RU2168874C1

RU2168874C1 - Electrode-type liquid heater

Info

Publication number: RU2168874C1
Application number: RU99127749A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Терсков; А.А. Перепечин; В.М. Тюх
Original assignee: Ильин Андрей Павлович
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: off-line automatic heating and hot-water supply for cottages, industrial and servicing premises, and the like. SUBSTANCE: one or more thermistors set to desired change-over temperature corresponding to maximum permissible heating temperature of liquid are additionally inserted in heater internal electric circuit formed by electrodes with current lead-ins and liquid being heated. Thermistor may be connected in series with one of electrodes. As soon as liquid is heated to change-over setting temperature of thermistor, the latter operates and liquid heating ceases until it cools down below change-over temperature. EFFECT: provision for long-time and high-precision maintenance of desired liquid temperature. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электронагревательным приборам электродного типа, и может быть использовано для автономного отопления и горячего водоснабжения объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения, например коттеджей, производственных и служебных помещений, теплиц и т.п., а также в термостатах и подогревателях жидкости. The invention relates to electrical engineering, in particular to electrode-type electric heaters, and can be used for autonomous heating and hot water supply of facilities that do not have centralized heat supply, for example, cottages, industrial and office buildings, greenhouses, etc., as well as in thermostats and fluid heaters.

Известна установка электродного нагрева жидкости, содержащая электроды с токоподводами, соединенными через переключающее устройство с источником переменного тока. Регулирование мощности в ней производится при помощи переключающих устройств в ручном или автоматическом режиме (см. авт.св. СССР N 1116562, кл. H 05 B 3/60, 1982). Недостатками известной установки являются сложность конструкции и большая материалоемкость с учетом системы управления. A known installation of electrode heating of a liquid containing electrodes with current leads connected through a switching device to an AC source. Power control in it is carried out using switching devices in manual or automatic mode (see ed. St. USSR N 1116562, class H 05 B 3/60, 1982). The disadvantages of the known installation are the design complexity and high material consumption, taking into account the control system.

Известен электродный нагреватель жидкости, принятый за прототип, содержащий по меньшей мере два взаимодействующих электрода с токоподводами для соединения с внешней электрической цепью, образующих с нагреваемой жидкостью внутреннюю электрическую цепь. Known electrode fluid heater, adopted for the prototype, containing at least two interacting electrodes with current leads for connection to an external electrical circuit, forming an internal electrical circuit with the heated fluid.

При этом электроды соединены с токоподводами через биметаллические пластины (см. авт.св. СССР N 1045421, кл. H 05 В 3/60, 1982). In this case, the electrodes are connected to current leads through bimetallic plates (see ed. St. USSR N 1045421, class H 05 V 3/60, 1982).

Регулирование мощности в известном нагревателе осуществляется путем изменения сопротивления жидкости во внутренней электрической цепи при расхождении или схождении взаимодействующих электродов, осуществляемом биметаллическими пластинами, при изменении температуры жидкости, т.е. автоматически. Так как при расхождении или схождении электродов меняются и длина, и площадь сечения столба жидкости между ними. The power control in the known heater is carried out by changing the resistance of the liquid in the internal electric circuit when the interacting electrodes diverge or converge, carried out by bimetallic plates, when the temperature of the liquid changes, i.e. automatically. Since when the electrodes diverge or converge, both the length and the cross-sectional area of the liquid column between them change.

Недостатком известного нагревателя, а более конкретно технического решения, реализованного в нем, является то, что в процессе работы не обеспечивается параллельность взаимодействующих электродов и, следовательно, плотность тока по длине электродов непостоянна, что отрицательно сказывается на его работоспособности. Также в известном нагревателе не решена задача защиты жидкости от перегрева, т.е. нагрева выше допустимой температуры, обусловленной безопасностью эксплуатации. A disadvantage of the known heater, and more specifically the technical solution implemented in it, is that during operation the parallelization of the interacting electrodes is not ensured and, therefore, the current density along the length of the electrodes is unstable, which negatively affects its performance. Also, in the known heater, the task of protecting the liquid from overheating, i.e. heating above the permissible temperature due to safe operation.

При повышении температуры воды от 0 до 100^oC происходит повышение ее электропроводности в 3...5 раз, что приводит к такому же увеличению мощности тепловыделения, при постоянном напряжении на электродах. А это является условием, достаточным для возникновения неустойчивости работы системы отопления (основной области применения электродных нагревателей жидкости) из-за периодического заваривания котла. Поэтому требуется принятие специальных мер по предотвращению разгона котла при повышении температуры в системе отопления. Это могут быть: электрические системы регулирования напряжения на электродах; системы контроля температуры в характерных точках в совокупности с системами отключения питания по заданной температурной установке и т.д.With increasing water temperature from 0 to 100 ^o C there is an increase in its conductivity by 3 ... 5 times, which leads to the same increase in heat dissipation, with a constant voltage on the electrodes. And this is a condition sufficient for the instability of the heating system (the main area of application of electrode fluid heaters) to occur due to the periodic brewing of the boiler. Therefore, special measures are required to prevent the boiler from accelerating when the temperature in the heating system rises. It can be: electric systems of voltage regulation on electrodes; temperature control systems at characteristic points in conjunction with power shutdown systems for a given temperature setting, etc.

Желательно иметь электродный нагреватель жидкости, лишенный вышеуказанных недостатков. It is desirable to have an electrode fluid heater devoid of the above disadvantages.

Это достигается тем, что в электродном нагревателе жидкости, содержащем по меньшей мере два взаимодействующих электрода с токоподводами для соединения с внешней электрической цепью, образующих с нагреваемой жидкостью внутреннюю электрическую цепь, согласно изобретению во внутреннюю электрическую цепь дополнительно включен, один или более, терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления и заданной температурой переключения (по другой терминологии - заданной точкой Кюри), соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости. This is achieved by the fact that in an electrode fluid heater containing at least two interacting electrodes with current leads for connecting to an external electrical circuit, forming an internal electrical circuit with a heated fluid, according to the invention, one or more positive resistors are additionally included in the internal electrical circuit temperature coefficient of resistance and a given switching temperature (in another terminology - a given Curie point) corresponding to an allowable temperature re heating fluid.

При этом терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления, с заданной температурой переключения, один или более (в зависимости от решаемой задачи), может быть включен во внутреннюю электрическую цепь последовательно с одним из взаимодействующих электродов. In this case, a thermistor with a positive temperature coefficient of resistance, with a given switching temperature, one or more (depending on the problem being solved), can be connected in series with one of the interacting electrodes in the internal electric circuit.

Включение терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления (в дальнейшем по тексту терморезистор с ⁺ТКС), одного или более, с заданной температурой переключения, соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости, во внутреннюю электрическую цепь электрического нагревателя жидкости, например последовательно с одним из взаимодействующих электродов, обеспечивает прохождение электрического тока, а следовательно, и нагрев жидкости на этом участке внутренней электрической цепи только до определенной температуры, определяемой температурой переключения терморезистора, соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости, задаваемой при разработке нагревателя. Так как известно, что зависимость сопротивления терморезистора с ⁺ТКС от температуры, а также крутизна области с положительным температурным коэффициентом сопротивления могут изменяться в очень широких пределах. И на участке с положительным ТКС, начинающимся с точки переключения, логарифм сопротивления приблизительно пропорционален температуре:
Log R = A'T + A'',
где A' и A''- постоянные;
R - сопротивление терморезистора с ⁺ТКС;
T - температура терморезистора с ⁺ТКС.The inclusion of a thermistor with a positive temperature coefficient of resistance (hereinafter referred to as a thermistor with ⁺ TCS), one or more, with a given switching temperature corresponding to the allowable temperature of the heating fluid, in the internal electrical circuit of an electric fluid heater, for example, in series with one of the interacting electrodes, provides the passage of electric current, and consequently, the heating of the liquid in this section of the internal electric circuit only to a certain pace temperature determined by the switching temperature of the thermistor corresponding to the allowable temperature of the heating fluid, set when designing the heater. Since it is known that the temperature dependence of the resistance of a thermistor with ⁺ TCS, as well as the steepness of a region with a positive temperature coefficient of resistance, can vary over a very wide range. And in the area with a positive TCS starting at the switching point, the resistance logarithm is approximately proportional to the temperature:
Log R = A'T + A '',
where A 'and A''areconstants;
R is the resistance of the thermistor with ⁺ TCS;
T is the temperature of the thermistor with ⁺ TCS.

При этом характеристики терморезисторов с ⁺ТКС очень стабильны - 5000 часов, а температура переключения стабильна в пределах ± 1^oC (см. Мэклин Э. Д. Терморезисторы. - М. : Радио и связь, 1983, с. 9, с. 144, рис. 11.6 с. 151, формула 11.1, с. 151 и с. 156...158).Moreover, the characteristics of thermistors with ⁺ TCS are very stable - 5000 hours, and the switching temperature is stable within ± 1 ^o C (see Maklin E. D. Thermoresistors. - M.: Radio and communications, 1983, p. 9, p. 144 , Fig. 11.6 p. 151, formula 11.1, p. 151 and p. 156 ... 158).

В совокупности признаки изобретения позволяют:
- гарантированно, в автоматическом режиме, нагревать жидкость в нагревателе до определенной, заданной температуры;
- упростить конструкцию нагревателя с учетом отсутствия необходимости сложной системы управления для его эксплуатации;
- повысить надежность нагревателя вследствие отсутствия подвижных элементов в его конструкции.Together, the features of the invention allow:
- guaranteed, in automatic mode, to heat the liquid in the heater to a certain, predetermined temperature;
- to simplify the design of the heater, taking into account the absence of the need for a complex control system for its operation;
- to increase the reliability of the heater due to the lack of movable elements in its design.

Возможные варианты выполнения электродного нагревателя жидкости по изобретению представлены электрическими принципиальными схемами. Possible embodiments of the electrode fluid heater according to the invention are represented by electrical circuit diagrams.

На фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема нагревателя при последовательном включении одного терморезистора с ⁺ТКС во внутреннюю электрическую цепь. На фиг. 2 и 3 приведены варианты электрической принципиальной схемы нагревателя при включении во внутреннюю электрическую цепь нескольких терморезисторов с ⁺ТКС. На фиг. 4 приведена упомянутая выше характерная зависимость сопротивления позистора от температуры, одна из бесчисленного множества в интервале температур от -100 до 250^oC (см. Мэклин Э.Д. Терморезисторы. - М.: Радио и связь, 1983, с. 9), с температурой переключения 95^oC, например, для нагревателя для отопления служебных помещений.In FIG. 1 shows the electrical schematic diagram of the heater for the sequential inclusion of one thermistor with ⁺ TCS in the internal electrical circuit. In FIG. Figures 2 and 3 show variants of the electric circuit diagram of the heater when several thermistors with ⁺ TCS are included in the internal electric circuit. In FIG. 4 shows the above-mentioned characteristic dependence of the resistance of the posistor on temperature, one of countless in the temperature range from -100 to 250 ^o C (see Macklin ED Thermoresistors. - M .: Radio and communication, 1983, p. 9), with a switching temperature of 95 ^o C, for example, for a heater for heating office premises.

Электродный нагреватель жидкости содержит (см. фиг. 1 и 2) электроды 1 и 2 с токоподводами 3 и 4 соответственно, установленные, например, на общем основании 5 и размещаемые в емкости 6 с нагреваемой жидкостью 7 (в качестве электрода 1 может выступать зануленный корпус нагревателя). В зависимости от решаемой задачи емкость 6 может быть котлом с патрубками входа и выхода жидкости, емкостью термостата и т.п. 8 - терморезистор с ⁺ТКС с заданной температурой переключения (точкой Кюри), соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости, определяемой назначением нагревателя. Температура переключения терморезистора с ⁺ТКС 8 определяется по любой из известных методик, применяемых при разработке аналогичных изделий, например путем подбора. А именно, сначала задается температура переключения, равная допустимой температуре нагрева жидкости, по справочникам подбирается наиболее подходящий серийный терморезистор, изготавливается и испытывается опытный образец нагревателя и по результатам испытаний корректируется температура переключения терморезистора с ⁺ТКС 8, так как она соответствует допустимой температуре нагрева жидкости. И решается вопрос об использовании серийных или разработке специальных терморезисторов для промышленного изготовления нагревателя.The electrode fluid heater contains (see Fig. 1 and 2) electrodes 1 and 2 with current leads 3 and 4, respectively, installed, for example, on a common base 5 and placed in a container 6 with a heated fluid 7 (a zeroth casing can act as electrode 1 heater). Depending on the problem being solved, the tank 6 may be a boiler with nozzles for the inlet and outlet of the liquid, the capacity of the thermostat, etc. 8 - thermistor with ⁺ TCS with a given switching temperature (Curie point) corresponding to the allowable temperature of the heating fluid, determined by the purpose of the heater. The switching temperature of the thermistor with ⁺ TCS 8 is determined by any of the known methods used in the development of similar products, for example, by selection. Namely, at first the switching temperature is set equal to the permissible temperature of heating the liquid, the most suitable serial thermistor is selected from the reference books, a prototype heater is manufactured and tested, and the switching temperature of the thermistor with ⁺ TCS 8 is adjusted according to the test results, since it corresponds to the permissible temperature of heating of the liquid. And the question of using serial or developing special thermistors for the industrial manufacture of a heater is being decided.

При этом электроды 1 и 2 с токоподводами 3 и 4, соответственно, нагреваемая жидкость 7 и терморезистор(ы) с ⁺ТКС 8 образуют внутреннюю электрическую цепь, подсоединяемую к внешней электрической цепи (не показана). Отличие нагревателя по фиг. 3 состоит в том, что электрод 2 и терморезисторы с ⁺ТКС соединены с токоподводом 4 и нагреваемой жидкостью P_ж 7 самостоятельно, напрямую.In this case, the electrodes 1 and 2 with current leads 3 and 4, respectively, the heated liquid 7 and the thermistor (s) with ⁺ TCS 8 form an internal electrical circuit connected to an external electrical circuit (not shown). The difference in the heater of FIG. 3 is that the electrode 2 and a ⁺ TCR thermistors are connected to the current lead 4 and the heated fluid P _x 7 independently directly.

Электродный нагреватель жидкости работает следующим образом. При начальном включении нагревателя (см., например, фиг. 1) напряжение по внешней электрической цепи подается на токоподводы 3 и 4 и по ним на электроды 1 и 2 соответственно. Между электродами 1 и 2 через нагреваемую жидкость 7 и терморезистор с ⁺ТКС 8 протекает электрический ток, параметры которого зависят от напряжения между электродами 1 и 2, сопротивления R_ж столба жидкости 7 между ними и сопротивления R_п терморезистора с ⁺ТКС 8. При комнатных значениях температуры величина сопротивления терморезистора с ⁺ТКС 8 лежит в области единиц Ом. Падение напряжения на нем невелико, поэтому мощность выделяемая на терморезисторе с ТКС 8 мала, и не влияет на величину тока во внутренней цепи. По мере нагрева жидкости 7 нагревается и терморезистор с ⁺ТКС 8. При этом его сопротивление (см. фиг. 4) даже несколько падает. Однако при достижении нагреваемой жидкостью 7, а следовательно, и терморезистором с ⁺ТКС 8 температуры, соответствующей температуре переключения (точка T_п на графике на фиг. 4, выбираемая заранее при изготовлении нагревателя), в рассматриваемом случае это температура, меньшая, чем температура кипения жидкости, а именно 95^oC, в терморезисторе с ⁺ТКС 8 резко возрастает скорость изменения сопротивления. А именно, сопротивление начинает увеличиваться на порядки, что приводит к резкому увеличению падения напряжения на терморезисторе с⁺ ТКС 8. Нагреваемая жидкость 7 не может отводить выделяемое в терморезисторе с ⁺ТКС 8 тепло, т.к. сама уже нагрета до заданной температуры, определяемой температурой переключения терморезистора с ⁺ТКС 8, и в терморезисторе с ⁺ТКС 8 начинается процесс саморазогрева. Т.е. при достижении температуры переключения терморезистор с ⁺ТКС 8 резко уменьшает ток через себя до величины поддержания состояния саморазогрева. Практически это означает прекращение нагрева жидкости. Возврат в начальное состояние (состояние нагрева жидкости) возможен только при уменьшении температуры нагреваемой жидкости 7 ниже допустимой температуры и, следовательно, - терморезистора с ⁺ТКС 8 до величины, ниже температуры переключения.The electrode fluid heater operates as follows. When the heater is initially turned on (see, for example, Fig. 1), the voltage is supplied through an external electric circuit to current leads 3 and 4 and through them to electrodes 1 and 2, respectively. Between the electrodes 1 and 2, an electric current flows through the heated liquid 7 and the thermistor c ⁺ TKS 8, the parameters of which depend on the voltage between the electrodes 1 and 2, the resistance R _w of the liquid column 7 between them and the resistance R _{p of the} thermistor c ⁺ TKS 8. For room temperature values, the resistance value of the thermistor with ⁺ TCS 8 lies in the range of units Ohm. The voltage drop across it is small, so the power allocated to the thermistor with TCS 8 is small, and does not affect the amount of current in the internal circuit. As the liquid 7 heats up, the thermistor C ⁺ TKS 8 also heats up. Moreover, its resistance (see Fig. 4) even drops somewhat. However, when the heated fluid 7 and, consequently, the thermistor with ⁺ TCS 8 reach the temperature corresponding to the switching temperature (point T _p on the graph in Fig. 4, chosen in advance when manufacturing the heater), in this case it is a temperature lower than the boiling point liquid, namely 95 ^o C, in a thermistor with ⁺ TCS 8, the rate of change of resistance increases sharply. Namely, the resistance begins to increase by orders of magnitude, which leads to a sharp increase in the voltage drop across the thermistor with ⁺ TCS 8. The heated liquid 7 cannot remove the heat released in the thermistor with ⁺ TCS 8, because it is already heated to a predetermined temperature, determined by the switching temperature of the thermistor with ⁺ TCS 8, and in the thermistor with ⁺ TCS 8, the self-heating process begins. Those. when the switching temperature is reached, the thermistor with ⁺ TCS 8 sharply reduces the current through itself to the value of maintaining the state of self-heating. In practice, this means the termination of heating of the liquid. Return to the initial state (state of heating of the liquid) is possible only when the temperature of the heated liquid 7 is lower than the permissible temperature and, therefore, of the thermistor with ⁺ TCS 8 to a value lower than the switching temperature.

В нагревателе, изготовленном по схеме на фиг. 2, обеспечивается установленный режим нагрева жидкости 7 путем подбора терморезисторов с ⁺ТКС 8 с определенными температурами переключения, с гарантированным прекращением нагрева при достижении жидкостью температуры, соответствующей максимальной из заданных температур переключения терморезисторов с ⁺ТКС 8. В нагревателе, изготовленном по схеме на фиг. 3, обеспечивается установленный режим нагрева жидкости 7 и гарантирован необходимый ее нагрев при отключившихся терморезисторах с ⁺ТКС 8, т.к. электрод 2 работает все время.In the heater made according to the circuit of FIG. 2, the established mode of heating the liquid 7 is provided by selecting thermistors with ⁺ TCS 8 with certain switching temperatures, with a guaranteed cessation of heating when the liquid reaches a temperature corresponding to the maximum of the given switching temperatures of thermistors with ⁺ TCS 8. In the heater made according to the circuit in FIG. 3, the established mode of heating the liquid 7 is provided and its necessary heating is guaranteed when the thermistors with ⁺ TCS 8 are turned off, because electrode 2 works all the time.

Таким образом, нагреватель поддерживает заданную температуру нагрева жидкости автоматически, с высокой точностью и в течение длительного времени, что может обеспечить ему широкое применение. Thus, the heater maintains the set temperature of heating the liquid automatically, with high accuracy and for a long time, which can provide it with widespread use.

Claims

1. An electrode fluid heater, comprising at least two interacting electrodes with current leads for connecting to an external electrical circuit, forming an internal electrical circuit with a heated fluid, characterized in that one or more positive resistors are included in the internal electrical circuit temperature coefficient of resistance and with a given switching temperature corresponding to the permissible temperature of the heating fluid.

2. The heater according to claim 1, characterized in that the thermistor with a positive temperature coefficient of resistance and with a given switching temperature, one or more, is included in the internal electrical circuit in series with one of the interacting electrodes.