ЭЛЕКТРОДНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК H05B3/60 F24H1/20 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электронагревательным приборам электродного типа, и может быть использовано для автономного отопления и горячего водоснабжения объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения, например коттеджей, производственных и служебных помещений, теплиц и т.п., а также в термостатах и подогревателях жидкости.

Известна установка электродного нагрева жидкости, содержащая электроды с токоподводами, соединенными через переключающее устройство с источником переменного тока. Регулирование мощности в ней производится при помощи переключающих устройств в ручном или автоматическом режиме (см. авт.св. СССР N 1116562, кл. H 05 B 3/60, 1982). Недостатками известной установки являются сложность конструкции и большая материалоемкость с учетом системы управления.

Известен электродный нагреватель жидкости, принятый за прототип, содержащий по меньшей мере два взаимодействующих электрода с токоподводами для соединения с внешней электрической цепью, образующих с нагреваемой жидкостью внутреннюю электрическую цепь.

При этом электроды соединены с токоподводами через биметаллические пластины (см. авт.св. СССР N 1045421, кл. H 05 В 3/60, 1982).

Регулирование мощности в известном нагревателе осуществляется путем изменения сопротивления жидкости во внутренней электрической цепи при расхождении или схождении взаимодействующих электродов, осуществляемом биметаллическими пластинами, при изменении температуры жидкости, т.е. автоматически. Так как при расхождении или схождении электродов меняются и длина, и площадь сечения столба жидкости между ними.

Недостатком известного нагревателя, а более конкретно технического решения, реализованного в нем, является то, что в процессе работы не обеспечивается параллельность взаимодействующих электродов и, следовательно, плотность тока по длине электродов непостоянна, что отрицательно сказывается на его работоспособности. Также в известном нагревателе не решена задача защиты жидкости от перегрева, т.е. нагрева выше допустимой температуры, обусловленной безопасностью эксплуатации.

При повышении температуры воды от 0 до 100^oC происходит повышение ее электропроводности в 3...5 раз, что приводит к такому же увеличению мощности тепловыделения, при постоянном напряжении на электродах. А это является условием, достаточным для возникновения неустойчивости работы системы отопления (основной области применения электродных нагревателей жидкости) из-за периодического заваривания котла. Поэтому требуется принятие специальных мер по предотвращению разгона котла при повышении температуры в системе отопления. Это могут быть: электрические системы регулирования напряжения на электродах; системы контроля температуры в характерных точках в совокупности с системами отключения питания по заданной температурной установке и т.д.

Желательно иметь электродный нагреватель жидкости, лишенный вышеуказанных недостатков.

Это достигается тем, что в электродном нагревателе жидкости, содержащем по меньшей мере два взаимодействующих электрода с токоподводами для соединения с внешней электрической цепью, образующих с нагреваемой жидкостью внутреннюю электрическую цепь, согласно изобретению во внутреннюю электрическую цепь дополнительно включен, один или более, терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления и заданной температурой переключения (по другой терминологии - заданной точкой Кюри), соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости.

При этом терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления, с заданной температурой переключения, один или более (в зависимости от решаемой задачи), может быть включен во внутреннюю электрическую цепь последовательно с одним из взаимодействующих электродов.

Включение терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления (в дальнейшем по тексту терморезистор с ⁺ТКС), одного или более, с заданной температурой переключения, соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости, во внутреннюю электрическую цепь электрического нагревателя жидкости, например последовательно с одним из взаимодействующих электродов, обеспечивает прохождение электрического тока, а следовательно, и нагрев жидкости на этом участке внутренней электрической цепи только до определенной температуры, определяемой температурой переключения терморезистора, соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости, задаваемой при разработке нагревателя. Так как известно, что зависимость сопротивления терморезистора с ⁺ТКС от температуры, а также крутизна области с положительным температурным коэффициентом сопротивления могут изменяться в очень широких пределах. И на участке с положительным ТКС, начинающимся с точки переключения, логарифм сопротивления приблизительно пропорционален температуре:
Log R = A'T + A'',
где A' и A''- постоянные;
R - сопротивление терморезистора с ⁺ТКС;
T - температура терморезистора с ⁺ТКС.

При этом характеристики терморезисторов с ⁺ТКС очень стабильны - 5000 часов, а температура переключения стабильна в пределах ± 1^oC (см. Мэклин Э. Д. Терморезисторы. - М. : Радио и связь, 1983, с. 9, с. 144, рис. 11.6 с. 151, формула 11.1, с. 151 и с. 156...158).

В совокупности признаки изобретения позволяют:
- гарантированно, в автоматическом режиме, нагревать жидкость в нагревателе до определенной, заданной температуры;
- упростить конструкцию нагревателя с учетом отсутствия необходимости сложной системы управления для его эксплуатации;
- повысить надежность нагревателя вследствие отсутствия подвижных элементов в его конструкции.

Возможные варианты выполнения электродного нагревателя жидкости по изобретению представлены электрическими принципиальными схемами.

На фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема нагревателя при последовательном включении одного терморезистора с ⁺ТКС во внутреннюю электрическую цепь. На фиг. 2 и 3 приведены варианты электрической принципиальной схемы нагревателя при включении во внутреннюю электрическую цепь нескольких терморезисторов с ⁺ТКС. На фиг. 4 приведена упомянутая выше характерная зависимость сопротивления позистора от температуры, одна из бесчисленного множества в интервале температур от -100 до 250^oC (см. Мэклин Э.Д. Терморезисторы. - М.: Радио и связь, 1983, с. 9), с температурой переключения 95^oC, например, для нагревателя для отопления служебных помещений.

Электродный нагреватель жидкости содержит (см. фиг. 1 и 2) электроды 1 и 2 с токоподводами 3 и 4 соответственно, установленные, например, на общем основании 5 и размещаемые в емкости 6 с нагреваемой жидкостью 7 (в качестве электрода 1 может выступать зануленный корпус нагревателя). В зависимости от решаемой задачи емкость 6 может быть котлом с патрубками входа и выхода жидкости, емкостью термостата и т.п. 8 - терморезистор с ⁺ТКС с заданной температурой переключения (точкой Кюри), соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости, определяемой назначением нагревателя. Температура переключения терморезистора с ⁺ТКС 8 определяется по любой из известных методик, применяемых при разработке аналогичных изделий, например путем подбора. А именно, сначала задается температура переключения, равная допустимой температуре нагрева жидкости, по справочникам подбирается наиболее подходящий серийный терморезистор, изготавливается и испытывается опытный образец нагревателя и по результатам испытаний корректируется температура переключения терморезистора с ⁺ТКС 8, так как она соответствует допустимой температуре нагрева жидкости. И решается вопрос об использовании серийных или разработке специальных терморезисторов для промышленного изготовления нагревателя.

При этом электроды 1 и 2 с токоподводами 3 и 4, соответственно, нагреваемая жидкость 7 и терморезистор(ы) с ⁺ТКС 8 образуют внутреннюю электрическую цепь, подсоединяемую к внешней электрической цепи (не показана). Отличие нагревателя по фиг. 3 состоит в том, что электрод 2 и терморезисторы с ⁺ТКС соединены с токоподводом 4 и нагреваемой жидкостью P_ж 7 самостоятельно, напрямую.

Электродный нагреватель жидкости работает следующим образом. При начальном включении нагревателя (см., например, фиг. 1) напряжение по внешней электрической цепи подается на токоподводы 3 и 4 и по ним на электроды 1 и 2 соответственно. Между электродами 1 и 2 через нагреваемую жидкость 7 и терморезистор с ⁺ТКС 8 протекает электрический ток, параметры которого зависят от напряжения между электродами 1 и 2, сопротивления R_ж столба жидкости 7 между ними и сопротивления R_п терморезистора с ⁺ТКС 8. При комнатных значениях температуры величина сопротивления терморезистора с ⁺ТКС 8 лежит в области единиц Ом. Падение напряжения на нем невелико, поэтому мощность выделяемая на терморезисторе с ТКС 8 мала, и не влияет на величину тока во внутренней цепи. По мере нагрева жидкости 7 нагревается и терморезистор с ⁺ТКС 8. При этом его сопротивление (см. фиг. 4) даже несколько падает. Однако при достижении нагреваемой жидкостью 7, а следовательно, и терморезистором с ⁺ТКС 8 температуры, соответствующей температуре переключения (точка T_п на графике на фиг. 4, выбираемая заранее при изготовлении нагревателя), в рассматриваемом случае это температура, меньшая, чем температура кипения жидкости, а именно 95^oC, в терморезисторе с ⁺ТКС 8 резко возрастает скорость изменения сопротивления. А именно, сопротивление начинает увеличиваться на порядки, что приводит к резкому увеличению падения напряжения на терморезисторе с⁺ ТКС 8. Нагреваемая жидкость 7 не может отводить выделяемое в терморезисторе с ⁺ТКС 8 тепло, т.к. сама уже нагрета до заданной температуры, определяемой температурой переключения терморезистора с ⁺ТКС 8, и в терморезисторе с ⁺ТКС 8 начинается процесс саморазогрева. Т.е. при достижении температуры переключения терморезистор с ⁺ТКС 8 резко уменьшает ток через себя до величины поддержания состояния саморазогрева. Практически это означает прекращение нагрева жидкости. Возврат в начальное состояние (состояние нагрева жидкости) возможен только при уменьшении температуры нагреваемой жидкости 7 ниже допустимой температуры и, следовательно, - терморезистора с ⁺ТКС 8 до величины, ниже температуры переключения.

В нагревателе, изготовленном по схеме на фиг. 2, обеспечивается установленный режим нагрева жидкости 7 путем подбора терморезисторов с ⁺ТКС 8 с определенными температурами переключения, с гарантированным прекращением нагрева при достижении жидкостью температуры, соответствующей максимальной из заданных температур переключения терморезисторов с ⁺ТКС 8. В нагревателе, изготовленном по схеме на фиг. 3, обеспечивается установленный режим нагрева жидкости 7 и гарантирован необходимый ее нагрев при отключившихся терморезисторах с ⁺ТКС 8, т.к. электрод 2 работает все время.

Таким образом, нагреватель поддерживает заданную температуру нагрева жидкости автоматически, с высокой точностью и в течение длительного времени, что может обеспечить ему широкое применение.

Изобретение предназначено для автоматического отопления и горячего водоснабжения объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения, например коттеджей, производственных и служебных помещений и т.п. Во внутреннюю электрическую цепь нагревателя, образуемую электродами с токоподводами и нагреваемой жидкостью, дополнительно включен, один или более, терморезистор с заданной температурой переключения, соответствующей максимально допустимой температуре нагрева жидкости. Терморезистор может быть включен последовательно с одним из электродов. По достижении нагреваемой жидкостью температуры, соответствующей температуре переключения терморезистора, последний срабатывает, и нагрев жидкости прекращается до охлаждения ее ниже температуры переключения. Изобретение позволяет поддерживать в нагревателе заданную температуру нагрева жидкости автоматически, с высокой точностью и в течение длительного времени. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Электродный нагреватель жидкости, содержащий, по меньшей мере, два взаимодействующих электрода с токоподводами для соединения с внешней электрической цепью, образующих с нагреваемой жидкостью внутреннюю электрическую цепь, отличающийся тем, что во внутреннюю электрическую цепь дополнительно включен, один или более, терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления и с заданной температурой переключения, соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления и с заданной температурой переключения, один или более, включен во внутреннюю электрическую цепь последовательно с одним из взаимодействующих электродов.