Как работают электрические и газовые водонагреватели?

Водонагреватель — устройство, предназначенное для нагрева воды, обеспечивающее дом или квартиру горячей бытовой (не питьевой) водой. Конструкция водонагревателя представляет собой схему согласованно работающих деталей и устройств.

Представление о том, как работает водонагреватель, поможет правильно выполнить его установку, безопасно пользоваться им, понимать признаки аварийного состояния или необходимости проведения профилактического осмотра.

Физические законы в работе водонагревателей

Принцип действия водонагревателя основан на физических законах.

1. Закон изменения свойств воды при изменении температуры — горячая вода имеет меньшую плотность и потому легче холодной, поэтому нагревательные элементы греют воду снизу, и она самотеком поднимается вверх.
2. Закон конвекции (теплопередачи) — передача тепла происходит от горячего нагревательного элемента к холодной воде вокруг него.
3. Закон повышения температуры в результате электросопротивления. Электрическая схема нагревательных элементов предусматривает образование тепла вследствие электросопротивления материала, возникающего в нагревателе при прохождении по нему электрического тока.
4. Закон заполнения вакуума — при вытекании горячей воды из бака одновременно происходит его наполнение холодной водой из подключенного водопровода. Без втекания внутрь холодного водопровода, горячая вода не вытечет.
5. Закон электрохимической активности металлов — в первую очередь в химическую реакцию вступает тот металл, чья электрохимическая активность больше. Магниевый анод является более активным элементом схемы, чем стальной бак или медный нагревательный элемент. Благодаря этому факту осуществляется защита бака от коррозии и нагревателя от накипи.

Работа электрического накопительного водонагревателя

Рассмотрим подробно, каким образом поступающая в бак бойлера холодная вода становится горячей на выходе из него. Поступающий холодный водопровод наполняет бак доверху (полностью). Ёмкость накопительного водонагревателя выполняется из прочной стали, внутренняя металлическая поверхность изнутри покрывается защитным слоем для предупреждения коррозионного разрушения. Устанавливается магниевый анод, который отвлекает на себя коррозию вследствие того, что является более активным химическим элементом по сравнению с железом бака или медью нагревателя. Магний в первую очередь вступает в реакцию окисления, со временем разрушается и подлежит замене.

Внутри бойлера термопара измеряет температуру входящей воды и дает сигнал на включение нагрева. Если нагреватель воды электрический, то к нагревательному элементу подается ток, при прохождении которого провод нагревателя разогревается и начинает излучать тепло.

Как работает нагревательное устройство?

Несколько десятков лет назад были популярны кипятильники — устройства для нагрева воды в стакане. Этот кипятильник являлся ТЭНом (трубчатым электрическим нагревателем), содержащим в себе провод и наружную трубку.

Внутренняя полость современных ТЭНов может быть заполнена наполнителем — веществом, не проводящим электрический ток, но хорошо передающим тепло. В качестве такого наполнителя чаще всего используется спрессованная кристаллическая окись магния.

Принцип действия электрического нагревательного элемента основан на нагреве материала от электрического тока. Внутри ТЭНа расположен спиральный провод. Материал провода должен иметь большое удельное электросопротивление, тогда при прохождении по нему электрического тока он будет разогреваться и излучать тепло в окружающее пространство. Это тепло нагревает тонкостенную металлическую трубку (из стали), являющуюся корпусом. Рабочая температура на корпусе нагревательного элемента может достигать 450°C (иногда выше).

При непосредственном контакте стального корпуса с водой («мокрый» или «погружной» ТЭН), тепло от поверхности трубки передается воде в баке нагревателя. При защите корпуса нагревательного элемента от коррозии («сухой» ТЭН) тепло переходит ко второй защитной поверхности из керамики, от которой передается в воду и поднимает ее температуру.

Нагрев воды в накопителе

Итак, работает водонагреватель, вода греется в течение 2-4 часов. Чем больше объем бака бойлера, тем дольше будет происходить нагрев воды. Если показатель температуры выше заданного на терморегуляторе (обычно 85°C), на ТЭН водонагревателя перестает подаваться электрический ток и нагрев прекращается.

В баке нагретая вода может храниться до того, когда возникнет необходимость в ее использовании. Для уменьшения потерь тепла, наружная поверхность баковой емкости закрывается теплоизолятором — пенополиуретаном, останавливающим тепловые потери. Снаружи бак и изолирующий кожух закрыты декоративным покрытием из винила (пластика). Таким образом, остывание воды в баке заметно приостанавливается. При остывании на 3°С автоматически включается работа нагревательного элемента, и вода подогревается до установленного предела вновь. Так может продолжаться весь день, до того времени, когда вечером хозяева включат горячий кран и начнут расходовать нагретую воду.

Температура предельного нагрева воды в баке может регулироваться. При желании, ее можно уменьшить до 40°C или увеличить до 95°C. Надо знать, что постоянная эксплуатация бака в режиме 40-50°C приводит к размножению бактерий в его внутренней полости и к появлению у воды неприятного застойного запаха. Такое уменьшение верхней температуры рекомендуется только на некоторое, непродолжительное время. Другой вариант — при постоянном рабочем нагреве до 50°C необходимо раз в неделю прогревать бак до 80-85°C, для уничтожения гнилостных организмов.

Как работает система безопасности накопительного водонагревателя?

Накопительный водонагреватель способен нагреть воду почти до температуры кипения. Объем устанавливаемого бака должен обеспечивать суточную потребность семьи в горячей воде. Из недостатков накопительной конструкции главным является необходимость отслеживания давления внутри емкости специальными устройствами. Они предохраняют внутреннее пространство бака от перегрева и избыточного давления. К таким устройствам относят предохранительный клапан, обратный клапан и термореле.

Система обеспечения безопасности работы бойлера работает следующим образом. Термореле при перегреве температуры выше заданного значения отключает работу нагревательных элементов. В случае возможной поломки термореле, происходит аварийный перегрев воды в бойлере, нагрев ее до температуры кипения повышает давление внутри бака. Если дальнейшее повышение давления будет происходить бесконтрольно, стенки бака разорвет от перегрузки. Так происходит взрыв водонагревателя. Для предупреждения взрыва устанавливается предохранительный (аварийный) клапан. При превышении давления выше 7 атмосфер аварийный клапан автоматически открывается и стравливает излишки воды, при этом уменьшается давление и устраняется возможность аварии.

/youtu.be/doRmmT_sdi4

Обратный клапан предназначен для предупреждения слива нагретой воды из бака в холодный водопровод при аварийном отсутствии холодной воды. Он пропускает воду в бак, и не дает ей обратного хода. Однако в схеме обратного клапана также имеется пружина. В случае аварийного перегрева и повышении давления до 4 атмосфер обратный клапан открывается и пропускает горячую воду назад, к аварийному клапану. Дальше вступает в работу по обеспечению безопасности предохранительный клапан.

Работа проточного электрического водонагревателя

Проточный водонагреватель имеет определенные особенности работы. Он подает горячую воду сразу, без промежуточного времени, необходимого для нагрева набранного объема воды. В основном принципе его действия лежит конвекция (перенос) тепла от нагревателя к нагреваемой жидкости. Здесь вода входит в корпус нагревателя по входящей трубе, открываемой по команде реле давления. Внутри корпуса вода проходит между спиралями нагревательного элемента, где приобретает заданную температуру.

Значение температуры нагрева задается регулятором температуры. Нагревательная спираль заключена в камеру, пространство которой контролируется тепловым предохранителем. Работа предохранителя состоит в прекращении подачи тока к нагревательному элементу, когда значение температуры превысило заданное на регуляторе. Также в конструкции существует клемма заземления, которая предназначена для обеспечения электробезопасности пользователей.

Принцип действия газового нагревателя

Газовый водонагреватель (колонка) работает по принципу проточного нагревателя. То есть греет без предварительного накопления, почти сразу после включения выдает горячую воду. Источником тепла в газовых водонагревателях служит газ, при сгорании которого выделяется тепловая энергия, расходуемая на подогрев воды. Другие процессы аналогичны электрическим проточным водонагревательным устройствам, в которых используется прямоточная схема движения потока.

Вода втекает, подогревается и вытекает горячей. При этом в устаревших моделях газовых колонок включается поток воды, затем открывается газовый кран и газовый поток поджигается спичкой или пьезоэлементом. При выключении холодной воды поток газа продолжает сгорать в горелке, и его необходимо также выключить, иначе может произойти перегрев и поломка (взрыв) колонки. Современные модели колонок удобнее в эксплуатации. Достаточно просто включить поток воды (открутить кран), и автоматически включается поток газа и срабатывает пьезоэлемент, поджигающий его. При закрывании крана поток газа перекрывается автоматически. Взрывоопасность такой конструкции значительно меньше.

http://youtu.be/IZzHMblT7Tw

Более подробная схема действия газовой колонки будет выглядеть следующим образом. Вода поступает в газовый проточный водонагреватель, при этом срабатывает клапан подачи газа, и носитель тепла попадает в запальную горелку. От запальной горелки начинает работу основная горелка, подогревающая теплообменник. Вода нагревается, проходя по изогнутым трубам теплообменника внутри колонки. Автоматизацию процесса обеспечивает электронная схема включения и выключения нагрева.

Газовый проточный водонагреватель в эксплуатации значительно дешевле электрического.

Схема устройства газового нагревателя

Схема устройства газового нагревателя воды приведена на рис. 1. Здесь:

1. Подача воды осуществляется через вход 1.
2. Подача газа — через вход 2.
3. В запальнике (5) пламя нагревает биметаллическую пластину (6).
4. Биметаллическая пластина спрессована из листов 2-х разных металлов, имеющих разное температурное расширение. Поэтому при нагреве она с одной стороны расширяется слабее, вследствие чего изгибается и открывает газовый клапан.
5. Газовый клапан (16) подает теплоноситель к крану основной горелки.
6. Основная горелка (13 — горелка и 17 — кран горелки).
7. Устройство блок — крана имеет водяную (3) и газовую (4) части. Он осуществляет автоматический контроль включения и выключения подачи газа в зависимости от того, открыт ли кран, выпускающий воду.
8. Рядом с блок-краном расположена мембрана (19), которая открывает кран только в условиях разности давлений над и под собой (такие условия формируются при открытом кране слива горячей воды).
9. Мембрана соединена с блок-краном через кран безопасности (14) и пружину (15).

Другие детали конструкции газового проточного нагревателя:

• камера нагрева (7);
• змеевик, в котором продвигается подогреваемая вода (8);
• калорифер или теплообменник, в котором происходит окончательный обмен тепла между нагретой поверхностью трубы и водой (9);
• тягопрерыватель, перекрывающий доступ воздуха к выходу (10);
• отражатель обратной тяги (11);
• наружный кожух (12);
• выходящая труба с горячей водой (18).

/youtu.be/Uts2EWEBGIM

Работа электрических водонагревателей обеспечивает потребность в горячей бытовой воде почти половины населения планеты. Особенно актуально их использование на негазифицированных территориях. Выбор конструкции — накопительный или проточный водонагреватель — определяется поставленными к устройству требованиями: требуемой скоростью нагрева воды, расходом энергоносителя, необходимым объемом бытового использования. Газовые водонагреватели не менее популярны там, где осуществляется подача газа для бытовых потребностей. Из газовых конструкций наибольшую популярность приобрели проточные устройства нагрева.