сравниваем принципы работы ТЭНовых, электродных и индукционных электронагревателей
Принципы работы электрокотлов в схемах.
Преимущества и недостатки различных видов электронагревателей
Каждый, кто сталкивался с множественным выбором, прекрасно знает, как непросто даются решения, особенно если цена их высока. Конечно, задачи, стоящие перед специалистом-энергетиком, может быть, и не такие ответственные, как перед авиадиспетчером, и от выбора типа нагревателя жизни людей непосредственно не зависят, но, осознавая это, принимать решение становится отнюдь не проще. Сегодня мы постараемся помочь разобраться, в чем же заключаются принципиальные отличия между наиболее широко распространенными типами электронагревателей. Причем постараемся сделать это в иллюстрациях. Надеемся, этот материал поможет, во всяком случае, упорядочить те моменты, которые нужно принять во внимание при выборе оборудования.
Нагреватель нагревателю рознь
Мы сознательно сузим охват типов нагревателей, так как редко когда встает задача сравнить, например, газовый и электрический котел. Топливо, по большому счету (а вернее, его доступность и цена), являются определяющими при выборе типа котла. Если рядом проходит нитка газопровода и есть условия для подключения, то редко кто будет рассматривать другие варианты. Если, конечно, вопросы эксплуатации не внесут критические изменения. Котельная «на краю» угольного бассейна тоже едва ли имеет альтернативы. До тех пор, пока вопросы экологической безопасности или автоматизации и обслуживания не внесут коррективы.
Так сложилось, что в нашей стране электронагреватели принято относить к бытовому сегменту. Жители больших городов, да и сельские жители, уже привыкли к бойлеру в ванне или на кухне. Многие выбирают электронагреватели в качестве основной или резервной системы для отопления частного дома. Электрическая энергия, в пересчете на тепловую, обычно получается дороже, чем при сжигании газа, дров или угля. Но если говорить об удобстве, то электронагрев оказывается вне конкуренции. Ведь что может быть удобнее включения одной кнопкой и управления при помощи одной ручки? Вот и пробираются электронагреватели в наши дома. Однако на этом они не собираются останавливаться. Более того, у электронагрева в нашей стране (что уж говорить про «не наши» страны!), оказывается, очень богатая история. Промышленные электронагреватели (электрокотлы и электроводонагреватели) относительно большой мощности чрезвычайно распространены. Во многих обстоятельствах у них и вовсе нет альтернатив. Впрочем, не будем отвлекаться. Скажем так: там, где есть условия и целесообразность применения электронагревателей, обычно выбор делается в пользу одного из следующих типов электронагревательного оборудования: электродный, ТЭНовый или индукционный электрокотел.
Хорошо подкованный в теме читатель может спросить: а как же инфракрасные нагреватели?! А мы этот тип пока исключим из рассмотрения, поскольку инфракрасные установки не применяются в системах отопления с жидким теплоносителем и таким образом, к котельному оборудованию не имеют никакого отношения и выступают, если так можно выразиться, в другой весовой категории.
Трубчатый электронагреватель. ТЭН. Просто ТЭН.
Трубчатые электронагреватели исторически являются первыми приборами, приспособленными к преобразованию электрической энергии в тепловую. ТЭН был изобретен в США, о чем свидетельствует патент 1859 года. С тех пор этот вид электронагревательного прибора является самым распространенным, главным образом, по причине относительной простоты конструкции. Надо отметить, что принципиально в конструкции этого устройства практически ничего не поменялось с момента изобретения:
ТЭН состоит из тонкостенной (0,8 — 1,2 мм) металлической трубки (корпуса), внутри которой находится спираль из проволоки большого удельного электрического сопротивления. За счет этого сопротивления спираль и накаляется. Материалом трубки может быть углеродистая сталь, если температура поверхности ТЭНа в рабочем режиме не превышает 450 °С, и нержавеющая сталь при более высоких температурах или при работе ТЭНа в агрессивных средах. На металл может накладываться химическое или электрохимическое покрытие — лужение, никелирование, фторопласт.
Спираль чаще всего делают из хромоникелевого сплава (чаще можно встретить другое его название – «нихром») или феррохромового сплава. Концы спирали соединены с контактным стержнем, наружная часть которого подключается к питающей электросети. Спираль изолируется от корпуса наполнителем, имеющим высокие электроизоляционные свойства и хорошо проводящим теплоту. В качестве наполнителя, чаще всего, применяют периклаз (оксид магния) или кварцевый песок. После заполнения наполнителя трубку ТЭНа опрессовывают. Под большим давлением кристаллы периклаза спаиваются, фиксируя спираль по оси трубки ТЭНа. Опрессованный ТЭН может быть изогнут для придания необходимой формы. Контактные стержни ТЭНа изолируют от трубки изолятором, торцы герметизируют влагозащищенным кремнийорганическим лаком.
Единичная мощность ТЭНового элемента варьируется от десятков ватт до десятков киловатт. Еще больше разброс в размерах, а уж по форме нагревательного элемента разнообразие ТЭНов и вовсе не имеет себе равных – прямые, спиральные, дугообразные и вообще почти любой формы, которая взбредет заказчику или производителю в голову.
Как известно, чем проще система, тем меньше вероятность выхода из строя. Несмотря на свою кажущуюся простоту, в конструкции ТЭНа не так уж мало элементов, которые служат недобрую службу, а именно: раскаляющаяся спираль, температура которой может достигать 1000 °С; засыпка-наполнитель, от равномерности которой напрямую зависит долговечность ТЭНа; наличие герметизирующих слоев и уплотнений, от которых зависит не только работоспособность ТЭНа, но и его пожарная и электрическая безопасность – именно в таких местах возможны так называемые «пробои» и замыкания. Но и без пробоев напряжение все равно практически всегда передается на корпус, несмотря на наполнитель, поэтому электрокотлы на ТЭНах в обязательном порядке требуют тщательного заземления.
Рассмотрим подробнее плюсы и минусы ТЭНов как таковых (без свойств электронагревателей, которые их содержат – нас интересует принцип нагрева как таковой):
Преимущества | Недостатки |
— Универсальность: могут напрямую нагревать почти любые среды. — Компактность и способность «закачивать» относительно большую мощность на единицу площади (высокая удельная поверхностная мощность) — Относительная дешевизна. — Общедоступность. В том числе – доступность сменных деталей. — Простота управления и, как следствие, недорогая автоматизация нагревателя. — Простота монтажа при замене. — Широчайшая гамма форм, размеров и мощностей. — Удовлетворительный срок службы – качественный ТЭН может проработать до 10 тыс. часов. — Если требуется небольшая мощность нагрева (в пределах 1-4 кВт) альтернативы ТЭНу по стоимости и удобству почти не существует. — КПД близкий к 100% при полноценном съеме тепла с ТЭНа (требуется циркуляционный насос). Однако идеальным съем тепла будет только у нового ТЭНа. Отложение накипи сильно портит картину. | — Относительная низкая электробезопасность: необходимо заземлять. — В плане безопасности приходится полагаться только на автоматику: высокая температура поверхности ТЭНа может привести к аварии. — Возможность «пробоев», т.е. замыкания спирали под напряжением на корпус. Даже если изделие заземлено и обеспечивается электрозащита, «пробой» приводит к быстрому выходу ТЭНа из строя. — Из-за высокой удельной поверхностной мощности происходит активное отложение накипи и, как следствие, – снижение теплопередачи, КПД и усиленный износ ТЭНов. — Несмотря на простоту монтажа, нужна достаточно высокая квалификация: при замене можно повредить уплотнения, вследствие чего ТЭН почти сразу придет в негодность. Есть и другие нюансы. — В мощных промышленных электрокотлах, в которых установлено несколько ТЭНов, все перечисленные проблемы умножаются на количество ТЭНов в установке. Это приводит к росту эксплуатационных расходов: ТЭНы нужно проверять, вышедшие из строя – менять, а котел прочищать. Появляются довольно длительные профилактические и аварийные перерывы в работе систем, что иногда бывает недопустимо. — Если требуется большая мощность электронагрева (свыше 100 кВт) недостатки ТЭНов начинают преобладать над преимуществами вследствие роста эксплуатационных и временных издержек. |
Как мы видим, ТЭН – это очень хорошее и важное изобретение человечества. Современному человеку без них уже не прожить. Но инженерную мысль остановить невозможно, поэтому изобретением ТЭНа дело не ограничилось.
Электродный котел: детище ВМФ
Сейчас сложно доподлинно установить, правда это или красивая легенда, но производители электродных котлов утверждают, что изначально разрабатывались они для использования на подводных лодках. В принципе, это правдоподобное утверждение, поскольку многие изобретения человечества шагнули в нашу жизнь из военных КБ. Электродные котлы, на первый взгляд, кажутся вообще идеальными водонагревателями: собственно, вода в них греет, можно сказать, саму себя. Вот как это происходит:
Электродный котел представляет собой стальную трубу с подающим и отводящими патрубками. Внутри этой трубы размещаются электроды. Если нагреватель однофазный (в электрокотлах мощностью от 2 до 6 кВт) то электрод один, если трехфазный (в нагревателях мощностью от 9 до 50 кВт), то три. В основу работы электродного котла положен принцип ионизации воды под действием электрического тока (поэтому иногда такие котлы еще красиво называют «ионными» электронагревателями). Как известно, если поместить в воду положительно заряженный электрод (анод) и отрицательно заряженный электрод (катод), то ионы начинают метаться от одного к другому, а поскольку находятся эти ионы в среде, оказывающей сопротивление (вода), то происходит разогрев этой среды. При подключении электрода к сети переменного тока, имеющей частоту 50 Гц, электрод меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. он 25 раз «побудет» катодом и столько же раз – анодом. Если бы такой смены не происходило, электродный котел, помимо тепла, вырабатывал бы еще чистый водород и кислород, поскольку в нем происходила бы реакция электролиза. Впрочем, электролиз все равно может иметь место при определенных условиях, хотя и не в таких масштабах, как при подключении постоянного тока.
Пожалуй, главной особенностью электродного котла является то, что для обеспечения необходимых параметров нагрева теплоноситель должен быть подготовлен – обычная сетевая вода не подойдет. А если система будет, к примеру, заправлена дистиллированной водой, то вообще никакого нагрева не произойдет. Поэтому теплоноситель для электродного котла должен специально подготавливаться при помощи добавления специальных добавок (солей). По своей сути теплоноситель должен быть превращен в электролит. Так что электродный котел может функционировать только в строго замкнутых системах теплоснабжения с возможно минимальными потерями теплоносителя. Помимо этого, требуется обеспечение особых мер электрозащиты, ведь теплоноситель является токопроводящей средой. Несмотря на заверения производителей электродных котлов, что их продукт – самый эффективный электронагреатель, с этим можно убедительно спорить, ведь у электродов довольно ограниченный срок службы, а необходимость подготавливать теплоноситель отнюдь не снижает величину эксплуатационных издержек.
Итак, подведем итоги по электродным котлам:
Преимущества | Недостатки |
— Простота конструкции. — Высокая скорость нагрева. — Компактные размеры. — КПД близкий к 100% (в том смысле, что почти вся потребляемая электроэнергия переводится в тепло. Другое дело, что для получения необходимой тепловой мощности нужно следить за соляным составом теплоносителя и состоянием электродов). — Нет риска аварий, связанным со снижением уровня теплоносителя ниже нормы. Если теплоноситель уйдет из системы – процесс нагрева просто остановится. — Не страшны перепады в электросети. — Простота автоматизации и управления. | — Требуются особые меры электрозащиты. При пробое изоляции риск поражения электрическим током выше, чем в ТЭНовых котлах. — Требуется подготовка теплоносителя и последующий контроль его солевого состава, т.к. электропроводность теплоносителя меняется в процессе эксплуатации, т.е. требуется постоянное и квалифицированное обслуживание. — Специальные требования ко всем элементам отопительной системы (т.к. электролит – агрессивная среда). Либо ставить промежуточный теплообменник. — Образование накипи на электродах. В отличие от ТЭНов, накипь не наносит вреда электродам, однако резко падает мощность нагрева. Нагрузочные характеристики снижаются уже после 60-80 часов работы котла. — Быстрый износ электродов (иногда – до нескольких раз за сезон) и необходимость регулярной замены. — При снижении удельного сопротивления теплоносителя возможно выделение водорода и кислорода, которые представляют собой взрывоопасную смесь (гремучий газ). В штатных условиях выделения не критичны, однако сам факт отрицать нельзя. — Желательна установка котла в новую, специально подготовленную, отопительную систему. Врезка в существующую – нежелательна. |
Индукционный электронагреватель: новое или подзабытое старое?
Считается, что электронагреватель индукционного типа – это совсем свежая разработка, потому что активное распространение на рынке этот вид нагревателей получил только в конце XX века. А между тем, предпосылки к появлению этого оборудования были заложены практически одновременно с изобретением ТЭНа! Впрочем, с ТЭНом, и даже с принципом нагрева сопротивлением, индукционный нагреватель не имеет ничего общего. Ничего – от слова абсолютно. Гораздо больше общих «генов» у индукционного нагревателя с… трансформатором!
Впервые явление электромагнитной индукции, то есть возникновение электрического тока под воздействием магнитного поля, обнаружил Майкл Фарадей. Однако между обнаружением этого явления и появлением первого трансформатора прошло не одно десятилетие. Сегодня же современная энергосистема не может существовать без трансформаторов в принципе.
Трансформатор – это электромагнитное устройство для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения (без изменения частоты). Такой трансформатор состоит из двух и более катушек проволоки, намотанных на ферромагнитный сердечник. Обмотка, на которую подается напряжение, которое требует преобразования, называется первичной обмоткой, а обмотка, которая преобразует магнитную энергию от первой катушки – вторичной обмоткой. Трансформаторы различают по числу фаз, числу обмоток, способу охлаждения. В основном используются силовые трансформаторы, предназначенные для повышения или понижения напряжения в электрических цепях.
Несмотря на то, что трансформаторы в процессе своей работы выделяют тепловую энергию, они не применяются напрямую как нагревательные устройства – все-таки, их прямое назначение в другом. Однако именно это явление, а именно нагрев, возможно, и подтолкнуло пытливые умы инженеров на создание нагревателя трансформатороного типа, КПД которого по тепловой энергии приближается к 100%.
Вообще, сделать индукционный нагреватель можно даже своими руками – ТЭН сделать и то сложнее. Однако если говорить о промышленном устройстве достаточно высокой установленной мощности, конечно, речи о самоделках быть не может. Да и есть у технологии производства индукционных нагревателей одна особенность, которая ему пока не позволила получить в мире широкое распространение – а именно, при всей простоте конструкции, сложно сделать устройство, которое бы обеспечивало достаточно высокий КПД и коэффициент мощности. Рассмотрим схему:
Для начала разберемся, что же такое «индукционный электронагреватель». Как и трансформатор, индукционный нагреватель состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из трансформаторной стали, вокруг сердечника помещается катушка, которая выполняет роль первичной обмотки, т.е. на нее и подается напряжение. А вот вторичной обмоткой служит не другая катушка, как это было бы в трансформаторе, а полый теплообменник, внутрь которого подается и нагревается теплоноситель. Откуда же берется тепло? Тепло выделяется в теплообменнике под воздействием магнитного поля, которое возникает в первичной обмотке. Таким образом, нагревается сам металл, из которого сделан теплообменник.
Надо особенно подчеркнуть, что индукционный водонагреватель работает НЕ как СВЧ-печь, то есть нагрева непосредственно самого теплоносителя здесь не происходит – частота тока не та. Да это и не нужно – преобразователи частоты – приборы капризные, а влияние СВЧ на жизненно важные органы еще до конца не изучено, так что лучше остановится на токах промышленной частоты (50 Гц) этого более чем достаточно, чтобы нагреть металл до разумной температуры и от него передать тепло теплоносителю.
Как любой другой электромагнитный прибор, индукционный нагреватель имеет такую характеристику как коэффициент мощности (обозначается как cosf). И если говорить о конструкции нагревателя, то это значение является очень важным. Этот коэффициент показывает, какая часть электромагнитного поля участвует в процессе нагрева, а какая – теряется. Так вот, вплоть до конца XX века, не была создана конструкция, которая бы могла продемонстрировать достаточно высокий коэффициент мощности, и вследствие этого, успешно конкурировать с ТЭНовыми или электродными котлами. Однако благодаря научным разработкам группы ученых одного из ведущих технических вузов страны, возглавляемой д.т.н. Анатолием Елшиным, удалось создать конструкцию индукционного нагревателя, обладающего практически такой же энергоэффективностью, как у ТЭНового, однако почти по всем другим параметрам его превосходящий.
Несмотря на кажущуюся сложность конструкции, на самом деле, она на удивление проста: в ней фактически отсутствуют какие-то детали и элементы, которые можно было бы назвать «слабым звеном». Здесь только металл, трубы и провода. Единственное, что хоть как-то ограничивает срок службы такого оборудования (если не считать электронику в системе управления) – это изолятор провода в первичной катушке. Предприятия, которые выпускают сейчас индукционные нагреватели в промышленных масштабах, эту задачу решили при помощи технологий, которые применяются на атомных и гидроэлектростанциях – благо технологии сейчас стали общедоступны. Трансформаторы служат десятилетиями, и у индукционного нагревателя – его генетического собрата – есть все шансы установить новые рекорды долговечности.
Преимущества | Недостатки |
— Самый высокий класс электробезопасности, обеспечивающийся конструктивно: греющий контур просто не может замкнуться на питающую обмотку, а магнитным полем «долбануть» не может в принципе. Напряжение прикосновения – всего 2В! — Пожарная безопасность, которая также обеспечивается конструктивно. В отличие от ТЭНов, в индукционном нагревателе нет местных перегревов. Теплоноситель нагревается равномерно и теплосъем происходит по очень развитой поверхности, благодаря чему перепад температур теплоносителя с теплообменником не превышает 20-30 °С. — Длительные сроки службы. По заявлению производителя – более 100 000 часов (более 30 сезонов). Это правдоподобно, поскольку срок службы ограничен только изоляцией обмоток, а она весьма долговечна. — Универсальность: может нагревать практически любой жидкий теплоноситель – воду, антифриз, масла. Химический состав не имеет значения. — Естественное омагничивание воды, незначительные температуры нагреваемого металла и легкая вибрация (незаметная человеку) служат отличной защитой от накипи. Отложения практически не образуются. — Практически не требует контроля и профилактики, особенно при наличии автоматической системы управления. Работает по принципу «включил и забыл».
| — Высокая материалоемкость и, как следствие, более высокие затраты покупателя на приобретение. — Относительно большие массо-габаритные показатели. — Выше перечисленные недостатки делают малопривлекательным производство и приобретение установок мощностью менее 10 кВт. — Относительно плохая ремонтопригодность теплообменника (впрочем, ремонт и не потребуется при правильной эксплуатации).
|
Индукционный электронагреватель, таким образом, представляет собой очень серьезную альтернативу ТЭНовым и, тем более, электродным котлам – достаточно визуально оценить соотношение преимуществ и недостатков. Так что можно с уверенностью сказать, что данный тип электронагревателей по праву отвоевывает себе все более емкий сегмент рынка.
Оригинал статьи: https://termanik.ru/printsipy-raboty-elektrokotlov-v-shemah-preimushhestva-i-nedostatki-razlichnyh-vidov-elektronagrevatelej/
Электродный котел отопления: конструкция и принцип работы
Среди различных приборов для нагрева воды существует одна, пока что еще малоизвестная на нашем рынке разновидность – электродный котел. К сожалению, этот интересный и перспективный прибор практически не знаком отечественному потребителю. Давайте исправим это недоразумение.
Система отопления не занимает много места
Накопительные водонагреватели
Не ошибусь, если скажу, что услышав слова «бытовой водонагреватель» четверо из пяти представят себе газовую колонку. Этот прибор долге годы служил верой и правдой обитателям первого массового жилья в СССР – легендарных хрущевок. Основным отличием колонок от предшественников – титанов, стала замена твердого топлива (угля) газом. Использование «голубого топлива» позволило массово осуществить принцип проточного нагревания. Вода в колонках нагревается не впрок, а непосредственно перед использованием. Специальный механизм, принимающий с помощью мембраны давление напора воды, открывает подачу газа в горелку, которая и нагревает воду до нужной температуры.
Безусловно, поточное нагревание воды перед использованием – это очень удобно, однако, когда на смену социалистическому способу хозяйствование пришел безжалостный рынок, вдруг выяснилось, что такой способ нагрева воды далеко не всегда экономически оправдан. К тому же проточное нагревание совершенно не подходит для системы отопления, а проблемы с централизованным отоплением также были характерны для «переходных времен».
Бойлер имеет похожий принцип работы как у котла
В результате 90-е и начало «нулевых» ознаменовались триумфальным возвратом в наш быт накопительных водонагревателей. Конечно, это уже не были старинные титаны, знакомые многим по старому кино и книжкам из детства. Их место заняли газовые и электрические бойлеры. Если газовые бойлеры большого распространения не получили (все-таки газ больше подходит для «проточников»), то электрические бойлеры наверняка знакомы если не каждому, то очень многим.
По принципу своего действия электробойлер похож на раздутый до неприличных размеров электрический чайник. В нижней части емкости для воды расположен ТЭН – трубчатый электронагреватель. Заключенная в слой диэлектрика нить из нихрома (сплава никеля с хромом), будучи подключенной к электросети, оказывает сопротивление прохождению электрического тока, за счет чего сильно нагревается. Насколько много тепла выделяет подключенная к электричеству нихромовая нить, легко убедиться на примере обычной лампы накаливания. При работе лампы нагреваются так сильно (лампа накаливания превращает в тепло гораздо больше электроэнергии, чем в свет), что их используют в качестве нагревателей, например в мини-инкубаторах.
Заполняющий трубки ТЭНа диэлектрик обладает теплопроводностью, достаточной для того, чтобы, во-первых, нихромовая нить не сожгла саму себя, во-вторых, достаточно тепла попадало на поверхность ТЭНа, а с нее – в воду.
Что такое электродный котел?
Почему нагревательный элемент располагается именно в нижней части объема воды? По физическим законам, нагретая вода (либо любой другой теплоноситель) имеет меньшую плотность, чем холодная, а значит, поднимется вверх, подобно тому, как менее плотное масло всегда скапливается на поверхности более плотной воды. Именно сверху котла происходит забор теплоносителя для использования, снизу же к нагревательному элементу подается холодный теплоноситель.
Таким образом, нагрев теплоносителя в электрическом бойлере происходит не по всему объему, а постепенно. Из-за этого накопительные нагреватели обладают достаточной инертностью, тем большей, чем больше объем накопительной емкости. Между включением бойлера и выходом его на рабочий режим должен пройти промежуток времени, достаточно значительный для бойлеров с большим объемом накопителя.
Принцип работы котла
Можно ли преодолеть инертность накопительных нагревателей, ведь законы природы не обманешь? Оказывается – можно, если нагревательным элементом буд
Электродный нагреватель воды
Использование: для получения горячей воды. Сущность изобретения: электродный нагреватель воды состоит из входного 1 и выходного 2 патрубков трубчатого электрода 3, электрода 4 Ш-образного сечения, который имеет на боковой поверхности сквозное отверстие 5, изолятора 6 и изоляционных прокладок 7. Канал входного патрубка 8 на своем входном конце содержит эластичную втулку 9, на которую установлены металлические секторы 10, имеющие уголковое сечение, металлическая шайба 11 и накидная гайка 12. Соприкасающиеся поверхносит секторов 10 и шайбы 11 имеют конусность. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к электронагревателям воды и может быть использовано для получения горячей воды в быту при мытье посуды и умывании.
Известен электронагреватель воды [1] содержащий снабженный патрубками подвода и отвода корпус, внутри которого установлены нулевой и фазный электроды, отличающийся тем, что с целью обеспечения безопасности он дополнительно содержит электронный блок распознавания нуля электрической сети, подключенный к указанным фазному и нулевому электродам, последний из которых установлен со стороны патрубка отвода. Внешний (нулевой) электрод имеет Ш-образное сечение с целью экранирования фазного электрода. Недостатком этой конструкции является то, что в рабочем зазоре между фазным и нулевым электродами вода находится в квазистатическом состоянии, т. е. не имеется принудительной ее проточки. При этом тепло, выделенное при прохождении электрического тока между электродами, передается остальной воде путем теплопроводности и подмешивания горячей воды в холодную, а это снижает эффективность электронагревателя, так как струя по центральному каналу может быть значительно холоднее, чем по центру. Следует заметить, что по технике электробезопасности применение схемы распознавания нуля не освобождает от устройства надежного заземления нагревателя. Известно также устройство для нагрева воды [2] содержащее разъемный корпус с электронагревателем и лабиринтный канал для воды, отличающееся тем, что с целью повышения эффективности нагрева оно снабжено втулкой, установленной между частями корпуса, канал выполнен в виде рельефа на плоских противоположных сторонах втулки, а электронагреватель в виде электродных пластин, расположенных по периферии втулки, преимущественно на части ее. Недостатком этой конструкции является то, что выполнение канала в виде рельефа на двух половинах втулки является достаточно сложной технологической задачей, так как требует или литейного производства, или копировальных станков, что удорожает изготовление нагревателя. Кроме того, так как электродные пластины расположены не по всей длине канала, то нагрев воды происходит только на периферии и вода, проходя по остальной части канала, может только охладиться. Известен также многофазный электродный нагреватель воды [3] содержащий цилиндрический корпус с крышкой и патрубками ввода и вывода воды, установленную внутри корпуса с кольцевым зазором горизонтальную перегородку, делящую корпус на две камеры, и по меньшей мере два электрода, расположенных в нижней камере, отличающийся тем, что с целью повышения КПД водонагревателя и снижения его металлоемкости, электроды выполнены в виде одинаковых криволинейных пластин в форме спирали Архимеда и установленных с равным смещением относительно друг друга по периметру, в центре перегородки выполнено сквозное отверстие, наружный контур перегородки выполнен переменного профиля с участками, повторяющими контур расположенного под ним электрода, и уступами, соединяющими указанные участки в местах каждого из электродов, а нагреватель снабжен электроизоляционной трубкой, проходящей с зазором сквозь отверстие и соединенной с патрубком ввода воды. Однако сложная форма электродов, а также наличие перегородок усложняют конструкцию нагревателя и технологию его изготовления. Целью изобретения является упрощение конструкции нагревателя, а также упрощение монтажа и обеспечение надежности заземления при эксплуатации нагревателя в бытовых условиях. Цель достигается тем, что в электродном нагревателе патрубки и электроды выполнены с фланцами, снабженными эластичными изоляционными прокладками, скрепленными между собой, причем внутренний электрод расположен соосно каналу входного патрубка с примыканием соответствующих торцев, а внешний электрод выполнен с отверстиями на его боковой поверхности, расположен в выходном патрубке с образованием кольцевого канала и снабжен изоляцией по всей поверхности. Электродный нагреватель может дополнительно содержать эластичную втулку с торцевыми металлическими секторными накладками, имеющими уголковое сечение, причем металлические секторные накладки могут быть выполнены с соприкасающимися, наклонными к периферии конусными поверхностями. На чертеже представлена схема предлагаемого электродного нагревателя воды. Электродный нагреватель воды состоит из входного 1 и выходного 2 патрубков, трубчатого электрода 3, электрода 4 Ш-образного сечения, который имеет на боковой поверхности сквозное отверстие 5, изолятора 6 и изоляционных эластичных прокладок 7. Канал входного патрубка 8 на своем входном конце содержит эластичную втулку 9, на которую установлены металлические сектора 10, которые имеют уголковое сечение, металлическая шайба 11 и накидная гайка 12. Соприкасающиеся поверхности секторов 10 и шайбы 11 имеют конусность. Электродный нагреватель воды работает следующим образом. Вода поступает во входной патрубок 1 и проходит по зазору между внутренней поверхностью трубчатого электрода 3 и поверхностью центрального стержня электрода 4 Ш-образного сечения, а затем по зазору между внешней поверхностью трубчатого электрода 3 и поверхностью канавки Ш-образного электрода 4. При подаче напряжения на электроды через воду проходит электрический ток, который нагревает ее. Горячая вода через отвертия 5 поступает в выходной патрубок 2, а оттуда потребителю. Изолятор 6, который расположен или по всей внешней поверхности Ш-образного электрода 4, или по всей внутренней поверхности выходного патрубка 2, электрически развязывает Ш-образный электрод 4 и выходной патрубок 2, что не дает возможности протекания между ними тока при попадании фазы сетевого переменного тока на Ш-образный электрод 4. Электроды 3 и 4 и патрубки 1 и 2 электроизолированы по своим фланцам эластичными прокладками 7, которые одновременно герметизируют полости, по которым протекает вода. При этом патрубки 1 и 2 электрически связаны между собой. Для присоединения нагревателя к водопроводному крану ослабляют накидную гайку 12 и надевают патрубок 1 на кран, после чего затягивают накидную гайку 12. При этом эластичная втулка 9, установленная во входном патрубке 1, утолщается и надежно герметизирует соединение. Сектора с уголковым сечением 10 вследствие конусности своей поверхности и поверхности шайбы 7 сдвигаются к центру и образуют надежный электрический контакт между водопроводным краном и входным патрубком 1. Этим достигается надежное заземление нагревателя, что повышает безопасность его эксплуатации, так как невозможно пользоваться нагревателем не заземлив его. Нагреватель способен создать расход воды от 1 л/мин при разности температур на входе и выходе +50оС до 3 л/мин при разности температур на входе и выходе +20оС. Таким образом, предлагаемый электродный нагреватель воды в отличие от прототипа имеет простую конструкцию, так как электроды 3 и 4 и патрубки 1 и 2 выполнены в виде тел вращения. При этом повышается эффективность нагрева воды, так как зона нагрева достаточно протяженна и вода полностью омывает электроды. Данная конструкция позволяет наиболее эффективно использовать электроэнергию. Повышение эксплуатационных качеств электродного нагревателя воды по сравнению с прототипом в бытовых условиях обеспечивается тем, что потребитель легко может установить и снять нагреватель. При этом ему нет необходимости следить за наличием заземления, так как оно автоматически обеспечивается при закручивании накидной гайки 12. Кроме того, мощность нагревателя не зависит от положения вилки в розетке, так как изолятор 6 исключает наличие тока между Ш-образным электродом 4 и выходным патрубком 2. Электродный нагреватель воды может с успехом применяться как в городских условиях во время сезонного и аварийного отключения горячей воды, так и в сельской местности, где вопрос с горячей водой стоит особенно остро. Электродный нагреватель воды может с успехом использоваться для нагрева других диссоциируемых жидкостей.Формула изобретения
1. ЭЛЕКТРОДНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ВОДЫ, содержащий входной и выходной патрубки и внутренний и внешний коаксиальные электроды, последний из которых имеет Ш-образное сечение, отличающийся тем, что патрубки и электроды выполнены с фланцами, снабженными эластичными изоляционными прокладками и скрепленными между собой, причем внутренний электрод расположен соосно с входным патрубком с примыканием соответствующих торцов,а внешний электрод выполнен с отверстиями на его боковой поверхности, расположен в выходном патрубке с образованием кольцевого канала и снабжен электроизоляцией по всей поверхности. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит эластичную втулку с торцевыми металлическими секторными накладками, имеющими уголковое сечение, и шайбу, причем последняя и металлические сектроные накладки выполнены с соприкасающимися наклонными к периферии конусными поверхностями.РИСУНКИ
Рисунок 1Электродный нагреватель
Использование: в электрических нагревателях жидкости в системах теплоснабжения. Сущность изобретения: в нагревателе, содержащем корпус 1 с патрубками 2 и 3 подвода и отвода нагреваемой жидкости и размещенную в его полости 4 нагревательную камеру 5, образованную двумя установленными с помощью изолятора 7 с зазором коаксиальными полыми цилиндрическими электродами 6 и 7, из которых наружный электрод 6 выполнен в виде стакана с герметичным основанием, основание выполнено неподвижным, при этом межэлектродный зазор 10 со стороны основания сообщен с полостью 4 корпуса 1 через полость внутреннего электрода 3, а с противоположной стороны, непосредственно у изолятора 9, из указанного зазора выведен канал для отвода газа. 1 ил.
Изобретение относится к электрическим нагревателям жидкости и может быть использовано в системах теплоснабжения.
Известны электродные нагреватели, у которых электроды размещены непосредственно в проточной нагреваемой жидкости. Например, известен электродный нагреватель по а.с.СССР N 1395906, кл. F 24 H 1/20, B 3/60, в вертикальный проточный корпус которого установлены по концентрическим окружностям изогнутые по дуге электроды, выполненные в виде тора. Однако такой нагреватель создает недостаточно интенсивную циркуляцию жидкости в системе: только естественную циркуляцию, возникающую вследствие различия плотностей холодной и нагретой жидкости. Более интенсивную (принудительную) циркуляцию жидкости создает электродный нагреватель по а.с. СССР N 1359586, кл. F 24 H 1/20, 1987г. Этот нагреватель принят за прототип. Электродный нагреватель по прототипу содержит проточный корпус с патрубками подвода и отвода нагреваемой жидкости, подпружиненные клапаны в патрубках и размещенную в полости корпуса нагревательную камеру. Последняя образована двумя коаксиальными полыми цилиндрическими электродами, из которых наружный электрод выполнен в виде стакана, снабженного герметичным и подвижным (посредством сильфона) основанием и дистанционированного с противоположного конца от внутреннего электрода непроточным для жидкости изолятором с образованием межэлектродного зазора. При этом наружный электрод имеет оребренную наружную теплообменную поверхность, а внутренний электрод выполнен в виде стакана, опрокинутого по отношению к наружному электроду. Нагревательная камера заполнена промежуточным электропроводным теплоносителем, изолированным от нагреваемой жидкости. При включении электродов в электрическую сеть промежуточный теплоноситель нагревается за счет тепловыделения при прохождении электрического тока через него в межэлектродном зазоре, а от теплоносителя тепловой поток через оребренную стенку наружного электрода и сильфон с основанием передается жидкости, заполняющей корпус. Когда количество теплоты в теплоносителе превысит количество теплоты, отбираемое жидкостью в корпусе, температура теплоносителя повышается, при этом образуется пар и создается давление, которое растягивает сильфон, перемещая основание наружного электрода. В результате этого уровень теплоносителя в межэлектродном зазоре понижается, уменьшая площадь электрического взаимодействия электродов, а перемещение основания создает давление жидкости в корпусе. При определенной величине давления жидкости в корпусе сжимается пружина клапана на патрубке отвода жидкости и порция нагретой жидкости выталкивается в систему теплоснабжения. Оставшаяся в корпусе жидкость приводит к конденсации пара теплоносителя, давление которого снижается. Сильфон сжимается, создавая в корпусе разрежение, под действием которого открывается клапан на подводящем патрубке и в корпус поступает охлажденная в системе жидкость, которая ускоряет конденсацию теплоносителя. В результате сильфон сжимается, погружая электроды в теплоноситель. Далее цикл повторяется. Однако описанная схема теплопередачи к нагреваемой жидкости, заполняющей корпус, недостаточно эффективна из-за наличия стенки на пути теплового потока от одной жидкости к другой. Кроме того, организация развитой теплообменной поверхности наружного электрода и необходимость обеспечения подвижности его основания усложняют конструкцию и не способствуют компактности нагревателя. По изобретению предлагается электродный нагреватель, который решает техническую задачу интенсификацию теплообмена с нагреваемой проточной жидкостью в корпусе и в системе теплоснабжения при одновременном упрощении, повышении надежности и компактности конструкции. Это достигается тем, что в электродном нагревателе, содержащем корпус с патрубками подвода и отвода нагреваемой жидкости и размещенную в его полости нагревательную камеру, образованную двумя коаксиальными полыми цилиндрическими электродами, из которых наружный электрод выполнен в виде снабженного герметичным основанием стакана, дистанционированного с противоположного конца от внутреннего электрода непроточным для жидкости изолятором с образованием межэлектродного зазора. Основание наружного электрода выполнено неподвижным, при этом межэлектродный зазор со стороны основания сообщен с полостью корпуса через полость внутреннего электрода, а с противоположной стороны, непосредственно у изолятора, из указанного зазора выведен канал для отвода газа. Выполнение основания наружного электрода неподвижным и сообщение межэлектродного зазора с полостью корпуса обеспечивают выход нагретой в нагревательной камере жидкости непосредственно в жидкость, проточную через полость корпуса. А наличие канала для отвода газа из электродного зазора непосредственно у изолятора позволяет обеспечить первоначальное заполнение жидкостью нагревательной камеры и дальнейшую ее непрерывную устойчивую работу. В совокупности признаки изобретения позволяют: теплопередачу через стенку нагревательной камеры к проточной жидкости дополнить теплообменом при непосредственном пульсирующем смешении разнотемпературных жидкостей, что интенсифицирует теплообмен при сохранении интенсивной (принудительно) циркуляции жидкости в системе; упростить конструкцию и повысить компактность нагревателя благодаря исключению развитой теплообменной поверхности и специальных устройств (сильфона, клапанов) для создания гидравлического напора; повысить надежность нагревателя вследствие отсутствия подвижных элементов в конструкции и требующего герметичности барьера между теплообменивающимися жидкостями. Один из возможных вариантов конструкции электродного нагревателя по изобретению представлен на чертеже, где в продольном разрезе показаны основные элементы нагревателя и их взаимное расположение. Электродный нагреватель содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с патрубками 2 и 3 для подвода и отвода нагреваемой жидкости, например воды. Внутри полости 4 корпуса размещена нагревательная камера 5, образованная двумя коаксиальными цилиндрическими полыми электродами наружным электродом 6 и внутренним электродом 7. Наружный электрод выполнен в виде металлического стакана с неподвижным герметичным основанием 8, дистанционированного с противоположного конца от внутреннего металлического электрода непроточным для жидкости изолятором 9 в виде кольца с образованием межэлектродного зазора 10. Межэлектродный зазор со стороны основания сообщен с полостью корпуса через полость 11 внутреннего электрода, для чего последний выполнен открытым с обоих торцов. С противоположной стороны, непосредственно у изолятора, из межэлектродного зазора выведен, например, в полость внутреннего электрода канал 12, необходимый для отвода воздуха при заполнении нагревателя водой перед пуском и газов, выделяющихся из воды в зазоре при эксплуатации нагревателя. С электродами жестко соединены токоподводы 13 и 14, пропущенные через крышку 15 из электроизоляционного материала, закрывающую корпус нагревателя. Перед началом работы электродный нагреватель патрубками 2 и 3 присоединен к соответствующим ветвям той или иной системы теплоснабжения и заполнен очищенной водой. При этом воздух из межэлектродного зазора 10 по каналу 12 отведен в полость 11 внутреннего электрода 7. Электродный нагреватель работает следующим образом. При включении пропущенных через крышку 15 токоподводов 13 и 14 в электрическую сеть переменного тока в зазоре 10 между электродами 6 и 7 возникает тепловыделение в соответствии с широко известным соотношением:
Q величина тепловыделения, Вт; U подводимое напряжение, В; R электрическое сопротивление межэлектродного зазора, Ом. В результате вода в зазоре 10 нагревается. При этом часть подводимой теплоты из нее передается через стенки электродов 6 и 7, а остальная теплота идет на образование пара, под растущим давлением которого среда из зазора 10 у основания 8 выталкивает воду полости 4, унося ее вверх и далее по патрубку 3 в систему теплоснабжения. А обладая и более высоким температурным потенциалом, среда одновременно передает захваченной воде теплоту наиболее эффективным способом смешением. По мере нагрева воды в зазоре 10 средняя по объему плотность ее уменьшается, достигая минимума после выталкивания порции среды в полость 4. Это увеличивает электрическое сопротивление R зазора, что при постоянном напряжении тока приводит к уменьшению тепловыделения. При этом под влиянием окружающей электроды охлажденной воды оставшийся пар в зазоре 10 конденсируется, создавая разрежение, которое затягивает воду в зазор обратным течением через полость 11 внутреннего электрода. После этого вышеописанный процесс в нагревательной камере 5 повторяется. Так как при нагреве воды в зазоре 10 из нее выделяются растворенные газы, они поступают в верхний конец полости зазора, откуда по каналу 12 у изолятора 9 непрерывно отводятся в полость 11 внутреннего электрода и далее в полость 4. Поскольку объем выделяющихся газов невелик, проходное сечение канала 12 (диаметр канала не более 1 мм), будучи много меньше проходного сечения полости 11 внутреннего электрода, не оказывает существенного влияния на процесс роста давления в нагревательной камере 5 и реализацию пульсирующего движения воды. Предлагаемый нагреватель обеспечивает теплообмен непосредственным смешением двух разнотемпературных жидкостей при пульсирующем выталкивании нагретой жидкости из нагревательной камеры. В результате обеспечивается интенсификация теплообмена при сохранении принудительной циркуляции жидкости в системе теплоснабжения, а также упрощение конструкции и повышение надежности и компактности нагревателя. К настоящему времени работоспособность и эффективность предлагаемого нагревателя подтверждена на модели мощностью 1 КВт в вертикальном и горизонтальном положениях.Формула изобретения
Электродный нагреватель, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода нагреваемой жидкости и размещенную в его полости нагревательную камеру, образованную двумя коаксиальными полыми цилиндрическими электродами, из которых наружный электрод выполнен в виде снабженного герметичным основанием стакана, дистанционированного с противоположного конца от внутреннего электрода непроточным для жидкости изолятором с образованием межэлектродного зазора, отличающийся тем, что основание наружного электрода выполнено неподвижным, при этом межэлектродный зазор со стороны основания сообщен с полостью корпуса через полость внутреннего электрода, а с противоположной стороны непосредственно у изолятора из указанного зазора выведен канал для отвода газа.РИСУНКИ
Рисунок 1Электродный нагреватель
Изобретение предназначено для преобразования электрической энергии в тепловую и может быть использовано при разработке и изготовлении различных электронагревательных приборов. Нагреватель содержит три пары фазных и пассивных электродов 1,2 с патрубками 3, образующих кольцевые камеры 4 и закрепленных на крышке 5 с камерой 6 через изоляторы 7, корпус 8 с цилиндром 9, подводящим и отводящим патрубками 10,11. Кольцевые камеры 4 соединены через патрубки 3, втулки 12 и камеру 6, а с патрубком 11 — трубопроводом 13 через клапан 14. Такое выполнение позволяет повысить качество регулирования, расширить область рабочих параметров и улучшить условия эксплуатации. 1 ил.
Изобретение относится к технике прямого преобразования электрической энергии в тепловую, а именно к электродным нагревателям жидкости, и может быть использовано для разработки и изготовления различных электронагревательных приборов.
Известен электродный нагреватель жидкости, содержащий соосно установленные электроды, кольцевую камеру, заполненную гранулами теплостойкого электроизоляционного материала, снабженного подводящим и отводящим патрубками и сообщенного с компенсационной емкостью (см. Авторское свидетельство СССР N 937911, F 24 H 1/20, 1980 г.) Недостатком этого нагревателя является наличие достаточно большой поверхности теплообмена для передачи тепла жидкости. Наиболее близким является электродный нагреватель, содержащий соосно установленные электрически изолированные фазный и пассивный электроды, образующие кольцевую камеру, герметично закрытую сверху и сообщающуюся с нижней частью полости корпуса (см. заявку N 95114054/06 (023507), 1995 г. МПК 6 F 24 H 1/20, Решение о выдаче патента на изобретение от 10.01.99 г.) Недостатком данного нагревателя является отсутствие возможности внешнего управления тепловыми процессами, т.е. низкое качество регулирования теплового потока (мощности), развиваемая мощность его ограничена величиной поверхности и теплопередающей способностью пассивного электрода, неудобство в эксплуатации в связи с необходимостью при запуске водонагревателя в работу снятия верхней крышки и изолятора для спуска воздуха из кольцевой камеры. Кроме того, при применении нагревателя данной конструкции в трехфазном исполнении понижение уровня жидкости в кольцевых камерах, т.е. снижение мощности в каждой фазе, осуществляется асинхронно, вызывая перекос фаз в сети питания. Цель изобретения: повышение качества регулирования, расширение области рабочих параметров и улучшение условий эксплуатации. Данная цель достигается тем, что в трехфазном нагревателе с соосно установленными и электрически изолированными фазными и пассивными электродами, образующими кольцевые камеры, сообщающиеся с низшей частью полости корпуса, введены устройства, гидравлически соединяющие кольцевые камеры с отводящим патрубком в крышке, патрубки в верхней части пассивных электродов, изолирующие втулки, соединяющие кольцевые камеры через патрубки с камерой в крышке, и трубопровод, соединяющий камеру в крышке с отводящим патрубком через регулирующий клапан. Сущность изобретения поясняется на чертеже. Электродный нагреватель содержит три пары соосно установленных фазных и пассивных электродов 1, 2 с патрубками 3, образующих кольцевые камеры 4 и закрепленных на крышке 5 с камерой 6 через разборные изоляторы 7, корпус 8 нагревается с электроизолирующим цилиндром 9, подводящим и отводящим патрубками 10, 11 и компенсационную емкость 15. Кольцевые камеры 4 гидравлически соединены между собой через патрубки 3, электроизолирующие втулки 12 и камеру 6, а с отводящим патрубком 11 — трубопроводом 13 через регулирующий клапан 14. Электродный нагреватель работает следующим образом. Задатчиком регулирующего клапана 14 задается требуемая температура нагрева. При подаче через подводящий патрубок 10 холодной воды регулирующий клапан 14 открыт и воздух из всех полостей и камер нагревателя вытесняется водой через клапан 14, отводящий патрубок 11 и компенсационную емкость 15 в атмосферу. При подаче напряжения на фазные электроды 1 электрический ток, проходя через слой жидкости кольцевых камер 4 и между пассивными электродами 2, нагревает ее. Циркуляция жидкости идет по двум каналам: по первому — от подводящего патрубка 10 между пассивными электродами 2 к отводящему патрубку 11; по второму — от подводящего патрубка 10 через кольцевые камеры 4, камеру 6, трубопровод 13, регулирующий клапан 14 к отводящему патрубку 11. Мощность нагрева растет по мере роста температуры входящей жидкости до момента достижения заданной температуры. При нагреве жидкости до заданной температуры (или окружающей среды в системе отопления) регулирующий клапан 14 закрывается и циркуляция жидкости по второму каналу прекращается. Из-за отсутствия циркуляции и более высокой плотности тока в кольцевых камерах наступает тепловой разбаланс на поверхностях пассивных электродов, жидкость закипает и образовавшийся пар вытесняет ее в нижнюю полость корпуса 8 и далее по первому каналу в компенсационную емкость 15. В результате оголения электродов 1, 2 мощность нагревателя падает. При остывании жидкости пар в кольцевых камерах 4 конденсируется, уровень жидкости в них повышается, увеличивается мощность нагрева. При снижении температуры ниже заданной регулирующий клапан 14 открывается и циркуляция жидкости по второму каналу восстанавливается, обеспечивая наступление теплового разбаланса на поверхностях пассивных электродов при значительно увеличенной мощности нагревателя. Предлагаемое устройство позволяет: 1. повысить качество регулирования: а) регулировать мощность в зависимости от заданной температуры; б) обеспечивать синхронное изменение мощности без перекоса фаз сети за счет параллельного соединения кольцевых камер в канале; 2. увеличить номинальную мощность электродного нагревателя, не изменяя его габаритов, т.е. расширить область рабочих параметров; 3. в начальный период при заполнении нагревателя жидкостью вытеснять воздух из кольцевых камер 4 через открытый регулирующий клапан 14 и компенсационную емкость 15 в атмосферу, улучшая условия эксплуатации.Формула изобретения
Электродный нагреватель, содержащий корпус с крышкой и соосно установленные фазные и пассивные электроды, изолированные друг от друга и от корпуса с образованием между ними кольцевых камер, сообщающихся с нижней частью полости корпуса, снабженного подводящим и отводящим патрубками и компенсационной емкостью, отличающийся тем, что он содержит три пары электродов, последние закреплены на крышке с помощью разборных изоляторов, а кольцевые камеры в верхней части гидравлически соединены между собой и с отводящим патрубком через регулирующий клапан.РИСУНКИ
Рисунок 1Электродный нагреватель
Использование: в системах теплоснабжения. Сущность изобретения: в корпусе с патрубками подвода и отвода нагреваемой жидкости установлена нагревательная камера. Камера образована установленными по отношению друг к другу с кольцевым зазором двумя цилиндрическими электродами. Зазор герметизирован с обоих концов герметизирующими изоляторами. Полость внутреннего электрода выполнена проточной. В стенках электрода между изоляторами выполнены сквозные отверстия. 1 ил.
Изобретение относится к электрическим нагревателям жидкости и может быть использовано в системах теплоснабжения.
В настоящее время известны электродные нагреватели, у которых электроды размещены непосредственно в проточной нагреваемой жидкости. Например, известен электродный нагреватель, в вертикальный корпус которого установлены по концентрическим окружностям изогнутые по дуге электроды, выполненные в виде тора [1] Однако такой нагреватель создает недостаточно интенсивную циркуляцию жидкости в системе: только естественную циркуляцию, возникающую вследствие различия плотностей холодной и нагретой жидкости. Более интенсивную (принудительную) циркуляцию жидкости в системе теплоснабжения создает электродный нагреватель, содержащий проточный корпус с патрубками подвода и отвода нагреваемой жидкости, подпружиненные клапаны в патрубках и размещенную в корпусе нагревательную камеру. Последняя образована двумя установленными друг к другу с зазором коаксиальными полыми цилиндрическими электродами и изолятором, герметизирующим межэлектродный зазор с одного конца. При этом наружный электрод выполнен в виде стакана с подвижным (посредством сильфона) основанием и развитой (оребренной) наружной теплообменной поверхностью, а внутренний электрод в виде стакана, опрокинутого по отношению к наружному электроду. Нагревательная камера заполнена промежуточным электропроводным теплоносителем, изолированным от нагреваемой жидкости [2] При включении электродов в электрическую сеть промежуточный теплоноситель нагревается за счет тепловыделения при прохождении электрического тока через него в межэлектродном зазоре, а от промежуточного теплоносителя тепловой поток через оребренную стенку наружного электрода и сильфон с основанием передается жидкости, заполняющей корпус. Когда количество теплоты, подводимое к теплоносителю, превысит количество теплоты, отбираемое жидкостью в корпусе, температура теплоносителя повышается, при этом образуется пар и создается давление, которое растягивает сильфон, перемещая основание наружного электрода. В результате этого уровень теплоносителя в межэлектродном зазоре понижается, уменьшая площадь электрического взаимодействия электродов, а перемещение основания создает давление жидкости в корпусе. При определенной величине давления жидкости в корпусе сжимается пружина клапана на патрубке отвода жидкости и порция нагретой жидкости выталкивается в систему теплоснабжения. Оставшаяся в корпусе жидкость приводит к конденсации пара теплоносителя в нагревательной камере, давление которого снижается. Сильфон сжимается, создавая в корпусе разрежение, под действием которого открывается клапан на подводящем патрубке и в корпус поступает охлажденная в системе жидкость, которая ускоряет конденсацию теплоносителя. В результате сильфон сжимается до исходного состояния, погружая электроды в теплоноситель. Далее цикл повторяется. Однако описанная схема теплопередачи к нагреваемой жидкости, заполняющей корпус, недостаточно эффективна из-за наличия стенки на пути теплового потока от одной жидкости к другой. Кроме того, организация развитой теплообменной поверхности наружного электрода и необходимость обеспечения подвижности его основания усложняют конструкцию и не способствуют компактности нагревателя. Задача изобретения интенсификация теплообмена с нагреваемой проточной жидкостью в корпусе и в системе теплоснабжения при одновременном упрощении, повышении надежности и компактности конструкции. Это достигается тем, что в электродном нагревателе, содержащем корпус с патрубками подвода и отвода нагреваемой жидкости и размещенную в нем нагревательную камеру, образованную двумя установленными друг к другу с зазором коаксиальными полыми цилиндрическими электродами и герметизирующим зазор изолятором, герметизирующий изолятор установлен в обоих концах зазора, а полость внутреннего электрода выполнена проточной и в его стенке на длине между изоляторами выполнены сквозные отверстия. Установка герметизирующих изоляторов в обоих концах зазора в сочетании с проточной полостью внутреннего электрода и ограниченным (через отверстия) проходом из нее жидкости в межэлектродный зазор создает условия для пульсирующего выталкивания нагретой в зазоре среды в проточную жидкость и для наиболее эффективного теплообмена непосредственным смешением двух потоков жидкости. Изобретение позволяет дополнить теплопередачу через стенки электродов к жидкости в корпусе теплообменом при непосредственном смешении разнотемпературных потоков жидкости, что интенсифицирует теплообмен при сохранении (за счет пульсирующего движения) принудительной циркуляции жидкости в системе теплоснабжения; упростить конструкцию и повысить надежность нагревателя благодаря исключению развитой теплообменной поверхности и специальных элементов конструкции (сильфона, клапанов) для создания гидравлического напора; повысить надежность нагревателя исключением подвижных элементов конструкции и герметичного барьера между теплообменивающимися жидкостями. На чертеже показан электродный нагреватель, продольный разрез. Электродный нагреватель содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с патрубками 2 и 3 для подвода и отвода нагреваемой электропроводной жидкости, например очищенной воды. Внутри его полости 4 размещена нагревательная камера 5, образованная двумя коаксиальными полыми цилиндрическими электродами наружным электродом 6 и внутренним электродом 7, установленными друг к другу с зазором 8, и герметизирующими зазор с обоих концов изоляторами 9 и 10, выполненными в виде плотно прилегающего к электродам кольца. Полость 11 внутреннего электрода выполнена проточной, сообщаясь торцами с полостью корпуса, а в стенке внутреннего электрода на длине между изоляторами выполнены сквозные отверстия 12. Отверстия 12 располагаются тем или иным образом, например в два поперечных ряда с выходом из каждого ряда в соответствующий концевой участок межэлектродного зазора. С электродами жестко соединены токоподводы 13 и 14, пропущенные через крышку 15 из электроизоляционного материала, закрывающую корпус нагревателя. Перед началом работы электродный нагреватель патрубками 2 и 3 присоединен к соответствующим ветвям той или иной системы теплоснабжения и заполнен водой. Электродный нагреватель работает следующим образом. Пpи включении пропущенных через крышку 15 токоподводов 13 и 14 в электрическую сеть переменного тока в зазоре 8 между электродами 6 и 7 создается электрическое поле, вызывающее в нем тепловыделение в соответствии с известным соотношением Q U2/R, где Q величина тепловыделения, Вт; U подводимое напряжение, В; R электрическое сопротивление межэлектродного зазора, Ом. В результате вода в зазоре 8 нагревается. Часть теплоты из нее передается через стенки электродов 6 и 7, а остальная теплота идет на образование в зазоре 8 пара, давлением которого среда через отверстия 12 между электродами 9 и 10 выталкивается в полость11 внутреннего электрода. Обладая высоким скоростным напором, выталкиваемая среда захватывает воду полости 11, унося ее вверх и далее по патрубку 3 в систему теплоснабжения. Обладая и более высоким температурным потенциалом, выталкиваемая среда одновременно передает окружающей воде теплоту наиболее эффективным способом смешением. По мере нагрева воды в зазоре 8 средняя по объему плотность ее уменьшается, достигая минимума после выталкивания порции среды в полость 11. Это увеличивает электрическое сопротивление зазора 8, что при постоянном напряжении тока приводит к уменьшению тепловыделения. При этом под влиянием окружающей электроды охлажденной воды, поступающей через патрубок 2, оставшийся пар в зазоре 8 конденсируется, создавая разрежение, которое через отверстия 12 затягивает воду в зазор из полости 11 внутреннего электрода. После этого вышеописанный процесс в нагревательной камере 5 повторяется. Предлагаемый электродный нагреватель дополнительно к теплообмену с проточной водой через поверхности электродов обеспечивает теплообмен при непосредственном смешении двух разнотемпературных жидкостей и при пульсирующем выталкивании нагретой жидкости из нагревательной камеры. В результате обеспечиваются интенсификация теплообмена при принудительной циркуляции жидкости в системе теплоснабжения, а также упрощение конструкции, повышение надежности и компактности нагревателя. Работоспособность предлагаемого нагревателя подтверждена на модели мощностью 1 кВт, в том числе в составе системы обогрева жилого помещения.Формула изобретения
ЭЛЕКТРОДНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода нагреваемой жидкости и размещенную в нем нагревательную камеру, образованную двумя установленными друг по отношению к другу с зазором коаксиальными полыми цилиндрическими электродами и герметизирующим зазор изолятором, отличающийся тем, что герметизирующий изолятор установлен в обоих концах зазора, а полость внутреннего электрода выполнена проточной, в его стенке на участке между изоляторами выполнены сквозные отверстия.РИСУНКИ
Рисунок 1Электродный водонагреватель
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в системах отопления и получения горячей воды. Электродный водонагреватель содержит корпус с подводящим и отводящим патрубками, систему электродов, выполненных в виде коаксиальных цилиндров, внутренний из которых разделен по образующей на части по числу фаз, и вал, установленный в полости внутреннего цилиндра, а также заслонки из диэлектрика, одним концом прикрепленные к валу и при повороте последнего перекрывающие пространство между внешним и частями внутреннего цилиндров, а подводящий и отводящий патрубки выполнены из изоляционного материала и имеют заданную длину. Такое выполнение водонагревателя позволяет получить широкий диапазон регулирования мощности нагрева и значительно повысить безопасность его использования. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в системах отопления и получения горячей воды.
Известен электронагреватель жидкости электродного типа, содержащий электропроводный заземленный корпус с нижним и верхним соответственно подводящим и отводящим патрубками, в полости которого расположены электрод и вокруг него электропроводящая обечайка с образованием центральной камеры, подключенной к отводящей трубке, перегородку, установленную горизонтально между корпусом и обечайкой, выполненной с отверстиями с образованием герметичной периферийной камеры, при этом подводящий патрубок выполнен индивидуальным для каждой камеры ( см. патент России 1838729, по кл. F 24 H 1/20, заявл. 12.07.90 ). Регулирование мощности при нагреве воды указанным электронагревателем возможно только путем его включения и выключения, что усложняет конструкцию. Наличие электропроводного корпуса снижает безопасность пользования электронагревателем. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту (прототипом) является электродный водонагреватель, содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками, систему электродов, выполненных в виде коаксиальных цилиндров, внутренний из которых разделен по образующей на части по числу фаз, и вал, установленный в полости внутреннего цилиндра, причем часть цилиндров выполнена поворотными. Регулирование мощности нагрева воды осуществляется поворотом цилиндров ( см. заявку на изобретение России 93010909/06, по кл. F 24 Н 1/20, заявл. 01.03.93 ). Известный электродный водонагреватель не позволяет обеспечить регулирование мощности в широком диапазоне, а именно, от значений тока, близких к нулю. Ток утечки по теплоносителю будет как между максимально удаленными электродами, так и между электродами и токопроводящими подводящим и отводящим трубопроводами нагревательной системы. Это снижает и безопасность эксплуатации водонагревателя. Заявляемым изобретением решается задача создания такого электродного водонагревателя, который позволил бы обеспечить регулирование мощности в широком диапазоне и повысил бы его безопасность в процессе эксплуатации. Поставленная задача решается тем, что в известном электродном водонагревателе, содержащем корпус с подводящим и отводящим патрубками, систему электродов, выполненных в виде коаксиальных цилиндров, внутренний из которых разделен по образующей на части по числу фаз, и вал, установленный в полости внутреннего цилиндра, согласно изобретению электродный водонагреватель дополнительно содержит по числу фаз заслонки из диэлектрика, одним концом прикрепленные к валу и при повороте последнего перекрывающие пространство между внешним цилиндром и частями внутреннего цилиндра, а подводящий и отводящий патрубки выполнены из изоляционного материала. Подводящий и отводящий патрубки имеют длину, определяемую по формуле L = US/Ir, где L — длина патрубка, м; U — напряжение питания, В; S — площадь сечения патрубка, м2; I — допустимый ток утечки, А; r — удельное сопротивление теплоносителя, Ом м. Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с известными показал, что предложенная совокупность признаков является новой, имеет изобретательский уровень и промышленно применима. На фиг. 1 изображен общий вид электродного водонагревателя; На фиг. 2 — то же, разрез по А — А. Электродный водонагреватель содержит корпус 1 с подводящим 2 и отводящим 3 патрубками из изоляционного материала. В корпусе 1 размещены электроды, выполненные в виде коаксиальных внешнего 4 и внутреннего 5 цилиндров. Внутренний 5 цилиндр разделен по образующей на части по числу фаз ( на чертеже внутренний 5 цилиндр разделен на три части ). В полости внутреннего 5 цилиндра установлен вал 6, а электродный водонагреватель дополнительно содержит по числу фаз заслонки 7 из диэлектрика ( на чертеже их три ), одним концом прикрепленные к валу 6 и при повороте последнего перекрывающие пространство между внешним 4 и частями внутреннего 5 цилиндра. Для поворота вала 6 на его конце, с внешней стороны, корпуса 1 закреплена ручка 8. Длина подводящего 2 и отводящего 3 патрубков определяется по формуле L= US/Ir где L — длина патрубка, м;U — напряжение питания, В;
I — допустимый ток утечки, А;
S — площадь сечения патрубка, м2;
r — удельное сопротивление теплоносителя, Ом м. Работает электродный водонагреватель следующим образом. Теплоноситель, в частности вода, через подводящий 2 патрубок поступает внутрь корпуса 1 и заполняет пространство между внешним 4 и частями внутреннего 5 цилиндров. Вода нагревается проходящим через него током в зазоре между внешним 4 и частями внутреннего 5 цилиндров и уходит через отводящий 3 патрубок в систему водо- или теплоснабжения ( на чертеже не показано ). Регулирование мощности нагрева осуществляют изменением положения заслонок 7 в пространстве между внешним 4 и частями внутреннего 5 цилиндров путем поворота вала 6 ручкой 8. Максимальная мощность нагрева обеспечивается при выведенных из пространства между внешним 4 и частями внутреннего 5 цилиндров заслонках 7. При полностью введенных заслонках 7 ток между электродами практически отсутствует. Кроме того, выполнение подводящего 2 и отводящего 3 патрубков из изоляционного материала исключает утечку тока между электродами и этими патрубками при любом положении заслонок 7, так как длина патрубков 1 и 2 обеспечивает необходимое сопротивление по воде. Таким образом, заслонки из диэлектрика, вводимые в пространство между электродами, и патрубки из изоляционного материала позволяют получить широкий диапазон регулирования мощности нагрева, а именно от нуля до максимума. Кроме того, подключение электродного водонагревателя в систему водоснабжения или отопления через патрубки из изоляционного материала, длина которых обеспечивает необходимое сопротивление по воде, значительно повышает безопасность его использования.
Формула изобретения
L = US/Ir,
где L — длина патрубка, м;
U — напряжение питания, В;
I — допустимый ток утечки, А;
S — площадь сечения патрубка, м2;
r — удельное сопротивление теплоносителя, Омм.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2