Электроводонагреватель

 

Использование: для бытовых нужд. Сущность изобретения: нагреватель содержит нагревательные элементы, трубопровод подачи холодной воды U-образной формы, датчик расхода воды. При этом датчик расхода установлен в определенном месте в верхней части нагревателей, а датчик выполнен с мембраной с дополнительными штоками, действующими по разности давлений, что повышает надежность работы электронагревателя. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электробытовым нагревательным приборам и может быть использовано с целью нагрева воды для бытовых нужд, например, на кухне.

Известен электрический прямоточный водоподогреватель по патенту Германии N 4022759, Мкл⁵ Н 05 В 1/02 (ИСМ, 1993, вып. 112, N 5, стр. 2), содержащий по меньшей мере одну нагревательную спираль, установленную в траектории протекания подогреваемой воды, местное гидравлическое сопротивление, установленное в трубопроводе подвода холодной воды, дифференциальный датчик давления с электрическим выключателем, подключенным к схеме управления.

При поступлении воды в камеру для нагрева воды на гидравлическом сопротивлении появляется перепад давления, срабатывает дифференциальный датчик давления и включает электрический выключатель, сигнал с которого поступает на устройство управления, которое через время задержки, достаточное для полного заполнения полости корпуса водой, включает тиристоры в цепи питания нагревателя.

Признаки данного устройства, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: корпус; электронагревательные элементы, расположенные в корпусе; трубопровод подвода холодной воды; присоединения трубопровода подвода холодной воды к нижней части корпуса; трубопровод отвода воды; кран для регулирования расхода; местное гидравлическое сопротивление; мембрана; кожух, обрамляющих мембрану; соединение кожуха мембраны с трубопроводом подвода холодной воды посредством отверстия; выключатель питания электронагревательных элементов со штоком, упирающимся в мембрану.

Недостатком известного устройства являются: большое запаздывание включения электронагревательных элементов после открытия крана регулирования расхода, что вызывает потери воды, особенно при полном открытии крана и создает неудобство при пользовании. Действительно, задержка включения электронагревательных элементов, создаваемая устройством управления, необходима для полного заполнения водой электронагревательных элементов после открытия крана, а величина этой задержки устанавливается исходя из минимального расхода воды, на который рассчитан нагреватель. Поэтому при полном открытии крана это время задержки будет излишне большим; опасность взрыва нагревателя в случае неисправности выключателя или устройства управления, при которой после закрытия крана не отключатся электронагревательные элементы (например, сваривание контактов выключателя). В этом случае, через некоторое время вода закипит в замкнутом объеме, давление повысится, что вызовет разрыв оболочки корпуса.

Известен электроводонагреватель по патенту РФ N 2008570, Мкл⁵ F 24 H 1/20, cодержащий корпус, часть стенки которого выполнена в виде мембраны, трубопровод подвода холодной воды с краном для регулирования расхода, подключенный к нижней части корпуса, трубопровод отвода воды, присоединенный к корпусу в верхней части, подпружиненный клапан, установленный на трубопроводе отвода и имеющий сквозное отверстие, площадь проходного сечения которого составляет 0,002-0,004 от площади мембраны, электронагреватель, расположенный в корпусе, и выключатель питания электронагревателя со штоком, упирающимся в мембрану.

При открывании крана трубопровода подвода холодной воды, но при расходе воды ниже минимальной производительности электроводонагревателя вся вода проходит через сквозное отверстие клапана, не создавая в корпусе давление, достаточное для включения выключателя электронагревателя. При дальнейшем открывании крана на трубопроводе подвода холодной воды расход воды увеличивается до минимальной производительности электроводонагревателя и отверстие клапана не успевает пропускать через себя весь поток воды, в результате чего давление в корпусе возрастает до величины, достаточной для срабатывания выключателя и включения электронагревателя.

После прекращения подачи воды путем перекрытия крана давление в корпусе уменьшается и клапан перекрывает трубопровод отвода воды. При этом благодаря отверстию в клапане давление в корпусе падает быстро, что приводит к отключению электронагревателя.

Признаки данного устройства, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, корпус; электронагреватель, расположенный в корпусе; трубопровод подвода холодной воды с краном для регулирования расхода; присоединение трубопровода подвода холодной воды к нижней части корпуса; присоединение трубопровода отвода воды к верхней части корпуса; местное гидравлическое сопротивление, установленное в трубопроводе отвода воды в виде пластины с отверстием; мембрана; выключатель питания электронагревателя со штоком, упирающимся в мембрану.

Недостатком известного устройства является низкая надежность, обусловленная следующими факторами; возникновением автоколебаний пластины клапана при среднем расходе воды, когда из-за недостаточного напора потока воды на пластину последняя не упирается в ограничитель. Автоколебания пластины в потоке воды вызывают пульсации давления жидкости, удары пластины об ограничитель и седло клапана снижают долговечность пружины. Включение водонагревателя со сломанной пружиной клапана приведет к преждевременному включению электронагревателей (при расходе воды меньше минимально допустимого) и их перегоранию; усадкой пружины клапана, которая также приводит к преждевременному включению электронагревателей и их перегоранию; выбранным отношением площади проходного сечения отверстия в пластине клапана к площади мембраны, которое должно находиться в пределах 0,002-0,004. Действительно, при малом диаметре отверстия в пластине клапана возможно его засорение крупицами ржавчины, отслаивающимися от водопроводных труб, что вызовет преждевременное включение электронагревателей, ввиду образования воздушной пробки в корпусе и их перегорания. При достаточно большом диаметре отверстия в пластине клапана, исключающем его засорение, площадь мембраны должна быть выбрана большой, что значительно увеличивает усилие, действующее на мембрану со стороны воды. Это усилие может значительно возрасти в случае установки на конце трубопровода отвода воды разбрызгивателя и его засорения.

Тогда давление в корпусе может достичь давления в водопроводной сети и разорвать мембрану. Например, при диаметре отверстия в пластине клапана, равном 2 мм, площадь мембраны должна быть выбрана в пределах 7,75·10^-4-1,55·10^-3 м². При избыточном давлении в водопроводной сети 0,3 МПа усилие, действующее на мембрану, составит 233-465 Н, что в десятки, сотни раз превышает номинальное усилие, с которым мембрана действует на выключатель при нормальной работе нагревателя.

Наиболее близким устройством прототипом является электроводонагреватель по а.с. N 1744377, Мкл⁵ F 24 H 1/20, содержащий корпус, установленные в нем нагревательные элементы с токоподводящими выводами, расположенными в нижней части корпуса, трубопровод подвода холодной воды с краном для регулирования расхода и датчиком расхода воды, содержащем мембрану, заключенную в кожух, соединенный посредством отверстия с трубопроводом подвода холодной воды, и выключатель со штоком, упирающимся в мембрану. Трубопровод отвода воды расположен так, чтобы его открытый конец для забора нагретой воды располагался в верхней части корпуса.

При открывании крана на трубопроводе холодной воды последняя заполняет корпус и начинает вытекать из открытого нижнего конца трубопровода горячей воды. Как только сила давления воды в корпусе, действующая на мембрану, превысит силу сопротивления выключателя последний срабатывает и включает электронагревательные элементы.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, корпус; электронагревательные элементы, расположенные в корпусе; трубопровод подвода холодной воды; кран для регулирования расхода; установка крана для регулирования расхода на трубопроводе подвода холодной воды; присоединение трубопровода подвода холодной воды к нижней части корпуса; трубопровод отвода воды; расположение открытого конца трубопровода отвода воды в верхней части полости корпуса; мембрана; кожух, обрамляющий мембрану; соединение кожуха мембраны с трубопроводом подвода холодной воды посредством отверстия; выключатель питания электронагревателя со штоком, упирающимся в мембрану.

Недостатком прототипа является: низкая надежность, из-за изменения в процессе эксплуатации настройки датчика расхода и, как следствие, преждевременного включения в сеть электронагревательных элементов не полностью покрытых водой с последующим их перегревом и сгоранием.

Действительно, срабатывание датчика расхода происходит, когда сила давления воды на мембрану превысит силу упругости пружины выключателя. Сила давления воды складывается из силы гидростатического давления столба воды в корпусе и силы давления, вызванной гидравлическим сопротивлением трубопровода отвода воды (гидравлическим сопротивлением в корпусе можно пренебречь, вследствие его большого диаметра, а на участке трубопровода подвода холодной воды от места присоединения датчика расхода до выхода в полость корпуса - вследствие малой длины этого участка), причем сила давления, вызванная гидравлическим сопротивлением трубопровода, зависит от расхода воды, т.е. от степени открытия крана на трубопроводе холодной воды. А так как датчик расхода должен срабатывать даже при малом расходе воды, установленном потребителем, т.е. при малой потере давления в трубопроводах, то сила гидростатического давления жидкости является определяющей при срабатывании датчика расхода. Следует также отметить, что величина силы гидростатического давления, при которой гарантировано полное покрытие электронагревательных элементов, находится в диапазоне от величины, определяемой высотой столба воды в корпусе, соответствующей наивысшей точке нагревательного элемента (полное покрытие), до величины, определяемой высотой корпуса (полное заполнение полости корпуса водой). Учитывая, что вследствие стремления к уменьшению габаритов водонагревателя и к увеличению его быстродействия, верхняя часть электронагревателей располагается в непосредственной близости от верхней части корпуса, можно сделать вывод об узости этого диапазона и необходимости точной настройки датчика расхода. Однако при длительной эксплуатации водонагревателя возможно ослабление (усадка) пружины выключателя, что приведет к его срабатыванию при неполном покрытии электронагревательных элементов водой, перегреву электронагревательных элементов и выходу их из строя.

Отказ устройства прототипа может быть вызван также в случае установки на конце трубопровода отвода воды разбрызгивателя с малым диаметром отверстий и их засорения. Тогда давление в корпусе может достичь давления в водопроводной сети и под действием значительного давления деформация мембраны может превысить допустимую величину. Это может привести к ее необратимой пластической деформации и даже разрыву. Например, при высоте столба воды в корпусе, вызывающего срабатывание выключателя электронагревателей, Н=0,2 м, усилии срабатывания выключателя Р=2 Н, площадь мембраны должна быть равна где ρ плотность воды (r=1000 кг/м³), g ускорение свободного падения.

Тогда при избыточном давлении в водопроводной сети р=0,3 МПа усилие, действующее на мембрану, составит Рм рF 0,3·10⁶·1,02·10^-3=306 Н,
что в 150 раз превышает усилие, действующее на мембрану в нормальном режиме работы.

Предлагаемое изобретение предназначено для устранения указанного недостатка прототипа, т.е. для повышения надежности электроводонагревателя.

Технический результат, достигаемый предлагаемым устройством, заключается в повышении надежности электроводонагревателя путем предотвращения включения электронагревательных элементов, не полностью покрытых водой, и, следовательно, их перегрева, а также исключения чрезмерного прогиба мембраны.

Технический результат предлагаемого устройства достигается тем, что в электронагревателе, содержащем корпус, в полости которого установлены электронагревательные элементы, трубопровод подвода холодной воды с краном для регулирования расхода, присоединенный к корпусу с возможностью подвода холодной воды в нижнюю часть полости корпуса, трубопровод отвода воды с открытым концом для забора нагретой воды, расположенным в верхней части полости корпуса, датчик расхода, установленный на трубопроводе подвода холодной воды и содержащий мембрану, заключенную в кожух, соединенный посредством отверстия с трубопроводом подвода холодной воды, и выключатель питания электронагревательных элементов со штоком, упирающимся в мембрану, трубопровод подвода холодной воды выполнен U-образным, датчик расхода присоединен к его колену и вместе с коленом расположен не ниже верхней части теплопередающей поверхности электронагревательных элементов, внутри кожуха датчика расхода со стороны штока установлен ограничитель прогиба мембраны, выполненный, например, в виде конической шайбы, внутренняя поверхность которой расположена со стороны мембраны, причем ограничитель имеет сквозное отверстие для штока, установленного в это отверстие с возможностью движения, трубопровод отвода воды присоединен к корпусу в верхней части, расположен вне корпуса и в нем установлено местное гидравлическое сопротивление, выполненное, например, в виде шайбы со сквозным отверстием.

Существенными признаками заявленного устройства, отличительными от прототипа, являются:
выполнение трубопровода подвода холодной воды U-образным;
присоединение датчика расхода к колену трубопровода подвода холодной воды и их расположение не ниже верхней части теплопередающей поверхности электронагревательных элементов;
установка внутри кожуха датчика расхода со стороны штока ограничителя прогиба мембраны со сквозным отверстием для штока, установленного в это отверстие с возможностью движения, причем в частном случае устройства по п. 3 формулы изобретения ограничитель выполнен в виде конической шайбы, внутренняя поверхность которой расположена со стороны мембраны;
присоединение трубопровода отвода воды к верхней части корпуса;
расположение трубопровода отвода воды вне корпуса;
установка в трубопроводе отвода воды местного гидравлического сопротивления (в частном случае реализации устройства по п. 2 формулы изобретения, выполненного в виде шайбы со сквозным отверстием).

Выполнение трубопровода подвода холодной воды U-образным, присоединение датчика расхода к его колену и их расположение не ниже верхней части теплопередающей поверхности электронагревательных элементов исключает срабатывание датчика расхода под действием силы гидростатического давления столба жидкости, величина которой, как было указано выше при анализе недостатков прототипа, не позволяет точно определить момент полного покрытия водой электронагревателя.

Действительно, т. к. корпус и часть U-образного трубопровода подвода холодной воды с верхним расположением колена (от места присоединения к нижней части корпуса до колена) представляют сообщающиеся сосуды, то воздействие столба жидкости в корпусе на мембрану датчика расхода невозможно до покрытия электронагревательных элементов водой (датчик расхода установлен выше). Следует пояснить необходимость U-образного трубопровода подвода холодной воды. Если оставить трубопровод таким же как в прототипе и соединить с ним поднятый датчик расхода длинной трубкой, то при открытии крана вода, поступающая в трубопровод и корпус, "запрет" воздух в трубке. При подъеме воды в корпусе и ее подъеме в трубке, воздух, находящийся там, будет снижаться и давление воздуха начнет действовать на мембрану датчика расхода. Т.е. при таком способе присоединения датчика расхода не исключается действие на него давления столба воды в корпусе. При использовании U-образного трубопровода и расположении колена с присоединенным к нему датчиком расхода не ниже уровня воды, при котором полностью покрываются электронагревательные элементы, воздух в датчике расхода, "запираемый" водой, начнет сжиматься только после полного покрытия электронагревательных элементов водой. Это исключает преждевременное срабатывание датчика расхода.

Присоединение трубопровода отвода воды к корпусу в верхней части последнего, т. е. совмещение уровня забора воды с верхней внутренней поверхностью корпуса, расположение его вне корпуса и установка местного гидравлического сопротивления в трубопроводе отвода воды позволяет создать давление в полости корпуса, при открытии крана на трубопроводе подвода холодной воды, достаточное для срабатывания датчика расхода, только после полного заполнения корпуса водой и, следовательно, полного покрытия теплопередающей поверхности электронагревательных элементов.

Установка ограничителя прогиба мембраны исключает опасные деформации мембраны при повышении давления воды в корпусе нагревателя, вызванного засорением трубопровода отвода воды или большим расходом воды, установленным потребителем.

На фиг. 1 показана схема электроводонагревателя; на фиг. 2 пример конструкции датчика расхода.

Электроводонагреватель (фиг. 1) содержит корпус 1 с установленными в нем электронагревательными элементами 2, U-образный трубопровод подвода холодной воды 3 с краном 4 для регулирования расхода, трубопровод отвода воды 5 с местным гидравлическим сопротивлением 6, датчик расхода 7, содержащий мембрану 8, кожух 9, ограничитель 10 прогиба мембраны, имеющий сквозное отверстие, выключатель питания 11 электронагревательных элементов со штоком 12, входящим в отверстие ограничителя 10 с возможностью движения и упирающийся в мембрану 8.

Трубопровод подвода холодной воды 3 присоединен к нижней части корпуса 1. Трубопровод отвода воды 5 присоединен к корпусу 1 в верхней части и расположен вне его. Колено трубопровода подвода холодной воды 3 с присоединенным к нему датчиком расхода 7 установлены не ниже верхней части теплопередающей поверхности электронагревательных элементов 2. Местное гидравлическое сопротивление 6 может быть выполнено в виде шайбы со сквозным отверстием, диаметр которого выбирается теоретически или экспериментально из условия обеспечения срабатывания датчика расхода 7 при минимальном расходе воды, на который рассчитан водонагреватель.

В частном случае ограничитель прогиба мембраны 10 датчика расхода 7 (фиг. 2) может быть выполнен в виде конической шайбы, внутренняя поверхность которой расположена со стороны мембраны 8.

Электроводонагреватель работает следующим образом.

Когда кран 4 закрыт, давление в верхней части корпуса 1 и под мембраной 8 датчика расхода 7 равно атмосферному давлению и, следовательно, на мембрану 8 не действует разность давлений, контакты выключателя питания разомкнуты и электронагревательные элементы 2 обеспечены. После открытий крана 4 вода поступает в корпус 1 и заполняет его. Когда корпус 1 заполняется полностью и вода истекает в трубопровод отвода воды 5 через местное гидравлическое сопротивление 6, давление воды в корпусе 1 превышает атмосферное на величину, равную потере давления на местном гидравлическом сопротивлении. Под действием этой разности давлений мембрана 8 прогибается, действует на шток 12 и выключатель 11 включает электронагревательные элементы 10.

В случае засорения разбрызгивателя, установленного на конце трубопровода отвода воды 5 (на фиг. 1 не показан), или установки потребителем большого расхода воды с помощью крана 4 повышенное давление воды в корпусе не вызовет опасного прогиба мембраны 8, т.к. она будет прижата к ограничителю прогиба мембраны 10.

Формула изобретения

1. Электроводонагреватель, содержащий корпус, в полости которого установлены электронагревательные элементы, трубопровод подвода холодной воды с краном для регулирования расхода, присоединенный к корпусу с возможностью подвода холодной воды в нижнюю часть полости корпуса, трубопровод отвода воды с открытым концом для забора воды, расположенным в верхней части полости корпуса, датчик расхода, установленный на трубопровод подвода холодной воды и содержащий мембрану, заключенную в кожух, сообщающийся посредством отверстия с трубопроводом подвода холодной воды, и выключатель питания электронагревательных элементов с штоком, упирающимся в мембрану, отличающийся тем, что трубопровод подвода холодной воды выполнен U- образным, датчик расхода присоединен к его колену и вместе с коленом расположен не ниже верхней части теплопередающей поверхности электронагревательных элементов, внутри кожуха датчика расхода со стороны штока установлен ограничитель прогиба мембраны со сквозным отверстием для штока, установленного в это отверстие с возможностью движения, трубопровод отвода воды присоединен к корпусу в верхней части, расположен вне корпуса и в нем установлено местное гидравлическое сопротивление.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что местное гидравлическое сопротивление выполнено в виде шайбы со сквозным отверстием.

3.Устройство по п 1, отличающееся тем, что ограничитель прогиба мембраны выполнен в виде конической шайбы, внутренняя поверхность которой расположена со стороны мембраны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2