RU2156411C1

RU2156411C1 - Fluid medium heater

Info

Publication number: RU2156411C1
Application number: RU99106951A
Authority: RU
Inventors: А.А. Багаев; А.И. Багаев
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2000-09-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; water and air heaters. SUBSTANCE: fluid heater has casing in the form of thermosiphon whose bottom part functions as electrolyte-filled evaporator accommodating electrodes and made of insulating material; top metal part of casing functions as condenser contacting working medium and designed to receive steam and its condensate; it is electrically insulated from bottom part when being filled with steam and its condensate. EFFECT: improved heating efficiency at high electric safety. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнологии, в частности к электротермическим устройствам, предназначенным для нагрева текучих сред, а именно к водо- и воздухонагревателям. The invention relates to electrical technology, in particular to electrothermal devices intended for heating fluids, namely, water and air heaters.

Известен нагреватель текучей среды, в частности, электродный водонагреватель, содержащий корпус, в котором расположены электроды. При этом корпус выполнен из электропроводного материала, а электроды предназначены для подвода электрического тока к текучей среде. В процессе нагрева корпус с расположенными в нем электродами заполняется нагреваемой текучей средой, которая при подключении электродов к источнику электрического напряжения выполняет функцию электролита [1]. A fluid heater is known, in particular an electrode water heater comprising a housing in which electrodes are located. In this case, the housing is made of electrically conductive material, and the electrodes are designed to supply electric current to the fluid. During heating, the casing with the electrodes located in it is filled with a heated fluid, which, when the electrodes are connected to an electric voltage source, performs the function of an electrolyte [1].

Недостатком данного нагревателя текучей среды является возможность электропоражения, обусловленная тем, что электроды, расположенные в корпусе, помещены непосредственно в нагреваемую электропроводную текучую среду, которая при подаче на электроды электрического напряжения выполняет функцию электролита. При этом электрическая энергия преобразуется в тепловую непосредственно в нагреваемой текучей среде, что приводит к выносу текучей средой электрического потенциала. The disadvantage of this fluid heater is the possibility of electric shock, due to the fact that the electrodes located in the housing are placed directly in a heated electrically conductive fluid, which, when an electrical voltage is applied to the electrodes, acts as an electrolyte. In this case, electrical energy is converted into heat directly in the heated fluid, which leads to the removal of the electric potential by the fluid.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является нагреватель текучей среды, в частности, тепловая труба, содержащий корпус, выполненный в виде термосифона, в нижней части которого, являющейся испарителем, заполненной электролитом и выполненной из электроизоляционного материала, расположены электроды, а верхняя часть, являющаяся конденсатором и контактирующая с текучей средой, предназначена для заполнения водяным паром и его конденсатом, и выполнена из электроизоляционного материала, причем корпус снабжен плотно облегающим его снаружи защитным металлическим кожухом [2]. The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is a fluid heater, in particular, a heat pipe containing a housing made in the form of a thermosiphon, in the lower part of which is an evaporator filled with an electrolyte and made of an insulating material, electrodes are located, and the upper part, which is a condenser and in contact with the fluid, is designed to be filled with water vapor and its condensate, and is made of an insulating material, and yc provided with tightly fitting it outside the protective metal casing [2].

Низкая эффективность нагрева текучей среды обусловлена выполнением корпуса и, в частности, его верхней части из электроизоляционного материала, а именно, керамики. Применение электроизоляционных материалов, обладающих большим электрическим сопротивлением и низкими теплопроводными свойствами, приводит к уменьшению количества пара, конденсирующегося на внутренней стенке верхней части корпуса и определяющего количество подведенной к ней теплоты, и, следовательно, к снижению величины передаваемого нагреваемой текучей среде через эту стенку теплового потока, вследствие прямопропорциональной зависимости этих характеристик от коэффициента теплопроводности [3]: чем меньше коэффициент теплопроводности материала, из которого выполнена верхняя часть корпуса нагревателя, являющаяся конденсатором и контактирующая с текучей средой, тем меньше количество пара, конденсирующегося на ней, тем меньше подведенная к стенке тепловая энергия и тем меньше величина теплового потока, переданного через стенку нагреваемой текучей среде и, следовательно, тем больше время нагрева текучей среды. Таким образом, использование электроизоляционных материалов, в частности, керамики для корпуса данного нагревателя обеспечивает высокую электробезопасность при низкой эффективности нагрева текучей среды за счет того, что керамика имеет низкий коэффициент теплопроводности, равный 1,047 Вт/(м•град) [4]. The low efficiency of heating the fluid is due to the implementation of the housing and, in particular, its upper part from an insulating material, namely, ceramic. The use of electrical insulation materials with high electrical resistance and low heat-conducting properties leads to a decrease in the amount of steam condensing on the inner wall of the upper part of the casing and determining the amount of heat supplied to it, and, therefore, to a decrease in the amount of heat transferred to the heated fluid through this wall of heat flow , due to the direct proportional dependence of these characteristics on the coefficient of thermal conductivity [3]: the lower the coefficient of thermal conductivity The material of which the upper part of the heater body is made, which is a condenser and is in contact with the fluid, the smaller the amount of vapor condensing on it, the less heat energy supplied to the wall and the smaller the amount of heat flux transmitted through the wall of the heated fluid and, therefore, the longer the heating time of the fluid. Thus, the use of insulating materials, in particular, ceramics for the housing of this heater provides high electrical safety at low heating efficiency of the fluid due to the fact that the ceramics has a low thermal conductivity of 1.047 W / (m • deg) [4].

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что нагреватель текучей среды содержит корпус, выполненный в виде термосифона, в нижней части которого, являющейся испарителем, заполненной электролитом и выполненной из электроизоляционного материала, расположены электроды, а верхняя часть корпуса, являющаяся конденсатором и контактирующая с текучей средой, предназначена для заполнения водяным паром и его конденсатом, причем она является электроизолированной от нижней части при заполнении водяным паром и его конденсатом и выполнена из металла. The essence of the invention lies in the fact that the fluid heater contains a housing made in the form of a thermosiphon, in the lower part of which is an evaporator filled with an electrolyte and made of electrical insulation material, electrodes are located, and the upper part of the housing, which is a condenser and in contact with the fluid , is intended to be filled with water vapor and its condensate, moreover, it is electrically insulated from the bottom when filled with water vapor and its condensate and ene of metal.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности нагрева текучей среды при сохранении высокого уровня электробезопасности. The technical result of the invention is to increase the efficiency of heating a fluid while maintaining a high level of electrical safety.

Повышение эффективности нагрева текучей среды обусловлено тем, что верхняя часть корпуса предлагаемого нагревателя, являющаяся конденсатором, контактирующая с текучей средой и предназначенная для заполнения водяным паром и его конденсатом, выполнена из металла, характеризующегося высокой теплопроводностью. Высокий коэффициент теплопроводности, например, у углеродистой стали марки 20, равный 41,868 Вт/(м•град) [4], позволяет водяному пару быстро отдавать тепло верхней части корпуса, увеличивая тем самым количество конденсата водяного пара и, следовательно, увеличивая тепловой поток, передаваемый через верхнюю часть корпуса нагреваемой текучей среде вследствие прямопропорциональной зависимости этих характеристик от коэффициента теплопроводности [3] . При этом передача теплового потока нагреваемой текучей среде через верхнюю часть корпуса, выполненную из металла, например, из углеродистой стали марки 20, в 40 раз больше передачи теплового потока через верхнюю часть корпуса, выполненную из электроизоляционного материала, в частности, из керамики, при одинаковых геометрических размерах нагревателя и одинаковом перепаде температур между внутренней и внешней поверхностями верхней части корпуса. The increase in the efficiency of heating the fluid is due to the fact that the upper part of the housing of the proposed heater, which is a condenser in contact with the fluid and intended to be filled with water vapor and its condensate, is made of a metal characterized by high thermal conductivity. A high coefficient of thermal conductivity, for example, for carbon steel grade 20, equal to 41.868 W / (m • deg) [4], allows water vapor to quickly transfer heat to the upper part of the body, thereby increasing the amount of water vapor condensate and, therefore, increasing the heat flux, transmitted through the upper part of the housing to a heated fluid due to the direct proportional dependence of these characteristics on the coefficient of thermal conductivity [3]. In this case, the heat flux transfer to the heated fluid through the upper part of the casing made of metal, for example, of carbon steel grade 20, is 40 times greater than the heat transfer through the upper part of the casing made of insulating material, in particular, ceramic, with the same the geometric dimensions of the heater and the same temperature difference between the inner and outer surfaces of the upper part of the housing.

Потоку тепла, выделившемуся при конденсации, верхняя часть корпуса, выполненная из металла, оказывает в десятки раз меньшее термическое сопротивление, чем изготовленная из любого электроизоляционного материала, что во столько же раз увеличивает передаваемый через стенку корпуса тепловой поток и сокращает время нагрева текучей среды. The heat flow generated during condensation, the upper part of the casing made of metal, provides tens of times lower thermal resistance than that made of any electrical insulating material, which increases the heat flux transmitted through the wall of the casing by the same amount and reduces the heating time of the fluid.

Сохранение высокого уровня электробезопасности достигается следующим образом. Нагреватель текучей среды представляет собой закрытую термодинамическую систему, в которой имеют место циклические фазовые превращения типа "кипящий водный раствор электролита-водяной пар-конденсат-водный раствор электролита". Каждая фаза при этом характеризуется определенными электрофизическими свойствами, так: водный раствор электролита - это проводник тока второго рода, а водяной пар и его конденсат - диэлектрики. После включения нагревателя текучей среды начинается немедленное заполнение его верхней части водяным паром и его конденсатом, являющимися диэлектриками, что предотвращает вынос электрического потенциала из межэлектродного пространства нижней части корпуса, выполненной из электроизоляционного материала на его верхнюю часть, выполненную из металла, и, следовательно, в нагреваемую текучую среду. Это исключает необходимость применения дополнительных электроизоляционных материалов. Maintaining a high level of electrical safety is achieved as follows. The fluid heater is a closed thermodynamic system in which cyclic phase transformations of the type "boiling water electrolyte solution-water vapor-condensate-water electrolyte solution" take place. In this case, each phase is characterized by certain electrophysical properties, for example: an aqueous electrolyte solution is a second-order current conductor, and water vapor and its condensate are dielectrics. After turning on the fluid heater, immediate filling of its upper part with water vapor and its condensate, which are dielectrics, starts, which prevents the removal of the electric potential from the interelectrode space of the lower part of the casing made of an insulating material to its upper part made of metal, and therefore heated fluid. This eliminates the need for additional electrical insulating materials.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором показан общий вид нагревателя текучей среды. The invention is illustrated in the drawing, which shows a General view of the fluid heater.

Нагреватель текучей среды содержит корпус, выполненный в виде термосифона. В нижней части 1 корпуса, являющейся испарителем, заполненной электролитом 2, например, водой и выполненной из электроизоляционного материала, в частности, из керамики, расположены электроды 3. Верхняя часть 4 корпуса, являющаяся конденсатором и контактирующая с нагреваемой текучей средой, например, водой или воздухом, электроизолированная от электролита 2 и электродов 3, расположенных в нижней части 1 корпуса, при заполнении водяным паром и его конденсатом, выполнена из металла, в частности из углеродистой стали марки 20. Нагреваемая текучая среда находится или циркулирует в емкости 5. Электроды 3 соединены с источником электрического напряжения 6. The fluid heater comprises a housing made in the form of a thermosiphon. In the lower part 1 of the casing, which is an evaporator filled with electrolyte 2, for example, water and made of an insulating material, in particular, ceramic, there are electrodes 3. The upper part 4 of the casing, which is a condenser and in contact with a heated fluid, such as water or electrically insulated from electrolyte 2 and electrodes 3 located in the lower part 1 of the housing, when filled with water vapor and its condensate, is made of metal, in particular of carbon steel grade 20. Heated fluid the medium is or is circulating in the tank 5. The electrodes 3 are connected to a source of electrical voltage 6.

Нагреватель текучей среды работает следующим образом. В емкость 5 с нагреваемой текучей средой помещается верхняя часть 4 корпуса нагревателя текучей среды, выполненного в виде термосифона. В нижней части 1 корпуса, являющейся испарителем, заполненной электролитом 2 и выполненной из электроизоляционного материала, расположены электроды 3. При этом, когда предлагаемый нагреватель находится в нерабочем состоянии, верхняя часть 4 корпуса, выполненная из металла, изолирована от электролита 2 и электродов 3, расположенных в нижней части 1 корпуса, воздухом. При подключении электродов 3 к источнику электрического напряжения 6 через электролит 2, в качестве которого используется вода, начинает протекать ток. При этом происходит выделение тепла в электролите 2. Вследствие того, что корпус предлагаемого нагревателя выполнен в виде термосифона, испарение воды начинается при более низкой температуре, чем при нормальном давлении, т. е. ее испарение начинается практически немедленно при подключении электродов 3. Устанавливается режим пузырькового кипения и водяной пар немедленно поднимается в верхнюю часть 4 корпуса и заполняет ее. Из-за разности температур между водяным паром и нагреваемой текучей средой, водяной пар быстро конденсируется на внутренней поверхности верхней части 4 корпуса, за счет ее высокой теплопроводности отдавая теплоту, равную теплоте парообразования, ей и далее нагреваемой текучей среде. При этом конденсат водяного пара в верхней части 4 корпуса под действием гравитационных сил стекает в электролит 2, заполняющий нижнюю часть корпуса нагревателя текучей среды. Это восстанавливает химический и структурный состав электролита 2 и стабилизирует его удельное сопротивление. Верхняя часть 4 корпуса нагревателя, изготовленная из металла с высокими теплопроводными свойствами, изолирована от электролита 2 и электродов 3, помещенных в нижнюю часть 1 корпуса, посредством водяного пара и конденсата, являющихся диэлектриками. The fluid heater operates as follows. In the tank 5 with a heated fluid is placed the upper part 4 of the housing of the heater fluid, made in the form of a thermosiphon. In the lower part 1 of the casing, which is an evaporator filled with electrolyte 2 and made of insulating material, electrodes 3 are located. Moreover, when the proposed heater is inoperative, the upper part 4 of the casing, made of metal, is isolated from electrolyte 2 and electrodes 3, located in the lower part 1 of the housing, by air. When connecting the electrodes 3 to a source of electrical voltage 6 through an electrolyte 2, which is used as water, current begins to flow. In this case, heat is generated in electrolyte 2. Due to the fact that the housing of the proposed heater is made in the form of a thermosyphon, the evaporation of water begins at a lower temperature than at normal pressure, that is, its evaporation begins almost immediately when the electrodes are connected 3. The mode is set bubble boiling and water vapor immediately rises to the upper part 4 of the body and fills it. Due to the temperature difference between the water vapor and the heated fluid, the water vapor condenses quickly on the inner surface of the upper part 4 of the casing, due to its high thermal conductivity, giving off heat equal to the heat of vaporization, and then the heated fluid. When this condensate of water vapor in the upper part 4 of the housing under the action of gravitational forces flows into the electrolyte 2, filling the lower part of the housing of the fluid heater. This restores the chemical and structural composition of electrolyte 2 and stabilizes its resistivity. The upper part 4 of the heater casing, made of metal with high heat-conducting properties, is isolated from electrolyte 2 and electrodes 3 placed in the lower part 1 of the casing by means of water vapor and condensate, which are dielectrics.

Регулирование мощности нагревателя текучей среды перед эксплуатацией осуществляется путем изменения межэлектродного расстояния и геометрических размеров электродов 3, объема и химического состава водного раствора электролита 2, а в процессе работы саморегулированием за счет изменения активной, т. е. погруженной в электролит 2, площади электродов 3 при понижении уровня электролита 2 по мере испарения и при повышении уровня электролита 2 по мере конденсации в соответствии с законом сохранения вещества в закрытой системе, что автоматически влечет за собой изменение пропускаемого через электролит 2 количества электричества и тока. The control of the power of the fluid heater before operation is carried out by changing the interelectrode distance and the geometric dimensions of the electrodes 3, the volume and chemical composition of the aqueous electrolyte solution 2, and in the process of self-regulation by changing the active, i.e., immersed in the electrolyte 2, area of the electrodes 3 at lowering the level of electrolyte 2 as it evaporates and when increasing the level of electrolyte 2 as it condensates in accordance with the law of conservation of matter in a closed system, which is automatic It entails a change transmitted through the electrolyte 2 and the current amount of electricity.

Таким образом, предлагаемое изобретение повышает эффективность нагрева текучей среды при сохранении высокого уровня электробезопасности. Thus, the present invention improves the efficiency of heating the fluid while maintaining a high level of electrical safety.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Электротехнология /А.М.Басов, В.Г.Быков, А.В.Лаптев, В.Б.Файн. - М.: Агропромиздат, 1985, с. 34-46, 97-103.SOURCES OF INFORMATION
1. Electrotechnology / A.M. Basov, V. G. Bykov, A. V. Laptev, V. B. Fayn. - M .: Agropromizdat, 1985, p. 34-46, 97-103.

2. Патент РФ N 2095717, МПК⁶ F 28 D 15/02, опубл. 1997.2. RF patent N 2095717, IPC ⁶ F 28 D 15/02, publ. 1997.

3. Краснощеков Е. А. , Сукомел A.С. Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 1980. - С. 155-159, 226-227. 3. Krasnoshchekov E. A., Sukomel A. S. The problem of heat transfer. - M .: Energy, 1980 .-- S. 155-159, 226-227.

4. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. - М.: Атомиздат, 1976. - С. 264, 270. 4. Tables of physical quantities. Directory. Ed. Acad. I.K. Kikoina. - M .: Atomizdat, 1976 .-- S. 264, 270.

Claims

A fluid heater comprising a housing made in the form of a thermosiphon, in the lower part of which is an evaporator filled with an electrolyte and made of an insulating material, electrodes are located, and the upper part, which is a condenser and in contact with the fluid, is designed to be filled with water vapor and its condensate, characterized in that the upper part of the housing, electrically insulated from the electrolyte and electrodes of the lower part when filled with water vapor and its condensate, is made of metal.