устройство для электродного нагрева жидкости с использованием эффекта близости, электронагреватель и нагревательный элемент

Формула изобретения

1. Устройство для электродного нагрева жидкости с использованием эффекта близости, содержащее корпус, электронагреватель, имеющий головку с жестко закрепленными и изолированными от нее параллельными центральной и четырьмя периферийными шпильками, внешний цилиндрический экранирующий электрод, в котором коаксиально и с зазорами относительно друг друга и его стенки расположены три цилиндрических электрода, средний из которых через электропроводник жестко соединен с внешним электродом, средства крепления электродов к периферийным шпилькам и переключатель для соединения с источником переменного тока, к одной из фаз которого присоединены два остальных электрода, отличающееся тем, что оно снабжено двумя дополнительными электронагревателями, присоединенными к остальным фазам источника, оси всех электронагревателей параллельны и равноудалены одна от другой, от корпуса и его оси, а внешние и средние электроды изолированы от нулевого провода источника, причем электронагреватели через указанные электроды соединены между собой в одной точке, отделенной от корпуса жидкостью.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый электронагреватель снабжен жестко соединенным с внешним и средним электродами цилиндрическим ступенчатым стержнем, имеющим конический переход между ступенями, диаметральное сквозное отверстие в нижней ступени меньшего диаметра и расположенным по оси электронагревателя, соединение электронагревателей в одну точку выполнено в виде трех проводников, один из концов которых жестко присоединен к центрально расположенному соединительному элементу, а другой к цилиндрической втулке, причем втулка имеет на верхнем торце внутренний конус, соответствующий коническому переходу стержня, а зафиксирована на нижней ступени стержня коническим штифтом, проходящим через указанное диаметральное отверстие стержня.

3. Электронагреватель, содержащий головку с жестко закрепленными и изолированными от нее параллельными центральной и четырьмя периферийными шпильками, внешний экранирующий электрод, в котором коаксиально и с зазорами относительно друг друга и его стенки расположены три цилиндрических электрода, средний из которых через электропроводник жестко соединен с внешним электродом, и средства крепления электродов к периферийным шпилькам, отличающийся тем, что он снабжен центральным стержнем, а электропроводник выполнен в виде двух расположенных на расстоянии друг от друга спиц, перпендикулярных к оси электронагревателя, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через эту ось, и пропущенных через соответствующие отверстия, выполненные в центральном стержне, среднем и внешнем электродах, причем центральный стержень имеет верхнее продольное резьбовое соединение с центральной шпилькой.

4. Электронагреватель по п.3, отличающийся тем, что резьбовое соединение центрального стержня с центральной шпилькой имеет контактное коническое гнездо, причем больший диаметр конуса этого гнезда больше диаметра резьбы.

5. Электронагреватель по п.3, отличающийся тем, что средства крепления к периферийным шпилькам выполнены в виде контактных выступов на верхних концах электродов с продольным коническим, переходящим в цилиндрическое отверстие, концы шпилек имеют соответствующую этим отверстиям форму и зафиксированы в них с натягом поперечным коническим штифтом.

6. Электронагреватель по п.3, отличающийся тем, что шпильки ниже головки покрыты слоем изоляционного материала до уровня ниже верхнего торца внешнего электрода.

7. Нагревательный элемент, выполненный в виде по меньшей мере двух коаксиально установленных с зазором относительно друг друга цилиндрических электродов, отличающийся тем, что зазор между смежными цилиндрическими поверхностями соседних электродов выбран в пределах

0,1 ln(R+)/(r-) 0,5,

где R и r больший и меньший радиусы смежных цилиндрических поверхностей соседних электродов;

эффективная глубина проникновения переменного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротеплоснабжению, а именно к устройствам для электродного нагрева жидкости с использованием эффекта близости, электронагревателям и нагревательным элементам. Преимущественная область использования нагревание воды в условиях отсутствия централизованного теплоснабжения или временного выхода его из строя.

Известно многофазное устройство для электродного нагрева жидкости, включающее корпус с тремя электронагревателями, имеющими коаксиально расположенные с зазорами относительно друг друга нулевые и фазные электроды. При этом нулевые электроды подключены через заземленный корпус к нулевому проводу источника тока, имеют возможность продольного перемещения относительно фазных электродов и служат также для регулирования нагрузки [1]

Указанные устройство и его электронагреватель имеют существенные недостатки, сдерживающие их практическое использование. В устройстве электронагреватели обеспечивают нагрев за счет пропускания электрического тока через воду, обладающую определенным удельным сопротивлением, которое может меняться в широких пределах в зависимости от концентрации, состава солей и температуры. Т. е. для каждых конкретных условий необходимо устройство с определенными параметрами. Это уже увеличивает расход электроэнергии, габариты и металлоемкость устройства. Кроме того, из-за невозможности соблюдения требуемой точности зазоров между подвижной и неподвижной частями устройства, возможен местный перегрев отдельных участков его электродов с быстрым нарастанием на них накипи и выходом из строя вначале системы регулирования, а затем и самого устройства. Так как корпус устройства соединен с рабочим нулем сети, на корпусе возможно появление опасного напряжения прикосновения. Устройство имеет малые сроки службы и ремонтоспособность, и требует особых дополнительных мероприятий для обеспечения электрической и пожарной безопасности.

Нагревательный элемент известного устройства [1] имеет зазор между смежными коаксиальными электродами более 6 мм, что исключает использование эффекта близости и др. электрофизических эффектов, дополнительно улучшающих энергетические показатели при нагреве жидкостей.

Ближайшим техническим решением к предложенному устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для электродного нагрева жидкости с использованием эффекта близости, включающее корпус, электронагреватель, имеющий головку с жестко закрепленными и изолированными от нее параллельными центральной и четырьмя периферийными шпильками, внешний цилиндрический экранирующий электрод, в котором коаксиально и с зазорами относительно друг друга и его стенки расположены три цилиндрических электрода, средний из которых через электропроводник жестко соединен с внешним электродом, средства крепления электродов к периферийным шпилькам и переключатель для соединения с источником переменного тока, к одной из фаз которого присоединены два остальных электрода [2]

Устройство имеет следующие основные недостатки. Во-первых, сравнительно небольшая мощность, так как согласно действующим правилам технической эксплуатации электроустановок во избежание асимметрии по фазам мощность устройства, имеющего однофазное исполнение, не должна превышать 3 кВт. Во-вторых, необходимость использования нулевого провода источника тока при переходе на многофазное исполнение с помощью известных методов приведет к значительному усложнению конструкции и возможности перекоса нагрузок по фазам.

Прототипом предложенного электронагревателя является электронагреватель, включающий головку с жестко закрепленными и изолированными от нее параллельными центральной и четырьмя периферийными шпильками, внешний экранирующий электрод, в котором коаксиально и с зазорами относительно друг друга и его стенки расположены три цилиндрических электрода, средний из которых через электропроводник жестко соединен с внешним электродом, и средства крепления электродов к периферийным шпилькам [2]

Наличие в зазорах между смежными электродами диэлектрических центрирующих изоляторов и кольцевого соединителя с проходными отверстиями для жидкости увеличивает гидравлическое сопротивление, что при малой величине этих зазоров снижает производительность, усложняет конструкцию и усиливает образование накипи. Также это ведет к ухудшению энергетических показателей нагрева, к снижению сроков службы и ремонтоспособности электронагревателя.

Прототипом предложенного нагревательного элемента является нагревательный элемент, выполненный в виде по меньшей мере двух коаксиально установленных с зазором относительно друг друга цилиндрических электродов [2] Этот зазор выбран в пределах 0,1 ln R/r 0,6, где R и r больший и меньший радиусы образующих зазор цилиндрических поверхностей электродов.

Однако указанное соотношение не учитывает свойств материала электродов, что снижает энергетические показатели нагрева жидкости и электробезопасность устройства в целом.

Задачей изобретений является создание устройства для электрического нагрева жидкости с использованием эффекта близости, электронагревательных и нагревательного элемента, которые обеспечивают повышение электрической и пожарной безопасности, экономичности, срока службы, ремонтоспособности, простоты конструкции и обслуживания при сокращении габаритов, металлоемкости и возможности работы с жидкостями, обладающими их различным удельным сопротивлением.

Изобретения заявлены совместно в одной заявке, т.к. все могут быть использованы в одном устройстве, отдельно или в различных сочетаниях по два в одном устройстве.

Указанная задача решается тем, что известное устройство для электродного нагрева жидкости с использованием эффекта близости, включающее корпус, электронагреватель, имеющий головку с жестко закрепленными и изолированными от нее параллельными центральной и четырьмя периферийными шпильками, внешний цилиндрический экранирующий электрод, в котором коаксиально и с зазорами относительно друг друга и его стенки расположены три цилиндрических электрода, средний из которых через электропроводник жестко соединен с внешним электродом, средства крепления электродов к периферийным шпилькам и переключатель для соединения с источником переменного тока, к одной из фаз которого присоединены два остальных электрода, согласно изобретению, снабжено двумя дополнительными электронагревателями, присоединенными к остальным фазам источника, оси всех электронагревателей параллельны и равноудалены друг от друга, от корпуса и его оси, а внешние и средние электроды изолированы от нулевого провода источника, причем электронагреватели через указанные электроды соединены между собой в одной точке, отделенной от корпуса жидкостью.

Кроме того, каждый электронагреватель снабжен жестко соединенным с внешним и средним электродами цилиндрическим ступенчатым стержнем, имеющим конический переход между ступенями, диаметральное сквозное отверстие в нижней ступени меньшего диаметра и расположенным по оси электронагревателя, соединение электронагревателей в одну точку выполнено в виде трех проводников, одни из концов которых жестко присоединены к центрально расположенному соединительному элементу, а вторые к цилиндрическим втулкам, причем втулки имеют на верхнем торце внутренний конус, соответствующий коническому переходу стержней и зафиксированы на нижней ступени стержней коническим штифтом, проходящим через указанное диаметральное отверстие.

Та же задача решается тем, что известный электронагреватель, включающий головку с жестко зафиксированными и изолированными от нее параллельными центральной и четырьмя периферийными шпильками, внешний экранирующий электрод, в котором коаксиально и с зазорами относительно друг друга и его стенки расположены три цилиндрических электрода, средний из которых через электропроводник жестко соединен с внешним электродом, и средства крепления электродов к периферийным шпилькам, согласно изобретению, снабжен центральным стержнем, а электропроводник выполнен в виде двух расположенных на расстоянии друг от друга спиц, перпендикулярных оси электронагревателя, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через эту ось, и пропущенных через соответствующие отверстия, выполненные в центральном стержне, среднем и внешних электродах, причем центральный стержень имеет верхнее продольное резьбовое соединение с центральной шпилькой.

Также резьбовое соединение центрального стержня с центральной шпилькой имеет контактное коническое гнездо, причем больший диаметр конуса этого гнезда больше диаметра резьбы.

При этом средства крепления электродов к периферийным шпилькам выполнены в виде контактных выступов на верхних концах электродов с продольным коническим, переходящим в цилиндрическое, отверстием, концы шпилек имеют соответствующие этим отверстиям форму и зафиксированы в них с натягом поперечным коническим штифтом.

Шпильки ниже головки покрыты слоем изоляционного материала до уровня ниже верхнего торца внешнего электрода.

Задача дополнительного повышения экономичности и безопасности, а также возможностей нагрева жидкостей с различным удельным сопротивлением, решается тем, что в известном нагревательном элементе, выполненном в виде по меньшей мере двух коаксиально установленных с зазором относительно друг друга цилиндрических электродов, согласно изобретению зазор между смежными цилиндрическими поверхностями соседних электродов выбран в пределах

0,1 ln (R + )/(r- ) 0,5, где R и r больший и меньший радиусы смежных цилиндрических поверхностей соседних электродов, а эффективная глубина проникновения переменного тока.

Снабжение устройства двумя дополнительными электронагревателями, присоединенными к остальным фазам источника переменного тока, с параллельным расположением осей всех электронагревателей и равноудалением их друг от друга и от корпуса известно, например из [1] Однако в известном устройстве не используется эффект близости. При этом только при использовании данного эффекта, когда нагрев жидкости осуществляется не только за счет ее сопротивления, а прежде всего за счет электромагнитного поля, замкнутого в зазоре между поверхностями смежных электродов, возможно изолировать внешние и средние электроды от нулевого провода источника тока и образовать нулевую точку (соединение экранирующих электродов всех электронагревателей) в одной точке, не связанной с корпусом и отделенной от него жидкостью. Т.е. все указанные в п.1 формулы признаки устройства взаимосвязаны между собой, позволяют повысить электрическую и пожарную безопасность за счет существенного снижения напряжения прикосновения на корпусе и исключить особые дополнительные мероприятия, обычно выполняемые при этом (например, отдельное помещение, ограждения, дополнительные заземления металлических вставок на диэлектрических патрубках и т.д.). При этом можно значительно увеличить мощность при многократном уменьшении габаритов и металлоемкости, упростить конструкцию устройства и его обслуживание.

Конкретное выполнение соединения электронагревателей (их экранирующих электродов) позволяет наиболее просто и надежно образовать указанную нулевую точку, уменьшить образование накипи, увеличить ремонтоспособность устройства и срок его службы.

Снабжение электронагревателя центральным стержнем и указанное конкретное выполнение электропроводника, соединяющего внешний и средний электроды через этот стержень, позволяет образовать на нем дополнительную электродную рабочую поверхность и, следовательно, увеличить мощность электронагревателя. При этом также упрощается конструкция устройства, облегчается центровка электродов при сборке, снижается гидравлическое сопротивление в кольцевых зазорах между электродами и уменьшается образование накипи на их рабочих поверхностях. Это улучшает энергетические показатели нагрева жидкости, увеличивает срок службы и ремонтоспособность электронагревателя.

Наличие контактного конического гнезда в резьбовом соединении центрального стержня с центральной шпилькой, а также конкретное выполнение средств крепления электродов к периферийным шпилькам позволяет обеспечить надежные, быстро разъемные крепления и электрические контакты, исключающие образование накипи внутри соединяемых деталей. Более того, накипь, которая образуется на внешней поверхности соединяемых деталей, усиливает их изоляцию контактирующих поверхностей от нагреваемой жидкости. Это дополнительно улучшает энергетические показатели, в том числе позволяет увеличить полезную мощность, повысить срок службы и ремонтоспособность электронагревателя.

Покрытие шпилек слоем изоляционного материала до уровня ниже верхнего торца внешнего электрода исключает паразитное перемещение электронов от шпилек на корпус, что также дополнительно улучшает энергетические показатели электронагревателя и повышает его электробезопасность.

Выбор зазора между смежными цилиндрическими поверхностями соседних электродов в пределах 0,1 ln (R + )/(r- ) 0,5 позволяет через учесть электрические и электромагнитные свойства материала электрода. При этом определяется по известным зависимостям, например [3] где учитывается конкретное влияние скин-эффекта (поверхностного эффекта) на величину зазора при заданных радиусах и материале электродов. Это влияние весьма значительное: например, при R 13,5, r 10,5 и 1,5 мм ln R/r 0,25, а ln (R+ +)/(r- ) 0,51. Как установлено нашими исследованиями, эффект близости для нагревателей с коаксиальными электродами наиболее сильно проявляется при зазорах 1,5-5,5 мм. При меньшей величине зазора имеет место неустойчивый режим работы вибрации, шум, электрокорона и др. а при большем зазоре ухудшаются энергетические характеристики электронагревателя. Поэтому данное соотношение является необходимым и достаточным для выбора зазора между смежными цилиндрическими поверхностями соседних электродов, который в отличие от прототипа обеспечивает, с учетом вышесказанного, более полное совместное использование для нагрева жидкости скин-эффекта и эффекта близости. Т.е. (R+ ) и (r- ) являются радиусами эквипотенциальных электродных смежных поверхностей с максимальной плотностью тока, в пространстве между которыми образованы электромагнитные поля равномерной концентрации. Нагрев жидкости осуществляется практически безынерционно в основном за счет этих полей. Кроме того, нагрев происходит за счет прохождения тока через жидкость, которая обладает определенным сопротивлением, и вследствие теплопередачи от соседних электродов. Это повышает мощность, КПД, cos и электробезопасность с одновременным увеличением компактности электронагревателей и устройства. Габариты и масса электронагревателей и устройств с использованием предложенного нагревательного элемента могут быть снижены до 10 раз.

На фиг.1 показано предложенное устройство для электродного нагрева жидкости в поперечном разрезе, вид снизу на электронагреватели; на фиг.2 электронагреватель в продольном разрезе; на фиг.3 нагревательный элемент в продольном разрезе.

Устройство (фиг.1) включает корпус 1 с подводящим и отводящим патрубками (не показаны) для жидкости 2, три электронагревателя 3 и переключатель для соединения с источником переменного многофазного тока и регулирования мощности (не показан).

Каждый электронагреватель 3 включает головку 4 (фиг.2) и закрепленные в ней посредством изолирующего материала 5 параллельные друг другу центральную 6 и четыре периферийных шпильки 7 и 8 (показаны только две шпильки, так как две другие лежат в одной плоскости с центральной шпилькой 6). Проекции осей периферийных шпилек на плоскость головки 4 симметрично расположены на одной окружности с центром на оси электронагревателя. Электронагреватель имеет внешний цилиндрический экранирующий электрод 9, в котором коаксиально и с зазором относительно друг друга и его стенки расположены три цилиндрических электрода 10, 11 и 12, средний 11 из которых через электропроводник жестко соединен с внешним электродом 9, и средства крепления электродов к периферийным шпилькам 7 и 8. Центральная шпилька 6 посредством продольного резьбового соединения 13 жестко соединена с центральным стержнем 14. Это резьбовое соединение имеет контактное коническое гнездо 15, а больший диаметр конуса этого гнезда больше диаметра резьбы. Электропроводник выполнен в виде двух расположенных на расстоянии друг от друга спиц 16 и 17, перпендикулярных оси электронагревателя, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через эту ось, и пропущенных через соответствующие сквозные отверстия, выполненные в центральном стержне 14, среднем 11 и внешнем 9 электродах. Средства крепления электродов 10.12 к периферийным шпилькам 7 и 8 выполнены в виде контактных утолщенных внутрь или наружу выступов 18 на верхних концах цилиндрических электродов с продольным коническим, переходящим в цилиндрическое, отверстием, концы 19 и 20 шпилек имеют соответствующую этим отверстиям форму и зафиксированы в них с натягом поперечным коническим штифтом 21. Все шпильки ниже головки 4 покрыты слоем изоляционного материала 5 до уровня ниже верхнего торца внешнего электрода 9.

Электронагреватели 3 герметично крепят к верхней крышке 22 корпуса 1 так, что их оси параллельны и равноудалены друг от друга, от корпуса и его оси, а корпус, внешние 9 и средние 11 электроды изолированы от нулевого провода источника тока. Электронагреватели 3 через эти электроды 9 и 11, а также центральный стержень 14 соединены между собой в одной точке, отделенной от корпуса 1 жидкостью 2. Для этого центральный стержень 14 выполнен ступенчатым, имеет конический переход 23 между ступенями и диаметральное сквозное отверстие 24 в нижней ступени меньшего диаметра. Соединение в одну точку выполнено в виде трех проводников 25, одни из концов которых жестко присоединены к соединительному элементу 26, расположенному на оси корпуса 1, а вторые к цилиндрическим втулкам 27, причем эти втулки имеют на верхнем торце внутренний конус, соответствующий коническому переходу 23 стержней 14, зафиксированных на нижних ступенях стержней коническими штифтами, проходящими через диаметральные отверстия 24. Т.е. нулевая точка (соединительный элемент 26) образована внутри корпуса 1 в жидкости 2, не связана электрически с ним и не доступна для прикосновения.

Шпильки 7 присоединены к фазам источника переменного тока (каждый электронагреватель к отдельной фазе). Причем для равномерного распределения тока по фазным электродам 10 и 12 верхние части шпилек 7 и 8 электрически связаны между собой шинками 28 и 29, замоноличенными изоляцией 5. Центральная шпилька 6 также замоноличена в изоляции 5.

При однофазном токе (устройство для электродного нагрева жидкости с одним электронагревателем 3) нулевой провод источника переменного тока подключается к центральной шпильке 6. При этом верхняя часть шпильки 6 должна быть подобной верхней части шпильки 7, выполнение центрального стержня 14 упрощается, так как конический переход 23 и диаметральное отверстие 24 уже не нужны и стержень может иметь постоянный диаметр.

Расстояние (зазор) l (фиг.3) между смежными цилиндрическими поверхностями соседних коаксиально расположенных электродов, например 10 и 11, выбирают в пределах 0,1 ln R+ /r- 0,5, где R и r больший и меньший радиусы смежных цилиндрических поверхностей соседних электродов, а эффективная глубина проникновения переменного тока [3] При этом l R r.

Устройство работает следующим образом.

В нижнюю часть корпуса 1 подают через подводящий патрубок холодную жидкость 2, которая начинает истекать через отводящий патрубок, расположенный в верхней части корпуса. В соответствии с требуемой нагрузкой устанавливают переключатель на одну из рабочих ступеней мощности. При подаче напряжения на электроды в кольцевых зазорах между ними возникают электромагнитные поля равномерной концентрации, вызывающие практически безынерционный интенсивный нагрев жидкости. При этом вследствие учета скин-эффекта и использования эффекта близости, электромагнитные поля замыкаются внутри смежных электродов, чему также способствует размещение всех неизолированных частей токопроводящих деталей электронагревателей 3 во внутренней полости внешнего цилиндрического экранирующего электрода 9. (R+ ) и (r- ) являются радиусами эквипотенциальных электродных смежных поверхностей с максимальной плотностью тока. Кроме того происходит дополнительный нагрев жидкости за счет прохождения тока через эту жидкость, которая обладает определенным сопротивлением, и вследствие теплопередачи при нагреве самих электродов. Осуществляется равномерный нагрев жидкости с гравитационной циркуляцией ее снизу вверх по кольцевым зазорам между электродами.

При подаче напряжения на электроды 10 (первая ступень переключателя) ток течет и концентрируется по тонким слоям на внешней и внутренней поверхностях этих электродов. Далее, пересекая столбы жидкости в кольцевых зазорах между электродами 10-9 и 10-11, ток протекает по внутренней поверхности электродов 9 и внешней поверхности средних электродов 11, спицам 16 и 17, центральным стержням 14, втулкам 27 и проводникам 25 к нулевой точке (соединительному элементу) 26.

При установке переключателя на подачу напряжения на электроды 12 (вторая ступень переключателя) ток течет и концентрируется по тонким слоям на внешней и внутренней поверхностях этих электродов. Далее, пересекая столбы жидкости в кольцевых зазорах между электродами 12-11 и электродом 12 и центральным стержнем 14, который так же как и средний электрод 11 является нулевым электродом, ток протекает по внутренней поверхности электродов 11, спицам 16 и 17, центральным стержням 14, втулкам 27 и проводникам 25 к нулевой точке (соединительному элементу) 26.

При установке переключателя на третью ступень ток подается одновременно на фазные электроды 10 и 12 и течет по направлениям, имеющим место на первой и второй ступенях переключателя. При этом объем нагреваемой жидкости будет максимальным.

В устройстве с одним электронагревателем 3 (однофазный ток) центральный стержень 14 через центральную шпильку 6 подключен к нулевому проводу источника переменного тока. В этом варианте исполнения также имеют место три ступени мощности при различных положениях переключателя, но от центрального стержня 14 ток течет к нулевому проводу источника.