способ повышения эффективности электродного нагревателя жидкости и устройство для его реализации

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 ₀ (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 ₁, 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 ₂, 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 ₃, 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 = ₁ - ₀ 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 = ₃ - ₂, тепловыделение за время составит:

Q = m(J₁-J₀),

где

J₀ - энтальпия жидкости в момент времени ₀ или на входе в межэлектродный объем;

J₁ - энтальпия жидкости в при температуре кипения (в момент времени ₁ );

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 = ₂ - ₁ определяется геометрией межэлектродного объема и соединяющихся каналов 5 и практически не зависит от энтальпии жидкости на входе J₀.

Величина = ₃ - ₂ 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 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 (₀) 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.