EA038717B1

EA038717B1 - Electrode water heater

Info

Publication number: EA038717B1
Application number: EA201700399A
Authority: EA
Inventors: Роман Геннадьевич Дашков
Original assignee: Роман Геннадьевич Дашков
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2021-10-08
Also published as: EA201700399A1

Description

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах циркуляционного водяного отопления, преимущественно объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения, например частных домов, производственных и служебных помещений.The invention relates to the electric power industry and can be used in circulating water heating systems, mainly in facilities that do not have centralized heat supply, such as private houses, production and office premises.

Известен электродный водонагреватель (патент РФ на полезную модель № 95075, опубликовано 10.06.2010 г., бюл. № 16), содержащий трубчатый корпус с входным и выходным патрубками, расположенный на корпусе защитный кожух, тоководы заземления и зануления, жестко соединенные с наружной стенкой корпуса, резьбовую заглушку, связанную с наружной резьбой корпуса, и закрепленный на заглушке и электрически изолированный от корпуса центральный фазный стержневой электрод с фазным тоководом, заглушка выполнена с внутренней резьбой, непосредственно взаимодействующей с наружной резьбой корпуса, при этом на корпусе имеется кольцевой выступ, а между торцом заглушки и этим кольцевым выступом установлено уплотнительное кольцо.Known electrode water heater (RF patent for utility model No. 95075, published 10.06.2010, bul. No. 16), containing a tubular body with inlet and outlet pipes, a protective casing located on the body, grounding and grounding current conductors, rigidly connected to the outer wall housing, a threaded plug connected to the external thread of the housing, and a central phase rod electrode with a phase current lead attached to the plug and electrically isolated from the housing, the plug is made with an internal thread that directly interacts with the external thread of the housing, while there is an annular protrusion on the housing, and an o-ring is installed between the end of the plug and this annular ledge.

Недостатками описанной конструкции является ограничение функциональных возможностей из-за фиксированной электрической мощности и, следовательно, получения узкого температурного диапазона отбора тепловой мощности.The disadvantages of the described design is the limitation of functionality due to the fixed electrical power and, consequently, obtaining a narrow temperature range for the selection of thermal power.

Известен электродный водонагреватель (патент РФ на изобретение № 2309338, опубликовано 27.10.2007 г., бюл. № 30), содержащий основание из термостойкого диэлектрического материала, в гнезда которого соосно в одной плоскости неподвижно вставлены два кольцевых электрода разного диаметра, нулевой и фазовый, образующие между собой ограниченное тороидальное пространство, в котором происходит процесс нагрева воды за счет прохождения тока между кольцевыми электродами, отличающийся тем, что для регулировки электрического тока введена втулка-экран, имеющая форму ограниченного тороидального пространства, прилегающая к токопроводящим поверхностям кольцевых электродов, являющаяся изолятором, скользящая вверх-вниз в пределах высоты кольцевых электродов за счет механической тяги, закрывая - изолируя или открывая - оголяя токопроводящие поверхности, оставляя любому фиксированному положению втулки-экрана определенную открытую токопроводящую поверхность, обеспечивая широкий температурный диапазон нагрева воды, кроме того, цилиндрический экранколпак закрывает/экранирует ограниченное тороидальное пространство вместе с кольцевыми электродами. Описанная конструкция выбрана в качестве прототипа, так как в ее составе содержится наиболее близкий по принципу действия кольцевой электрод.Known electrode water heater (RF patent for invention No. 2309338, published on October 27, 2007, bull. No. 30), containing a base of heat-resistant dielectric material, in the sockets of which are coaxially in one plane motionlessly inserted two ring electrodes of different diameters, zero and phase, forming between themselves a limited toroidal space, in which the process of water heating occurs due to the passage of current between the annular electrodes, characterized in that a bushing-screen is introduced to regulate the electric current, having the form of a limited toroidal space, adjacent to the conductive surfaces of the annular electrodes, which is an insulator, sliding up and down within the height of the ring electrodes due to mechanical traction, closing - isolating or opening - exposing conductive surfaces, leaving any fixed position of the shield sleeve a certain open conductive surface, providing a wide temperature range of heating and water, in addition, the cylindrical shield cap closes / shields the limited toroidal space together with the annular electrodes. The described design was chosen as a prototype, since it contains the most similar ring electrode in terms of the principle of operation.

Недостатком прототипа является сложность конструкции, а также необходимость очистки кольцевого электрода механическим способом, а именно путем перемещения вверх-вниз до упора втулкиэкрана за счет механической тяги.The disadvantage of the prototype is the complexity of the design, as well as the need to clean the ring electrode mechanically, namely by moving up and down to the stop of the screen sleeve due to mechanical traction.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей.The object of the invention is to simplify the design and expand the functionality.

Технический результат достигается тем, что электродный водонагреватель состоит из корпуса с расположенными в нем кольцевыми электродными элементами, изолированными друг от друга, кольцевые электродные элементы закреплены на стенке внутри корпуса токопроводящими шпильками с клеммами, соединенными электрически, при этом между кольцевыми электродами расположены изолирующие кольца. Электродные элементы могут быть изготовлены из стали, либо из нержавеющей стали, либо конструкционной углеродистой, либо порошковой стали, а изолирующие кольца из резины. Электродные элементы по контуру могут быть выполнены в форме квадрата, либо треугольника, либо правильного многоугольника, либо эллипса с внутренним отверстием в форме окружности. Электродные элементы могут иметь внутреннее отверстие в форме окружности, расположенное со смещением от центральной оси. Корпус выполнен в виде диэлектрической трубы, являющейся теплообменной рабочей камерой, а крайние кольцевые электродные элементы смещены относительно остальных и между ними установлены резиновые манжеты увеличенной высоты.The technical result is achieved in that the electrode water heater consists of a body with annular electrode elements located in it, isolated from each other, the annular electrode elements are fixed to the wall inside the body by conductive pins with terminals connected electrically, while insulating rings are located between the annular electrodes. The electrode elements can be made of steel, or stainless steel, or structural carbon steel, or powder steel, and the insulating rings are made of rubber. The electrode elements along the contour can be made in the form of a square, or a triangle, or a regular polygon, or an ellipse with an inner hole in the form of a circle. The electrode elements may have a circular internal opening offset from a central axis. The body is made in the form of a dielectric tube, which is a heat-exchange working chamber, and the extreme annular electrode elements are displaced relative to the rest, and rubber cuffs of increased height are installed between them.

Конструкция электродного водонагревателя поясняется чертежами.The design of the electrode water heater is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображен электродный водонагреватель в разрезе, на фиг. 2 - электродный водонагреватель в разрезе по А-А, на фиг. 3 - однофазное подключение к сети 220 В, на фиг. 4 - трехфазное подключение к сети 380 В, на фиг. 5 - однофазное подключение к сети 220 В через устройство защитного отключения, на фиг. 6 - трехфазное подключение к сети 380 В через устройство защитного отключения.FIG. 1 shows an electrode water heater in section, FIG. 2 - electrode water heater in section along A-A, Fig. 3 - single-phase connection to a 220 V network, in Fig. 4 - three-phase connection to the 380 V network, in Fig. 5 - single-phase connection to a 220 V network through a residual current device, FIG. 6 - three-phase connection to a 380 V network through a residual current device.

Электродный водонагреватель представляет собой диэлектрический трубчатый корпус 1, выполненный из толстостенной неметаллической трубы, являющейся одновременно теплообменной рабочей камерой 2. Корпус оснащен клеммами 3 - фаза (L, А, В, С), ноль (N) и земля. Внутри диэлектрического трубчатого корпуса 1, являющегося одновременно рабочей теплообменной камерой 2, непосредственно к стенке трубчатого корпуса жестко прикреплены кольцевые электродные элементы 4. Электродные элементы 4 изготовлены из стали, либо из нержавеющей стали, либо конструкционной углеродистой, либо порошковой стали. Электродные элементы 4 по контуру выполнены в форме окружности, либо квадрата, либо треугольника, либо правильного многоугольника, либо эллипса с внутренним отверстием в форме окружности. Электродные элементы 4 могут иметь внутреннее отверстие в форме окружности, расположенной со смещением от центральной оси. Каждая из клемм 3 защищена изолирующим пластиковым кожухом 5. Кольцевые электродные элементы 4, установленные внутри трубчатого корпуса 1, изолированы между собой резиновыми кольцами 6. Крайние электродные элементы 4 смещены отно- 1 038717 сительно остальных и между ними установлены резиновые манжеты 7, высота которых увеличена по отношению к высоте резиновых колец 6. Токопроводящий узел представляет собой связанную с кольцевым электродным элементом 4 удлиненную резьбовую шпильку 8, которая одновременно выполняет функцию проводниковой клеммы. Каждый кольцевой электродный элемент 4 соединяется непосредственно с одной фазой переменного тока. Диэлектрический корпус 1 заполняется теплоносителем, в частности водой. Отвод и подвод теплоносителя осуществляется трубопроводами 9, связанными с диэлектрическим трубчатым корпусом 1 посредством муфт 10. Корпус 1 оснащен клеммами 3 - фаза (L, А, В, С), ноль (N) и земля для подключения фазовых и нулевых электрических проводников 11. Электродный водонагреватель может быть подключен в сеть с установленным в ней устройством защитного отключения 12 (УЗО).The electrode water heater is a dielectric tubular body 1 made of a thick-walled non-metallic pipe, which is also a heat exchange working chamber 2. The body is equipped with terminals 3 - phase (L, A, B, C), zero (N) and earth. Inside the dielectric tubular body 1, which is also a working heat exchange chamber 2, annular electrode elements 4 are rigidly attached directly to the wall of the tubular body 4. Electrode elements 4 are made of steel, either stainless steel, or structural carbon steel, or powder steel. The electrode elements 4 along the contour are made in the shape of a circle, or a square, or a triangle, or a regular polygon, or an ellipse with an inner hole in the shape of a circle. The electrode elements 4 can have an inner hole in the form of a circle, located offset from the central axis. Each of the terminals 3 is protected by an insulating plastic casing 5. The annular electrode elements 4, installed inside the tubular body 1, are insulated with rubber rings 6. The extreme electrode elements 4 are displaced relative to the others and rubber cuffs 7 are installed between them, the height of which is increased in relation to the height of the rubber rings 6. The conductive assembly is an elongated threaded rod 8 connected to the annular electrode 4, which simultaneously serves as a conductor terminal. Each annular electrode 4 is connected directly to one AC phase. The dielectric housing 1 is filled with a coolant, in particular water. The coolant is removed and supplied by pipelines 9 connected to the dielectric tubular body 1 by means of couplings 10. The body 1 is equipped with terminals 3 - phase (L, A, B, C), zero (N) and ground for connecting phase and neutral electrical conductors 11. The electrode water heater can be connected to a network with a residual current device 12 (RCD) installed in it.

Электродный водонагреватель работает следующим образом. Электродный водонагреватель монтируется в подающую магистраль отопительной системы строго в вертикальном положении. Соединение электродного водонагревателя с отопительной системой, представляющей собой трубопроводы 9, рекомендуется выполнить с помощью разъемной муфты 10, закрепленной на корпусе 1 методом полипропиленовой сварки. Для энергоэффективной работы отопительной системы рекомендуется на входах радиаторов отопления установить термостатические сенсорные головки (на фигуре не указано). Регулирование мощности теплоотдачи электродного водонагревателя производится тремя способами: включением определенного количества электродов; изменением напряжения в сети (100 В, 220 В, 380 В) согласно соответствующим схемам (фиг. 3, 4, 5 или 6); изменением электропроводимости теплоносителя. После монтажа электродный водонагреватель подключается к электрическим проводникам 11 клеммами 3, которые, в свою очередь, соединены с резьбовыми шпильками 8. Места соединения электрических проводников 11 с клеммами 3 защищены пластиковыми кожухами 5. Перед включением электродного водонагревателя необходимо заполнить систему отопления теплоносителем, исключив ее завоздушивание. Между кольцевыми электродными элементами 4 имеется зазор, который обеспечивается резиновыми кольцами 6 и заполняется теплоносителем. Резиновые кольца 6 также позволяют изолировать соседние электродные элементы 4. Включение электродного водонагревателя обусловливает процесс нагрева теплоносителя в рабочей теплообменной камере 2, в частности воды, поскольку между парой кольцевых электродных элементов 4 возникает электрическое поле, в котором положительно и отрицательно заряженные ионы начинают движение, в процессе чего возникает тепловая энергия, нагревающая теплоноситель. Однофазное подключение кольцевых электродных элементов 4 должно осуществляться через блок однополюсных автоматических выключателей с номинальным значением силы тока 10 А (на фигуре не указано). Автоматический выключатель предназначен для включения и отключения электропитания электродного водонагревателя, а также является автоматическим предохранительным устройством при токовых перегрузках. Включение каждого из электродных элементов 4 прибавляет от 0,5 до 1,5 кВт мощности тепловой отдачи прибора, обеспечивая мощность электродного водонагревателя до 6 кВт. Для двухфазного или трехфазного подключения электродов применяется блок однополюсных автоматических выключателей с номинальным значением силы тока 32 А (на фигуре не указано). Включение каждого из кольцевых электродных элементов 4 прибавляет 2 кВт мощности тепловой отдачи электродного водонагревателя вплоть до 20 кВт. Устройство защитного отключения 12 обеспечивает защиту человека от поражения переменным или постоянным током. Устройство защитного отключения 12 позволяет избежать поражения электричеством при случайных контактах, а также обезопасить помещение от воспламенения проводки при утечке тока. Возможность подключения электродного водонагревателя к сети с установленным в ней устройством защитного отключения 12 обусловлена тем, что крайние электродные элементы 4 смещены относительно остальных и между ними установлены резиновые манжеты 7 увеличенной высоты. Кроме того, в случае подключения электродного водонагревателя к сети с установленным в ней устройством защитного отключения (УЗО) 12 крайние электродные элементы 4 заземляются.The electrode water heater works as follows. The electrode water heater is mounted in the supply line of the heating system in a strictly vertical position. It is recommended to connect the electrode water heater to the heating system, which is pipelines 9, using a split coupling 10, fixed to the body 1 by polypropylene welding. For energy efficient operation of the heating system, it is recommended to install thermostatic sensor heads at the inputs of heating radiators (not shown in the figure). Regulation of the heat transfer power of the electrode water heater is carried out in three ways: by turning on a certain number of electrodes; by changing the voltage in the network (100 V, 220 V, 380 V) according to the corresponding schemes (Fig. 3, 4, 5 or 6); a change in the electrical conductivity of the coolant. After installation, the electrode water heater is connected to electrical conductors 11 with terminals 3, which, in turn, are connected to threaded rods 8. The joints of electrical conductors 11 with terminals 3 are protected by plastic covers 5. Before turning on the electrode water heater, it is necessary to fill the heating system with a coolant, excluding its airing ... There is a gap between the annular electrode elements 4, which is provided by rubber rings 6 and is filled with a coolant. Rubber rings 6 also make it possible to isolate adjacent electrode elements 4. Turning on the electrode water heater causes the heating medium in the working heat exchange chamber 2, in particular water, since an electric field arises between the pair of annular electrode elements 4, in which positively and negatively charged ions begin to move, in the process of which there is thermal energy that heats the coolant. The single-phase connection of the ring electrode elements 4 must be carried out through a block of single-pole automatic switches with a rated current of 10 A (not indicated in the figure). The circuit breaker is designed to turn on and off the power supply of the electrode water heater, and is also an automatic safety device in case of current overloads. Turning on each of the electrode elements 4 adds from 0.5 to 1.5 kW of heat output power of the device, providing the power of the electrode water heater up to 6 kW. For two-phase or three-phase connection of electrodes, a block of single-pole circuit breakers with a nominal current value of 32 A is used (not shown in the figure). Turning on each of the annular electrode elements 4 adds 2 kW of heat output from the electrode water heater up to 20 kW. The residual current device 12 provides protection of a person against injury by alternating or direct current. The residual current device 12 allows you to avoid electric shock in case of accidental contacts, as well as to protect the room from ignition of the wiring in the event of a current leak. The possibility of connecting the electrode water heater to the network with the residual current device 12 installed in it is due to the fact that the extreme electrode elements 4 are displaced relative to the rest and rubber cuffs 7 of increased height are installed between them. In addition, in the case of connecting an electrode water heater to the network with a residual current device (RCD) 12 installed in it, the extreme electrode elements 4 are grounded.

Эффективность работы электродного водонагревателя не зависит от состава используемой воды, но не рекомендуется использовать химически очищенную воду, применяемую в промышленных котельных, по причине слабой токопроводимости. На случай долговременного отключения электроэнергии в зимнее время года необходимо использование в системе отопления низкозамерзающего теплоносителя.The efficiency of the electrode water heater does not depend on the composition of the water used, but it is not recommended to use chemically purified water used in industrial boiler houses, due to its low electrical conductivity. In the event of a long-term power outage in the winter season, it is necessary to use a low-freezing coolant in the heating system.

Рассмотрим работу электродного водонагревателя на примере. Для обогрева коттеджа площадью 60 м² в систему отопления с замкнутым контуром с принудительной циркуляцией воды установлен электродный водонагреватель, подключенный к сети 220 В. При помощи однополюсных автоматических выключателей включаем нужное количество (в данном случае три), в зависимости от нужной температуры нагрева и объема воды, кольцевых электродных элементов 4. При начальной температуре воды 10°С в течение 30 мин температура воды в контуре достигла 50°С. Далее с помощью однополюсных автоматических выключателей отключаем два кольцевых электродных элемента 4 и продолжаем поддерживать температуру нагретой в контуре воды одним электродным элементом.Let's consider the operation of an electrode water heater using an example. To heat a cottage with an area of 60 m ^2, an electrode water heater is installed in a closed-loop heating system with forced water circulation, connected to a 220 V network.Using single-pole circuit breakers, we turn on the required amount (in this case, three), depending on the required heating temperature and volume water, ring electrode elements 4. At an initial water temperature of 10 ° C for 30 minutes, the water temperature in the loop reached 50 ° C. Then, using single-pole automatic switches, we turn off the two ring electrode elements 4 and continue to maintain the temperature of the water heated in the circuit with one electrode element.

Положительный эффект достигается следующим образом. Упрощение конструкции обеспечивается применением кольцевых электродных элементов, которые размещаются внутри диэлектрического цилиндрического корпуса. В состав конструкции входит минимальное количество составных элементов, при этом отсутствуют подвижные части, регулирование электрической мощности осуществляется вклюThe positive effect is achieved as follows. Simplification of the design is provided by the use of annular electrode elements, which are placed inside a dielectric cylindrical body. The structure includes a minimum number of constituent elements, while there are no moving parts, the regulation of electrical power is carried out on

- 2 038717 чением и отключением кольцевых электродных элементов. Расширение функциональных возможностей достигается путем регулирования электрической мощности, что обеспечивает получение широкого температурного диапазона отбора тепловой мощности. Электродный водонагреватель представляет собой группу кольцевых электродных элементов, размещенных на небольшом расстоянии друг от друга. При отсутствии теплоносителя в системе, например в результате утечки, воздушный зазор между электродами создает разрыв в электрической цепи, что приводит к отключению водонагревателя, обеспечивая пожаробезопасность устройства. При заполнении системы теплоноситель замыкает электрическую цепь, являясь проводником электрического тока второго рода. В растворах основными носителями зарядов являются положительно и отрицательно заряженные ионы, движение которых приводит к выделению тепловой энергии и, как следствие, к нагреву теплоносителя. Отсутствие процессов электролиза обеспечивается использованием переменного напряжения частотой 50 Гц, что позволяет эксплуатировать водонагреватель на теплоносителе с повышенным содержанием солей. Молекулярный принцип работы делает электродный водонагреватель экономичнее по сравнению с другими видами электронагревателей. Это обусловлено тем, что процесс нагрева теплоносителя происходит во всей области рабочей камеры. При этом сами электродные элементы от протекания электрического тока практически не нагреваются, что также снижает скорость образования накипи. Кроме того элементы имеют форму, при которой создается равномерное электрическое поле между электродами. Это приводит к равномерному распределению плотности тока, и, следовательно, к снижению скорости процессов образования накипи и коррозии электродных элементов.- 2 038717 by turning and disconnecting the annular electrode elements. Expansion of functionality is achieved by regulating electrical power, which provides a wide temperature range for the selection of thermal power. An electrode water heater is a group of annular electrode elements placed at a short distance from each other. In the absence of a coolant in the system, for example, as a result of a leak, the air gap between the electrodes creates a break in the electrical circuit, which leads to the shutdown of the water heater, ensuring the fire safety of the device. When filling the system, the coolant closes the electrical circuit, being a conductor of the second kind of electric current. In solutions, the main charge carriers are positively and negatively charged ions, the movement of which leads to the release of thermal energy and, as a consequence, to the heating of the coolant. The absence of electrolysis processes is ensured by the use of alternating voltage with a frequency of 50 Hz, which makes it possible to operate the water heater on a coolant with a high salt content. The molecular principle of operation makes the electrode water heater more economical compared to other types of electric heaters. This is due to the fact that the process of heating the coolant occurs throughout the entire area of the working chamber. In this case, the electrode elements themselves practically do not heat up from the flow of electric current, which also reduces the rate of scale formation. In addition, the elements have a shape that creates a uniform electric field between the electrodes. This leads to a uniform distribution of the current density, and, consequently, to a decrease in the rate of the processes of scale formation and corrosion of the electrode elements.

Claims

CLAIM

1. Electrode water heater, consisting of a housing with annular electrode elements located therein, isolated from each other, characterized in that the electrode elements are fixed on the wall inside the housing by conductive pins with terminals connected electrically, while insulating rings are located between the annular electrodes.

2. An electrode water heater according to claim 1, characterized in that the electrode elements are made of steel, or stainless steel, or structural carbon steel, or powder steel, and the insulating rings are made of rubber.

3. An electrode water heater according to claim 1, characterized in that the electrode elements along the contour are made in the form of a square, or a triangle, or a regular polygon, or an ellipse with an inner hole in the shape of a circle.

4. An electrode water heater according to claim 2 or 3, characterized in that the electrode elements have an inner hole in the shape of a circle, located offset from the central axis.

5. Electrode water heater according to claim 1, characterized in that the body is made in the form of a dielectric tube, which is a heat exchange working chamber.

6. The electrode water heater according to claim 1, characterized in that the extreme electrode elements are displaced relative to the rest and rubber cuffs of increased height are installed between them.