ПРОТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ Российский патент 1998 года по МПК H05B1/02 F24D13/04 H01J45/00 

Изобретение относится к электротермии, а более конкретно к электрическим нагревательным аппаратам для нагрева потока жидкости, и в частности к проточным водонагревательным аппаратам.

Проточные водонагревательные широко используются в быту, сельском хозяйстве, в промышленности везде, где экономически невыгодно прокладывать теплотрассы.

В проточных электронагревателях в качестве нагревательных элементов применяются трубчатые нагревательные элементы (ТЭНы), а также нагреваемые током спирали, непосредственно омываемые нагреваемой жидкостью, в частности водой, устройства индукционного нагрева воды, электродные нагреватели.

Упомянутые устройства обладают недостатками, связанными с большими габаритами и сравнительно быстрым выходом из строя нагревательных элементов, сложностью управления мощностью нагрева.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения по совокупности существенных признаков является проточный электрический водонагреватель [1] включающий нагревательные элементы (трубчатые ТЭНы), датчики потока и температуры нагреваемой жидкости (воды) и систему управления выходной мощностью. Включение ТЭНов может осуществляться ступенчато, например при потоке 3-3,5 л/мин включается только часть мощности 9 кВт; при достижении расхода 5-5,5 л/мин включается 10 кВт. При увеличении температуры нагреваемой жидкости выше заданного уровня термоограничитель отключают ТЭНы. Основные недостатки рассматриваемого проточного электрического водонагревателя: большие габариты блока ТЭНов, недостаточно надежная работа ТЭНов, перегорающих при появлении на их стенках накипи, невозможность плавной регулировки мощности, помехи в сети при коммутации большой мощности при включении и выключении ТЭНов.

Задачей изобретения является создание проточного электронагревателя, лишенного недостатков прототипа, обеспечивающего нагрев проточной жидкости путем преобразования кинетической энергии потока свободных электронов в вакууме в тепловую энергию.

Решение поставленной задачи достигнуто в конструкции проточного электронагревателя, включающего один или несколько нагревательных элементов, систему управления мощностью нагревательных элементов, термодатчики и датчики потока жидкости, в котором каждый нагревательный элемент выполнен в виде вакуумного диода с разогреваемым подогревателем термокатодом, анод которого обтекается нагреваемой жидкостью, например водой, а термодатчики и датчик потока воды включены в цепь управления подогревателем катода, при этом управление мощностью осуществляется регулировкой тока свободных электронов, испускаемых катодом, путем программируемого изменения температуры катода в диапазоне 700-1100^oC.

Максимальная удельная мощность электронной бомбардировки поверхности анода не превышает 250 Вт/см², катод работает в режиме температурного ограничения тока эмиссии.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема электронагревательного аппарата; на фиг. 2 принципиальная схема конструкции электронагревательного элемента; на фиг. 3 принципиальная электрическая схема подключения нагревательных элементов.

В состав аппарата (фиг. 1) входит нагревательный элемент, представляющий собой вакуумный диод с обтекаемым нагреваемой проточной водой анодом 1 и разогреваемым подогревателем термоэлектронным катодом 3. Управление мощностью накала катода диода осуществляется с помощью блока 4. Мощность накала устанавливается такой, чтобы токоотбор с катода был достаточен для нагрева воды от начальной температуры Т₁ до задаваемой температуры Т₂. Конкретная величина мощности накала термокатода программируется с учетом величины потока воды, регистрируемого датчиком 5 потока. Типичные значения мощности накала составляют около 1-2% выходной мощности нагревателя. Изменению мощности накала термокатода в диапазоне ≈ 1% мощности нагревателя соответствует изменение выходной мощности нагревателя в 10-20 раз. Питание диода осуществляется от источника питания 6. В состав аппарата входят электропроводящие или диэлектрические трубопроводы 7. Выбор типа трубопровода зависит от электрической схемы питания диода. Температура выходящей воды измеряется термодатчиком 8. Цепь подогревателя термокатода включается через блок 4. Величина мощности накала определяется также в зависимости от температуры жидкости. Последняя измеряется термодатчиком 8, выход которого подключен к блоку 4.

Нагревательный элемент (фиг. 2) представляет собой вакуумный диод с термоэлектронным катодом 3 и охлаждаемым потоком жидкости анодом 1. Катод 3 жестко закреплен на вакуумно-плотном изоляторе 9, через который проходят токовые вводы 10 катода и выводы 11 подогревателя 2. Изображенный на фиг. 2 катод имеет цилиндрическую форму эмитирующей поверхности, однако возможны и любые другие формы. Анод 1 на фиг. 2 расположен коаксиально с катодом 3. Расстояние между эмитирующей поверхностью катода и анодом выбирается из условия, чтобы при рабочем анодном напряжении катод работал в режиме температурного ограничения тока эмиссии. Если плотность токоотбора составляет j А/см², то зазор d между катодом и анодом следует определять из выражения d < d₀, где d₀ вычисляется по формуле:
j 2,35•10^-6(V3/2м

Конструкция охлаждающей системы анода должна обеспечивать при водяном потоке, определяемом выходной мощностью диода и приращением температуры воды, турбулентный поток. В этом случае допустим теплосъем с участков анода, контактирующих с водой, повышенной мощности, что позволяет создать компактный нагревательный элемент. Для примера, если в случае аппаратов мощностью 15-18 кВ при использовании ТЭНов отношение вес/выходная мощность составляет около 0,3 кг/кВт, то в рассматриваемом случае это соотношение в 3-4 раза лучше.

Подключение электронного нагревателя к сети возможно различными способами, изображенными на фиг. 3. На фиг. 3, а изображен вариант однофазного подключения нагревателя. В этом случае он работает в режиме однополупериодного выпрямления. Подогреватель изолирован от катода и запитывается от того же источника по любой из известных схем, допускающей регулировку напряжения накала. На фиг. 3, б показана схема подключения электронного нагревателя с использованием двухполупериодного выпрямителя. На фиг. 3, г, 3, д представлены схемы однополупериодного и двухполупериодного трехфазного подключения. Однополупериодное выпрямление вносит некоторые искажения в электрические цепи, но обеспечивает повышенную электрическую безопасность, так как в этом случае обтекаемый водой анод электронного нагревателя находится под потенциалом земли, что в свою очередь позволяет использовать аппарат для нагрева горючих жидкостей. В устройстве целесообразно использовать низкотемпературные оксидные или металлопористые катоды. При использовании других типов резко возрастает трудность реализации надежного катодного узла, а также растет мощность нагрева катода. Катод устройства нагревают до рабочей температуры, когда появляется заметная эмиссия, что соответствует 700 1100^oC. Вакуумный зазор между катодом и анодом и высокая температура катода исключают влияние накипи на тепловой режим нагревателя, появлению которой, кроме того, препятствует турбулентный поток жидкости, протекающей по аноду. Резкая зависимость тока эмиссии от температуры катода позволяет плавно управлять большой мощностью нагрева, изменяя мощность накала в небольших пределах.

Изготовлены образцы электронных водонагревателей, имеющих максимальную выходную мощность 5 и 20 кВт. Питание 5 кВт нагревателя осуществлялось по схеме фиг. 3, а, а 20 кВт по схеме фиг. 3, г. Установлено, что при выходной мощности нагревателя 20 кВт мощность накала составляет 240 Вт, причем изменение мощности накала от 240 Вт до 140 Вт приводит к уменьшению выходной мощности с 20 кВт до 2,0 кВт, т.е. в 10 раз. Для 5 кВт нагревателя мощность накала составляла 150 Вт и изменение накала на 70 Вт приводило к изменению мощности от 5 кВт до 150 Вт. При температуре воды на выходе аппарата 60^oC поток воды составил 1,5 л/мин для 5 кВт аппарата и 6 л/мин для 20 кВт аппарата.

В испытанном образце был использован металлопористый катод, работавший с токовой нагрузкой менее 1 А/см² при температуре около 950^oC. В таком режиме ресурс нагревательного элемента, определяемый ресурсом катода, превышает 100000 ч [2]
Для использования в практических целях выходная температура воды должна достигать 50-70^oC. Устранение кипения воды в аноде при такой температуре накладывает ограничения на допустимую удельную мощность бомбардировки поверхности анода. Экспериментально установлено, что максимальная удельная мощность электронной бомбардировки P не должна превышать 250 Вт/см².

Сущность изобретения: проточный электронагреватель содержит один или несколько нагревательных элементов, блок управления мощностью нагревательного элемента, датчики расхода воды и температуры. Каждый нагревательный элемент выполнен в виде вакуумного диода с подогреваемым термокатодом, анод которого обтекается нагреваемой жидкостью, катод работает в режиме температурного ограничения тока эмиссии, а термодатчики и датчик расхода воды включены в цепь управления накалом подогревателя катода. 3 ил.

Проточный электронагревательный аппарат для нагрева потока жидкости, например воды, содержащий один или несколько нагревательных элементов, блок управления мощностью нагревательных элементов, входы которого соединены с выходами датчиков потока нагревательной жидкости и температуры, отличающийся тем, что нагревательные элементы выполнены в виде вакуумного диода с подогреваемым термокатодом, анод которого предназначен для обтекания потоком нагреваемой жидкости, а блок управления мощностью нагревательных элементов включен в цепь подогревателя термокатода.