Горячая вода: чем греем. Инновационный способ нагрева воды

Водонагреватели в современном частном доме служат для нагрева холодной воды и поддержания её температуры на определённом уровне, то есть, для горячего водоснабжения - обеспечения его обитателей горячей водой. Водонагреватели могут отличаться ёмкостью, мощностью и источником тепловой энергии, которая в них используется и способом нагрева воды.

В зависимости от источника энергии и способа нагрева воды водонагреватели могут быть:

Водонагреватели электрические

Электрические водонагреватели используют для нагрева воды электроэнергию. Они просты и надёжны и легко могут быть подключены своими руками, поэтому получили широкое распространение. Правда использование таких водонагревателей обходится дороже, относительно газовых, но зато не требует подвода газопровода, получения разрешения и отвода продуктов горения.

Они могут быть как накопительными (электрические бойлеры) так и проточными .

Накопительные (бойлеры).

Электрические водонагреватели накопительного типа или по-другому - бойлеры выполнены в виде ёмкостей различных объемов (от 10 до 200 л), внутри которых установлены электрические ТЭНы разной мощности (от 1,2 до 2,5 кВт). Такие водонагреватели, для предотвращения потерь тепла, изготовляются с двойными стенками и теплоизоляцией, расположенной между внутренней (емкостью для воды) и наружной (корпусом) стенками.

Для предотвращения или уменьшения коррозии ёмкости для воды таких водонагревателей изготавливают из нержавеющей стали, применяют специальное антикоррозионное покрытие или устанавливают в них магниевый анод , который необходимо заменять раз в 2-3 года.

В зависимости от материала, конструкционных отличий, срока службы и производителя изменяется и стоимость водонагревателей.

Практически все виды электрических водонагревателей в своей конструкции имеют терморегулятор , который позволяет задавать и поддерживать определённый уровень температуры воды. Он автоматически включает ТЭНы при снижении температуры и выключает при достижении заданного уровня.

Вода в таких водонагревателях нагревается с различностью скоростью, которая зависит от их объёма и мощности ТЭНа.

По способу крепленияэлектрические обогреватели могут быть настенными и напольными . Последние, это обычно водонагреватели большого объема.

Настенные электрические водонагреватели могут иметь конструктивные особенности и крепиться вертикально или горизонтально или быть универсальными - которые могут устанавливаться в том и другом положении.

По способу подключения к системе водоснабжения электрические водонагреватели могут быть с верхним и нижним подсоединением.

Установка и подключение

Для того, чтобы установить и подключить электрический водонагреватель (бойлер) не требуется брать никаких разрешений. Выполнить его установку и подключение вполне можно самостоятельно, тем более что схема подключения обычно прилагается к любой модели бойлера.

Подключить водонагреватель к системе водоснабжения дома можно с помощью стальных, пластиковых, металлопластиковых труб или гибких шлангов. На трубопроводе подачи холодной воды, желательно, установить фильтр механической очистки воды , для предотвращения попадание твёрдых частиц в бак. Кроме того, если холодная вода, подающаяся из системы, достаточно жёсткая имеет смысл установить фильтр для уменьшения жёсткости воды. Их сейчас много в продаже, разных конструкций. Из-за жёсткости воды может происходить образование накипи на ТЭНах, ухудшения их работы и необходимости частого очищения их.

Крепление настенных электрических водонагревателей накопительного типа (бойлеров) к стене необходимо выполнять при помощи надёжных специальных кронштейнов, которые с запасом прочности смогут выдержать его вес, заполненного водой.

При подключению водонагревателя к электросети, необходимо предусмотреть для него отдельный автомат, соответствующий мощности бойлера и подключить к надёжному заземляющему контуру. Схема подключения к электросети тоже обычно приводится в инструкции по эксплуатации любой модели.

Проточные

Электрические проточные водонагреватели позволяют нагревать воду непосредственно во время протекания её через их конструкцию.

Преимущество таких водонагревателей в том, что они компактны и имеют малый вес. Кроме того, уменьшается время ожидания нагрева воды. Включение проточного электрического водонагревателя происходит во время забора горячей водой, при прекращении которого (закрытии крана) он автоматически выключается.

Недостаток электрических водонагревателей такого типа - большая потребляемая мощность (3 – 27 кВт) при относительно малой производительности. Кроме того, количество водоразборных точек зависит от мощности его нагревательного элемента. Так, например, проточный водонагреватель мощностью 3 кВт способен нагревать дотемпературы 40 °С около трёх литров воды в минуту для одного крана или смесителя. При использовании более мощных устройств (свыше 12кВт), необходимо подключение к дому трехфазной сети электроснабжения.

Проточные электрические водонагреватели могут подключаться к водопроводной сети дома при помощи гибких шлангов, пластиковых или металлопластиковых труб.

Газовые водонагреватели

Газовые водонагреватели осуществляют нагревания воды в системе горячего водоснабжения дома с помощью природного газа. Они более экономичны из-за меньшей стоимости газа по сравнением с электричеством, но могут применяться только если дом подключён к газовой магистрали и есть специальное разрешение на установку такого водонагревателя. К тому же, они требуют отвода продуктов горения, а монтаж и пуск их должны выполнять специалисты из газовой службы.

Газовые водонагреватели , как и электрические, могут быть проточными (газовые колонки) или накопительными (бойлеры) .

Проточные водонагреватели (газовые колонки)

Газовые проточные водонагреватели (газовые колонки) по принципу действия можно сравнить с проточными электрическими. Автоматика включает газовую горелку, которая осуществляет нагревание холодной воды, проходящей через змеевик устройства, каждый раз при открытии крана горячей воды или смесителя . Такой водонагреватель включается с помощью электронного розжига или с помощью запальника с постоянно горящим небольшим пламенем.

По мощности газовые проточные водонагреватели превосходят аналогичные электрические и могут быть мощностью от 17 до 30 кВт. Выбирая мощность газовой колонки необходимо учитывать не только потребляемую, но и полезную мощность этого устройства - они отличаются в зависимости от КПД разных моделей.

Установка газовых проточных водонагревателей это достаточно сложное и ответственное дело и она должна осуществляться квалифицированными специалистами газовой службы.

Накопительные (газовые бойлеры)

Газовые накопительные водонагреватели, в отличие от проточных, могут сохранять большой запас горячей воды. Они могут быть разной конструкции: иметь открытую камеру сгорания с естественной или же закрытую - с принудительной тягой.

Для бойлеров с закрытой камерой сгорания не требуются специальные дымоходы, они вполне могут обходиться коаксиальными, которые могут выводиться через стену наружу. Стоимость газовых накопительных водонагревателей с принудительной тягой больше чем с естественной.

Конструктивно газовые накопительные водонагреватели обычно состоят из бака с внутренним защитным покрытием и магниевым катодом, слоя термоизоляции, наружного корпуса и газовой горелки, а также блока управления этой горелкой.

Водонагреватели косвенного нагрева (бойлеры косвенного нагрева)

Водонагреватели косвенного нагрева часто используются в частных домах, где для отопления используются газовые, твердотопливные или электрические котлы для того чтобы не устанавливать дополнительное оборудование для горячего водоснабжения.

Основное отличие их от газовых и электрических бойлеров в том, что они не имеют собственного источника энергии в виде газа или электроэнергии, а используют тепло от уже имеющихся котлов отопления. Они могут иметь большую мощность и производительность. К примеру косвенный водонагреватель, имеющий объем 100 л и мощность 24 кВт может обеспечить производительность до 610 л/ч.

Такой водонагреватель работает по следующему принципу: через змеевик, который располагается в баке для воды циркулирует горячий теплоноситель из отопительной системы и за счет этого осуществляется нагрев воды в самом бойлере.

Чтобы обеспечить необходимую циркуляцию теплоносителя в змеевике бойлера, в контур системы включается циркуляционный водяной насос с автоматикой.

Многие современные одноконтурные котлы оснащены автоматикой, которая позволяет подключение к ним водонагревателя косвенного нагрева, и переключает их в режим ГВС при снижении температуры воды в бойлере ниже заданного уровня, а после нагрева опять включает котел в режим отопления.

Выбирая такой водонагреватель и его мощность нужно учитывать и мощность самого отопительного котла, т.к. при небольшой мощности котла её может не хватать для необходимого нагрева воды в бойлере или будет увеличиваться время нагрева воды для ГВС, что негативно отразится на работе отопления.

Наилучшим вариантом при выборе такого водонагревателя может быть покупка котла и бойлера одного производителя, что может облегчить как их монтаж, так и дальнейшую эксплуатацию.

Водонагреватели твердотопливные

Это, по сути, самые первые водонагреватели, которые создал человек. Они используют в качестве источника тепла энергию сжигания твёрдого топлива (дров, угля и др.) используются уже очень давно. Их достоинство в том, что они не зависят ни от наличия газа ни электроэнергии, просты и достаточно экономичны.

В настоящее время используются твердотопливные водонагреватели как промышленного изготовления, так и изготовленные разными специалистами или самостоятельно из листового металла, труб разного диаметра и др. материалов.

Твердотопливные водонагреватели промышленного изготовления

Водонагреватели на твёрдом топливе заводского изготовления состоит обычно из двух частей: чугунной топки и цилиндрического бака для воды , через который проходит дымовая труба, выполняющая роль нагревающего элемента. Их топка выполняется с двойными стенками, колосниковой решёткой топливной дверкой и зольником.

Цилиндрический бак для воды устанавливается сверху на топку. Огонь и горячие газы во время топки нагревают дымовую трубу и через неё воду в баке.

Холодная вода из сети водоснабжения дома подводится к нижней части бака водонагревателя, а забор горячей воды осуществляется с его верхней части. Нагретая горячая вода поднимается вверх бака. При открывании крана для забора горячей воды холодная вода вытесняет горячую воду, занимая её место, нагревается и поднимается вверх и т.д.

Для нагрева воды в таких водонагревателях достаточно небольшого количества дров. Такие водонагреватели частично зависят от наличия электроэнергии, если подача воды в них осуществляется от насосной станции (безбашенки). Нагреть воду в них можно и без электроэнергии, а вот для её забора необходима подача холодной воды. Эта проблема не возникает, если в системе водоснабжения вместо безбашенки используется накопительный напорный бак достаточно большой ёмкости.

Водонагреватели на твёрдом топливе своими руками

Очень часто, особенно в сельской местности, устанавливают в отопительные (отопительно-варочные) печи, кухонные плиты или твердотопливные котлы, используя при этом энергию твёрдого топлива, которое сжигается в этих печах, плитах или котлах. Они могут быть различных размеров и формы, но принцип их работы такой же как и водонагревателей заводского изготовления: снизу бака подается холодная вода из сети водоснабжения, а сверху - забор горячей.

В случае отсутствия в доме системы холодного водоснабжения, водонагреватель изготавливается в виде бака с верхней крышкой, через которую заливают холодную воду вручную.

Самостоятельно твердотопливный водонагреватель можно изготовить из кусков труб разного диаметра или листовой стали, толщиной 3-5 мм с помощью "болгарки" и сварочного аппарата. Размеры водонагревателя выбирают в зависимости от необходимого количества горячей воды и размеров самой печи или плиты.

При этом необходимо учесть, что чем больше объём водонагревательного бака, тем дольше будет нагреваться вода. Обычно такие водонагреватели изготавливаются объёмом 40-100 литров.

По форме водонагреватели, которые устанавливают в печах или на плитах могут быть прямоугольными или цилиндрическими.

Прямоугольные водонагреватели изготавливаются по размерам печи, устанавливаются обычно над топливником при кладке самой печи.

Цилиндрические водонагреватели изготавливают из кусков труб диаметром 300-400 мм или, иногда, из чистых б/у газовых или кислородных баллонов. Отрезок такой трубы длинной 1,0-1,5 м выполняет роль наружной стенки водонагревательного бака. Снизу и сверху привариваются фланцы из листовой стали в которые вваривают внутреннюю трубу диаметром 100-110 мм. Внутренняя труба выполняет роль дымоотводной трубы и нагревательного элемента.

Внизу (на 20-25 см выше нижнего края) к наружной трубе приваривается отрезок водопроводной трубы (3/4 дюйма) с резьбой для подсоединения к системе холодного водоснабжения. В верхний фланец бака вваривается отрезок трубы с резьбой (1/2 дюйма) для подсоединения трубопровода к смесителю или крану горячей воды.

В самом низу водонагревателя приваривается отрезок 1/2 дюймовой трубы с резьбой для установки сливного крана.

Такие цилиндрические водонагреватели удобнее всего устанавливать на кухонных плитах или твердотопливных котлах с плитами в месте выхода горячих газов из топливника.

Рис.1 Твердотопливный водонагреватель цилиндрической формы, который можно сделать своими руками.

Видео по теме

Ниже Вы можете посмотреть видео о выборе электрического водонагревателя для горячего водоснабжения.

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу для быстрого нагрева жидкости, в частности к устройству, системе и способу для быстрого нагрева жидкости с помощью электроэнергии.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Во многих жилых и хозяйственных зданиях в развитых странах устанавливают разные по типу системы горячей воды. В некоторых странах электроэнергия является самым распространенным источником энергии для нагревания воды.

Конечно, общеизвестно, что генерация электроэнергии за счет сжигания ископаемых топлив является существенным фактором загрязнения и глобального потепления. Например, в 1966 г. крупнейшим потребителем электроэнергии в США были домашние хозяйства жилого сектора, на которые приходилось 20% от всех выбросов углерода. Из общего объема выбросов углерода данным сектором потребления электроэнергии 63% были прямо обусловлены сжиганием ископаемых топлив, использованных с целью генерации электроэнергии для данного сектора.

Сейчас в развитых странах электроэнергию считают реально необходимой для жилых зданий, и, ввиду ежегодного 1,8% роста потребления электроэнергии на одно домашнее хозяйство с 1990 г., ожидаемое увеличение энергопотребления в жилом секторе стало главным вопросом полемики по проблеме стабилизации объемов выбросов углерода и достижению целей Киотского протокола.

В период 1982-1996 гг. число домашних хозяйств в США возрастало на 1,4% в год, а потребление электроэнергии в жилом секторе - на 2,6% в год. Соответственно, на период до 2010 г. прогнозируют увеличение числа домашних хозяйств в США на 1,1% в год и рост потребления электроэнергии на 1,6% в год.

По оценкам, в 1995 г. около 40 млн. домашних хозяйств по всему миру применяли электрические водонагревательные системы. Электрическая водонагревательная система в самом общем виде содержит аккумуляторный бак, в котором воду медленно нагревают с течением времени до заданной температуры. Температуру воды в аккумуляторном баке поддерживают на заданном уровне по мере забора воды из аккумуляторного бака и его пополнения холодной входящей водой. Аккумуляторные баки обычно содержат погружной электронагревательный элемент, подключенный к электросети и работающий с управлением от термореле или устройства контроля температуры.

Водоаккумулирующие электронагревательные системы принято считать энергетически затратными, поскольку они работают по принципу аккумулирования и нагревания воды до заданной температуры, которая выше температуры, необходимой для применения, хотя потребитель может не нуждаться в горячей воде до какого-то времени. Из-за потери тепловой энергии горячей водой в аккумуляторном баке воду приходится подогревать до заданной температуры, для чего может потребоваться дополнительный расход электроэнергии. И, наконец, потребитель может не нуждаться в горячей воде довольно долгое время. Однако и в это время некоторые водоаккумулирующие электронагревательные системы продолжают потреблять энергию для подогрева воды до готовности к использованию потребителем в любой момент, когда потребуется горячая вода.

Естественно, быстрое нагревание воды, при котором температура воды достигает заданного уровня за короткое время, позволяет избавить систему от энергозатратности, неизбежной при хранении горячей воды. Системы быстрого или «мгновенного» нагревания горячей воды сейчас пригодны к применению там, где источниками энергии служат как газ, например природный газ или сжиженный нефтяной газ (LPG), так и электроэнергия. Природный газ и LPG являются топливами, наиболее подходящими для быстрого нагревания жидкостей, так как пламя от сжигания данных топлив способно передать жидкости достаточно тепловой энергии, чтобы поднять температуру жидкости до требуемого уровня за сравнительно короткое время в управляемом режиме. Однако, хотя источники топлив на природном газе и можно использовать для быстрого нагревания воды, эти источники не всегда имеются в распоряжении. Напротив, электроэнергия всегда в распоряжении большинства домашних хозяйств в развитых странах.

Известны безуспешные попытки создания электрической системы «мгновенного» нагревания горячей воды. Пробовали разработать системы с резистивными и электромагнитными индукционными нагревателями. Разработана система «мгновенного» нагревания горячей воды резистивными нагревателями, в составе которой провод с высоким сопротивлением помещен в термо- и электрически изолированную трубу сравнительно небольшого диаметра. Принцип действия состоит в том, что вода протекает по трубе в контакте с проводом или в непосредственной близости от провода, по которому пропускают ток, чтобы тем самым передавать тепловую энергию воде в трубе. Управление обычно включает в себя контроль температуры воды на выходе из трубы и сравнение контролируемой температуры с параметром настройки заданной температуры. Напряжение, регулируемое в зависимости от контролируемой выходной температуры воды, прикладывают к проводу, пока температура воды не достигнет искомого параметра настройки заданной температуры. Хотя система данного типа свободна от недостатка энергозатратности, обусловленного хранением горячей воды, у данной системы есть некоторые другие недостатки. В частности, провод необходимо нагревать до температур, намного более высоких, чем температура окружающей воды. Этим обусловлен неблагоприятный эффект наведения кристаллизации растворенных солей, таких как сульфат и карбонат кальция, обычно присутствующих в воде в различных концентрациях. На горячих участках провода, непосредственно соприкасающихся с водой, создаются условия, способствующие интенсивной кристаллизации упомянутых солей, и, в результате, провод покрывается «коркой», которая снижает эффективность теплопередачи от провода в окружающую воду. Поскольку обычно трубка имеет сравнительно небольшой диаметр, то образующиеся кристаллы могут ослаблять водяной поток по трубе. Кроме того, для эффективной работы систем с нагревателями сопротивления вода в них должна быть под сравнительно высоким давлением, поэтому данные системы малоэффективны в регионах, где применяют сравнительно низкое давление воды или давление воды часто падает, что может происходить в периоды максимального водопотребления. Системы с электромагнитными индукционными нагревателями функционируют аналогично трансформатору. В данном случае, токи, наводимые во вторичной обмотке трансформатора, приводят к нагреву вторичной обмотки. Вода, циркулирующая по водяной рубашке, окружающей вторичную обмотку, отводит выделяющееся в ней тепло. Затем нагретую воду выпускают из системы для потребления. Управление обычно включает в себя контроль температуры воды на выходе из водяной рубашки и сравнение контролируемой температуры с параметром настройки заданной температуры. Напряжение, подаваемое на первичную обмотку можно регулировать в зависимости от контролируемой выходной температуры воды, что обеспечивает регулировку электрических токов, наводимых во вторичной обмотке, пока температура воды не достигнет искомого параметра настройки заданной температуры. Хотя система данного типа свободна от недостатка энергозатратности, обусловленного хранением горячей воды, у данной системы также есть некоторые другие недостатки. В частности, вторичную обмотку необходимо нагревать до температур выше температуры окружающей воды. Поэтому имеет место вышеупомянутый эффект наведения кристаллизации растворенных солей. Поскольку между вторичной обмоткой и окружающей водяной рубашкой обычно создают сравнительно узкий просвет, то образующиеся кристаллы также могут ослаблять водяной поток в рубашке.

Кроме того, создаваемые магнитные поля и сильные токи, наводимые во вторичной обмотке, могут в результате привести к излучению электрических и радиочастотных помех недопустимого уровня. Данные электрические или радиочастотные помехи могут с трудом поддаваться подавлению или экранированию и нарушать функционирование других устройств, чувствительных к электромагнитным излучениям и находящимся в зоне распространения упомянутых электромагнитных полей.

Поэтому в основу настоящего изобретения положена задача создания устройства, предназначенного для быстрого нагревания жидкости, в частности воды, с помощью электроэнергии и свободного, по меньшей мере, от некоторых недостатков других систем.

Кроме того, задачей изобретения является создание усовершенствованного способа, предназначенного для быстрого нагревания воды с помощью электроэнергии и сводящего до минимума расход энергии.

Задачей изобретения является также создание усовершенствованной системы, предназначенной для нагревания воды с помощью электроэнергии и обеспечивающей относительно быстрое нагревание воды, подходящее для бытовых и/или технических целей.

Еще одной задачей изобретения является создание усовершенствованных устройства и способа, предназначенных для быстрого электрического нагревания жидкости и облегчающих регулирование выходной температуры, при сведении до минимума кристаллизации растворенных солей.

Еще одной задачей изобретения является создание усовершенствованной системы нагревания жидкости, работающей от сети электроснабжения, обычной для жилых и хозяйственных зданий.

Еще одной задачей изобретения является создание усовершенствованного нагревательного устройства, которое можно изготавливать в модификациях с разными производительностями по расходу жидкости.

Еще одной задачей изобретения является создание устройства для нагревания жидкости, которое можно выполнить в модификации для работы с разными жидкостями или водой переменной жесткости. Еще одной задачей изобретения является создание устройства для нагревания жидкости, которое можно устанавливать вблизи места выпуска горячей воды для сокращения тем самым запаздывания поступления горячей воды и сокращения благодаря этому излишних потерь воды.

Понятно, что любые устройства, изделия и т.д. будут рассмотрены в настоящем описании исключительно для изложения существа настоящего изобретения. Данное описание не дает права считать, что какие-либо или все данные материалы либо составляют основу известного уровня техники, либо были общеизвестны в области техники, к которой относится настоящее изобретение, в том виде, в котором данная область техники существовала до даты приоритета каждого пункта настоящей заявки.

Краткое изложение существа изобретения

В соответствии с одной особенностью настоящего изобретения предлагается устройство для нагревания жидкости, содержащее пропускное устройство, определяющее канал течения нагреваемой жидкости, средство измерения температуры жидкости на впуске, предназначенное для измерения температуры жидкости, подлежащей нагреванию, совокупность групп электродных устройств, помещенных в канал течения или формирующих упомянутый канал, между которыми протекает упомянутая жидкость, при этом упомянутые группы электродных устройств содержат, по меньшей мере, первую и вторую группы электродов вдоль канала течения жидкости, а упомянутая первая группа электродов и упомянутая вторая группа электродов, каждая, содержат, по меньшей мере, одну пару электродов, между которыми пропускают электрический ток через упомянутую жидкость для нагревания жидкости в процессе ее протекания по каналу течения, первое средство измерения температуры на выпуске за второй группой электродов, средство измерения расхода жидкости и средство электрической регулировки для подачи и регулирования электрической мощности на электродах каждой группы, при этом упомянутое средство регулировки содержит средство обработки для установления связи между протекающим током и прикладываемым напряжением в зависимости от измеренных температур на впуске и выпуске и расхода жидкости для определения мощности, которую каждая группа электродов должна подводить к жидкости, чтобы обеспечить необходимую температуру жидкости за второй группой электродов.

В соответствии с предпочтительным вариантом, пропускное устройство содержит кольцевое пространство между пространственно разнесенными, по существу, коаксиальными цилиндрическими элементами. Пропускное устройство может определять ряд параллельных каналов течения для жидкости.

В соответствии с одним вариантом осуществления, второе средство измерения температуры измеряет температуру жидкости между первой и второй группами электродов, а средство регулировки регулирует мощность, подаваемую на первую и вторую группы электродов, в соответствии с измеренными температурами и необходимым приростом температуры жидкости при протекании жидкости между соответствующими группами электродов.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, электродное устройство содержит, по меньшей мере, три пары электродов, пространственно разнесенных вдоль канала течения. Электроды каждой пары пространственно разнесены поперечно каналу течения для того, чтобы напряжение, прикладываемое к электродам каждой пары, вызывало протекание электрического тока через жидкость поперечно каналу течения, когда жидкость протекает по пропускному устройству.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления, электродное устройство содержит цилиндрические, по существу, коаксиальные электроды, формирующие секцию пропускного устройства или помещенные в ней. В соответствии с предпочтительным вариантом, пропускное устройство содержит три секции, при этом каждая пропускная секция содержит впускное отверстие и выпускное отверстие, секции соединены между собой последовательно так, что выпускное отверстие первой секции составляет впускное отверстие второй секции, а выпускное отверстие второй секции составляет впускное отверстие третьей секции, с электродами в каждой из трех секций.

При данной схеме построения выпускные отверстия первой и второй секций содержат средства измерения температуры жидкости, а средство регулировки регулирует мощность, подаваемую на электроды каждой секции в соответствии с измеренными температурами на впуске и выпуске каждой секции и заданной необходимой разностью температур.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, каждая пропускная секция сформирована пространственно разнесенными, по существу, коаксиальными цилиндрическими электродами, определяющими кольцевой канал течения жидкости.

В соответствии с другим вариантом осуществления, пропускное устройство содержит больше трех пропускных секций, при этом каждая секция содержит впускное и выпускное отверстия, секции соединены между собой последовательно, а средство регулировки регулирует мощность, подаваемую на пару электродов каждой секции, в соответствии с измеренными температурами на впуске и выпуске каждой секции и заданной необходимой разностью температур для каждой секции.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, регулировку электроэнергии, подводимой к жидкости, обеспечивает микрокомпьютерная управляющая система. В соответствии с предпочтительным вариантом, микрокомпьютерная управляющая система способна определять и учитывать изменения удельной проводимости самой жидкости, обусловленные изменением температуры жидкости в самой системе, а также изменения электрической проводимости входящей жидкости. А именно, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, управляющая система контролирует и реагирует на электрическую проводимость или градиент удельной проводимости между впускным и выпускным отверстиями элементов нагревательной системы. В системе мгновенного нагревания жидкости по варианту осуществления настоящего изобретения, предназначенному для нагревания воды для бытовых нужд, изменения электрической проводимости входящей воды также могут быть обусловлены такими факторами, как изменения температур воды и изменения концентраций растворенных химикатов и солей, и тогда неизбежно приходится учитывать данные изменения. Однако в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления, настоящее изобретение будет также обеспечивать учет изменений электрической проводимости жидкости в процессе нагревания жидкости внутри самой системы, т.е. будет осуществлять эффективное управление с учетом градиента удельной проводимости.

В соответствии с другой особенностью настоящего изобретения, предлагается способ для нагревания жидкости, содержащий следующие этапы:

• пропускают жидкость по каналу течения;
• создают, по меньшей мере, две группы электродов, пространственно разнесенных вдоль канала течения;

• прикладывают регулируемое электрическое напряжение к электродам каждой группы, чтобы пропускать электрические токи через жидкость между электродами каждой группы;
• контролируют температуру жидкости на впуске канала течения;
• контролируют температуру жидкости на выпуске канала течения;
• контролируют токи, протекающие через жидкость между электродами каждой группы электродов при прикладывании регулируемого электрического напряжения; и регулируют регулируемое электрическое напряжение между электродами каждой группы электродов по удельной проводимости жидкости, установленной по контролируемым температурам жидкости и протекающим токам для данного расхода жидкости в каждой секции канала течения, из условия, чтобы количество электроэнергии, подводимой к жидкости, соответствовало заданному приросту температуры жидкости.

Предпочтительные варианты осуществления способа по настоящему изобретению могут дополнительно содержать следующие этапы.

Вводят поправки на изменение электрической проводимости жидкости, обусловленное изменениями температур и изменениями концентраций растворенных химикатов и солей, а также нагреванием жидкости, посредством изменения регулируемого электрического напряжения, чтобы учесть изменения удельной проводимости при повышении температуры жидкости на необходимую величину.

Вышеописанный этап можно выполнять регулировкой электрической мощности, подаваемой на группы электродов, чтобы обеспечивать необходимый постоянный прирост температуры жидкости в пределах данного электродного сегмента. Затем регулируемое электрическое напряжение можно корректировать, чтобы вводить поправки на изменение удельной проводимости жидкости в пределах сегмента канала течения, относящегося к каждой паре электродов, которая влияет на ток, протекающий через жидкость в пределах данного сегмента. Таким образом, можно по отдельности учитывать изменения удельной проводимости жидкости, протекающей через отдельные электродные сегменты. Поэтому система способна эффективно регулировать и учитывать результирующий градиент удельной проводимости по всей системе.

Аналогично, система по предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения дополнительно содержит средство для учета изменений удельной проводимости жидкости, обусловленных нагреванием жидкости. Данное средство может содержать температурный датчик для измерения температуры жидкости на выпуске системы для сравнения с температурой жидкости на впуске каждой секции, чтобы определить, получен ли необходимый прирост температуры жидкости.

В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления перед электродными сегментами устанавливают температурный датчик, чтобы формировался сигнал, соответствующий температуре жидкости перед ее протеканием между сегментами. При установке температурного датчика перед электродными сегментами, можно определять разность между температурой входящей жидкости и заданной температурой выходящей жидкости. Пользователь может настраивать заданную температуру выходящей жидкости с помощью настраиваемого средства регулировки.

Объем жидкости, протекающей между любой группой электродов можно точно определить измерением размеров прохода, в пределах которого жидкость испытывает воздействие электродов, с учетом скорости потока жидкости.

Аналогично, время, за которое будет осуществляться подвод электроэнергии к данному объему жидкости, можно определить измерением расхода жидкости через проход. Прирост температуры жидкости пропорционален количеству электроэнергии, подведенной к жидкости. Количество электроэнергии, необходимой для повышения температуры жидкости на известную величину, пропорциональна массе (объему) нагреваемой жидкости и расходу жидкости через проход. Измеренное значение электрического тока, протекающего через жидкость, можно использовать как меру электрической проводимости или удельной проводимости данной жидкости, что дает возможность определить изменение прикладываемого напряжения, необходимое для обеспечения постоянного значения подводимой электроэнергии. Электрическая проводимость и, следовательно, удельная проводимость нагреваемой жидкости будет изменяться с повышением температуры, что приводит к формированию градиента удельной проводимости вдоль канала течения жидкости. Энергию, необходимую для повышения температуры массы жидкости, можно определить из совокупности двух уравнений:

Уравнение 1

Энергия = Удельная теплоемкость × Плотность × Объем × Изменение температуры.

Для анализа удельную теплоемкость воды можно считать постоянной в температурном интервале от 0°С до 100°С.Плотность воды также можно считать постоянной величиной, равной 1. Поэтому количество энергии, необходимое для изменения температуры единичной массы воды на 1°С в 1 сек считают постоянной величиной и обозначают "k". Отношение «Объем/Время» эквивалентно расходу (Fr). Следовательно:

Таким образом, если известно заданное изменение температуры, то можно определить расход и вычислить необходимую мощность.

В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения, электроды разделяют на сегменты и измеряют температуры на впусках и выпусках. Измерение температуры позволяет вычислительному устройству, предусмотренному в составе микрокомпьютерной управляющей системы, определять напряжение, которое следует прикладывать к электродам электродного сегмента, чтобы подводить необходимое количество электроэнергии к жидкости с обязательным учетом изменений удельной проводимости жидкости для того, чтобы повысить температуру жидкости на заданную величину.

Обычно, когда пользователь нуждается в нагретой воде, открывают кран горячей воды, и вода начинает течь. Данный поток воды допускает регистрацию расходомером и включает цикл нагревания. Температуру входящей воды можно измерить и сравнить с параметром настройки заданной температуры воды на выпуске системы. По двум данным значениям можно определить необходимое изменение температуры воды от впуска до выпуска.

Естественно, с течением времени можно повторять измерения температуры воды на впуске электродного сегмента, и, когда измеренное значение температуры входящей воды изменяется, расчетное значение необходимого изменения температуры от впуска до выпуска электродных сегментов можно соответствующим образом скорректировать. Аналогично, при изменении температуры, изменении содержания минеральных веществ и т.д., могут со временем наблюдаться изменения электрической проводимости и, следовательно, удельной проводимости жидкости. Соответственно, ток, протекающий через жидкость, будет изменяться и тем самым вызывать изменения результирующей мощности, подводимой к воде. Повторные измерения с течением времени температур на выпусках электродных сегментов и сравнение результатов данных измерений с заданными значениями температур на выпуске позволит повторять вычисления, чтобы корректировать напряжение, прикладываемое к электродам сегментов.

В одном предпочтительном варианте осуществления, вычислительное устройство, предусмотренное в составе микрокомпьютерной управляющей системы, используют, чтобы определять электрическую мощность, которую следует подводить к жидкости, протекающей между электродами, посредством определения количества электроэнергии, которое обеспечит заданное изменение температуры от впуска до выпуска электродного сегмента, и измерения влияния изменения на удельную проводимость воды, и по полученным результатам вычислять напряжение, которое следует прикладывать при данном расходе.

Регулировка электрической мощности

В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения, измеряют электрический ток, протекающий между электродами каждого электродного сегмента и, следовательно, через жидкость. Измеряют также температуры на впуске и выпуске электродных сегментов. Измерение электрического тока и температуры позволяет вычислительному устройству, предусмотренному в составе микрокомпьютерной управляющей системы, определять мощность, которую необходимо подводить к жидкости в пределах электродного сегмента, чтобы повышать температуру жидкости на заданную величину.

Ток, протекающий через жидкость, будет изменяться. С течением времени целесообразны повторные измерения тока, протекающего через жидкость, чтобы можно было выполнять повторные вычисления, что позволяет обеспечивать подходящую электрическую мощность, подаваемую на электродный сегмент.

В соответствии с одним вариантом осуществления, вычислительное устройство, предусмотренное в составе микрокомпьютерной управляющей системы, определяет электрическую мощность, которую следует подводить к жидкости, протекающей между электродами, и тем самым вычисляет среднее напряжение, которое требуется прикладывать для обеспечения, по существу, постоянного изменения температуры.

Нижеприведенное уравнение (2) облегчает как можно более точное мгновенное вычисление потребной электрической мощности. Данный подход исключает неизбежность излишнего водопотребления, необходимого для того, чтобы первоначально пропустить через систему некоторое количество воды для последующего облегчения подачи воды при необходимой температуре. Это обеспечивает возможность экономии воды. В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления, после определения электрической мощности, которую следует подводить к жидкости, протекающей между электродами, вычислительное устройство может вычислить из нижеприведенного уравнения напряжение, которое следует прикладывать к каждому электродному сегменту (ES), если можно вычислить мощность, необходимую для электродного сегмента, и измерить ток, протекающий в пределах электродных сегментов (n):

Уравнение (2)

Напряжение ESn (Vappn) = Мощность ESn (Preqn)/Ток ESn (Isn) Vappn = Preqn/Isn

В рамках начального цикла нагревания, прикладываемое напряжение можно настроить на относительно низкое значение, чтобы определить исходную удельную проводимость жидкости, протекающей между электродами. Напряжение, прикладываемое к электродам, вызовет протекание тока через жидкость, протекающую между данными электродами, что позволит определить удельную проводимость жидкости, поскольку удельная проводимость прямо пропорциональна току, протекающему через жидкость. Соответственно, после определения электрической мощности, которую следует подводить к жидкости, протекающей между электродами электродных сегментов, можно определить необходимое напряжение, которое следует прикладывать к данным электродам, чтобы повышать температуру жидкости, протекающей между электродами электродных сегментов, на необходимую величину. Мгновенный ток, протекающий через жидкость, целесообразно непрерывно контролировать на предмет его изменения на отрезке нагревательного канала. Любое изменение мгновенного тока, протекающего в любой точке нагревательного канала, указывает на изменение электрической проводимости или удельной проводимости жидкости. Изменение значений удельной проводимости жидкости, протекающей между электродами электродных сегментов, фактически определяет градиент удельной проводимости вдоль нагревательного канала.

Целесообразно непрерывно контролировать различные параметры и непрерывно производить вычисления, чтобы определять электрическую мощность, которую следует подводить к жидкости, и напряжение, которое следует прикладывать к электродам, чтобы повышать температуру жидкости до заданной температуры в данный период.

Краткое описание чертежей

Ниже следует описание вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет принципиальную блок-схему системы быстрого нагревания в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 представляет пояснение некоторых символов, использованных на фиг.1; а

Фиг.3 изображает одну из форм узла электродного сегмента в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание примеров осуществления изобретения

На фиг.2 представлен другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором поток воды направляется через три ячейки 51, 52 и 53, которые соединены между собой соединительными патрубками 54 и 55. Впускной патрубок 56 для воды обеспечивает подачу воды в ячейки 51, 52 и 53, а выпускной патрубок 57 для воды выпускает воду из системы.

Блок управления 58, смонтированный на одной боковой стороне системы, управляет работой системы; а в точке 59 блок управления 58 подключен к источнику сетевого питания. В системе по данному варианту осуществления каждая отдельная ячейка 51, 52 и 53 содержит одну группу электродов, между которыми протекает вода, протекающая через систему. Вследствие этого в каждую ячейку поступает вода с температурой на впуске, которая зависит от относительного расположения ячейки.

Система управления в данном варианте осуществления действует аналогично вышеприведенному описанию. Осуществляется непрерывное измерение температур воды на впуске и выпуске каждой ячейки, а напряжения, прикладываемые к электродам каждой ячейки, регулируются так, чтобы подавать необходимую мощность в каждую ячейку для равномерного повышения температуры воды, протекающей от впускного патрубка 56 до выпускного патрубка 57.

Как видно из фиг.3, каждая отдельная ячейка, изображенная на фиг.2, может содержать пару радиально разнесенных коаксиальных электродов 61 и 62, формирующих кольцевой канал 63 течения жидкости. Внешний электрод 61 выполнен из трубы, изготовленной из электропроводящего материала, а впускной патрубок 64 для жидкости обеспечивает поступление жидкости в кольцевой канал 63 между электродами 61 и 62.

Внутренние электроды 62 также могут быть выполнены в виде трубы из электропроводящего материала, коаксиально смонтированной внутри внешнего электрода 61. Коаксиальный монтаж может содержать торцевую вставку 66, закрепленную в одном конце внутреннего электрода 62, проставку 67, надеваемую на концевой участок внутреннего электрода 62 и заходящую под концевой участок внешнего электрода 61, и торцевую крышку 68, прикрепленную к вставке 66 болтом 69. Установку проставки 67 в кольцевой зазор между внутренним и внешним электродами 61 и 62 осуществляют по посадке с натягом или плотной, чтобы тем самым обеспечить уплотнение данного канала и обеспечить отсутствие утечек жидкости при протекании жидкости по каналу течения.

Выполненная таким образом ячейка обеспечивает подачу напряжения между внутренним и внешним электродами 61 и 62 из условия, чтобы ток мог протекать между поверхностями электродов и через жидкость, протекающую по кольцевому каналу 63 течения. Соединения для подачи электрической мощности на внутренний электрод 62 можно выполнять через торцевую вставку 66 и торцевую крышку 68.

Внешний электрод 61 может быть облицован изоляционным материалом, чтобы обеспечить электробезопасные условия эксплуатации водонагревательной системы. Упомянутый изоляционный материал может быть выполнен в виде пластиковой трубы или подобной конструкции, которая сопрягается по плотной посадке с внешней поверхностью внешнего электрода 61.

Специалистам в данной области техники очевидно, что для осуществления настоящего изобретения можно использовать любое число групп электродов. Следовательно, хотя описанные варианты осуществления изобретения содержат три пары электродов, число электродов можно увеличивать или уменьшать в соответствии с индивидуальными требованиями нагревания жидкости. Если число электродов увеличить до, например, шести пар, то электрическое напряжение на каждой отдельной паре можно по отдельности регулировать аналогично тому, как в описанных вариантах осуществления.

Формула изобретения

1. Устройство для нагрева жидкости, содержащее пропускное устройство, определяющее канал течения нагреваемой жидкости, средство измерения температуры жидкости на впуске, предназначенное для измерения температуры жидкости, подлежащей нагреванию, совокупность групп электродных устройств, помещенных в канал течения или формирующих упомянутый канал, между которыми протекает упомянутая жидкость, при этом упомянутые группы электродных устройств содержат, по меньшей мере, первую и вторую группы электродов вдоль канала течения жидкости, а упомянутая первая группа электродов и упомянутая вторая группа электродов каждая содержит, по меньшей мере, одну пару электродов, между которыми пропускают электрический ток через упомянутую жидкость для нагревания жидкости в процессе ее протекания по каналу течения, первое средство измерения температуры на выпуске за второй группой электродов, средство измерения расхода жидкости и средство электрической регулировки для подачи и регулирования электрической мощности на электродах каждой группы, при этом упомянутое средство регулировки содержит средство обработки для установления связи между протекающим током и прикладываемым напряжением в зависимости от измеренных температур на впуске и выпуске и расхода жидкости для определения мощности, которую каждая группа электродов должна подводить к жидкости, чтобы обеспечить необходимую температуру жидкости за второй группой электродов.

2. Устройство по п.1, в котором упомянутое пропускное устройство содержит кольцевое пространство между пространственно разнесенными, по существу, коаксиальными цилиндрическими элементами.

3. Устройство по п.1, в котором второе средство измерения температуры выполнено с возможностью измерения температуры жидкости между первой и второй группами электродов, а средство регулировки выполнено с возможностью регулирования мощности, подаваемой на первую и вторую группы электродов, в соответствии с измеренными температурами и необходимым приростом температуры жидкости при протекании жидкости между соответствующими группами электродов.

4. Устройство по п.1, в котором упомянутая совокупность групп электродных устройств содержит третью группу электродов, расположенную за упомянутой второй группой электродов, а третье средство измерения температуры на выпуске выполнено с возможностью измерения температуры жидкости за третьей группой электродов.

5. Устройство по п.1, в котором электродное устройство содержит цилиндрические, по существу, коаксиальные электроды, формирующие отдельные секции пропускного устройства вдоль канала(ов) течения жидкости.

6. Устройство по п.1, в котором упомянутое пропускное устройство содержит три секции, при этом каждая пропускная секция содержит впускное отверстие и выпускное отверстие, секции соединены между собой последовательно так, что выпускное отверстие первой секции является смежным с впускным отверстием второй секции, а выпускное отверстие второй секции является смежным с впускным отверстием третьей секции, с группой электродов в каждой секции.

7. Устройство по п.6, в котором выпускные отверстия каждой из первой, второй и третьей секций содержат средство измерения температуры жидкости, а упомянутое средство регулировки выполнено с возможностью регулирования мощности, подаваемой на электроды каждой секции, в соответствии с измеренными температурами на впуске и выпуске каждой секции и заданной необходимой разностью температур.

8. Устройство по п.6, в котором каждая пропускная секция сформирована пространственно разнесенными, по существу, коаксиальными цилиндрическими электродами, определяющими кольцевой канал течения жидкости.

9. Устройство по п.1, в котором упомянутое пропускное устройство содержит больше трех пропускных секций, при этом каждая секция содержит впускное и выпускное отверстия, секции соединены между собой последовательно, а средство регулировки выполнено с возможностью регулировки мощности, подаваемой на пару электродов каждой секции, в соответствии с измеренными температурами на впуске и выпуске каждой секции и заданной необходимой разностью температур.

10. Устройство по п.9, в котором заданная необходимая разность температур определяется как функция напряжения, прикладываемого к соответствующим электродам, и измеренных значений протекающего тока, температур на впуске и выпуске секций, расхода жидкости и температур входящей и вытекающей жидкости.

11. Устройство по п.1, в котором средство регулировки выполнено с возможностью подачи регулируемого напряжения на пары электродов с частотой следования импульсов, которая является субгармоникой промышленной частоты напряжения питания, а регулирование мощности, подаваемой на электроды, осуществляется регулированием числа импульсов в единицу времени.

12. Устройство по п.1, в котором упомянутым пропускным устройством определяется ряд параллельных каналов течения для упомянутой жидкости, при этом каждый канал течения содержит совокупность групп электродных устройств, помещенных в канал течения или формирующих канал течения.

13. Способ нагрева жидкости, содержащий следующие этапы:

пропускают жидкость по каналу течения;

создают, по меньшей мере, две группы электродов, пространственно разнесенных вдоль канала течения;

прикладывают регулируемое электрическое напряжение к электродам каждой группы, при этом пропускают электрические токи через жидкость между электродами каждой группы;

контролируют температуру жидкости на впуске канала течения;

контролируют температуру жидкости на выпуске канала течения;

контролируют токи, протекающие через жидкость между электродами каждой группы электродов, в зависимости от прикладываемого регулируемого электрического напряжения и

регулируют регулируемое электрическое напряжение между электродами каждой группы электродов по удельной проводимости жидкости, установленной по контролируемым температурам жидкости и протекающим токам для данного расхода жидкости в каждой секции канала течения, из условия, что количество электроэнергии, подводимой к жидкости, соответствует заданному приросту температуры жидкости.

14. Способ нагрева жидкости по п.13, содержащий этап, на котором контролируют температуру жидкости между группами электродов.

15. Способ нагрева жидкости по п.13, содержащий этап, на котором электрическую мощность, подводимую к жидкости, регулируют микрокомпьютерной управляющей системой.

16. Способ нагрева жидкости по п.13, содержащий этап, на котором учитывают и реагируют на изменения электрической проводимости жидкости в процессе нагревания жидкости внутри системы вместе с измеренным расходом жидкости, температуры жидкости на впуске и необходимой скорости повышения температуры.

17. Способ нагрева жидкости по п.13, содержащий этап, на котором вводят поправки на изменение электрической проводимости жидкости, обусловленное изменениями температур и изменениями концентраций растворенных химикатов и солей, а также нагреванием жидкости посредством изменения среднего электрического напряжения, при этом учитывают изменения удельной проводимости при повышении температуры жидкости на необходимую величину.

18. Способ нагрева жидкости по любому из пп.13-17, содержащий этапы, на которых создают, по меньшей мере, три группы электродов в потоке жидкости и прикладывают электрическое напряжение к электродам каждой пары в соответствии с контролируемыми температурами жидкости в точках перед и за парами электродов.

19. Способ нагрева жидкости по п.18, содержащий этапы, на которых контролируют температуру жидкости в канале течения по обе стороны каждой пары электродов и регулируют по отдельности электрическую мощность, подаваемую на пары электродов каждой группы электродов, при этом обеспечивают необходимый постоянный прирост температуры жидкости в пределах данного сегмента потока жидкости, прилежащего к соответствующим парам электродов.

20. Система для нагрева жидкости, содержащая, по меньшей мере, один канал течения нагреваемой жидкости, впускное отверстие для жидкости, средство измерения температуры входящей жидкости, по меньшей мере, две пары электродов, помещенных в канал течения или формирующих канал течения, при этом пары электродов пространственно разнесены вдоль канала течения, средство измерения температуры жидкости на выпуске каждой пары электродов, средство измерения расхода жидкости, средство электрической регулировки для подачи и регулирования электрической мощности на электродах каждой пары, при этом упомянутое средство регулировки содержит средство обработки для установления отношения между протекающим током, прикладываемым напряжением, температурой входящей жидкости, температурой жидкости на соответствующих выпусках и расходом жидкости для определения мощности, которую необходимо подводить к жидкости каждой парой электродов, чтобы обеспечить необходимую температуру выходящей в определенное время жидкости.

21. Система для нагрева жидкости по п.20, в которой упомянутый канал течения содержит кольцевое пространство между пространственно разнесенными, по существу, коаксиальными цилиндрическими элементами.

22. Система для нагрева жидкости по п.20, в которой упомянутые цилиндрические элементы составляют упомянутые электроды.

23. Система для нагрева жидкости по п.20, содержащая ряд параллельных каналов течения для упомянутой жидкости, при этом каждый канал течения содержит совокупность групп электродных устройств, помещенных в канал течения или формирующих канал течения.

24. Система для нагрева жидкости по п.20, в которой упомянутый канал течения содержит три секции, при этом каждая секция содержит впускное отверстие и выпускное отверстие, секции соединены между собой последовательно так, что выпускное отверстие первой секции является смежным с впускным отверстием второй секции, а выпускное отверстие второй секции является смежным с впускным отверстием третьей секции, с электродами в каждой секции.

25. Система для нагрева жидкости по п.20, в которой устройства измерения температуры жидкости размещены вблизи каждой группы электродов, а упомянутым средством регулировки регулируется мощность, подаваемая на электроды каждой секции, в соответствии с измеренными температурами на впуске и выпуске каждой секции и заданной необходимой разностью температур в каждой секции.

26. Система для нагрева жидкости по п.20, в которой средством регулировки подается напряжение на пары электродов с частотой следования импульсов, которая является субгармоникой промышленной частоты напряжения питания, а регулирование мощности, подаваемой на каждую пару электродов, осуществляется путем изменения числа импульсов

Имя изобретателя: ИЗРАЕЛЬСОН Седрик (AU); ВАН АКЕН Роберт К (AU)
Имя патентообладателя: МАЙКРОХИТ ПТИ ЛТД (AU)
Почтовый адрес для переписки: 129010, Москва, ул. Б.Спасская, 25, стр.3, ООО "Юридическая фирма Городисский и Партнеры", Егоровой Г.Б.
Дата начала отсчета действия патента: 2002.08.12

Горячая вода: чем греем

Общие принципы организации системы горячего водоснабжения

Система горячего водоснабжения (ГВС) - часть инженерных коммуникаций любого современного жилища. В квартирах этот вопрос решается централизованно - разводкой стояков с горячей (и холодной) водой от общего источника. А вот в случаях, когда централизованное снабжение невозможно (загородный дом) или сезонно нестабильно (большинство квартир старого жилищного фонда), перед владельцами жилья остро встает вопрос организации автономной системы ГВС. Часто вопрос горячего водоснабжения решается комплексно - вместе с установкой системы отопления, ведь источники нагрева как для питьевой воды, так и для воды или жидкости в системе отопления могут быть одни и те же.

С инженерной точки зрения все системы ГВС можно разделить на такие виды:

Чтобы правильно произвести расчет потребности в горячей воде для бытового потребления, можно воспользоваться нормами СНиП 2.04.01-85 («Внутренний водопровод и канализация зданий»). Они определяют расчетный суточный расход тепла на горячее водоснабжение, а в приложениях к этому документу приведены расчетные секундные расходы воды санитарными приборами, исходя из которых можно рассчитать пиковое потребление горячей воды (qQ):

• для умывальников и рукомойников со смесителем пиковый (максимальный) расход равен 0,09 л/с или 27 л/5 мин, согласно нормам часовой средний расход горячей воды для такого вида прибора рассчитывается на уровне 40 л/ч;
• для раковины, мойки со смесителем пиковый расход составляет 0,2 л/с, средний часовой расход - 280 л/ч;
• для ванны со смесителем условным диаметром 20 мм - 0,3 л/с и 460 л/ч;
• для ванны со смесителем условным диаметром 32 мм - 1,0 л/с и 710 л/ч;
• для душевой кабины с глубоким душевым поддоном и смесителем - 0,09 л/с и 80 л/ч;
• для гигиенического душа (биде) со смесителем и аэратором - 0,05 л/с и 54 л/ч;
• для нижнего восходящего душа - 0,2 л/с и 430 л/ч.

Определив суммарный расход по горячей воде, время пользования приборами и требуемое теплопотребление, можно рассчитать необходимую емкость бака и тепловую мощность водонагревателя. При этом необходимо помнить, что значение расчетной температуры горячей воды обычно выбирается из диапазона 50-60 °C. Более упрощенная формула расчета емкости и мощности водонагревателя состоит в том, чтобы определить пиковое потребление горячей воды и подобрать для этого водонагреватель.

Проточный нагреватель подбирается по формуле:

Q = (m×с×dT)/t, где

Q = требуемая мощность нагрева в кВт;
m = масса вещества в кг;
c = удельная теплоёмкость (воды = 4,2);
dT = заданная разность температур в °C;
t = время охлаждения/нагрева в секундах.

Для простоты расчета массу воды приравнивают к ее объему, тогда можно рассмотреть m/t - как расход воды в л/с. Например, для получения 12 л горячей воды температурой 50 градусов в минуту (0,2 литра в секунду) при разности температур вход-выход 30 °C (нагрев с 20 до 50 градусов) необходим проточный водонагреватель мощностью 25 кВт. При той же разности температур для проточника мощностью 3 кВт получим расход горячей воды в 1,4 л/мин.

Параметры накопительного нагревателя можно рассчитать по обратной формуле времени полного нагрева бака (без учета теплопотерь):

t = (m×с×dT)/Q.

Так, накопительный водонагреватель объемом 30 л и мощностью 1,5 кВт нагреет свой объем воды с 20 до 50 градусов за 42 минуты, что даст нам возможность рассчитать, какое водопотребление и на протяжении какого времени сможет обеспечить конкретный водонагреватель (грубо говоря, 30 л/42 мин = 0,7 л/мин или 43 л/ч).

Виды нагревателей: производители, цены, особенности

На рынке водонагревателей, в силу вышеизложенных особенностей, существует два больших сегмента: проточные водонагреватели и накопительные баки (бойлеры). Рассмотрим оба сегмента подробнее.

Водонагреватели электрического типа обладают мощностью от 3 до 30 кВт, объем внутреннего бака практически у всех моделей составляет 6 литров, а цены колеблются от 1400 руб. (бытовой проточный водонагреватель мощностью 3,5 кВт ) до 108 540 руб. (профессиональная трехфазная модель мощностью 27 кВт ). Для обычной электрической сети квартиры или дома, как правило, мощность проточного нагревателя будет ограничена сечением проводов и общим энергопотреблением дома, поэтому следует ориентироваться на модели с мощностью до 5 кВт и однофазным подключением.

Электрический проточный водонагреватель AEG BS 35 E (3,5 кВт)

А вот у газовых проточных водонагревателей (колонок) проблем с мощностью нет - главное, чтобы в наличии было подключение к газовой трубе. Мощность таких приборов стартует от 10 кВт, а цены - с 4787 руб. (модель Cointra E-10P, способная выдавать до 10 л/мин горячей воды). Более продвинутые модели именитых брендов начинаются с 8-10 тыс. руб. (например, AEG GWH-14R N оборудован автоматической системой розжига и безопасности, способен нагревать до 14 л/мин и стоит 11 тыс. руб.). Модели высшего ценового диапазона достигают 25 тыс. руб ( WT13AM1E).

Проточный газовый водонагреватель Cointra E-10P (10 л/мин)

Что касается накопительных водонагревателей (бойлеров), то среди них можно встретить как модели со встроенными нагревательными элементами (в основном электрическими), так и баки с теплообменником, которые подключаются в уже существующую систему отопления и получают теплоноситель от котла.

Электрические бойлеры имеют мощность 1-100 кВт, бак от 10 до 1000 л, и стоят начиная с 2690 руб. ( , ) до 180 000 руб. ( ). Газовые бойлеры имеют мощность от 3 до 80 кВт, бак 50-350 л, стоят от 12 302 руб. (50-литровый газовый бойлер SAG2 50 мощностью 4,2 кВт) до более чем 300 тыс. руб. за модель мощностью 84,1 кВт и объемом 315 л.

Накопительный водонагреватель (80 л)

Что до баков косвенного нагрева, то это устройства объемом от 50 до 1000 литров. Большинство из них имеют объем 100-250 л, расчетную мощность источника от 20 до 50 кВт и стоимость в пределах 30-50 тыс. руб. Впрочем, попадаются экземпляры стоимостью как 14 ( WH B100Z), так и 140 тыс. руб. (бойлер объемом 1 м³ OKC 1000 NTR/1 МПа)

Как видим, разнообразие марок, моделей и технических параметров оборудования позволяет удовлетворить любой вкус, любые запросы и любой кошелек человека, поставившего за цель организовать систему ГВС у себя дома. Каким же будет оптимальный выбор?

Какая система ГВС оптимальна для квартиры и для дома

Если говорить о квартире, то система автономного ГВС обычно является больше резервным, чем основным вариантом (кроме квартир, в которых полностью отсутствует постоянное централизованное водоснабжение, что является редкостью в наше время). Таким образом, в резервной системе отсутствует необходимость детального инженерного расчета потребности, большой мощности нагревательного элемента и запаса горячей воды "на всякий пожарный".

Как правило, ограничиваются (для установки газового прибора нужно разрешение газовщиков и монтаж силами сертифицированных специалистов!) .

Объем бака бойлера редко превышает 50-100 литров - устройства большего объема нужно где-то размещать, а вот бак до 100 л можно повесить и на стену в кухне, ванной либо туалете. Мощность электрических нагревателей редко превышает 3,5 кВт, что обусловлено стандартной электропроводкой квартиры, однако для бойлера все равно рекомендуется тянуть отдельную линию прямо от счетчика.

Установка газовой колонки, как уже было сказано, - дело хлопотное в плане оформления документации. Поэтому наиболее простым способом остаются покупка и установка электрического накопительного водонагревателя. Бака даже в 50 литров вполне хватает для мытья рук, посуды и принятия душа одним-двумя людьми (принять ванну с нагревателем такого объема, увы, не получится). Если же в семье численность составляет три и более человек, нужен будет бак большего объема.

Общая схема устройства накопительного бойлера

Что касается загородного дома или дачи, то в этом случае необходимо исходить из имеющихся в наличии энергоносителей. Если к дому подключен газ, то проблема решается установкой газовой колонки либо подключением бойлера косвенного нагрева в имеющуюся систему отопления. Если газа нет, необходимо изучить мощность и вид (трех- или однофазное) подключенного к дому электричества и определиться с типом и объемом электрического нагревателя, исходя из планируемого расхода горячей воды, рассчитанного по приведенным выше формулам.

Место бойлера косвенного нагрева в общей системе отопления

Бывают ситуации, при которых нельзя воспользоваться ни газом, ни электричеством для целей ГВС (например, дача на старом массиве, где газа нет, а электрические сети не выдерживают большой нагрузки). В этом случае стоит рассмотреть альтернативные способы нагрева воды, при которых источником могут быть:

Производственное объединение «ХимСтальКомплект» занимается внедрением энергосберегающих технологий в области пароводяного и водоводяного теплообмена, а также технологиями утилизации тепла отходящих газов. На предприятии разработан контактный пароводяной нагреватель типа КПВН-С («КОССЕТ»), представляющий собой инжекционный пароструйный смесительный теплообменник.

Разработка теплообменника «КОССЕТ» удостоена золотыми и серебряными медалями, целым рядом дипломов Международных и региональных выставок.

Наш теплообменник установлен более чем на 80 предприятиях России и стран СНГ. Все они уже давно экономят с помощью нашего инновационного изобретения!

Пароутилизаторы «КОССЕТ» применяются для следующих целей:

• нагрев воды в системах горячего водоснабжения;
• утилизация низкопотенциального пара после паровых машин и технологических установок;
• нагрев питательной воды паровых котлов перед химводоподготовкой;
• основной и пиковый нагреватель сетевой воды в системе теплоснабжения;
• нагреватель воды для горячего водоснабжения в открытых системах теплоснабжения;
• при использовании пара на предприятии для технологических целей возможно использование «Коссет» для локальной системы водяного отопления и отказа от второго теплоносителя, получаемого от сторонней организации.

Пароводяной теплообменник «КОССЕТ» состоит из подводящего паропровода с соплом, корпуса и нагревательного элемента. Паропровод подсоединен к корпусу, в котором находится сужающееся сопло и камера смешения воды и пара. Нагревательный элемент устанавливается в отрезке трубопровода. Пар из паропровода через сопло поступает в камеру смешения, куда в свою очередь через кольцевой зазор между конфузором камеры смешения и стенками сопла за счет разряжения, создаваемого струей пара, эжектируется поток воды. Эжектируемый поток воды под воздействием скоростной струи пара дробится на мелкие капли, формируя развитую поверхность для тепломассообмена. В камере смешения происходит перемешивание потока, дальнейшая конденсация пара, преобразование гетерогенной системы в гомогенную, выравнивание поля температур. В конструкции камеры смешения предусмотрен турбулизатор и диссипативная насадка, которые обеспечивают полную конденсацию пара в потоке воды.

Известны конструкции смесительных теплообменников других предприятий, в частности, пароводяной струйный аппарат (ПСА) разработки НПО «Новые технологии» (г. Санкт-Петербург). Принцип действия ПСА основан на физическом явлении из области гидродинамики двухфазных потоков, суть которого заключается в возникновении скачка уплотнения в двухфазном потоке при разгоне его до сверхзвуковой скорости и последующего торможения с переходом звукового барьера. Теплообмен в камере смешения ПСА происходит путем непосредственного контакта пара и воды. Поток пара разгоняется до сверхзвуковой скорости при помощи сопла Лаваля, после чего попадает в камеру смешения. Вода в камеру смешения подается через кольцевую диафрагму соосно паровому потоку, в виде кольцевой струи. При взаимодействии потоков происходит распыление воды высокоскоростной струей пара, в результате чего в камере смешения происходит формирование мелкодисперсного сверхзвукового потока равновесной двухфазной смеси; при этом пар передает воде свой импульс и тепло. Далее полученная смесь тормозится в сверхзвуковом диффузоре, что приводит к возникновению скачка уплотнения в двухфазной смеси, повышению статического давления и полной конденсации пара. В результате на выходе из ПСА формируется поток воды с более высокой температурой, чем на входе, и нагретая вода под давлением подается потребителю.

В отличие от всех известных струйных аппаратов-теплообменников, в конструкции теплообменника «КОССЕТ» эжектор размещен внутри трубопровода, за счет чего происходит разделение потока воды внутрь эжектора и в окружающее его пространство пропорционально подаваемому в данный момент количеству пара. Это привело к тому, что теплообменник работает устойчиво в диапазоне изменения параметров воды и пара от 20 до 100% по расходу и давлению.

Основные преимущества пароструйного теплообменника «КОССЕТ»

Пароструйный контактный смесительный теплообменник КПВН-С («КОССЕТ») предназначается на замену типовых кожухотрубных пароводяных подогревателей и пластинчатых теплообменников.

Преимущества КПВН-С («КОССЕТ»):

1. Отсутствие разделительной теплопередающей поверхности, характерной для кожухотрубных и пластинчатых (типа Альфа-Лаваль) пароводяных теплообменников, благодаря применению контактного теплообмена при смешении пара и воды.

Контактный теплообмен в КПВН-С обеспечивает наибольшие коэффициенты теплопередачи от пара к воде (15-20) 103 Вт/(м 2 К), что в 20-30 раз выше по сравнению с кожухотрубным пароводяным подогревателем (500-800 Вт/(м 2 К)) и в 10-15 раз выше по сравнению с пластинчатым теплообменником (1000-2000).

2. Отсутствие термических сопротивлений отложений и теплопередающей поверхности.

Благодаря указанному свойству пароструйный теплообменник КПВН-С отличается высокой стабильностью теплообменных характеристик на всем протяжении эксплуатации.

При применении кожухотрубных пароводяных теплообменников в процессе эксплуатации образуются отложения, уменьшается эффективная площадь теплообмена и теплопроизводительность системы в целом, в результате снижается (до 0,8) коэффициент использования теплоты пара (недоиспользование). В пароструйном теплообменнике КПВН-С коэффициент использования пара всегда составляет 1,0 и теплопроизводительность постоянная, равно отвечающая проектным характеристикам.

3. Компактные размеры КПВН-С обеспечиваются высокой интенсивностью процесса теплообмена между паром и водой.

В сравнении с кожухотрубным пароводяным теплообменником в диапазоне теплопроизводительностей 0,6-16,2 МВт габариты (диаметр корпуса) уменьшаются в 1,5-2 раза, а поверхность тепловых потерь уменьшается в 2-3 раза.

4. Тепловые потери КПВН-С в 5-7 раз ниже аналогичных потерь для кожухотрубных теплообменников.

Указанное снижение достигается за счет уменьшенной поверхности теплопотерь и меньшего температурного напора между слоем теплоносителя вблизи внутренней поверхности стенки корпуса аппарата и окружающей средой. В корпусе кожухотрубного теплообменника происходит конденсация пара, поэтому температура теплоносителя у внутренней стенки корпуса равна температуре пара. В пароструйном теплообменнике КПВН-С температура у стенки близка к средней температуре воды благодаря разделению потоков. Однако при любых условиях тепловые потери для кожухотрубных и пароструйных теплообменников не превысят 2-4%.

5. Глубокое саморегулирование расхода воды за счет особенностей конструкции при изменении расхода и давления пара.

Расход воды может изменяться от 20 до 100% от номинального при сохранении заданной температуры воды. Регулирование магистралей может осуществляться вручную оператором.

6. Отсутствие вибраций, поэтому уровень шума ниже, чем у трансзвуковых пароструйных аппаратов.

7. Применение КПВН-С («КОССЕТ») на магистралях диаметром до 500 мм, что при больших массовых расходах воды и пара приводит к уменьшению количества параллельно установленных аппаратов, уменьшает суммарную стоимость и облегчает регулирование.

8. Отсутствие подготовки устройства перед запуском, в частности, прогрев конструкции до рабочей температуры.

9. Отсутствие ремонта и технического обслуживания на протяжении всего срока эксплуатации до 20 лет.

Особенности применения
и экономический эффект от внедрения

Пароструйный теплообменник КПВН-С («КОССЕТ») может применяться в открытых и закрытых тепловых сетях. Для пароструйного теплообменника можно использовать простейшую типовую систему автоматики бойлеров. «КОССЕТ» устойчиво работает в автоматическом и ручном режимах. Модельный ряд позволяет нагреть практически любой объем воды. Тепловая мощность теплообменников КПВН-С («КОССЕТ») от 1,75 до 16,2 МВт.

Положительный эффект от внедрения пароструйного теплообменника КПВН-С в энергетическом производстве достигается за счет:

• уменьшения тепловых потерь через наружные поверхности на 2-4%;
• исключения затрат на регулярное техническое обслуживание и ремонт;
• уменьшения затрат и топлива (до 20%) из-за недоиспользования теплоты пара при одной и той же воспринимаемой теплопроизводительности систем с кожухотрубными и пароструйными теплообменниками;
  высвобождения дополнительных площадей;
• снижения потребляемой мощности сетевых насосов подачи воды на 6% в открытых системах со сбросовым паром;

Увеличение затрат при внедрении пароструйного теплообменника КПВН-С в закрытых системах связано с дополнительными расходами на химводоподготовку, Однако полный экономический эффект от внедрения КПВН-С («КОССЕТ») на объектах промышленности с учетом затрат является положительным.

Таким образом, предлагаемая замена типовых пароводяных бойлеров на пароструйный теплообменник типа КПВН-С («КОССЕТ») является целесообразной, отвечающей требованиям теплоэнергосбережения и позволяет получить положительный экономический эффект.

Способ нагрева воды относится к теплоэнергетике, предназначен для получения горячей воды и может быть использован в устройствах для подогрева жидкостей. Задача изобретения - создание производительного способа нагрева воды, обеспечивающего высокоэффективную теплоотдачу производимого тепла в нагреваемую воду, значительную экономию энергоресурсов и работающего без нарушения экологической среды. Способ нагрева воды включает технологическую подготовку процесса нагрева воды, заполнение водой нагреваемой системы, обеспечение циркуляции воды, обеспечение пусковых параметров процесса нагрева воды и нагрев циркулируемой, активируемой воды вращающейся нагреваемой реакционной вакуумной камерой (теплообменником). Обеспечение нагрева реакционной вакуумной камеры производится в предварительно созданной вакуумной среде самой камеры суммарным теплом, образующимся от тепловой энергии (превращенной из механической энергии) при механическом разрушении и счистке пленочного слоя из химических соединений с реакционной поверхности геттерного материала, а также от тепловой энергии, выделяемой химическими реакциями при образовании пленочного слоя из химических соединений на химически чистой поверхности геттерного материала. При этом обеспечение химически чистой поверхности геттерного материала производится трением скольжения вращающейся реакционной поверхности (с пленочным слоем из химических соединений) о прижатые к ней твердосплавные элементы с помощью избыточного давления атмосферных газов, а образование пленочного слоя из химических соединений производится с помощью хемсорбционного процесса на химически чистой поверхности геттерного материала. Обеспечение рабочего вакуума в реакционной вакуумной камере производится с помощью геттерной откачки, где перед установкой рабочего диапазона вакуумного давления газов обеспечивают максимально возможный высокий вакуум, после чего производится непрерывная подача газов, снижение вакуума до требуемой величины и обеспечивается поддержание рабочего диапазона вакуумного давления газов. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ нагрева воды относится к теплоэнергетике, и предназначен для применения в технике, производящей горячую воду, теплоноситель, и может быть использован в устройствах для нагрева жидкостей и газов.

Известен способ нагрева воды, реализованный в водогрейном отопительном котле (патент RU 2186302 С2, МПК F 24 Н 01/40 от 20.07.2002 г.), по которому обеспечивают технологическую подготовку процесса нагрева воды, заполняют водой нагреваемую систему, обеспечивают циркуляцию воды, обеспечивают пусковые параметры процесса нагрева воды, производят нагрев воды, для чего сжигают топливо, обеспечивают нагрев газов воздушной среды, обеспечивают передачу тепловой энергии нагретых газов конвекцией теплообменнику, обеспечивают передачу тепловой энергии с теплообменника в циркулируемую воду.

Известный способ требует значительного потребления топлива. Способ загрязняет атмосферу продуктами сгорания топлива. В способе длительная подготовка запуска и выхода на рабочий режим процесса нагрева воды. Применяемое в способе оборудование металлоемкое и требует больших капитальных затрат при ремонтно-восстановительных работах. У известного способа нагрева воды низкий КПД.

Известен способ нагрева воды, реализованный в водогрейном отопительном котле (патент RU 2186302 С2, МПК F 24 Н 01/40 от 20.07.2002 г.) по которому производят технологическую подготовку процесса нагрева воды, заполняют водой нагреваемую систему, обеспечивают циркуляцию воды, обеспечивают пусковые параметры процесса нагрева воды, производят нагрев воды, для чего обеспечивают нагрев электрическим током нагревательных элементов в трубчатых оболочках ТЭНов (в теплообменниках), обеспечивают нагрев газов в трубчатых оболочках ТЭНов (в теплообменниках), обеспечивают передачу тепловой энергии нагретых газов конвекцией трубчатым оболочкам ТЭНов (теплообменникам), обеспечивают передачу тепловой энергии с трубчатых оболочек ТЭНов (теплообменников) в циркулируемую воду.

В известном способе нагрева воды потребляется большое количество электрической энергии. Способ имеет длительный режим нагрева воды. В способе нагрева воды из-за медленного движения макроскопических частиц воды относительно друг друга и теплообменника 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. В результате этих недостатков выводится из работы пускорегулирующая аппаратура энергоснабжения и создается аварийная ситуация. Способ находит применение там, где требуется потребление горячей воды и теплоносителя в небольших объемах.

Наиболее близким по совокупности признаков аналогом является способ нагрева воды, примененный в водогрейном котле (патент RU 2196933 С2, МПК F 22 В 21/00 от 20.01.2003 г.) по которому производят технологическую подготовку процесса нагрева воды, производят водоподготовку, заполняют водой нагреваемую систему, обеспечивают циркуляцию воды, обеспечивают вытяжную вентиляцию и вентиляцию наддува, обеспечивают подготовку газовоздушной смеси, обеспечивают наддув газовоздушной смеси в каталитический нагревательный элемент, производят нагрев воды, для чего обеспечивают беспламенное каталитическое окисление природного газа (сжигание газа) при прохождении им через газовоздушные каналы каталитического нагревательного элемента, обеспечивают нагрев теплообменника, спеченного с катализатором тепловой энергии, выделяемой беспламенным каталитическим окислением природного газа, обеспечивают передачу тепловой энергии с теплообменника, спеченного с катализатором, в циркулируемую воду.

Работа способа нагрева воды основывается на сжигании природного газа. В способе нагрева воды необходима водоподготовка. Применяемый способ не обеспечивает 100% исключения загрязнения окружающей среды отработанными газами. Работа способа требует значительного потребления электрической энергии (вытяжная вентиляция, вентиляция наддува). В способе из-за медленного движения микроскопических частиц воды относительно друг друга и относительно внутренних поверхностей трубок (в теплообменнике) образуются осадочные отложения и накипь. В результате чего нарушается теплообмен, перекрываются трубные проходы для циркуляции воды, создается аварийная ситуация. Для применяемого способа нагрева воды необходимо специальное помещение, оборудованное надежной вытяжной вентиляцией и вентиляцией наддува. В способе необходима тщательная подготовка состава газовоздушной смеси, поддержание жестких параметров наддува газовоздушной смеси и постоянство химического состава и давления подаваемого природного газа. Способ нагрева воды требует повышенной ответственности при эксплуатации дорогостоящего газового оборудования.

Заявляемое изобретение решает задачу создания производительного способа нагрева воды, обеспечивающего высокоэффективную теплоотдачу производимого тепла в нагреваемую воду, значительную экономию энергоресурсов и работающего без нарушения экологической среды.

Для решения этой задачи в заявляемом способе нагрева воды заключающемся в том, что первоначально производят технологическую подготовку процесса нагрева воды, заполняют водой нагреваемую систему, обеспечивают циркуляцию воды, обеспечивают пусковые параметры процесса нагрева воды отличающийся тем, что нагрев воды производят непосредственной передачей тепла в активируемую воду нагреваемой вращающейся реакционной вакуумной камерой (теплообменником).

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа нагрев вращающейся реакционной камеры (теплообменника) осуществляют в предварительно обеспеченной вакуумной среде самой камеры суммарным теплом, образующимся на реакционной поверхности геттерного материала, от выделяемой тепловой энергии (превращенной из механической энергии) при механическом разрушении и счистки пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала, а также тепловой энергии, выделяемой химическими реакциями при образовании пленочного слоя из химических соединений на химически чистой поверхности геттерного материала.

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа активацию воды в процессе ее нагрева обеспечивают вращением реакционной камеры.

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа химически чистую поверхность геттерного материала обеспечивают механическим разрушением и счисткой пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала или трением скольжения вращающейся реакционной поверхности об прижатые к ней твердосплавные элементы очистителей.

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа образование пленочного слоя из химических соединений обеспечивают химическим связыванием молекул активных газов хемсорбционным процессом на химически чистой поверхности геттерного материала.

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа обеспечение рабочего вакуума в реакционной вакуумной камере производят с помощью геттерной откачки, где перед установкой рабочего диапазона вакуумного давления газов обеспечивают максимально возможный вакуум, после чего производят непрерывную подачу газов, снижая вакуум до требуемой величины, и обеспечивают поддержание рабочего диапазона вакуумного давления газов.

Способ нагрева воды, в котором в отличие от прототипа прижатие твердосплавных элементов очистителей к реакционной поверхности обеспечивают с помощью избыточного давления атмосферных газов.

На фиг.1 представлен общий вид устройства, реализующего заявляемый способ нагрева воды, на фиг.2 представлен вид реакционной вакуумной камеры в сечении А-А, на фиг.3 представлена принципиальная вакуумная схема устройства нагрева воды.

На фиг.1 устройство нагрева воды обозначено позицией 1, 2 - дополнительная вакуумная камера, 3 - реакционная вакуумная камера-теплообменник, 4 - газовый баллон, 5 - газовый редуктор, 6 - вакуумметр, 7 - механический насос, 8 - вакуумный клапан, 9 - неподвижный блок очистителей, 10 - твердосплавные элементы, 11 - очистители, 12 - реакционная поверхность, 13 - трубопровод (имеющий возможность разборки), 14 - трубчатый отвод, 15 - проходной трубопровод, 16 - сильфонные объемы, 17 - сильфоны, 18 - опорные скользящие площадки, 19 - манометр, 20 - емкость для воды, 21 - горловина, 22 - входной патрубок, 23 - выходной патрубок, 24 - электродвигатель, 25 - натекатель газов, 26 - прибор для измерения температуры воды, 27 - амперметр.

Способ нагрева воды осуществляется следующим образом. Первоначально производят технологическую подготовку процесса нагрева воды, для чего в устройстве нагрева воды 1 производят проверку герметичности дополнительной неподвижной вакуумной камеры 2, реакционной вакуумной камеры 3 (выполненный из геттерного материала титан и установленный с возможностью вращения в емкости для воды 20).

Соединяют газовый баллон 4 (с избыточным давлением атмосферных газов) через газовый редуктор 5 с трубопроводом 13. Подключают вакуумметр 6 к электрической сети. Емкость для воды 20 с реакционной вакуумной камерой 3 и нагреваемую систему через горловину 21 заполняют водой. Обеспечивают циркуляцию воды через выходной патрубок 23, нагреваемую систему, входной патрубок 22 в емкость для воды 20. Обеспечивают пусковые параметры процесса нагрева воды, для чего производят предварительную вакуумную откачку в соединенных между собой дополнительной вакуумной камере 2 и реакционной вакуумной камере 3 газовой среды до вакуумного давления газов 10 -3 -10 -4 Па.

Вакуумную откачку производят механическим насосом 7 через вакуумный клапан 8. При достижении вакуумного давления газов 10 -3 -10 -4 Па закрывают вакуумный клапан 8, отключают механический насос 7. Вакуумное давление газов измеряют вакуумметром 6. На неподвижном блоке очистителей 9 устанавливают (регулировкой) давление твердосплавных элементов 10 очистителей 11 на реакционную поверхность 12, для чего из газового баллона 4 через газовый редуктор 5, через (имеющий возможность разборки) трубопровод 13, через трубчатый отвод 14, через проходные трубопроводы 15 в сильфонные объемы 16 подается избыточное давление атмосферных газов. Избыточное давление атмосферных газов обеспечивает растяжение стальных сильфонов 17 и производит вертикальное движение скользящих площадок 18, которые, воздействуя на очистители 11 (имеющие возможность радиального перемещения), обеспечивают поверхностное прижатие твердосплавных элементов 10 (выполненных из материала ВК-8) к реакционной поверхности 12. Установку и регулировку подаваемого избыточного давления атмосферных газов обеспечивают газовым редуктором 5. Подаваемую величину избыточного давления атмосферных газов устанавливают такую, чтобы при передаче ее на твердосплавные элементы, трущиеся элементы твердосплавных элементов (трением скольжения) обеспечивали полную очистку пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала. Величину избыточного давления атмосферных газов, подаваемого на твердосплавные элементы 10, определяют расчетным и опытным путем в зависимости от площади трущихся поверхностей твердосплавных элементов 10 и от типа геттерного материала. Избыточное давление атмосферных газов контролируется по манометру 19.

Производят нагрев воды, для чего запускают в работу электродвигатель 24, который обеспечивает вращение реакционной вакуумной камеры 3 (теплообменника) вместе с реакционной поверхностью 12 из геттерного материала. От вращения реакционной вакуумной камеры 3 циркулируемая вода в емкости для воды 20 активируется, а именно производится круговое движение водных слоев (увлекаемых поверхностью вращения реакционной вакуумной камеры 3), в результате чего за счет суммарного воздействия на водную среду циркуляцией и активацией обеспечивается высокоэффективное движение (контактирование) макроскопических частиц воды относительно друг друга и вращающейся реакционной вакуумной камеры 3 (поверхности). Производимый эффект практически исключает создание застойных слоев воды, образование осадков и обеспечивает высокоэффективную теплоотдачу при нагреве воды нагреваемой реакционной вакуумной камерой 3 (теплообменником).

В неподвижном состоянии реакционная поверхность 12 покрыта образованным на ней пленочным слоем из химических соединений (окислов, нитридов, гидридов и т.д.). Производят вращение реакционной поверхности 12 геттерного материала и обеспечивают ее поверхностное трение скольжения об прижатые к ней твердосплавные элементы 10 очистителей 11, в результате чего производится поверхностное деформационное разрушение тонкого пленочного слоя из химических соединений и счистка его с геттерного материала. Поверхностное деформационное разрушение пленочного слоя из химических соединений и счистку его с геттерного материала производят по всей реакционной поверхности 12 за счет размещения очистителей 11 двумя рядами диаметрально и со смещением относительно друг друга на неподвижном блоке очистителей 9 (при каждом обороте реакционной вакуумной камеры 3). Рабочий режим процесса деформационного разрушения и счистки пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала контролируют по изменению нагрузочной характеристики электродвигателя 24 измеряемой амперметром 27. В результате разрушения и счистки пленочного слоя на реакционной поверхности 12 обеспечивают химически чистую поверхность геттерного материала. Произведенная при трении скольжения механическая энергия превращается в тепловую энергию. Обеспечивают выделение тепловой энергии на реакционной поверхности 12 геттерного материала. Нагревают теплообменник.

Созданная химически чистая поверхность геттерного материала взаимодействует с активными газами, находящимися в реакционной вакуумной камере 3, при помощи физического и химического связывания молекул газов адсорбционным процессом (физической адсорбцией и химической адсорбцией) с выделением тепла. Обеспечивают адсорбцию активных газов на химически чистой поверхности геттерного материала, которая является геттерной откачкой газов. При этом превалирующим механизмом при адсорбционной откачке газов является химическая адсорбция (хемсорбция), которой обеспечивают производство химических реакций на химически чистой поверхности геттерного материала с образованием пленчного слоя из химических соединений. Образование пленочного слоя из химических соединений производят с выделением тепловой энергии на реакционной поверхности 12. Нагревают теплообменник.

Изложенная выше технологическая последовательность процесса нагрева воды, а именно: разрушение и счистка пленочного слоя из химических соединений, выделение тепловой энергии, обеспечение химически чистой поверхности геттерного материала, адсорбция газов - геттерная откачка, образование пленочного слоя из химических соединений, выделение тепловой энергии относится к поверхностным структурным изменениям реакционной поверхности 12 геттерного материала за один оборот реакционной вакуумной камеры 3. Далее технологическая последовательность нагрева воды повторяется с началом каждого оборота реакционной вакуумной камеры 3. По выделяемой тепловой энергии с активной площади реакционной поверхности 12 за один оборот реакционной вакуумной камеры 3 определяют производимое тепло по количеству оборотов за определенное время.

Создают рабочий вакуум в реакционной вакуумной камере 3 с предварительно обеспеченным в ней вакуумным давлением газов 10 -3 -10 -4 Па, для чего обеспечивают максимально возможный высокий вакуум геттерной откачкой в реакционной вакуумной камере 3 и в соединенной с ней дополнительной вакуумной камере 2 с целью определения возможностей геттерной откачки (при напуске газов) и дополнительной проверки герметичности вакуумной системы. Производят непрерывную подачу газов натекателем газов 25. Снижают вакуум в реакционной вакуумной камере 3 (и в дополнительной вакуумной камере 2) до требуемой величины и поддерживают рабочий диапазон вакуумного давления газов. Рабочий диапазон вакуумного давления газов - это давление газов, при котором обеспечиваются оптимально производительные величины тепловой энергии на реакционной поверхности 12.

Производят нагрев воды до заданной температуры. Контроль за температурой осуществляется по прибору измерения температуры 26. При достижении температуры нагрева воды производят закрытие натекателя газов 25, останов электродвигателя 24, отключение от электрической сети вакуумметра 6, прекращение подачи избыточного давления атмосферных газов из газового баллона 4. Прекращают циркуляцию воды. При работе устройства нагрева воды 1 в повторно-кратковременном режиме производится только закрытие и открытие натекателя газов 25 при останове и включении в работу электродвигателя 24.

В одном из режимов работы устройства нагрева воды 1 при вакуумном давлении газов 13,5×10 -5 Па с активной поверхностью геттерного материала - 0,452 м 2 , давлением поверхности твердосплавного элемента на геттерный материал 0,5-0,6 кг/мм 2 за один оборот реакционной поверхности на ней выделяется 13-15 ккал тепла, а за час работы выделяется 46800-54000 ккал тепла (при оборотах электродвигателя 60 об/мин.).

Новым в поданном техническом решении является следующее:

В способе нагрев воды обеспечивают высокоэффективной вынужденной конвекцией макроскопических частей воды относительно друг друга и относительно вращающегося нагреваемого твердого тела (реакционной вакуумной камеры-теплообменника) в активируемой воде;

В способе отсутствуют применяемые традиционно для нагрева воды виды топлива газ, жидкое топливо, уголь и т.д.;

В способе отсутствуют факторы, загрязняющие окружающую среду и влияющие на здоровье человека.

В заявляемом способе нагрева воды по сравнению с прототипом не требуются: топливо и его подготовка для использования; специальная водоподготовка; отдельное помещение с принудительной вытяжной вентиляцией и вентиляцией наддува.

Способ нагрева воды осуществляется на недорогом, простом оборудовании, не требующем повышенной ответственности при его эксплуатации с обеспечением 100% исключения загрязнения окружающей среды.

В способе за счет высокой интенсивности движения макроскопических частиц воды относительно друг друга и относительно вращающейся реакционной вакуумной камеры (теплообменника), за счет равномерного нагрева всех участков теплообменника, высокоэффективной конвекции воды, обеспечивается производительный нагрев воды, в котором практически исключается образование осадочных покрытий и накипи.

Способ требует незначительного потребления электрической энергии (косвенного назначения) по сравнению с прототипом и вырабатываемой тепловой энергией. Электрическая энергия необходима для вращения электродвигателя (в образце его Р уст =2,5 кВт), обеспечивающего вращение реакционной вакуумной камеры в повторно-кратковременном режиме.

Способ нагрева воды в поданном техническом решении может осуществляться от любого вида энергии, способной обеспечивать вращение теплообменника (ветряной, водной и т.д.). Способ легко управляем и может работать от технических средств автоматизации. Особо важное значение предлагаемый способ будет иметь там, где отсутствуют топливные ресурсы - в районах Крайнего Севера, Сибири, пустынях, горных местностях и т.д.

Расчет основных параметров способа нагрева воды производился на базе известных формул и информации, где число молекул, адсорбированных на 1 см 2 химически чистой поверхности геттерного материала в 1 сек. Определяется по формуле

где (1-θ) - доля свободных мест адсорбции;

kn - коэффициент прилипания газа на поверхности;

Р - давление газов над поверхностью адсорбции - Па;

Тг - температура откачивания газа - К;

М - молярная масса - г/моль.

Теплота адсорбции, выделяющаяся на идеальной ровной площади химически чистой поверхности геттерного материала в 1 с, определялась по формуле

Qa - теплота адсорбции газа на химически чистой поверхности геттерного материала - ккал/моль -1 ,

νs - число молекул газа адсорбированных на идеально ровной площади химически чистой поверхности титана,

Na - 6,0221367×10 23 моль -1 число Авогадро.

Работа силы трения за один оборот реакционной поверхности

Qtr=Nnorm×μ×2πR

Nnorm - нормальное усилие - кг,

μ - коэффициэнт трения скольжения пары.

Теплота адсорбции и хемсорбции газов на геттерном материале титан иллюстрируется в книге «Технология тонких пленок», том 1, Справочник под редакцией Л.Майссела, Р.Глэнга, Москва «Советское радио», 1977 г., стр.223.

1. Способ нагрева воды, заключающийся в том, что производят технологическую подготовку процесса нагрева воды, заполняют водой нагреваемую систему, обеспечивают циркуляцию воды, обеспечивают пусковые параметры процесса нагрева воды, отличающийся тем, что нагрев воды производят непосредственной передачей тепла в активируемую воду нагреваемой вращающейся реакционной вакуумной камерой (теплообменником).

2. Способ нагрева воды по п.1, отличающийся тем, что нагрев вращающейся реакционной вакуумной камеры осуществляют в предварительно обеспеченной вакуумной среде самой камеры суммарным теплом, образующимся на реакционной поверхности геттерного материала от выделяемой тепловой энергии (превращенной из механической энергии) при механическом разрушении и счистке пленочного слоя из химических соединений с геттерного материала, а также от тепловой энергии, выделяемой химическими реакциями при образовании пленочного слоя из химических соединений на химически чистой поверхности геттерного материала.