RU2419039C1 - Method to heat and inject current-conducting fluid, device for its realisation and heat-generating plant - Google Patents
Method to heat and inject current-conducting fluid, device for its realisation and heat-generating plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2419039C1 RU2419039C1 RU2009143840/06A RU2009143840A RU2419039C1 RU 2419039 C1 RU2419039 C1 RU 2419039C1 RU 2009143840/06 A RU2009143840/06 A RU 2009143840/06A RU 2009143840 A RU2009143840 A RU 2009143840A RU 2419039 C1 RU2419039 C1 RU 2419039C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating chamber
- conductive fluid
- heat
- heating
- specified
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области энергетики, а именно к способам и техническим средствам нагрева и нагнетания токопроводящих жидкостей, и может быть использовано в электродных паровых насосах (пульсометрах), предназначенных для перекачки и нагнетания токопроводящих жидкостей в системах отопления и горячего водоснабжения, в различных производственных процессах, в частности, в химическом производстве, а также в различных машинах и установках специального назначения.The invention relates to the field of energy, and in particular to methods and technical means for heating and forcing conductive fluids, and can be used in electrode steam pumps (heart rate monitors) designed for pumping and forcing conductive fluids in heating and hot water supply systems, in various production processes, in particular, in chemical production, as well as in various machines and installations for special purposes.
Изобретение относится также к теплоэнергетике, а именно к теплогенерирующим установкам, и может быть использовано в системах обогрева и горячего водоснабжения зданий и сооружений, а также в различных производственных процессах, машинах и установках.The invention also relates to a power system, in particular to heat-generating plants, and can be used in heating and hot water supply of buildings and structures, as well as in various production processes, machines and plants.
Известен способ нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости с использованием электродной герметичной нагревательной камеры с впускным и выпускным обратными клапанами, включающий нагрев исходной токопроводящей жидкости до кипения с образованием пара над токопроводящей жидкостью, вытеснение нагретой токопроводящей жидкости в линию нагнетания через выходное отверстие указанной камеры и выпускной обратный клапан под действием давления указанного пара с отключением питания электродов нагревательной камеры после вытеснения из последней жидкости, конденсацию пара с образованием разрежения в нагревательной камере и заполнение исходной токопроводящей жидкости из линии ее подвода в нагревательную камеру через входное отверстие последней и впускной обратный клапан под действием указанного разрежения, причем упомянутый нагрев исходной токопроводящей жидкости осуществляют путем пропускания через нее электрического тока, проходящего между электродами нагревательной камеры, при этом управление включением и выключением питания указанных электродов осуществляют при помощи управляющего электрода, расположенного в нагревательной камере, которую выполняют с возможностью регулировки уровня ее входного и выходного отверстий относительно днища указанной камеры (авторское свидетельство СССР № 1532776, МПК 4 F24H 1/20, F04F 1/04, опубл. 30.12.1989 г.).A known method of heating and injection of a conductive fluid using an electrode sealed heating chamber with inlet and outlet check valves, including heating the source conductive fluid to a boil with the formation of steam above the conductive fluid, displacing the heated conductive fluid into the discharge line through the outlet of the specified chamber and the exhaust check valve under the influence of the pressure of the specified pair with the power off of the electrodes of the heating chamber after being displaced from after days of liquid, condensation of steam with the formation of a vacuum in the heating chamber and filling of the source of conductive fluid from the line of its supply to the heating chamber through the inlet of the last and inlet check valve under the influence of the specified vacuum, and the above-mentioned heating of the source of conductive fluid is carried out by passing electric current through it, passing between the electrodes of the heating chamber, while controlling the on and off power of these electrodes is carried out at using a control electrode located in the heating chamber, which is performed with the possibility of adjusting the level of its inlet and outlet openings relative to the bottom of said chamber (USSR author's certificate No. 1532776, IPC 4
Недостатком известного способа является сложность управления рабочими электродами и сложность регулирования температуры и расхода жидкости в линии нагнетания.The disadvantage of this method is the difficulty of controlling the working electrodes and the difficulty of controlling the temperature and flow rate of the liquid in the discharge line.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является принятый за прототип способ нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, с использованием герметичной электродной нагревательной камеры с вертикальным или близким к вертикальному трубчатым корпусом, впускным и выпускным обратными клапанами, нулевым электродом и, по меньшей мере, одним внутренним фазным электродом, включающий пропускание переменного электрического тока между нулевым и фазными электродами через находящуюся в нагревательной камере токопроводящую жидкость с нагревом последней до кипения с образованием пара над токопроводящей жидкостью, вытеснение нагретой токопроводящей жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания через выпускной обратный клапан под действием давления пара, конденсацию пара в нагревательной камере с образованием разрежения в последней и заполнение нагревательной камеры токопроводящей жидкостью через впускной обратный клапан под действием указанного разрежения (авторское свидетельство СССР № 1820046, МПК 5 F04F 1/04, опубл. 07.06.1993 г.).The closest in technical essence to the claimed method is adopted as a prototype method of heating and injection of conductive liquids, such as water, using a sealed electrode heating chamber with a vertical or close to vertical tubular body, inlet and outlet check valves, zero electrode and at least , one internal phase electrode, including passing an alternating electric current between the zero and phase electrodes through located in the heating chambers f conductive fluid with heating of the latter to a boil with the formation of steam over the conductive fluid, displacement of the heated conductive fluid from the heating chamber to the discharge line through the outlet check valve under the influence of steam pressure, condensation of steam in the heating chamber with the formation of vacuum in the latter and filling the heating chamber with conductive fluid through the inlet check valve under the influence of the specified vacuum (USSR author's certificate No. 1820046, IPC 5
В данном способе электрический ток постоянно пропускается по всему объему токопроводящей жидкости, заполняющей нагревательную камеру, что повышает удельные затраты электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости в расчете на единицу объема нагреваемой жидкости, поступающей в линию нагнетания. Вместе с тем, присущий известному способу одновременный нагрев до кипения всей токопроводящей жидкости, находящейся в нагревательной камере, требует большого времени, что приводит к увеличению продолжительности каждого цикла нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и соответственно к снижению частоты таких циклов и связанному с этим снижению объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания. Указанные недостатки снижают эффективность процесса нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости по известному способу.In this method, an electric current is constantly passed through the entire volume of the conductive fluid filling the heating chamber, which increases the specific cost of electricity for heating and injection of conductive fluid per unit volume of the heated fluid entering the discharge line. However, inherent in the known method, the simultaneous heating to the boil of the entire conductive fluid in the heating chamber requires a long time, which leads to an increase in the duration of each cycle of heating and injection of the conductive fluid and, accordingly, to a decrease in the frequency of such cycles and a related decrease in the volumetric supply heated fluid in the discharge line. These disadvantages reduce the efficiency of the process of heating and injection of a conductive fluid by a known method.
Известно устройство для осуществления способа нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, содержащее заполненную токопроводящей жидкостью герметичную электродную нагревательную камеру с вертикальным корпусом, днищем, крышкой, фазным, нулевым и управляющим электродами, соединенную своей нижней частью с линией подвода исходной токопроводящей жидкости через вертикальный подводящий патрубок и впускной обратный клапан и с линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости - через вертикальный отводящий патрубок и выпускной обратный клапан, при этом верхние концы указанных патрубков расположены выше днища нагревательной камеры, которая выполнена с возможностью регулировки уровня верхних концов указанных патрубков относительно ее днища (указанное выше авторское свидетельство СССР № 1532776).A device for implementing the method of heating and injection of conductive fluid containing filled with conductive fluid sealed electrode heating chamber with a vertical housing, bottom, cover, phase, zero and control electrodes connected to its lower part with the supply line of the source conductive fluid through a vertical inlet pipe and inlet non-return valve and with a discharge line of heated conductive fluid - through the vertical outlet pipe and the outlet valve, the upper ends of said nozzles are located above the bottom of the heating chamber, which is adapted to adjust the level of the upper ends of said pipes with respect to its bottom (Inventor's Certificate USSR the above № 1,532,776).
Недостатком известного устройства является сложность его конструкции и обусловленная этим невысокая надежность работы.A disadvantage of the known device is the complexity of its design and the resulting low reliability.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является принятое за прототип устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, содержащее заполненную токопроводящей жидкостью герметичную электродную нагревательную камеру с вертикальным или близким к вертикальному трубчатым корпусом, днищем, крышкой, по меньшей мере, одним внутренним фазным электродом и выходным отверстием, соединенную своей верхней частью через впускной обратный клапан с линией подвода исходной токопроводящей жидкости, а нижней частью - через ее выходное отверстие и выпускной обратный клапан с линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости, при этом у нагревательной камеры корпус служит нулевым электродом (указанное выше авторское свидетельство СССР № 1820046).The closest in technical essence to the claimed device is a device adopted for the prototype for heating and injection of conductive liquid, for example water, containing a sealed electrode heating chamber filled with conductive liquid with a vertical or close to a vertical tubular body, bottom, cover, at least one inner a phase electrode and an outlet, connected by its upper part through the inlet check valve to the supply line of the source conductive fluid, and the lower part - through its outlet and outlet check valve with a discharge line of heated conductive fluid, while the housing at the heating chamber serves as a zero electrode (USSR author's certificate No. 1820046 mentioned above).
В данном устройстве фазный электрод проходит по всей высоте нагревательной камеры, что обуславливает следующие недостатки прототипа. Процесс нагрева жидкости в данном устройстве осуществляется одновременно во всем объеме токопроводящей жидкости, заполняющей рабочую полость нагревательной камеры, что требует большого времени для нагрева жидкости до температуры кипения, необходимой для начала парообразования и последующего вытеснения жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания. Низкая скорость нагрева жидкости, в свою очередь, обуславливает низкую частоту рабочих циклов в нагревательной камере и соответственно низкую объемную подачу нагретой жидкости в линию нагнетания (т.е. низкую производительность устройства как насоса), что ограничивает область применения известного устройства. Вместе с тем, в прототипе электрический ток постоянно пропускается через токопроводящую жидкость вплоть до окончания процесса вытеснения жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания. При этом как низкая скорость нагрева жидкости до температуры кипения, так и постоянное пропускание электрического тока через жидкость повышает удельные затраты электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости в расчете на единицу объема нагреваемой жидкости, поступающей в линию нагнетания, вследствие чего снижается эффективность работы и соответственно КПД известного устройства. Кроме того, установка фазного электрода на всю высоту нагревательной камеры с обеспечением герметичного прохода указанного электрода через крышку и днище нагревательной камеры усложняет конструкцию и изготовление устройства и увеличивает его вес и стоимость. При этом не исключается возможность нарушения герметичности днища нагревательной камеры в месте прохода через него фазного электрода, что снижает надежность работы устройства. Вместе с тем, в прототипе выходное отверстие нагревательной камеры находится выше ее днища на значительном удалении от последнего, что снижает надежность работы известного устройства, поскольку создает возможность поступления пара из нагревательной камеры в линию нагнетания. В результате конденсации пара, прорывающегося в линию нагнетания, в последней возникает нежелательная пульсация давления токопроводящей жидкости, нарушающая нормальную работу устройства.In this device, the phase electrode passes along the entire height of the heating chamber, which leads to the following disadvantages of the prototype. The process of heating the liquid in this device is carried out simultaneously in the entire volume of the conductive liquid filling the working cavity of the heating chamber, which requires a lot of time to heat the liquid to the boiling point necessary to start vaporization and subsequent displacement of the liquid from the heating chamber into the discharge line. The low heating rate of the liquid, in turn, leads to a low frequency of operating cycles in the heating chamber and, accordingly, a low volumetric flow of heated liquid to the discharge line (i.e., low productivity of the device as a pump), which limits the scope of the known device. However, in the prototype, an electric current is constantly passed through the conductive fluid until the process of displacing the fluid from the heating chamber to the discharge line. At the same time, both the low rate of heating the liquid to the boiling point and the constant transmission of electric current through the liquid increase the specific cost of electricity for heating and injection of the conductive fluid per unit volume of the heated fluid entering the discharge line, which reduces the efficiency and, accordingly, the efficiency known device. In addition, the installation of the phase electrode to the entire height of the heating chamber with a tight passage of the specified electrode through the lid and the bottom of the heating chamber complicates the design and manufacture of the device and increases its weight and cost. At the same time, the possibility of violating the tightness of the bottom of the heating chamber at the place where the phase electrode passes through it is not ruled out, which reduces the reliability of the device. However, in the prototype, the outlet of the heating chamber is located above its bottom at a considerable distance from the latter, which reduces the reliability of the known device, since it creates the possibility of steam from the heating chamber to the discharge line. As a result of condensation of the steam breaking into the discharge line, the latter causes an undesirable pulsation of the pressure of the conductive fluid, which disrupts the normal operation of the device.
Общим недостатком известных способов нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и известных устройств для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости являются также большие потери теплоты, уходящей в окружающую среду через конструктивные элементы нагревательной камеры, в частности, через ее корпус, днище и крышку. Указанные потери теплоты приводят к нерациональным затратам электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, снижающим эффективность работы и соответственно КПД устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости.A common disadvantage of the known methods of heating and injection of a conductive fluid and known devices for heating and injection of a conductive fluid are also large losses of heat released into the environment through the structural elements of the heating chamber, in particular through its body, bottom and cover. These heat losses lead to irrational energy costs for heating and pumping a conductive fluid, reducing the efficiency and, accordingly, the efficiency of the device for heating and pumping a conductive fluid.
Известна теплогенерирующая установка для отопления помещений, содержащая проточную нагревательную камеру с вертикальным цилиндрическим корпусом, служащим нулевым электродом, продольным фазным электродом, установленным в указанном корпусе, линией подвода исходной токопроводящей жидкости, служащей теплоносителем, и линией нагнетания нагретого теплоносителя, причем первая из указанных линий подключена к выходу, а вторая - ко входу теплопотребляющего устройства (патент RU № 2133918, МПК F24D 3/08, F24D 13/04, опубл. 27.07.1999 г.).Known heat-generating installation for space heating, containing a flow-through heating chamber with a vertical cylindrical body serving as a zero electrode, a longitudinal phase electrode installed in the specified body, a supply line of the source conductive fluid serving as a coolant, and a discharge line of a heated coolant, the first of which is connected to the exit, and the second to the input of the heat-consuming device (patent RU No. 2133918, IPC F24D 3/08, F24D 13/04, publ. 07.27.1999).
В известной установке используется конвективный теплообмен, что обуславливает большие потери теплоты на пути движения нагретой жидкости от нагревательной камеры к теплопотребляющему устройству вследствие низкой скорости конвективного течения жидкости, что приводит к непроизводительным затратам электроэнергии, идущим на дополнительный нагрев жидкости в нагревательной камере, компенсирующий указанные потери теплоты для обеспечения подвода на вход теплопотребляющего устройства жидкости с заданной температурой. С увеличением расстояния между генерирующей нагретую жидкость нагревательной камерой и теплопотребляющим устройством указанные потери теплоты возрастают, и вместе с ними растут и указанные непроизводительные затраты электроэнергии, что заставляет ограничивать указанное расстояние, в связи с чем ограничивается и область применения известной установки. Вместе с тем, использование в известной установке конвективного теплообмена требует выдерживать заданный уклон трубопроводов, связывающих нагревательную камеру с выходом и входом теплопотребляющего устройства, что не всегда может быть практически реализовано, например, из-за геометрии помещения или по каким-либо другим причинам. Данное обстоятельство также ограничивает область применения известной установки.In the known installation, convective heat transfer is used, which causes large heat losses along the path of the heated fluid from the heating chamber to the heat consuming device due to the low convective flow rate of the fluid, which leads to unproductive energy costs that go to additional heating of the fluid in the heating chamber, compensating for these heat losses to ensure the input to the input of the heat-consuming device fluid with a given temperature. With an increase in the distance between the heating chamber generating the heated liquid and the heat-consuming device, these heat losses increase, and with them the indicated unproductive energy costs increase, which forces one to limit the specified distance, and therefore the scope of the known installation is also limited. At the same time, the use of convective heat transfer in a known installation requires maintaining a predetermined slope of pipelines connecting the heating chamber with the outlet and inlet of a heat-consuming device, which cannot always be practically realized, for example, due to the geometry of the room or for some other reasons. This fact also limits the scope of the known installation.
Наиболее близкой к заявленной установке по технической сущности является принятая за прототип теплогенерирующая установка, преимущественно для отопления, содержащая теплообменник и устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, с линией подвода исходной токопроводящей жидкости, вход которой подключен к выходу теплообменника, и линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости, выход которой подключен ко входу теплообменника, при этом устройство для нагрева и нагнетания служащей теплоносителем токопроводящей жидкости выполнено в виде заполненной токопроводящей жидкостью герметичной электродной нагревательной камеры с вертикальным трубчатым корпусом, служащим нулевым электродом, днищем, крышкой, и фазным электродом, установленным внутри указанного корпуса продольно по отношению к последнему. Нижний конец фазного электрода расположен выше днища нагревательной камеры, а выходное отверстие последней расположено вблизи нижнего конца фазного электрода и на удалении от днища нагревательной камеры, которая соединена своей верхней частью через впускной обратный клапан с линией подвода исходной токопроводящей жидкости, а нижней частью - через выпускной обратный клапан с линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости (авторское свидетельство СССР № 1751619, МПК 5 F24H 1/20, опубл. 30.07.1992 г.).Closest to the claimed installation, the technical essence is the heat-generating installation adopted for the prototype, mainly for heating, containing a heat exchanger and a device for heating and pumping a conductive fluid, for example water, with a supply line of the source conductive fluid, the input of which is connected to the output of the heat exchanger, and a discharge line heated conductive fluid, the output of which is connected to the inlet of the heat exchanger, while the device for heating and forcing the current-carrying fluid the driving fluid is made in the form of a sealed electrode heating chamber filled with a conductive fluid with a vertical tubular housing serving as a zero electrode, a bottom, a cover, and a phase electrode mounted longitudinally with respect to the latter inside the said housing. The lower end of the phase electrode is located above the bottom of the heating chamber, and the outlet of the latter is located near the lower end of the phase electrode and away from the bottom of the heating chamber, which is connected by its upper part through the inlet check valve to the supply line of the initial conductive fluid, and the lower part through the outlet non-return valve with a discharge line of heated conductive fluid (USSR author's certificate No. 1751619, IPC 5
В данной установке в процессе вытеснения токопроводящей жидкости из нагревательной камеры после снижения уровня жидкости до уровня нижнего конца фазного электрода движение тока по жидкости в нагревательной камере прекращается, и вместе с этим прекращается нагрев жидкости, в результате чего прекращается парообразование и вытеснение жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания. При этом в придонной зоне нагревательной камеры, находящейся ниже фазного электрода, остается невытесненная часть нагретой жидкости, в связи с чем указанная зона нагревательной камеры является нерабочей зоной, а затраты электроэнергии, использованной для нагрева невытесненной части жидкости, остающейся в придонной зоне нагревательной камеры, оказываются, в сущности, непроизводительными (бесполезными) затратами и относятся к потерям, снижающим эффективность работы и соответственно КПД известной теплогенерирующей установки. Вместе с тем, расположение выходного отверстия нагревательной камеры вблизи нижнего конца фазного электрода и на удалении от днища указанной камеры снижает надежность работы теплогенерирующей установки, поскольку создает возможность прорыва пара из нагревательной камеры в линию нагнетания при повышении выше заданного значения величины напряжения на электродах нагревательной камеры и/или величины силы тока между ними. В результате конденсации пара, прорывающегося в линию нагнетания, в последней возникает нежелательная пульсация давления токопроводящей жидкости, нарушающая нормальную работу установки. Вероятность прорыва пара из нагревательной камеры в линию нагнетания усиливается с повышением скорости вытеснения жидкости из нагревательной камеры, в связи с чем известная установка может нормально функционировать лишь при низкой частоте рабочих циклов, протекающих в нагревательной камере, и соответственно при низкой объемной подаче жидкости в линию нагнетания, что ограничивает область применения известной установки. Кроме того, наличие нерабочей зоны в придонной части нагревательной камеры приводит к нерациональному увеличению высоты и массы последней и соответственно к увеличению габаритов и массы установки в целом, а также к снижению одного из основных показателей эффективности работы установки - отношения объемной подачи нагретой токопроводящей жидкости в линии нагнетания к высоте и массе установки. Другим недостатком принятой за прототип теплогенерирующей установки являются большие потери теплоты, уходящей в окружающую среду через конструктивные элементы ее нагревательной камеры, в частности через корпус, днище и крышку последней. Указанные потери теплоты приводят к нерациональным затратам электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, снижающим эффективность работы и соответственно КПД теплогенерирующей установки.In this installation, during the displacement of the conductive fluid from the heating chamber after lowering the fluid level to the level of the lower end of the phase electrode, the current flow through the fluid in the heating chamber ceases, and along with this, the heating of the fluid ceases, as a result of which vaporization and displacement of the fluid from the heating chamber to discharge line. At the same time, in the bottom zone of the heating chamber below the phase electrode, the unplaced part of the heated liquid remains, and therefore, the indicated zone of the heating chamber is an inoperative zone, and the energy used to heat the unplaced part of the liquid remaining in the bottom zone of the heating chamber is , in essence, unproductive (unhelpful) costs and relate to losses that reduce the efficiency of work and, accordingly, the efficiency of a known heat-generating installation. At the same time, the location of the outlet of the heating chamber near the lower end of the phase electrode and at a distance from the bottom of the specified chamber reduces the reliability of the heat-generating installation, since it creates the possibility of breakthrough steam from the heating chamber to the discharge line when the voltage on the electrodes of the heating chamber rises above a predetermined value / or the magnitude of the current between them. As a result of condensation of the steam breaking into the discharge line, the latter causes an undesirable pulsation of the pressure of the conductive fluid, which disrupts the normal operation of the installation. The likelihood of steam breakthrough from the heating chamber to the discharge line increases with increasing rate of liquid displacement from the heating chamber, in connection with which the known installation can function normally only at a low frequency of operating cycles occurring in the heating chamber, and accordingly, with a low volumetric flow of liquid into the discharge line , which limits the scope of the known installation. In addition, the presence of a non-working zone in the bottom part of the heating chamber leads to an irrational increase in the height and mass of the latter and, accordingly, to an increase in the overall dimensions and mass of the installation, as well as to a decrease in one of the main indicators of the plant’s performance - the ratio of the volumetric supply of heated conductive fluid in the line discharge to the height and weight of the installation. Another disadvantage of the heat-generating installation adopted for the prototype is the large loss of heat released into the environment through the structural elements of its heating chamber, in particular through the body, bottom and cover of the latter. These heat losses lead to irrational energy costs for heating and pumping a conductive fluid, reducing the efficiency and, accordingly, the efficiency of the heat generating installation.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности процесса нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и повышение эффективности и надежности работы устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и обеспечение за счет этого повышения эффективности и надежности работы теплогенерирующей установки, в которой используется указанное устройство, при одновременном снижении массы и габаритов указанной установки.The objective of the present invention is to increase the efficiency of the process of heating and injection of a conductive fluid and to increase the efficiency and reliability of the device for heating and injection of a conductive fluid and to ensure thereby increasing the efficiency and reliability of the heat generating installation in which the specified device is used, while reducing weight and dimensions specified installation.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, с использованием герметичной электродной нагревательной камеры с вертикальным или близким к вертикальному трубчатым корпусом, впускным и выпускным обратными клапанами, нулевым электродом и, по меньшей мере, одним внутренним фазным электродом, включающем пропускание переменного электрического тока между нулевым и фазными электродами через находящуюся в рабочей полости нагревательной камеры токопроводящую жидкость с нагревом последней до кипения с образованием пара над токопроводящей жидкостью, вытеснение нагретой токопроводящей жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания через выпускной обратный клапан под действием давления пара, конденсацию пара в нагревательной камере с образованием разрежения в последней и заполнение нагревательной камеры токопроводящей жидкостью через впускной обратный клапан под действием указанного разрежения, согласно пункту 1 формулы изобретения пропускание электрического тока через токопроводящую жидкость прекращают в процессе вытеснения токопроводящей жидкости и возобновляют в процессе заполнения нагревательной камеры при прохождении соответственно опускающимся и поднимающимся уровнем токопроводящей жидкости уровня рабочей полости нагревательной камеры, расположенного на высоте относительно днища нагревательной камеры, составляющей 0,7-1,0 высоты указанной рабочей полости, при этом в нагревательной камере создают реверсивный теплообмен между токопроводящей жидкостью и днищем указанной камеры, в соответствии с которым в процессе пропускания через токопроводящую жидкость электрического тока теплота от указанной жидкости передается к днищу нагревательной камеры и аккумулируется в последнем, а после указанного прекращения пропускания электрического тока теплота от днища нагревательной камеры передается к токопроводящей жидкости, причем указанный реверсивный теплообмен осуществляют с подводом к днищу нагревательной камеры от внешнего источника тепловой энергии количества теплоты, достаточного для поддержания температуры токопроводящей жидкости при передаче к ней теплоты от днища нагревательной камеры не ниже температуры кипения указанной жидкости, а дальнейшее вытеснение токопроводящей жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания после упомянутого прекращения пропускания через нее электрического тока осуществляют с помощью энергии давления пара, образующегося над токопроводящей жидкостью за счет указанного поддержания температуры последней, при этом реверсивный теплообмен осуществляют с минимальными затратами энергии указанного внешнего источника тепловой энергии, для чего днище нагревательной камеры выполняют массивным из материала с высокой удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью.The solution to this problem is achieved by the fact that in the method of heating and injection of conductive liquid, for example water, using a sealed electrode heating chamber with a vertical or close to vertical tubular body, inlet and outlet check valves, a zero electrode and at least one internal phase an electrode, including passing an alternating electric current between the zero and phase electrodes through a conductive liquid located in the working cavity of the heating chamber heating the latter to a boil with the formation of steam over the conductive fluid, displacing the heated conductive fluid from the heating chamber to the discharge line through the exhaust check valve under the influence of steam pressure, condensation of steam in the heating chamber to form a vacuum in the latter and filling the heating chamber with conductive fluid through the inlet reverse the valve under the influence of the specified vacuum, according to
При этом массу днища нагревательной камеры задают в соответствии с выражениемThe mass of the bottom of the heating chamber is set in accordance with the expression
Мд>[(1+k)(Sh-Vэ)ρcж/с-(1-k)Mк]/(1-k+Δt2/Δt1),M d > [(1 + k) (Sh-V e ) ρc w / s- (1-k) M k ] / (1-k + Δt 2 / Δt 1 ),
где Мд - масса днища нагревательной камеры;where M d - the mass of the bottom of the heating chamber;
k - определяемый теоретическим и/или экспериментальным путем коэффициент теплопотерь, учитывающий количество теплоты, теряемой в результате ее рассеивания в процессе теплообмена между токопроводящей жидкостью и конструктивными элементами нагревательной камеры;k is the heat loss coefficient determined theoretically and / or experimentally, taking into account the amount of heat lost as a result of its dissipation during heat exchange between the conductive fluid and the structural elements of the heating chamber;
S - площадь поперечного сечения рабочей полости нагревательной камеры;S is the cross-sectional area of the working cavity of the heating chamber;
h - высота столба токопроводящей жидкости в рабочей полости нагревательной камеры в момент прекращения пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость;h is the height of the column of conductive fluid in the working cavity of the heating chamber at the time of termination of the passage of electric current through the conductive fluid;
Vэ - объем фазных электродов и частей их электрододержателей, находящихся в токопроводящей жидкости в момент прекращения пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость;V e - the volume of phase electrodes and parts of their electrode holders located in the conductive fluid at the time of termination of the passage of electric current through the conductive fluid;
ρ, сж - соответственно плотность и удельная теплоемкость используемой токопроводящей жидкости;ρ, with w - respectively, the density and specific heat of the used conductive liquid;
с - удельная теплоемкость металла, из которого изготовлены днище, корпус, крышка, фазные электроды и электрододержатели нагревательной камеры;C is the specific heat of the metal from which the bottom, body, cover, phase electrodes and electrode holders of the heating chamber are made;
Мк - суммарная масса корпуса, крышки, фазных электродов и электрододержателей нагревательной камеры;M to - the total mass of the housing, cover, phase electrodes and electrode holders of the heating chamber;
Δt1 - величина изменения температуры в нагревательной камере 1;Δt 1 - the magnitude of the temperature change in the
Δt2 - величина изменения температуры днища нагревательной камеры при его нагреве от внешнего источника тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения.Δt 2 - the magnitude of the change in temperature of the bottom of the heating chamber when it is heated from an external source of thermal energy to maintain the temperature of the conductive liquid not lower than its boiling point.
Кроме того, в придонной части нагревательной камеры между днищем последней и нижними торцами фазных электродов создают зону интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости, для чего днище нагревательной камеры используют в качестве нулевого электрода, а фазные электроды размещают в нагревательной камере таким образом, что нижние торцы указанных электродов обращены к днищу нагревательной камеры, при этом фазные электроды выполняют с суммарной площадью Sэ поверхности их нижних торцов, выбираемой из условия 0,4≤Sэ/8≤0,9, а расстояние hэ между нижними торцами фазных электродов и днищем нагревательной камеры задают из условия 0,10≤hэ/H≤0,35, где Н - высота рабочей полости нагревательной камеры, причем нагревательную камеру выполняют с цилиндрической формой ее рабочей полости, высота Н и диаметр d которой соответствуют условию l,0<H/d<2,0.In addition, in the bottom part of the heating chamber between the bottom of the last and lower ends of the phase electrodes create a zone of intense electric heating of the conductive liquid, for which the bottom of the heating chamber is used as a zero electrode, and the phase electrodes are placed in the heating chamber so that the lower ends of these electrodes are facing to the bottom of the heating chamber, while the phase electrodes are performed with a total area S e of the surface of their lower ends, selected from the condition 0.4≤S e / 8≤0.9, and the distance h e between the lower ends of the phase electrodes and the bottom of the heating chamber is set from the condition 0.10≤h e / H≤0.35, where N is the height of the working cavity of the heating chamber, and the heating chamber is made with a cylindrical shape of its working cavity, the height of H and whose diameter d corresponds to the condition l, 0 <H / d <2.0.
При этом в линии нагнетания после выпускного обратного клапана по ходу движения токопроводящей жидкости и вблизи от указанного клапана создают гидравлический подпор путем дросселирования потока токопроводящей жидкости с обеспечением возможности поддержания в нагревательной камере в процессе вытеснения из нее токопроводящей жидкости в линию нагнетания давления пара, достаточного по величине для указанного вытеснения токопроводящей жидкости.Moreover, in the discharge line after the exhaust check valve in the direction of the conductive fluid and near the specified valve, hydraulic back-up is created by throttling the flow of conductive fluid to ensure that the conductive fluid in the heating chamber is expelled from the injection chamber to the steam pressure line, which is sufficient in magnitude for the indicated displacement of conductive fluid.
Решение поставленной задачи достигается также тем, что в устройстве для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, содержащем заполненную токопроводящей жидкостью герметичную электродную нагревательную камеру с вертикальным или близким к вертикальному трубчатым корпусом, днищем, крышкой, нулевым электродом, по меньшей мере, одним внутренним фазным электродом и выходным отверстием, соединенную своей верхней частью через впускной обратный клапан с линией подвода исходной токопроводящей жидкости, а нижней частью - через ее выходное отверстие и выпускной обратный клапан с линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости, согласно пункту 5 формулы изобретения электроды нагревательной камеры снабжены блоком питания и управления, а нагревательная камера снабжена датчиком уровня токопроводящей жидкости, установленным в ее верхней части на высоте относительно днища нагревательной камеры, составляющей 0,7-1,0 высоты рабочей полости последней, и подключенным своим выходом ко входу указанного блока питания и управления, который выполнен с возможностью отключения и включения питания фазных электродов при получении от датчика уровня сигнала о прохождении уровнем токопроводящей жидкости указанного датчика соответственно при вытеснении токопроводящей жидкости из нагревательной камеры и при заполнении последней токопроводящей жидкостью, при этом нагревательная камера выполнена с обеспечением возможности реверсивного теплообмена между токопроводящей жидкостью и днищем нагревательной камеры с передачей теплоты от токопроводящей жидкости к днищу нагревательной камеры в процессе пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость до момента указанного отключения питания фазных электродов и передачей теплоты в обратном направлении - от днища нагревательной камеры к токопроводящей жидкости при дальнейшем опускании уровня последней после указанного отключения питания фазных электродов, а днище нагревательной камеры выполнено массивным из материала с высокой удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью и снабжено внешним источником тепловой энергии, выполненным предпочтительно в виде электронагревателя, закрепленного на наружной поверхности указанного днища предпочтительно с нижней стороны последнего, причем масса днища нагревательной камеры и удельная теплоемкость материала, используемого для его изготовления, а также тепловая мощность указанного внешнего источника тепловой энергии заданы с обеспечением возможности передачи от днища нагревательной камеры к токопроводящей жидкости количества теплоты, достаточного для поддержания температуры указанной жидкости не ниже температуры ее кипения после упомянутого отключения питания фазных электродов при минимальных затратах энергии указанного внешнего источника тепловой энергии.The solution to this problem is also achieved by the fact that in a device for heating and injecting a conductive liquid, for example water, containing a sealed electrode heating chamber filled with a conductive liquid with a vertical or close to a vertical tubular body, a bottom, a cover, and at least one inner electrode a phase electrode and an outlet, connected by its upper part through the inlet check valve to the supply line of the initial conductive fluid, and the lower part is black without its outlet and outlet check valve with a discharge line of heated conductive fluid, according to
При этом масса днища нагревательной камеры задана в соответствии с выражениемThe mass of the bottom of the heating chamber is set in accordance with the expression
Мд>[(1+k)(Sh-Vэ)ρcж/с-(1-k)Mк]/(1-k+Δt2/Δt1),M d > [(1 + k) (Sh-V e ) ρc w / s- (1-k) M k ] / (1-k + Δt 2 / Δt 1 ),
где Мд - масса днища нагревательной камеры;where M d - the mass of the bottom of the heating chamber;
k - определяемый теоретическим и/или экспериментальным путем коэффициент теплопотерь, учитывающий количество теплоты, теряемой в результате ее рассеивания в процессе теплообмена между токопроводящей жидкостью и конструктивными элементами нагревательной камеры;k is the heat loss coefficient determined theoretically and / or experimentally, taking into account the amount of heat lost as a result of its dissipation during heat exchange between the conductive fluid and the structural elements of the heating chamber;
S - площадь поперечного сечения рабочей полости нагревательной камеры;S is the cross-sectional area of the working cavity of the heating chamber;
h - высота столба токопроводящей жидкости в рабочей полости нагревательной камеры в момент упомянутого отключения питания фазных электродов;h is the height of the column of conductive fluid in the working cavity of the heating chamber at the time of the aforementioned power failure of the phase electrodes;
Vэ - объем фазных электродов и частей их электрододержателей, находящихся в токопроводящей жидкости в момент срабатывания датчика уровня на отключение питания фазных электродов;V e - the volume of the phase electrodes and parts of their electrode holders located in the conductive liquid at the time the level sensor is triggered to turn off the power of the phase electrodes;
ρ, сж - соответственно плотность и удельная теплоемкость используемой токопроводящей жидкости;ρ, with w - respectively, the density and specific heat of the used conductive liquid;
с - удельная теплоемкость металла, из которого изготовлены днище, корпус, крышка, фазные электроды и электрододержатели нагревательной камеры;C is the specific heat of the metal from which the bottom, body, cover, phase electrodes and electrode holders of the heating chamber are made;
Мк - суммарная масса корпуса, крышки, фазных электродов и электрододержателей нагревательной камеры;M to - the total mass of the housing, cover, phase electrodes and electrode holders of the heating chamber;
Δt1 - величина изменения температуры в нагревательной камере 1;Δt 1 - the magnitude of the temperature change in the
Δt2 - величина изменения температуры днища нагревательной камеры при его нагреве от внешнего источника тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения.Δt 2 - the magnitude of the change in temperature of the bottom of the heating chamber when it is heated from an external source of thermal energy to maintain the temperature of the conductive liquid not lower than its boiling point.
Кроме того, нагревательная камера выполнена с возможностью создания в ее придонной части зоны интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости, расположенной между днищем нагревательной камеры и нижними торцами фазных электродов, для чего днище нагревательной камеры служит нулевым электродом, а фазные электроды размещены в нагревательной камере таким образом, что нижние торцы указанных электродов обращены к днищу нагревательной камеры, при этом суммарная площадь Sэ поверхности нижних торцов фазных электродов выбрана из условия 0,4≤Sэ/S≤0,9, а расстояние hэ между нижними торцами фазных электродов и днищем нагревательной камеры задано из условия 0,10≤hэ≤Н≤0,35, где Н - высота рабочей полости нагревательной камеры, причем нагревательная камера выполнена с цилиндрической формой ее рабочей полости, высота Н и диаметр d которой соответствуют условию 1,0<H/d<2,0.In addition, the heating chamber is configured to create in its bottom part a zone of intense electric heating of the conductive liquid located between the bottom of the heating chamber and the lower ends of the phase electrodes, for which the bottom of the heating chamber serves as a zero electrode, and the phase electrodes are placed in the heating chamber so that the lower ends of these electrodes are facing the bottom of the heating chamber, while the total surface area S e of the surface of the lower ends of the phase electrodes is selected from
При этом в линии нагнетания может быть установлен подпорный дроссель, расположенный после выпускного обратного клапана по ходу движения токопроводящей жидкости и вблизи от указанного клапана и выполненный с сужающимся в направлении движения токопроводящей жидкости поперечным сечением, при этом гидравлическое сопротивление подпорного дросселя задано с обеспечением возможности поддержания в нагревательной камере в процессе вытеснения из нее токопроводящей жидкости в линию нагнетания давления пара, достаточного по величине для указанного вытеснения токопроводящей жидкости.In this case, a booster throttle can be installed in the discharge line, located after the outlet check valve in the direction of the conductive fluid and close to the specified valve and made with a cross section tapering in the direction of the conductive fluid, while the hydraulic resistance of the retaining throttle is set to maintain the heating chamber in the process of displacing conductive fluid from it into the steam pressure injection line, sufficient in magnitude to indicate nnogo displacement conductive liquid.
При выполнении указанного внешнего источника тепловой энергии в виде электронагревателя последний может быть подключен к своему источнику питания через управляющий термостат, при этом на днище нагревательной камеры установлен датчик температуры, выход которого соединен со входом указанного термостата.When performing the specified external source of thermal energy in the form of an electric heater, the latter can be connected to its power source through a control thermostat, while a temperature sensor is installed on the bottom of the heating chamber, the output of which is connected to the input of the specified thermostat.
Кроме того, выходное отверстие нагревательной камеры целесообразно выполнить в днище последней, предпочтительно на оси указанной камеры, или в корпусе последней с примыканием к днищу нагревательной камеры.In addition, the outlet of the heating chamber is expediently made in the bottom of the latter, preferably on the axis of said chamber, or in the housing of the latter, adjacent to the bottom of the heating chamber.
Нагревательная камера может быть снабжена теплоизоляционным кожухом, а выпускной обратный клапан может быть выполнен с усилием его открытия, регулируемым в зависимости от величины гидравлического сопротивления линии нагнетания.The heating chamber can be equipped with a heat-insulating casing, and the exhaust check valve can be made with the force of its opening, adjustable depending on the magnitude of the hydraulic resistance of the discharge line.
Внутренняя поверхность днища нагревательной камеры может быть выполнена конусной с вершиной конуса, обращенной вниз, при этом выходное отверстие нагревательной камеры и конусная поверхность ее днища могут быть выполнены предпочтительно соосно друг с другом и с корпусом нагревательной камеры.The inner surface of the bottom of the heating chamber can be made conical with the apex of the cone facing downward, while the outlet of the heating chamber and the conical surface of its bottom can be made preferably coaxially with each other and with the housing of the heating chamber.
Выпускной обратный клапан может быть размещен в днище нагревательной камеры, предпочтительно соосно с выходным отверстием последней, с возможностью перекрытия им выхода указанного отверстия.The outlet check valve can be placed in the bottom of the heating chamber, preferably coaxially with the outlet of the latter, with the possibility of overlapping the outlet of the specified opening.
При выполнении нагревательной камеры с одним фазным электродом последний целесообразно располагать коаксиально корпусу нагревательной камеры, а при выполнении нагревательной камеры с двумя и более фазными электродами последние целесообразно размещать равномерно по объему нагревательной камеры и с равным удалением от корпуса последней.When performing a heating chamber with one phase electrode, it is advisable to arrange the latter coaxially to the housing of the heating chamber, and when performing a heating chamber with two or more phase electrodes, it is advisable to place the latter evenly throughout the volume of the heating chamber and with equal distance from the housing of the latter.
Решение поставленной задачи в отношении изобретения, касающегося теплогенерирующей установки, достигается тем, что в теплогенерирующей установке, предназначенной преимущественно для отопления и содержащей теплообменник и устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, с линией подвода исходной токопроводящей жидкости, вход которой подключен к выходу теплообменника, и линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости, выход которой подключен ко входу теплообменника, согласно пункту 16 формулы изобретения устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости выполнено по любому из пп.5-15, а в качестве теплообменника используется теплообменник типа «жидкость-жидкость» с контуром греющей и контуром нагреваемой среды, подключенный к теплопотребляющему устройству, снабженному линией подвода горячего теплоносителя и линией отвода холодного теплоносителя, при этом у теплообменника контур греющей среды подключен своим входом и выходом соответственно к выходу упомянутой линии нагнетания и ко входу упомянутой линии подвода токопроводящей жидкости, а контур нагреваемой среды подключен своим входом и выходом соответственно к линии отвода холодного теплоносителя от теплопотребляющего устройства и линии подвода горячего теплоносителя к теплопотребляющему устройству.The solution of the problem in relation to the invention regarding a heat generating installation is achieved by the fact that in a heat generating installation intended primarily for heating and comprising a heat exchanger and a device for heating and pumping a conductive liquid, for example water, with a supply line for the source conductive liquid, the input of which is connected to the output the heat exchanger, and the discharge line of the heated conductive fluid, the output of which is connected to the inlet of the heat exchanger, according to
При этом установка может быть снабжена аккумулирующей емкостью с газовой полостью и отделенной от последней с помощью подвижного разделителя гидравлической полостью, которая расположена над газовой полостью и подключена на своем верхнем уровне через вертикально расположенный канал к упомянутой линии подвода исходной токопроводящей жидкости вблизи от впускного обратного клапана упомянутого устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, при этом подвижный разделитель аккумулирующей емкости может быть выполнен в виде мембраны, или поршня, или сильфона.In this case, the installation can be equipped with an accumulating tank with a gas cavity and a hydraulic cavity separated from the latter by means of a movable separator, which is located above the gas cavity and connected at its upper level through a vertically located channel to the aforementioned line for supplying the initial conductive fluid close to the inlet check valve of the aforementioned devices for heating and injection of conductive fluid, while the movable separator of the storage capacity can be made in the form embrany, or piston, or bellows.
Кроме того, установка может быть снабжена устройством для автоматического газоудаления, включающим обратный самодействующий клапан, вход которого подключен к внутренней полости нагревательной камеры устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости на верхнем уровне указанной полости, и автоматический газоотводчик, подключенный своим входом к выходу указанного обратного клапана, который содержит горизонтально расположенное седло с отверстием для прохода токопроводящей жидкости и затвор, установленный под указанным седлом с возможностью перекрытия отверстия последнего, при этом масса, геометрическая форма и размеры указанного затвора выбираются с таким расчетом, чтобы обеспечивалось открытое положение указанного клапана при поступлении к нему воздуха или газообразных продуктов из нагревательной камеры.In addition, the installation can be equipped with a device for automatic gas removal, including a self-acting check valve, the input of which is connected to the internal cavity of the heating chamber of the device for heating and injection of conductive fluid at the upper level of the specified cavity, and an automatic gas vent connected to the output of the specified check valve by its inlet , which contains a horizontally located saddle with a hole for the passage of conductive fluid and a shutter mounted under the specified saddle ohm with the possibility of closing the last hole, while the mass, geometric shape and dimensions of the specified shutter are selected so as to ensure the open position of the specified valve when air or gaseous products come from the heating chamber.
Установка может быть также снабжена устройством для автоматической подпитки теплоносителем, выполненным в виде гидроаккумулятора, и устройством стабилизации давления, через которое устройство для автоматической подпитки теплоносителем подключено к упомянутой линии подвода исходной токопроводящей жидкости, при этом устройство стабилизации давления может выполнено, предпочтительно, в виде перепускного клапана с возможностью поддержания заданного давления в указанной линии.The installation can also be equipped with a device for automatically feeding coolant, made in the form of a hydraulic accumulator, and a pressure stabilization device through which the device for automatically feeding coolant is connected to the aforementioned line for supplying an initial conductive fluid, while the pressure stabilization device can be made, preferably, in the form of a bypass valve with the ability to maintain a given pressure in the specified line.
Кроме того, установка может быть снабжена предохранительным клапаном, подключенным к внутренней полости нагревательной камеры и настроенным на заданное максимальное давление в указанной полости, а также предохранительным клапаном, подключенным к линии нагнетания и настроенным на заданное максимальное давление в последней.In addition, the installation can be equipped with a safety valve connected to the internal cavity of the heating chamber and configured for a given maximum pressure in the specified cavity, as well as a safety valve connected to the discharge line and configured for a given maximum pressure in the latter.
Установка может быть также снабжена шламоуловителем, установленным в упомянутой линии нагнетания токопроводящей жидкости, а в верхних точках упомянутой линии подвода исходной токопроводящей жидкости могут быть установлены автоматические газоотводчики.The installation can also be equipped with a sludge trap installed in the aforementioned line of injection of conductive fluid, and at the upper points of the said supply line of the source of conductive fluid can be installed automatic gas vents.
При этом на входе упомянутой линии подвода исходной токопроводящей жидкости и в линии подвода горячего теплоносителя к теплопотребляющему устройству могут быть установлены датчики температуры, выходы которых соединены с упомянутым блоком питания и управления, выполненным с возможностью отключения питания фазных электродов нагревательной камеры при увеличении температуры исходной токопроводящей жидкости на входе линии подвода последней к упомянутой нагревательной камере или температуры горячего теплоносителя в линии подвода последнего к теплопотребляющему устройству выше заданного максимального значения и с возможностью последующего включения питания фазных электродов нагревательной камеры после снижения указанной температуры исходной токопроводящей жидкости и горячего теплоносителя до заданного минимального значения. При таком выполнении установки в помещении, обогреваемом с помощью теплопотребляющего устройства, может быть установлен датчик температуры, выход которого соединен с упомянутым блоком питания и управления, выполненным с возможностью отключения питания фазных электродов нагревательной камеры при увеличении температуры воздуха в указанном помещении выше заданного максимального значения и с возможностью последующего включения питания фазных электродов нагревательной камеры после снижения указанной температуры воздуха до заданного минимального значения. Кроме того, при таком выполнении установки как при наличии, так и при отсутствии в упомянутом выше помещении датчика температуры установка может быть снабжена малогабаритным автономным источником питания фазных электродов нагревательной камеры, подключенным к блоку питания и управления и рассчитанным на заданное время работы нагревательной камеры при внезапном отключении электроснабжения основного источника питания указанных электродов.At the same time, temperature sensors can be installed at the inlet of the aforementioned line for supplying the initial conductive fluid to the line of supplying the hot coolant to the heat-consuming device, the outputs of which are connected to the aforementioned power and control unit, configured to turn off the power of the phase electrodes of the heating chamber when the temperature of the initial conductive fluid increases at the input of the supply line of the latter to the aforementioned heating chamber or the temperature of the hot coolant in the supply line of the last one to the heat-consuming device is higher than the specified maximum value and with the possibility of subsequent switching on the power of the phase electrodes of the heating chamber after lowering the specified temperature of the initial conductive liquid and hot coolant to the specified minimum value. With this installation, a temperature sensor can be installed in a room heated by a heat-consuming device, the output of which is connected to the aforementioned power and control unit, configured to turn off the power of the phase electrodes of the heating chamber when the air temperature in the specified room rises above a predetermined maximum value and with the possibility of subsequent power-up of the phase electrodes of the heating chamber after lowering the specified air temperature to a predetermined minimum value. In addition, with such an installation, both with and without the temperature sensor in the aforementioned room, the installation can be equipped with a small-sized autonomous power source for the phase electrodes of the heating chamber, connected to the power supply and control unit and designed for a given operating time of the heating chamber in case of sudden disconnecting the power supply of the main power source of these electrodes.
Техническим результатом, получаемым при практическом использовании изобретения, является снижение затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, обеспечиваемое за счет прерывистого режима питания фазных электродов нагревательной камеры с прекращением и возобновлением пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость соответственно в начале ее вытеснения из нагревательной камеры и в конце заполнения нагревательной камеры токопроводящей жидкостью, а также за счет выполнения днища нагревательной камеры массивным из материала с высокой удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью и создания в нагревательной камере процесса реверсивного теплообмена между токопроводящей жидкостью и днищем указанной камеры с подводом к днищу нагревательной камеры от внешнего маломощного источника тепловой энергии количества теплоты, достаточного для поддержания в токопроводящей жидкости температуры не ниже температуры кипения указанной жидкости, и с обеспечением дальнейшего вытеснения токопроводящей жидкости из нагревательной камеры после упомянутого прекращения пропускания через нее электрического тока только с помощью энергии давления пара, образующегося над токопроводящей жидкостью за счет указанного поддержания температуры последней. Исключение электронагрева токопроводящей жидкости в процессе ее вытеснения из нагревательной камеры после прекращения пропускания через жидкость электрического тока обеспечивает указанное снижение затрат электроэнергии. Вместе с тем, техническим результатом является повышение объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания (т.е. производительности устройства как насоса), обеспечиваемое за счет создания в придонной части нагревательной камеры между днищем последней и нижними торцами фазных электродов зоны интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости, позволяющей сократить время нагрева жидкости до температуры кипения, необходимой для начала парообразования и последующего вытеснения жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания, что, в свою очередь, позволяет увеличить частоту рабочих циклов в нагревательной камере и соответственно указанную объемную подачу нагретой жидкости в линию нагнетания. Увеличение объемной подачи нагретой жидкости на выходе устройства (в линии нагнетания) обеспечивается также за счет эффективного использования в нем всего рабочего объема нагревательной камеры, что достигается за счет обеспечения возможности вытеснения токопроводящей жидкости из всей рабочей полости нагревательной камеры. При этом увеличение объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания расширяет область применения устройства и, вместе с тем, снижает удельные затраты электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости в расчете на единицу объема (например, 1 м3) нагретой жидкости, поступающей из нагревательной камеры в линию нагнетания. Кроме того, снижение затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости обеспечивается также за счет исключения свойственных прототипу заявленного устройства нерациональных затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, теряемых вследствие потери теплоты, уходящей в известном из прототипа устройстве в окружающую среду через стенки нагревательной камеры.The technical result obtained by the practical use of the invention is to reduce the cost of electricity for heating and injection of conductive fluid, provided by the intermittent power supply of the phase electrodes of the heating chamber with the termination and resumption of transmission of electric current through the conductive fluid, respectively, at the beginning of its displacement from the heating chamber and the end of the filling of the heating chamber with conductive liquid, as well as by performing the bottom of the heating massive chambers made of a material with high specific heat and high thermal conductivity and creating a process of reverse heat exchange between the conductive fluid and the bottom of the specified chamber in the heating chamber with the amount of heat sufficient to maintain the temperature in the conductive fluid at least not lower than the external low-power source of thermal energy boiling point of the specified liquid, and with the provision of further displacement of the conductive liquid from the heating chambers s after the mentioned cessation of transmission of electric current through it only with the help of the energy of the vapor pressure generated above the conductive liquid due to the specified temperature maintenance of the latter. The exclusion of electric heating of the conductive fluid during its displacement from the heating chamber after the cessation of transmission of electric current through the fluid provides the specified reduction in energy costs. At the same time, the technical result is an increase in the volumetric supply of heated liquid to the discharge line (i.e., the productivity of the device as a pump), which is ensured by creating in the bottom part of the heating chamber between the bottom of the last and lower ends of the phase electrodes a zone of intense electric heating of the conductive liquid, which allows reduce the time of heating the liquid to the boiling point necessary to start vaporization and the subsequent displacement of the liquid from the heating chamber to the discharge line, which, in turn, allows you to increase the frequency of duty cycles in the heating chamber and, accordingly, the specified volumetric flow of heated fluid into the discharge line. The increase in the volumetric supply of heated liquid at the device outlet (in the discharge line) is also ensured by the effective use of the entire working volume of the heating chamber in it, which is achieved by providing the possibility of displacing the conductive fluid from the entire working cavity of the heating chamber. At the same time, an increase in the volumetric supply of heated fluid to the discharge line expands the scope of the device and, at the same time, reduces the specific cost of electricity for heating and pumping conductive fluid per unit volume (for example, 1 m 3 ) of heated fluid coming from the heating chamber into discharge line. In addition, the reduction in the cost of electricity for heating and injecting conductive fluid is also achieved by eliminating the inherent in the prototype of the claimed device of irrational expenditures of electric energy for heating and injecting conductive fluid lost due to the loss of heat leaving in the device known from the prior art into the environment through the walls of the heating chamber.
Указанное снижение затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, достигаемое за счет использования прерывистого режима пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость, создания в нагревательной камере процесса реверсивного теплообмена между токопроводящей жидкостью и днищем указанной камеры с подводом теплоты к днищу нагревательной камеры от внешнего источника тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения, а также за счет создания в придонной части нагревательной камеры зоны интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости и исключения утечек теплоты через стенки нагревательной камеры в окружающую среду, по расчетным данным может составлять не менее 20% затрат электроэнергии, имеющих место в прототипе заявленного устройства. Это обеспечивает существенное повышение эффективности процесса нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и повышение эффективности работы и соответственно КПД устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, за счет чего повышается эффективность работы и КПД теплогенерирующей установки, в которой указанное устройство является главным рабочим органом.The specified reduction in the cost of electricity for heating and injection of conductive fluid, achieved through the use of intermittent transmission of electric current through the conductive fluid, creating a reversible heat transfer process between the conductive fluid and the bottom of the specified chamber in the heating chamber with the supply of heat to the bottom of the heating chamber from an external source of thermal energy to maintain the temperature of the conductive fluid not lower than its boiling point, as well as by creating constant part of the heating zone an intensive electric heating chamber of conductive liquid and exclusion of heat leak through the heating chamber wall into the environment, according to the calculated data may be not less than 20% of the electricity consumption, which occur in the prior art of the claimed device. This provides a significant increase in the efficiency of the process of heating and injection of a conductive fluid and an increase in the operating efficiency and, accordingly, the efficiency of a device for heating and injection of a conductive fluid, thereby increasing the efficiency and efficiency of a heat generating installation in which the said device is the main working body.
Другим техническим результатом является исключение необходимости имеющей место в прототипе заявленного устройства установки электродов на всю высоту нагревательной камеры с обеспечением герметичного прохода фазного электрода через крышку и днище нагревательной камеры, за счет чего упрощаются конструкция и изготовление устройства и снижаются его вес и стоимость. При этом повышается надежность работы устройства за счет исключения присущей прототипу возможности нарушения герметичности днища нагревательной камеры в месте прохода через него фазного электрода. Кроме того, техническим результатом является исключение при работе устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости возможности поступления пара в линию нагнетания нагретой токопроводящей жидкости и исключение связанной с этим нежелательной пульсации давления в указанной линии, за счет чего также обеспечивается повышение надежности работы указанного устройства и соответственно повышение надежности работы теплогенерирующей установки.Another technical result is the elimination of the need for a place in the prototype of the claimed device for installing electrodes to the entire height of the heating chamber with a tight passage of the phase electrode through the cover and bottom of the heating chamber, which simplifies the design and manufacture of the device and reduces its weight and cost. This increases the reliability of the device by eliminating the inherent prototype of the possibility of violation of the tightness of the bottom of the heating chamber at the passage through it of a phase electrode. In addition, the technical result is the exclusion during operation of the device for heating and injection of conductive fluid, the possibility of steam entering the discharge line of the heated conductive fluid and the elimination of the associated undesired pressure pulsation in the specified line, thereby also improving the reliability of the specified device and, accordingly, increasing the reliability of the heat generating installation.
Выполнение теплогенерирующей установки с бесконтактным теплообменником типа «жидкость-жидкость», снабженным контуром греющей и контуром нагреваемой среды, обеспечивает возможность работы установки с нагревом токопроводящей жидкости в рабочей полости нагревательной камеры до высокой температуры - порядка 150-200°С, обеспечивающей высокий КПД установки, и позволяет подключать при этом к установке различные теплопотребляющие устройства, для работы которых требуется подвод теплоносителя со значительно меньшей температурой - порядка 70-90°С.The implementation of the heat-generating installation with a non-contact liquid-liquid heat exchanger equipped with a heating circuit and a circuit of a heated medium allows the installation to work with heating the conductive liquid in the working cavity of the heating chamber to a high temperature of about 150-200 ° C, providing a high efficiency of the installation, and allows you to connect with the installation of various heat-consuming devices, the operation of which requires the supply of a coolant with a significantly lower temperature - about 70-90 ° FROM.
Снабжение теплогенерирующей установки устройством для автоматической подпитки теплоносителем, устройством для автоматического газоудаления, устройством стабилизации давления, предохранительными клапанами и шламоуловителем обеспечивает возможность эффективной, безопасной и надежной работы установки в автоматическом режиме без присутствия обслуживающего персонала. Вместе с тем, снабжение установки блоком питания и управления и датчиками температуры обеспечивает возможность оптимизации затрат электроэнергии на работу установки за счет поддержания в автоматическом режиме заданной температуры теплоносителя в линии подвода исходной токопроводящей жидкости, и/или на входе теплопотребляющего устройства, и/или температуры воздуха в помещении, обогреваемом с помощью данного теплопотребляющего устройства. Кроме того, снабжение установки малогабаритным автономным источником питания, рассчитанным на заданное время работы нагревательной камеры, обеспечивает возможность работы установки в течение указанного времени в случае внезапного отключения электроснабжения основного источника питания рабочих электродов нагревательной камеры.Providing the heat-generating installation with a device for automatically feeding coolant, a device for automatic gas removal, a pressure stabilization device, safety valves and a sludge trap enables efficient, safe and reliable operation of the installation in automatic mode without the presence of maintenance personnel. At the same time, supplying the installation with a power and control unit and temperature sensors makes it possible to optimize the energy costs of the installation by automatically maintaining the set temperature of the coolant in the supply line of the source conductive fluid, and / or at the inlet of the heat-consuming device, and / or air temperature in a room heated by this heat-consuming device. In addition, supplying the installation with a small-sized autonomous power source, designed for a given time of operation of the heating chamber, provides the possibility of operation of the installation during the specified time in the event of a sudden outage of the main power supply of the working electrodes of the heating chamber.
Заявленное устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости служит для осуществления заявленного способа нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, причем способ и устройство по настоящему изобретению, вместе взятые, образуют единый изобретательский замысел, поскольку направлены на решение одной и той же задачи - повышение эффективности процесса нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и повышение эффективности и надежности работы устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и позволяют получить одинаковый технический результат - снижение затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости. В связи с этим указанные способ и устройство соответствуют требованию единства изобретения.The claimed device for heating and injecting a conductive fluid is used to implement the claimed method of heating and injecting a conductive fluid, the method and device of the present invention, taken together, form a single inventive concept, since they are aimed at solving the same problem - increasing the efficiency of the heating process and injection of conductive fluid and increase the efficiency and reliability of the device for heating and injection of conductive fluid and allow to obtain about the same technical result is a reduction in the cost of electricity for heating and pumping a conductive fluid. In this regard, the specified method and device meet the requirement of the unity of the invention.
Вместе с тем, заявленное устройство используется как часть целого в заявленной теплогенерирующей установке и при этом образует вместе с последней единый изобретательский замысел, поскольку использование заявленного устройства в указанной установке придает последней положительные технические качества, заложенные в заявленном устройстве, а именно: повышение эффективности и надежности работы предлагаемой установки за счет повышения эффективности и надежности работы входящего в нее как часть целого заявленного устройства, а также снижение массы и габаритов заявленной установки за счет снижения массы и габаритов заявленного устройства. В связи с этим указанные устройство и установка, также соответствуют требованию единства изобретения.However, the claimed device is used as part of the whole in the claimed heat-generating installation and at the same time forms, together with the latter, a single inventive concept, since the use of the claimed device in the said installation gives the latter positive technical qualities incorporated in the claimed device, namely: increasing efficiency and reliability the operation of the proposed installation by increasing the efficiency and reliability of the work included in it as part of the whole claimed device, as well as lower ix mass and dimensions of the installation claimed by reducing the weight and dimensions of the inventive device. In this regard, the specified device and installation also meet the requirement of unity of invention.
Из уровня техники неизвестны способ нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и реализующее данный способ устройство, содержащие признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в независимых пунктах 1 и 5 формулы изобретения, характеризующих заявленный способ и заявленное устройство. Кроме того, из уровня техники неизвестна теплогенерирующая установка, содержащая признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в независимом пункте 16 формулы изобретения, характеризующем заявленную установку. В связи с этим изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».The prior art does not know the method of heating and injection of a conductive fluid and the device that implements this method, containing features identical to all the features contained in the
Из уровня техники неизвестны также способ нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и реализующее данный способ устройство, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками, содержащимися в независимых пунктах 1 и 5 формулы изобретения. Кроме того, из уровня техники неизвестна теплогенерирующая установка, имеющая признаки, совпадающие с отличительными признаками, содержащимися в независимом пункте 16 формулы изобретения, характеризующем заявленную установку. В связи с этим изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».The prior art also does not know the method of heating and injection of conductive fluid and the device that implements this method, having features that match the distinctive features contained in the
Заявленная группа изобретений соответствует также условию патентоспособности «промышленная применимость», поскольку входящие в нее изобретения могут быть использованы в энергетике и других областях техники, и при этом в настоящем описании содержится указание назначения каждого из указанных изобретений, каждое из которых раскрыто в настоящем описании с полнотой, достаточной для осуществления изобретения, а при осуществлении каждого независимого изобретения указанной группы в соответствии с любым из относящихся к настоящему изобретению пунктов формулы возможна реализация указанного в описании назначения изобретения.The claimed group of inventions also meets the condition of patentability "industrial applicability", since the inventions included in it can be used in the energy sector and other technical fields, and the present description contains an indication of the purpose of each of these inventions, each of which is fully described in the present description sufficient for the implementation of the invention, and in the implementation of each independent invention of the indicated group in accordance with any of the relevant invention To the claims, it is possible to realize the purpose of the invention indicated in the description.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:
- на фиг.1 - общий вид устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости;- figure 1 is a General view of a device for heating and injection of conductive fluid;
- на фиг.2 - вариант выполнения нижней части нагревательной камеры устройства с встроенным в днище выпускным клапаном;- figure 2 is an embodiment of the lower part of the heating chamber of the device with a discharge valve integrated in the bottom;
- на фиг.3 - общий вид теплогенерирующей установки;- figure 3 is a General view of a heat generating installation;
- на фиг.4 - сечение А-А на фиг.3;- figure 4 is a section aa in figure 3;
- на фиг.5 - устройство для автоматического газоудаления.- figure 5 is a device for automatic gas removal.
Согласно изобретению устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости содержит герметичную электродную нагревательную камеру 1 (фиг.1) с внутренней рабочей полостью 2, заполненной токопроводящей жидкостью, например водой, трубчатым корпусом 3, установленным в вертикальном или близком к вертикальному положении, днищем 4, крышкой 5, выходным отверстием 6, нулевым электродом 7 и одним или несколькими фазными электродами 8. Нулевой электрод 7 снабжен нулевой клеммой 9, соединенной с заземлением (не показано), а каждый из фазных электродов 8 установлен внутри корпуса 3 и закреплен на продольном электроде держателе 10, снабженном фазной клеммой 11 и изоляционной втулкой 12. Нагревательная камера 1 соединена своей верхней частью через впускной обратный клапан 13 с линией 14 подвода исходной токопроводящей жидкости, а нижней частью - через выходное отверстие 6 и выпускной обратный клапан 15 с линией 16 нагнетания нагретой токопроводящей жидкости. Для обеспечения полного вытеснения токопроводящей жидкости из рабочей полости 2 выходное отверстие 6 нагревательной камеры 1 выполнено в днище 4 последней (фиг.2, 3), предпочтительно на оси камеры 1, или в корпусе 3 последней (фиг.1) с примыканием к днищу 4 нагревательной камеры 1. Крышка 5 может быть выполнена из прочного и термостойкого диэлектрического материала или из металла.According to the invention, a device for heating and injecting a conductive fluid comprises a sealed electrode heating chamber 1 (FIG. 1) with an internal working
Для снижения затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости нагревательная камера 1 выполнена с обеспечением возможности прерывистого режима питания фазных электродов 8, для чего электроды 7 и 8 снабжены блоком питания и управления 17, к которому подключены нулевая 9 и фазная 11 клеммы указанных электродов, а нагревательная камера 1 снабжена датчиком 18 уровня токопроводящей жидкости, установленным в ее верхней части на высоте h относительно днища 4, составляющей 0,7-1,0 высоты Н рабочей полости 2 нагревательной камеры 1, и подключенным своим выходом ко входу блока питания и управления 17. При этом блок питания и управления 17 выполнен с возможностью отключения и включения питания фазных электродов 8 при получении от датчика уровня 18 сигнала о прохождении уровнем токопроводящей жидкости указанного датчика соответственно при вытеснении токопроводящей жидкости из нагревательной камеры 1 и при заполнении последней токопроводящей жидкостью. Вместе с тем, блок питания и управления 17 выполнен с возможностью питания фазных электродов 8 переменным электрическим током и на своем выходе может иметь одну рабочую фазу «А» (фиг.3) - при установке в нагревательной камере 1 одного или нескольких фазных электродов 8 с однофазным питанием или три рабочие фазы «А», «В» и «С» - при установке в нагревательной камере 1 трех или более фазных электродов 8 с трехфазным питанием.To reduce the cost of electricity for heating and injection of conductive fluid, the
В целях снижения затрат электроэнергии на питание фазных электродов 8 рекомендуется увеличивать высоту h установки датчика уровня 18 относительно днища 4 вплоть до значения h=H, при котором датчик уровня 18 устанавливается в крышке 5 нагревательной камеры 1 или в верхней торцевой части корпуса 3, что обеспечивает максимальное снижение указанных затрат электроэнергии. При этом минимальное значение указанной высоты h задано равным 0,7 высоты В рабочей полости 2 с учетом того, что при уменьшении высоты h ниже 0,7Н резко возрастают затраты электроэнергии на питание фазных электродов 8 без существенного повышения температуры токопроводящей жидкости и/или ее объемной подачи в линию нагнетания 16.In order to reduce the cost of electricity for feeding the
В нагревательной камере 1 предусмотрены конструктивные меры, обеспечивающие возможность вытеснения токопроводящей жидкости из рабочей полости 2 при отсутствии электронагрева токопроводящей жидкости, имеющем место после срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8. Для этого нагревательная камера 1 выполнена с обеспечением возможности реверсивного теплообмена между токопроводящей жидкостью и днищем 4 с передачей теплоты от токопроводящей жидкости к днищу 4 в процессе пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость до момента срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8 и передачей теплоты в обратном направлении - от днища 4 к токопроводящей жидкости при дальнейшем опускании уровня последней после срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8. При этом днище 4 снабжено внешним источником 19 тепловой энергии, тепловая мощность которого в несколько раз меньше тепловой мощности, вырабатываемой при пропускании тока между электродами 7 и 8. Источник 19 выполнен предпочтительно в виде плоского электронагревателя, закрепленного на наружной поверхности днища 4 предпочтительно с нижней стороны последнего. Для обеспечения возможности минимизации затрат энергии на работу внешнего источника тепла 19 днище 4 выполнено массивным из материала с высокой удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью, причем массу днища 4 при проектировании устройства задают максимально возможной по величине, исходя из заданных габаритных и весовых показателей устройства. При этом масса днища 4 и удельная теплоемкость материала, используемого для его изготовления, а также тепловая мощность внешнего источника 19 тепловой энергии задаются на основе расчетных и/или экспериментальных данных с обеспечением возможности передачи от днища 4 к токопроводящей жидкости количества теплоты, достаточного для поддержания температуры указанной жидкости не ниже температуры ее кипения после срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8 при минимальных затратах энергии источника 19 тепловой энергии.In the
Для обеспечения возможности осуществления реверсивного теплообмена в нагревательной камере 1 в момент прекращения пропускания тока через токопроводящую жидкость, соответствующий срабатыванию датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8, количество теплоты в днище 4, необходимое для обеспечения реверса теплообмена с последующей передачей теплоты от днища 4 к токопроводящей жидкости, должно превышать количество теплоты в токопроводящей жидкости. Данное условие имеет следующее математическое выражение:To enable reversible heat transfer in the
где Qд - количество теплоты, накопленное в днище 4 до момента срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8;where Q d is the amount of heat accumulated in the
Qк - количество теплоты, накопленное в корпусе 3, крышке 5, фазных электродах 8 и их электрододержателях 10 до момента срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8;Q to - the amount of heat accumulated in the
q - количество теплоты, получаемое днищем 4 от внешнего источника 19 тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения;q is the amount of heat received by the bottom 4 from an external source of
Qж - количество теплоты в токопроводящей жидкости в момент срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8;Q W - the amount of heat in the conductive fluid at the moment of operation of the
k- определяемый теоретическим и/или экспериментальным путем коэффициент теплопотерь, учитывающий количество теплоты, теряемой в результате ее рассеивания в процессе теплообмена между токопроводящей жидкостью и конструктивными элементами нагревательной камеры 1. По расчетным данным величина k колеблется в пределах 0,01-0,05 в зависимости от степени тепловой изоляции нагревательной камеры 1.k is the heat loss coefficient determined theoretically and / or experimentally, taking into account the amount of heat lost as a result of its dissipation in the process of heat exchange between the conductive fluid and the structural elements of the
После раскрытия параметров Qд, Qк, q и Qж выражение (1) принимает следующий вид:After the disclosure of the parameters Q d , Q k , q and Q W expression (1) takes the following form:
где с - удельная теплоемкость металла, из которого изготовлены корпус 3, днище 4, крышка 5, фазные электроды 8 и электрододержатели 10 нагревательной камеры 1;where c is the specific heat of the metal from which the
Мд - масса днища 4 нагревательной камеры 1;M d - the mass of the
Δt1 - величина изменения температуры в нагревательной камере 1;Δt 1 - the magnitude of the temperature change in the
Мк - суммарная масса корпуса 3, крышки 5, фазных электродов 8 и электрододержателей 10 нагревательной камеры 1;M to - the total mass of the
Δt2 - величина изменения температуры днища нагревательной камеры при его нагреве от внешнего источника тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения;Δt 2 - the magnitude of the change in temperature of the bottom of the heating chamber when it is heated from an external source of thermal energy to maintain the temperature of the conductive fluid not lower than its boiling point;
сж - удельная теплоемкость используемой токопроводящей жидкости;with w - the specific heat of the used conductive fluid;
Мж - масса токопроводящей жидкости, находящейся в рабочей полости 2 в момент срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8.M W - the mass of conductive fluid located in the working
Входящая в выражение (2) масса жидкости определяется выражениемThe mass of liquid included in expression (2) is determined by the expression
где ρ - плотность используемой токопроводящей жидкости;where ρ is the density of the used conductive fluid;
S - площадь поперечного сечения рабочей полости 2 нагревательной камеры 1;S is the cross-sectional area of the working
Vэ - объем фазных электродов 8 и частей их электрододержателей 10, находящихся в токопроводящей жидкости в момент срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8.V e - the volume of the
Как следует из выражений (2) и (3), задаваемая величина массы днища 4 должна соответствовать следующему условию:As follows from the expressions (2) and (3), the set value of the mass of the bottom 4 should correspond to the following condition:
Возьмем для примера нагревательную камеру 1 с одним осевым фазным электродом 8 (фиг.1), имеющую диаметр и площадь S поперечного сечения полости 2 соответственно 90 мм и 6359 мм2, высоту Н рабочей полости 2, равную 170 мм, и высоту h установки датчика уровня 18 относительно днища 4, равную 150 мм, что составляет 0,88Н. Днище 4 изготовлено из стали с удельной теплоемкостью, равной 0,50 кДж/(кг·°С), а в качестве токопроводящей жидкости используется вода с плотностью, равной 10-6 кг/мм3, и удельной теплоемкостью, равной 4,18 кДж/(кг·°С). Суммарная масса Мк конструктивных элементов нагревательной камеры 1 составляет 5,31 кг, а объем Vэ фазных электродов 8 и частей их электрододержателей 10, находящихся в токопроводящей жидкости при расположении уровня последней на уровне датчика 18, составляет 15% от объема токопроводящей жидкости, соответствующего указанному уровню ее расположения (Vэ=0,15Sh). Величину изменения температуры Δt1 в нагревательной камере 1 зададим равной 135°С, а величину изменения температуры Δt2 днища 4 в результате его нагрева от источника 19 - равной 20°С. Подставив заданные параметры в выражение (4) и приняв коэффициент теплопотерь k равным 0,02, найдем требуемую величину массы днища 4 для такой нагревательной камеры - Мд>1,52 кг.Take, for example, a
Для снижения затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости и обеспечения возможности увеличения в необходимых пределах величины объемной подачи нагретой токопроводящей жидкости в линию нагнетания 16 нагревательная камера 1 выполнена с возможностью создания в ее придонной части зоны 20 интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости, расположенной между днищем 4 и нижними торцами фазных электродов 8. Для этого днище 4 нагревательной камеры 1 служит нулевым электродом 7 вместе с корпусом 3 или без последнего, а фазные электроды 8 размещены в нагревательной камере 1 таким образом, что нижние торцы указанных электродов обращены к днищу 4. При этом суммарная площадь Sэ поверхности нижних торцов фазных электродов 8 выбрана из условия 0,4≤Sэ/S≤0,9, расстояние hэ между нижними торцами фазных электродов 8 и днищем 4 задано из условия 0,10≤hэ/Н≤0,35, а нагревательная камера 1 выполнена с цилиндрической формой ее рабочей полости 2, высота Н и диаметр d которой соответствуют условию 1,0<H/d<2,0.To reduce the cost of electricity for heating and injection of a conductive fluid and to provide the possibility of increasing the volumetric supply of heated conductive fluid to the
Суммарная площадь Sэ поверхности нижних торцов фазных электродов 7 выбрана из условия 0,4≤Sэ/S≤0,9 с учетом того, что при Sэ<0,4S резко снижается скорость нагрева жидкости в полости 2 камеры 1, а при Sэ>0,9S резко возрастает гидравлическое сопротивление, создаваемое фазными электродами 7 на пути движения нагретой жидкости и пара из придонной зоны 20 интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости в верхнюю часть рабочей полости 2 камеры 1, что замедляет процесс теплообмена между нагретой жидкостью, находящейся в зоне 20, и более холодной жидкостью, находящейся выше фазных электродов 8, и в конечном итоге также приводит к снижению скорости нагрева жидкости в полости 2 камеры 1 и, вместе с тем, к снижению температуры жидкости на выходе устройства - в линии нагнетания 16. В свою очередь, снижение скорости нагрева жидкости в полости 2 камеры 1 увеличивает время нагрева жидкости до кипения и время вытеснения жидкости из полости 2 в линию нагнетания 16, что приводит к снижению частоты рабочих циклов вытеснения жидкости из камеры 1 и соответственно к снижению объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания 16. Вместе с тем, увеличение времени нагрева жидкости до кипения и времени вытеснения жидкости из полости 2 вызывает повышение затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости. В свою очередь, указанное снижение объемной подачи нагретой жидкости и повышение затрат электроэнергии вызывает снижение эффективности работы устройства.The total area S e of the surface of the lower ends of the
При величине расстояния hэ между нижними торцами фазных электродов 8 и днищем 4 нагревательной камеры 1 hэ<0,10Н объем зоны 20 интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости снижается до недопустимого значения, при котором так же, как и при Sэ<0,4S, резко снижается скорость нагрева жидкости в полости 2 камеры 1, что приводит к недопустимому увеличению времени нагрева жидкости до кипения и времени вытеснения жидкости из полости 2 в линию нагнетания 16 и связанному с этим снижению до недопустимого уровня частоты рабочих циклов вытеснения жидкости из камеры 1 и соответственно к недопустимому снижению уровня объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания 16 и повышению затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости. Вместе с тем, при уменьшении указанного расстояния hэ ниже значения 0,10Н возможно возникновение электрического пробоя между электродами 7 и 8, способного нарушить нормальную работу устройства и вывести его из строя. В то же время нецелесообразно увеличивать указанное расстояние hэ выше значения 0,35Н, поскольку при h>0,35H объем зоны 20 интенсивного нагрева токопроводящей жидкости увеличивается до недопустимого значения, при котором так же, как и при h<0,10H, резко снижается скорость нагрева жидкости в полости 2 камеры 1, что приводит к снижению частоты рабочих циклов в камере 1 и объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания 16 и повышению затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, в результате чего снижается эффективность работы устройства.When the distance h e between the lower ends of the
Высота Н и диаметр d рабочей полости 2 нагревательной камеры 1 заданы из условия 1,0<H/d<2,0 с учетом того, при H/d>2,0 замедляется до недопустимого значения время замещения холодной токопроводящей жидкости, находящейся в верхней части рабочей полости 2, горячей токопроводящей жидкостью, поднимающейся из зоны 20 интенсивного нагрева токопроводящей жидкости, что так же, как и при Sэ>0,9S, замедляет процесс теплообмена между нагретой жидкостью, находящейся в зоне 20, и более холодной жидкостью, находящейся выше фазных электродов 8, и в конечном итоге приводит к снижению скорости нагрева жидкости в рабочей полости 2 камеры 1 и соответственно к снижению частоты рабочих циклов вытеснения жидкости из камеры 1 и объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания 16. При величине отношения H/d<1,0 высота hэ зоны 20 интенсивного нагрева токопроводящей жидкости недостаточна по величине для организации в указанной зоне с требуемой эффективностью процесса интенсивного нагрева токопроводящей жидкости.The height H and the diameter d of the working
Для обеспечения возможности создания в рабочей полости 2 давления пара, достаточного по величине для вытеснения токопроводящей жидкости в линию нагнетания 16, а также для устранения возможных колебаний затвора выпускного клапана 15 в линии нагнетания 16 установлен подпорный дроссель 21, расположенный после выпускного клапана 15 по ходу движения токопроводящей жидкости и вблизи от указанного клапана. Дроссель 21 выполнен в виде жиклера с сужающимся в направлении движения токопроводящей жидкости поперечным сечением. Угол конусности сужающейся части дросселя 21 и диаметр следующего за сужающейся частью выходного отверстия подбираются расчетным и/или экспериментальным путем с обеспечением указанного выше давления пара в рабочей полости 2.To ensure the possibility of creating a vapor pressure in the working
Для обеспечения возможности регулирования количества теплоты, передаваемой от источника 19 к днищу 4, при выполнении внешнего источника 19 тепловой энергии в виде электронагревателя последний подключен к своему источнику питания (например, к электросети) через управляющий термостат 22, служащий для регулировки тепловой мощности источника 19. Термостат 22 снабжен датчиком температуры 23, установленным на днище 4 нагревательной камеры 1 и подключенным своим выходом ко входу термостата 22.To provide the ability to control the amount of heat transferred from the
Наиболее важными для осуществления изобретения конструктивными параметрами нагревательной камеры 1 являются масса днища 4 нагревательной камеры 1, высота Н и диаметр d рабочей полости 2, величина отношения H/d, высота h, на которой установлен датчик уровня 18 относительно днища 4, расстояние hэ между нижними торцами фазных электродов 8 и днищем 4 нагревательной камеры 1, величина отношения суммарной площади Sэ нижних торцов фазных электродов 8 к площади S поперечного сечения рабочей полости 2 камеры 1, вмещающий токопроводящую жидкость объем зоны 20 интенсивного электронагрева, весь объем рабочей полости 2 нагревательной камеры 1, вмещающий токопроводящую жидкость, толщина стенок корпуса 3, днища 4 и крышки 5 нагревательной камеры 1 и величина удельной теплоемкости материала, из которого изготовлены корпус 3, днище 4 и крышка 5.The most important structural parameters of the
Указанные конструктивные параметры нагревательной камеры 1, а также величина усилия открытия выпускного клапана 15, величина тепловой мощности источника 19 тепловой энергии, величина напряжения на электродах 7 и 8 нагревательной камеры 1 и величина силы тока между указанными электродами задаются с обеспечением возможности кипения токопроводящей жидкости после отключения питания фазных электродов 8 при срабатывании датчика уровня 18 с образованием в полости 2 над токопроводящей жидкостью пара с давлением, достаточным по величине для дальнейшего вытеснения указанным паром токопроводящей жидкости из рабочей полости 2 в линию нагнетания 16 при заданной величине температуры и электропроводности исходной токопроводящей жидкости, поступающей из линии 14 в камеру 1 и гидравлического сопротивления течению нагретой токопроводящей жидкости, оказываемого со стороны линии нагнетания 16. Вместе с тем, с целью повышения эффективности работы и соответственно КПД устройства за счет снижения затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, величина электропроводности токопроводящей жидкости, величина удельной теплоемкости материала, из которого выполнены днище 4, корпус 3 и крышка 5 нагревательной камеры 1, величина гидравлического сопротивления выходного отверстия 6 нагревательной камеры 1, выпускного клапана 15, дросселя 21 и линии нагнетания 16, величина усилия открытия выпускного клапана 15 и указанные выше геометрические параметры нагревательной камеры 1, включая расстояние Sэ между нижними торцами фазных электродов 8 и днищем 4 камеры 1, задаются с расчетом обеспечения заданной температуры, и/или давления, и/или объемной подачи токопроводящей жидкости в линии нагнетания 16 с минимальными затратами электроэнергии на нагрев токопроводящей жидкости в рабочей полости 2 нагревательной камеры 1 и на нагнетание указанной жидкости из полости 2 в линию нагнетания 16 при заданной величине гидравлического сопротивления течению нагретой токопроводящей жидкости, оказываемого со стороны линии нагнетания 16. С этой же целью нагревательная камера 1 снабжена теплоизоляционным кожухом 24, снижающим утечки теплоты через стенки камеры 1 в окружающую среду.The indicated design parameters of the
Для сохранения необходимой эффективности работы устройства при изменении величины гидравлического сопротивления течению нагретой токопроводящей жидкости, оказываемого со стороны линии нагнетания 16, что может иметь место, например, при изменении количества потребителей нагретой токопроводящей жидкости, подключаемых к линии нагнетания 16, выпускной клапан 15 может быть выполнен с регулируемым в заданных пределах усилием его открытия. Для этого клапан 15 может быть выполнен с возможностью регулировки предварительного натяга его пружины 25 (фиг.2) за счет осевого перемещения опоры 26 последней с помощью вращающейся рукояти 27, соединенной осью 28 с опорой 26, при этом ось 28 имеет резьбовое соединение с нижней частью корпуса 29 клапана 15 и снабжена фиксирующей контргайкой 30.In order to maintain the required operational efficiency of the device when changing the hydraulic resistance to the flow of heated conductive fluid provided from the
Для снижения гидравлического сопротивления потоку токопроводящей жидкости при вытеснении последней из нагревательной камеры 1 в выходное отверстие 6 внутренняя поверхность 31 (фиг.2) днища 4 может быть выполнена конусной с вершиной конуса, обращенной вниз, причем выходное отверстие 6 нагревательной камеры 1 и конусная поверхность 31 днища 4 выполнены соосно друг с другом и с корпусом 3 нагревательной камеры 1. При этом выпускной клапан 15 может быть размещен в днище 4 предпочтительно соосно с выходным отверстием 6, с возможностью перекрытия им выхода отверстия 6.To reduce hydraulic resistance to the flow of conductive fluid during the displacement of the latter from the
Для повышения надежности работы и долговечности устройства электроды 7 и 8 выполнены из нержавеющей стали или любого другого электропроводного материала, стойкого к воздействию различных видов агрессивных токопроводящих жидкостей и ко всем видам электрокоррозии (особенно к межкристаллической коррозии), а изоляционные втулки 12 электрододержателей 10 выполнены из диэлектрического конструкционного материала, стойкого к воздействию агрессивных жидкостей и высокой температуры, например из фторопласта, поликристаллических полимеров (полиэфирэфиркетон - текапик), применяемых при высоких температурах (до 300°С), и т.п.To increase the reliability and durability of the device, the
При выполнении нагревательной камеры 1 с одним фазным электродом 8 (фиг.1) последний расположен коаксиально к корпусу 3 нагревательной камеры 1, а при выполнении нагревательной камеры 1 с двумя и более фазными электродами 8 последние размещены равномерно по объему нагревательной камеры 1 (фиг.3, 4) и равноудалены от ее корпуса 3. При этом корпус 3 нагревательной камеры 1 может быть выполнен цилиндрическим или с иной геометрической формой. Например, корпус 3 может быть выполнен с поперечным сечением в виде эллипса, или треугольника, или прямоугольника, или многоугольника (не показано). Вместе с тем, форма нижних торцов фазных электродов 8 также может быть различной, например круглой, эллипсной, треугольной, прямоугольной, многоугольной и т.п.When performing the
Описанное устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости может быть использовано по своему прямому назначению в показанной на фиг.3 теплогенерирующей установке, предназначенной преимущественно для систем отопления. Согласно изобретению указанная установка содержит описанное выше устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, подключенное линиями 14 и 16 к теплообменнику 32, к которому подключено также теплопотребляющее устройство 33, выполненное, например, в виде одного или нескольких отопительных радиаторов, бойлеров, отопительно-вентиляционных аппаратов, теплых полов и т.п. и снабженное линией 34 подвода горячего теплоносителя и линией 35 отвода холодного теплоносителя.The described device for heating and pumping a conductive fluid can be used for its intended purpose in the heat generating installation shown in Fig. 3, intended primarily for heating systems. According to the invention, said installation comprises the above-described device for heating and forcing a conductive liquid, for example water, connected by
Для обеспечения возможности работы установки с нагревом токопроводящей жидкости в рабочей полости 2 до высокой температуры - порядка 150-200°С, обеспечивающей высокий КПД установки, и обеспечением при этом возможности подключения к линии нагнетания 16 установки теплопотребляющего устройства 33, для работы которого требуется подвод теплоносителя со значительно меньшей температурой - порядка 70-90°С, теплообменник 32 выполнен в виде двухконтурного бесконтактного теплообменника типа «жидкость-жидкость» (например, в виде поверхностного рекуперативного противоточного теплообменника) с контуром 36 греющей и контуром 37 нагреваемой среды. При этом контур 36 греющей среды подключен своим входом 38 и выходом 39 соответственно к линиям 16 и 14, а контур 37 нагреваемой среды (например, воды) подключен своим входом 40 и выходом 41 соответственно к линиям 35 и 34.To enable the installation to work with heating the conductive liquid in the working
Установка снабжена аккумулирующей емкостью 42 с газовой полостью 43 и отделенной от нее с помощью подвижного разделителя 44 гидравлической полостью 45, заполненной теплоносителем в виде токопроводящей жидкости. При этом гидравлическая полость 45 расположена над газовой полостью 43 и подключена на своем верхнем уровне через вертикально расположенный канал 46 к линии 14 подвода исходной токопроводящей жидкости вблизи от впускного обратного клапана 13 упомянутого устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, а подвижный разделитель 44 аккумулирующей емкости 42 выполнен в виде мембраны, или поршня, или сильфона.The installation is equipped with a
Установка снабжена устройством 47 для автоматического газоудаления, включающим обратный самодействующий клапан 48 (фиг.5), вход которого подключен к внутренней полости 2 нагревательной камеры 1 устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости на верхнем уровне полости 2, и автоматический газоотводчик 49, подключенный своим входом к выходу обратного клапана 48. Клапан 48 содержит горизонтально расположенное седло 50 с отверстием 51 для прохода газообразных продуктов, удаляемых из рабочей полости 2 камеры 1, и затвор 52, установленный под седлом 50 с возможностью перекрытия отверстия 51 последнего, при этом масса, геометрическая форма и размеры затвора 52 выбираются с таким расчетом, чтобы обеспечивалось открытое положение клапана 48 при поступлении к нему воздуха или газообразных продуктов из полости 2 нагревательной камеры 1. Газоотводчик 49 расположен на минимально возможном расстоянии от клапана 48 и выполнен с возможностью прохода через него газообразных продуктов только в одном направлении - с выхода клапана 48 на выход самого газоотводчика 49 и не допускает проникание через него воздуха в полость 2 камеры 1 при наступлении разрежения в полости 2.The installation is equipped with a
Установка снабжена также выполненным в виде гидроаккумулятора устройством 53 для автоматической подпитки циркуляционного контура установки теплоносителем в виде токопроводящей жидкости. Устройство 53 подключено к линии 14 через устройство стабилизации давления 54, выполненное в виде перепускного клапана (редуктора давления) с возможностью поддержания заданного давления в линии 14 за счет перепуска жидкости из линии 14 в сливную линию (не показана). Для исключения опасных для работы установки забросов давления в рабочей полости 2 камеры 1 и в линии 14 к полости 2 подключен предохранительный клапан 55, а к линии 14 - предохранительный клапан 56, при этом клапаны 55 и 56 настроены на заданное максимальное давление соответственно в полости 2 и в линии 14 и соединены своими выходами со сливной линией (не показана). Установка снабжена также шламоуловителем 57, установленным после подпорного дросселя 21 по ходу движения жидкости в линии 16, а для обеспечения возможности удаления из циркуляционного контура установки газообразных продуктов, выделяющихся из токопроводящей жидкости в процессе ее нагрева и дросселирования через встречающиеся на пути указанной жидкости гидравлические сопротивления, установка снабжена автоматическими газоотводчиками 58, подключенными своими входами к линии 14 в верхних точках последней, являющихся местами возможного скопления газообразных продуктов.The installation is also equipped with a
Кроме того, установка снабжена манометром 59 для визуального контроля давления в линии 14 и стрелочными термометрами 60, 61, 62 и 63 для визуального контроля температуры жидкости соответственно в линиях 14, 16, 34 и 35. Для поддержания циркуляции теплоносителя в рабочем контуре теплопотребляющего устройства 33 в линии 35 установлены циркуляционный насос 64 и обратный клапан 65 с возможностью круговой циркуляции теплоносителя по указанному рабочему контуру - с выхода теплопотребляющего устройства 33 и далее по линии 35, контуру 37 теплообменника 32 и линии 34 ко входу теплопотребляющего устройства 33 и исключением возможности круговой циркуляции теплоносителя в обратном направлении.In addition, the installation is equipped with a
В линиях 14 и 34 установлены термодатчики соответственно 66 и 67, выполненные, например, в виде накладных термостатов. Кроме того, в помещении (не показано), обогреваемом с помощью устройства 33, может быть установлен датчик температуры воздуха 68. При этом выход каждого из датчиков 66-68 соединен с блоком питания и управления 17, выполненным с возможностью отключения питания фазных электродов 8 нагревательной камеры 1 при увеличении температуры теплоносителя в линии 34 теплопотребляющего устройства 33, и/или температуры токопроводящей жидкости в линии 14, и/или температуры воздуха в указанном помещении выше заданного максимального значения и с возможностью последующего включения питания фазных электродов 8 после снижения указанной температуры теплоносителя, и/или токопроводящей жидкости, и/или воздуха до заданного минимального значения.In
Установка может быть снабжена малогабаритным автономным источником 69 питания фазных электродов 8 переменным электрическим током, подключенным к блоку 17 и рассчитанным на заданное время работы нагревательной камеры 1 при внезапном отключении электроснабжения основного источника питания указанных электродов. Источник 69 может быть выполнен в виде аккумулятора с преобразователем с возможностью подзарядки аккумулятора и имеет выключатель 70 и устройство 71 автоматического управления, выполненное с возможностью автоматического включения выключателя 70 при внезапном отключении электроснабжения блока 17 и автоматического выключения выключателя 70 при восстановлении электроснабжения блока 17. Кроме того, устройство 71 может быть выполнено с возможностью установки источника 69 на подзарядку и прекращения подзарядки после аккумулирования в источнике 69 заданной величины электроэнергии в процессе подзарядки.The installation can be equipped with a small-sized
Согласно изобретению способ нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости осуществляется с помощью описанного выше устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости следующим образом.According to the invention, the method of heating and injecting conductive fluid is carried out using the above-described device for heating and injecting conductive fluid as follows.
Через токопроводящую жидкость, находящуюся в рабочей полости 2, пропускают переменный электрический ток, проходящий между электродами 7 и 8 при заданном напряжении на клеммах 9 и 11, в результате чего жидкость нагревается. Одновременно с этим днище 4 подогревают снизу с помощью внешнего источника 19 тепловой энергии. При этом за счет большой суммарной площади нижних торцов фазных электродов 8, составляющей не менее 0,4 площади S поперечного сечения рабочей полости 2 нагревательной камеры 1, между нижними торцами фазных электродов 8 и днищем 4 создается зона 20 интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости. Находящаяся в зоне 20 жидкость имеет небольшую массу в сравнении с массой всей жидкости, заполняющей рабочую полость 2 камеры 1, в связи с чем жидкость в зоне 20 быстро нагревается до кипения и вместе с образующимся при кипении паром с большой скоростью поднимается из зоны 20 в верхнюю часть полости 2, выталкивая холодную жидкость из верхней части полости 2 вниз - в зону 20 интенсивного электронагрева, благодаря чему ускоряется процесс нагрева токопроводящей жидкости в камере 1 и обеспечивается возможность повышения частоты рабочих циклов в нагревательной камере 1 и соответственно объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания 16 без увеличения расхода электроэнергии на питание электродов 8.Through a conductive fluid located in the working
Образующийся в верхней части полости 2 пар создает в камере 1 давление Рк, величина которого в начале кипения жидкости возрастает в связи с закрытым положением выпускного клапана 15. При увеличении давления Рк в камере 1 в процессе дальнейшего кипения жидкости до значения Рк *, соответствующего открытию выпускного клапана 15, последний открывается, и под воздействием давления пара жидкость вытесняется из полости 2 в линию нагнетания 16 через выходное отверстие 6 нагревательной камеры 1 и выпускной клапан 15. При этом подпорный дроссель 21 создает гидравлическое сопротивление (подпор) на пути движения токопроводящей жидкости в линии нагнетания 16. За счет указанного гидравлического сопротивления в линии нагнетания 16 в рабочей полости 2 камеры 1 создается давление пара, достаточное по величине для вытеснения токопроводящей жидкости в линию нагнетания 16. Кроме того, дроссель 21 устраняет возможные колебания затвора выпускного клапана 15. Величина гидравлического сопротивления дросселя 21 и его геометрические параметры, соответствующие данному сопротивлению, определяются путем теоретических расчетов и/или экспериментальным путем.The steam generated in the upper part of the
Суть изобретения заключается в создании в нагревательной камере 1 процесса реверсивного теплообмена между токопроводящей жидкостью и днищем 4, обеспечивающего возможность снижения затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости.The essence of the invention is to create in the heating chamber 1 a process of reversible heat transfer between the conductive liquid and the
В соответствии с указанным реверсивным теплообменом в процессе пропускания через токопроводящую жидкость электрического тока теплота от нагреваемой жидкости передается к массивному днищу 4 нагревательной камеры 1 и аккумулируется в последнем. При вытеснении токопроводящей жидкости из рабочей полости 2 после опускании уровня токопроводящей жидкости до уровня нагревательной камеры 1, на котором установлен датчик уровня 18, последний срабатывает на отключение питания фазных электродов 8. В случае установки датчика на высоте h, равной высоте Н рабочей полости 2, указанное срабатывание датчика 18 происходит в начале опускания уровня токопроводящей жидкости (при отрыве токопроводящей жидкости от крышки 5). После получения сигнала с выхода датчика 18 блок 17 отключает питание фазных электродов 8, в результате чего прекращается пропускание тока через токопроводящую жидкость и соответственно прекращается действие зоны 20 интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости.In accordance with the indicated reverse heat exchange during the passage of an electric current through a conductive fluid, heat from the heated fluid is transferred to the
Поскольку в нагревательной камере 1, как в любом реальном техническом объекте, неизбежны тепловые потери за счет утечек теплоты через стенки камеры 1 в окружающее пространство, после прекращения пропускания тока через токопроводящую жидкость температура последней в результате указанных тепловых потерь при отсутствии внешнего источника 19 тепловой энергии может снизиться ниже температуры кипения. При таких условиях в нагревательной камере 1 наступит температурный баланс, при котором токопроводящая жидкость имеет такую же температуру, как внутренняя поверхность днища 4, что исключает возможность переноса теплоты от днища 4 к токопроводящей жидкости, вследствие чего исключается и возможность осуществления реверсивного теплообмена в нагревательной камере 1, а следовательно, и возможность дальнейшего вытеснения токопроводящей жидкости из рабочей полости 2.Since in the
Наличие внешнего источника 19 тепловой энергии позволяет запустить в действие указанный реверсивный теплообмен за счет подвода к днищу 4 от источника 19 незначительного по величине количества теплоты, позволяющего поднять температуру внутренней поверхности днища 4 выше температуры токопроводящей жидкости и вывести нагревательную камеру 1 из состояния указанного температурного баланса. При этом в нагревательной камере 1 наступает реверс теплообмена, после которого передача теплоты осуществляется в обратном направлении - от днища 4 нагревательной камеры 1 к токопроводящей жидкости. Указанный реверсивный теплообмен в нагревательной камере 1 осуществляют с минимальными затратами энергии внешнего источника 19 тепловой энергии, достаточными для того, чтобы компенсировать тепловые потери, обусловленные утечками теплоты из нагревательной камеры 1, и нагреть внутреннюю поверхность днища 4 до температуры кипения токопроводящей жидкости.The presence of an external source of
Благодаря указанному подогреву токопроводящей жидкости со стороны днища 4 с использованием теплоты, передаваемой к днищу 4 от внешнего источника 19 тепловой энергии, кипение токопроводящей жидкости в рабочей полости 2 продолжается без остановки, несмотря на прекращение ее электронагрева после срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8. Указанное кипение сопровождается образованием пара над токопроводящей жидкостью, под действием энергии давления которого осуществляется дальнейшее полное вытеснение токопроводящей жидкости из рабочей полости 2 в линию нагнетания 16 через обратный клапан 15. Для снижения затрат энергии на работу внешнего источника тепла 19 перед началом или в процессе работы устройства с помощью термостата 22, получающего информацию о величине температуры наружной поверхности днища 4 от датчика 23, устанавливают тепловую мощность источника 19 на уровне, при котором от источника 19 к днищу 4 передается количество теплоты, не превышающее по величине количество теплоты, требуемое для поддержания температуры токопроводящей жидкости в рабочей полости 2 не ниже температуры ее кипения.Due to the specified heating of the conductive liquid from the bottom 4 using heat transferred to the bottom 4 from an external source of
После окончания вытеснения жидкости из рабочей полости 2 в линию нагнетания 16 давление в полости 2 снижается ниже указанного выше значения Рк *, после чего выпускной клапан 15 закрывается, а в полости 2 происходит конденсация пара. В результате конденсации пара в полости 2 образуется разрежение, под действием которого открывается впускной клапан 13, и полость 2 заполняется новой порцией исходной токопроводящей жидкости, поступающей из линии 14. При прохождении уровнем токопроводящей жидкости датчика 18 в процессе заполнения полости 2 датчик 18 срабатывает на включение питания фазных электродов 8. В случае установки датчика на высоте h, равной высоте Н рабочей полости 2, указанное срабатывание датчика 18 происходит в конце подъема уровня токопроводящей жидкости, т.е. в момент полного заполнения рабочей полости 2 токопроводящей жидкостью. После получения сигнала с выхода датчика 18 блок 17 включает питание фазных электродов 8, в результате чего возобновляется пропускание тока через токопроводящую жидкость между нижними торцами электродов 8 и днищем 4 и соответственно возобновляется интенсивный электронагрев токопроводящей жидкости в придонной зоне 20, сопровождающийся интенсивной циркуляцией нагретой жидкости из зоны 20 в верхнюю часть рабочей полости 2 с вытеснением из нее в зону 20 холодной токопроводящей жидкости. После заполнения полости 2 токопроводящей жидкостью впускной клапан 13 закрывается.After the displacement of the liquid from the working
Далее процесс нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости повторяется в описанном порядке.Next, the process of heating and injection of conductive fluid is repeated in the described order.
В процессе запуска устройства частота рабочих циклов нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости в нагревательной камере 1 плавно увеличивается по мере нагрева днища 4, корпуса 3, крышки 5 и электродов 8 с электрододержателями 10 и выходит на рабочий уровень по окончании нагрева указанных конструктивных элементов нагревательной камеры 1. Для сокращения времени выхода устройства на рабочий режим перед его запуском массивное днище 4 может быть прогрето с помощью внешнего источника 19 тепловой энергии до момента включения питания электродов 8.During the start-up of the device, the frequency of the operating cycles of heating and injection of the conductive fluid in the
При изменении величины гидравлического сопротивления течению нагретой токопроводящей жидкости, оказываемого со стороны линии нагнетания 16, что может иметь место, например, при изменении количества потребителей нагретой токопроводящей жидкости, подключаемых к линии нагнетания 16, производят регулировку усилия открытия выпускного клапана 15 в целях сохранения необходимой эффективности работы устройства. При этом в случае снижения указанного гидравлического сопротивления увеличивают усилие открытия выпускного клапана 15 путем увеличения усилия предварительного сжатия пружины 25 (фиг.2) за счет перемещения ее опоры 26 вверх с помощью вращающейся рукояти 27, а в случае повышения указанного гидравлического сопротивления снижают усилие открытия выпускного клапана 15 путем снижения усилия предварительного сжатия пружины 25 за счет перемещения ее опоры 26 вниз.When changing the value of hydraulic resistance to the flow of heated conductive fluid provided from the
Описанная выше теплогенерирующая установка работает следующим образом.The heat generating installation described above works as follows.
С помощью входящего в состав теплогенерирующей установки устройства для нагрева и нагнетания служащей теплоносителем токопроводящей жидкости осуществляют в соответствии с описанным выше способом нагрев холодного теплоносителя в виде токопроводящей жидкости, например воды, поступающего к указанному устройству по линии 14 с выхода 39 контура 36 теплообменника 32, и подачу нагретого теплоносителя по линии нагнетания 16 на вход 38 указанного контура 36. Одновременно с этим с помощью насоса 64 осуществляют круговую циркуляцию теплоносителя в рабочем контуре теплопотребляющего устройства 33. В процессе указанной циркуляции тепло от нагретой токопроводящей жидкости, проходящей через контур 36 теплообменника 32, передается теплоносителю теплопотребляющего устройства 33, проходящему через контур 37 теплообменника 32. Нагреваемый таким образом теплоноситель по линии 34 поступает на вход теплопотребляющего устройства 33, а после отдачи тепла последнему в охлажденном виде поступает по линии 35 через обратный клапан 65 на вход 40 контура 37 теплообменника 32 и вновь нагревается при прохождении через контур 37 последнего.Using the device for heating and forcing the conductive fluid that serves as the heat carrier, which is part of the heat-generating installation, the cold coolant is heated in the form of a conductive fluid, for example, water supplied to the specified device via
При этом в процессе вытеснения токопроводящей жидкости из полости 2 камеры 1 в линию нагнетания 16 жидкость из линии 14 под действием давления со стороны линии 16 вытесняется в гидравлическую полость 45 аккумулирующей емкости 42, что приводит к сжатию газа в газовой полости 43 емкости 42 разделителем 44 и аккумулированию потенциальной энергии давления газа в полости 43, которая используется для ускорения процесса заполнения рабочей полости 2 камеры 1 поступающим из линии 14 холодным теплоносителем. Указанное ускорение обеспечивается тем, что заполнение полости 2 холодным теплоносителем обеспечивается как под действием разрежения, образующегося в рабочей полости 2 в процессе конденсации пара, так и под действием давления на теплоноситель в линии 14 со стороны газовой полости 43 емкости 42. При этом разделитель 44 емкости 42 перемещается давлением со стороны газовой полости 43 в сторону гидравлической полости 45, вытесняя жидкость из полости 45 в рабочую полость 2 камеры 1. Помимо ускорения процесса заполнения рабочей полости 2 камеры 1 теплоносителем аккумулирующая емкость 42 совместно с клапаном 56 позволяет также исключить опасные забросы давления в линии 14 в процессе вытеснения жидкости из нагревательной камеры 1 в линию нагнетания 16.Moreover, in the process of displacing the conductive fluid from the
В процессе работы установки газообразные продукты, выделяющиеся из теплоносителя в рабочей полости 2, выводятся из указанной полости через самодействующий клапан 48 (фиг.5) и автоматический газоотводчик 49, а газообразные продукты, скапливающиеся в верхних точках линии 14, удаляются с помощью автоматических газоотводчиков 58. Потери теплоносителя, возникающие за счет утечек и превращения теплоносителя в указанные газообразные продукты, восполняются при помощи устройства 53 автоматической подпитки. При этом теплоноситель очищается от шламовых загрязнений при помощи шламоуловителя 57, давление в линии 14 поддерживается на заданном уровне при помощи устройства 54 стабилизации давления путем перепуска в сливную линию жидкости из линии 14 в случае превышения указанного давления выше заданного значения, а возможность повышения давления в рабочей полости 2 и в линии 14 свыше предельно допустимого значения исключается при помощи предохранительных клапанов 55 и 56 путем перепуска жидкости через указанные клапаны в сливную линию.During operation of the installation, gaseous products released from the coolant in the working
Для обеспечения высокой эффективности работы и высокого КПД установки интенсивность нагрева теплоносителя в нагревательной камере 1 и соответственно температуру теплоносителя в линии нагнетания 16 поддерживают на требуемом уровне путем установки с помощью блока питания и управления 17 необходимого для этого значения силы тока между электродами 7 и 8, а также за счет выбора токопроводящей жидкости с требуемой электропроводностью и установки с помощью устройства 54 требуемой величины давления в линии 14. При этом с помощью теплообменника 32 обеспечивают более низкую, чем в линии нагнетания 16, температуру теплоносителя во входной линии 34 теплопотребляющего устройства 33, требуемую для нормальной эксплуатации последнего. Для этого с помощью циркуляционного насоса 64 создают такую скорость течения теплоносителя через контур 37 теплообменника 32, при которой теплоноситель, проходящий через контур 37, успевает нагреться до температуры, не превышающей заданные пределы, определяемые эксплуатационными характеристиками теплопотребляющего устройства 33.To ensure high operating efficiency and high efficiency of the installation, the intensity of heating of the coolant in the
При увеличении температуры теплоносителя в линии 34 теплопотребляющего устройства 33, и/или температуры токопроводящей жидкости в линии 14, и/или температуры воздуха в помещении, в котором установлено теплопотребляющее устройство 33, выше заданного максимального значения блок питания и управления 17, получающий сигналы о превышении температуры от датчиков 66-68, отключает питание электродов 8, а после снижения температуры теплоносителя в линии 33, и/или температуры токопроводящей жидкости в линии 14, и/или температуры воздуха в указанном помещении до заданного минимального значения вновь включает питание электродов 8.When the temperature of the coolant in the
В случае внезапного отключения электроснабжения блока 17 устройство 71 автоматически включает выключатель 70, после чего электроды 8 получают питание от автономного источника 69. После восстановления электроснабжения блока 17 устройство 71 автоматически выключает выключатель 70 и устанавливает источник 69 на подзарядку, а после аккумулирования в источнике 69 в процессе подзарядки заданной величины электроэнергии прекращает подзарядку источника 69.In the event of a sudden shutdown of the power supply to the
Claims (26)
Мд>[(1+k)(Sh-Vэ)ρcж/с-(1-k)Mк]/(1-k+Δt2/Δt1),
где Мд - масса днища нагревательной камеры;
k - определяемый теоретическим и/или экспериментальным путем коэффициент теплопотерь, учитывающий количество теплоты, теряемой в результате ее рассеивания в процессе теплообмена между токопроводящей жидкостью и конструктивными элементами нагревательной камеры;
S - площадь поперечного сечения рабочей полости нагревательной камеры;
h - высота столба токопроводящей жидкости в рабочей полости нагревательной камеры в момент прекращения пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость;
Vэ - объем фазных электродов и частей их электрододержателей, находящихся в токопроводящей жидкости в момент прекращения пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость;
ρ, сж - соответственно плотность и удельная теплоемкость используемой токопроводящей жидкости;
с - удельная теплоемкость металла, из которого изготовлены днище, корпус, крышка, фазные электроды и электрододержатели нагревательной камеры;
Мк - суммарная масса корпуса, крышки, фазных электродов и электрододержателей нагревательной камеры;
Δt1 - величина изменения температуры в нагревательной камере 1;
Δt2 - величина изменения температуры днища нагревательной камеры при его нагреве от внешнего источника тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения.2. The method according to claim 1, characterized in that the mass of the bottom of the heating chamber is set in accordance with the expression
M d > [(1 + k) (Sh-V e ) ρc w / s- (1-k) M k ] / (1-k + Δt 2 / Δt 1 ),
where M d - the mass of the bottom of the heating chamber;
k is the heat loss coefficient determined theoretically and / or experimentally, taking into account the amount of heat lost as a result of its dissipation during heat exchange between the conductive fluid and the structural elements of the heating chamber;
S is the cross-sectional area of the working cavity of the heating chamber;
h is the height of the column of conductive fluid in the working cavity of the heating chamber at the time of termination of the passage of electric current through the conductive fluid;
V e - the volume of phase electrodes and parts of their electrode holders located in the conductive fluid at the time of termination of the passage of electric current through the conductive fluid;
ρ, with w - respectively, the density and specific heat of the used conductive liquid;
C is the specific heat of the metal from which the bottom, body, cover, phase electrodes and electrode holders of the heating chamber are made;
M to - the total mass of the housing, cover, phase electrodes and electrode holders of the heating chamber;
Δt 1 - the magnitude of the temperature change in the heating chamber 1;
Δt 2 - the magnitude of the change in temperature of the bottom of the heating chamber when it is heated from an external source of thermal energy to maintain the temperature of the conductive liquid not lower than its boiling point.
Мд>[(1+k)(Sh-Vэ)ρcж/с-(1-k)Mк]/(1-k+Δt2/Δt1),
где Мд - масса днища нагревательной камеры;
k - определяемый теоретическим и/или экспериментальным путем коэффициент теплопотерь, учитывающий количество теплоты, теряемой в результате ее рассеивания в процессе теплообмена между токопроводящей жидкостью и конструктивными элементами нагревательной камеры;
S - площадь поперечного сечения рабочей полости нагревательной камеры;
h - высота столба токопроводящей жидкости в рабочей полости нагревательной камеры в момент упомянутого отключения питания фазных электродов;
Vэ - объем фазных электродов и частей их электрододержателей, находящихся в токопроводящей жидкости в момент срабатывания датчика уровня на отключение питания фазных электродов;
ρ, cж - соответственно плотность и удельная теплоемкость используемой токопроводящей жидкости;
с - удельная теплоемкость металла, из которого изготовлены днище, корпус, крышка, фазные электроды и электрододержатели нагревательной камеры;
Мк - суммарная масса корпуса, крышки, фазных электродов и электрододержателей нагревательной камеры;
Δt1 - величина изменения температуры в нагревательной камере 1;
Δt2 - величина изменения температуры днища нагревательной камеры при его нагреве от внешнего источника тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения.6. The device according to claim 5, characterized in that the mass of the bottom of the heating chamber is set in accordance with the expression
M d > [(1 + k) (Sh-V e ) ρc w / s- (1-k) M k ] / (1-k + Δt 2 / Δt 1 ),
where M d - the mass of the bottom of the heating chamber;
k is the heat loss coefficient determined theoretically and / or experimentally, taking into account the amount of heat lost as a result of its dissipation during heat exchange between the conductive fluid and the structural elements of the heating chamber;
S is the cross-sectional area of the working cavity of the heating chamber;
h is the height of the column of conductive fluid in the working cavity of the heating chamber at the time of the aforementioned power failure of the phase electrodes;
V e - the volume of the phase electrodes and parts of their electrode holders located in the conductive liquid at the time the level sensor is triggered to turn off the power of the phase electrodes;
ρ, c W - respectively, the density and specific heat of the used conductive fluid;
C is the specific heat of the metal from which the bottom, body, cover, phase electrodes and electrode holders of the heating chamber are made;
M to - the total mass of the housing, cover, phase electrodes and electrode holders of the heating chamber;
Δt 1 - the magnitude of the temperature change in the heating chamber 1;
Δt 2 - the magnitude of the change in temperature of the bottom of the heating chamber when it is heated from an external source of thermal energy to maintain the temperature of the conductive liquid not lower than its boiling point.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009143840/06A RU2419039C1 (en) | 2009-11-26 | 2009-11-26 | Method to heat and inject current-conducting fluid, device for its realisation and heat-generating plant |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009143840/06A RU2419039C1 (en) | 2009-11-26 | 2009-11-26 | Method to heat and inject current-conducting fluid, device for its realisation and heat-generating plant |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2419039C1 true RU2419039C1 (en) | 2011-05-20 |
Family
ID=44733752
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009143840/06A RU2419039C1 (en) | 2009-11-26 | 2009-11-26 | Method to heat and inject current-conducting fluid, device for its realisation and heat-generating plant |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2419039C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518920C2 (en) * | 2012-07-03 | 2014-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр" | Electric heat accumulating heater |
-
2009
- 2009-11-26 RU RU2009143840/06A patent/RU2419039C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518920C2 (en) * | 2012-07-03 | 2014-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр" | Electric heat accumulating heater |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9976775B2 (en) | Remotely controlled water heater system | |
RU87856U1 (en) | LIQUID INDUCTION HEATING DEVICE | |
RU2419039C1 (en) | Method to heat and inject current-conducting fluid, device for its realisation and heat-generating plant | |
WO2012105864A1 (en) | Method and apparatus for heating current-conducting liquid, and heat-generating installation | |
EP2690374B1 (en) | Resistive structure for the uniform heating of fluids | |
CN204313469U (en) | A kind of quick electromagnetic eddy-current heating water heater | |
RU63038U1 (en) | STEAM DRIP HEATER | |
KR101187929B1 (en) | Steam boiler | |
RU2016104802A (en) | Room heating and hot water supply system | |
KR20110030035A (en) | Warm water heating tube for electric boiler and electric boiler using the same | |
CN205286047U (en) | Many temperature are equipment of drinking water directly | |
CN205209288U (en) | Novel heat exchanger | |
CN212619283U (en) | Instant heating assembly, instant cooling and instant heating structure and gas water heater | |
RU2147101C1 (en) | Electric steam and water heater | |
CN102980291A (en) | Instantaneous-heating type electric heater with heat energy secondary recycling | |
RU2410607C2 (en) | Heat exchanger | |
KR20170091869A (en) | Central heating system and method including heat supplementary unit of return line pipe | |
RU44798U1 (en) | FLOWING ELECTRIC HEATER | |
CN205137637U (en) | Heat source machine | |
RU206874U1 (en) | High temperature electric boiler with indirect heating elements | |
CN103550952B (en) | Heater of wet-process extraction groove and heating method | |
RU72120U1 (en) | INSTALLATION FOR PASTERIZATION OF LIQUID FOOD PRODUCTS | |
CN207632843U (en) | A kind of external quenching tank heater | |
RU108570U1 (en) | REIASO POLYAKOV-RED ELECTRODE LIQUID HEATER | |
CN111649476A (en) | Instant heating assembly, instant cooling and instant heating structure, gas water heater and instant heating control method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111127 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20130927 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141127 |