Введение. Бурное развитие малоэтажного строительства, а также гостиничного бизнеса приводят к актуализации проблем эффективного использования водонагревательных аппаратов. Различают водонагреватели с поверхностным нагревом (тепло передается воде при соприкосновении ее с поверхностью нагретых элементов) и с контактным нагревом – при использовании энергии горячего пара, солнца или газа. Водонагреватели применяют в системах горячего водоснабжения, водяного отопления, нагрева воды для котельных агрегатов, для бытовых и других нужд. Современный рынок предлагает широкий выбор водонагревателей различных видов: электрические проточные водонагреватели; электрические накопительные водонагреватели; газовые проточные водонагреватели; газовые накопительные водонагреватели; электрические проточные водонагреватели и др. [1–7].
Для нагрева воды в домах, где отсутствует центральное горячее водоснабжение, в настоящее время используются преимущественно газовые колонки. Все газовые колонки имеют одинаковую схему. Основными их элементами являются: горелка, используемая для нагревания воды, и автоматика, которая обеспечивает безопасную работу газовой колонки. В этих аппаратах осуществляется плавное регулирование температуры воды, при этом автоматика обеспечивает ее стабильность и независимость от резких перепадов напора воды.
Важнейшие риски газового оборудования связаны с открытым пламенем. Это – пожаро- и взрывоопасность, а также вредность продуктов сгорания газа для людей их вдыхающих [8]. Во всех современных моделях существует система контроля пламени: колонка автоматически отключается при его отсутствии, что предотвращает взрыв газа.
Проведенные исследования в этой области и наблюдения авторов показали, что имеются отказы элементов аппарата проточного газового водонагревателя [9, 10].
Объект и методы исследований. Наиболее широко распространены в России газовые колонки, выпускаемые отечественным производителем – Армавирским заводом газовой аппаратуры [11]. Центральным элементом этих колонок является водогазовый узел. Он содержит клапан подачи газа, расположенный в газовой камере, и мембранный регулятор (ограничитель) подачи воды, расположенный в водяной камере. Клапан подачи газа соединён с мембраной через шток и открывается путём воздействия на него со стороны последней, как только расход воды через теплообменник превысит минимально допустимую для данной колонки величину. Установленными на штоке двумя сальниковыми уплотнениями осуществляется разделение газовой и водяной полостей.
Путём длительного наблюдения за работой таких колонок было установлено, что в среднем за год их эксплуатации происходит износ сальникового уплотнения. В результате вода и газ, в постепенно увеличивающихся количествах, поступают в жилое помещение. Возникает опасность аварийной загазованности помещения. Вызов аварийной газовой службы и замена сальников обходится потребителю в сумму, сопоставимую со стоимостью самой колонки, а кроме того сопровождается неудобствами, связанными с отсутствием на неопределённое время горячей воды. Недостатком такого водогазового узла является также и то, что трение в сальниковых уплотнениях снижает точность регулирования подачи воды.
Поэтому для исключения влияния процессов изнашивания сальникового уплотнения на работоспособность оборудования была разработана принципиально новая конструкция водогазового узла, в котором связь между клапаном подачи газа и мембраной осуществляется через магнитное поле двух магнитов [12].
На рис. 1 представлено устройство предлагаемого водогазового узла, состоящее из двух отсеков: водяного 1 и газового 2. Отсеки разделены немагнитной (из латуни или нержавеющей стали) перегородкой 3. В корпусе 4 водяного отсека установлена мембрана 5. Она делит полость корпуса на две полости: повышенного давления 6 и пониженного давления 7. Полости соединены между собой через нагнетающий 8 и всасывающий 9 выводы эжектора 10. Со стороны полости повышенного давления мембрана механически связана с клапаном 11 ограничения подачи холодной воды, а со стороны пониженного давления подпружинена предварительно напряжённой пружиной 12.
Рис. 1. Устройство водогазового узла
В газовом отсеке 2 установлен подпружиненный в сторону седла пружиной 13 клапан 14 подачи газа. Он штоком связан с магнитом 15, примыкающим к перегородке 3. Точно такой же магнит 16 установлен с противоположной стороны перегородки на мембране 5. При этом магниты ориентированы друг по отношению к другу одноимёнными полюсами.
Функционирует водогазовый узел следующим образом. Будем считать, что в исходном состоянии вентиль на выходе змеевика (на схеме не показан) закрыт. Вода через эжектор 10 не протекает, поэтому давление в полостях 6 и 7 с обеих сторон мембраны 5 одинаковое. Мембрана под действием предварительно напряжённой пружины 12 занимает крайнее правое положение. При этом клапан 11 ограничения подачи воды полностью открыт, а клапан 14 подачи газа под действием пружины 13 закрыт.
По мере открывания вентиля, установленного на выходе змеевика, будет увеличиваться подача воды, протекающей, в том числе, и через эжектор 10. В результате давление в полости 7 будет уменьшаться с увеличением подачи и, когда подача достигнет минимально допустимой для данной колонки, мембрана 5 под действием разности давлений с обеих её сторон преодолеет сопротивление пружины 12 и начнёт перемещаться справа налево. Расстояние между магнитами 15 и 16 будет уменьшаться, а сила отталкивания их друг от друга увеличиваться и, когда она станет больше силы, с которой пружина 13 прижимает клапан 14 к седлу, клапан сместится влево и откроет доступ газа к горелке. При такой минимальной подаче воды температура её будет максимально допустимой.
Дальнейшее открывание вентиля на выходе змеевика будет сопровождаться увеличением подачи воды и понижением её температуры. Это даёт возможность, регулируя степень открытия вентиля, устанавливать необходимую температуру нагрева воды. Однако в случае нестабильного давления воды в водопроводе установленная температура будет непредсказуемо изменяться, что создаст определённые неудобства при пользовании этой водой. В этом случае вентиль открывается полностью и подача воды увеличивается настолько, что произойдёт ещё большее уменьшение давления в полости 7. Мембрана 5 сместится ещё левее, клапан 11 начнёт ограничивать дальнейшее увеличение подачи воды, а, следовательно, и ограничивать уменьшение её температуры до приемлемого уровня. Колебания давления воды в водопроводе не будут приводить при этом к колебаниям температуры воды на выходе змеевика.
При закрытии вентиля, мембрана под действием пружин смещается влево и система переходит в исходное состояние.
Результаты исследований. Естественно, что нормальное функционирование водогазового узла будет происходить только при согласованных силовых характеристиках пружин и магнитов, а также при правильной установке всех основных размеров водогазового узла. Ниже приведена методика их расчёта на примере расчёта размеров и выбора основных конструктивных элементов конкретного варианта водогазового узла. При этом будем считать, что в системе водопровода отсутствуют скачки давления (что в основном соответствует действительности). Поэтому в рассматриваемом водогазовом узле в использовании системы ограничения подачи воды нет необходимости. Клапан 11 и пружину можно не использовать (рис. 1). На рис. 2 приведена расчётная схема такого водогазового узла.
Расчёт водогазового узла осуществляется в следующей последовательности:
1. В качестве исходных данных принимается внутренний диаметр седла клапана dК и определяется его площадь SК, в рассматриваемом примере диаметр седла клапана dК принимается равным 15 мм:
, (1)
мм2
Тогда силу FГ воздействия газа на клапан в закрытом состоянии можно рассчитать следующим образом:
, (2)
Н,
где PГ – давление газа в газовой магистрали на входе в колонку, в среднем равное 3000 Па [13].
2. На этом этапе необходимо определить силу воздействия пружины на клапан в закрытом состоянии F1.
С тем, чтобы на суммарную силу воздействия на клапан в меньшей степени влияло колебание давления в газовой сети, она должна быть во много раз больше силы воздействия газа на клапан. Из практики эксплуатации и проектирования водогазовых узлов можно принять кратность превышения равной двадцати [14–16]:
, (3)
Н.
В результате суммарная сила FК1 воздействия на клапан пружины и газа будет иметь вид:
,
Н.
3. На этом этапе следует определить максимальный ход клапана ∆LКМ из условия равенства проходного сечения зазора между седлом и рабочей поверхностью клапана и площади отверстия клапана:
, (4)
мм.
С целью обеспечения точности срабатывания автоматической системы управления по открытию газового клапана, её статическая характеристика должна быть достаточно жёсткой. Поэтому необходимо установить силу воздействия пружины F2 на клапан в полностью открытом состоянии для рассматриваемого в качестве примера водогазового узла на 5 % больше силы воздействия пружины на закрытый клапан в виде:
, (5)
Н.
Рис. 2. Расчётная схема водогазового узла
В этом случае необходимая жёсткость пружины k может быть рассчитана в виде:
, (6)
Н/мм.
Ввиду малой требуемой жесткости пружины её внешний диаметр DП и диаметр d проволоки пружины устанавливаются из конструктивных соображений. Для рассматриваемого примера можно установить внешний диаметр пружины DП равным 15 мм, а диаметр проволоки d – 1 мм. Если учесть, что жесткость пружины может быть определена зависимостью [17]:
, (7)
где G – модуль сдвига, равный для стали 78,5∙109 Па [4], то число рабочих витков пружины n можно определить по формуле:
(8)
4. Для определения длины пружины в полностью сжатом состоянии следует использовать зависимость вида:
(9)
мм.
С целью свободного прохождения газа между витками пружины следует установить длину пружины L2 при открытом клапане на 20% больше длины в полностью сжатом состоянии:
, (10)
мм.
Следовательно, длина L1 пружины при закрытом клапане будет определена зависимостью:
, (11)
мм.
5. Приняв толщину тарелки клапана bК равной максимальному ходу клапана ∆LКМ, можно найти координату рабочей плоскости клапана LК1 в закрытом состоянии (координату седла клапана):
, (12)
мм.
и координату рабочей плоскости клапана LК2 в открытом состоянии:
, (13)
мм.
6. Определить степень сжатия пружины ∆L1 при закрытом клапане можно по зависимости:
, (14)
мм.
Тогда можно определить длину пружины L0 в ненагруженном состоянии:
, (15)
мм.
7. Задавшись из конструктивных соображений расстоянием между клапаном и рабочим полюсом магнита С, расположенного в газовой камере, равным 15 мм, можно определить координату рабочего полюса магнита LГМ2 при открытом клапане:
, (16)
мм.
Координата рабочего полюса магнита LГМ1 при закрытом клапане определяется по зависимости:
, (17)
мм.
8. На этом этапе выполняется аппроксимация экспериментальных зависимостей расстояния x между одноимёнными полюсами дисковых магнитов от приложенной силы Р. В табл. 1 приведены соответствующие экспериментальные зависимости [18].
Таблица 1
Экспериментальные данные силовых характеристик магнитов
|
Ре, Н |
42,14 |
34,3 |
29,9 |
24,5 (Pе1) |
19,6 |
14,7 |
9,8 (Pе2) |
4,9 |
2,45 (Pе3) |
|
хе, мм |
0,05 |
1 |
1,5 |
2 (xе1) |
3 |
4,5 |
7 (xе2) |
11 |
15,5 (xе3) |
В качестве аппроксимирующей зависимости можно принять степенную зависимость вида:
. (18)
Входящие в уравнение коэффициенты a, b и с находятся следующим образом. По любым трём выделенным в таблице экспериментальным данным точкам составляется система уравнений:
(19)
В результате решения этих уравнений с помощью системы MathCAD, для использованных в работе экспериментальных данных, получены детерминированные значения коэффициентов: a = 2,366∙1018; b = 49,64; с = 0,101.
Степень соответствия экспериментальных данных хе(Pe) и аппроксимирующей зависимости x(P) проиллюстрирована на рис. 3.
Рис. 3. Графики зависимостей хе(Pe) и x(P)
Более существенное расхождение экспериментальных и расчетных значений наблюдается только при малых (менее 2 мм) расстояниях между полюсами магнитов. Однако это не влияет на точность последующих расчётов, так как эти расстояния не попадают в рабочий диапазон функционирования магнитов.
9. Пользуясь полученной аппроксимационной зависимостью x(P), можно определить расстояние между полюсами магнитов в момент начала открытия клапана:
, (20)
мм.
При полностью открытом клапане следует использовать зависимость вида:
, (21)
мм.
Координаты рабочего полюса магнита в момент открытия клапана определяются зависимостью:
, (22)
мм.
При полностью открытом клапане используется зависимость:
, (23)
мм.
10. Сила воздействия на клапан магнита FВМ0, находящегося в исходном состоянии (крайнее левое положение при закрытом вентиле на выходе змеевика), должна быть существенно меньше противодействующей силы FК1, удерживающей клапан в закрытом состоянии. Это необходимо, чтобы не ухудшать плотность закрытия клапана. В рассматриваемом примере расчёта принимаем её на 80% меньше:
, (24)
Н
Тогда расстояние между полюсами магнитов x0 в исходном состоянии можно определить зависимостью:
, (25)
мм.
Координата полюса магнита LВМ0, расположенного в водяной камере, определяется зависимостью вида:
, (26)
мм.
11. Задавшись, из конструктивных соображений, толщиной bП перегородки равной 1,5 мм, можно определить координату плоскости перегородки со стороны газа LПГ и запас хода магнита в газовой камере ∆LПМ:
, (27)
мм.
, (28)
мм.
12. Устанавливая перепад давления ∆H равным 0,4 метра водяного столба, который должен быть между полостями при минимальном расходе воды через колонку Qmin = 41,67∙10-6 м3/с [6], можно рассчитать сечения отверстия So в узкой части трубки Вентури и диаметр отверстия do, при коэффициенте расхода µ = 0,61:
, (29)
м2.
, (30)
м.
13. На заключительном этапе определятся площадь мембраны Sм и её диаметр Dм:
, (31)
м2.
, (32)
м.
Выводы. Таким образом, представлена конструкция водогазового узла, в котором проблемный конструктивный элемент, отвечающий за надежность работы всего узла и реализующий в виде механической связи между мембраной и клапаном заменен связью, основанной на другом физическом принципе – магнитном поле двух дисковых магнитов. Магниты ориентированы друг по отношению к другу одноимёнными полюсами и расположены по обе стороны немагнитной перегородки, разделяющей водяную и газовую камеры водогазового узла. Это позволяет исключить утечки воды и газа, так как данный конструктивный элемент не содержит сальниковых уплотнений. А отсутствие трения при передаче усилия от мембраны к клапану подачи газа повышает точность срабатывания клапана и повышается стабильность порога ограничения подачи воды. Приведенная инженерная методика расчета основных конструктивных элементов узла позволяет реализовать предложенную конструкцию на практике.
