RU2209367C1

RU2209367C1 - Electric boiler

Info

Publication number: RU2209367C1
Application number: RU2001131651/06A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Силин; В.А. Жуков; Г.П. Турмов
Original assignee: Дальневосточный государственный технический университет
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2003-07-27

Abstract

FIELD: electric water heaters, possibly used for heating and supplying hot water to residence buildings and industrial rooms in closed and in open heating systems. SUBSTANCE: apparatus is provided in addition with terminal and central electrodes arranged coaxially relative to main electrode, insulated from it and made of electrically conductive material with low work function of electrons. Central additional electrode is in the form of rod, it is arranged in cavity of main electrode. Terminal additional electrode is in the form of perforated tube and it is placed around main electrode. Transformer with adjustable magnetic shunt is used as power source. One tap of secondary winding of said transformer is connected with central additional electrode; second tap of secondary winding is connected with one tap of primary winding and with main electrode. The last through regulating member such as semistor is connected with terminal additional electrode. EFFECT: increased concentration of electric current carriers in electric circuits of boiler, enhanced averaged assumed factor of electric energy to heat conversion. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроводонагревателям и может применяться для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений как в закрытых, так и открытых отопительных системах. Кроме того, могут применяться на строительных площадках, промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, где требуется горячая вода для технологических процессов. The invention relates to electric heaters and can be used for heating and hot water supply of residential and industrial premises both in closed and open heating systems. In addition, they can be used at construction sites, industrial and agricultural enterprises where hot water is required for technological processes.

Известен электрический котел, состоящий из корпуса, в который вварены два патрубка для прямой и обратной воды. В верхней части котла имеется маховик регулятора мощности, с помощью которого перемещаются экраны, входящие между электродами. Для автоматического поддержания заданного диапазона температуры воды в верхней крышке электрокотла установлено термореле (см. Доцков И. И. , Маземов С.С. Электрические нагревательные устройства. Россельхоз, 1973, стр.16). Known electric boiler, consisting of a housing in which two pipes are welded for direct and return water. In the upper part of the boiler there is a flywheel of the power regulator, with the help of which the screens entering between the electrodes are moved. To automatically maintain a given range of water temperature in the top cover of the electric boiler, a thermal relay is installed (see Dotskov I.I., Mazemov S.S. Electric heating devices. Rosselkhoz, 1973, p.16).

Известен также электрический котел, полость которого снабжена электродом, подключенным к источнику питания и электрически изолированным от корпуса котла, подводящим и отводящим патрубками (см. Доцков И.И., Маземов С.С. Электрические нагревательные устройства. Россельхоз, 1973, стр.20, рис. 6). An electric boiler is also known, the cavity of which is equipped with an electrode connected to a power source and electrically isolated from the boiler body, inlet and outlet pipes (see Dotsky II, Mazemov SS Electric heating devices. Rosselkhoz, 1973, p. 20 , fig. 6).

Электрический котел развивает номинальную мощность только при работе на воде с расчетным удельным сопротивлением. С уменьшением удельного сопротивления воды мощность котла возрастает, но использовать электрический котел для получения мощности, в несколько раз превышающей номинальную, нельзя, так как электрическая прочность воды недостаточна и это может вызвать пробой между электродами разных фаз. Такие пробои промежутка воды сопровождаются резкими ударами внутри котла, бросками тока, что может привести к срабатыванию максимально-токовой защиты и отключению котла от электрической сети. An electric boiler develops rated power only when working on water with a calculated specific resistance. With a decrease in the specific resistance of water, the boiler power increases, but it is impossible to use an electric boiler to obtain power several times higher than the nominal one, since the electric strength of water is insufficient and this can cause a breakdown between the electrodes of different phases. Such breakdowns of the water gap are accompanied by sharp shocks inside the boiler, inrush currents, which can lead to the operation of overcurrent protection and disconnect the boiler from the electrical network.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение среднего условного коэффициента преобразования электрической энергии в тепловую. The task to which the proposed technical solution is directed is to increase the average conditional coefficient of conversion of electric energy into heat.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении концентрации носителей электрического тока электрического котла. The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in increasing the concentration of carriers of the electric current of the electric boiler.

Поставленная задача решается тем, что электрический котел, полость которого снабжена электродом, подключенным к источнику питания и электрически изолированным от корпуса котла, подводящим и отводящим патрубками, отличается тем, что основной электрод выполнен в виде перфорированной трубы, предпочтительно стальной, при этом устройство снабжено дополнительными краевым и центральным электродами, размещенными соосно с основным электродом, причем центральный дополнительный выполнен из проводящего материала с малой работой выхода электронов в виде стержня, и размещен в полости основного электрода, и изолирован от контакта с ним, а краевой дополнительный электрод выполнен в виде перфорированной трубы из проводящего материала с малой работой выхода электронов, и размещен вокруг основного электрода, и изолирован от контакта с ним, кроме того, в качестве источника питания использован трансформатор с регулируемым магнитным шунтом, причем один вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к центральному дополнительному электроду, а второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к основному электроду, который через регулирующий элемент, например симистор, подключен к крайнему дополнительному электроду, кроме этого, второй вывод вторичной обмотки подключен к одному из выводов первичной обмотки. При этом для изготовления дополнительных центрального и краевого электродов использован материал с работой выхода электронов не более 0,3 эВ, например алюминия. The problem is solved in that the electric boiler, the cavity of which is equipped with an electrode connected to a power source and electrically isolated from the boiler body, inlet and outlet pipes, is characterized in that the main electrode is made in the form of a perforated pipe, preferably steel, while the device is equipped with additional edge and central electrodes placed coaxially with the main electrode, and the central additional is made of conductive material with a small work function new in the form of a rod, and is placed in the cavity of the main electrode, and is isolated from contact with it, and the edge additional electrode is made in the form of a perforated tube of a conductive material with a small electron work function, and is placed around the main electrode, and is isolated from contact with it, in addition, a transformer with an adjustable magnetic shunt was used as a power source, moreover, one terminal of the secondary winding of the transformer is connected to the central additional electrode, and the second terminal of the secondary winding of the transformer Matora connected to the main electrode, which via an adjusting element, such as a triac, is connected to the extreme additional electrode, in addition, the second terminal of the secondary winding is connected to one terminal of the primary winding. Moreover, for the manufacture of additional central and edge electrodes, a material with an electron work function of not more than 0.3 eV, for example aluminum, was used.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна". A comparative analysis of the essential features of the claimed technical solution with the essential features of analogues and prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty."

При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи. Moreover, the features of the characterizing part of the claims solve the following functional tasks.

Признак "...нагревательный электрод выполнен в виде перфорированной трубы, предпочтительно стальной..." позволяет продлить срок службы электрода, так как сталь менее подвержена коррозии. The sign "... the heating electrode is made in the form of a perforated pipe, preferably steel ..." allows you to extend the life of the electrode, as the steel is less susceptible to corrosion.

Признаки ". ..устройство снабжено дополнительными краевым и центральным электродами, размещенными соосно с основным электродом, причем центральный дополнительный выполнен из проводящего материала с малой работой выхода электронов в виде стержня и размещен в полости основного электрода..." и "...а краевой дополнительный электрод выполнен в виде перфорированной трубы из проводящего материала с малой работой выхода электронов и размещен вокруг основного электрода..." позволяет обеспечить дополнительную инжекцию электронов в теплоноситель. Между дополнительными электродами и корпусом котла за счет увеличения плотности тока возникает градиент температуры, который способствует выделению дополнительного количества тепла в соответствии с эффектом Томсона. Signs "... the device is equipped with additional edge and central electrodes arranged coaxially with the main electrode, the central additional made of conductive material with a small electron work function in the form of a rod and placed in the cavity of the main electrode ..." and "... a the edge additional electrode is made in the form of a perforated tube of a conductive material with a small electron work function and is placed around the main electrode ... "allows for additional injection of electrons into the coolant. Due to the increase in current density, a temperature gradient arises between the additional electrodes and the boiler body, which contributes to the release of additional heat in accordance with the Thomson effect.

Признак ". ..дополнительные краевой и центральный электроды... изолированы от контакта с ним (основным электродом)..." позволяет исключить протекание тока между электродами и корпусом котла, приводящее к неравномерному распределению нагрузок между фазами. The sign "... additional edge and central electrodes ... isolated from contact with it (main electrode) ..." eliminates the flow of current between the electrodes and the boiler body, leading to an uneven distribution of loads between the phases.

Признаки ". . .в качестве источника питания использован трансформатор с регулируемым магнитным шунтом, причем один вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к центральному дополнительному электроду, а второй вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к нагревательному электроду, который через регулирующий элемент, например симистор, подключен к крайнему дополнительному электроду, кроме этого, второй вывод вторичной обмотки подключен к одному из выводов первичной обмотки..." позволяет не только обеспечить гальваническую развязку с питающей сетью, но и регулировать процесс нагрева и стабилизацию температуры теплоносителя. Signs "... A transformer with an adjustable magnetic shunt is used as a power source, moreover, one terminal of the secondary winding of the transformer is connected to the central additional electrode, and the second terminal of the secondary winding of the transformer is connected to the heating electrode, which is connected through the regulating element, for example, a triac additional electrode, in addition, the second terminal of the secondary winding is connected to one of the terminals of the primary winding ... "allows you to not only provide galvanic p interconnection with the supply network, but also regulate the heating process and stabilize the temperature of the coolant.

Отличительный признак второго пункта формулы изобретения оговаривает проводящие материалы с малой работой выхода электронов, которые могут быть использованы для изготовления дополнительных электродов. A distinctive feature of the second claim stipulates conductive materials with a low electron work function, which can be used to make additional electrodes.

На чертеже показан электрический котел в разрезе. На чертеже показаны корпус 1 электрокотла, патрубки 2 и 3 для входа и выхода воды, основной электрод 4, центральный 5 и краевой 6 дополнительные электроды, понижающий трансформатор 7, регулирующий элемент 8, датчик температуры 9. The drawing shows an electric boiler in section. The drawing shows the housing 1 of the electric boiler, nozzles 2 and 3 for water inlet and outlet, the main electrode 4, the central 5 and edge 6 additional electrodes, step-down transformer 7, control element 8, temperature sensor 9.

Корпус 1 электрокотла выполнен в виде стальной цилиндрической трубы, закрытой с двух сторон стальными крышками с отверстиями для выводов. В корпус вварены два патрубка 2 и 3 для входа и выхода воды. Внутри корпуса установлены электроды. Система электродов включает в себя основной электрод 4, антиэлектрод - корпус 1 котла, центральный 5 и краевой 6 дополнительные электроды. Основной электрод 4 изготовлен в виде перфорированной стальной трубы. Центральный дополнительный электрод 5 изготовлен в виде стержня из алюминия, имеющего малую работу выхода электронов. Краевой дополнительный электрод 6 изготовлен из перфорированной алюминиевой трубы, покрытой полимером. В качестве источника питания используют понижающий трансформатор 7, первичную обмотку которого подключают к сети с напряжением 220 В, 50 Гц. Основной электрод 4 и корпус 1 котла подключают к первичной обмотке трансформатора 7. Центральный дополнительный электрод 5 подключают одним концом к вторичной обмотке трансформатора 7 напряжением 50 В, вторым концом - к основному электроду 4. Краевой дополнительный электрод 6 замкнут через регулирующий элемент 8, например симистор, на основной электрод 4. Для контроля температуры воды в верхней крышке котла установлен датчик температуры. The housing 1 of the electric boiler is made in the form of a cylindrical steel pipe, closed on both sides with steel caps with openings for conclusions. Two pipes 2 and 3 are welded into the body for water inlet and outlet. Electrodes are installed inside the case. The electrode system includes a main electrode 4, an anti-electrode - a boiler body 1, a central 5 and edge 6 additional electrodes. The main electrode 4 is made in the form of a perforated steel pipe. The central additional electrode 5 is made in the form of a rod of aluminum having a small electron work function. The regional additional electrode 6 is made of a perforated aluminum pipe coated with a polymer. As a power source, a step-down transformer 7 is used, the primary winding of which is connected to a network with a voltage of 220 V, 50 Hz. The main electrode 4 and the boiler body 1 are connected to the primary winding of the transformer 7. The central additional electrode 5 is connected at one end to the secondary winding of the transformer 7 with a voltage of 50 V, and the second end to the main electrode 4. The regional additional electrode 6 is closed through a regulating element 8, for example, a triac , on the main electrode 4. To control the water temperature, a temperature sensor is installed in the top cover of the boiler.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

После подачи напряжения трансформатором 7 на основной электрод 4 между этим электродом и корпусом 1 котла начинает протекать электрический ток и теплоноситель (вода, которую подают через патрубок 2) начинает нагреваться за счет выделения джоулева тепла. Одновременно на центральный дополнительный электрод 5 подают пониженное напряжение 50 В с вторичной обмотки трансформатора 7. Поскольку центральный электрод 5 изготовлен из алюминия, электроны которого имеют малое значение работы выхода, в области между центральным 5 и основным 4 электродами значительно увеличивается концентрация носителей электрического тока, а следовательно, и количество выделяемого тепла, пропорционально квадрату тока. Это в свою очередь приводит к значительному увеличению градиента температуры между основным электродом 4 и корпусом 1 котла. В соответствии с эффектом Томсона наличие градиента температуры в среде, где протекает электрический ток, приводит к выделению в этой области дополнительного количества тепла. Регулирование концентрации носителей тока, а также величины градиента температуры осуществляют с помощью краевого дополнительного электрода 6 с помощью регулирующего элемента 8. Краевой дополнительный электрод 6 позволяет регулировать мощность электрокотла в широких пределах, выполняя роль экранов, используемый для этих целей в известных конструкциях. Кроме того, регулирование мощности котла в небольших пределах можно осуществить путем изменения напряжения вторичной обмотки трансформатора 7. Контроль температуры воды осуществляют датчиком температуры 9. Нагретую воду через патрубок 3 подают потребителю. After the voltage is supplied by the transformer 7 to the main electrode 4, an electric current starts to flow between this electrode and the boiler body 1 and the coolant (water that is supplied through the pipe 2) starts to heat up due to the release of Joule heat. At the same time, a reduced voltage of 50 V is supplied to the central additional electrode 5 from the secondary winding of the transformer 7. Since the central electrode 5 is made of aluminum, the electrons of which have a low output function, the concentration of electric current carriers increases significantly in the region between the central 5 and the main 4 electrodes, and therefore, the amount of heat generated is proportional to the square of the current. This in turn leads to a significant increase in the temperature gradient between the main electrode 4 and the boiler body 1. In accordance with the Thomson effect, the presence of a temperature gradient in the medium where electric current flows leads to the generation of additional heat in this region. The regulation of the concentration of current carriers, as well as the magnitude of the temperature gradient, is carried out using the edge additional electrode 6 using the regulating element 8. The edge additional electrode 6 allows you to adjust the power of the electric boiler over a wide range, playing the role of screens used for these purposes in known designs. In addition, the regulation of the boiler power within small limits can be done by changing the voltage of the secondary winding of the transformer 7. The temperature of the water is controlled by a temperature sensor 9. Heated water is supplied to the consumer through the pipe 3.

Claims

1. Electric boiler, the cavity of which is equipped with an electrode connected to a power source and electrically isolated from the boiler body, inlet and outlet pipes, characterized in that the main electrode is made in the form of a perforated pipe, preferably steel, while the device is equipped with additional end and central electrodes placed coaxially with the main electrode, and the central additional is made of a conductive material with a small electron work function in the form of a rod and placed on the floor the main electrode and is isolated from contact with it, and the outermost additional electrode is made in the form of a perforated tube of conductive material with a small electron work function and is placed around the main electrode and isolated from contact with it, in addition, a transformer with an adjustable a magnetic shunt, and one terminal of the secondary winding of the transformer is connected to the Central additional electrode, and the second terminal of the secondary winding of the transformer is connected to the main electron an ode that is connected to an extreme additional electrode through a regulating element, such as a triac, in addition, the second terminal of the secondary winding is connected to one of the terminals of the primary winding.

2. The electric boiler according to claim 1, characterized in that for the manufacture of additional central and extreme electrodes a material is used with an electron work function of not more than 0.3 eV, for example aluminum.