ЭЛЕКТРОДНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F24H1/20 

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.

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.

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.