Электродная пара
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к средствам для подогрева теплоносителя. Электродная пара состоит из трубного и смонтированного в его полости фазного электродов с размещенным между ними изолятором, при этом рабочая часть фазного электрода по высоте выполнена меньше рабочей части трубного электрода на величину кривизны электрического поля, создаваемого между фазным и трубным электродами во время работы электродной пары. Угол превышения длины трубного электрода по краям рабочей зоны электродной пары по отношению к длине фазного электрода выполнен от 30 до 60 градусов. Зазор в рабочей зоне фазного и трубного электродов выполнен с переменным сечением по ходу движения теплоносителя. Диаметры фазного и трубного электродов в верхней и нижней частях рабочей зоны выполнены в определенных соотношениях. В верхней части фазного электрода смонтирован дополнительный изолятор - фиксатор соосности фазного и трубного электродов. Такое выполнение электродной пары позволяет более эффективно нагревать теплоноситель. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к средствам для подогрева теплоносителя.
Известен электродный водоподогреватель, содержащий герметичный корпус, внутри которого установлен фазный электрод, патрубки подвода и отвода теплоносителя, изолятор и клеммник токоввода, при этом электродный водоподогреватель снабжен дополнительными фазными электродами, коаксиально установленными в автономных перфорированных трубных электродах, гидравлически связанных с общим коллектором подвода теплоносителя, а электрически - с клеммником токоввода. Трубные электроды выполнены проточными, установлены коаксиально вертикальной оси корпуса и смещены между собой на 120 градусов относительно оси его корпуса. См. описание полезной модели по патенту РФ №14644. Публ. 10.08.2000 г. Перфорационные отверстия в стенках трубных электродов размещены по восходящей спирали, а суммарная площадь проходных сечений перфорационных отверстий трубных электродов выбрана равной площади «живого сечения» отверстия между электродами.
Известный электродный водоподогреватель обеспечивает подогрев теплоносителя, но по мере его подъема вдоль всей длины рабочей зоны электродов в полость, образованную зазором между трубным и фазным электродами, через перфорационные отверстия трубного электрода осуществляется подпитка не подогретым теплоносителем, что в конечном итоге снижает эффективность его работы.
Известен электродный водоподогреватель (см. свидетельство на полезную модель №14643, М. кл. 7 F24Н 1/00), от 14.03.2000 года, содержащий герметичный корпус, коаксиально установленные в нем фазный и трубный электроды, патрубки подвода и отвода жидкости, изолятор и клеммник токоввода, при этом фазный электрод выполнен в форме стержня переменного сечения. Стержень фазного электрода выполнен в форме усеченного конуса, причем диаметр стержня в зоне патрубка подвода теплоносителя выполнен, например, равным 16 мм, а в зоне отвода теплоносителя - равным 14 мм. Стержень фазного электрода выполнен из металла, например нержавеющей стали, или графита.
Теплоноситель, проходя между электродами, нагревается и, поднимаясь, в дальнейшем поступает в отопительную магистраль.
К недостаткам известного устройства можно отнести недостаточную эффективность подогрева теплоносителя и низкие технологические возможности электродного водоподогревателя, а несоразмерность в высоте фазного и трубного электродов в рабочей зоне приводит к образованию паразитных токов, отрицательно влияющих на износ электродов и эффективность работы электродной пары водоподогревателя.
Известно более совершенное устройство - прототип, состоящее из трубного и смонтированного в его полости фазного электродов с размещенным между ними изолятором, при этом рабочая часть фазного электрода по высоте может быть выполнена меньше рабочей части трубного электрода на величину кривизны электрического поля, создаваемого между фазным и трубным электродами во время работы электродной пары. См. а.с. СССР №202368, кл. F42Н 1/20, опубл. 24.11.1967, 2 стр.
К недостаткам прототипа можно отнести его низкие технологические возможности, связанные с местным перегревом электродов, неравномерным их износом и сниженной эффективностью их использования.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности повышение эффективности подогрева теплоносителя за счет повышения технологических возможностей электродной пары подогревателя.
Поставленная изобретением задача достигается тем, что в электродной паре, состоящей из трубного и смонтированного в его полости фазного электродов, рабочая часть которого по высоте выполнена меньше рабочей части трубного электрода на величину кривизны электрического поля, создаваемого между фазным и трубным электродами во время работы электродной пары, с размещенным между ними изолятором, рабочие части фазного и трубного электродов образуют по ходу движения теплоносителя переменный кольцевой зазор, или рабочая часть фазного и трубного электродов образует по ходу движения теплоносителя неизменный кольцевой зазор, но тогда в трубном электроде по высоте выполнены выравнивающие температуру теплоносителя отверстия.
При выполнении электродов с переменным кольцевым зазором угол превышения длины трубного электрода по краям рабочей зоны электродной пары, по отношению к длине фазного электрода выполнен от 30 до 60 градусов.
При выполнении электродов с переменным кольцевым зазором диаметр рабочей части фазного электрода выполнен уменьшающимся по ходу движения теплоносителя при неизменном диаметре трубного электрода.
Соотношение нижнего диаметра рабочей части к верхнему диаметру рабочей части фазного электрода выполнено в пределах от 1,01 к 1,0 до 1,5 к 1,0.
При выполнении электродов с переменным кольцевым зазором внутренний диаметр трубного электрода выполнен расширяющимся по ходу движения теплоносителя при неизменном диаметре фазного электрода.
При выполнении электродов с переменным кольцевым зазором соотношение нижнего диаметра рабочей части к верхнему диаметру рабочей части трубного электрода выполнено в пределах от 1,01 к 1,0 до 1,5 к 1,0.
Верхняя часть изолятора, смонтированного в нижней части фазного электрода, совпадает с нижней рабочей частью фазного электрода.
При выполнении электродов с переменным кольцевым зазором соотношение наружного диаметра фазного электрода к внутреннему диаметру трубного электрода выполнено в пределах от 1,0-1,5 до 1,0-4,0.
При выполнении электродов с неизменным диаметром выравнивающие температуру отверстия выполнены по высоте рабочей зоны трубного электрода с возрастающими пропорционально росту температуры диаметрами.
В верхней части фазного электрода смонтирован дополнительный изолятор - фиксатор соосности фазного и трубного электродов.
Отличительные признаки изобретения, заключающиеся в том, что рабочие части фазного и трубного электродов образуют по ходу движения теплоносителя переменный кольцевой зазор, или рабочая часть фазного и трубного электродов образует по ходу движения теплоносителя неизменный кольцевой зазор, но тогда в трубном электроде по высоте выполнены выравнивающие температуру теплоносителя отверстия, являются признаками новыми, неочевидными, направленными на достижение поставленной изобретением технической задачи расширения технологических возможностей электродной пары в направлении повышения эффективности ее работы.
Дополнительные признаки изобретения, такие как угол превышения длины трубного электрода по краям рабочей зоны электродной пары по отношению к длине фазного электрода выполнен от 30 до 60 градусов;
рабочая часть фазного и трубного электродов выполнена с переменным кольцевым зазором, образованным между электродами по ходу движения теплоносителя; диаметр рабочей части фазного электрода выполнен уменьшающимся по ходу движения теплоносителя при неизменном диаметре трубного электрода; соотношение нижнего диаметра рабочей части к верхнему диаметру рабочей части фазного электрода выполнено в пределах от 1,01 к 1,0 до 1,5 к 1,0; внутренний диаметр трубного электрода выполнен расширяющимся по ходу движения теплоносителя при неизменном диаметре фазного электрода; соотношение нижнего диаметра рабочей части к верхнему диаметру рабочей части трубного электрода выполнено в пределах от 1,01 к 1,0 до 1,5 к 1,0; верхняя часть изолятора, смонтированного в нижней части фазного электрода, совпадает с нижней рабочей частью фазного электрода; соотношение наружного диаметра фазного электрода к внутреннему диаметру трубного электрода выполнено в пределах от 1,0-1,5 до 1,0-4,0; в трубном электроде при неизменном диаметре фазного электрода по высоте выполнены выравнивающие температуру теплоносителя отверстия; выравнивающие температуру отверстия выполнены по высоте рабочей зоны трубного электрода с возрастающими пропорционально росту температуры диаметрами; в верхней части фазного электрода смонтирован дополнительный изолятор - фиксатор соосности фазного и трубного электродов, - являются признаками дополнительными, раскрывающими конкретное конструктивное выполнение каждого основного признака и направлены на достижение поставленной изобретением технической задачи. Так, выполнение заданного соотношения длин фазного и трубного электродов в рабочей зоне способствует по крайней мере уменьшению и сокращению паразитных токов, возникающих вне рабочей зоны электродов, что существенно увеличивает срок службы электродов и предотвращает износ прилежащих к электродам металлических поверхностей, при этом одновременно происходит снижение неэффективного использования электрической энергии. Основной признак «на величину кривизны электрического поля» дополнен и конкретизирован отдельным признаком в виде выполнения угла превышения длины трубного электрода по краям рабочей зоны электродной пары по отношению к длине фазного электрода равным от 30 до 60 градусов.
Выполнение трубного электрода с увеличивающимся в рабочей зоне внутренним диаметром позволяет неожиданным образом повысить эффективность работы электродной пары и обеспечить более эффективный нагрев теплоносителя. Наличие изолятора-фиксатора соосности фазного и трубного электродов позволяет наиболее эффективно осуществлять подогрев теплоносителя, устранить односторонний износ электродов, неравномерность рабочих токов между электродами и их износ в целом.
На чертеже схематично представлена предлагаемая электродная пара с уменьшенным в рабочей зоне по высоте фазным электродом, где a) - с постоянными диаметрами электродов и отверстиями на трубном электроде; б) - с уменьшающимся диаметром фазного электрода; в) - с увеличивающимся внутренним диаметром трубного электрода.
Электродная пара состоит, например, из трубного электрода 1 со смонтированным в его полости фазным электродом 2 с изолятором 3 и уплотнением 4. Фазный электрод 2 в рабочей зоне электродов по длине выполнен меньше длины трубного электрода. Перфорационные отверстия 5 трубного электрода 1 выполнены в цилиндрической части рабочей зоны электродов 1 и 2. Диаметр верхней части 6 рабочей зоны трубного электрода 1 по отношению к диаметру нижней части 7 рабочей зоны трубного электрода выполнен с превышением от 1,0:1,01 до 1,0:1,5 (см. чертеж, в). Изолятор 3 выполнен в виде двух частей, одна из которых смонтирована в нижней части между фазным 2 и трубным 1 электродами. Верхняя граница нижней части изолятора 3 совпадает с началом рабочей зоны электродной пары фазного электрода 2. Вторая часть 8 изолятора, выполняющего еще и функцию фиксатора соосности, размещена в верхней части 9 фазного электрода 2. Верхняя часть 9 фазного электрода выполнена ниже рабочей части трубного электрода на величину угла от 30 до 60 градусов, это то же самое, что и зависимость превышения высоты трубного электрода над фазным по длине, охарактеризованная кривизной силовых линий электрического поля. Через окна 10, выполненные в трубном электроде 1, теплоноситель поступает в рабочую зону электродов для нагрева.
Предлагаемая электродная пара работает следующим образом.
При поступлении теплоносителя через окна 10 в рабочую зону фазного 2 и трубного 1 электродов и при включении питания между электродами происходит ионизация теплоносителя и его нагрев. При этом нагретый до определенной температуры теплоноситель при естественной циркуляции как более легкий по сравнению с ненагретым, стремится подняться вверх. По мере подъема теплоносителя по кольцевому зазору между фазным 2 и трубным 1 электродами продолжается нагрев теплоносителя до требуемой температуры. Конструктивное выполнение фазного электрода 2 с меняющимся по высоте рабочей зоны электродов диаметром на нагрев теплоносителя сказывается следующим образом: как только теплоноситель поднялся на какое-то расстояние по высоте рабочей зоны электродов и поднялась температура теплоносителя, то на этом более высоком уровне по сравнению с прежним уровнем фазный электрод 2 имеет уже меньший диаметр, а следовательно, зазор между фазным и трубным электродами увеличился и на этом уровне находится уже больший объем теплоносителя, который вновь начинает нагреваться, но уже токами с другими электрическими параметрами. Такой процесс нагрева теплоносителя происходит по всей высоте рабочей зоны электродов, обеспечивая более равномерный нагрев теплоносителя. В случае, если трубный электрод 1 выполнен с внутренним диаметром, увеличивающимся вверх, или по высоте трубного электрода выполнены отверстия для пропорциональной подпитки теплоносителем, то процесс нагрева теплоносителя происходит аналогично описанному выше. Наиболее эффективный процесс нагрева теплоносителя в рабочей зоне фазного 2 и трубного 1 электродов происходит при следующих соотношениях размеров трубного 1 и фазного 2 электродов, когда угол превышения длины трубного электрода по краям рабочей зоны электродной пары по отношению к длине фазного электрода 2 выполнен от 30 до 60 градусов, зазор между электродами в рабочей зоне фазного 2 и трубного 1 электродов выполнен с переменным по ходу движения теплоносителя сечением, в том числе, когда диаметр рабочей части фазного электрода 2 выполнен уменьшающимся по ходу движения теплоносителя при неизменном диаметре трубного электрода 1 при соотношении нижнего диаметра рабочей части к верхнему диаметру рабочей части фазного электрода 2, выполненном в пределах от 1,01 к 1,0 до 1,5 к 1,0, когда внутренний диаметр трубного электрода 1 выполнен расширяющимся по ходу движения теплоносителя при неизменном диаметре фазного электрода 2 при соотношении нижнего диаметра рабочей части к верхнему диаметру рабочей части трубного электрода, выполненном в пределах от 1,01 к 1,0 до 1,5 к 1,0, когда верхняя часть изолятора фазного электрода совпадает с нижней рабочей частью фазного электрода и когда соотношение наружного диаметра фазного электрода к внутреннему диаметру трубного электрода 1 выполнено в пределах от 1,0-1,5 до 1,0-4,0, в том числе когда в трубном электроде 1 при неизменном диаметре фазного электрода 2 по высоте выполнены выравнивающие температуру теплоносителя отверстия 5, которые выполнены по высоте рабочей зоны трубного электрода с возрастающими пропорционально росту температуры диаметрами. Различная длина фазного 2 и трубного 1 электродов позволяет предотвратить нежелательный износ других элементов конструкции котла, в котором монтируется предлагаемая электродная пара, контактирующих с электродами. Установка в верхней части фазного электрода дополнительного изолятора - фиксатора 8 соосности фазного 2 и трубного 1 электродов - предотвращает неравномерный износ электродов и приводит к более эффективному использованию электрической энергии. Указанные конструктивные элементы электродной пары стабильно и эффективно работают как при естественной циркуляции теплоносителя, так и при принудительной циркуляции теплоносителя. При этом при принудительной циркуляции теплоносителя появляется возможность, за счет регулирования скорости прохождения теплоносителя в рабочей зоне электродов, более оперативного управления процессами его нагрева.
В настоящее время автором разработана рабочая документация на предлагаемую электродную пару, изготовлены опытные партии котлов с различными компоновочными схемами с указанными однофазными и трехфазными электродами, проведены испытания, которые показали хорошие результаты при использовании электродных пар в котлах с системами автономного обеспечения теплом зданий и сооружений.
Считаю, что настоящее изобретение целесообразно запатентовать в евразийском патентном ведомстве, что и предполагается сделать после регистрации заявки в ФИПСе и получения приоритетной справки.
1. Электродная пара, состоящая из трубного и смонтированного в его полости фазного электродов, рабочая часть которого по высоте выполнена меньше рабочей части трубного электрода на величину кривизны электрического поля, создаваемого между фазным и трубным электродами во время работы электродной пары, с размещенным между ними изолятором, отличающаяся тем, что рабочие части фазного и трубного электродов образуют по ходу движения теплоносителя переменный кольцевой зазор, или рабочая часть фазного и трубного электродов образуют по ходу движения теплоносителя неизменный кольцевой зазор, но тогда в трубном электроде по высоте выполнены выравнивающие температуру теплоносителя отверстия.
2. Электродная пара по п.1, отличающаяся тем, что при выполнении электродов с переменным кольцевым зазором угол превышения длины трубного электрода по краям рабочей зоны электродной пары по отношению к длине фазного электрода выполнен от 30 до 60°.
3. Электродная пара по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что при выполнении электродов с переменным кольцевым зазором диаметр рабочей части фазного электрода выполнен уменьшающимся по ходу движения теплоносителя при неизменном диаметре трубного электрода.
4. Электродная пара по п.1, отличающаяся тем, что соотношение нижнего диаметра рабочей части к верхнему диаметру рабочей части фазного электрода выполнено в пределах от 1,01 к 1,0 до 1,5 к 1,0.
5. Электродная пара по п.1, отличающаяся тем, что при выполнении электродов с переменным кольцевым зазором внутренний диаметр трубного электрода выполнен расширяющимся по ходу движения теплоносителя при неизменном диаметре фазного электрода.
6. Электродная пара по п.1, отличающаяся тем, что при выполнении электродов с переменным кольцевым зазором соотношение нижнего диаметра рабочей части к верхнему диаметру рабочей части трубного электрода выполнено в пределах от 1,01 к 1,0 до 1,5 к 1,0.
7. Электродная пара по п.1, отличающаяся тем, что верхняя часть изолятора, смонтированного в нижней части фазного электрода, совпадает с нижней рабочей частью фазного электрода.
8. Электродная пара по п.1, отличающаяся тем, что при выполнении электродов с переменным кольцевым зазором соотношение наружного диаметра фазного электрода к внутреннему диаметру трубного электрода выполнено в пределах от 1,0-1,5 до 1,0-4,0.
9. Электродная пара по п.1, отличающаяся тем, что при выполнении электродов с неизменным диаметром выравнивающие температуру отверстия выполнены по высоте рабочей зоны трубного электрода с возрастающими пропорционально росту температуры диаметрами.
10. Электродная пара по п.1, отличающаяся тем, что в верхней части фазного электрода смонтирован дополнительный изолятор - фиксатор соосности фазного и трубного электродов.
