ПРЯМОТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК H05B3/60 F24H1/20 F24D13/04 

Изобретение относится к технике прямого преобразования электрической энергии в тепловую, а именно к электродным нагревателям жидкости, и может быть использовано для изготовления различного рода электронагревательных приборов и аппаратов, например для отопительной системы помещения, нагрева воды, для межсменного подогрева охлаждающей жидкости в двигателях внутреннего сгорания.

Уровень техники электронагревателей жидкости известен из патентной литературы, часть которых представляет собой металлическую конструкцию "труба в трубе" с электроспиралью между ними для нагрева проточной воды (а.с. N 1110998, F 24 H 1/20, опубл. 30.06.84 в Бюл. N 32; N 655983, F 22 B 1/28, опубл. 30.04.79 в Бюл. N 16 и N 465521, 1972 или для конвективной циркуляции нагреваемой жидкости (патент Великобритании N 1282252 H 05 B 3/78, опубл. в 1972 г. а.с. N 461482, F 24 H 1/20, опубл. 25.07.77 в Бюл. N 27.

Недостатком указанных устройств является отсутствие автоматического регулирование энергопотребления в зависимости от расхода нагреваемой жидкости.

Более совершенными являются электродные нагреватели проточной жидкости с автоматической регулировкой температуры нагрева посредством изменяющегося уровня погружения электродов в расходуемую жидкость, содержащие два вертикальных скрепленных верхними концами через изолирующую втулку коаксиальных трубчатых электрода, в которых для снижения удельного сопротивления нагреваемой жидкости и регулирования мощности во внутреннем электроде выполнено отверстие, в котором размещен смонтированный на внешнем электроде регулирующий сечение отверстия винт, (а.с. N 569815, F 24 H 1/20, опубл. 25.08.77 в Бюл N 31) или межэлектродное пространство заполнено гранулами теплостойкого, недеформируемого, химически инертного электроизоляционного материала (а.с. N 937911, F 24 H 1/20, опубл. 23.06.82 в Бюл. N 23).

Недостатком известных нагревателей является низкая надежность и неэкономичность, обусловленные повышенным расходом электроэнергии из-за инерционности дискретного (порционного) регулирования мощности изменяющимся объемом парообразования, вытесняющим нагретую жидкость из межэлектродного пространства.

Указанные недостатки устранены в устройстве, выбранном заторами в качестве прототипа, которое описано в изобретении по а.с. N 826154, F 24 H 1/20, опубл. 30.04.81 в Бюл. N 16, и содержит перфорированный центральный и периферийный трубчатые электроды, между концами которых установлена изолирующая втулка. Загнутое межэлектродное пространство, где происходит нагрев проточной жидкости, сообщается через перфорации с патрубком подачи холодной жидкости и с полостью центрального электрода для выдачи горячей жидкости. Мощность электронагревателя зависит от сечения отверстия перфораций, температуры поступающей жидкости и ее резистивного сопротивления, которая однозначно аналитически определяется.

Однако недостатком известного устройства является ненадлежащая электробезопасность, так как нагреватель электрически не изолирован в целом, что ограничивает использование в замкнутой отопительной системе жилых и производственных помещений. Во-вторых, известный нагреватель характеризует функциональная ненадежность и относительно большое потребление нагревателем электроэнергии из-за того, что в нем не оптимизировано соотношение геометрических параметров несущей конструкции, а именно диаметров электродных цилиндров, влияющих на мощность устройства. Это вызывает повышенное тепловыделение в приэлектродной зоне фазного электрода, превышающее унос тепла нагретым объемом потока, следовательно, возрастание температуры жидкости и плотности тока на поверхности фазного электрода. В итоге нарушается гидродинамический режим массо- и теплопереноса из-за парообразования и периодического оголения электродов, снижающего срок службы от неравномерного износа электродов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение технологических возможностей, повышение функциональной надежности и экономичности устройства электронагрева жидкости.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном прямоточном электронагревателе жидкости, содержащем коаксиально установленные перфорированный центральный и периферийный трубчатые электроды, скрепленные изолирующей втулкой, согласно изобретению, перфорированный, преимущественно фазный, электрод помещен внутри изолирующей втулки, выполненной в виде кожуха, а межэлектродное пространство выполнено величиной в диапазоне соотношений внутреннего диаметра периферийного электрода к наружному диаметру центрального электрода, равном 1,15.1,30.

Отличительные признаки позволяют встроить устройство в отопительную замкнутую систему бытового теплоснабжения, обеспечив при этом безопасность и надежность функционирования.

Выбор диапазона соотношения диаметров электродных цилиндров, образующих межэлектродное пространство, гарантированно обеспечивает без регулирования оптимальный режим теплообмена, при котором температура электропроводной жидкости внутри нагревателя примерно постоянна на заданном уровне.

При соотношении диаметров меньше 1,15 повышается температура, что вызывает возрастание мощности устройства из-за снижения удельного сопротивления жидкости, а в итоге повышение давления от парообразования в межэлектродном пространстве при оголении поверхности электродов, гидроудары в пульсирующем потоке жидкости и т.п. аномалии.

При соотношении диаметров больше 1,30 падает мощность из-за возрастания резистивного сопротивления жидкости до уровня, при котором не нагревается теплоноситель до заданной температуры при неизменном массопереносе, то есть автоматически, без регулирования не обеспечивается тепловой баланс систем.

Каждый существенный признак изобретения сам по себе известен и не отличается новизной, но их совокупность и взаимосвязь носят устойчивый характер и создают новизну качества, не присущую частям в их разобщенности.

Изобретение поясняется фигурами, которые имеют лишь иллюстративные цели и не ограничивают объема прав совокупности признаков формулы, где изображены: на фиг. 1 нагреватель в разрезе; на фиг. 2 схема подключения.

Пример выполнения изобретения.

Нагреватель диаметром 48 мм, шириной 310 мм и массой 1,3 кг потребляет мощность до 4,5 кВт и выполнен по схеме "труба в трубе". На центральном патрубке 1 диаметром 26 мм, связанном с нулевым потенциалом источника питания (≈220 В, 50 Гц) и снабженном резьбой на концах для подсоединения посредством фитингов к трубопроводам замкнутой системы отопления. В патрубке 1 выполнено две пары диаметром 14 мм, нижних 2 входных и верхних 3 выходных, соответственно, в межэлектродное пространство 4, которое образовано диаметром 32 мм трубчатого фазного электрода 5 (с соотношением диаметров 1,23). Между электродами 1 и 5 установлены диэлектрические втулки 6, которые являются принадлежностью изолирующего кожуха 7, неразборно закрывающего конструкцию нагревателя. Серийно пластмассовые (полипропилен, полистирол) кожух 7 и втулка 6 выполняются литьем.

Силовое замыкание сборных элементов конструкции нагревателя осуществляется резьбовыми гайками 8 и 9. В кожухе 7 выполнен паз 10 под клеммы 11 и 12 электродов 1 и 5 и клемму 13 заземления нагревателя. Клеммы 11-13 закрыты диэлектрическим колпаком 14 с отверстием 15 под запитывающие провода сечением не менее 2,5.4,0 мм². Источник питания (фиг. 2) связан с нагревателем через магнитный пускатель 16, управляемый датчиком 17 температуры марки ТАЛ 101.

Работает нагреватель следующим образом. Рабочая среда вода с предельным сопротивлением 2000. 4000 Ом (дождевая, конденсат, дистиллированная с добавлением дождевой), тосол А 15-20 замкнутой отопительной системы через отверстия 2 патрубка 1 заполняет кольцевое межэлектродное пространство 4. При разности потенциалов на электродах 1 и 5 через электропроводящую жидкость протекает электрический ток, который ее нагревает в приэлектродной зоне фазового электрода 5, диаметр которого выбран из условия минимальной напряженности электрического тока на его поверхности. Нагретая вода поднимается вверх и через отверстия 3 поступает на выход патрубка 1, где перемешивается с водой, нагретой конвективным теплом. Заданный уровень температуры регулируется коммутацией магнитного пускателя 16 от управляющего сигнала датчика 17. Кожух 7 термостатирует нагреватель.

Описанный нагреватель предназначен для отапливания помещения объемом до 250 м³.

Температура регулируется в диапазоне от 20 до 85^oC.

Использование: для изготовления различного рода электронагревателей воды, приборов и аппаратов отопительной системы помещений и т.п. Сущность изобретения: расширение технологических возможностей, повышение надежности и экономичности обеспечивается тем, что конструктивно электронагреватель выполнен в виде коаксиально установленных и разделенных диэлектрической втулкой 6 двух электродных цилиндров 1 и 5, центральный из которых 1 выполнен с перфорациями, а периферийный фазный электрод помещен внутри кожуха 7 из изоляционного материала. Соотношение диаметров трубчатых электродов 1 и 5 оптимизировано в диапазоне 1,15-1,30, который создает межэлектродное пространство 4, обеспечивающее нагрев проточной жидкости до заданного уровня температуры без парообразования, гидроударов и пульсаций потока. Электронагреватель при работе в замкнутой отопительной системе создает циркуляцию за счет теплообмена нагреваемой жидкости с резистивным сопротивлением 2000-4000 Ом и при потреблении мощности до 4,5 кВт, обогревает объем до 250 м³. В качестве нагревателя воды на выходе обеспечивает температуру в диапазоне 20-85^oC. 2 ил.

Прямоточный электронагреватель жидкости, содержащий коаксиально установленные перфорированный центральный и периферийный трубчатые электроды, скрепленные изолирующей втулкой, отличающийся тем, что периферийный, преимущественно фазный, электрод помещен внутри изолирующей втулки, выполненной в виде кожуха, а межэлектродное пространство выполнено величиной в диапазоне соотношений внутреннего диаметра периферийного электрода к наружному диаметру центрального электрода, равном 1,15 1,30.