплечим рычажком, присоединенным к подвижному концу дилатометра, в частности, заполненной термометрической жидкостью анероидной коробки, размещенной под теплоизолирующим колпаком, причем неподвижный конец дилатометра выполнен теплопроводным и присоединен к верхней стенке корпуса котла.

Структура предлагаемого устройства приведена на Фиг.1, на Фиг.2 показан разрез котла по горизонтальной плоскости с элементами электродного нагревателя воды для горячего водоснабжения, на Фиг.3 показана схема блока управления с подключением электрических элементов и автоматики котла, а на Фиг.4 приведена конструкция двухпорогового датчика температуры для устройства Фиг.1. На Фиг.5 показана съемная крышка передней стенки корпуса с размещенными на ней элементами регулировки тока в полости котла.

Электрический котел содержит металлический корпус 1 с патрубками 2 и 3, к которым присоединены вентили 4, 5 и 6, 7 соответственно. В корпус 1 введен электродный нагреватель жидкости (1), подводящий патрубок 9 которого соединен с тройником 10, а отводящий патрубок 11 нагревателя 8 соединен через изолирующий патрубок 12 с теплообменником 13. Выход теплообменника 13 соединен через изолирующий патрубок 14 с тройником 15, к которому присоединены вентили 5 и 16. К тройнику 10 присоединены вентили 7 и 17. Корпус 1 снабжен проводником 18 для подачи нулевого потенциала электропитания котла, а теплообменник 13 снабжен проводником 19, размещенным в изолирующей втулке 20 и имеет электрод 21 для обеспечения регулировки тока подогрева воды в полости 22 котла. Кроме того, нагреватель 8 имеет элемент 23 регулировки тока через жидкость – теплоноситель и проводник 24 для подачи напряжения питания. В верхней части корпуса 1 размещен двухпороговый датчик 25 температуры с элементом 26 установки рабочей температуры котла (сигнал U₁) и с выходом сигнала U₀ на отключение питания электронагревателей при достижении критического значения температуры котла.

За счет повышенной пожаробезопасности электродных нагревателей, заключающейся в отсутствии нагрева без жидкости между электродами, возможны шесть пожаробезопасных вариантов работы предлагаемого котла.

Вариант 1. Нагрев теплоносителя для отопления и воды для горячего водоснабжения. Байпасные вентили 5 и 7 закрыты, остальные вентили открыты. Обеспечивается раздельная циркуляция и нагрев теплоносителя через элементы 8…17 и воды через элементы 3, 6, 22, 2, 4. Саморазогрев корпусов нагревателя 8 и теплообменника 13 используются для подогрева воды в полости 22.

Вариант 2 /инверсный режим/. Нагрев теплоносителя для отопления и воды для горячего водоснабжения. Байпасные вентили 5 и 7 закрыты, остальные вентили открыты. Обеспечивается раздельная циркуляция и нагрев воды через элементы 8…17 и теплоносителя через элементы 3, 6, 22, 2, 4. Саморазогрев корпусов нагревателя 8 и теплообменника 13 используются для подогрева теплоносителя в полости 22. Этот режим целесообразен при большом расходе горячей воды или при значительном давлении холодной воды на входе котла, поскольку позволит избежать утолщения стенок корпуса ограничившись устойчивостью к повышенному давлению элементов 8…17.

Вариант 3. Нагрев только теплоносителя для системы отопления. Вентили 4 и 6 закрыты, остальные вентили открыты. Обеспечивается нагрев теплоносителя как в нагревателе 8, так и в полости 22 котла, куда теплоноситель поступает через вентиль 7 и отводится вентилем 5. Саморазогрев корпуса нагревателя 8 используется для подогрева теплоносителя в полости 22.

Вариант 4. Нагрев только воды для горячего водоснабжения. Вентили 16 и 17 закрыты, остальные вентили котла открыты. Обеспечивается нагрев воды как в полости 22, так и в нагревателе 8, куда вода поступает из вентиля 7 и отводится через элементы 11…16. Саморазогрев корпуса нагревателя 8 используется для подогрева воды в полости 22

Вариант 5. Нагрев только теплоносителя или только воды при отсутствии воды в полости 22. Байпасные вентили 5 и 7 закрыты, вентили 16 и 17 открыты, состояние вентилей 4 и 6 любое. Пожаробезопасность устройства не ухудшена.

Вариант 6. Нагрев только воды или только теплоносителя в полости 22 при отсутствии жидкости в элементах 8…15. Вентили 5 и 7 закрыты, вентили 4 и 6 открыты, состояние вентилей 16 и 17 любое. Пожаробезопасность устройства не ухудшена.

В электрической цепи подогрева воды в полости 22 с электродом 21 взимодействует подвижный электрод 27 (см. Фиг.2), размещенный на правом плече коромысла 28, электрически соединенного с корпусом 1. Коромысло 28 закреплено в проушине 29 осью 30. Левое плечо 31 коромысла находится под действием пружины 32, обеспечивающей возврат электрода 27 в исходное положение, показанное на Фиг.2. Правое плечо 28 коромысла опирается на магнитный упор 33, свободно скользящий в направляющей 34 (типа «ласточкин хвост»). Положение магнитного упора 33 зависит от положения магнита 35, размещенного снаружи корпуса 1 в направляющей 36, аналогичной направляющей 34. Магнит 35 оснащен ручкой 37 для ручной регулировки пользователем котла тока подогрева воды в полости 22. Магнит 35 воздействует через неферромагнитную стенку корпуса 1 на упор 33, увлекая его за собой. В крайнем левом положении ручки 37 и магнита 35 зазор между электродами 21 и 27 максимален, ток через нагреваемую воду минимален. При крайнем правом положении ручки 37 и магнита 35 зазор между электродами 21 и 27 минимален, а ток через воду максимален.

Структура блока управления и его связи с электрическими элементами котла приведены на Фиг.3. Блок содержит контактор 38 с обмоткой 39, блокировочным контактом 40, элементами включения 41 и выключения 42. Элемент 43 (реле) с контактной группой 44 обеспечивает разрыв цепи питания обмотки 39 контактора 38 при повышении температуры корпуса 1 до критического значения (сигнал U₀). Подачу тока питания на элементы 8, 21 и 27 производят через силовые ключи 45, 46 и амперметры 47 и 48. Ключи 45, 46 замкнуты при температуре корпуса 1, меньшей рабочей температуры, заданной элементом 26, и разомкнуты при температуре корпуса 1, большей заданной рабочей температуры (сигнал U₁).

Управление элементами 43, 45 и 46 обеспечивается двухпороговым датчиком температуры, Фиг.4. Датчик содержит элемент 26 установки значения рабочей температуры, элемент 49 регулировки предельной /критической/ температуры котла, ходовые винты 50, ввернутые в кожух 51, концевые выключатели 52 и 53, перемещаемые по вертикали винтами 50, двухплечий рычаг 54, присоединенный к подвижному выступу 55 дилатометра /анероидной коробки/ 56, заполненной термометрической жидкостью 57. Неподвижный теплопроводящий выступ 58 /теплоотвод/ коробки 56 присоединен к верхней стенке корпуса 1. Коробка 56 закрыта теплоизолирующим колпаком 59. С помощью элементов 26 и 49 через винты 50 обеспечивается установка температуры срабатывания элементов 52 и 53. При повышении температуры корпуса 1 нагревается верхняя стенка корпуса, что ведет к подогреву жидкости 57 – выступ 55 перемещается вверх и воздействует на выключатели 53 и 52 и наоборот.

Для упрощения сборки и ремонтопригодности на передней стенке корпуса котла предусмотрена съемная крышка 60 /см. Фиг.5/. На внутренней стенке крышки 60, герметично привернутой к передней стенке 61 корпуса 1 котла винтами 62, размещены элементы 27…34, а на наружной стенке крышки 60 размещены элементы 35…37 устройства, Фиг.2. Ручка 37 перемещается вместе с магнитом 35 по прорези 63 в направляющей 36, чем обеспечивается изменение зазора между электродами 21 и 27 и тока через жидкость в полости 22 котла.

По сравнению с прототипом (2) предложенное техническое решение обладает следующими преимуществами:

– более простая и компактная конструкция за счет двойной функциональной нагрузки элементов 1, 8, 13, 21;

– меньшее энергопотребление и большая пожаробезопасность за счет прямого нагрева жидкости электрическим током.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент России №2189542. Электродный нагреватель жидкости.

2. Проспект электрических котлов фирмы Protherm.

Формула изобретения

1. Электрический котел для автономного отопления и горячего водоснабжения, содержащий корпус, размещенный в корпусе теплообменник, электронагреватели жидкости, подводящий и отводящий патрубки, датчик рабочей температуры с элементом установки, управляющий силовыми ключами подачи питания на электронагреватели, а также датчик предельной температуры, управляющий контактором сетевого напряжения, отличающийся тем, что электронагреватель жидкости выполнен проточным электродным и размещен во внутренней полости котла, подводящий патрубок этого электронагревателя выведен через дно корпуса и присоединен к вентилю подачи теплоносителя и байпасному вентилю подачи холодной воды, к отводящему патрубку этого электронагревателя присоединен через изолирующий патрубок вход теплообменника, выход теплообменника соединен через второй изолирующий патрубок с байпасным вентилем отвода горячей воды, теплообменник снабжен неподвижным электродом для регулировки тока подогрева воды в полости котла, а взаимодействующий с этим электродом подвижный электрод соединен с корпусом котла и оснащен элементами регулировки его положения относительно неподвижного электрода, кроме того, корпус котла снабжен снизу тройником с подключенными к нему байпасным вентилем и вентилем подачи холодной воды, а сверху корпус котла снабжен вторым тройником с подключеными к нему байпасным вентилем и вентилем отвода горячей воды, причем теплообменник с неподвижным электродом снабжен изолированным фазным проводником для подачи тока.

2. Котел по п.1, отличающийся тем, что устройство регулировки положения подвижного электрода, введенного в полость котла, содержит коромысло с подпружиненным левым плечом и фигурным правым плечом с закрепленным на нем подвижным электродом, причем правое плечо опирается на введенный в устройство магнитный упор, связанный через неферромагнитную стенку корпуса котла с подвижным магнитом, размещенным на лицевой стенке корпуса и снабженным ручкой для перемещения магнита с целью регулировки тока электронагревателя воды, причем коромысло соединено осью с проушиной на внутренней стенке корпуса котла.

3. Котел по п.1, отличающийся тем, что передняя стенка корпуса котла оснащена съемной герметичной крышкой, на которой размещены подвижный электрод нагревателя жидкости в полости котла и элементы устройства регулировки положения подвижного электрода.

4. Котел по п.1, отличающийся тем, что датчик предельной температуры и датчик рабочей температуры с элементом установки ее значения выполнены в единой конструкции, содержащей закрепленный на верхней стенке корпуса котла кожух с ввернутыми в него двумя ходовыми винтами с ручками регулировки положения введенных в устройство концевых выключателей, размещенных под кожухом и связанных с двухплечим рычажком, присоединенным к подвижному концу дилатометра, в частности, заполненной термометрической жидкостью анероидной коробки, размещенной под теплоизолирующим колпаком, причем неподвижный конец дилатометра выполнен теплопроводным и присоединен к верхней стенке корпуса котла.

РИСУНКИ