Конструкция бойлера представляет собой ряд согласованно работающих устройств. Целью их эксплуатации является получение горячей воды определенного объема. Главными отличительными особенностями конструкции нагревателей является способ прохождения воды — накопительный или проточный. В накопительных электрических водонагревателях, повсеместно называемых бойлерами, вода набирается (накапливается) в баке определенного объема, и в течение нескольких часов нагревается до заданной в регулировках температуры.
По мере расходования горячей в бак поступает холодная вода, для подогрева которой автоматически включаются нагревательные элементы. Когда горячая вода израсходована полностью, следующая партия подогретой жидкости будет готова через 2-3 или 4 часа (в зависимости от объема). Этого недостатка лишены проточные конструкции нагревателей воды. В них нагревается поток воды и сразу подается к горячему крану. В такой системе водоснабжения горячая вода может быть получена круглосуточно, без перерывов для нагрева.
Недостатком проточных водонагревателей является большой расход электричества при их работе.
Схема устройства накопительного водонагревателя — бойлера
Накопительный водонагреватель (бойлер) внешне имеет вид закрытой емкости, чаще всего цилиндрической формы. Под декоративным наружным покрытием находится накопительный бак, в который набирается вода для нагрева. Между баком и покрытием находится теплоизолятор, ограничивающий потери тепла от нагретой воды.
Поступление холодной воды в емкость бака происходит по входящей холодной трубе в его нижнюю часть. Внутри бойлера расположен нагревательный элемент, который работает по принципу кипятильника: греется сам и потому греет воду вокруг себя. Нагретая жидкость забирается из верхней части бака (теплая и горячая вода легче, она поднимается вверх, потому ее забор должен производиться вверху). Чаще всего выход горячей трубы располагается внизу, то есть труба забирает воду в верхней части бака и через бак опускает ее вниз, к расположенному там выходу.
Внутри водонагревателя устанавливается термопара, которая автоматически включает и выключает нагрев (работу нагревательного элемента) в зависимости от температуры воды в баке. Значение температуры, при котором нагреватель обесточивается и перестает греть пространство вокруг себя, выставляется на регулировочном термостате, расположенном, как правило, в нижней части бойлера и имеющем ручки установки уровня температуры снаружи бака.
Часто в конструкции водонагревателя устанавливается воздухоотводчик (в верхней части накопительной емкости). Его предназначение — выпускать (стравливать) давление, образующееся при нагреве воды в закрытом объеме. Воздухоотвод работает в ручном режиме, то есть не сам по себе автоматически, а только в присутствии человека, его руками.
Обязательным дополнительным элементом в конструкции водонагревателя является предохранительный (или аварийный) клапан. Это — автоматический стравливатель лишнего давления. Его располагают на входной холодной трубе.
Устройство предохранительного клапана обеспечивает прокапывание и просачивание воды при увеличении давления свыше 7 атмосфер. Для удобства пользования аварийный клапан снабжается шлангочкой, выводящей воду в подставленную рядом емкость или непосредственно в раковину (ванну, унитаз).
Для удобства проведения профилактических работ, ремонта на выходе воды из бака устанавливается слив.
Схема устройства накопительного нагревателя приведена на изображении 1, где его внутреннее строение приведено в разрезе.
Все вышеперечисленные элементы могут быть выполнены из различных материалов, с разными характеристиками долговечности, надежности и стоимости. Разнообразие конструктивных элементов формирует широкий выбор конструкций накопительных бойлеров.
Элементы накопительного водонагревателя
Бак — накопительная емкость
Наиболее распространенная форма накопительной емкости бойлера — цилиндр — связана с минимализацией тепловых потерь. У шара теплопотери наименьшие, у цилиндра — больше, чем у шара, у параллелограмма — максимально возможные.
Материал для изготовления бака в бойлере — металл. В самых дешевых вариантах водонагревателей емкость изготавливают из обычной стали. В течение двух-трех лет такой бак дает течь и требует ремонта. Покрытие внутренней поверхности нагревательной емкости слоем титана или нержавеющей стали значительно увеличивает срок эксплуатации. Наибольшая долговечность (до 7 лет) будет у нагревателя с баком, полностью выполненным из нержавейки (или титана). По стоимости такие бойлеры будут самыми дорогими.
Металлическая стенка нагревательной емкости снаружи защищается слоем теплоизолятора, выполненным из пенопласта или монтажной пены толщиной 2-2,5 см. Всю конструкцию снаружи закрывает наружный слой из винила или металла. Для уменьшения коррозии внутренней поверхности металлического бака в емкость устанавливается анод из магния, который активнее железа и потому реагирует и коррозирует первым. Разрушенный анод через один-полтора года заменяют новым. Таким образом, можно продлить срок службы металлического бака.
ТЭН — нагревательный элемент
ТЭН (трубчатый электрический нагреватель) — представляет собой металлическую изогнутую трубку из меди с расположенным внутри нее электрическим проводом. При прохождении тока нить провода нагревается и передает тепло (греет) металлический корпус-трубку. Трубка, в свою очередь, греет воду в водонагревателе. Принципиально отличаются так называемые мокрые и сухие ТЭНы. Мокрый ТЭН погружен непосредственно в жидкость и греет ее через прямой контакт поверхности с водой. Сухой ТЭН защищен дополнительным корпусом-колбой, непосредственно с жидкостью не контактирует, потому более долговечен. Пространство колбы может быть заполнено маслом или кварцевым песком.
Термопара — элемент безопасности
Термопара предназначена для автоматической блокировки работы нагревательного элемента при достижении жидкостью внутри бака определенной заданной температуры. Это один из главных элементов безопасной эксплуатации водонагревательного устройства.
Термопара представляет конструкцию, состоящую из двух проводников различного сопротивления, в которых при изменении температуры меняется сопротивление материала. По факту изменения силы тока (при изменении сопротивления материала сила тока также меняется) термопара блокирует подачу напряжения на нагревательный элемент.
Устройство термопары располагается в верхней, самой горячей части бойлера (по физическим законам нагретая вода поднимается вверх).
Предохранительный клапан
Второе название — аварийный. Он вступает в работу тогда, когда сломалась и перестала функционировать термопара. Бесконечный нагрев воды ведет к увеличению давления внутри бака. Предохранительный клапан, установленный на входе, имеет в своей конструкции пружину, выдерживающую давление около 7 атмосфер. При превышении заданного значения давления пружина сжимается и открывает доступ к сливному отверстию. С вытеканием горячей воды давление внутри металлической емкости бака уменьшается, уменьшая опасность разрыва бойлера (взрыва водонагревателя).
/www.youtube.com/watch?v=c7rtL1YWaXU
Схема устройства проточного нагревателя
Проточные водонагреватели различных конструкций выдают разное количество горячей воды. Нагреватель, мощностью 1,5 литра воды в минуту предназначен для кухонного использования, для мытья посуды. Производственная мощность 3 литра в минуту позволяет принять душ. Проточные водонагреватели требуют достаточно большой мощности, прокладывания надежного кабеля. Для работы в режиме 3 литра в минуту потребуется 7,5 кВт электричества в час.
Проточный нагрев воды выполняется следующим образом. Сначала поступающая холодная вода проходит через электронное устройство, где выравниваются ее давление, насыщение воздухом, скорость потока. После электронного устройства поток двигается в теплообменник, где нагревается ТЭНом, и поступает на выход.
/www.youtube.com/watch?v=kOhsAamnDwk
Предохранительным устройством в проточных видах нагревателей является датчик давления. При остановке подачи воды (закрыли кран, образовалась воздушная пробка, низкое давление в водопроводе) происходит падение значения измеряемого давления жидкости. Датчик автоматически отключает работу нагревательных элементов. Схема устройства проточного нагрева воды приведена на изображении 2.
Конструкции водонагревателей состоят из ряда элементов и устройств. Бесперебойная работа каждого из них формирует слаженную работу водонагревателя.
