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PATENTANSPRijCHE
1. Elektrodenkessel mit einem Behälter, in dem mindestens eine zylindrische Elektrode und mindestens eine weitere, diese koaxial umgebende Elektrode untergebracht sind, wobei die unterschiedliche Polarität aufweisenden Elektroden vollständig in Wasser getaucht und an eine Wechselstromzufuhr angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden zueinander unbeweglich angeordnet sind und dass in der Wechselstromzufuhr mindestens eine die Leistungsaufnahme der Elektroden regelnde Steuereinheit vorgesehen ist.
2. Elektrodenkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit Schaltmittel, z. B. Thyristoren oder Triacs, aufweist, die die Leistungsaufnahme durch Beeinflussen der mittleren Einschaltdauer der Stromzufuhr regeln.
3. Elektrodenkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel fir eine Schwingungspaketsteuerung ausgebildet sind.
4. Elektrodenkessel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel fir eine Phasenanschnittsteuerung ausgebildet sind.
Die Erfindung betrifft einen Elektrodenkessel mit einem Behlilter, in dem mindestens eine zylindrische Elektrode und mindestens eine weitere, diese koaxial umgebende Elektrode untergebracht sind, wobei die unterschiedliche Polarität aufweisenden Elektroden vollständig in Wasser getaucht und an eine Wechselstromzufuhr angeschlossen sind.
Bei bekannten Elektrodenkesseln dieser Art sind die Elektroden axial zueinander verschiebbar angeordnet. Hierdurch wird der Heizstrom im Wasser bei im wesentlichen konstanter Stromdichte durch Andern der verfügbaren Elektroden fläche und damit die Leistungsaufnahme der Elektroden variiert. Auf diese Weise lässt sich - wenn der Elektrodenkessel als Dampfkessel betrieben wird - die pro Zeiteinheit erzeugte Dampfmenge oder - wenn der Elektrodenkessel als Heisswasserkessel betrieben wird - die Temperatur des erzeugten Heisswassers Bndern. Mit Hilfe der EIektrodenverschiebung lässt sich die Dampferzeugung bzw. Heisswassererzeugung des Elektrodenkessels stufenlos zwischen 20% und 100% der Gesamtleistung regeln.
Es istjedoch wiinschenswert, den Elektrodenkessel im Bereich unterhalb von 20% der Gesamtleistung zu betreiben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Elektrodenkessel der oben beschriebenen Gattung zu schaffen, der ohne zusätzlichen konstruktiven und kostenmässigen Aufwand eine stufenlose Leistungsregelung zwischen 0% und 100% der Gesamtleistung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Elektroden zueinander unbeweglich angeordnet sind und dass in der Wechselstromzufuhr mindestens eine die Leistungsaufnahme der Elektroden regelnde Steuereinheit vorgesehen ist.
Beim erfindungsgemässen Elektrodenkessel bleibt also die fur den Heizstrom verfügbare Elektrodenfläche konstant und die Leistungsaufnahme wird durch die Steuereinheit geregelt, indem man die Dichte des Heizstromes variiert. Auf diese Weise kann der Elektrodenkessel nun stufenlos von 0% bis 100% der Gesamtleistung geregelt werden. Da beim erfindungsgemässen Elektrodenkessel kein Raum mehr fur eine axialeVerschiebung der Elektroden vorgesehen werden muss und die Steuereinheit wesentlich kleiner ist als die zur Verschiebung der Elektroden notwendige mechanische Vorrichtung, ergibt sich zusätzlich der Vorteil einer bedeutend kompakteren Bauweise.
Bei Elektrodenkesseln mit mehr als einem Paar koaxialer Elektroden -- zum Beispiel mit drei Paaren, von denenjedes an eine von drei Phasen eines elektrischen Verteilnetzes angeschlossen ist - war bisher meistens eine kreisförmige Anordnung der Elektrodenpaare tiblich, da man die Elektroden mittels eines einzigen, vorzugsweise zentralen, elektromechanischen Antriebs axial verschieben polite. Beim Elektrodenkessel nach der Erfindung mit mehreren Elektrodenpaaren spielt es nun keine Rolle mehr, wie die einzelnen Elektrodenpaare angeordnet sind, weil ihre elektrische Verbindung mit der Steuereinheit aus Kabeln besteht. Die Freiheit in der Anordnung der Elektrodenpaare ist daher ein weiterer, wesentlicher Vorteil der Erfindung.
Bei einer Leistungsregelung nach der mittleren Einschaltdauer gemäss Anspruch 2, ergibt sich die Möglichkeit der Verwendung einer ausschliesslich elektronisch aufgebauten Steuereinheit, so dass der Elektrodenkessel auch aufdieser Seite mit weniger beweglichen Teilen ausgeführt werden kann. Dies verringert den Wartungsaufwand, was zu einer hohen Betriebssicherheit des Kessels beitragt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung genauer erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 teilweise im Vertikalschnitt und teilweise in Ansicht einen Elektrodenkessel nach der Erfindung und
Fig. 2 und 3 je ein Diagramm tiber die Leistung N der Stromeinspeisung in Abhängigkeit der Zeit t.
Gemäss Fig. 1 weist der Elektrodenkessel einen zylindrischen Druckbehälter 4 mit horizontaler Achse auf. Lings der Oberseite des Behälters 4 sind drei radiale, mannlochartige Stutzen 14 vorgesehen, dieje mit einem Deckel 10 verschliessbar sind. Jeder Deckel 10 ruht auf einem Flansch 13 des zugehbrigen Stutzens 14 und ist mit dem Flansch gasdicht, jedoch elektrisch leitend verbunden, z. B. mittels nicht dargestellter Schrauben. Anjedem Deckel 10 sindje zwei Elektroden 2 und 3 befestigt, von denen in Fig. 1 nur die des links aussen befindlichen Deckels gezeigt sind.
Die innerste, massive Elektrode 2 ist koaxial von einer rohrförmigen Elektrode 3 umgeben, die ihrerseits koaxial von einer rohrförmigen Elektrode 2 umgeben ist; diese wiederum ist koaxial von einer weiteren rohrförmigen Elektrode 3 umgeben. Die beiden Elektroden 2 sind an ihrem unteren Ende iiber eine Wand miteinander verbunden, die mehrere Durchtrittslöcher 2' aufweist. In ähnlicher Weise sind die oberen Enden der beiden Elektroden 3 iiber eine Wand verbunden, die mehrere Durchtrittslöcher 3' aufweist. Die Elektroden 3 sind tiber Stäbe 12 mit dem Deckel 10 elektrisch leitend verbunden.
Die massive Elektrode 2 ist nach oben ver längert und durch den Deckel 10 hindurchgefihrt und tiber einen Isolator 11 mit dem Deckel 10 verbunden.
Alle Elektroden 2 und 3 tauchen vollständig in ein im Druckbehälter 4 befindliches Wasserbad 5. Das jeweils aus dem Isolator 11 nach oben herausragenden Ende der Elektroden 2 ist iiber einen Leiter 6 an einer der Phasen R, S, T eines dreiphasigen Wechselstrom fiihrenden Verteilnetzes 7 elektrisch angeschlossen. tuber die Deckel 10 sind die Elektroden 3 elektrisch leitend mit dem Druckbehälter 4 verbunden, der somit den Sternpunkt eines elektrischen Systems bildet und mittels einem Erdleiter 8 geerdet ist. In die Leiter 6 ist eine Steuereinheit 20 eingeschaltet, die mehrere Thyristoren 21 aufweist, die joe Phase paarweise antiparallel geschaltet sind und die mittlere Einschaltdauer der Stromzufuhr zu den Elektroden regeln.
Im unteren, relativ kiihlen Bereich des Wasserbades 5 ist im Behälter 4 eine Pumpe 30 mit einer sich in Längsrichtung des Behälters erstreckenden Verteilleitung 31 angeordnet.
Von der Verteilleitung zweigen rechtwinklig drei trichterartige Bauteile 32 ab, deren erweiterte Öffnung jeweils unterhalb einer Gruppe von vier Elektroden 2, 3 liegt. Die Pumpe 30 saugt relativ kühles Wasser an und fördert es iiber die Verteilleitung 31 und die Bauteile 32 zu den ringförmigen Zwi schenräumen zwischen den Elektroden 2 und 3.
Ein Niveauregler 33 ist im Bereich des Wasserspiegels des Bades 5 am Behälter 4 angeschlossen und tiber eine Signalleitung 33' mit einem Speiseventil 35 verbunden, das in einer am Behälter 4 angeschlossenen Speisewasserleitung 34 angeordnet ist. Ausserdem ist an der tiefsten Stelle des Behälters 4 eine Leitung 37 vorgesehen, die ein Abschlämmventil 38 enthält. Oberhalb des Niveaus des Wasserbades 5 ist am Be halter 4 eine Dampfleitung 39 vorhanden, die zu in Fig. 1 nicht gezeigten Dampfverbrauchern führt.
Zwischen dem Verteilnetz 7 und der Steuereinheit 20 ist in den Leitern 6 ein Schalter 40 angeordnet. Ein Spannungs fflhler 41 und ein Stromfbhler 42 überwachen die elektrischen Parameter in den Leitern 6 und wirken tiber Signalleitungen 41' bzw. 42' so auf den Schalter 40, dass dieser so wohl durch Spannungsausfall als auch durch Überstrom be tätigt wird und im Notfall die Stromzufuhr in die Leiter 6 unterbricht. Zusätzlich wirkt der Stromfiihler 42 iiber eine
Signalleitung 42" auf die Steuereinheit 20. Ferner wirkt auf diese Steuereinheit noch der Dampfdruck im Dampfraum 9 des Behälters 4.
Zu diesem Zweck ist am Behälter ein Druck fühler 36 angeschlossen, der iiber eine Signalleitung 36' mit der Steuereinheit verbunden ist.
Der beschriebene Elektrodenkessel funktioniert wie folgt: Der Druckbehälter 4 wird iiber die Speisewasserleitung
34 bis zum gezeichneten Niveau mit Wasser gefüllt. Mit Hilfe eines in Fig. 1 nicht gezeigten Gerätes wird die Leitfähig- keit des Wassers durch Beimischen von Elektrolyten (Salze oder Basen) eingestellt. Im Betrieb wird die Menge des zuzuführenden Speisewassers mittels des Speiseventils 35 abhän- gig vom Niveauregler 33 gesteuert. umber die Leiter 6 wird den Elektroden 2 Wechselstrom zugefihrt, der durch das in den Ringräumen befindliche Wasser hindurch zu den Elektroden 3 fliesst. Infolge des elektrischen Widerstandes des Wassers wird dieses aufgeheizt, so dass zwischen den Elektroden 2 und 3 eine intensive Dampfentwicklung stattfindet.
Die sich dabei bildenden Dampfblasen werden durch die von der Pumpe 30 erzeugte Wasserumwälzung sofort in Richtung zum Dampfraum 9 hin bewegt, indem das aus den trichterartigen Bauteilen 32 austretende Umwälzwasser die natürliche Wasserzirkulation durch die Durchtrittslöcher 2', die Ringräume und die Durchtrittslöcher 3' unterstützt. Der Dampf strömt iiber die Dampfleitung 39 zu den nicht gezeigten Verbrauchern. Infolge der ständigen Wasserabfuhr in Form von Dampf, steigt allmählich die Elektrolytenkonzentration im Wasserbad 5, die durch Abschlämmung mittels des Abschlämmventils 38 korrigiert wird.
Gegebenenfalls kann die Elektrolytenkonzentration ständig gemessen und abhängig davon das Abschlämmventil gesteuert werden.
Die jeweilige Leistung des Elektrodenkessels wird von der Steuereinheit 20 durch Ansteuern der Thyristoren 21 bestimmt. Je nach Anwendungsfall ist die Steuereinheit 20 fir eines der verschiedenen möglichen Steuerverfahren ausgebildet. Eine bevorzugte Möglichkeit ist die sog. Schwingungspaketsteuerung nach Fig. 2, bei der der sinusfbrmig verlaufende Wechselstrom während einer bestimmten Anzahl stromführender Pulse 22 von den Thyristoren 21 durchgelassen und während einer gleichen oder verschiedenen Anzahl stromsperrender Pulse 23 von den Thyristoren 21 unterbrochen wird. Der Hauptvorteil der Schwingungspaketsteuerung ist die praktisch lineare Abhängigkeit der Leistung von der Anzahl Pulse. Eine andere Möglichkeit besteht in der sog.
Phasenanschnittsteuerung nach Fig. 3, bei der der Wechselstrom abwechselnd während eines stromfibrenden Teilpulses 24 durchgelassen und während eines stromsperrenden Teilpulses 25 unterbrochen wird.
Die Betriebssicherheit des Elektrodenkessels kann durch Redundanz gesteigert werden. So können zum Beispiel mehr als eine Speiseleitung 34 und Abschlämmleitung 37 vorgesehen sein, dieje mehrere Speiseventile 35 bzw. Abschlämm- ventile 38, in Serie und/oder parallel geschaltet, aufweisen können. Es ist auch möglich, mehrere Schalter 40 mit jeweils einem oder mehreren Spannungs- und Stromfühlern 41, 42 vorzusehen.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann der Druckbehalter 4, statt geerdet, isoliert aufgestellt werden. Unter Umständen ist es vorteilhaft, den Druckbehälter 4 mit seiner Längsachse leicht geneigt aufzustellen, so dass der Wasserabfluss durch die Leitung 37 verbessert wird.
Andere Anordnungen der Elektrodengruppen, zum Beispiel auf einem Kreis - statt in einer Reihe - sind ebenfalls möglich. Ferner kann die Anzahl Elektroden 2 und 3 verschieden sein, zum Beispiel zwei Elektroden 3 fii.rjede Elektrode 2 oder umgekehrt.
Die Erfindung lässt sich ebenfalls bei Kesseln zur Heisswassererzeugung anwenden. In diesem Fall ist der Druckbehalter 4 vollständig mit Wasser gefillt, und anstelle des Druckfihlers 36 wird ein Temperaturfühler verwendet, der in ähnlicher Weise auf die Steuereinheit 20 einwirkt.
Obwohl der Elektrodenkessel nach Fig. 1 mit Dreiphasenstrom gespeist ist, ist die Erfindung fir eine andere Anzahl Phasen anwendbar, zum Beispiel 1 oder 6.
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PATENT CLAIM
1. Electrode kettle with a container in which at least one cylindrical electrode and at least one further, coaxially surrounding this electrode are accommodated, the electrodes having different polarities being completely immersed in water and connected to an AC power supply, characterized in that the electrodes are immovable relative to one another are arranged and that at least one control unit regulating the power consumption of the electrodes is provided in the AC supply.
2. Electrode boiler according to claim 1, characterized in that the control unit switching means, for. B. thyristors or triacs, which regulate the power consumption by influencing the average duty cycle of the power supply.
3. Electrode boiler according to claim 2, characterized in that the switching means are designed for a vibration package control.
4. Electrode boiler according to claim 2, characterized in that the switching means are designed for a phase control.
The invention relates to an electrode kettle with a container in which at least one cylindrical electrode and at least one further electrode coaxially surrounding it are accommodated, the electrodes having different polarities being completely immersed in water and connected to an alternating current supply.
In known electrode boilers of this type, the electrodes are arranged to be axially displaceable relative to one another. As a result, the heating current in the water at a substantially constant current density by changing the available electrode area and thus the power consumption of the electrodes is varied. In this way, if the electrode boiler is operated as a steam boiler, the amount of steam generated per unit of time or - if the electrode boiler is operated as a hot water boiler - the temperature of the hot water generated can be changed. With the help of the electrode displacement, the steam or hot water generation of the electrode boiler can be regulated continuously between 20% and 100% of the total output.
However, it is desirable to operate the electrode kettle in the range below 20% of the total output.
It is therefore an object of the invention to provide an electrode kettle of the type described above, which enables an infinitely variable power control between 0% and 100% of the total power without additional design and cost.
According to the invention, this object is achieved in that the electrodes are arranged so as to be immovable relative to one another and in that at least one control unit regulating the power consumption of the electrodes is provided in the AC supply.
In the electrode boiler according to the invention, the electrode area available for the heating current thus remains constant and the power consumption is regulated by the control unit by varying the density of the heating current. In this way, the electrode boiler can now be regulated continuously from 0% to 100% of the total output. In addition, since in the electrode boiler according to the invention there is no longer any space for an axial displacement of the electrodes and the control unit is significantly smaller than the mechanical device necessary for the displacement of the electrodes, there is the advantage of a significantly more compact design.
In the case of electrode boilers with more than one pair of coaxial electrodes - for example with three pairs, each of which is connected to one of three phases of an electrical distribution network - a circular arrangement of the electrode pairs has usually been customary since the electrodes are connected by means of a single, preferably central one , electromechanical drive axially shift polite. In the electrode kettle according to the invention with several electrode pairs, it no longer matters how the individual electrode pairs are arranged, because their electrical connection to the control unit consists of cables. The freedom in the arrangement of the electrode pairs is therefore a further, essential advantage of the invention.
With a power control according to the average duty cycle according to claim 2, there is the possibility of using an exclusively electronically constructed control unit, so that the electrode kettle can also be designed on this side with fewer moving parts. This reduces the maintenance effort, which contributes to a high operational reliability of the boiler.
An embodiment of the invention is explained in more detail in the following description with reference to the drawing.
Show it:
Fig. 1 partially in vertical section and partially in view of an electrode boiler according to the invention and
2 and 3 each show a diagram of the power N of the current feed as a function of time t.
1, the electrode vessel has a cylindrical pressure vessel 4 with a horizontal axis. On the top of the container 4, three radial, manhole-like connecting pieces 14 are provided, each of which can be closed with a cover 10. Each cover 10 rests on a flange 13 of the associated connector 14 and is gastight to the flange, but is electrically conductively connected, e.g. B. by means of screws, not shown. Two electrodes 2 and 3 are fastened to each cover 10, of which only those of the cover located on the left outside are shown in FIG.
The innermost, massive electrode 2 is coaxially surrounded by a tubular electrode 3, which in turn is coaxially surrounded by a tubular electrode 2; this in turn is coaxially surrounded by another tubular electrode 3. The two electrodes 2 are connected to one another at their lower end via a wall which has a plurality of through holes 2 '. Similarly, the upper ends of the two electrodes 3 are connected via a wall which has a plurality of through holes 3 '. The electrodes 3 are connected to the cover 10 in an electrically conductive manner via rods 12.
The massive electrode 2 is elongated ver up and passed through the lid 10 and connected to the lid 10 via an insulator 11.
All electrodes 2 and 3 are completely immersed in a water bath 5 located in the pressure vessel 4. The end of the electrodes 2, which protrudes upward from the insulator 11, is electrical via a conductor 6 on one of the phases R, S, T of a three-phase alternating current distribution network 7 connected. Via the cover 10, the electrodes 3 are electrically conductively connected to the pressure vessel 4, which thus forms the star point of an electrical system and is grounded by means of an earth conductor 8. In the conductor 6, a control unit 20 is connected, which has a plurality of thyristors 21, the joe phase are connected in pairs antiparallel and regulate the average duty cycle of the current supply to the electrodes.
In the lower, relatively cool area of the water bath 5, a pump 30 with a distribution line 31 extending in the longitudinal direction of the container is arranged in the container 4.
Three funnel-like components 32 branch off at right angles from the distribution line, the expanded opening of which lies below a group of four electrodes 2, 3. The pump 30 sucks in relatively cool water and conveys it via the distribution line 31 and the components 32 to the annular interspaces between the electrodes 2 and 3.
A level controller 33 is connected to the tank 4 in the region of the water level of the bath 5 and is connected via a signal line 33 'to a feed valve 35 which is arranged in a feed water line 34 connected to the tank 4. In addition, a line 37 is provided at the deepest point of the container 4, which contains a drain valve 38. Above the level of the water bath 5 there is a steam line 39 on the holder 4, which leads to steam consumers, not shown in FIG. 1.
A switch 40 is arranged in the conductors 6 between the distribution network 7 and the control unit 20. A voltage sensor 41 and a current sensor 42 monitor the electrical parameters in the conductors 6 and act via signal lines 41 'and 42' on the switch 40 in such a way that the latter is actuated by voltage failure as well as by overcurrent and in an emergency the power supply interrupts in the conductor 6. In addition, the current sensor 42 acts via a
Signal line 42 "to the control unit 20. Furthermore, the steam pressure in the steam space 9 of the container 4 also acts on this control unit.
For this purpose, a pressure sensor 36 is connected to the container and is connected to the control unit via a signal line 36 '.
The electrode boiler described works as follows: The pressure vessel 4 is supplied via the feed water line
34 filled with water up to the drawn level. With the aid of a device not shown in FIG. 1, the conductivity of the water is adjusted by adding electrolytes (salts or bases). In operation, the amount of feed water to be supplied is controlled by the level valve 33 by means of the feed valve 35. Across the conductors 6, the electrodes 2 are supplied with alternating current, which flows through the water in the annular spaces to the electrodes 3. As a result of the electrical resistance of the water, it is heated up, so that an intensive steam development takes place between the electrodes 2 and 3.
The steam bubbles formed in this process are immediately moved in the direction of the steam chamber 9 by the water circulation generated by the pump 30, in that the circulation water emerging from the funnel-like components 32 supports the natural water circulation through the passage holes 2 ', the annular spaces and the passage holes 3'. The steam flows via the steam line 39 to the consumers (not shown). As a result of the constant removal of water in the form of steam, the electrolyte concentration in the water bath 5 gradually increases, which is corrected by blowdown using the blowdown valve 38.
If necessary, the electrolyte concentration can be measured continuously and, depending on this, the drain valve can be controlled.
The respective output of the electrode boiler is determined by the control unit 20 by driving the thyristors 21. Depending on the application, the control unit 20 is designed for one of the various possible control methods. A preferred possibility is the so-called oscillation packet control according to FIG. 2, in which the sinusoidal alternating current passes through the thyristors 21 during a certain number of current-carrying pulses 22 and is interrupted by the thyristors 21 during an identical or different number of current-blocking pulses 23. The main advantage of the vibration packet control is the practically linear dependence of the power on the number of pulses. Another possibility is the so-called
3, in which the alternating current is alternately passed during a current-fibrating partial pulse 24 and interrupted during a current-blocking partial pulse 25.
The operational safety of the electrode boiler can be increased through redundancy. For example, more than one feed line 34 and drain line 37 may be provided, each of which may have a plurality of feed valves 35 or drain valves 38 connected in series and / or in parallel. It is also possible to provide a plurality of switches 40, each with one or more voltage and current sensors 41, 42.
1, the pressure vessel 4 can be set up in isolation, instead of being grounded. Under certain circumstances, it is advantageous to set up the pressure vessel 4 with its longitudinal axis at a slight incline, so that the water outflow through the line 37 is improved.
Other arrangements of the electrode groups, for example on a circle instead of in a row, are also possible. Furthermore, the number of electrodes 2 and 3 can be different, for example two electrodes 3 for each electrode 2 or vice versa.
The invention can also be applied to boilers for hot water production. In this case, the pressure vessel 4 is completely filled with water, and a temperature sensor is used instead of the pressure sensor 36, which acts in a similar manner on the control unit 20.
1 is supplied with three-phase current, the invention is applicable to a different number of phases, for example 1 or 6.