Котел электродный (варианты)
Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности, к устройствам для электроподогрева жидкого теплоносителя, а именно, к конструкциям котлов электродных - однофазного и трехфазного, которые могут быть использованы для нагревания жидкого теплоносителя - водопроводной воды или водного раствора в системах циркуляционного водяного отопления помещений за счет использования ионной проводимости жидкого теплоносителя в промежутке между электродами в полости котла (увеличения амплитуды колебания ионов под действием электрического тока). Первый вариант К. включает теплоэлектронагреватель жидкого теплоносителя, установленный в полости корпуса, образованного двумя крышками, закрепленными между собой, токоподводы теплоэлектронагревателя, элементы электроизоляции теплоэлектронагревателя, входной и выходной патрубки для теплоносителя, а, в соответствии с предлагаемой полезной моделью, теплоэлектронагреватель выполнен в виде набора из, как минимум, трех одинаковых металлических пластин жестко и с одинаковым расстоянием между ними установленных в соответствующих изолированных гнездах в крышках корпуса. Каждая из пластин предназначена для подключения через соответствующий токоподвод к фазному или к нулевому выводу источника однофазного переменного тока. При этом боковые пластины набора предназначены для подключения к одному и тому же самому фазному или к нулевому выводу, а центральная пластина предназначена для подключения через соответствующий токоподвод к другому выводу источника питания однофазного переменного тока с возможностью протекания электрического тока через жидкий теплоноситель в полости корпуса между центральной и боковыми пластинами. Во втором варианте К, в соответствии с предлагаемой полезной моделью, теплоэлектронагреватель выполнен в виде набора из, как минимум, четырех одинаковых металлических пластин жестко и с одинаковым расстоянием между ними установленных в соответствующих изолированных гнездах в крышках корпуса. Каждая пластина предназначена для подключения через токоподвод к определенной фазе источника трехфазного переменного тока, а первая и последняя пластины набора предназначены для подключения к одной определенной фазе источника трехфазного переменного тока. В основу предлагаемой полезной модели поставлена задача создания такого К., который имел бы повышенную производительность. Поставленная задача в первом варианте предлагаемого К. решается за счет применения в конструкции теплоэлектронагревателя набора из трех пластин и возможности их неполярного подключения к однофазной сети питания переменного тока с использованием обеих поверхностей центральной пластины в качестве рабочих поверхностей для пропускания электрического тока через жидкий теплоноситель, например воду, между пластинами теплоэлектронагревателя. Поставленная задача во втором варианте К. решается за счет применения в конструкции теплоэлектронагревателя набора из четырех пластин и возможности их неполярного подключения к трехфазной сети питания переменного тока с использованием обоих поверхностей каждой пластины в качестве рабочих поверхностей для пропускания электрического тока через жидкий теплоноситель, например воду, между пластинами теплоэлектронагревателя.
Предлагаемая полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности, к устройствам для электроподогрева жидкого теплоносителя, а именно, к конструкциям котлов электродных - однофазного и трехфазного, которые могут быть использованы для нагревания жидкого теплоносителя - водопроводной воды или водного раствора в системах циркуляционного водяного отопления помещений за счет использования ионной проводимости жидкого теплоносителя в промежутке между электродами в полости котла (увеличения амплитуды колебания ионов под действием электрического тока).
Наиболее близким к вариантам предлагаемого котла электродного по количеству существенных признаков является котел электродный, который включает теплоэлектронагреватель жидкого теплоносителя, установленный в полости корпуса, образованного двумя крышками, закрепленными между собой, токоподводы теплоэлектронагревателя, элементы электроизоляции теплоэлектронагревателя, входной и выходной патрубки для теплоносителя [Патент РФ на полезную модель 
45015, МПК7 F24D 13/04, Опубл. 10.04.2005]. В указанном котле использован один стержневой теплоэлектронагреватель, установленный в полости цилиндрического корпуса и соосно с ним.
Описанный котел имеет недостаточную производительность из-за использования в нем только одного стержневого теплоэлектронагревателя, который размещен соосно с цилиндрическим корпусом и имеет довольно малую рабочую поверхность.
В основу вариантов предлагаемой полезной модели поставлена задача создания такого котла электродного, который имел бы повышенную производительность за счет увеличения рабочих поверхностей электродов-пластин теплоэлектронагревателя.
Поставленная задача в первом варианте предлагаемой полезной модели решается путем применения в конструкции теплоэлектронагревателя набора из трех пластин и возможности их неполярного подключения к однофазной сети питания переменного тока с использованием обеих поверхностей центральной пластины в качестве рабочих поверхностей для пропускания электрического тока через жидкий теплоноситель, например воду, между пластинами теплоэлектронагревателя.
Поставленная задача во втором варианте предлагаемой полезной модели решается путем применения в конструкции теплоэлектронагревателя набора из четырех пластин и возможности их неполярного подключения к трехфазной сети питания переменного тока с использованием обоих поверхностей каждой пластины в качестве рабочих поверхностей для пропускания электрического тока через жидкий теплоноситель, например воду, между пластинами теплоэлектронагревателя.
Первый вариант предлагаемого котла электродного, как и известный котел электродный, включает теплоэлектронагреватель жидкого теплоносителя, установленный в полости корпуса, образованного двумя крышками, закрепленными между собой, токоподводы теплоэлектронагревателя, элементы электроизоляции теплоэлектронагревателя, входной и выходной патрубки для теплоносителя, а, в соответствии с первым вариантом предлагаемой полезной модели, теплоэлектронагреватель выполнен в виде набора из, как минимум, трех одинаковых металлических пластин жестко и с одинаковым расстоянием между ними установленных в соответствующих изолированных гнездах в крышках корпуса. Каждая из пластин предназначена для подключения через соответствующий токоподвод к фазному или к нулевому выводу источника однофазного переменного тока. При этом боковые пластины набора предназначены для подключения к одному и тому же самому фазному или к нулевому выводу, а центральная пластина предназначена для подключения через соответствующий токоподвод к другому выводу источника питания однофазного переменного тока с возможностью протекания электрического тока через жидкий теплоноситель в полости корпуса между центральной и боковыми пластинами.
Еще одной особенностью первого варианта предлагаемого котла электродного является и то, что боковые пластины набора соединены между собой, а их соединение подключено к одному из двух токоподводов в полости корпуса.
Второй вариант предлагаемого котла электродного, как и известный котел электродный, включает теплоэлектронагреватель жидкого теплоносителя, установленный в полости корпуса, образованного двумя крышками, закрепленными между собой, токоподводы теплоэлектронагревателя, элементы электроизоляции теплоэлектронагревателя, входной и выходной патрубки для теплоносителя, а, в соответствии со вторым вариантом предлагаемой полезной модели, теплоэлектронагреватель выполнен в виде набора из, как минимум, четырех одинаковых металлических пластин, жестко и с одинаковым расстоянием между ними установленных в соответствующих изолированных гнездах в крышках корпуса. Каждая пластина предназначена для подключения через токоподвод к определенной фазе источника трехфазного переменного тока, а первая и последняя пластины набора предназначены для подключения к одной определенной фазе источника трехфазного переменного тока.
Теплоэлектронагреватель может быть выполнен в виде набора из одинаковых параллельных плоских пластин прямоугольной формы, или коаксиально установленных пластин цилиндрической формы, или пластин, каждая из которых имеет форму фрагмента сферы, или форму уголка.
Расстояние Н между ближайшими поверхностями соседних пластин равно или больше семи миллиметров.
Использование в первом варианте предлагаемого котла в качестве теплоэлектронагревателя именно трех пластин, через промежуток между которыми, заполненный теплоносителем-водой - пропускают электрический ток, позволяет задействовать в предлагаемом устройстве обе поверхности центральной пластины для пропускания электрического тока между соседними пластинами.
Применение во втором варианте предлагаемого устройства в качестве теплоэлектронагревателя именно четырех пластин, между которыми через теплоноситель-воду - пропускают электрический ток, позволяет эффективно использовать преимущества трехфазного переменного тока для нагрева воды по сравнению с однофазным - возможность задействовать обе поверхности каждой пластины для пропускания электрического тока между соседними пластинами и выделения тепла.
Наиболее простой и технологичной является конструкция теплоэлектронагревателя из одинаковых плоских пластин прямоугольной формы. Применение коаксиально установленных пластин цилиндрической формы позволяет увеличить рабочие поверхности и, как следствие, повысить эффективность устройства, но требует увеличения затрат на его изготовление. Более эффективным является котел электродный, в котором пластины имеют форму фрагмента сферы, но такой котел является и более металлоемким, и имеет большую стоимость, чем котел с плоскими пластинами. Возможно также использование волнистых (в сечении), зубчатых или угловых пластин, но изготовление таких пластин более трудоемко, а поэтому изготовитель котла, принимая решение относительно формы пластин теплоэлектронагревателя, должен оценить и себестоимость изготовления котла, и наличие технологического оборудования, и требования заказчика,
Оптимальное расстояние Н между ближайшими поверхностями соседних пластин было найдено авторами экспериментально. При этом определяли значения плотности тока и ресурс работы электродов при работе котла с водопроводной водой или с водными растворами, которые применяют в системах циркуляционного водяного отопления помещений. В процессе экспериментов ставили задачу найти такое значение Н, при котором вероятность возникновения короткого замыкания, локального неконтролированного закипания рабочей жидкости (теплоносителя) между электродами была бы минимальной. Оказалось, что для поддержания безопасной плотности тока между пластинами и надежной работы устройства расстояние Н между ближайшими поверхностями соседних пластин должно быть равно или превышать семь миллиметров, поскольку, в частности, при таком значении Н возникновения короткого замыкания между пластинами не было зарегистрировано.
Учитывая новую совокупность существенных признаков, которая описывает каждый вариант предлагаемого котла электродного, можно сделать вывод о том, что оба варианта предлагаемого устройства отвечают критерию полезной модели «новизна».
Каждый вариант предлагаемого котла электродного состоит из известных конструктивных элементов, для изготовления которых используют известные на сегодняшний день технологические приемы, средства и материалы, он может быть использован в различных отраслях промышленности, а поэтому можно сделать вывод о том, что оба варианта предлагаемого котла электродного отвечают критерию полезной модели «промышленная применимость».
Суть предлагаемой полезной модели объясняется с помощью схематических чертежей.
На фиг.1 показан общий вид первого варианта предлагаемого котла электродного (однофазного).
На фиг.2 показан общий вид первого варианта предлагаемого котла электродного (однофазного) со снятой верхней крышкой.
На фиг.3 показано внутреннее насыщение первого варианта предлагаемого котла электродного (однофазного).
На фиг.4 показан общий вид второго варианта предлагаемого котла электродного (трехфазного).
На фиг.5 показано внутреннее насыщение второго варианта предлагаемого котла электродного (трехфазного).
Каждый вариант предлагаемого котла электродного включает теплоэлектронагреватель 1 теплоносителя, установленный в полости 2 корпуса, образованной между двумя крышками 3 и 4, жестко скрепленными между собой. Котел снабжен токоподводами 5 для подвода электрического тока на теплоэлектронагреватель 1, элементами электроизоляции 6 теплоэлектронагревателя и патрубками 7 и 8 для подвода в полость 2 и вывода из полости 2 корпуса жидкого теплоносителя-воды. Теплоэлектронагреватель 1 изготовлен в виде набора одинаковых металлических пластин, жестко и с одинаковым расстоянием между ними установленных в соответствующих изолированных гнездах /не показано/ в крышках 3 и 4 корпуса. Расстояние Н между ближайшими поверхностями соседних пластин теплоэлектронагревателя 1 составляет 7-9 миллиметров, поскольку именно такое значение Н позволяет исключить возникновение короткого замыкания, поддерживать безопасную плотность тока между пластинами, обеспечить надежную работу устройства во время нагревания воды. Элементы электроизоляции 6 изготовлены из силикона и полностью закрывают металлические контакты для подключения пластин теплоэлектронагревателя 1. Котел обеспечен также коммутирующим устройством, в простейшем случае - автоматическим выключателем, магнитным пускателем с тепловой защитой и терморегулятором, предназначенным для поддержания заданной пользователем температуры. При этом коммутирующий элемент терморегулятора включен последовательно с обмоткой магнитного пускателя /не показано/. Котел может быть снабжен и автоматическим регулятором температуры, который включает термопару, спай которой закреплен на крышке 3 и программирующее устройство, которое задает определенное время работы котла, его последующее выключение и затем повторный запуск в работу после уменьшения температуры котла до заранее заданной /не показано/.
В первом варианте предлагаемого котла электродного на крышках размещены два токоподвода 5, один из которых предназначен для подключения боковых металлических пластин теплоэлектронагревателя 1 к фазному выводу источника однофазного переменного тока /не показано/, а второй токоподвод 5 - для подключения центральной пластины теплоэлектронагревателя 1 - к нулевому выводу источника однофазного тока (или наоборот). Теплоэлектронагреватель 1 может быть выполнен в виде набора из трех одинаковых параллельных плоских пластин прямоугольной формы или в виде трех одинаковых коаксиально установленных пластин цилиндрической формы /не показано/, или в виде набора из трех одинаковых пластин, каждая из которых имеет форму фрагмента сферы /не показано/, или форму уголка /не показано/. Боковые пластины теплоэлектронагревателя 1 жестко соединены между собой металлической пластиной, а их соединение подключено к одному из двух токоподводов 5 в полости 2 корпуса.
Во втором варианте предлагаемого котла электродного теплоэлектро-нагреватель 1 теплоносителя содержит четыре одинаковых металлических пластины, жестко и с одинаковым расстоянием Н между ними установленных в соответствующих изолированных гнездах в крышках 3 и 4 корпуса и, соответственно, три токоподвода 5 для подключения пластин теплоэлектронагревателя 1 к источнику трехфазного переменного тока /не показано/. Каждая пластина предназначена для подключения через отдельный токоподвод 5 к определенной фазе источника трехфазного переменного тока /не показано/, а первая и последняя пластины набора предназначены для подключения к одной определенной фазе источника трехфазного тока. Поскольку корпус выдерживает значительные механические и термические нагрузки, он обеспечен предохранительным клапаном для уменьшения давления пара в полости 2 корпуса /не показано/. Элементы электроизоляции 6 изготовлены из силикона и обеспечивают также уплотнение корпуса.
Предлагаемый котел электродный работает так.
Собранный котел электродный встраивают (монтируют) в удобном месте системы циркуляционного водяного отопления. Систему отопления заполняют водопроводной водой. Охлажденную воду из радиаторов отопления системы через патрубок 7 закачивают в полость 2 котла. Через замкнутые контакты коммутирующего устройства и токоподводы 5 подключают теплоэлектро-нагреватель 1 к источнику питания переменного тока /не показано/.
При этом центральную пластину теплоэлектронагревателя 1 первого варианта котла электродного подключают через один токоподвод 5 к фазе, а боковые пластины - через второй токоподвод 5 - к нулевому выводу источника питания однофазного переменного тока /не показано/.
Во втором варианте предлагаемого котла крайние - первую и последнюю -пластины набора теплоэлектронагревателя 1 котла электродного подключают через токоподводы 5 к одной и той же фазе источника питания трехфазного переменного тока - к фазе "A", а вторую и третью - центральные пластины - через собственные токоподводы 5 - соответственно, к фазам "B" и "C" источника питания трехфазного переменного тока /не показано/.
В первом варианте предлагаемого котла электродного в полости 2 котла через воду между поверхностями каждой боковой пластины теплоэлектронагревателя 1 и ближайшей к ней поверхностью центральной пластины проходит электрический ток и, таким образом, обе поверхности центральной пластины теплоэлектронагревателя 1 являются рабочими - через них проходит переменный однофазный электрический ток.
Во втором варианте предлагаемого котла электродного в полости 2 котла трехфазный электрический ток поступает на пластины теплоэлектронагревателя 1 и проходит через теплоноситель от пластины с фазой "A" к пластине с фазой "B", от пластины с фазой "B" - к пластине с фазой "С", а от пластины с фазой "С" - к пластине с фазой "A" и, таким образом, обе поверхности каждой пластины теплоэлектронагревателя 1 оказываются рабочими - через них проходит переменный трехфазный электрический ток.
Таким образом, за счет увеличения рабочих поверхностей электродов-пластин теплоэлектронагревателя 1 производительность предлагаемого котла электродного при тех же габаритах выше, чем у котла-прототипа.
В каждом варианте котла электродного электрический ток, протекая через пластины теплоэлектронагревателя 1 и воду между пластинами в полости 2 корпуса, нагревает воду до заданной терморегулятором температуры, после чего коммутирующее устройство разрывает контакты в цепи питания теплоэлектронагревателя 1 - ток на пластины не поступает и котел охлаждается.
Повторный запуск котла в работу может быть осуществлен в ручному режиме после путем включения автоматического выключателя и магнитного пускателя или в автоматическом режиме, например, после уменьшения температуры котла до заранее заданной или после истечения заданного времени.
1. Котел электродный, содержащий теплоэлектронагреватель жидкого теплоносителя, установленный в полости корпуса, образованного двумя крышками, закрепленными между собой, токоподводы теплоэлектронагревателя, элементы электроизоляции теплоэлектронагревателя, входной и выходной патрубки для теплоносителя, отличающийся тем, что теплоэлектронагреватель выполнен в виде набора из как минимум трех одинаковых металлических пластин, установленных жестко и с одинаковым расстоянием между ними в соответствующих изолированных гнездах в крышках корпуса, каждая из пластин предназначена для подключения через соответствующий токоподвод к фазному или к нулевому выводу источника однофазного переменного тока, боковые пластины набора предназначены для подключения к одному и тому же самому фазному или к нулевому выводу, а центральная пластина предназначена для подключения через соответствующий токоподвод к другому выводу источника питания однофазного переменного тока с возможностью протекания электрического тока через жидкий теплоноситель в полости корпуса между центральной и боковыми пластинами.
2. Котел электродный, содержащий теплоэлектронагреватель жидкого теплоносителя, установленный в полости корпуса, образованного двумя крышками, закрепленными между собой, токоподводы теплоэлектронагревателя, элементы электроизоляции теплоэлектронагревателя, входной и выходной патрубки для теплоносителя, отличающийся тем, что теплоэлектронагреватель выполнен в виде набора из как минимум четырех одинаковых металлических пластин, установленных жестко и с одинаковым расстоянием между ними в соответствующих изолированных гнездах в крышках корпуса, каждая пластина предназначена для подключения через токоподвод к определенной фазе источника трехфазного переменного тока, а первая и последняя пластины набора предназначены для подключения к одной и той же фазе источника трехфазного переменного тока с возможностью протекания электрического тока через жидкий теплоноситель в полости корпуса между пластинами.
