Блок управления для водонагревателя

Обновлено: 02.05.2024

Главный элемент водонагревателя - это ТЭН - металлическая трубка, заполненная электрическим изолятором с хорошей теплопроводностью. В центре изолятора расположена токопроводящая нить (нихромовая или фехромовая) с высоким коэффициентом сопротивления. ТЭН служит для перевода электрической энергии в тепловую. Когда ТЭН выходит из строя, водонагреватель больше не может производить горячую воду. ТЭНы не подлежат ремонту также как и лампочки, поэтому при поломке тэна его следует заменить на новый.

ТЕРМОСТАТ или терморегулятор

Чтобы водонагреватель грел воду до определенной температуры, существует термостат или терморегулятор. Ни один электрический нагревательный прибор не может эксплуатироваться без термостата. Его задача заключается в том, чтобы контролировать температуру воды в заданных диапазонах. При выходе из строя термостата, питание не поступает на ТЭН. Или наоборот, питание может непрерывно поступать на ТЭН, и если в водонагревателе отсутствует термозащита, это может привести к закипанию воды. При поломке, термостат следует заменить на новый.

ЭЛЕКТРОННАЯ ПЛАТА

На водонагревателях с электронным управлением, установлена силовая плата и плата управления дисплеем. Они предназначены для более точной регулировки заданной температуры, с возможностью подключения разных функций. Например, можно задать время включения, продолжительность работы, задать точную температуру воды. Очень часто платы выходят из строя при скачках напряжения или поломке нагревательного элемента. Поэтому, перед заменой электронной платы обязательно нужно проверить исправность ТЭНа.

Сопутствующие запасные части

МАГНИЕВЫЙ АНОД

Для того чтобы Тэн и бак водонагревателя подвергались меньшему воздействию накипи и агрессии воды, устанавливается магниевый анод – шпилька с резьбой М4 – М8 длинной от 10 до 40 см с нанесенным сплавом магния. Магний – это более активный металл, чем железо или медь. Поэтому кислород и металлы растворенные в воде, в первую очередь вступают в реакцию с анодом, а не ТЭНом или баком, что продлевает срок службы нагревательного элемента и водонагревателя. Анод необходимо менять один раз в два года. При не соблюдении данной рекомендации, гарантия на водонагреватель аннулируется.

УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПРОКЛАДКА

При замене Тэна необходимо менять и уплотнительную прокладку. При повторном использовании старой прокладки, вероятность протечки составляет более 80%. Экономия на данном элементе зачастую приводит к полному выходу из строя водонагревателя, так как при попадании воды на термостат или силовую плату происходит короткое замыкание, и все элементы водонагревателя выходят из строя.

Задумался я над вопросом, отключать или не отключать бойлер периодически?
Одно из множества прочитанных мнений мне показалось очень правильным:

О чём тут спорить вообще? Чем меньше средняя температура бака в течение суток, тем меньше потери и тем меньше расход электроэнергии! Выключение нагревателя на полдня среднюю температуру уменьшает, причём неважно, какая вода была в баке в момент выключения — холодная или горячая — расход электроэнергии уменьшится в обоих случаях, только на разную величину.
Обратная сторона процесса, как уже сказали, необходимость ждать, пока оно нагреется после включения. Если процесс включения/выключения строго регламентирован или автоматизирован и такое ожидание неудобств не создаёт — то следует однозначно выключать.

Для проверки идеи на практике и был создан описываемый прибор. Он предназначен для автоматического управления включением и отключением нагревателя бойлера в заранее установленное время. Этим достигается экономия электроэнергии и уменьшение накипи на ТЭНе.
При необходимости бойлер можно включить принудительно. У меня автомат работает в паре с водонагревателем Ariston.

Содержание / Contents

↑ Схема автомата управления бойлером

Прибор представляет собой часы реального времени на микросхеме PCF8563 и микроконтроллер PIC16F676, управляющий реле включения нагревателя.

На микроконтроллер поступает сигнал с датчика тока, протекающего через нагреватель. Для работы часов при пропадании питания предназначен ионистор, который поддерживает работу часов довольно длительное время (более 12 часов).

Питается устройство от импульсного источника питания на микросхеме LNK306PN. Источник питания имеет очень малое потребление тока в режиме ожидания и допускает круглосуточную работу.

↑ Режимы работы

• Автоматический режим нормальный, основной режим, обеспечивает включение по заранее установленному времени, 6 значений. Предустановки по умолчанию: 5:00, 10:30, 16:30.
• Режим принудительного (ручного) включения нагрева кнопкой на 30 минут.
• Режим отключения.

Графический алгоритм работы прибора приведен ниже.

На плату выведены выводы микроконтроллера для внутрисхемного программирования.

↑ Управление прибором и индикация

Управление производится всего одной кнопкой. Для ввода в эксплуатацию прибора и первоначальной установки точного времени необходимо в 12:00 местного времени на отключенном от сети устройстве удерживать нажатую кнопку, включить сеть и дождаться погасания светодиодов (2 секунды). При этом часы реального времени установятся на 12:00.

Длительное нажатие кнопки (~ 5 с.) приводит к переходу прибора в режим отключения, когда нагрузка и сам автомат полностью отключены. Мигает желтый светодиод (редкие вспышки). Вывод из этого режима производиться коротким нажатием кнопки.

При работе прибора короткое (~ 1 с.) нажатие кнопки выводит прибор из режима ожидания и переводит в автоматический режим включения нагревателя по заранее установленному времени.

В автоматическом режиме (горит желтый светодиод), при совпадении текущего времени с предустановленным, бойлер включается (синий, затем красный светодиоды). Выключается нагрев термостатом бойлера.

В автоматическом режиме короткое нажатие кнопки включает режим принудительного нагрева на 30 минут. При этом загораются одновременно синий и красный светодиоды, и на бойлер поступает напряжение. Если термостат бойлера не включится (вода уже нагрета), то через 30 минут напряжение снимется. А если включится, то система выключается по окончании нагрева термостатом бойлера. После этого прибор вновь переходит в автоматический режим и ожидает следующего времени включения.

Желтый горит — индикация нормального автоматического режима работы таймера. При наступлении заданного времени происходит попытка включения бойлера. На бойлер поступает питание и измеряется ток потребления. Если ток потребляется (т.е. термостат бака включен), то прибор будет подавать ток до отключения термостата бака. При этом желтый индикатор гаснет и включается красный.

После отключения термостата снова загорается желтый индикатор и происходит переход в автоматический режим.
Если при наступлении времени срабатывания ток бойлером не потребляется (термостат выключен, вода уже нагрета), прибор переходит в режим ожидания следующего времени, указанного в программе.

Если вы собрались принять душ, а бак уже нагрет (термостат отключен), а вам необходимо чтобы бак грелся и после того, как вы начали мыться, предусмотрен режим принудительного включения бака. Для этого следует нажать кнопку на приборе и на нем загорятся красный и синий индикаторы одновременно и на бак будет подано напряжение на 30 минут.

В режиме принудительного включения, если термостат не включится (вода нагрета), то через 30 минут напряжение с бака будет снято и прибор перейдёт в нормальный автоматический режим (загорится желтый индикатор). Если же бойлер включится, то он будет греться до отключения термостатом.

Синий индикатор включается при программном включении на время измерения тока и если потребление есть, он сразу выключается, и прибор переходит на нагрев, а если нет (термостат выключен, бак нагрет) — то синий индикатор загорится примерно на 5 секунд, ожидая появления тока и погаснет, а прибор переходит в ожидание следующего времени срабатывания.

↑ Конструкция и детали

Конструктивно прибор выполнен на двух платах. Платы соединены между собой металлическими стойками и связаны с помощью 5- контактного разъёма и помещены в пластмассовый корпус, предназначенный для автоматических выключателей.

Подстроечник С4 позволяет подстроить точность хода часов реального времени PCF8563. Я понаблюдал несколько дней за включением бойлера и убедился, что он включается довольно точно. За полгода ошибка составила примерно 4 минуты. Поэтому я ничего не подстраивал. Можно установить два постоянных конденсатора C3 и C4 одинакового номинала, рекомендуемого производителем кварца, обычно от 10 пФ до 33 пФ.

В качестве датчика тока была применена готовая конструкция типа ХД5.739.047. Этот брак был выкинут на свалку и мне принесли несколько штук.

Трансформатор представляет собой 2 кольца К20×12х6 из феррита НМ2000, сложенные вместе.
I обмотка (выводы 1 – 2) 2500 вит. D = 0,1 мм.
II обмотка (выводы 3 – 4) 1500 вит. D = 0,1 мм.
Число витков указано приблизительно, так как точно посчитать их не получилось.
Мы добавляем токовую обмотку — один виток, сечением не менее 1,5 кв. мм.

Можно применить и другие сердечники, например, из трансформаторной стали или пермаллоя, при этом число витков вторичной обмотки может быть уменьшено до 200 – 300. При этом возможно потребуется подобрать резистор R7 на плате питания.
Результаты измерений трансформатора тока следующие: при нагрузке вторичной обмотки резистором 1 кОм, напряжение на ней составляет 10,4 V (размах) при пропускании через токовую обмотку тока 10,6 A (эфф.).

Конденсатор C5 — ионистор с емкостью 0,047 F, который был добыт из старого видеомагнитофона.

Поставите больше ёмкость – сильно увеличите время сохранения хода часов в отсутствии сетевого питания.

Реле P1 SHENLE типа HAT902CSDC12 с током контактов 30 A или другое, подходящее по размеру и параметрам. На печатной плате дорожки, по которым протекает ток нагревателя бака, усилены отрезками медной проволоки диаметром ок. 1 мм.

↑ Итоги

Эксплуатация бойлера показала, что получается экономия электроэнергии около 10%, при этом бойлер включается значительно меньшее число раз, но всегда есть горячая вода.
Через 9 месяцев работы с автоматом бак был вскрыт и осмотрен внутри. Осмотр показал значительно меньшее количество накипи на нагревательном элементе и грязи на магниевом аноде.

↑ Ссылки

↑ Файлы

• Краткая инструкция по работе с прибором.
🎁 datagor-instrukciya.7z 14.76 Kb ⇣ 43

• Прошивка с исходниками.
🎁 datagor-soft.7z 19.77 Kb ⇣ 51

• Чертежи печатных плат.
🎁 datagor-plata.7z 27.62 Kb ⇣ 46

Спасибо за внимание!

↑ Дополнение от 25-02-2017

Аппарат работает уже около 2-х лет. В работе сбоев или отказов не было, несмотря на единичные отключения электроэнергии по дому.
Всегда есть горячая вода в квартире, и никаких претензий к работе бойлера нет.
По поводу экономии: я собрал данные и составил график расхода электроэнергии, и из него видно, что небольшая, но реальная экономия есть.

Накопительный водонагреватель, в отличие от проточного, постоянно содержит в себе заданный объем воды, который нагревается и поддерживается в определенных температурных пределах. Из чего состоит бойлер и как обеспечивает постоянный запас горячей воды, мы расскажем в данной статье.

Конструкция

Накопительные водонагреватели разделяются по способу передачи тепловой энергии к жидкости на модели прямого или косвенного нагрева.

По типу применяемых энергоресурсов выделяют электрическое и газовое оборудование.

Наиболее распространенными в быту являются электрические бойлеры прямого нагрева. Поэтому на его примере мы рассмотрим конструктивные особенности устройства:

Внешний корпус — предотвращает разрушение теплоизоляции и дополнительно защищает бойлер от механических воздействий извне.

Теплоизоляция — замедляет естественное остывание воды в баке за счет теплообмена с окружающей средой.

Внутренний бак — заполняемая водой емкость.

Трубка подачи холодной воды — точка подачи жидкости из центральной или локальной системы к бойлеру.

Трубка отбора горячей воды — узел подключения нагретой жидкости к смесителям и кранам в жилище.

Нагревательный элемент — у электрических моделей представлен тэном.

Магниевый анод — выполняет защитные функции основных элементов от разрушающего воздействия электрохимических процессов.

Термостат — фиксирует и регулирует температуру жидкости.

Блок управления и сигнализации — позволяет регулировать величину нагрева, контролировать текущие процессы, устанавливать режимы работы.

В каталоге накопительных водонагревателей представлены модели различной ценовой категории. Что обусловлено отличиями комплектующих элементов и их характеристиками.

Корпус

Помимо защиты теплоизоляции выполняет декоративную функцию и повторяет форму внутреннего бака водонагревателя. Могут быть из металла или полимерных материалов. Конструктивно изготавливаются плоскими, цилиндрическими, прямоугольными (призмовидными), узкими.

По способу фиксации на стене существуют вертикальные и горизонтальные модели. Первый вариант более востребован за счет высокой энергоэффективности и быстрого нагрева. Второй тип актуален в помещениях с низкими потолками или местах, где размещение стандартного накопительного водонагревателя невозможно. Также существуют универсальные модели, которые допустимо располагать и горизонтально, и вертикально.

Теплоизоляция

Выполняется слоем вспененного полиуретана или поролона, заполняющего пространство между корпусом и баком. Вещество отличается большим количеством воздушных включений.

Чем больше слой теплоизоляции, тем дольше происходит передача тепловой энергии от теплоносителя к окружающей среде. Достаточной толщиной считается теплоизоляция от 3 см и более. Нагретая вода длительно сохраняет заданные тепловые показатели, снижая потребность в повторном включении нагревательного тэна.

Предназначен для наполнения нагреваемой жидкостью, поэтому обязательно должен обеспечить надлежащую прочность и герметичность. Бак, не выдерживающий давления воды, может покрыться трещинами и преждевременно выйти из строя.

В основе бака используется сварная стальная конструкция, которую изнутри покрывают антикоррозийным составом:

Эмалью.
Стеклокерамикой.
Полимерно-композитными материалами.
Медью.

В зависимости от модели накопительного водонагревателя объем бака варьируется в пределах от 10 до 200 л. Размеры подбираются в соответствии с количеством человек, использующих горячую воду и точек водозабора.

Количество человек, потребляющих горячую воду

Количество человек, потребляющих горячую воду друг за другом

Количество водозаборных точек в доме

Минимальный объем бойлера, л

Нормальный объем бойлера, л

Некоторые производители изготавливают бак полностью из нержавеющей стали. Такие баки защищены от коррозии, устойчивы к воздействиям агрессивных веществ до момента нарушения защитного слоя.

Трубки холодной и горячей воды

Вода из системы подается через специальный патрубок, выведенный в нижнюю часть бака. Дополнительно трубка холодной воды ограничивается рассекателем — барьером, препятствующим смешиванию нагретой и холодной жидкости.

Трубка для отбора горячей воды выведена в верхнюю часть бака, где скапливается наиболее горячий слой.

Если в подключенном накопительном водонагревателе открутить выходной шланг, жидкость вытекать не будет. Максимум выльется 0,3–0,5 л из верхнего слоя, а все, что ниже уровня, останется в баке.

Та же ситуация, если открутить только шланг подачи холодной воды. Перекрытый выход не даст замещения воды воздухом, и движение жидкости будет слабым или вовсе не начнется. Дополнительным препятствием на пути слива воды с бака выступает обратный клапан.

Тэны состоят из нити накала в керамическом или кварцевом наполнителе и электрических выводов. Омическое сопротивление нити определяет мощность нагревателя. Некоторые виды бойлеров могут оснащаться несколькими тэнами для повышения производительности и возможности экономии электроэнергии. Конструктивно все электрические тэны разделяются на мокрые и сухие.

Мокрые погружаются непосредственно в подогреваемую воду. Они дешевле, но в случае пробоя изоляции между нитью и трубкой вся вода оказывается под напряжением. А использующий воду может получить удар электротоком.

Сухие тэны закрыты стеатитовым или керамическим кожухом, внутри которого расположен нагревательный элемент, отделенный от диэлектрической колбы воздушным зазором. В более дорогих моделях зазор заполняется маслом, у которого выше теплопроводность и больше энергоэффективность.

Представлен в виде магниевой трубки в центре бака водонагревателя. Является более активным элементом, чем медь, покрывающая тэн. Поэтому оксид кремния выпадает в виде осадка именно на магниевом аноде, увеличивая продолжительность службы нагревательного элемента.

В накопительных водонагревателях с мокрым тэном и баком из нержавеющей стали участвует в электролитическом процессе. Железо и медь являются гальванической парой и при наличии слабого водного электролита вступают в электрохимическую реакцию. Магний анода принимает удар на себя и разрушается сам, сохраняя основные элементы бойлера.

Термостат

Измеряет температуру воды в текущий момент. В случае нагрева до установленного предела, к примеру, 75°С, отключает цепь питания. В накопительных водонагревателях могут использоваться механические или электронные термостаты.

Механический контролирует температуру за счет биметаллической пластины, которая деформируется от нагрева и перемещает контакты. Электронные модели оснащаются терморезистором, который изменяет свое оммическое сопротивление пропорционально степени нагрева.

Блок управления

Представлен кнопочным или сенсорным модулем в нижней части накопительного водонагревателя. Термометр может выполняться стрелочным или на электронном табло. Позволяет выставлять максимальную температуру нагрева, переключать режимы работы.

Современные модели могут включать в себя дистанционное управление через мобильное приложение. Некоторые оснащены функцией почасового программирования на сутки или неделю.

Принцип действия

Смонтированный и правильно подключенный к системе водоснабжения бойлер работает по следующему принципу:

Открывается горячая вода и происходит забор жидкости из верхних слоев бака.

Давление в емкости снижается, пока не станет меньше напора от патрубка с холодной водой.

Открывается обратный клапан, который не позволяет воде вернуться из накопительного водонагревателя обратно в систему, и обеспечивает подачу новой порции жидкости из трубопровода.

Рассекатель, установленный над патрубком подачи холодной воды препятствует смешиванию с уже нагретой жидкостью. Холодный поток заполняет нижний объем, сохраняя верхний слой теплым.

При достаточном заполнении холодной водой погружной датчик температуры остывает и замыкает контакты цепи питания нагревательного тэна.

Тэн, расположенный в нижней части бака, подогревает холодную воду. За счет конвекции теплая жидкость поднимается вверх, освобождая место для холодного потока.

При заполнении бака давление воды восстановится и перекроет обратный клапан.

Вода постепенно нагреется до установленной температуры. По достижении данной отметки термостат даст сигнал на отключение тэна.

Накопительный водонагреватель останется в таком состоянии до тех пор, пока не начнется повторное использование горячей воды или пока жидкость в баке не остынет естественным способом. За счет теплоизоляции бойлера естественное остывание занимает несколько часов.

Подводя итоги

Накопительный водонагреватель отлично подходит как для квартир, так и для частных домов и дач. Правильно подобранная модель в течении многих лет может обеспечивать горячей водой всю семью.

Слабым местом любого бойлера является нагревательный элемент, страдающий отложениями известкового налета. Жесткая вода может разрушить тэн за несколько лет. Поэтому всем накопительным водонагревателям рекомендуется проводить периодическое техобслуживание с заменой магниевого анода.