Проточный электронагревательный аппарат

 

Сущность изобретения: проточный электронагреватель содержит один или несколько нагревательных элементов, блок управления мощностью нагревательного элемента, датчики расхода воды и температуры. Каждый нагревательный элемент выполнен в виде вакуумного диода с подогреваемым термокатодом, анод которого обтекается нагреваемой жидкостью, катод работает в режиме температурного ограничения тока эмиссии, а термодатчики и датчик расхода воды включены в цепь управления накалом подогревателя катода. 3 ил.

Изобретение относится к электротермии, а более конкретно к электрическим нагревательным аппаратам для нагрева потока жидкости, и в частности к проточным водонагревательным аппаратам.

Проточные водонагревательные широко используются в быту, сельском хозяйстве, в промышленности везде, где экономически невыгодно прокладывать теплотрассы.

В проточных электронагревателях в качестве нагревательных элементов применяются трубчатые нагревательные элементы (ТЭНы), а также нагреваемые током спирали, непосредственно омываемые нагреваемой жидкостью, в частности водой, устройства индукционного нагрева воды, электродные нагреватели.

Упомянутые устройства обладают недостатками, связанными с большими габаритами и сравнительно быстрым выходом из строя нагревательных элементов, сложностью управления мощностью нагрева.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения по совокупности существенных признаков является проточный электрический водонагреватель [1] включающий нагревательные элементы (трубчатые ТЭНы), датчики потока и температуры нагреваемой жидкости (воды) и систему управления выходной мощностью. Включение ТЭНов может осуществляться ступенчато, например при потоке 3-3,5 л/мин включается только часть мощности 9 кВт; при достижении расхода 5-5,5 л/мин включается 10 кВт. При увеличении температуры нагреваемой жидкости выше заданного уровня термоограничитель отключают ТЭНы. Основные недостатки рассматриваемого проточного электрического водонагревателя: большие габариты блока ТЭНов, недостаточно надежная работа ТЭНов, перегорающих при появлении на их стенках накипи, невозможность плавной регулировки мощности, помехи в сети при коммутации большой мощности при включении и выключении ТЭНов.

Задачей изобретения является создание проточного электронагревателя, лишенного недостатков прототипа, обеспечивающего нагрев проточной жидкости путем преобразования кинетической энергии потока свободных электронов в вакууме в тепловую энергию.

Решение поставленной задачи достигнуто в конструкции проточного электронагревателя, включающего один или несколько нагревательных элементов, систему управления мощностью нагревательных элементов, термодатчики и датчики потока жидкости, в котором каждый нагревательный элемент выполнен в виде вакуумного диода с разогреваемым подогревателем термокатодом, анод которого обтекается нагреваемой жидкостью, например водой, а термодатчики и датчик потока воды включены в цепь управления подогревателем катода, при этом управление мощностью осуществляется регулировкой тока свободных электронов, испускаемых катодом, путем программируемого изменения температуры катода в диапазоне 700-1100oC.

Максимальная удельная мощность электронной бомбардировки поверхности анода не превышает 250 Вт/см2, катод работает в режиме температурного ограничения тока эмиссии.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема электронагревательного аппарата; на фиг. 2 принципиальная схема конструкции электронагревательного элемента; на фиг. 3 принципиальная электрическая схема подключения нагревательных элементов.

В состав аппарата (фиг. 1) входит нагревательный элемент, представляющий собой вакуумный диод с обтекаемым нагреваемой проточной водой анодом 1 и разогреваемым подогревателем термоэлектронным катодом 3. Управление мощностью накала катода диода осуществляется с помощью блока 4. Мощность накала устанавливается такой, чтобы токоотбор с катода был достаточен для нагрева воды от начальной температуры Т1 до задаваемой температуры Т2. Конкретная величина мощности накала термокатода программируется с учетом величины потока воды, регистрируемого датчиком 5 потока. Типичные значения мощности накала составляют около 1-2% выходной мощности нагревателя. Изменению мощности накала термокатода в диапазоне 1% мощности нагревателя соответствует изменение выходной мощности нагревателя в 10-20 раз. Питание диода осуществляется от источника питания 6. В состав аппарата входят электропроводящие или диэлектрические трубопроводы 7. Выбор типа трубопровода зависит от электрической схемы питания диода. Температура выходящей воды измеряется термодатчиком 8. Цепь подогревателя термокатода включается через блок 4. Величина мощности накала определяется также в зависимости от температуры жидкости. Последняя измеряется термодатчиком 8, выход которого подключен к блоку 4.

Нагревательный элемент (фиг. 2) представляет собой вакуумный диод с термоэлектронным катодом 3 и охлаждаемым потоком жидкости анодом 1. Катод 3 жестко закреплен на вакуумно-плотном изоляторе 9, через который проходят токовые вводы 10 катода и выводы 11 подогревателя 2. Изображенный на фиг. 2 катод имеет цилиндрическую форму эмитирующей поверхности, однако возможны и любые другие формы. Анод 1 на фиг. 2 расположен коаксиально с катодом 3. Расстояние между эмитирующей поверхностью катода и анодом выбирается из условия, чтобы при рабочем анодном напряжении катод работал в режиме температурного ограничения тока эмиссии. Если плотность токоотбора составляет j А/см2, то зазор d между катодом и анодом следует определять из выражения d < d0, где d0 вычисляется по формуле: j 2,3510-6(V3м/2/d20), где Vм максимальное значение анодного напряжения в В, j в A/см2, d0 в см.

Конструкция охлаждающей системы анода должна обеспечивать при водяном потоке, определяемом выходной мощностью диода и приращением температуры воды, турбулентный поток. В этом случае допустим теплосъем с участков анода, контактирующих с водой, повышенной мощности, что позволяет создать компактный нагревательный элемент. Для примера, если в случае аппаратов мощностью 15-18 кВ при использовании ТЭНов отношение вес/выходная мощность составляет около 0,3 кг/кВт, то в рассматриваемом случае это соотношение в 3-4 раза лучше.

Подключение электронного нагревателя к сети возможно различными способами, изображенными на фиг. 3. На фиг. 3, а изображен вариант однофазного подключения нагревателя. В этом случае он работает в режиме однополупериодного выпрямления. Подогреватель изолирован от катода и запитывается от того же источника по любой из известных схем, допускающей регулировку напряжения накала. На фиг. 3, б показана схема подключения электронного нагревателя с использованием двухполупериодного выпрямителя. На фиг. 3, г, 3, д представлены схемы однополупериодного и двухполупериодного трехфазного подключения. Однополупериодное выпрямление вносит некоторые искажения в электрические цепи, но обеспечивает повышенную электрическую безопасность, так как в этом случае обтекаемый водой анод электронного нагревателя находится под потенциалом земли, что в свою очередь позволяет использовать аппарат для нагрева горючих жидкостей. В устройстве целесообразно использовать низкотемпературные оксидные или металлопористые катоды. При использовании других типов резко возрастает трудность реализации надежного катодного узла, а также растет мощность нагрева катода. Катод устройства нагревают до рабочей температуры, когда появляется заметная эмиссия, что соответствует 700 1100oC. Вакуумный зазор между катодом и анодом и высокая температура катода исключают влияние накипи на тепловой режим нагревателя, появлению которой, кроме того, препятствует турбулентный поток жидкости, протекающей по аноду. Резкая зависимость тока эмиссии от температуры катода позволяет плавно управлять большой мощностью нагрева, изменяя мощность накала в небольших пределах.

Изготовлены образцы электронных водонагревателей, имеющих максимальную выходную мощность 5 и 20 кВт. Питание 5 кВт нагревателя осуществлялось по схеме фиг. 3, а, а 20 кВт по схеме фиг. 3, г. Установлено, что при выходной мощности нагревателя 20 кВт мощность накала составляет 240 Вт, причем изменение мощности накала от 240 Вт до 140 Вт приводит к уменьшению выходной мощности с 20 кВт до 2,0 кВт, т.е. в 10 раз. Для 5 кВт нагревателя мощность накала составляла 150 Вт и изменение накала на 70 Вт приводило к изменению мощности от 5 кВт до 150 Вт. При температуре воды на выходе аппарата 60oC поток воды составил 1,5 л/мин для 5 кВт аппарата и 6 л/мин для 20 кВт аппарата.

В испытанном образце был использован металлопористый катод, работавший с токовой нагрузкой менее 1 А/см2 при температуре около 950oC. В таком режиме ресурс нагревательного элемента, определяемый ресурсом катода, превышает 100000 ч [2] Для использования в практических целях выходная температура воды должна достигать 50-70oC. Устранение кипения воды в аноде при такой температуре накладывает ограничения на допустимую удельную мощность бомбардировки поверхности анода. Экспериментально установлено, что максимальная удельная мощность электронной бомбардировки P не должна превышать 250 Вт/см2.

Формула изобретения

Проточный электронагревательный аппарат для нагрева потока жидкости, например воды, содержащий один или несколько нагревательных элементов, блок управления мощностью нагревательных элементов, входы которого соединены с выходами датчиков потока нагревательной жидкости и температуры, отличающийся тем, что нагревательные элементы выполнены в виде вакуумного диода с подогреваемым термокатодом, анод которого предназначен для обтекания потоком нагреваемой жидкости, а блок управления мощностью нагревательных элементов включен в цепь подогревателя термокатода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике электрообогрева и предназначено для управления аккумуляционным обогревом усадебных домов, коттеджей и отдельных квартир многоэтажных домов, служащих потребителем-регулятором нагрузки в часы провала графика нагрузки энергосистемы или подстанции (районной и потребительской)

Изобретение относится к электротехнике

Изобретение относится к электротехнике, а именно служит для нагревания токопроводящей жидкости, может применяться на сантехнических устройствах для нагрева воды или других электропроводящих жидкостей и получения пара в промышленных установках

Изобретение относится к электротехники и может быть использовано в электронных регуляторах температуры и термостатах для установки значения заданной температуры, а также в бытовых электронагревательных приборах, в частности, в электроутюгах

Изобретение относится к электробытовым нагревательным приборам и может быть использовано с целью нагрева воды для бытовых нужд, например, на кухне

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты от перегрева бытовых электронагревательных приборов при возникновении в этих приборах неисправности регулятора, в частности, для электроутюгов

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для питания подогревателей катодов косвенного подогрева или катодов прямого накала кинескопов, в частности цветных телевизионных (ТВ) приемников, а также для питания подогревателей катодов дорогостоящих электронных приборов, например магнетронов, ламп бегущей волны, и просто приборов с накаливаемыми элементами для которых желательно продление срока службы

Изобретение относится к теплотехнике и может быть применено в индивидуальном отоплении и в малых производственных помещениях

Изобретение относится к электроотоплению помещений различного назначения и может быть использовано как в основной системе отопления, так и в составе двухкомпонентной системы комбинированного отопления

Изобретение относится к отопительной технике и может быть применено для отопления зданий и сооружений, а также вентиляции и кондиционирования воздуха в них

Изобретение относится к системам электрического отопления для обогрева помещений
Наверх