НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2000 года по МПК F24H1/20 F28D15/02 

Изобретение относится к электротехнологии, в частности к электротермическим устройствам, предназначенным для нагрева текучих сред, а именно к водо- и воздухонагревателям.

Известен нагреватель текучей среды, в частности, электродный водонагреватель, содержащий корпус, в котором расположены электроды. При этом корпус выполнен из электропроводного материала, а электроды предназначены для подвода электрического тока к текучей среде. В процессе нагрева корпус с расположенными в нем электродами заполняется нагреваемой текучей средой, которая при подключении электродов к источнику электрического напряжения выполняет функцию электролита [1].

Недостатком данного нагревателя текучей среды является возможность электропоражения, обусловленная тем, что электроды, расположенные в корпусе, помещены непосредственно в нагреваемую электропроводную текучую среду, которая при подаче на электроды электрического напряжения выполняет функцию электролита. При этом электрическая энергия преобразуется в тепловую непосредственно в нагреваемой текучей среде, что приводит к выносу текучей средой электрического потенциала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является нагреватель текучей среды, в частности, тепловая труба, содержащий корпус, выполненный в виде термосифона, в нижней части которого, являющейся испарителем, заполненной электролитом и выполненной из электроизоляционного материала, расположены электроды, а верхняя часть, являющаяся конденсатором и контактирующая с текучей средой, предназначена для заполнения водяным паром и его конденсатом, и выполнена из электроизоляционного материала, причем корпус снабжен плотно облегающим его снаружи защитным металлическим кожухом [2].

Низкая эффективность нагрева текучей среды обусловлена выполнением корпуса и, в частности, его верхней части из электроизоляционного материала, а именно, керамики. Применение электроизоляционных материалов, обладающих большим электрическим сопротивлением и низкими теплопроводными свойствами, приводит к уменьшению количества пара, конденсирующегося на внутренней стенке верхней части корпуса и определяющего количество подведенной к ней теплоты, и, следовательно, к снижению величины передаваемого нагреваемой текучей среде через эту стенку теплового потока, вследствие прямопропорциональной зависимости этих характеристик от коэффициента теплопроводности [3]: чем меньше коэффициент теплопроводности материала, из которого выполнена верхняя часть корпуса нагревателя, являющаяся конденсатором и контактирующая с текучей средой, тем меньше количество пара, конденсирующегося на ней, тем меньше подведенная к стенке тепловая энергия и тем меньше величина теплового потока, переданного через стенку нагреваемой текучей среде и, следовательно, тем больше время нагрева текучей среды. Таким образом, использование электроизоляционных материалов, в частности, керамики для корпуса данного нагревателя обеспечивает высокую электробезопасность при низкой эффективности нагрева текучей среды за счет того, что керамика имеет низкий коэффициент теплопроводности, равный 1,047 Вт/(м•град) [4].

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что нагреватель текучей среды содержит корпус, выполненный в виде термосифона, в нижней части которого, являющейся испарителем, заполненной электролитом и выполненной из электроизоляционного материала, расположены электроды, а верхняя часть корпуса, являющаяся конденсатором и контактирующая с текучей средой, предназначена для заполнения водяным паром и его конденсатом, причем она является электроизолированной от нижней части при заполнении водяным паром и его конденсатом и выполнена из металла.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности нагрева текучей среды при сохранении высокого уровня электробезопасности.

Повышение эффективности нагрева текучей среды обусловлено тем, что верхняя часть корпуса предлагаемого нагревателя, являющаяся конденсатором, контактирующая с текучей средой и предназначенная для заполнения водяным паром и его конденсатом, выполнена из металла, характеризующегося высокой теплопроводностью. Высокий коэффициент теплопроводности, например, у углеродистой стали марки 20, равный 41,868 Вт/(м•град) [4], позволяет водяному пару быстро отдавать тепло верхней части корпуса, увеличивая тем самым количество конденсата водяного пара и, следовательно, увеличивая тепловой поток, передаваемый через верхнюю часть корпуса нагреваемой текучей среде вследствие прямопропорциональной зависимости этих характеристик от коэффициента теплопроводности [3] . При этом передача теплового потока нагреваемой текучей среде через верхнюю часть корпуса, выполненную из металла, например, из углеродистой стали марки 20, в 40 раз больше передачи теплового потока через верхнюю часть корпуса, выполненную из электроизоляционного материала, в частности, из керамики, при одинаковых геометрических размерах нагревателя и одинаковом перепаде температур между внутренней и внешней поверхностями верхней части корпуса.

Потоку тепла, выделившемуся при конденсации, верхняя часть корпуса, выполненная из металла, оказывает в десятки раз меньшее термическое сопротивление, чем изготовленная из любого электроизоляционного материала, что во столько же раз увеличивает передаваемый через стенку корпуса тепловой поток и сокращает время нагрева текучей среды.

Сохранение высокого уровня электробезопасности достигается следующим образом. Нагреватель текучей среды представляет собой закрытую термодинамическую систему, в которой имеют место циклические фазовые превращения типа "кипящий водный раствор электролита-водяной пар-конденсат-водный раствор электролита". Каждая фаза при этом характеризуется определенными электрофизическими свойствами, так: водный раствор электролита - это проводник тока второго рода, а водяной пар и его конденсат - диэлектрики. После включения нагревателя текучей среды начинается немедленное заполнение его верхней части водяным паром и его конденсатом, являющимися диэлектриками, что предотвращает вынос электрического потенциала из межэлектродного пространства нижней части корпуса, выполненной из электроизоляционного материала на его верхнюю часть, выполненную из металла, и, следовательно, в нагреваемую текучую среду. Это исключает необходимость применения дополнительных электроизоляционных материалов.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором показан общий вид нагревателя текучей среды.

Нагреватель текучей среды содержит корпус, выполненный в виде термосифона. В нижней части 1 корпуса, являющейся испарителем, заполненной электролитом 2, например, водой и выполненной из электроизоляционного материала, в частности, из керамики, расположены электроды 3. Верхняя часть 4 корпуса, являющаяся конденсатором и контактирующая с нагреваемой текучей средой, например, водой или воздухом, электроизолированная от электролита 2 и электродов 3, расположенных в нижней части 1 корпуса, при заполнении водяным паром и его конденсатом, выполнена из металла, в частности из углеродистой стали марки 20. Нагреваемая текучая среда находится или циркулирует в емкости 5. Электроды 3 соединены с источником электрического напряжения 6.

Нагреватель текучей среды работает следующим образом. В емкость 5 с нагреваемой текучей средой помещается верхняя часть 4 корпуса нагревателя текучей среды, выполненного в виде термосифона. В нижней части 1 корпуса, являющейся испарителем, заполненной электролитом 2 и выполненной из электроизоляционного материала, расположены электроды 3. При этом, когда предлагаемый нагреватель находится в нерабочем состоянии, верхняя часть 4 корпуса, выполненная из металла, изолирована от электролита 2 и электродов 3, расположенных в нижней части 1 корпуса, воздухом. При подключении электродов 3 к источнику электрического напряжения 6 через электролит 2, в качестве которого используется вода, начинает протекать ток. При этом происходит выделение тепла в электролите 2. Вследствие того, что корпус предлагаемого нагревателя выполнен в виде термосифона, испарение воды начинается при более низкой температуре, чем при нормальном давлении, т. е. ее испарение начинается практически немедленно при подключении электродов 3. Устанавливается режим пузырькового кипения и водяной пар немедленно поднимается в верхнюю часть 4 корпуса и заполняет ее. Из-за разности температур между водяным паром и нагреваемой текучей средой, водяной пар быстро конденсируется на внутренней поверхности верхней части 4 корпуса, за счет ее высокой теплопроводности отдавая теплоту, равную теплоте парообразования, ей и далее нагреваемой текучей среде. При этом конденсат водяного пара в верхней части 4 корпуса под действием гравитационных сил стекает в электролит 2, заполняющий нижнюю часть корпуса нагревателя текучей среды. Это восстанавливает химический и структурный состав электролита 2 и стабилизирует его удельное сопротивление. Верхняя часть 4 корпуса нагревателя, изготовленная из металла с высокими теплопроводными свойствами, изолирована от электролита 2 и электродов 3, помещенных в нижнюю часть 1 корпуса, посредством водяного пара и конденсата, являющихся диэлектриками.

Регулирование мощности нагревателя текучей среды перед эксплуатацией осуществляется путем изменения межэлектродного расстояния и геометрических размеров электродов 3, объема и химического состава водного раствора электролита 2, а в процессе работы саморегулированием за счет изменения активной, т. е. погруженной в электролит 2, площади электродов 3 при понижении уровня электролита 2 по мере испарения и при повышении уровня электролита 2 по мере конденсации в соответствии с законом сохранения вещества в закрытой системе, что автоматически влечет за собой изменение пропускаемого через электролит 2 количества электричества и тока.

Таким образом, предлагаемое изобретение повышает эффективность нагрева текучей среды при сохранении высокого уровня электробезопасности.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Электротехнология /А.М.Басов, В.Г.Быков, А.В.Лаптев, В.Б.Файн. - М.: Агропромиздат, 1985, с. 34-46, 97-103.

2. Патент РФ N 2095717, МПК⁶ F 28 D 15/02, опубл. 1997.

3. Краснощеков Е. А. , Сукомел A.С. Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 1980. - С. 155-159, 226-227.

4. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976. - С. 264, 270.

Нагреватель предназначен для использования в электротехнологии, в частности в электротермических устройствах, предназначенных для нагрева текучих сред, а именно в водо- и воздухонагревателях. Нагреватель текучей среды содержит корпус, выполненный в виде термосифона, в нижней части которого, являющейся испарителем, заполненной электролитом и выполненной из электроизоляционного материала, расположены электроды, а верхняя часть корпуса, являющаяся конденсатором и контактирующая с текучей средой, предназначена для заполнения водяным паром и его конденсатом, причем она является электроизолированной от нижней части при заполнении водяным паром и его конденсатом и выполнена из металла. Конструкция нагревателя обеспечивает повышение эффективности нагрева текучей среды при сохранении высокого уровня электробезопасности. 1 ил.

Нагреватель текучей среды, содержащий корпус, выполненный в виде термосифона, в нижней части которого, являющейся испарителем, заполненной электролитом и выполненной из электроизоляционного материала, расположены электроды, а верхняя часть, являющаяся конденсатором и контактирующая с текучей средой, предназначена для заполнения водяным паром и его конденсатом, отличающийся тем, что верхняя часть корпуса, электроизолированная от электролита и электродов нижней части при заполнении водяным паром и его конденсатом, выполнена из металла.