Как работает накопительный водонагреватель?

По основному принципу работы накопительный электрический водонагреватель, устройство простое: он хранит определённое количество воды в изолированном баке и нагревает её электрическим ТЭНом до заданной температуры.

За этой простотой, однако, стоит несколько узлов, которые одновременно контролируют температуру, давление и безопасность работы. Чтобы понять неисправности бойлера, назначение предохранительного клапана или возможность опасного роста температуры и давления, сначала нужно понять, что происходит в бойлере при нормальной работе.

Основные части накопительного водонагревателя

Конструкция отличается в зависимости от производителя и модели, но классический электрический накопительный водонагреватель обычно содержит:

• бак для воды;
• тепловую изоляцию;
• электрический ТЭН;
• рабочий термостат;
• независимую тепловую защиту;
• подключение подачи холодной воды;
• подключение выхода горячей воды;
• предохранительный клапан;
• магниевый или другой жертвенный анод у соответствующих типов баков.

У каждой из этих частей своя функция, и исправная работа бойлера зависит от их совместной работы.

Бак

Бак, это закрытый сосуд, в котором находится вода.

У большинства бытовых бойлеров он изготовлен из стального листа с внутренней антикоррозионной защитой, чаще всего эмалью, при этом существуют и бойлеры с баками из нержавеющей стали и с другими конструктивными решениями.

Вокруг бака находится слой тепловой изоляции, назначение которой, уменьшить потери тепла в окружающую среду. Поэтому вода остаётся горячей и после того, как ТЭН перестал работать.

Во время работы бак находится под давлением водопроводной сети, поэтому это не то же самое, что обычный открытый сосуд с водой.

Как вода попадает в бойлер?

Холодная вода поступает в нижнюю часть бака через подключение холодной воды.

На этом подключении обычно находится предохранительный клапан или группа безопасности.

Когда открывается кран горячей воды, вода из водопроводной сети под давлением поступает в бойлер и вытесняет нагретую воду к выходному подключению.

Другими словами, бойлер не „качает“ горячую воду.

Движущая сила потока, это давление водопроводной сети.

Пока вода поступает с холодной стороны, примерно такое же количество воды может выйти с горячей стороны.

Почему горячая вода забирается сверху бака?

Нагретая вода имеет меньшую плотность, чем более холодная, и естественным образом поднимается к верхней части бака.

Поэтому система устроена так, что горячая вода забирается из верхней части, а новая холодная вода поступает снизу.

Таким образом стремятся к тому, чтобы только что поступившая холодная вода как можно меньше смешивалась с самой горячей водой в верхней части бойлера.

Поэтому внутри бака может существовать выраженное температурное расслоение: вода наверху может быть значительно горячее воды внизу.

Электрический ТЭН

За нагрев воды отвечает резистивный электрический ТЭН.

Когда через него проходит электрический ток, электрическая энергия превращается в тепло, которое передаётся воде.

В бытовых бойлерах ТЭНы часто имеют мощность порядка нескольких киловатт, в зависимости от объёма и конструкции прибора.

Большая мощность позволяет быстрее нагревать, но конечная температура воды определяется не мощностью ТЭНа, а термостатом.

ТЭН на 2 kW, например, не „греет воду сильнее“, чем ТЭН на 1,5 kW, если говорить о конечной температуре. Он лишь быстрее передаёт ей энергию, а термостат определяет, когда питание будет отключено.

Роль термостата

Рабочий термостат следит за температурой воды и управляет питанием ТЭНа.

Когда температура воды ниже заданного значения, термостат разрешает работу ТЭНа.

Когда температура достигает заданного значения, термостат размыкает цепь и ТЭН перестаёт работать.

Через некоторое время вода остывает из-за тепловых потерь или потому, что часть горячей воды израсходована и заменена холодной.

Когда температура снова опускается ниже определённой границы, термостат опять включает ТЭН.

Поэтому бойлер в течение всего дня не потребляет свою номинальную мощность непрерывно. ТЭН включается и выключается циклами.

Рабочий термостат, не единственная тепловая защита

Кроме рабочего термостата, бойлер обычно имеет и независимую тепловую защиту.

Её назначение, не регулировать нормальную температуру воды, а отключить ТЭН, если температура из-за неисправности рабочего термостата превысит допустимую границу.

Это две разные функции.

Рабочий термостат:

регулирует температуру при нормальной работе.

Тепловая защита:

срабатывает, когда нормальное регулирование отказывает.

У многих приборов после срабатывания такой защиты требуется ручной сброс или вмешательство сервисного специалиста.

Что происходит с водой при нагреве?

При нагреве вода расширяется.

Это значит, что та же масса горячей воды занимает несколько больший объём, чем когда она холодная.

В открытом сосуде это не проблема, уровень воды просто немного поднимается.

Но накопительный бойлер, это часть водопроводной системы под давлением.

Из-за этого расширение воды при нагреве может вызвать рост давления внутри бака.

Это подводит нас к одному из важнейших элементов безопасности бойлера, к предохранительному клапану.

Для чего нужен предохранительный клапан?

У предохранительного клапана несколько функций, в зависимости от его конструкции.

Его основная задача, не допустить, чтобы давление в баке превысило безопасное значение.

В некоторых конструкциях клапан допускает контролируемый возврат небольшого количества воды из бойлера в водопроводную сеть, когда давление растёт при нагреве.

Если давление продолжает расти и достигает значения, установленного для аварийного сброса, клапан открывает выход в атмосферу и выпускает воду.

Поэтому периодическое капание из предохранительного клапана во время нагрева не обязательно означает, что клапан неисправен.

Его конструкция и принцип работы заслуживают отдельного объяснения, поэтому предохранительному клапану мы посвятим отдельный текст.

Для чего нужен магниевый анод?

В эмалированных стальных баках обычно применяется магниевый анод.

Эмаль, это основная защита стали от контакта с водой, но ни одно защитное покрытие не бывает абсолютно совершенным. На микроскопических повреждениях, в местах монтажа и на других открытых поверхностях может существовать возможность коррозии стали.

Магний электрохимически активнее стали, поэтому в соответствующих условиях он расходуется как жертвенный материал, защищая стальной бак.

Поэтому анод, не деталь, которая ставится „на весь срок службы бойлера“.

Его состояние со временем меняется, и у определённых конструкций предусмотрены периодическая проверка и замена.

Что происходит, когда мы открываем кран?

Пример лучше всего показывает работу всей системы.

Предположим, у нас есть нагретый бойлер на 80 литров.

Мы открываем кран горячей воды.

Давление водопроводной сети вытесняет холодную воду через входное подключение в нижнюю часть бака.

Одновременно горячая вода из верхней части бака вытесняется к крану.

По мере расхода горячей воды в бак поступает всё больше холодной.

Температура внутри бойлера падает.

Термостат фиксирует падение температуры и включает ТЭН.

ТЭН снова нагревает воду, пока термостат не достигнет заданной температуры и не отключит питание.

Затем цикл повторяется.

Почему из бойлера иногда получается больше „пригодной“ горячей воды, чем его объём?

Бойлер на 80 литров не обязательно означает, что на кране мы можем использовать только 80 литров воды температуры, пригодной для душа.

Если вода в бойлере нагрета, например, до 60 °C, а для душа мы используем смесь около 38, 40 °C, горячая вода из бойлера смешивается с холодной.

Поэтому из 80 литров очень горячей воды можно получить большее количество смешанной воды более низкой температуры.

Насколько именно, зависит от температуры воды в бойлере, температуры холодной воды и желаемой температуры на изливе.

Почему бойлер не стоит воспринимать просто как „бак с ТЭНом“?

Хотя принцип прост, бойлер на самом деле, это:

закрытый сосуд под давлением, наполненный водой, с электрическим ТЭНом мощностью в несколько киловатт.

Поэтому одновременно должны контролироваться:

• температура воды;
• электропитание ТЭНа;
• давление в баке;
• электрическая защита пользователя;
• механическая исправность бака;
• исправность предохранительного клапана.

Когда все эти системы работают исправно, работа бойлера проста и предсказуема.

Когда какая-то из них отказывает, характер последствий зависит от того, какая часть отказала и исправны ли оставшиеся защиты.

Именно поэтому в следующих текстах мы отдельно разберём, как работает предохранительный клапан бойлера и что на самом деле должно произойти, чтобы накопительный водонагреватель мог взорваться.