BR112019009184B1 - Aquecedor e método para aquecer um fluido eletricamente condutor - Google Patents

Abstract

Um aquecedor ôhmico para aquecer um fluido condutor tem uma pluralidade de eletrodos montados em uma estrutura com espaços entre os eletrodos. Os eletrodos (14) são seletivamente conectados aos polos (38, 40) de uma fonte de alimentação, de modo que alguns eletrodos são conectados aos polos e outros permanecem isolados dos polos. Comutadores de derivação são providos para conectar dois ou mais dos eletrodos isolados entre si. Os comutadores de derivação permitem a formação de um grande número de diferentes esquemas de conexão, possuindo uma variedade de diferentes percursos de condução eléctrica através de fluido nos espaços e uma variedade de resistências entre os polos com relativamente poucos eletrodos e espaços.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA AOS PEDIDOS RELACIONADOS

[001] O presente pedido reivindica o benefício da data de depósito do Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos No. 62/458,201 depositado em 13 de fevereiro de 2017 e reivindica o benefício do Pedido Provisório US No. 62/418,493 depositado em 7 de novembro de 2016, ambos os quais são aqui incorporados por referência.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção refere-se a dispositivos de aquecimento de fluidos ôhmicos, e métodos de aquecimento de um fluido. Um aquecedor de fluido ôhmico pode ser usado para aquecer um fluido eletricamente condutor como, por exemplo, água potável. Tal aquecedor inclui tipicamente vários eletrodos espaçados um do outro. Os eletrodos são contatados com o fluido a ser aquecido para que o fluido preencha os espaços entre os eletrodos vizinhos. Dois ou mais dos eletrodos são conectados a uma fonte de alimentação, de modo que diferentes potenciais elétricos sejam aplicados a diferentes eletrodos. Por exemplo, quando um aquecedor ôhmico é operado usando alimentação de utilidade normal de CA, tal como a obtida a partir de um plugue elétrico residencial, pelo menos um dos eletrodos é conectado a um polo com um potencial alternado, enquanto pelo menos um outro eletrodo é conectado ao polo oposto carregando um polo neutro ou terra. A eletricidade passa entre os eletrodos através do fluido, pelo menos, um espaço entre os eletrodos, e a energia elétrica é convertida em calor pela resistência elétrica do fluido.

[003] É desejável controlar a taxa na qual a energia elétrica é convertida em calor, (a “taxa de aquecimento”), em tal aquecedor, para alcançar a temperatura desejada do fluido aquecido. Foi proposto variar a taxa de aquecimento movendo mecanicamente os eletrodos próximos uns dos outros, variando assim a resistência elétrica entre os eletrodos. Tais arranjos, no entanto, requerem elementos mecânicos complexos, incluindo partes móveis expostas ao fluido. Além disso, é difícil fazer com que esses mecanismos respondam rapidamente para lidar com condições que mudam rapidamente. Por exemplo, se um aquecedor ôhmico for usado em um arranjo de “aquecimento instantâneo” para aquecer a água fornecida a um aparelho de encanamento, tal como uma cabeça de chuveiro, a água passa continuamente pelo aquecedor diretamente para a luminária enquanto o aparelho está em uso. Se o usuário aumentar repentinamente a vazão da água, ao abrir uma válvula no aparelho, o aquecedor deve reagir rapidamente para aumentar a taxa de aquecimento de modo a manter a água fornecida ao aparelho a uma temperatura substancialmente constante.

[004] Também foi proposto prover um aquecedor ôhmico com um número substancial de eletrodos e com comutadores de alimentação para conectar seletivamente diferentes dos eletrodos aos polos da fonte de alimentação. Por exemplo, uma matriz de eletrodos pode ser disposta em um arranjo linear com espaços entre os eletrodos. A matriz inclui dois eletrodos nos extremos da matriz e vários eletrodos intermediários entre os dois eletrodos extremos. Para prover uma taxa de aquecimento mínima, os eletrodos extremos são conectados a polos opostos da fonte de alimentação, e os eletrodos intermediários são isolados dos polos. A corrente elétrica passa de um eletrodo extremo através do fluido em um primeiro espaço para o mais próximo dos eletrodos intermediários, então através de fluido no próximo espaço para o próximo eletrodo isolado e assim por diante até atingir o último eletrodo intermediário, e flui do último eletrodo intermediário para o outro eletrodo extremo. Assim, o fluido dentro de todos os espaços é eletricamente conectado em série entre os dois eletrodos extremos. Este esquema de conexão provê alta resistência elétrica entre os polos da fonte de alimentação e uma baixa taxa de aquecimento.

[005] Para uma taxa de aquecimento máxima, todos os eletrodos são conectados aos polos de modo que cada eletrodo seja conectado ao polo oposto a partir de seu próximo vizinho mais próximo. Dito de outra forma, as alternativas dos eletrodos são conectadas ao polo quente e ao polo neutro. Nesta condição, o fluido em cada espaço é diretamente conectado entre os polos da fonte de alimentação, em paralelo com o fluido em todos os outros espaços. O esquema de conexão provê resistência mínima entre os polos. Taxas de aquecimento intermediário podem ser obtidas conectando várias combinações de eletrodos aos polos da fonte de alimentação. Por exemplo, em um desses esquemas de conexão, dois dos eletrodos intermediários são conectados a polos opostos da fonte de alimentação, e os eletrodos restantes são isolados eletricamente dos polos da fonte de alimentação. Os eletrodos intermediários conectados são separados uns dos outros por alguns outros eletrodos intermediários e alguns espaços, de modo que o fluido em apenas alguns espaços seja conectado em série entre os polos. Este esquema de conexão provê uma resistência entre os polos que é maior que a resistência no esquema de taxa máxima de aquecimento, mas menor resistência que a resistência no esquema de taxa de aquecimento mínimo. Com o fluido possuindo uma dada condutividade, diferentes esquemas de conexão proverão diferentes resistências entre os polos e, portanto, diferentes taxas de aquecimento. Como a resistência com um dado esquema de conexão diminui à medida que a condutividade aumenta, um parâmetro aqui referido como “resistência específica” é usado nesta descrição para caracterizar um circuito ou uma parte de um circuito possuindo elementos eletricamente conectados por um fluido. A resistência específica é a relação entre a resistência elétrica do circuito ou parte de um circuito e a resistividade do fluido no circuito.

[006] Normalmente, os comutadores são comutadores eletricamente controláveis, tais como elementos de comutação semicondutores como, por exemplo, tiristores. Aquecedores ôhmicos deste tipo podem comutar rapidamente entre os esquemas de conexão e, assim, comutar rapidamente entre as taxas de aquecimento. Tais aquecedores não requerem nenhuma parte móvel em contato com o fluido para controlar a taxa de aquecimento. No entanto, os aquecedores ôhmicos deste tipo podem apenas selecionar dentre o conjunto das resistências específicas fixadas pela configuração física dos eletrodos e, portanto, a taxa de aquecimento, em etapas. Sob certas condições, as taxas de aquecimento disponíveis podem não corresponder à taxa de aquecimento que produz a temperatura desejada do fluido. Esta desvantagem pode ser mais significativa para aqueles aquecedores que são usados em uma variedade de condições diferentes, tais como fluidos de condutividades amplamente diferentes, diferentes caudais de fluido fluindo através do aquecedor a diferentes taxas; diferentes temperaturas de entrada de fluido e diferentes temperaturas de saída de fluido. Por exemplo, se o aquecedor prover um conjunto de diferentes resistências específicas entre uma resistência específica mais alta utilizável para prover uma baixa taxa de aquecimento com um fluido de condutividade relativamente alta e uma menor resistência específica utilizável para prover uma alta taxa de aquecimento com um fluido de baixa condutividade, apenas um pequeno subconjunto das resistências específicas disponíveis estará dentro de uma gama útil para regular a temperatura de um determinado fluido. Adicionar mais eletrodos aumenta o custo e o tamanho do aquecedor. Além disso, eletrodos adicionais podem produzir esquemas de conexão redundantes, de modo que diferentes esquemas de conexão proveem a mesma resistência específica entre os polos da fonte de alimentação, caso em que os eletrodos adicionais oferecem pouco benefício.

[007] Uma solução para este problema é descrita nas patentes dos Estados Unidos 7.817.906 e 8.861.943, cujas descrições são aqui incorporadas por referência. Como descrito nestas patentes, o provimento de eletrodos em um arranjo com resistências específicas não uniformes entre pares de eletrodos vizinhos como, por exemplo, provimento de eletrodos em espaçamentos não uniformes, pode prover um aquecedor ôhmico adequado para funcionar em uma ampla gama de condições. Desejavelmente, as resistências específicas entre pares de eletrodos vizinhos são selecionadas de modo que, para um fluido de uma dada condutividade, os níveis de potência disponíveis utilizando diferentes esquemas de conexão incluam uma série de resistências específicas não redundantes que se estendem ao longo de uma gama muito ampla. Por exemplo, um aquecedor deste tipo pode prover 60 ou mais resistências específicas em uma série substancialmente logarítmica, isto é, uma série de resistências específicas, de tal modo que uma relação entre cada resistência específica e a próxima resistência específica inferior é substancialmente constante. Tal arranjo provê uma solução útil que tem sido empregada comercialmente em aplicações exigentes como, por exemplo, um aquecedor instantâneo para água quente doméstica. No entanto, essa abordagem ainda requer um número relativamente grande de eletrodos. Por exemplo, certas modalidades do aquecedor podem utilizar mais de 20 eletrodos e atingir este nível de desempenho. Seria desejável prover um aquecedor ôhmico que possa fornecer um grande número de níveis de alimentação diferentes usando menos eletrodos.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[008] Um aspecto da presente invenção provê um aquecedor para aquecer um fluido eletricamente condutor. Um aquecedor de acordo com este aspecto da invenção desejavelmente inclui uma estrutura e uma pluralidade de eletrodos montados na estrutura, os eletrodos sendo montados na estrutura com espaços entre os vizinhos dos eletrodos. A estrutura é a estrutura sendo adaptada para manter os eletrodos em contato com o fluido com fluido nos espaços, de modo que o fluido nos espaços entre em contato com os eletrodos e conecte eletricamente os eletrodos vizinhos entre si. O aquecedor desejavelmente inclui uma fonte de alimentação elétrica possuindo pelo menos dois polos, a conexão da fonte de alimentação sendo operada para fornecer diferentes potenciais elétricos a diferentes dos polos. A estrutura desejavelmente também inclui comutadores de alimentação eletricamente conectados entre pelo menos alguns dos eletrodos e dos polos, os comutadores de alimentação sendo operáveis para conectar seletivamente os eletrodos aos polos e seletivamente desconectar os eletrodos dos polos, os comutadores de alimentação sendo operáveis para conectar e desconectar eletrodos de modo que os eletrodos incluam pelo menos primeiro e segundo eletrodos conectados conectados a diferentes polos da fonte de alimentação e primeiro e segundo eletrodos isolados desconectados dos polos.

[009] Preferencialmente, o aquecedor inclui adicionalmente comutadores de derivação eletricamente conectados a pelo menos alguns dos eletrodos, os comutadores de derivação sendo operáveis para formar seletivamente uma conexão de derivação entre o primeiro e o segundo eletrodos isolados. Desejavelmente, os comutadores de alimentação e comutadores de derivação são operáveis para conectar os eletrodos em uma pluralidade de esquemas de conexão, de modo que diferentes dos eletrodos constituem os eletrodos conectados e os eletrodos isolados em diferentes dos esquemas de conexão. Como discutido abaixo, a capacidade de formar conexões de derivação entre eletrodos isolados provê numerosos esquemas de conexão exclusivos, além dos esquemas de conexão que podem ser formados usando os comutadores de alimentação, sem conexões de derivação. Os esquemas de conexão adicionais geralmente têm resistências específicas diferentes daquelas alcançadas sem conexões de derivação. Assim, os aquecedores de acordo com certas modalidades da presente invenção podem prover uma sequência satisfatória de resistências específicas com menos eletrodos do que os requeridos para prover uma sequência semelhante em um aquecedor comparável sem capacidade de derivação.

[0010] Um aspecto adicional da presente invenção provê métodos de aquecimento de um fluido condutor. Um método de acordo com este aspecto da invenção que coloca em contato o fluido com uma pluralidade de eletrodos possuído espaços entre os vizinhos dos eletrodos, de modo que o fluido nos espaços entra em contato com os eletrodos e conecta eletricamente os eletrodos vizinhos uns aos outros. O método desejavelmente inclui conectar e desconectar seletivamente os eletrodos com polos de uma fonte de alimentação de modo que os eletrodos incluam pelo menos os primeiro e segundo eletrodos conectados conectados a diferentes polos da fonte de alimentação e os primeiro e segundo eletrodos isolados desconectados dos polos. De preferência, o método inclui a etapa adicional de conectar eletricamente o primeiro e segundo eletrodos isolados uns aos outros sem conectar os primeiro e segundo eletrodos isolados aos polos da fonte de alimentação.

[0011] Outros aspectos e características da invenção serão evidentes a partir da descrição detalhada apresentada abaixo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0012] A figura 1 é uma vista secional diagramática representando um aquecedor de acordo com uma modalidade da invenção.

[0013] A figura 2 é uma vista diagramática em perspectiva de um eletrodo utilizado no aquecedor da figura 1

[0014] A figura 3 é um esquema elétrico diagramático parcialmente em bloco do aquecedor mostrado nas figuras 1 e 2.

[0015] A figura 4 é uma vista diagramática mostrando um esquema de conexão atingível com o aquecedor das figuras 1 a 3.

[0016] A figura 5 é um esquema elétrico do esquema de conexão, como mostrado na figura 4

[0017] A figura 6 é uma vista semelhante à figura 4, mas representando outro esquema de conexão atingível com o aquecedor das figuras 1 a 3.

[0018] A figura 7 é um esquema elétrico do esquema de conexão mostrado na figura 6.

[0019] A figura 8 é outra vista semelhante às figuras 4 e 6, mas representando ainda outro esquema de conexão atingível com o aquecedor das figuras 1 a 3.

[0020] A figura 9 é um esquema elétrico do esquema de conexão mostrado na figura 8

[0021] A figura 10 é ainda outra vista semelhante às figuras 4, 6 e 8, mas representando adicionalmente um outro esquema de conexão atingível com o aquecedor das figuras 1 a 3.

[0022] A figura 11 é um esquema elétrico do esquema de conexão mostrado na figura 10.

[0023] A figura 12 é um esquema elétrico de um aquecedor de acordo com uma modalidade adicional da invenção.

[0024] A figura 13 é uma vista secional diagramática de um aquecedor de acordo com ainda uma outra modalidade da invenção.

[0025] A figura 14 é uma vista secional diagramática tomada ao longo da linha 14-14 da figura 13

[0026] A figura 15 é uma vista em corte esquemática, representando elementos de um aquecedor de acordo com ainda outra modalidade da invenção.

[0027] A figura 16 é uma vista secional diagramática, representando um aquecedor de acordo com ainda outra modalidade da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0028] Um aquecedor de acordo com uma modalidade da invenção (figura 1) inclui uma estrutura 12 na forma de um alojamento oco 14. Cinco eletrodos 14 são montados no alojamento. Como mostrado na figura 2, cada eletrodo é geralmente uma placa retangular plana possuindo superfícies principais 16 e 18 voltadas em direções opostas com superfícies de borda se estendendo entre essas superfícies principais. Os eletrodos 14 são montados no alojamento 12, de modo que os espaços 20 são definidos entre os vizinhos dos eletrodos. Como usado nesta descrição com referência aos eletrodos, a expressão “vizinhança” significa que um espaço contínuo ininterrupto por qualquer outro eletrodo se estende entre os dois eletrodos vizinhos. As superfícies principais dos eletrodos 14 ficam voltadas umas para as outras, de modo que os eletrodos estão dispostos em uma pilha com a superfície principal 18 de um eletrodo voltada para a superfície principal oposta 16 do eletrodo vizinho. As superfícies principais dos eletrodos nesse arranjo são paralelas entre si, de modo que a distância entre as superfícies do eletrodo que delimita cada espaço é uniforme em toda a extensão do espaço. No entanto, neste arranjo, os eletrodos são espaçados de maneira não uniforme um do outro. Assim, a distância entre cada par de eletrodos vizinhos é diferente das distâncias entre outros pares de eletrodos vizinhos.

[0029] Na figura 1, cada eletrodo 14 tem um número ordinal mostrado entre parênteses ao lado do número de referência 14. O número ordinal indica a posição do eletrodo particular na pilha de cima para baixo, como visto na figura 1. Assim, o eletrodo 14(0) está mais próximo do topo do desenho; o eletrodo 14(1) é o próximo, seguido pelos eletrodos 14(2), 14(3) e 14(4) nessa ordem, com o eletrodo 14(4) sendo o mais próximo da parte inferior da pilha. Cada espaço 20 tem uma designação ordinal correspondente à designação ordinal dos dois eletrodos que delimitam esse espaço particular. Por exemplo, o espaço 20 (0-1) é delimitado pelos eletrodos 14(0) e 14(1); o espaço 20 (12) é delimitado pelo eletrodo 14(1) e pelo eletrodo 14(2), e assim por diante.

[0030] Os eletrodos podem ser formados de qualquer material eletricamente condutor compatível com o fluido a ser aquecido. Por exemplo, quando o fluido for água, os eletrodos podem ser formados a partir de materiais tais como aço inoxidável, titânio platinado ou grafite. O alojamento de formação de estrutura 12 também pode incluir qualquer material compatível com o fluido, mas deve incluir um material dielétrico ou materiais arranjados de modo que o alojamento não forme um percurso eletricamente condutor entre qualquer um dos eletrodos.

[0031] O alojamento 12 define uma entrada 22 e uma saída 24 se comunicando com os espaços. Os eletrodos 14 estão arranjados no alojamento 12 de modo que, em cooperação com o alojamento, eles formam um percurso de fluxo contínuo entre a entrada 22 e a saída 24. Os eletrodos e o alojamento estão arranjados de modo a que o fluido que passa da entrada para a saída irá passar através de todos os espaços 20 em série. Nesse caso, o fluido passa através dos espaços 20 (3-4); 20 (2-3); 20 (1-2); e 20 (0-1) nessa ordem antes de atingir a saída 24. Assim, o fluido pode ser direcionado através do aquecedor e do duto de entrada 26 e do duto de saída 28. Os eletrodos de aterramento 30 e 32 podem opcionalmente ser providos dentro dos dutos de entrada e de saída. Estes eletrodos de aterramento são desejavelmente remotos dos eletrodos 14.

[0032] O aquecedor como discutido acima em relação às figuras 1 e 2 também inclui um circuito elétrico (figura 3). O circuito inclui uma fonte de alimentação 36 que incorpora dois polos na forma dos condutores 38 e 40. Estes condutores estão conectados a um plugue 42 adaptado para conexão a uma fonte de alimentação elétrica tal como uma tomada de alimentação 44 que é conectada da maneira normal às redes de alimentação elétrica conectadas a um gerador elétrico 46. Os condutores são arranjados de modo que, em operação, diferentes potenciais elétricos sejam aplicados aos polos 38 e 40. Por exemplo, o condutor 40 pode ser um condutor neutro que recebe uma tensão neutra, tipicamente perto da tensão de aterramento, enquanto o condutor 38 pode ser um condutor “quente” que receberá uma tensão alternada fornecida por uma fonte de alimentação de CA.

[0033] Os comutadores de alimentação 48 são conectados entre os eletrodos 48 e a fonte de alimentação 36. Os comutadores de alimentação 48 são arranjados de modo que cada eletrodo possa ser conectado a qualquer um dos polos 38 e 40 ou pode ser deixado isolado dos polos. Como usado nesta descrição, o termo “comutador” inclui comutadores mecânicos que podem ser manualmente acionados ou acionados por dispositivos como relés ou similares e também inclui dispositivos de estado sólido que podem ser acionados para alternar entre uma condição de condução com impedância muito alta e uma condição “on” com impedância muito baixa. Exemplos de elementos comutadores de estado sólido incluem triacs, MOSFETs, tiristores e IGBTs. No arranjo particular representado, dois comutadores individuais de um único polo estão associados a cada eletrodo, sendo cada um operável para conectar o eletrodo associado a um diferente dos polos, e o eletrodo é isolado de ambos os polos quando ambos os comutadores estão abertos. No entanto, este arranjo pode ser substituído por qualquer outro arranjo de comutação eletricamente equivalente.

[0034] Como discutido abaixo, os eletrodos 14 que são isolados da fonte de alimentação 36 por operação dos comutadores 48 podem ser eletricamente conectados a um ou mais outros eletrodos pelo fluido nos espaços 20, e os outros eletrodos podem ser conectados aos polos. Tais conexões indiretas são ignoradas para determinar se um eletrodo está conectado ou não aos polos. Dito de outra forma, como usado nesta descrição, uma afirmação de que um eletrodo está conectado a um polo da fonte de alimentação deve ser entendida como significando que o eletrodo está diretamente conectado à fonte de alimentação através dos comutadores de alimentação e condutores elétricos associados.

[0035] O circuito inclui adicionalmente os comutadores de derivação 50. Um comutador de derivação é conectado a cada um dos eletrodos. Os comutadores de derivação também estão conectados a um primeiro barramento de derivação 52 de modo que quaisquer dois ou mais dos eletrodos 14 possam ser conectados um ao outro através do fechamento dos comutadores de derivação 50 conectados a esses eletrodos para formar uma conexão de derivação incluindo os comutadores fechados 50 e o barramento de derivação 52

[0036] Em operação, um fluido condutor como, por exemplo, um líquido condutor tal como água potável é passado através do alojamento da entrada para a saída de modo que o fluido esteja presente dentro dos espaços 20 (figura 1) entre os eletrodos 14 e de modo que os eletrodos entrem em contato com o fluido. Assim, o fluido dentro de cada espaço forma um percurso eletricamente condutor entre os eletrodos vizinhos delimitando o espaço. Como as distâncias D (figura 1) entre os pares de eletrodos vizinhos diferem umas das outras, as resistências elétricas do fluido nos espaços também diferem. Por exemplo, onde os espaços são preenchidos com líquido da mesma condutividade, o percurso entre os eletrodos 14(0) e 14(1) através do espaço 20 (0-1) é maior que o percurso entre os eletrodos 14(1) e 14(2) através do espaço 20 (1-2). Assim, o percurso pelo espaço 20 (0-1) terá maior resistência e menor condutividade que o percurso pelo espaço 20 (1-2). Dito de outra forma, os vários espaços têm diferentes resistências específicas.

[0037] Em operação, um fluido é passado através do aquecedor e a alimentação elétrica é fornecida aos polos 38 e 40. Pelo menos dois eletrodos são conectados aos polos 38 e 40 da fonte de alimentação 36 fechando um ou mais de seus comutadores de alimentação 48. Pelo menos um dos eletrodos conectados é conectado a um dos polos e pelo menos um dos eletrodos conectados é conectado ao polo oposto, de modo que a corrente elétrica flua através do fluido em pelo menos alguns dos espaços que estão dispostos entre os eletrodos conectados de forma oposta. A corrente total que passa pelo fluido nos vários espaços e, portanto, a alimentação dissipada no fluido e convertida em calor pela resistência do fluido, dependerá da resistência do percurso de corrente entre os polos opostos da fonte de alimentação através dos eletrodos conectados de forma oposta e através dos vários espaços no percurso atual entre esses eletrodos. Alguns esquemas de conexão podem ser definidos utilizando apenas as comutadores de alimentação 48 e deixando todos os comutadores de derivação 50 abertos. Por exemplo, onde o eletrodo 14(0) é conectado ao polo quente 38 ou vice-versa, e todos os outros eletrodos 14(1), 14(2) e 14(3) são desconectados dos polos, o percurso condutor se estende através do fluido em todos os espaços 20, com as resistências do fluido em todos os percursos conectados em série uns com os outros, de modo que relativamente pouca corrente flua entre os polos. Esta conexão provê a resistência específica máxima e a taxa de aquecimento mínima não zero. Este esquema de conexão tem uma alta resistência específica entre os polos da fonte de alimentação. Em outro esquema de conexão, os eletrodos 14(0), 14(2) e 14(4) podem todos ser conectados ao polo neutro 40, enquanto os eletrodos 14(1) e 14(3) podem ser conectados ao polo quente 38. Neste esquema de conexão, o percurso de condução se estende através das resistências elétricas de cada um dos espaços 20 em paralelo um com o outro, de modo que a resistência específica entre os polos é baixa e a taxa de aquecimento é tão alta quanto possível. Alguns esquemas de conexão com resistências específicas, e, portanto, taxas de aquecimento, entre estes extremos podem ser providos utilizando apenas os comutadores de alimentação 48, deixando de novo os comutadores de derivação 50 abertos. Por exemplo, o eletrodo 14(0) pode ser conectado ao polo quente 38 da fonte de alimentação, enquanto o eletrodo 14(1) é conectado ao polo neutro 40. Os eletrodos restantes são isolados da fonte de alimentação, deixando os comutadores associados 48 abertos ou conectados ao polo neutro, de modo que estejam no mesmo potencial que o eletrodo 14(1). Neste esquema de conexão, o percurso de condução entre os polos estende-se apenas através do espaço 20 (0-1). No entanto, esta conexão e desconexão dos eletrodos à fonte de alimentação enquanto deixa os comutadores de derivação 50 abertos pode produzir apenas um número limitado de diferentes esquemas de interconexão com diferentes resistências específicas e diferentes taxas de aquecimento.

[0038] Esquemas de conexões adicionais podem estar usando os comutadores de derivação 50 em conjunto com os comutadores de alimentação 48. Ao fechar dois ou mais dos comutadores de derivação 50, pode ser estabelecida uma conexão de derivação entre dois ou mais dos eletrodos. Essa conexão de derivação é independente da fonte de alimentação, de modo que os eletrodos isolados da fonte de alimentação permanecem isolados quando conectados um ao outro. Por exemplo, os comutadores de alimentação 48 podem ser acionados para conectar os eletrodos 14(0) e 14(4) ao polo quente 38 da fonte de alimentação e conectar o eletrodo 14(3) ao polo neutro ou de aterramento 40 da fonte de alimentação os eletrodos 14(1) e 14(2) isolados da fonte de alimentação e os comutadores de derivação 50 associados aos eletrodos 14(1) e 14(2) são acionados para conectar os eletrodos isolados 14(1) e 14(2) através de uma conexão de derivação incluindo estes comutadores de derivação e uma porção do barramento de derivação 52. Este esquema de conexão está esquematicamente representado nas figuras 4 e 5, a conexão de derivação sendo indicada em 60 na figura 4. Na figura 4 bem como nas figuras 6, 8 e 10 discutidos abaixo, a conexão de um eletrodo ao polo quente 38 é indicada pelo sombreado de trama cruzada, enquanto a conexão ao polo neutro é indicada pelo sombreado em linha vertical e o isolamento da fonte de alimentação é indicado por nenhum sombreamento. Neste esquema de conexão, um percurso condutor se estende do polo quente 38 e do eletrodo 14(0) através do espaço 20 (0-1) até o eletrodo 14(1), através da conexão de derivação 60 ao eletrodo 14(2) e através do espaço 20 (2-3) ao eletrodo 14(3). Dito de outra forma, esse percurso condutor inclui um primeiro eletrodo conectado, um primeiro espaço e um primeiro eletrodo isolado; a conexão de derivação 60, um segundo eletrodo isolado e um segundo espaço conectando o segundo eletrodo isolado ao segundo eletrodo conectado. Este percurso inclui assim as resistências elétricas do fluido nos espaços 20 (0-1) e 20 (2-3) conectados em série uns com os outros por conexão de derivação 60. Este percurso está conectado entre o polo quente 38 e o polo neutro 40. da fonte de alimentação. O fluido no espaço 20 (1-2) não constitui uma parte eficaz do percurso condutor porque a resistência elétrica da conexão de derivação 60 é substancialmente inferior à resistência do fluido no espaço 20 (1-2). No mesmo esquema de conexão, um outro percurso condutor estende-se do polo quente 38 através do eletrodo 14(4) através do fluido no espaço 20 (3-4) até ao eletrodo 14(3). Este trajeto condutor adicional está em paralelo com o primeiro percurso condutor mencionado, incluindo os espaços 20 (0-1) e 20 (2-3). Assim, a resistência elétrica do fluido no espaço 20 (3-4) é conectada em paralelo com as resistências do fluido nos espaços 20 (0-1) e 20 (2-3) formando uma série de compósitos - percurso paralelo entre os polos. Este esquema de conexão terá uma resistência específica diferente de qualquer resistência específica obtida sem uma conexão de derivação.

[0039] Em outro exemplo (figuras 6 e 7) os eletrodos 14(1) e 14(2) são conectados aos polos opostos da fonte de alimentação, enquanto os eletrodos 14(0) e 14(3) são desconectados da fonte de alimentação e conectados um ao outro por uma conexão de derivação 62 estabelecida através dos comutadores de derivação associados 50 (figura 1) e o barramento de derivação 52. Neste esquema de conexão, um percurso de condução se estende do polo quente 38 através do eletrodo conectado 14(2) através do espaço 20 (2-3) ao eletrodo isolado 14(3); do eletrodo isolado 14(3) através da conexão de derivação 62 aos eletrodos isolados 14(0) e através do espaço 20 (0-1) ao eletrodo conectado 14(1) e ao polo neutro 40 da fonte de alimentação. Este percurso de condução está em paralelo com outro percurso condutor a partir do polo quente e do eletrodo através do espaço 20 (1-2), conforme indicado esquematicamente na figura 7. Aqui, novamente, as resistências do fluido em dois dos percursos são conectadas em série umas com as outras, e esse percurso em série é conectado em paralelo com um percurso através de outro par de eletrodos. O eletrodo 4 pode ficar totalmente desconectado ou pode ser conectado ao barramento de derivação. Em ambos os casos, o eletrodo 14(4) terá substancialmente o mesmo potencial elétrico que o eletrodo 14(3), de modo que nenhuma corrente flua através do espaço 20 (3-4). Este esquema de conexão provê uma resistência elétrica diferente entre os polos da fonte de alimentação e, portanto, uma dissipação de alimentação diferente da conexão mostrada na figura 5.

[0040] Em um outro exemplo (as figuras 8 e 9), os eletrodos 14(1), 14(2) e 14(3) estão todos conectados ao barramento de derivação para formar uma conexão de derivação 64 entre todos os três eletrodos. enquanto o eletrodo 14(0) é conectado ao polo quente da fonte de alimentação e o eletrodo 14(4) é conectado ao polo neutro 40. O percurso condutor inclui o fluido nos espaços 20 (0-1) e 20 (3-) 4) em série um com o outro e com a conexão de derivação. O fluido nos espaços 20 (1-2) e 20 (1-3) não faz parte do percurso de condução, pois é eletricamente contornado pela conexão de derivação 64. Em uma variante deste esquema de conexão, o eletrodo 14(2) pode ser desconectado do barramento de derivação. Como os eletrodos 14(1) e 14(3) são mantidos no mesmo potencial pela conexão de derivação, isso não alterará o percurso condutor.

[0041] Em ainda outro exemplo (figuras 10 e 11), uma conexão de derivação 66 é estabelecida entre o eletrodo 14(0) e eletrodo 14(3). O eletrodo 14(2) é conectado ao polo quente 38 enquanto o eletrodo 14(4) é conectado ao polo neutro. Neste arranjo, um percurso condutor estende-se do eletrodo 14(2) para o eletrodo 14(1) através de um primeiro espaço 20 (1-2) e através de um segundo espaço 20 (0-1); do eletrodo 14(0) através da conexão de derivação 66 ao eletrodo 14(3) e do eletrodo 14(3) através do fluido no espaço 20 (3-4) para o eletrodo 4 e do polo neutro 40 da fonte de alimentação. Um outro percurso condutor estende-se do polo quente 38 e do eletrodo conectado 14(2) através do fluido no espaço 20 (2-3) para o eletrodo 3 e do eletrodo 3 através do fluido no espaço 20 (3-4) para o eletrodo 14(4) e o polo neutro 40. Assim, como mostrado na figura 11, o fluido nos espaços 20 (1-2) e 20 (0-1) conectados eletricamente em série um com o outro e esta conexão em série está em paralelo com o fluido no espaço 20 (2-3). Esta conexão série-paralela dos espaços de fluido está em série com o fluido no espaço 20 (3-4).

[0042] Usando os comutadores da fonte de alimentação e comutadores de derivação e numerosas outras combinações podem ser feitas de modo a prover numerosos valores únicos de resistência específica entre os polos da fonte de alimentação e assim numerosos valores únicos de taxa de aquecimento para fluido de uma dada condutividade. Dito de outra forma, a formação seletiva de conexões de derivação entre os eletrodos permite que o aquecedor proveja um conjunto de resistências específicas únicas que de outra forma exigiriam muito mais eletrodos.

[0043] O aquecedor discutido acima com referência às figuras 1 a 11 inclui adicionalmente um circuito de controle opcional 56 (figura 3). Embora um circuito de controle particular seja mostrado e discutido aqui, deve ser entendido que o aquecedor pode ser controlado pelo controle manual dos comutadores e o circuito de controle pode ser omitido. O circuito de controle particular 56 inclui uma unidade de processamento de controle 58 e um ou mais sensores para detectar o um ou mais parâmetros de operação do aquecedor. Em um exemplo, o um ou mais sensores pode incluir apenas um sensor de temperatura de saída 63 que é fisicamente montado na ou perto da saída 24 do alojamento 12 para detectar a temperatura do fluido descarregado do aquecedor. O sensor de temperatura pode incluir elementos convencionais como, por exemplo, um ou mais termopares, termistores e elementos de resistência com resistência elétrica que variam com a temperatura. A unidade de processamento de controle 58 está ligada aos comutadores de derivação 48 e aos comutadores de derivação 50, conforme indicado esquematicamente pelas setas de linha tracejada na figura 3 de modo que a unidade de processamento de controle possa atuar os comutadores para prover vários esquemas de interconexão, conforme discutido. A unidade de processamento de controle pode incluir uma memória 70, tal como uma memória não volátil, memória de acesso aleatório ou outro elemento de armazenamento convencional. A memória desejavelmente armazena dados para pelo menos alguns dos vários esquemas de conexão atingíveis pela operação dos comutadores. Os dados na tabela para cada esquema de conexão podem incluir as configurações para cada um dos comutadores de alimentação 48 e para cada um dos comutadores de derivação para formar um esquema de conexão particular, bem como dados especificando, explícita ou implicitamente, uma classificação da ordem de esquemas de conexão armazenados de suas resistências específicas. Por exemplo, os dados para cada esquema de conexão podem incluir a resistência específica entre os polos para esse esquema de conexão ou dados equivalentes, tais como valores de resistência ou condutividade para os vários esquemas de conexão, todos medidos ou calculados para o caso em que os espaços são cheios com um fluido de uma dada condutividade. Como alternativa, os dados explícitos podem ser simplesmente um número ordinal para cada esquema de conexão. Em um exemplo de classificação implícita, os dados que especificam as configurações de comutação para cada esquema de conexão podem ser armazenados em endereços dentro da memória, de modo que os dados em um endereço mais baixo especificam as configurações de comutação para um esquema de conexão com a menor resistência específica, os dados no próximo endereço mais baixo especifica os dados para o esquema de conexão com a próxima menor resistência específica, e assim por diante.

[0044] A unidade de processamento de controle 58 inclui adicionalmente uma unidade lógica 72 conectada à memória 70. A unidade lógica tem uma ou mais saídas conectadas aos comutadores de alimentação 48 e aos comutadores de derivação 50 como, por exemplo, por circuitos de acionadores convencionais (não mostrados) arranjados a traduzir sinais fornecidos pela unidade lógica para tensões ou correntes apropriadas para atuar os comutadores. A unidade lógica pode incluir um processador de uso geral programado para realizar as operações aqui discutidas, um circuito lógico ligado por fios, uma matriz de portas programável ou qualquer outro elemento lógico capaz de realizar as operações aqui discutidas. Embora o termo “unidade” seja usado aqui, isso não requer que os elementos que constituem a unidade sejam arranjados em um único local. Por exemplo, partes da unidade de processamento de controle, ou partes da unidade lógica, podem ser arranjadas em locais fisicamente separados, e podem estar operativamente conectadas umas às outras através de qualquer meio de comunicação.

[0045] Em operação, a unidade de controle pode iniciar o aquecedor em operação recuperando os dados de ajuste do comutador para o esquema de conexão com a resistência específica mais alta (taxa de aquecimento mais baixa) e ajustando os comutadores adequadamente, para que este esquema de conexão seja definido como primeiro esquema de conexão em uso. Após o arranque, a unidade de controle compara periodicamente a temperatura de saída do fluido, conforme determinado pelo sensor de temperatura de saída 63 com uma temperatura do ponto de ajuste. Se a temperatura de saída estiver abaixo do ponto de ajuste em mais de uma tolerância predeterminada, a unidade de controle recupera os dados de ajuste do comutador para um esquema de conexão com resistência específica uma etapa menor que o esquema de conexão usado para prover uma taxa de aquecimento maior e ajustar o comutador de acordo. Este processo é repetido ciclicamente até que a temperatura de saída atinja o ponto de ajuste. Se a temperatura de saída exceder o ponto de ajuste em mais do que a tolerância, a unidade de controle seleciona um esquema de conexão com uma resistência específica uma etapa acima no próximo ciclo para reduzir a taxa de aquecimento. Desta maneira, o circuito de controle finalmente chegará a uma taxa de aquecimento que leva o fluido para a temperatura de saída desejada. Desejavelmente, o sistema de controle aciona os comutadores para alterar o esquema de controle nos momentos em que a tensão alternada aplicada ao polo quente 38 da fonte de alimentação é igual ou próxima de zero. Esses tempos de cruzamento zero ocorrem duas vezes durante cada ciclo de uma forma de onda AC convencional. Esse arranjo minimiza transientes de comutação e geração de ruído elétrico.

[0046] Em um sistema de controle mais elaborado, os sensores ligados à unidade de processamento de controle podem incluir um sensor de temperatura de entrada 61 que está posicionado na entrada 22 (figura 1); e sensor de temperatura de saída 62 posicionado na saída 24 do alojamento, e um sensor de vazão 76 que pode ser posicionado em qualquer parte do percurso de fluxo. O sensor de vazão pode incluir dispositivos de medição de vazão convencionais, tais como medidores de fluxo ultrassônicos ou mecânicos. A unidade lógica pode comparar a temperatura de entrada com a temperatura do ponto de ajuste para calcular um aumento de temperatura desejado e multiplicar o aumento de temperatura desejado pela vazão e por uma constante representando o calor específico do fluido para chegar a uma taxa de aquecimento desejada e pode selecionar um esquema de conexão baseado pelo menos em parte nesta taxa de aquecimento desejada como a primeira. Os sensores também podem incluir um sensor de tensão 78 conectado para medir o potencial elétrico entre os polos 38 e 40 da fonte de alimentação e um sensor de corrente 80 para medir a corrente passando através da fonte de alimentação como um todo. Aqui, novamente, tipos convencionais de sensores para esses propósitos podem ser usados. A unidade lógica pode calcular a resistência ou condutância real entre a condutividade dos polos do fluido com base na corrente e tensão, e pode determinar a condutividade do fluido com base nesta resistência e a resistência específica do esquema de conexão em uso no momento das medições de corrente e tensão. Alternativamente, os sensores podem incluir um instrumento convencional separado para medir a condutividade do fluido. A unidade de controle pode calcular uma resistência específica entre os polos necessários para gerar a taxa de aquecimento desejada com um fluido da condutividade medida, e pode selecionar um esquema de conexão baseado na resistência específica computada.

[0047] Quando os sensores podem medir a condutividade do fluido, o sistema de controle pode usar essa informação para excluir esquemas de conexão que violariam os limites físicos do sistema, como uma classificação de corrente de um ou mais comutadores. Por exemplo, os eletrodos podem incluir eletrodos espaçados de perto definindo um espaço muito estreito com baixa resistência específica. Se esses eletrodos estiverem conectados a polos opostos da fonte de alimentação enquanto o aquecedor estiver cheio com um fluido de alta condutividade, a corrente que passa pelos comutadores de alimentação pode exceder a classificação atual dos comutadores. No entanto, essa conexão pode ser usada com um fluido de alta condutividade. O uso de um sistema de controle que pode reagir a mudanças na condutividade desta maneira permite que um determinado aquecedor inclua espaços com uma maior faixa de resistências específicas, e para acomodar uma faixa mais ampla de condutividade. Esta técnica de controle pode ser usada com ou sem o arranjo de derivações discutido acima.

[0048] Onde os sensores podem medir a tensão provida na fonte de alimentação, o sistema de controle pode limitar a seleção de esquemas de controle para limitar a seleção de esquemas de conexão somente àqueles utilizáveis com a tensão detectada. Assim, o sistema de controle pode excluir aqueles esquemas de conexão que farão com que a corrente em um ou mais comutadores exceda um máximo, para excluir os esquemas de conexão que farão com que a corrente total através da fonte de alimentação exceda um limite máximo. Essa abordagem é particularmente útil quando o sistema de controle também pode medir a condutividade. Esta abordagem facilita a operação de um aquecedor com esquemas de conexão abrangendo uma ampla faixa de resistências específicas com diferentes tensões. Por exemplo, o mesmo aquecedor pode ser operado com alimentação de utilidade a 110 ou 220 volts, ou com alimentação proveniente de células solares ou de um sistema elétrico automotivo, normalmente a 10 a 14 volts.

[0049] A resistência específica pode ser indicada como a própria resistência específica ou como outros valores que se traduzem diretamente na resistência específica. Por exemplo, a resistência específica entre os polos para cada esquema de conexão pode ser denotada pela razão de condução, isto é, a razão de condutância entre os polos para condutividade do fluido nos espaços entre os eletrodos. A razão de condução é o inverso da resistência específica. Além disso, a resistência específica para um dado esquema de conexão pode ser representada por um “espaçamento equivalente”, ou seja, a distância entre um par de eletrodos que, quando usado sem outros eletrodos, irá prover a mesma resistência entre os polos provida pelo esquema de conexão. O espaçamento equivalente é proporcional à resistência específica.

[0050] Um aquecedor de acordo com uma outra modalidade da invenção (figura 12) inclui mais eletrodos do que o aquecedor discutido acima com referência às figuras 1 a 11. O aquecedor da figura 12 inclui uma fonte de alimentação 136 tendo polos 138 e 140, e comutadores de alimentação 150 associados a cada eletrodo. Estes elementos são semelhantes aos elementos correspondentes na modalidade discutida acima. Nesta modalidade, são providos dois barramentos de derivação, em vez do barramento de derivação único utilizado na modalidade discutida acima. Além disso, os comutadores de derivação 150 podem conectar cada eletrodo a qualquer um dos barramentos de derivação. Esse arranjo permite a formação de duas conexões independentes de derivação, de modo que dois ou mais eletrodos possam ser conectados entre si usando o primeiro barramento de derivação, enquanto dois ou mais eletrodos podem ser conectados entre si usando o segundo barramento de derivação. Esta modalidade pode, assim, formar duas conexões de derivação que são isoladas eletricamente uma da outra. Esse arranjo pode prover ainda mais esquemas de conexão com diferentes resistências específicas. O aquecedor pode incluir qualquer número de eletrodos e qualquer número de barramentos de derivação.

[0051] Outros arranjos podem ser usados para estabelecer uma ou mais derivações entre os eletrodos. Por exemplo, uma rede de ponto cruzado pode ter condutores conectados aos eletrodos, incluindo alguns se estendendo em uma direção de linha e outros se estendendo em uma direção de coluna transversal à direção da linha, de modo que os condutores conectados a diferentes eletrodos se cruzam, mas são normalmente eletricamente isolados um do outro. Os comutadores de derivação podem ser providos nos cruzamentos de modo que as conexões de derivação possam ser feitas conectando os condutores de cruzamento entre si. Em uma outra variante, alguns dos eletrodos podem ser providos de um ou mais comutadores de derivação dedicados, estando cada um destes comutadores de derivação conectados a um diferente dos outros eletrodos. Assim, uma conexão de derivação pode ser estabelecida entre dois eletrodos, fechando um dos comutadores de derivação.

[0052] Nas modalidades discutidas acima com referência às figuras 1 a 12, cada eletrodo é provido com comutadores de derivação e com comutadores de alimentação, de modo que cada eletrodo pode ser conectado a qualquer polo da fonte de alimentação, ou a outro eletrodo através de uma conexão de derivação, ou pode ser deixado totalmente desconectado. No entanto, alguns dos comutadores podem ser omitidos, de modo que um ou mais eletrodos individuais podem ser conectados a uma fonte de alimentação, mas não a uma derivação, de modo que um ou mais dos eletrodos possam estar conectados apenas a uma derivação, ou ambos.

[0053] Um aquecedor de acordo com uma outra modalidade da invenção (figuras 13 e 14) é semelhante ao aquecedor discutido acima com referência às figuras 1 a 11. No entanto, no aquecedor das figuras 13 e 14, a estrutura 212 define um coletor de entrada 221 conectado à entrada de fluido e um coletor de saída 223 conectado à saída de fluido. Cada um dos espaços 220 entre os eletrodos 214 estende-se a partir do coletor de entrada 221 para o coletor de saída 223, de modo que o fluido que entra no aquecedor será dividido em correntes separadas que escoam os vários espaços em um arranjo de fluxo paralelo. Outros arranjos de fluxo mais complexos podem ser usados.

[0054] No aquecedor das figuras 13 e 14, os eletrodos são arranjados em espaçamento uniforme. No entanto, a resistência específica através do fluido em diferentes espaços é diferente devido a outros fatores. Por exemplo, a resistência específica do espaço 220 (0-1) é superior à resistência específica do espaço 220 (1-2) porque o espaço 220 (0-1) é restrito. A resistência específica do espaço 220 (2-3) é reduzida pela área exposta relativamente pequena do eletrodo 214(3). A configuração da superfície irregular do eletrodo 214(4) modifica a resistência específica do espaço 222 (3-4).

[0055] Em uma outra variante, cada um dos espaços pode ter a mesma resistência específica, mas o aquecedor pode ser provido com o arranjo de derivações discutido acima. O arranjo de derivações discutido acima ainda será vantajoso nesta situação.

[0056] Os eletrodos não precisam ser como placas. Por exemplo, o aquecedor da figura 15 inclui os eletrodos tubulares 320 separados pelos espaços anulares 320.

[0057] O arranjo de derivação e outras características discutidas aqui também podem ser aplicadas a eletrodos dispostos em um arranjo multidimensional. Por exemplo, um aquecedor como mostrado na figura 16 incorpora numerosos eletrodos tipo haste que se estendem na direção perpendicular ao plano do desenho. Esses eletrodos são dispostos em um arranjo bidimensional irregular. Neste arranjo, um ou mais eletrodos podem ter vários eletrodos vizinhos. Por exemplo, os eletrodos 414(a), 414(b), 414(c) e 414(d) são todos vizinhos de 414(e). Os percursos atuais em tal matriz bidimensional são mais complexos, mas o mesmo princípio se aplica: a formação seletiva de conexões em derivação aumenta o número de diferentes esquemas de conexão e diferentes resistências específicas entre os polos da fonte de alimentação que podem ser alcançados.

[0058] Não é essencial que a estrutura que segura os eletrodos defina um alojamento, ou que o fluido circule através do aquecedor durante o operação. Por exemplo, as características descritas acima podem ser aplicadas onde os eletrodos são expostos na parte externa da estrutura, de modo que os espaços entre os eletrodos possam ser preenchidos com o fluido a ser aquecido pela imersão da estrutura no fluido.

[0059] Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a modalidades particulares, é para ser entendido que estas modalidades são meramente ilustrativas dos princípios e aplicações da presente invenção. Por conseguinte, deve ser entendido que podem ser feitas numerosas modificações nas modalidades ilustrativas e que outras disposições podem ser concebidas sem sair do espírito e escopo da presente invenção, como definido pelas reivindicações apensas.

Claims (18)

1. Aquecedor para aquecer um fluido eletricamente condutor, que compreende: (a) uma estrutura (12, 212); (b) uma pluralidade de eletrodos (14, 114, 214, 314) montados na estrutura com espaços (20, 120, 220, 320) entre os vizinhos dos eletrodos, a estrutura (12, 212) sendo adaptada para manter os eletrodos (14, 114, 214, 314) em contato com o fluido com fluido nos espaços (20, 120, 220, 320), para que o fluido nos espaços (20, 120, 220, 320) entre em contato com os eletrodos (14, 114, 214, 314) e conecte eletricamente eletrodos vizinhos (14, 114, 214, 314) uns aos outros; (c) uma fonte de alimentação elétrica (36, 136) possuindo, pelo menos, dois polos, a conexão da fonte de alimentação (36, 136) sendo operável para fornecer diferentes potenciais elétricos a diferentes dos polos (38, 40, 138, 140); e (d) comutadores de alimentação (48, 148) conectados eletricamente entre pelo menos alguns dos eletrodos (14, 114, 214, 314) e os polos, os comutadores de alimentação sendo operáveis para conectar seletivamente os eletrodos aos polos e para desconectar seletivamente os eletrodos dos polos, os comutadores de alimentação sendo operáveis para conectar e desconectar eletrodos de modo que os eletrodos (14, 114, 214, 314) incluam pelo menos primeiro e segundo eletrodos conectados a diferentes polos da fonte de alimentação (36, 136) e os primeiro e segundo eletrodos isolados desconectados dos polos; caracterizado pelo fato de que (e) comutadores de derivação (50, 150) conectados eletricamente a pelo menos alguns dos eletrodos (14, 114, 214, 314), os comutadores de derivação sendo operáveis para formar seletivamente uma conexão de derivação entre os primeiro e segundo eletrodos isolados.

2. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os comutadores de alimentação (36, 136) e os comutadores de derivação (50, 150) são operáveis para conectar os eletrodos (14, 114, 214, 314) em uma pluralidade de esquemas de conexão, de modo que diferentes dos eletrodos (14, 114, 214, 314) constituem os eletrodos conectados e os eletrodos isolados nos diferentes dos esquemas de conexão.

3. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que em pelo menos um dos esquemas de conexão, um percurso de condução se estende do primeiro eletrodo vivo através de fluido em pelo menos um dos espaços (20, 120, 220, 320) para o primeiro eletrodo isolado, através da conexão de derivação ao segundo eletrodo isolado, e do segundo eletrodo isolado através de fluido em pelo menos mais um dos espaços (20, 120, 220, 320) para o segundo eletrodo vivo.

4. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um ou mais sensores (63, 76, 78, 80) operativos para detectar uma ou mais condições de operação do aquecedor, e um controlador (58) conectado a um ou mais sensores, comutadores de alimentação (36, 136) e comutadores de derivação (50, 150), o controlador sendo operativo para controlar os comutadores de alimentação e de derivação para selecionar diferentes esquemas de condução responsivos a uma ou mais das condições de operação.

5. Aquecedor de fluido de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a distância entre pelo menos um par de vizinhos dos eletrodos (14, 114, 214, 314) é diferente de uma distância entre pelo menos um outro par de vizinhos dos eletrodos (14, 114, 214, 314).

6. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos eletrodos (14, 114, 214, 314) são placas possuindo superfícies principais, as placas sendo arranjadas em uma pilha com as superfícies principais das placas vizinhas confrontando- se umas às outras e delimitando os espaços (20, 120, 220, 320) entre as placas.

7. Aquecedor de fluido de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que uma resistência específica de pelo menos um dos espaços (20, 120, 220, 320) é diferente de uma resistência específica de pelo menos outro dos espaços (20, 120, 220, 320).

8. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os comutadores da fonte de alimentação são operáveis para conectar e desconectar eletrodos (14, 114, 214, 314) com a fonte de alimentação (36, 136) de modo que haja pelo menos quatro eletrodos isolados incluindo o primeiro e segundo eletrodos (14, 114, 214, 314) isolados e terceiro e quarto eletrodos isolados, e em que os comutadores de derivação (50, 150) são operáveis para formar pelo menos duas conexões de derivação separadas de modo a conectar os primeiro e segundo eletrodos isolados entre si e conectar os terceiro e quarto eletrodos isolados entre si sem conectar os terceiro e quarto eletrodos isolados aos primeiro e segundo eletrodos isolados.

9. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda os primeiro e segundo barramentos de derivação (52), pelo menos alguns dos comutadores de derivação (50, 150) estando conectados entre pelo menos alguns dos eletrodos (14, 114, 214, 314) e o primeiro barramento de derivação e pelo menos alguns dos comutadores de derivação sendo conectados entre pelo menos alguns dos eletrodos (14, 114, 214, 314) e o segundo barramento de derivação.

10. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um primeiro barramento de derivação eletricamente condutor (52), pelo menos alguns dos comutadores de derivação (50, 150) estando conectados entre, pelo menos, alguns dos eletrodos (14, 114, 214, 314) e do primeiro barramento de derivação.

11. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos eletrodos (14, 114, 214, 314) são eletrodos multiusos, cada um dos eletrodos multiusos estando conectado eletricamente a um ou mais dos comutadores de alimentação (48, 148) e a um ou mais dos comutadores de derivação (50, 150).

12. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura (12, 212) inclui um invólucro e os eletrodos (14, 114, 214, 314) e espaços (20, 120, 220, 320) estão arranjados dentro do invólucro.

13. Aquecedor de fluido de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o invólucro tem uma entrada (22) e uma saída (24) e os eletrodos (14, 114, 214, 314) e o invólucro estão arranjados de modo que o fluido possa fluir da entrada para a saída através dos espaços (20, 120, 220, 320).

14. Método para aquecer um fluido eletricamente condutor com um aquecedor conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13, compreendendo: (a) fazer contato do fluido com uma pluralidade de eletrodos (14, 114, 214, 314) possuindo espaços (20, 120, 220, 320) entre os vizinhos dos eletrodos de modo que o fluido nos espaços entre em contato com os eletrodos e conecte eletricamente os eletrodos vizinhos uns aos outros; (b) conectar e desconectar seletivamente os eletrodos (14, 114, 214, 314) e polos (38, 40, 138, 140) de uma fonte de alimentação (36, 136) de modo que diferentes potenciais elétricos sejam aplicados a pelo menos alguns dos eletrodos e fluxos de corrente entre pelo menos alguns dos eletrodos através do fluido, a etapa de conectar e desconectar seletivamente o eletrodo com os polos sendo realizada de modo que os eletrodos (14, 114, 214, 314) incluam pelo menos os primeiro e segundo eletrodos conectados que são conectados a diferentes polos da fonte de alimentação (36, 136) e primeiro e segundo eletrodos isolados desconectados dos polos; caracterizado pelo fato de que (c) conectar eletricamente os primeiro e segundo eletrodos isolados entre si sem conectar os primeiro e segundo eletrodos isolados aos polos da fonte de alimentação (36, 136).

15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que as etapas (b) e (c) são realizadas de modo a variar a seleção de eletrodos (14, 114, 214, 314) que constituem os primeiro e segundo eletrodos conectados e o primeiro e segundo eletrodos isolados de modo a formar esquemas de conexão diferentes.

16. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que uma resistência específica entre os polos da fonte de alimentação (36, 136) é diferente para diferentes dos esquemas de conexão.

17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de detectar uma ou mais condições de operação e selecionar um esquema de conexão que responda a uma ou mais das condições de operação detectadas.

18. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 17, caracterizado pelo fato de que a etapa (a) inclui a passagem do fluido através de um invólucro contendo os eletrodos (14, 114, 214, 314) de modo que o fluido flua através dos espaços (20, 120, 220, 320) durante as etapas (b) e (c).

Images