RU2101879C1

RU2101879C1 - Flow-through electric heater

Info

Publication number: RU2101879C1
Application number: RU96111806A
Authority: RU
Inventors: Олег Юрьевич Масленников; Вячеслав Михайлович Абросимов; Игорь Григорьевич Артюх
Original assignee: Олег Юрьевич Масленников; Вячеслав Михайлович Абросимов; Игорь Григорьевич Артюх
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1998-01-10

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: flow-through electric heater has one or several heating elements, heating element power control unit, and water flow rate and temperature transducers. Every heating element is made as thermionic diode with heated thermionic cathode. Diode anode is flown around by heated liquid. Cathode operates in mode of temperature limitation of emission current. Water flow rate and temperature transducers are connected to filament control circuit of cathode heater. EFFECT: enhanced heating process. 3 wdgc

Description

Изобретение относится к электротермии, а более конкретно к электрическим нагревательным аппаратам для нагрева потока жидкости, и в частности к проточным водонагревательным аппаратам. The invention relates to electrothermal, and more particularly to electric heating apparatus for heating a fluid flow, and in particular to instantaneous water heating apparatus.

Проточные водонагревательные широко используются в быту, сельском хозяйстве, в промышленности везде, где экономически невыгодно прокладывать теплотрассы. Instantaneous water heaters are widely used in everyday life, agriculture, in industry wherever it is economically unprofitable to lay heating mains.

В проточных электронагревателях в качестве нагревательных элементов применяются трубчатые нагревательные элементы (ТЭНы), а также нагреваемые током спирали, непосредственно омываемые нагреваемой жидкостью, в частности водой, устройства индукционного нагрева воды, электродные нагреватели. In flow-through electric heaters, tubular heating elements (TENs) are used as heating elements, as well as current-heated spirals directly washed by a heated liquid, in particular water, induction heating water devices, electrode heaters.

Упомянутые устройства обладают недостатками, связанными с большими габаритами и сравнительно быстрым выходом из строя нагревательных элементов, сложностью управления мощностью нагрева. The mentioned devices have disadvantages associated with large dimensions and relatively quick failure of the heating elements, the complexity of controlling the heating power.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения по совокупности существенных признаков является проточный электрический водонагреватель [1] включающий нагревательные элементы (трубчатые ТЭНы), датчики потока и температуры нагреваемой жидкости (воды) и систему управления выходной мощностью. Включение ТЭНов может осуществляться ступенчато, например при потоке 3-3,5 л/мин включается только часть мощности 9 кВт; при достижении расхода 5-5,5 л/мин включается 10 кВт. При увеличении температуры нагреваемой жидкости выше заданного уровня термоограничитель отключают ТЭНы. Основные недостатки рассматриваемого проточного электрического водонагревателя: большие габариты блока ТЭНов, недостаточно надежная работа ТЭНов, перегорающих при появлении на их стенках накипи, невозможность плавной регулировки мощности, помехи в сети при коммутации большой мощности при включении и выключении ТЭНов. The closest analogue (prototype) of the invention in terms of essential features is a flowing electric water heater [1] including heating elements (tubular heating elements), flow and temperature sensors of the heated liquid (water) and an output power control system. The inclusion of heating elements can be carried out stepwise, for example, with a flow of 3-3.5 l / min, only part of the power of 9 kW is turned on; when the flow rate reaches 5-5.5 l / min, 10 kW is switched on. When the temperature of the heated fluid increases above a predetermined level, the thermal limiter switches off the heating elements. The main disadvantages of the instantaneous electric water heater under consideration are the large dimensions of the block of heating elements, the insufficiently reliable operation of the heating elements that burn out when scale appears on their walls, the inability to smoothly adjust power, network interference when switching high power when switching on and off heating elements.

Задачей изобретения является создание проточного электронагревателя, лишенного недостатков прототипа, обеспечивающего нагрев проточной жидкости путем преобразования кинетической энергии потока свободных электронов в вакууме в тепловую энергию. The objective of the invention is the creation of a flowing electric heater, devoid of the disadvantages of the prototype, providing heating of the flowing fluid by converting the kinetic energy of the flow of free electrons in vacuum into thermal energy.

Решение поставленной задачи достигнуто в конструкции проточного электронагревателя, включающего один или несколько нагревательных элементов, систему управления мощностью нагревательных элементов, термодатчики и датчики потока жидкости, в котором каждый нагревательный элемент выполнен в виде вакуумного диода с разогреваемым подогревателем термокатодом, анод которого обтекается нагреваемой жидкостью, например водой, а термодатчики и датчик потока воды включены в цепь управления подогревателем катода, при этом управление мощностью осуществляется регулировкой тока свободных электронов, испускаемых катодом, путем программируемого изменения температуры катода в диапазоне 700-1100^oC.The solution to this problem was achieved in the design of a flowing electric heater, including one or more heating elements, a power control system for heating elements, temperature sensors and liquid flow sensors, in which each heating element is made in the form of a vacuum diode with a heated cathode heater, the anode of which is wrapped around a heated liquid, for example water, and temperature sensors and a water flow sensor are included in the control circuit of the cathode heater, while power control suschestvlyaetsya adjustable current free electrons emitted from the cathode by programmable changes in the cathode temperature range of 700-1100 ^o C.

Максимальная удельная мощность электронной бомбардировки поверхности анода не превышает 250 Вт/см², катод работает в режиме температурного ограничения тока эмиссии.The maximum specific power of the electron bombardment of the anode surface does not exceed 250 W / cm ² , the cathode operates in the temperature limiting mode of the emission current.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема электронагревательного аппарата; на фиг. 2 принципиальная схема конструкции электронагревательного элемента; на фиг. 3 принципиальная электрическая схема подключения нагревательных элементов. In FIG. 1 is a schematic diagram of an electric heating apparatus; in FIG. 2 schematic diagram of the design of the electric heating element; in FIG. 3 circuit diagram of the connection of heating elements.

В состав аппарата (фиг. 1) входит нагревательный элемент, представляющий собой вакуумный диод с обтекаемым нагреваемой проточной водой анодом 1 и разогреваемым подогревателем термоэлектронным катодом 3. Управление мощностью накала катода диода осуществляется с помощью блока 4. Мощность накала устанавливается такой, чтобы токоотбор с катода был достаточен для нагрева воды от начальной температуры Т₁ до задаваемой температуры Т₂. Конкретная величина мощности накала термокатода программируется с учетом величины потока воды, регистрируемого датчиком 5 потока. Типичные значения мощности накала составляют около 1-2% выходной мощности нагревателя. Изменению мощности накала термокатода в диапазоне ≈ 1% мощности нагревателя соответствует изменение выходной мощности нагревателя в 10-20 раз. Питание диода осуществляется от источника питания 6. В состав аппарата входят электропроводящие или диэлектрические трубопроводы 7. Выбор типа трубопровода зависит от электрической схемы питания диода. Температура выходящей воды измеряется термодатчиком 8. Цепь подогревателя термокатода включается через блок 4. Величина мощности накала определяется также в зависимости от температуры жидкости. Последняя измеряется термодатчиком 8, выход которого подключен к блоку 4.The apparatus (Fig. 1) includes a heating element, which is a vacuum diode with an anode 1 streamlined by running water and a thermoelectronic cathode 3 heated by a heater. The diode’s cathode power is controlled using block 4. The glow power is set so that the current is taken from the cathode was sufficient to heat water from the initial temperature T ₁ to the set temperature T ₂ . The specific value of the thermal cathode glow power is programmed taking into account the magnitude of the water flow detected by the flow sensor 5. Typical values of the glow power are about 1-2% of the output power of the heater. A change in the thermal cathode glow power in the range of ≈ 1% of the heater power corresponds to a change in the heater output power by a factor of 10–20. The diode is powered from a power source 6. The apparatus includes electrically conductive or dielectric pipelines 7. The choice of the type of pipeline depends on the electrical circuit of the diode. The temperature of the outlet water is measured by the temperature sensor 8. The heater circuit of the thermal cathode is switched on via block 4. The value of the heating power is also determined depending on the temperature of the liquid. The latter is measured by a temperature sensor 8, the output of which is connected to block 4.

Нагревательный элемент (фиг. 2) представляет собой вакуумный диод с термоэлектронным катодом 3 и охлаждаемым потоком жидкости анодом 1. Катод 3 жестко закреплен на вакуумно-плотном изоляторе 9, через который проходят токовые вводы 10 катода и выводы 11 подогревателя 2. Изображенный на фиг. 2 катод имеет цилиндрическую форму эмитирующей поверхности, однако возможны и любые другие формы. Анод 1 на фиг. 2 расположен коаксиально с катодом 3. Расстояние между эмитирующей поверхностью катода и анодом выбирается из условия, чтобы при рабочем анодном напряжении катод работал в режиме температурного ограничения тока эмиссии. Если плотность токоотбора составляет j А/см², то зазор d между катодом и анодом следует определять из выражения d < d₀, где d₀ вычисляется по формуле:
j 2,35•10^-6(V $\binom{3/2}{м}$ /d $\binom{2}{0}$ ),
где V_м максимальное значение анодного напряжения в В, j в A/см², d₀ в см.The heating element (Fig. 2) is a vacuum diode with a thermionic cathode 3 and anode 1 cooled by a liquid flow. The cathode 3 is rigidly mounted on a vacuum-tight insulator 9 through which the current leads 10 of the cathode and leads 11 of the heater 2 pass. Fig. 2. 2, the cathode has a cylindrical shape of the emitting surface, however, any other shapes are possible. Anode 1 in FIG. 2 is located coaxially with the cathode 3. The distance between the emitting surface of the cathode and the anode is selected so that at the working anode voltage the cathode operates in the temperature limiting mode of the emission current. If the current collection density is j A / cm ² , then the gap d between the cathode and the anode should be determined from the expression d <d ₀ , where d _{0 is} calculated by the formula:
j 2.35 • 10 ^-6 (V $\binom{3/2}{m}$ / d $\binom{2}{0}$ ),
where V _{m is the} maximum value of the anode voltage in V, j in A / cm ² , d ₀ in cm

Конструкция охлаждающей системы анода должна обеспечивать при водяном потоке, определяемом выходной мощностью диода и приращением температуры воды, турбулентный поток. В этом случае допустим теплосъем с участков анода, контактирующих с водой, повышенной мощности, что позволяет создать компактный нагревательный элемент. Для примера, если в случае аппаратов мощностью 15-18 кВ при использовании ТЭНов отношение вес/выходная мощность составляет около 0,3 кг/кВт, то в рассматриваемом случае это соотношение в 3-4 раза лучше. The design of the cooling system of the anode should provide a turbulent flow with a water flow determined by the output power of the diode and the increment of the water temperature. In this case, allow heat removal from sections of the anode in contact with water of high power, which allows you to create a compact heating element. For example, if in the case of devices with a power of 15-18 kV when using heating elements, the weight / output ratio is about 0.3 kg / kW, then in this case this ratio is 3-4 times better.

Подключение электронного нагревателя к сети возможно различными способами, изображенными на фиг. 3. На фиг. 3, а изображен вариант однофазного подключения нагревателя. В этом случае он работает в режиме однополупериодного выпрямления. Подогреватель изолирован от катода и запитывается от того же источника по любой из известных схем, допускающей регулировку напряжения накала. На фиг. 3, б показана схема подключения электронного нагревателя с использованием двухполупериодного выпрямителя. На фиг. 3, г, 3, д представлены схемы однополупериодного и двухполупериодного трехфазного подключения. Однополупериодное выпрямление вносит некоторые искажения в электрические цепи, но обеспечивает повышенную электрическую безопасность, так как в этом случае обтекаемый водой анод электронного нагревателя находится под потенциалом земли, что в свою очередь позволяет использовать аппарат для нагрева горючих жидкостей. В устройстве целесообразно использовать низкотемпературные оксидные или металлопористые катоды. При использовании других типов резко возрастает трудность реализации надежного катодного узла, а также растет мощность нагрева катода. Катод устройства нагревают до рабочей температуры, когда появляется заметная эмиссия, что соответствует 700 1100^oC. Вакуумный зазор между катодом и анодом и высокая температура катода исключают влияние накипи на тепловой режим нагревателя, появлению которой, кроме того, препятствует турбулентный поток жидкости, протекающей по аноду. Резкая зависимость тока эмиссии от температуры катода позволяет плавно управлять большой мощностью нагрева, изменяя мощность накала в небольших пределах.Connecting the electronic heater to the network is possible in various ways, shown in FIG. 3. In FIG. 3a, a variant of a single-phase heater connection is shown. In this case, it operates in a half-wave rectification mode. The heater is isolated from the cathode and is fed from the same source according to any of the known schemes, allowing the adjustment of the filament voltage. In FIG. 3b shows the connection diagram of an electronic heater using a half-wave rectifier. In FIG. 3, d, 3, e show the schemes of half-wave and half-wave three-phase connection. Half-wave rectification introduces some distortions into the electric circuits, but provides increased electrical safety, since in this case the anode of the electronic heater streamlined by water is at ground potential, which in turn allows the apparatus to be used to heat combustible liquids. It is advisable to use low-temperature oxide or metal-porous cathodes in the device. When using other types, the difficulty of implementing a reliable cathode assembly sharply increases, and the cathode heating power also increases. The cathode of the device is heated to operating temperature when a noticeable emission appears, which corresponds to 700 1100 ^o C. The vacuum gap between the cathode and the anode and the high temperature of the cathode exclude the influence of scale on the thermal mode of the heater, the appearance of which, in addition, is prevented by a turbulent flow of fluid flowing through anode. A sharp dependence of the emission current on the cathode temperature makes it possible to smoothly control a large heating power, changing the incandescent power within small limits.

Изготовлены образцы электронных водонагревателей, имеющих максимальную выходную мощность 5 и 20 кВт. Питание 5 кВт нагревателя осуществлялось по схеме фиг. 3, а, а 20 кВт по схеме фиг. 3, г. Установлено, что при выходной мощности нагревателя 20 кВт мощность накала составляет 240 Вт, причем изменение мощности накала от 240 Вт до 140 Вт приводит к уменьшению выходной мощности с 20 кВт до 2,0 кВт, т.е. в 10 раз. Для 5 кВт нагревателя мощность накала составляла 150 Вт и изменение накала на 70 Вт приводило к изменению мощности от 5 кВт до 150 Вт. При температуре воды на выходе аппарата 60^oC поток воды составил 1,5 л/мин для 5 кВт аппарата и 6 л/мин для 20 кВт аппарата.Samples of electronic water heaters having a maximum output power of 5 and 20 kW were manufactured. The power of 5 kW of the heater was carried out according to the scheme of FIG. 3a, 20k according to the circuit of FIG. 3, d. It was found that with a heater output power of 20 kW, the glow power is 240 W, and a change in the glow power from 240 W to 140 W leads to a decrease in the output power from 20 kW to 2.0 kW, i.e. 10 times. For a 5 kW heater, the glow power was 150 W and a change in glow by 70 W led to a change in power from 5 kW to 150 W. At a water temperature at the apparatus outlet of 60 ^° C., the water flow was 1.5 l / min for 5 kW apparatus and 6 l / min for 20 kW apparatus.

В испытанном образце был использован металлопористый катод, работавший с токовой нагрузкой менее 1 А/см² при температуре около 950^oC. В таком режиме ресурс нагревательного элемента, определяемый ресурсом катода, превышает 100000 ч [2]
Для использования в практических целях выходная температура воды должна достигать 50-70^oC. Устранение кипения воды в аноде при такой температуре накладывает ограничения на допустимую удельную мощность бомбардировки поверхности анода. Экспериментально установлено, что максимальная удельная мощность электронной бомбардировки P не должна превышать 250 Вт/см².In the tested sample, a metal-porous cathode was used, operating with a current load of less than 1 A / cm ² at a temperature of about 950 ^o C. In this mode, the resource of the heating element, determined by the resource of the cathode, exceeds 100,000 h [2]
For practical use, the output temperature of the water must reach 50-70 ^o C. The elimination of boiling water in the anode at this temperature imposes restrictions on the allowable specific power of bombardment of the surface of the anode. It was experimentally established that the maximum specific power of electronic bombardment P should not exceed 250 W / cm ² .

Claims

A flow-through electric heating apparatus for heating a fluid flow, for example water, containing one or more heating elements, a power control unit for heating elements, the inputs of which are connected to the outputs of the heating fluid flow and temperature sensors, characterized in that the heating elements are made in the form of a vacuum diode with a heated thermal cathode the anode of which is designed to flow around the heated fluid, and the power control unit of the heating elements is included in the circuit ogrevatelya hot cathode.