RU2035843C1 - Electric water heater - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: electric water heater includes case and heat exchanger with inlet and at least one outlet branch pipes, transformer built-in in case with laminated core on which primary winding is installed in unimmersed zone insulated from it. It is connected to network. Secondary winding of transformer presents heat exchanger located in submerged zone and is manufactured in the form of tubular turn of current-carrying material. Its outlet branch pipe is arranged above inlet pipe. EFFECT: increased level of electric safety, higher reliability and reduced usage of metal.

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электронагревателям жидкости, и может быть использовано в бытовой технике, сельском хозяйстве, в сфере обслуживания и т.д. The invention relates to electrical engineering, in particular to liquid electric heaters, and can be used in household appliances, agriculture, in the service sector, etc.

Известны переносные погружные электроводонагреватели, в которых нагрев воды происходит с помощью резистивных трубчатых электронагревателей (ТЭНов) различной конструктивной формы и размеров [1] подключаемых непосредственно к сети (обычно 220 В). Known portable submersible electric water heaters in which water is heated using resistive tubular electric heaters (TENs) of various structural shapes and sizes [1] connected directly to the network (usually 220 V).

Основными недостатками этих переносных погружных электроводонагревателей являются недостаточная электробезо- пасность из-за вероятности непосредственного контакта нагреваемой воды с греющим резистором, находящимся под напряжением сети, при появлении трещин в наружной оболочке ТЭНов или в результате его частичного разрушения при предшествующей работе без воды; недостаточная пожаробезопасность при аварийных режимах, возникающих, например, при работе таких электроводонагревателей без воды. The main disadvantages of these portable submersible electric water heaters are insufficient electrical safety due to the probability of direct contact of heated water with a heating resistor that is energized by cracks in the outer shell of the heating elements or as a result of its partial destruction during previous operation without water; insufficient fire safety during emergency conditions arising, for example, during the operation of such electric water heaters without water.

Кроме того, в этих переносных электроводонагревателях, основанных на использовании погружаемых ТЭНов, затруднена теплопередача к нагреваемой воде от раскаленного резистора через теплоизоляцию и наружную оболочку ТЭНа, и также затруднен теплообмен (в том числе за счет слабой естественной циркуляции) между нагреваемой водой и нагревательными элементами из-за относительно малой поверхности последних. В результате повышается тепловая инерционность этих электронагревателей. In addition, in these portable electric heaters based on the use of immersed heating elements, heat transfer to the heated water from the hot resistor through the insulation and the outer shell of the heating element is difficult, and heat transfer (including due to weak natural circulation) between the heated water and heating elements from - for the relatively small surface of the latter. As a result, the thermal inertia of these electric heaters increases.

Для снижения вероятности появления опасного электрического потенциала нагреваемой воды известны электроводонагреватели с тепловыделяющими резисторами, размещенными на поверхности полого диэлектрического нагревостойкого элемента (например, пластиковой трубки), по которому циркулирует нагреваемая вода [2] Однако в этом устройстве не исключаются аварийные режимы и появление напряжения сети при повреждении полых элементов, а также сохраняется пожароопасность при работе электронагревателя без воды. To reduce the likelihood of the emergence of a dangerous electrical potential of heated water, electric water heaters with heat-generating resistors located on the surface of a hollow dielectric heat-resistant element (for example, a plastic tube) through which heated water circulates are known [2] However, emergency operation and the appearance of mains voltage during damage to the hollow elements, as well as a fire hazard during operation of the electric heater without water.

Для защиты пользователя от возможного электрического поражения и возникновения пожара при аварийных перегревах (например, без воды) используются погружные электроводонагреватели, снабженные различными защитными устройствами, которые усложняют конструкции погружных электроводонагревателей и не устраняют основную причину возможных аварийных режимов высокую температуру греющего резистора (в основном, раскаленного в рабочем состоянии). To protect the user from possible electric shock and fire in case of emergency overheating (for example, without water), submersible electric heaters are used, equipped with various protective devices that complicate the design of submersible electric heaters and do not eliminate the main cause of possible emergency conditions, the high temperature of the heating resistor (mainly incandescent in working order).

Используются также индукционные погружные электронагреватели с индуктором, размещенным внутри нагреваемой стальной оболочки. Функцию индуктора в этих устройствах выполняет тороидальная многовитковая катушка, подключаемая к сети переменного тока, которая помещается внутри аналогичной по форме герметичной ферромагнитной стальной оболочки, нагреваемой вихревыми токами при прохождении по ней переменного во времени магнитного потока, создаваемого первичной катушкой. Эти индукционные электроводонагреватели обладают повышенной электро- и пожаробезопасностью, так как их нагревательный элемент погружают в нагреваемую воду (стальная оболочка, во-первых, не имеет электрической связи с сетью питания и, во-вторых, в рабочем состоянии имеет температуру ниже температуры возгорания большинства окружающих предметов). Induction immersion heaters with an inductor located inside a heated steel shell are also used. The function of the inductor in these devices is performed by a toroidal multi-turn coil connected to an alternating current network, which is placed inside a sealed ferromagnetic steel shell of a similar shape, heated by eddy currents when a time-varying magnetic flux generated by the primary coil passes through it. These induction electric heaters have increased electrical and fire safety, as their heating element is immersed in heated water (the steel shell, firstly, has no electrical connection to the power network and, secondly, in working condition has a temperature below the ignition temperature of most surrounding items).

Однако эти электроводонагреватели имеют низкий коэффициент мощности (менее 0,5), занимают сравнительно большой объем в резервуаре с нагреваемой средой при малой интенсивности ее циркуляции и при их эксплуатации принципиально не исключена возможность проникновения воды в герметичную стальную оболочку в месте сочленения катушки индуктора с проводниками питания, что снижает электробезопасность этого погружного электродвигателя. However, these electric water heaters have a low power factor (less than 0.5), occupy a relatively large volume in a tank with a heated medium at a low intensity of its circulation, and during their operation, it is fundamentally possible that water can penetrate a sealed steel shell at the junction of the inductor coil with power conductors , which reduces the electrical safety of this submersible motor.

Известен также электроводонагреватель [3] принятый за прототип и предназначенный для нагрева жидкостей, который представляет собой систему индукционного типа и содержит корпус и теплообменник с входным и выходным патрубками, выполненный в виде вторичной обмотки трансформатора, причем связь между первичной входной и вторичной выходной катушками обеспечена через замкнутый шихтованный магнитный сердечник. Вторичная катушка выполнена в виде короткозамкнутой полой трубки с патрубками для подачи и отвода жидкости. Подача жидкости производится с помощью насоса. Нагрев жидкости происходит при подаче тока в первичную катушку, наведении индукционного тока во вторичной катушке. Also known is an electric heater [3] adopted as a prototype and intended for heating liquids, which is an induction type system and contains a housing and a heat exchanger with inlet and outlet pipes, made in the form of a secondary winding of a transformer, and the connection between the primary input and secondary output coils is provided through closed burnt magnetic core. The secondary coil is made in the form of a short-circuited hollow tube with nozzles for supplying and discharging liquid. Fluid is supplied using a pump. The heating of the liquid occurs when a current is supplied to the primary coil, induction current in the secondary coil.

К недостаткам этого устройства относятся необходимость принудительной циркуляции жидкости для улучшения теплообмена, что усложняет устройство, приводя к снижению надежности и увеличению материалоемкости; невысокая интенсивность нагрева жидкости в связи с тем, что входной и выходной концы полой трубки, соединенные между собой планкой, имеющей высокую теплопроводность, имеют относительно небольшую разницу температур, что приводит к снижению интенсивности нагрева. The disadvantages of this device include the need for forced fluid circulation to improve heat transfer, which complicates the device, leading to a decrease in reliability and an increase in material consumption; low intensity of heating the liquid due to the fact that the inlet and outlet ends of the hollow tube connected to each other by a strip having high thermal conductivity have a relatively small temperature difference, which leads to a decrease in the heating intensity.

Анализ приведенного уровня техники в области электроводонагревателей (особенно переносных) свидетельствует о целесообразности создания электроводонаг- ревателей с высоким уровнем электробезопасности, более высокой надежностью, меньшей материалоемкостью и высокой интенсивностью нагрева. An analysis of the prior art in the field of electric heaters (especially portable) indicates the feasibility of creating electric heaters with a high level of electrical safety, higher reliability, lower material consumption and high heating intensity.

Это достигается в предложенном электроводонагревателе, содержащем корпус и теплообменник по меньшей мере с одним входным и выходным патрубками, выполненный в виде вторичной обмотки трансформатора, на шихтованном сердечнике которого установлена электрически изолированная от него первичная обмотка, подключаемая к сети, при этом вторичная обмотка выполнена в виде замкнутого трубчатого витка, выполненного из электропроводящего материала, и погружена в нагреваемую среду, а входной патрубок расположен ниже выходного. This is achieved in the proposed electric heater, comprising a housing and a heat exchanger with at least one inlet and outlet nozzles, made in the form of a secondary winding of a transformer, on the lined core of which there is a primary winding electrically isolated from it, connected to the network, while the secondary winding is made in the form closed tubular coil made of electrically conductive material, and immersed in a heated medium, and the inlet pipe is located below the outlet.

На чертеже представлен предложенный электронагреватель с резервуаром и нагреваемой водой, продольный разрез. The drawing shows the proposed electric heater with a tank and heated water, a longitudinal section.

Электроводонагреватель содержит корпус, выполненный из неэлектропроводящего материала (например, из пластмассы) и состоящий из двух частей верхней 1, не погружаемой в воду, и нижней погружной части 2, конструктивно связанных шихтованным сердечником 3 с корпусной изоляцией 4. В верхнюю монолитную часть 1 корпуса вмонтирован сердечник 3 трансформатора с первичной обмоткой 5, подключаемой к электрической сети (обычно 220 В с помощью электрического входа 6. В нижнюю погружаемую часть 2 корпуса вмонтирован теплообменник 7, являющийся вторичной обмоткой трансформатора, в виде трубчатого замкнутого витка из электропроводящего немагнитного материала, имеющего входной нижний 8 и выходной верхний 9 патрубки, позволяющие свободное движение (циркуляцию) нагреваемой воды в теплообменнике 7. The electric heater contains a housing made of a non-conductive material (for example, plastic) and consisting of two parts of the upper 1, not immersed in water, and the lower immersion part 2, structurally connected by a lined core 3 with case insulation 4. It is mounted in the upper monolithic part 1 of the housing a core 3 of a transformer with a primary winding 5 connected to an electrical network (usually 220 V using an electrical input 6. A heat exchanger 7 is mounted in the lower immersion part 2 of the casing, which is a secondary mended transformer, a tubular closed loop of electrically conductive nonmagnetic material having a lower inlet 8 and outlet 9 upper tubes, allowing the free movement (circulation) heated in the water heat exchanger 7.

Для удобства переноса предлагаемого циркуляционного водонагревателя предусмотрена рукоятка 10, а для установки его в рабочее положение предусмотрено съемное основание 11 (или крышка), размещаемое сверху резервуара 12 с нагреваемой водой 13. Для усиления циркуляции предусматривается съемный шланг 14, надеваемый на входной патрубок 8. For ease of transfer of the proposed circulating water heater, a handle 10 is provided, and for installing it in the working position, a removable base 11 (or cover) is provided, placed on top of the tank 12 with heated water 13. To enhance circulation, a removable hose 14 is put on the inlet pipe 8.

Предлагаемый переносной циркуляционный электроводонагреватель функционирует следующим образом. The proposed portable circulation electric heater operates as follows.

После установки электроводонагревателя с помощью съемного основания 11 на резервуаре 12 с нагреваемой водой таким образом, чтобы входной 8 и выходные 9 патрубки погружаемой части электронагревателя были под водой, он подключается к сети переменного тока с помощью электрического входа 6. При подключении первичной обмотки 5 трансформатора, вмонтированного в обе части 1 и 2 корпуса, в его шихтованном сердечнике 3 возникает переменный во времени магнитный поток, создающий в замкнутом трубчатом электропроводящем витке-теплообменнике 7 сравнительно большой ток (измеряемый сотнями ампер и более). After installing the electric heater using a removable base 11 on the tank 12 with heated water so that the input 8 and output 9 pipes of the immersed part of the electric heater are under water, it is connected to the AC network using electrical input 6. When connecting the primary winding 5 of the transformer, mounted in both parts 1 and 2 of the casing, a time-varying magnetic flux arises in its lined core 3, which creates a comparative in a closed tubular electrically conductive coil-heat exchanger 7 but high current (hundreds of amps and measured more).

Под действием этого тока в теплообменнике 7 выделяется тепловая энергия и происходит интенсивный нагрев воды, находящейся в полых трубках, образующих этот теплообменник, с входным внизу и выходным вверху патрубками, погруженными в водную среду 13 резервуара 12. Благодаря вертикальному расположению продольных трубчатых сторон витка теплообменника 7 соответствующей длины и интенсивному нагреву содержащейся в нем воды горячая вода стремится в верхнюю часть теплообменника 7 и через выходные патрубки 9 выходит в водную среду 13, находящуюся в резервуаре 12, образуя тем самым подсос холодной воды из придонной части резервуара через съемный гибкий шланг 14 и входной патрубок 8. Таким образом, под влиянием электронагрева трубчатого витка теплообменника 7 током в контуре виток 7 выходные патрубки 9 водная среда 13 съемный шланг 14 входной патрубок 8 создаются циркуляция и одновременный подогрев воды в резервуаре 12, интенсивность которых зависит от мощности, выделяемой в витке-теплообменнике 7, и геометрии всех составляющих циркуляционного контура (при отсутствии съемного шланга 14). Under the influence of this current, heat energy is released in the heat exchanger 7 and intense heating occurs of the water located in the hollow tubes forming this heat exchanger, with the inlet pipes at the bottom and outlet at the top, immersed in the aqueous medium 13 of the tank 12. Due to the vertical arrangement of the longitudinal tubular sides of the coil of the heat exchanger 7 of the corresponding length and intense heating of the water contained in it, hot water tends to the upper part of the heat exchanger 7 and through the outlet pipes 9 enters the aqueous medium 13 located in the reservoir 12, thereby forming a suction of cold water from the bottom of the tank through a removable flexible hose 14 and the inlet 8. Thus, under the influence of electric heating of the tubular coil of the heat exchanger 7 by the current in the loop 7, the outlet pipes 9 water medium 13 removable hose 14 inlet pipe 8 creates a circulation and simultaneous heating of water in the tank 12, the intensity of which depends on the power released in the coil-heat exchanger 7, and the geometry of all components of the circulation circuit (in the absence of a removable hose 14).

Технический эффект предлагаемого переносного циркуляционного электроводонагревателя состоит в следующем. The technical effect of the proposed portable circulation electric water heater is as follows.

Обеспечивается высокий уровень электробезопасности при эксплуатации предлагаемого переносного циркуляционного электроводонагревателя, так как появление опасного потенциала возможно только при одновременном пробое изоляции первичной обмотки 5 и двойного пробоя корпусной изоляции 4 в зоне первичной обмотки и в зоне витка-теплообменнника 7, что практически маловероятно. Величина же вторичного напряжения на витке-теплообменнике не превышает 0,5-1 В, что полностью удовлетворяет требованиям электробезопасности бытовой техники, ограничивающим величину напряжения прикосновения 2 В на частоте 50 Гц. A high level of electrical safety is ensured during operation of the proposed portable circulation electric water heater, since the appearance of a dangerous potential is possible only with a simultaneous breakdown of the insulation of the primary winding 5 and a double breakdown of the housing insulation 4 in the primary winding zone and in the zone of the coil-heat exchanger 7, which is almost unlikely. The magnitude of the secondary voltage at the coil-heat exchanger does not exceed 0.5-1 V, which fully meets the electrical safety requirements of household appliances, limiting the magnitude of the contact voltage of 2 V at a frequency of 50 Hz.

По сравнению с прототипом повышается надежность предлагаемого циркуляционного электроводонагревателя и снижается его материалоемкость, так как снижается число конструктивных элементов, обеспечивающих его функционирование, поскольку не требуется использование специальных средств (например, насоса и его привода) для организации принудительной циркуляции жидкости. В предлагаемом электроводонагревателе циркуляционный процесс обеспечивается естественным путем за счет разности температур на разных уровнях жидкости в резервуаре. Compared with the prototype, the reliability of the proposed circulation electric water heater is increased and its material consumption is reduced, since the number of structural elements ensuring its functioning is reduced, since the use of special tools (for example, a pump and its drive) is not required to organize forced circulation of the liquid. In the proposed electric water heater, the circulation process is provided in a natural way due to the temperature difference at different levels of the liquid in the tank.

Кроме того, расширяется сфера применения предлагаемого электроводонагревателя, так как в результате решения его конструктивного исполнения при эксплуатации не требуется специального жесткого сопряжения электроводонагревателя и резервуара с нагреваемой водой, в качестве которого можно использовать традиционные водозаполняемые емкости ведра, кастрюли, баки, фляги, ванны и т.д. In addition, the scope of the proposed electric heater is expanding, since as a result of solving its design during operation, there is no need for special hard pairing of the electric heater and the tank with heated water, which can be used as traditional water-filled containers of buckets, pans, tanks, flasks, bathtubs, etc. .d.

Claims (1)

ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ, содержащий корпус и теплообменник по меньшей мере с одним входным и выходным патрубками, выполненный в виде вторичной обмотки трансформатора, на шихтованном сердечнике которого установлена электрически изолированная от него первичная обмотка, подключаемая к сети, при этом вторичная обмотка выполнена в виде замкнутого трубчатого витка, выполненного из электропроводящего материала, отличающийся тем, что вторичная обмотка погружена в нагреваемую среду, а входной патрубок расположен ниже выходного. ELECTRIC WATER HEATER, comprising a housing and a heat exchanger with at least one inlet and outlet nozzles, made in the form of a secondary winding of a transformer, on the lined core of which a primary winding is electrically isolated from it, connected to the network, while the secondary winding is made in the form of a closed tubular coil, made of an electrically conductive material, characterized in that the secondary winding is immersed in a heated medium, and the inlet pipe is located below the output.

Images