LV14091B - Caurteces elektriskais sildītājs - Google Patents

Description

IZGUDROJUMA APRAKSTS

Izgudrojums attiecas uz elektrotehniku, proti, uz elektrodu tipa elektriskajām sildīšanas ierīcēm, un var tikt izmantots dzīvojamo telpu autonomajās šķidruma apkures sistēmās.

Zināmā tehnikas līmeņa analīze

Ir zināmi elektrovadoša šķidruma, piemēram, parastā ūdensvada ūdens vai ūdens ar elektrolītu piedevām, elektrodu sildītāji. Visefektīvākie ir sildītāji, kas darbojas ar trīsfažu strāvu. Tāda tipa elektrisko sildītāju tehniskie risinājumi ir aprakstīti Bulgārijas patentā 61590, Čehijas Republikas patentos 277796 un 290263, kā arī VFR patentā 3421807. Elektrodu elektrisko sildītāju konstrukcija, kas aprakstīta norādītajos patentos, ir tipiska elektriskajiem sildītājiem, kuros izmanto trīsfažu strāvu, proti, sildītāja korpusā ir izvietoti fāzes elektrodi, kuru skaits dalās ar trīs, un vismaz viens nulles elektrods, kas savienots ar elektrovadošo sildītāja korpusu, kurš ir iezemēts. Tāda konstrukcija ļauj uzlabot elektriskās slodzes sadalījuma vienmērību pa visu sildītāja virsmu un samazināt nulles elektroda izmērus, ja par siltumnesēju izmanto ūdensvada ūdeni vai elektrolīta ūdens šķīdumu. Tomēr visiem elektriskajiem sildītājiem, kas uzbūvēti pēc šī principa, ir kopējs trūkums: zema elektriskā drošība. Pārtrūkstot nulles vadam, nepareizi pievienojot fāzes un nulles vadu vai pie nevienāda sprieguma fāzēs uz sildītāja korpusa parādās cilvēkam bīstams spriegums. Norādīto trūkumu, izmantojot elektriskos sildītājus rūpniecības apstākļos, centās novērst elektrotehniski - ar elektriskām un elektroniskām aizsardzības shēmām, vai konstruktīvi ievietojot elektrisko sildītāju aizsargājošā, izolējošā apvalkā vai ar īpašu elektrodu konstrukciju (Krievijas Federācijas patents 2062960). Neviens no šiem paņēmieniem nav apmierinošs, jo, pat pie elektriskā sildītāja korpusa izolēšanas, siltumnesējs, kas ir elektrovadošs šķidrums, savieno elektriskā sildītāja korpusu ar visu apsildes sistēmu. Problēmu neatrisina arī apsildes sistēmas atdalīšana no sildītāja ar izolējošām īscaurulēm vai plastmasas cauruļvadu izmantošana.

Elektriskās drošības problēma ir kļuvusi īpaši asa pašreiz, kad sākta elektrisko sildītāju izmantošana dzīvojamās telpās. Mūsdienu speciālo siltumnesēju, kuru pamatā ir ūdens organiskais komponents - elektrolīts, ļāva vienkāršot elektrisko sildītāju konstrukciju un samazināt to izmērus. Tipisks šāda tipa risinājums ir Krievijas firmas „Galan” elektriskie sildītāji (skat., piemēram, to aprakstu vietnē http://www.mirtepla.ru), kuri izvēlēti par ši'izgudrojuma prototipu. Tomēr šo sildītāju konstrukcijas princips ir agrākais - nulles elektrods un korpuss ir savienoti un sazemēti. Līdz ar to ir saglabājies arī jau zināmais trūkums - zema elektriskā drošība, pie kam tipiskās sadzīves elektrisko sildītāju konstrukcijas nodrošina nepieciešamo ražību bez sildītāja korpusa ieslēgšanas sistēmā par elektrodu.

Izgudrojuma mērķis ir izstrādāt elektrodu elektriskā sildītāja konstrukciju, kurš bez norādītā trūkuma darbojas ar maisījumu ūdens - organiskais komponents - elektrolīts. Izgudrojums balstās uz faktu, ka, ievietojot elektriskajā sildītājā trīs savstarpēji izolētus fāzes elektrodus un vienu nulles elektrodu, kas izolēti no sazemēta sildītāja korpusa, tiek novērsts agrāko konstrukciju trūkums - bīstama sprieguma parādīšanās iespēja uz sildītāja korpusa un visā apsildes sistēmā, ja notrūkst nulles vads vai tiek nepareizi pievienoti fāzes un nulles vadi, vai fāzēs ir dažāds spriegums.

Izgudrojuma būtība

Tiek piedāvāts strāvu vadoša šķidruma caurteces trīsfažu elektriskais sildītājs, kas sastāv no hermētiska sazemēta korpusa, tajā ievietotiem vismaz trim fāzes elektrodiem un vismaz viena neitrālā (nulles) elektroda, elektrību vadošā šķidruma ievades un izvades īscaurulēm, kurā minētie elektrodi ir dielektriski izolēti savstarpēji un no korpusa.

Speciālistam ir acīmredzams, ka konkrētā sildītāja konstrukcijā fāzes un nulles elektrodu skaits vajadzības gadījumā var tikt proporcionāli palielināts.

Piedāvātajā konstrukcijā atsevišķi sazemētais korpuss pilnībā noņem paliekošo spriegumu, piemēram, nulles vada notrūkšanas gadījumā, pie tam visas darbīgās daļas (elektrodi), kas ir zem sprieguma, ir atdalītas no korpusa. Šīs konstrukcijas priekšrocība ir arī tā, ka tā netraucē izmantot visus jau zināmos aizsardzības veidus no strāvas trieciena.

Speciālistam ir acīmredzams, ka augstāk formulētais kopējais princips, konstruktīvi atdalot darba un aizsardzības nulles elektriskajā sildītājā, pieļauj daudzus un dažādus konstruktīvos risinājumus ar vienu vai citu darba un aizsardzības nulles atdalīšanas īpatnību, lai panāktu drošību, izmantojot sildītājus sadzīves apstākļos, tostaip, pielietojumu vienfāzes sildītājos.

Piedāvātais kopējais risinājums var tikt realizēts dažādās sildītāja ģeometriskajās formās, no kurām visoptimālākā ir cilindriska, ar vienu ievades un vienu izvades īscauruli. Trīs vai viens darba fāzes (L) elektrodi un viens darba nulles elektrods (N) ir izolēti savstaipēji un no korpusa. Arī nulles elektroda optimālā forma ir darba elektrodus aptveroša cilindra forma, ar atverēm siltumnesēja plūsmai. Aizsardzības zemējums tiek pievienots korpusam, vai, ja korpuss ir izgatavots no dielektriķa, pie metāliskiem ieliktņiem ievades/izvades īscaurulē. Šādā konstrukcijā sildītāja daļu izmērus nosaka sildītāja nominālā jauda, pieļaujamais strāvas blīvums uz elektrodiem un sistēmas hidrodinamika, kas nosaka sildītāja ievades un izvades īscauruļu izmērus.

Sildītāja ievades un izvades īscauruļu izmērus reglamentē siltumtehniskās siltumnesēja patēriņa normas konkrētai jaudai.

Lai nepalielinātu vietējās hidrauliskās pretestības siltumnesējam, minimālajam kopējam atveru laukumam nulles elektroda (N) sienā ir jābūt ne mazākam par minimālo ievades vai izvades īscaurules šķērsgriezumu laukumu.

Minimālais ģeometriskais jebkuras atveres izmērs nulles elektrodā (N) nedrīkst pārsniegt minimālo ģeometrisko attālumu no nulles elektroda (N) līdz sildītāja korpusam. Izgatavojot korpusu no dielektriķa, minētais attālums attiecas uz sildītāja metāla īscaurulēm.

Lai novērstu strāvas noplūdes iespēju uz sazemēto korpusu, attālumam starp nulles elektrodu (N) un korpusu ir jāpārsniedz jebkuras nulles elektroda atveres minimālais ģeometriskais izmērs.

Sildītāja korpusa aizsardzībai pret elektrības noplūdi no darba elektrodiem, nulles elektrodam (N) ir ģeometriski pilnībā jānosedz visi darba fāzes elektrodi (L), t.i., tā izmēriem ir jābūt lielākiem nekā darba elektrodu aizņemtā telpa.

Darba un aizsardzības sazemējumu vadītāju pretestībai ir jābūt vienādai.

ievērojot augstāk minētās konstruktīvās prasības, uz sildītāja korpusa un īscaurulēm noplūdes strāva nepārsniedz 0,3 mA.

Speciālistam ir acīmredzams, ka piedāvāto konstrukciju var izmantot plašā caurteces elektrisko sildītāju jaudu diapazonā, kā arī vienfāzes elektriskajos sildītājos. Piedāvātā konstrukcija paskaidrota ar piemēriem.

Izgudrojuma realizācijas piemēri

1. piemērs Caurteces elektriskais sildītājs ar jaudu 15 kW trīsfāžu tīklam ar spriegumu 380 V

Izmantojamais siltumnesējs «Staterm-40» ar elektovadītspēju 350 pS nosaka elektrodu īpatnējo virsmas jaudu 200 W/cm². Kopējais elektrodu darba virsmas laukums ir 75 cm². Apaļu stieņu formas tērauda fāzes (L) elektrodu (3) darba virsmas laukums: garums 185 mm, diametrs 16 mm.

Sildītāja korpuss ir vertikāli novietotas caurules formā ar apaļu šķērsgriezumu, iekšējo diametru 88 mm, ārējo diametru 95 mm, garumu 250 mm, kas apakšējā galā noslēgta ar piemetinātu dibenu un centrāli novietotu izvades īscauruli, augšējā galā noslēgta ar dielektriska materiāla (stikla tekstolīta) vāku, kurā savstaipēji izolēti iestiprināti 3 fāzes (L) un viens nulles (N) elektrods. Ievades īscaurule ir novietota korpusa augšgala tuvumā uz tā sānu virsmas. Ievades un izvades īscauruļu diametrs ir 25 mm.

Attālums starp fāzes elektrodiem (L), kas izvietoti vienādmalu trīsstūra virsotnēs ir 15,4 mm. Attālums no jebkura fāzes (L) elektroda līdz nulles (N) elektrodam ir 11 mm. Nulles elektrods (N) izgatavots tērauda caurules formā ar apļa šķērsgriezumu, ārējo diametru 76 mm, iekšējo diametru 68 mm un garumu 195 mm. Augšējais nulles elektroda (N) gals ir iestiprināts dielektriķī, kas noslēdz sildītāja korpusu, apakšējais gals noslēgts ar tērauda plāksni. Attālums starp korpusu un nulles elektrodu (N) pa perimetru ir 6 mm.

Minimālais kopējais visu atveru laukums nulles elektrodā (N) ir vienāds ar ievades (izvades) īscaurules šķērsgriezuma laukumu, kas, pie tā diametra 25 mm, ir 490 mm². Attālums starp korpusu un nulles elektrodu (N) ir 6 mm, tas nozīmē, ka nulles elektrodā (N) jebkuras atveres minimālais ģeometriskais izmērs nepārsniedz 6 mm. Pieņemot, ka atveres ir apaļas ar diametru 6 mm, iegūstam, ka kopā šāda izmēra atveru skaits nulles (N) elektrodā ir 18, t.i., kopējo atveru laukumu 490 mm² dalām ar vienas atveres laukumu 28 mm² (3,14 x 3² = 28). Atveres ir izvietotas aptuveni vienmērīgi pa nulles elektroda (N) perimetru elektroda apakšējā gala tuvumā un/vai uz elektroda apakšējās gala virsmas.

Siltumnesēja temperatūra ir 50 °C. Vietējās hidrauliskās pretestības koeficients ir mazāks nekā £ 0,1. Siltumnesēja plūsmas ātrums ir 33 litri/min.

Strāvas stiprums katrā fāzē (L) ir 18 A. Strāvas noplūde uz nulles elektroda (N) ir 0,4 A. Strāvas noplūde uz sazemētā korpusa ir mazāka nekā 0,3 mA. Paaugstinot siltumnesēja temperatūru līdz 70 °C, strāva katrā fāzē (L) sasniegs 25 A, noplūde uz nulles elektrodu (N) pieaugs līdz 1,2 A. Pie tam noplūde uz korpusu saglabājas mazāka nekā 0,3 mA. Noplūdes strāva uz nulles elektrodu (N) īpaši palielinās, atslēdzot vienu no trim fāzēm, un veido apmēram pusi no fāzes strāvas, bet arī šajā gadījumā noplūdes strāva uz sildītāja korpusu nepārsniedz 0,3 mA.

Tādā veidā mūsu piedāvātā caurplūdes elektriskā sildītāja konstrukcija panāk elektrisko drošību, izmatojot sadzīves apstākļos.

2. piemērs Caurteces elektriskais sildītājs ar jaudu 5 kW vienfāzes tīklam ar spriegumu 220 V

Izmantojamais siltumnesējs «Staterm-40» ar elektovadītspēju 220 ņS nosaka elektrodu īpatnējo virsmas jaudu 79,6 W/cm². Kopējais elektroda darba virsmas laukums ir 62,8 cm². Apaļa stieņa formas tērauda fāzes (L) elektroda darba virsmas laukums: garums 125 mm, diametrs 16 mm.

Sildītāja korpuss ir vertikāli novietotas caurules formā ar apaļu šķērsgriezumu, iekšējo diametru 41 mm, ārējo diametru 48,4 mm, garumu 190 mm, kas apakšējā galā noslēgta ar piemetinātu dibenu un centrāli novietotu izvades īscauruli, augšējā galā noslēgta ar dielektriska materiāla (stikla tekstolīta) vāku, kurā savstarpēji izolēti iestiprināts 1 fāzes (L) un viens nulles (N) elektrods, kas norobežo fāzes elektrodu no korpusa. Ievades īscaurule ir novietota korpusa augšgala tuvumā uz tā sānu virsmas. Ievades un izvades īscauruļu diametrs ir 20 mm.

Attālums no fāzes (L) elektroda līdz nulles (N) elektrodam ir 6 mm. Nulles elektrods (N) izgatavots tērauda caurules formā ar apļa šķērsgriezumu, ārējo diametru 34 mm, iekšējo diametru 28 mm un garumu 145 mm. Augšējais nulles elektroda (N) gals ir iestiprināts dielektriķī, kas noslēdz sildītāja korpusu, apakšējais gals noslēgts ar tērauda plāksni. Attālums starp korpusu un nulles elektrodu (N) pa perimetru ir 3,5 mm.

Minimālais kopējais visu atveru laukums nulles elektrodā (N) ir vienāds ar ievades (izvades) īscaurules šķērsgriezuma laukumu, kas, pie tā diametra 20 mm, ir 314 mm². Attālums starp korpusu un nulles elektrodu (N) ir 3,5 mm, tas nozīmē, ka nulles elektrodā (N) jebkuras atveres minimālais ģeometriskais izmērs nepārsniedz 3,5 mm. Pieņemot, ka atveres ir apaļas ar diametru 3,5 mm, iegūstam, ka kopā šāda izmēra atveru skaits nulles (N) elektrodā ir 33, t.i., kopējo atveru laukumu 314 mm² dalām ar vienas atveres laukumu 9,6 mm² (3,14 x 1,75² = 9,6). Atveres ir izvietotas aptuveni vienmērīgi pa nulles elektroda (N) perimetru elektroda apakšējā gala tuvumā un/vai uz elektroda apakšējās gala virsmas.

Siltumnesēja temperatūra ir 50 °C. Vietējās hidrauliskās pretestības koeficients ir mazāks nekā £ 0,2. Siltumnesēja plūsmas ātrums ir 20 litri/min.

Strāvas stiprums katrā fāzē (L) ir 17,85 A. Strāvas noplūde uz nulles elektroda (N) ir 16 A. Strāvas noplūde uz sazemētā korpusa ir mazāka nekā 0,3 mA. Paaugstinot siltumnesēja temperatūru līdz 70 °C, strāva katrā fāzē (L) sasniegs 25 A, noplūde uz nulles elektrodu (N) pieaugs līdz 23 A. Pie tam noplūde uz korpusu saglabājas mazāka nekā 0,3 mA.

Tādā veidā mūsu piedāvātā caurplūdes elektriskā sildītāja konstrukcija panāk elektrisko drošību, izmantojot sadzīves apstākļos.

Claims (8)

1. PRETENZIJAS

   1. Elektrovadoša šķidruma caurplūdes trīsfāžu elektriskais sildītājs, kas sastāv no hennētiska sazemēta korpusa, tajā ievietotiem ne mazāk kā trijiem fāzes elektrodiem un ne mazāk kā viena neitrālā (nulles) elektrodu, elektrovadošā šķidruma ievades un izvades īscaurulēm, kas atšķirīgs ar to, ka minētie elektrodi ir dielektriski izolēti savā starpā un no korpusa.
2. 2. Sildītājs saskaņā ar 1. punktu, kas aprīkots ar elektrovadošā šķidruma ievades un izvades īscaurulēm un ar savstarpēji un no korpusa izolētiem elektrodiem, pie kam nulles elektrods ir izvietots starp darba elektrodiem un pilnībā ģeometriski aptver visus darba elektrodus.
3. 3. Sildītājs saskaņā ar 2. punktu, kurā nulles elektrods izveidots ar atverēm siltumvadoša šķidruma caurplūdei, pie kam minimālais kopējais atveru laukums nulles elektrodā nav mazāks par minimālo ievades vai izvades īscaurules šķērsgriezuma laukumu.
4. 4. Sildītājs saskaņā ar 2. punktu, kurā attālums starp nulles elektrodu un korpusu pārsniedz jebkuras nulles elektroda atveres minimālo ģeometrisko izmēru.
5. 5. Sildītājs saskaņā ar 2. punktu, kurā sildītāja korpuss daļēji izgatavots no dielektriķa un daļēji no metāla, piemēram, tērauda.
6. 6. Sildītājs saskaņā ar 2. punktu, kurā nulles elektrods daļēji izgatavots no dielektriķa un daļēji no metāla, piemēram, tērauda.
7. 7. Sildītājs saskaņā ar 2. punktu, kurā darba elektrodi izgatavoti no metāla, piemēram, tērauda.
8. 8. Sildītājs saskaņā ar 2. punktu, kurā nulles elektroda un aizsardzības sazemējuma vadītāju pretestība ir vienāda.