RU2165053C1

RU2165053C1 - Electrical water heater

Info

Publication number: RU2165053C1
Application number: RU99120629A
Authority: RU
Inventors: В.В. Кузнецов; В.Н. Сокольский
Original assignee: Кузнецов Виталий Васильевич; Сокольский Валерий Николаевич
Priority date: 1999-09-23
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2001-04-10

Abstract

FIELD: water supply systems; three-phase electrical heaters; heating of water. SUBSTANCE: water heater has metal reservoir with valve-type cold water inlet pipe union located at the top; reservoir is null electrode; it is made in form of three compartment communicating at the top at the bottom; each compartment is provided with rod- type phase electrode secured coaxially on holder. Innovation of invention consists in availability of valve-type cold water outer pipe union, mixer connected with cold water pipe union and with hot water outlet pipe union; their total sectional area is lesser than section of water inlet pipe union by 10 to 20%. Besides that, heater is provided with electric circuit for monitoring water level in reservoir including high and low level sensors whose end faces lie in axial lines of cold and hot water outlet pipe unions; sensor are connected to two-input gate circuit whose two outputs are loaded by light-emitting diodes. EFFECT: improved operational characteristics due to smooth regulation of water temperature at constant flow rate; possibility of water level monitoring. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области водоснабжения, в частности к конструкции электрических нагревателей воды. The invention relates to the field of water supply, in particular to the design of electric water heaters.

Горячая вода необходима во многих сферах производства, включая и сельское хозяйство, и быта. Особенно это важно для потребителей при отсутствии централизованного снабжения горячей водой. Hot water is needed in many areas of production, including agriculture and everyday life. This is especially important for consumers in the absence of a centralized supply of hot water.

Известны различные типы нагревателей воды электрических: а) на базе элементов электрических сопротивлений, так называемых ТЭНов и б) на базе пропускания электрического тока через воду, при этом вода выступает в двойном качестве - нагревающего элемента и нагреваемого тела потребления. Именно в этом заключается большое преимущество, т.к. при этом коэффициент полезного действия достигает 98%, тогда как нагреватели с ТЭНами имеют КПД не более 75-80%. Various types of electric water heaters are known: a) based on the elements of electrical resistance, the so-called heating elements and b) based on the transmission of electric current through the water, while the water acts in dual quality - the heating element and the heated consumption body. This is a great advantage, because while the efficiency reaches 98%, while heaters with heating elements have an efficiency of not more than 75-80%.

Наиболее близким аналогом заявленного нагревателя, выбранного в качестве прототипа, является конструкция трехфазного электрического нагревателя, содержащая металлическую емкость, выполненную из металлических труб, соединенных последовательно и сообщающихся друг с другом в верхней и нижней частях. При этом холодная вода подается снизу, а горячая выпускается сверху. Каждая труба содержит аксиальный стержневой фазовый электрод, а сама емкость является электродом нулевой фазы и заземляется. Температура воды в этом нагревателе достигает 80^oC не более чем за 10 минут при расходе воды около 600 л/час (1. Информ. листок N 18/273, Укрпромконструктор, Киев, 1960). Эти параметры подтверждены нашими испытаниями. Основными недостатками прототипа является то, что температура воды на выходе всегда остается неизменной при данном расходе воды. Регулировку воды на выходе осуществляют только степенью открытия входного крана. Это очень невыгодно, т.к. при снижении температуры, например, до 40^oC нужно почти вдвое увеличить расход воды, что не всегда возможно (слабый напор в водопроводе, некуда девать нагретую воду и т.д.). Осуществление регулировки температуры другими способами, например применением электрических регуляторов - автотрансформаторов или реостатов, экономически невыгодно особенно при потреблении энергии в несколько десятков кВт, т. к. такие устройства становятся очень сложными и дорогими. Другим недостатком является отсутствие контроля за уровнем воды в емкости нагревателя. Если входной кран окажется закрытым, становится неизвестным есть ли вода, включен ли нагреватель, готов ли он к работе, что вносит дополнительные неудобства при эксплуатации нагревателя.The closest analogue of the claimed heater, selected as a prototype, is the design of a three-phase electric heater containing a metal tank made of metal pipes connected in series and communicating with each other in the upper and lower parts. In this case, cold water is supplied from below, and hot water is discharged from above. Each tube contains an axial rod phase electrode, and the capacitance itself is a zero phase electrode and is grounded. The water temperature in this heater reaches 80 ^o C in no more than 10 minutes at a water flow rate of about 600 l / h (1. Inform. Leaflet N 18/273, Ukrpromkonstruktor, Kiev, 1960). These parameters are confirmed by our tests. The main disadvantages of the prototype is that the water temperature at the outlet always remains unchanged at a given water flow. The adjustment of the outlet water is carried out only by the degree of opening of the inlet tap. This is very disadvantageous, because when the temperature drops, for example, to 40 ^o C, you need to almost double the water flow, which is not always possible (low pressure in the water supply, nowhere to put heated water, etc.). The implementation of temperature control in other ways, for example, the use of electrical controllers - autotransformers or rheostats, is economically disadvantageous especially when the energy consumption is several tens of kW, since such devices become very complex and expensive. Another disadvantage is the lack of control over the water level in the heater tank. If the inlet valve is closed, it becomes unknown whether there is water, whether the heater is turned on, whether it is ready for operation, which introduces additional inconvenience during operation of the heater.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик путем плавной регулировки температуры воды при неизменном ее расходе и контроля верхнего и нижнего уровня воды в емкости нагревателя и включения его в сеть. The technical result of the invention is to increase operational characteristics by continuously adjusting the temperature of the water at a constant flow rate and controlling the upper and lower water levels in the heater's tank and turning it on.

Указанный технический результат достигается тем, что в нагревателе воды электрическом трехфазном содержится металлическая емкость с нижним расположением вентильного штуцера входа холодной воды и с верхним расположением штуцера свободного выхода горячей воды, причем емкость является электродом нулевой фазы и выполнена в виде трех последовательно сообщающихся сверху и снизу отсеков, в каждом из которых соосно размещен стержневой фазовый электрод и закреплен на держателе из изоляционного материала. При этом согласно изобретению емкость нагревателя в нижней части снабжена дополнительным выходным вентильным штуцером холодной воды и смесителем, соединенным с ним, а другой вход смесителя соединен трубопроводом со штуцером выхода горячей воды, при этом суммарное сечение выходного вентильного штуцера холодной воды и штуцера горячей воды на 10-20% меньше сечения вентильного штуцера входа холодной воды; кроме того, нагреватель снабжен схемой контроля уровня воды, содержащей датчики верхнего и нижнего уровня воды, расположенные своими рабочими торцами на осевых линиях выходных штуцеров горячей и холодной воды, двухвходовую ключевую схему с двумя выходами, при этом ко входам схемы подключены датчики уровней, а выходы нагружены светодиодами. The specified technical result is achieved in that a three-phase electric water heater contains a metal container with a lower location of the cold water inlet valve fitting and with an upper location of the hot water free outlet fitting, the container being a zero phase electrode and made in the form of three successively communicating compartments from above and below , in each of which a rod phase electrode is coaxially placed and mounted on a holder made of insulating material. Moreover, according to the invention, the heater capacity in the lower part is equipped with an additional outlet valve for cold water and a mixer connected to it, and the other inlet of the mixer is connected by a pipe to the outlet for hot water, while the total cross section of the outlet valve for cold water and the hot water nozzle is 10 -20% less than the cross section of the valve for cold water inlet; in addition, the heater is equipped with a water level control circuit containing upper and lower water level sensors located at their center ends on the axial lines of the hot and cold water outlet fittings, a two-input key circuit with two outputs, while level sensors are connected to the inputs of the circuit, and the outputs loaded with LEDs.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показал, что заявленный нагреватель отличается наличием дополнительного выходного штуцера холодной воды и смесителем холодной и горячей воды, при этом стало возможно плавно регулировать температуру воды при неизменном ее расходе, а также наличием схемы контроля уровней воды, что соответствует критерию "новизна". A comparative analysis of the claimed technical solution with the prototype showed that the claimed heater is characterized by the presence of an additional outlet fitting for cold water and a mixer of cold and hot water, while it became possible to smoothly control the temperature of the water at a constant flow rate, as well as the presence of a circuit for monitoring water levels, which meets the criterion "novelty".

Сравнение заявленного технического решения не только с прототипом, но и с другими решениями в данной области техники не позволили выявить в них признаки, отличающие заявленное решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень". Comparison of the claimed technical solution not only with the prototype, but also with other solutions in the art did not allow them to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "inventive step".

Тот факт, что заявитель провел сравнительные испытания прототипа и заявленного нагревателя и последний был изготовлен в производстве, указывает на его соответствие критерию изобретения "промышленно применим", как в производстве, так и в эксплуатационных условиях. The fact that the applicant conducted comparative tests of the prototype and the claimed heater and the latter was manufactured in production, indicates its compliance with the criteria of the invention is “industrially applicable”, both in production and in operating conditions.

Изобретение поясняется чертежами на фиг. 1 представлено продольное сечение нагревателя, где 1 - емкость, 2 - вентильный штуцер входа холодной воды, 3 - перегородки металлические, 4 - стержневые электроды, 5 - крышка из изоляционного материала, 6 - крепежный болт, 7 - монтажный отсек, 8 - сетевой кабель, 9 - пакетный выключатель, 10 - сигнальная плата со схемой контроля уровня воды, 11 - выходной штуцер горячей воды, 12 - выходной вентильный штуцер для холодной воды, 13 - смеситель, 14 - трубопровод, 15 - свободный выход смесителя, 16 - датчик верхнего уровня воды, 17 - датчик нижнего уровня воды. The invention is illustrated by the drawings in FIG. 1 shows a longitudinal section of the heater, where 1 is the capacity, 2 is the valve for cold water inlet, 3 is the metal partition, 4 is the rod electrode, 5 is the cover of insulating material, 6 is the mounting bolt, 7 is the mounting compartment, 8 is the network cable 9 - a packet switch, 10 - a signal board with a water level control circuit, 11 - an outlet fitting for hot water, 12 - an outlet valve union for cold water, 13 - a mixer, 14 - a pipeline, 15 - a free exit of a mixer, 16 - a top sensor water level, 17 - the sensor of the lower water level.

На фиг. 2 дана электрическая схема нагревателя, где цифры от 1 до 17 соответствуют конструктивным узлам и элементам под теми же цифрами на фиг. 1; 18 - светодиод красного цвета, 19 - светодиод зеленого цвета, 20 - ключевая схема, 21 - блок питания сигнальной платы. In FIG. 2 shows the electric circuit of the heater, where the numbers from 1 to 17 correspond to the structural units and elements under the same numbers in FIG. 1; 18 - red LED, 19 - green LED, 20 - key circuit, 21 - signal board power supply.

Нагреватель содержит емкость 1, в нижней части которой закреплен вентильный штуцер 2 входа холодной воды. Емкость 1 разделена перегородками 3 на три отсека, последовательно сообщающихся друг с другом, как сверху, так и снизу. Это обеспечивается тем, что перегородки 3 не доходят до крышки 5 и до дна емкости, образуя отверстия с суммарной площадью не менее площади сечений входных и выходных штуцеров емкости, чтобы не создавать дополнительного гидросопротивления потоку воды. На крышке 5 закреплены стержневые электроды 4 так, что они располагаются по осевой линии каждого отсека. Сама крышка 5 крепится через герметичную прокладку к емкости болтами 6, один из которых служит клеммой для заземления - нулевая фаза. На противоположной стороне в верхней части емкости от вентильного штуцера 2 закреплен выходной штуцер вентильный выход холодной воды, который соединен со смесителем 13. Другой вход смесителя соединен трубопроводом 14 со штуцером 11 - выходом горячей воды. На фиг.1 видно, что выход смесителя 15 свободный. The heater contains a container 1, in the lower part of which is fixed the valve fitting 2 of the inlet of cold water. The capacity 1 is divided by partitions 3 into three compartments in series communicating with each other, both from above and from below. This is ensured by the fact that the partitions 3 do not reach the lid 5 and to the bottom of the tank, forming holes with a total area of not less than the cross-sectional area of the inlet and outlet fittings of the tank, so as not to create additional hydraulic resistance to the flow of water. The rod electrodes 4 are fixed on the lid 5 so that they are located along the axial line of each compartment. The lid 5 itself is attached through a sealed gasket to the tank with bolts 6, one of which serves as a grounding terminal - the zero phase. On the opposite side, in the upper part of the tank from the valve fitting 2, a cold water outlet valve is connected, which is connected to the mixer 13. Another mixer input is connected by a pipe 14 to the nozzle 11 - the hot water outlet. Figure 1 shows that the output of the mixer 15 is free.

Над крышкой 5 расположен монтажный отсек 7, в который входит сетевой кабель 8 (380 В). В отсеке 7 также закреплены пакетный выключатель 9 и сигнальная плата со схемой контроля уровня воды 10. Above the cover 5 is a mounting compartment 7, which includes a network cable 8 (380 V). A packet switch 9 and a signal board with a water level control circuit 10 are also fixed in compartment 7.

Схема контроля уровня воды (фиг. 2) состоит из ключевой схемы 20 с двумя входами и двумя выходами. К одному из ее входов подключен датчик 16 верхнего уровня воды, а к другому ее входу - датчик 17 - нижнего уровня воды. Выходы ключевой схемы 20 нагружены светодиодами 18 и 19, соответствующие датчикам 16 и 17. Питание схемы контроля осуществляется от блока питания 21, который связан с одним из фазовых проводов, подключенных к стержням нагревателя. The water level control circuit (Fig. 2) consists of a key circuit 20 with two inputs and two outputs. A sensor 16 of the upper water level is connected to one of its inputs, and a sensor 17 of the lower water level to its other input. The outputs of the key circuit 20 are loaded with LEDs 18 and 19, corresponding to the sensors 16 and 17. The control circuit is powered by a power supply 21, which is connected to one of the phase wires connected to the heater rods.

Нагреватель воды работает следующим образом. Вне зависимости от того есть или нет воды в емкости включают подачу тока, нажимая выключатель 9. При этом, если на сигнальной плате 10 загорается светодиод 19 (красный), то это значит - емкость пуста - рабочий торец датчика 17 на уровне "A" осевой линии штуцера 12, а уровень воды ниже ее и ключевая схема 20 в этом случае включает светодиод 19. Это является сигналом, что вентиль штуцера 2 закрыт и его следует открыть, а вентиль 12 закрыть. При этом уровень воды во всех отсеках емкости начнет повышаться. В момент касания водой датчика 17 ключевая схема срабатывает и выключает светодиод 19. Как только уровень воды коснется торцов фазовых стержней по цепи "сеть - стержни - вода - стенки емкости (нулевая фаза сети)" потечет ток и вода начнет нагреваться. По достижении водой уровня осевой линии "B" штуцера горячей воды она коснется и торца датчика 16, его сигнал поступит на вход ключевой схемы 20, которая сработает и включит светодиод 18 (зеленый), т. е. нагреватель начал работать - по штуцеру 11, трубопроводу 14 вода стекает в смеситель 13 и выходит в выходное отверстие 15. Если температура горячей воды начинает превышать заданное значение, то открывают вентиль штуцера 12, донная холодная вода в емкости начинает поступать в смеситель 13, а на выходе 15 смесителя температура воды станет более низкой. При этом, поскольку вентиль входного штуцера 2 не изменяет своего положения, то на выходе количество воды остается неизменным. Общий расход воды устанавливается и регулируется только вентилем 2. При этом суммарное сечение выходного вентильного штуцера и штуцера 11 выхода горячей воды должно быть на 10 - 20% меньше сечения вентильного штуцера входа холодной воды 2. Такая разница сечений обеспечит непрерывное восполнение расхода нагретой воды, оставляя ее уровень неизменным у крышки емкости. Пределы выбираются из соображений сохранения уровня воды и диапазона регулировки температуры ее. Чем ниже предел, тем уже диапазон регулировки температуры. При 10% это единицы градусов, а свыше 20% регулировка происходит слишком грубо. Наиболее плавная регулировка происходит при 15 - 17% разности сечений. The water heater operates as follows. Regardless of whether or not there is water in the tank, turn on the current supply by pressing switch 9. Moreover, if LED 19 (red) lights up on signal board 10, this means that the tank is empty — the working end of the sensor 17 is at the “A” level axial the line of the nozzle 12, and the water level below it and the key circuit 20 in this case turns on the LED 19. This is a signal that the valve of the nozzle 2 is closed and it should be opened, and the valve 12 should be closed. In this case, the water level in all compartments of the tank will begin to rise. When the water 17 touches the sensor 17, the key circuit activates and turns off the LED 19. As soon as the water level touches the ends of the phase rods along the circuit "network - rods - water - vessel walls (zero phase of the network)", current flows and the water begins to heat up. When the water reaches the level of the center line “B” of the hot water nozzle, it touches the end of the sensor 16, its signal goes to the input of the key circuit 20, which will turn on and turn on the LED 18 (green), that is, the heater began to work - on the nozzle 11, pipe 14 water flows into the mixer 13 and goes into the outlet 15. If the temperature of the hot water begins to exceed the set value, then open the valve of the fitting 12, the bottom cold water in the tank begins to flow into the mixer 13, and at the outlet 15 of the mixer the water temperature will become lower . Moreover, since the valve of the inlet fitting 2 does not change its position, the quantity of water at the outlet remains unchanged. The total water flow rate is set and regulated only by valve 2. In this case, the total cross section of the outlet valve union and the outlet of hot water outlet should be 10 - 20% less than the cross section of the valve valve of the cold water inlet 2. Such a difference in cross sections will ensure continuous replenishment of the heated water flow, leaving its level remains unchanged at the container lid. The limits are chosen for reasons of maintaining the water level and the range of adjustment of its temperature. The lower the limit, the narrower the temperature adjustment range. At 10% these are units of degrees, and over 20% the adjustment is too rough. The most smooth adjustment occurs at 15 - 17% of the difference in cross sections.

Если в процессе эксплуатации по каким-нибудь причинам закроется вентиль штуцера 2 или прекратится поступление воды из магистрали водопровода, то оставшаяся в емкости вода выльется (при открытом кране штуцера 12) ее уровень выйдет из соприкосновения со стержнями, цепь электрическая разорвется и нагреватель автоматически отключится от сети, но останется под напряжением. Как только уровень воды станет ниже уровня "A", датчик 17 выйдет из соприкосновения с водой и загорится светодиод 19 (красный), сигнализируя об отсутствии воды. При закрытом вентиле 12 и отсутствии притока холодной воды через вентиль 2, вода будет испаряться, дойдя даже до кипения, ее уровень будет понижаться, пока он не опустится ниже уровня торцов стержней - нагрев автоматически прекратится. Однако датчик 17 не оголится и светодиод 19 не загорится, т.е. вода в емкости есть. If during operation, for some reason, the valve of the nozzle 2 closes or the flow of water from the water main stops, the water remaining in the tank spills out (with the valve of the nozzle 12 open), its level will come out of contact with the rods, the electric circuit will break and the heater will automatically shut off network, but will remain energized. As soon as the water level falls below level "A", the sensor 17 will come out of contact with water and the LED 19 (red) will light up, indicating the absence of water. When the valve 12 is closed and there is no influx of cold water through the valve 2, the water will evaporate, reaching even a boil, its level will drop until it drops below the level of the ends of the rods - heating will automatically stop. However, the sensor 17 will not be exposed and the LED 19 will not light up, i.e. there is water in the tank.

Таким образом, введение дополнительного вентильного штуцера выхода холодной воды и смесителя позволило при неизменном расходе воды обеспечить плавную регулировку ее температуры, что вместе с введением сигнальной платы со схемой контроля уровня воды в емкости нагревателя привело к повышению эксплуатационных характеристик нагревателя воды. Кроме того, выполнение секторов квадратными и в единой конструкции емкости привело к уменьшению габаритов в 1,25 раза и повысило производительность нагревателя по горячей воде на 25%. Thus, the introduction of an additional valve for the cold water outlet and the mixer made it possible to provide a smooth adjustment of its temperature at a constant water flow rate, which, together with the introduction of a signal board with a circuit for controlling the water level in the heater's tank, led to an increase in the performance of the water heater. In addition, the implementation of the square sectors and in a single tank design led to a decrease in size by 1.25 times and increased the performance of the heater for hot water by 25%.

Claims

A three-phase electric water heater containing a metal container with a lower location of the cold water inlet valve fitting and with an upper location of the free hot water outlet fitting, the tank being a zero-phase electrode and made in the form of three successively communicating compartments from above and below, in each of which coaxially a rod phase electrode is placed and mounted on a holder made of insulating material, characterized in that the container in the lower part is equipped with an additional outlet valve the cold water fitting and the mixer connected to it, while the other inlet of the mixer is connected by a pipe to the hot water outlet fitting, and the total cross section of the outlet cold water outlet fitting and the hot water outlet fitting is 10-20% less than the section of the cold water inlet fitting the heater is equipped with an electric circuit for controlling the water level, containing sensors of the upper and lower water levels, located with their working ends on the axial lines of the outlet fittings of hot and cold water, two odovuyu key circuit with two outputs, wherein the sensors are connected to the inputs of the levels, and outputs its loaded LEDs.