Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ НАКОПИТЕЛЬНОГО ТИПА
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ НАКОПИТЕЛЬНОГО ТИПА

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ НАКОПИТЕЛЬНОГО ТИПА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2135904
Класс(ы) патента: F24H1/20, F24H7/02
Номер заявки: 98110801/06
Дата подачи заявки: 15.06.1998
Дата публикации: 27.08.1999
Заявитель(и): Лапицкий Владимир Иванович; Новиков Артур Витальевич; Новиков Виталий Иванович; Томак Виктор Иванович
Автор(ы): Лапицкий В.И.; Новиков А.В.; Новиков В.И.; Томак В.И.
Патентообладатель(и): Лапицкий Владимир Иванович; Новиков Артур Витальевич; Новиков Виталий Иванович; Томак Виктор Иванович
Описание изобретения: 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 maxжg ≅ Pзад (1),
где ρж - 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; ΔPг= Pг-Pатм= 0 (2), где Pг - давление в газовой подушке сосуда 1, ΔPг - 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 αж≫ αг; (αжг)min≫ 1 (3), где αж - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора 7 к полости сосуда 1 через смоченную часть поверхности 8, т.е. через часть поверхности 8, контактирующую с жидкой фазой; αг - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора 7 к полости сосуда 1 через несмоченную часть поверхности 8, т.е. через часть поверхности 8, контактирующую с газовой фазой; (αжг)min - наименее возможное значение величины αжг.
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= λminmaxHmax≫ 1 (5), где λmin - наименьший коэффициент теплопроводности вещества в полости сосуда 1; αmax - 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 αmax, 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 λmin и αmax - 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> αг maxΔTmaxS = Qг max ; (8) Q2 max< αж minΔTminS = Qж min (9), где S - полная площадь поверхности 8; Q2 min и Q2 max - соответственно нижняя и верхняя границы диапазона изменения величины Q2; αг max - максимально возможное значение величины αг; αж min - минимально возможное значение величины αж; ΔTmax - максимальный перепад температур между поверхностью 8 и полостью сосуда 1; ΔTmin - 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 ΔTmax определяется верхней границей диапазона изменения температуры T7 (T7 max): ΔTmax= 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+ΔTmin (11).
Преобразуя соотношения (8) и (9), имеем. (12).
Для обеспечения функционирования заявляемого устройства необходимо одновременное выполнение условий: Qmax/Qmin > 1; ΔTmax/ΔTmin> 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<H>1 max (14), где Sж - площадь смоченной части поверхности 8.
7. Газовая подушка в полости сосуда 1 состоит только из паров жидкости 3.
Физически это условие означает, что при T1<T>зад произойдет полная конденсация газовой подушки в сосуде 1, и сосуд 1 будет целиком заполнен жидкой фазой вещества 3, т.е. будет выполнено условие Sж = S; H = Hmax(15).
Рассматриваемое допущение при заданной конструкции сосуда 1 и характеристиках потребителя 10 накладывает ограничение на объем сосуда 2 V2, который должен обеспечить заправку жидкостного 3 объема сосуда 1 V1: V2 > V1(16).
Выполнение условия (16) обеспечит непопадание газа из газовой подушки сосуда 1 в газовую подушку сосуда 2 при функционировании заявляемого устройства.
8. Для Tзад выполняется условие Tпл < Tзад ≅ Tкр (17), где Tпл и Ткр - соответственно температура плавления и критическая температура вещества 3. Это условие является очевидным следствием введенного выше определения величины Tзад.
Условие (17) при заданных свойствах вещества в сосуде 1 ограничивает значение величины Tзад.
9. Для величины Q1 и Q2 справедливо ∫t0t0+t1 (Q2 - Q1) dt ≅ C7(T7 max - T7 min)(18), ∫t0t0+t1 (Q2 - Q1)dt ≥ 0 (19), где t - текущее время; t0 - момент времени, когда T7 = T7 max; t1 - произвольный период времени; C7 - теплоемкость аккумулятора 7;
Физически условия (18) и (19) с учетом допущения 5 означают, что при начальном условии T7 = T7 max, а также при функционировании генератора 6 и потребителя 14 в расчетном режиме температура T7 не может выйти за пределы своего рабочего диапазона T7=T7 min oC T7 max.
Условия (18) и (19) при заданных характеристиках элемента 6 и потребителя 14 накладывают ограничения на величину C7.
Принимая величину t0 за нулевую точку отсчета, t1 - за характерное время tx, при заданных Q2 max и нижней границе диапазона изменения величины Q1(Q1 min), из условия (18) получаем выражение для определения величины C7, которая гарантировано обеспечит выполнение этого условия C7 ≥ (Q2 max - Q1 min)tx/T7 max - T7 min(20).
Условие (22) при известных характеристиках потребителя 14 накладывает ограничение на потребную тепловую мощность Mт элемента 6.
В частности, условие Mт ≥ Q2 max(21), при непрерывной работе элемента 6 гарантированно обеспечит выполнение условия (19).
Поскольку каждое из рассматриваемых допущений технически выполнимо и не противоречит физике рассматриваемого процесса, система допущений 1-9 может быть принята при дальнейшем анализе.
В соответствии с допущением 3 для вещества, находящегося в полости сосуда 1, процесс теплообмена с окружающей средой рассматривается как квазистационарный, что позволяет для каждого конкретного момента времени записать условие теплового баланса для этого вещества в виде Q = Q2 (22), а условие равновесия зеркала жидкости в полости сосуда 1 записать в виде H=const (23).
В соответствии с допущением 9 можно записать: T7 min ≅ T7 ≅ T7 max(24).
Допущение 6 с учетом соотношений (21) и (24) позволяет сделать вывод о гарантированном наличии в верхней точке полости сосуда 1 газовой фазы, а в нижней точке полости сосуда 1 - жидкой фазы.
С учетом допущения 7 газовая подушка в полости сосуда 1 состоит из паров жидкости 3, находящихся в состоянии фазового равновесия с жидкой фазой, т.е. из насыщенных паров жидкости 3.
По данным работы [4] состояние насыщения паров жидкости, при известном химическом составе этой жидкости, определяет однозначную монотонную - возрастающую зависимость равновесной температуры этих паров от их давления.
Для давления Pг в газовой подушке сосуда 1, с учетом допущения 1 и соотношения (23), можно считать справедливыми соотношениями (2).
Отсюда, с учетом допущения 8 для температуры газовой подушки сосуда 1 Tг можно записать: Tг = Tзад(25).
Допущение 4 позволяет распространить соотношение (25) на всю полость сосуда 1 и записать для произвольной точки этой полости: T1=Tг=const= Tзад(26).
Соотношение (26) фактически означает, что при выполнении принятых допущений и соответствующих им ограничений заявляемое устройство действительно обеспечивает автоматическое терморегулирование вещества, находящегося в полости сосуда 1, т.е. поддерживает постоянную заданную температуру этого вещества при переменных значениях Q1 и Q2.
Температура воды на выходе из теплообменника 12 определяется как его конструкцией, так и величиной расхода воды через теплообменник 12. Как показано в работе [5], при достаточно больших значениях площади стенки, разделяющей нагреваемый поток воды и полость сосуда 1, а также теплопроводности этой стенки практически всегда может быть обеспечено выполнение условия: T1-Tвых≅ ΔTвых (27), где Tвых - температура воды на выходе из теплообменника 12; ΔTвых - заданная конечная величина, характеризующая допустимую погрешность поддержания величины Tвых.
Соотношение (27) фактически означает, что с точностью ΔTвых можно считать Tвых=T1=const (28), т.е. заявляемое устройство обеспечивает поддержание постоянной температуры Tвых при переменных значениях Q1, Q2 и T7.
Температура воды на выходе из смесителя 10 (на входе к потребителю 14) T14 определяется температурами потоков воды через элементы 11 и 13, а также соотношением расходов этих потоков [5] , которое остается постоянным при неизменной настройке элементов 11 и 13 [6]. При этом величина T14 не зависит от суммарного расхода воды через смеситель 10 QΣ, т.е. от настройки элемента 15. Следовательно, при постоянной температуре воды во входном водопроводе 9 T9 с учетом соотношения (28) можно записать: T14=const, при T7=var; QΣ =var.
Очевидно, что при данной схеме подключения возможность регулирования величины T14 ограничена пределами T9 ≅ T14 ≅ T1 (30), где крайние случаи реализуются при полностью закрытых элементах 11 или 13.
Соотношение (29) фактически означает, что заявленное устройство действительно является автоматическим в том смысле, что оно обеспечивает поддержание постоянной заданной температуры воды, поступающей к потребителю.
Таким образом, можно считать работоспособность заявленного устройства доказанной, а само устройство - отвечающим критерию "новизна".
Анализ конструкций существующих электроводонагревателей не позволил выявить в них черты, отличающие заявляемое устройство от прототипа.
Таким образом, заявленное устройство отличает критерию "существенные отличия".
Источники информации
1. Краткая энциклопедия домашнего хозяйства/ под ред. И.М. Терехова. -М. : Советская энциклопедия, 1988, с. 18.
2. Авторское свидетельство СССР N 687320, МКИ F 24 H 1/20, 25.09.1979.
3. Справочник машиностроителя /под ред. Н.С. Ачеркана. -М.: Машгиз, 1960, Т.2, с.214.
4. Справочник машиностроителя /под ред. Н.С.Ачеркана. -М.: Машгиз, 1960, Т.2, с.89.
5. Справочник машиностроителя /под ред. Н.С. Ачеркана. -М.: Машгиз, 1960, Т.2, с. 239 - с. 243.
6. Справочник машиностроителя /под ред. Н.С. Ачеркана. -М.: Машгиз, 1960, Т.2, с. 649 - с. 651.
Формула 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.