СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОДНОГО НАГРЕВАТЕЛЯ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК H05B3/60 F22B35/12 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно - к электродным котлам для нагрева электропроводящих жидкостей, в том числе воды.

Известны электродные котлы, в которых саморегулирование электрической мощности осуществляется за счет измерения паросодержания жидкости. При увеличении паросодержания в межэлеткродном объеме электрическое сопротивление жидкости возрастает и тепловыделение уменьшается. В этих котлах отрицательная обратная связь между мощностью и энтальпией (теплосодержанием) жидкости на входе в котел реализуется только в области малых недогревов жидкости до кипения, т.е. таких недогревов, при которых в межэлектронном объеме появляется область развитого кипения. При больших недогревах до кипения, или при температурах жидкости на выходе из котла меньших температуры кипения, наблюдается положительная обратная связь между мощностью и энтальпией жидкости на входе из-за того, что при повышении энтальпии (температуры) электрическое сопротивление жидкости уменьшается.

Для воды повышение температуры от 0 до 100^oC приводит к уменьшению ее сопротивления в 3^oC5 раз, что приводит к такому же увеличению мощности тепловыделения при постоянном напряжении на электродах. В системах отопления с естественной (безнасосной) циркуляцией теплоносителя наличие источника тепла с положительной обратной связью мощности от температуры является условием достаточным для возникновения неустойчивости расхода в системе отопления и, соответственно, глубоких колебаний мощности котла из-за его периодического заваривания. Частота колебаний мощности и расхода определяется характеристиками контура системы отопления. Мощность электрокотла при этом может колебаться от номинальной до практически нулевой. Поэтому при использовании, например, такого электрокотла в системе отопления помещений приходится принимать специальные меры, направленные на предотвращение "разгона" котла при повышении температуры в системе отопления. Для этого используют: электрические системы регулирования напряжения на электродах; системы контроля температуры в совокупности с системами отключения питания по заданной температурной уставке; системы изменения геометрии межэлектродного объема, позволяющие компенсировать изменение электропроводности воды, связанное с изменением ее температуры. Аналогичные меры предусматриваются и для компенсации различий в электропроводности воды из разных источников.

Известен электродный котел для нагрева воды, принятый в качестве прототипа (см. патент США N 3796857, МКИ- H 05 B 3/60), в котором реализован способ поддержания мощности изменением геометрии межэлектродного объема. Один из конусных электродов котла выполнен подвижным и соединен с сердечником соленоида, через который пропускается электрический ток, текущий через зазор с водой между электродами. Соленоид выполнен так, что при увеличении тока (мощности котла) подвижный электрод выдвигается из неподвижного, межэлектродный зазор увеличивается, соответственно увеличивается электрическое сопротивление зазора и ток (мощность) стремится остаться постоянным. Такая система управления играет роль стабилизатора мощности при изменяющейся электропроводности воды, в частности уменьшает коэффициент положительной обратной связи между мощностью и энтальпией (электропроводностью) воды на выходе.

К недостаткам ее относятся:
усложнение конструкции за счет добавления дросселя и подвижных элементов конструкции;
отсутствие отрицательной обратной связи между мощностью и энтальпией.

Последнее важно для системы отопления или системы поддержания заданной температуры в помещении. В такой системе мощность обогрева желательно уменьшать по мере увеличения средней температуры воды в системе отопления или на входе в котел.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение эффективности работы электродных нагревателей за счет изменения характера зависимости мощности от электропроводности нагреваемой жидкости. Так, в системах отопления повышение эффективности достигается обеспечением саморегулирования мощности, повышением надежности и устойчивости работы систем отопления.

Согласно изобретению поставленная задача решается за счет того, что в межэлектродном объеме нагревателя реализуют режим теплогидродинамической автоколебательной неустойчивости, обеспечивающий появление отрицательной составляющей обратной связи между средней мощности нагревателя и электропроводностью жидкости на входе в межэлектродный объем.

Режим автоколебаний при известном напряжении на электродах и известной электропроводимости воды реализуют выбором геометрии межэлектродного объема и каналов, соединяющих межэлектродный объем с котловой водой. В простейшем случае режим теплогидродинамической автоколебательной неустойчивости обеспечивается, если межэлектродный объем соединен с котловой водой одним каналом относительно малого проходного сечения. То-есть такого сечения, при котором невозможно постоянное расслоение течения в канале на встречные потоки. В этом случае может реализоваться только периодическое поступление жидкости в межэлектродный объем и периодическое удаление ее из объема за счет парообразования, что вызывается соответствующим изменением мощности тепловыделения и давления в межэлектродном объеме. При наличии нескольких каналов выбор их геометрии определяется с учетом массовых сил и движущего напора сил естественной циркуляции в контуре, включающем каналы, межэлектродный и котловой объемы. Здесь для достижения режима автоколебаний каналы, расположенные в поле сил тяжести выше, должны, как правило, иметь проходное сечение меньше, чем расположенное ниже, и существенно меньше, чем проходное сечение межэлектродного объема. В этом случае режим теплогидродинамической автоколебательной неустойчивости аналогичен наблюдаемым в параллельных парогенерирующих каналах тепловых котлов и парогенераторов.

Изобретение поясняется на примере работы нагревателя в котле, изображенном на фиг. 1, и с помощью графиков зависимости тепловыделения в межэлектродном объеме нагревателя от времени на фиг. 2. На фиг. 3 приведен пример зависимости средней мощности нагревателя от температуры воды на входе в котел. Нагреватель на фиг. 1 состоит из вставленных друг в друга соосно цилиндрических электродов 1 и 2, образующих межэлектродный объем 3, ограниченный по торцам изоляторами 6 и соединенный с котловой водой 4 каналами 5.

Режим автоколебаний параметров реализуют выбором параметров тепломассообмена и геометрии электродного нагревателя. При этом отрицательная составляющая обратной связи между мощностью нагревателя и электропроводностью, энтальпией, температурой жидкости на входе обеспечивается следующим образом.

В начальный момент времени τ₀ (см. фиг. 2, кривая 1), при наличии напряжения на электродах 1 и 2 нагревателя (см. фиг. 1), давление в частично заполненном жидкостью межэлектродном объеме 3 равно давлению жидкости 4 в котле и расход через каналы 5, соединяющие межэлектродный объем с котловой жидкостью, близок к нулевому. Жидкость в межэлектродном объеме 3, ограниченном электродами 1, 2, и изоляторами 6, нагревается, и наступает время τ₁, когда температура ее становится равной температуре кипения и начинается парообразование. Давление в межэлектродном объеме повышается, пар вытесняет жидкость, электрическое сопротивление межэлектродного объема возрастает и мощность тепловыделения уменьшается. Процесс вытеснения жидкости идет до момента времени τ₂, когда мощность падает до величины, при которой скорость генерации пара и избыточное давление в объеме 3 уменьшаются настолько, что начинается поступление в него недогретой до температуры кипения жидкости из котла. Поступление недогретой жидкости приводит к ускоренной конденсации пара и быстрому падению давления в межэлектродном объеме по отношению к давлению в котле. Жидкость продолжает поступать в межэлектродный объем через каналы 5, при этом мощность увеличивается, начинается парообразование и наступает время τ₃, когда давление выравнивается и расход жидкости становится близок к нулевому. На этом один цикл автоколебаний завершается и начинается следующий.

Определяющим фактором появления отрицательной составляющей обратной связи между мощностью и электропроводностью жидкости является сокращение времени Δτ′ = τ₁ - τ₀ соответственно энергии затрачиваемых на прогрев жидкости до температуры кипения: в предположении идеального перемешивания жидкости в межэлектродном объеме и несущественности затрат энергии на подогрев ее за время Δτ″′ = τ₃ - τ₂, тепловыделение за время Δτ′ составит:
Q = m(J₁-J₀),
где
J₀ - энтальпия жидкости в момент времени τ₀ или на входе в межэлектродный объем;
J₁ - энтальпия жидкости в при температуре кипения (в момент времени τ₁ );
m - масса жидкости в межэлектродном объеме.

Продифференцировав уравнение (1) с учетом того, что J₁ = const, получаем:
dQ/dJ₀= -m,
что и характеризует появление отрицательной обратной связи между мощностью и энтальпией (температурой, электропроводностю) жидкости на входе в межэлектродный объем.

Величина промежутка времени Δτ″ = τ₂ - τ₁ определяется геометрией межэлектродного объема и соединяющихся каналов 5 и практически не зависит от энтальпии жидкости на входе J₀.

Величина Δτ″′ = τ₃ - τ₂ зависит от энтальпии жидкости на входе J₀, так как от температуры жидкости зависит скорость конденсации пара и, соответственно, скорость поступления жидкости в межэлектродный объем: величина Δτ″′ тем меньше, чем больше недогрев жидкости до температуры кипения. Увеличение недогрева приводит к некоторому уменьшению частоты колебаний за счет сокращения части цикла с относительно низкой мощностью тепловыделения, что, в свою очередь, способствует увеличению отрицательной составляющей обратной связи между средней мощностью и энтальпией на входе.

Характер изменения поведения мощности во времени при различных температурах на входе виден из сопоставления кривых 1 и 2 на фиг. 2 (кривой 2 соответствует меньшая температура на входе).

Появление существенной отрицательной составляющей обратной связи между мощностью и электропроводностью подтверждено выполненными экспериментальными исследованиями как на одиночных нагревательных элементах, так и при опытной эксплуатации систем отопления с электродными котлами, состоящими из множества нагревательных элементов, и использующими предложенный способ повышения их эффективности. Оптимизацией геометрии электродного нагревателя реализуется режим автоколебаний, в котором отрицательная составляющая превалирует над положительной составляющей обратной связи между мощностью и энтальпией (температурой) воды во всем диапазоне изменения ее температуры при давлениях, близких к атмосферному. Так, например, при изменении температуры на входе в котел от 10 до 80^oC мощность его уменьшается в несколько раз. На фиг. 3 приведены примеры полученных в опытах зависимостей мощности котла от температуры возвратной воды (τ₀) в системе отопления с естественной циркуляцией, т. е. при давлении близком к атмосферному. Зависимость 2 на фиг. 3 получена при большей электропроводности воды, залитой в систему отопления.

Таким образом экспериментально подтверждено отсутствие необходимости применения специальных средств регулирования мощности электрокотла в системах отопления.

Изобретение относится к теплоэнергетике, конкретнее - к электродным котлам для нагрева воды и решает задачу повышения эффективности электродного нагревателя жидкости путем стабилизации его мощности за счет изменения характера зависимости этой мощности от температуры или электропроводности жидкости. Повышение эффективности электродного нагревателя жидкости достигается тем, что в межэлектродном объеме реализуется режим теплогидродинамической автоколебательной неустойчивости, обеспечивающий появление отрицательной составляющей обратной связи между средней мощностью нагревателя и энтальпией жидкости на входе в межэлектродный объем. При этом в устройстве для реализации способа проходные сечения каналов, соединяющих межэлектродный объем с нагреваемой жидкостью, сделаны меньше, чем проходное сечение межэлектродного объема, в соотношении, обеспечивающему работу устройства в режиме теплогидродинамической автоколебательной неустойчивости. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ повышения эффективности электродного нагревателя жидкости, включающий стабилизацию его мощности, отличающийся тем, что стабилизацию мощности электродного нагревателя осуществляют путем реализации в межэлектродном объеме режима теплогидродинамической автоколебательной неустойчивости. 2. Устройство для повышения эффективности электродного нагревателя жидкости, включающее межэлектродный объем и каналы, соединяющие его с нагреваемой жидкостью, отличающееся тем, что проходные сечения каналов выполнены меньше, чем проходное сечение межэлектродного объема, в соотношении, обеспечивающем работу устройства в режиме теплогидродинамической автоколебательной неустойчивости.