БЫСТРЫЙ СИГМЕНТИРОВАННЫЙ НАГРЕВ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
FAST SEGMENTED HEATING OF FLUID MEDIUM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу для быстрого нагрева текучей среды и, более конкретно, к устройству, системе и способу для быстрого нагрева текучей среды с использованием электрической энергии.
Уровень техники
Системы горячей воды одного вида или другого установлены в большей части жилых и служебных помещений в развитых странах. В некоторых странах наиболее привычным источником энергии для нагрева воды является электричество.
Конечно, как общеизвестно, производство электричества сжиганием ископаемого топлива значительно способствует загрязнению окружающей среды и глобальному потеплению. Например, в 1996 самым большим сектором, потребляющим электричество, в Соединенных Штатах были жилые дома, которые были ответственны за 20% всех углеродных выбросов. Из всех углеродных выбросов от этого потребляющего электричество сектора 63% непосредственно относились к сжиганию ископаемого топлива, используемого для выработки электричества для этого сектора.
В развитых странах электричество теперь считают практической необходимостью для жилых помещений, и с ростом потребления электричества на жилой дом, приблизительно, 1,5% в год, начиная с 1990 года, планируемое увеличение потребления электричества для жилого сектора стало центральным предметом в обсуждениях, касающихся стабилизации углеродных выбросов и отвечающии целям Киотского Протокола.
С 1982 по 1996 годы число домашних хозяйств в Соединенных Штатах увеличивалось со скоростью 1,4% в год, при этом потребление электричества в жилых помещениях возрастало со скоростью 2,6% в год за тот же период. Соответственно, планируется увеличение числа домашних хозяйств в Соединенных Штатах на 1,1% в год до 2010, при этом ожидается увеличение потребления электричества в жилых помещениях со скоростью 1,6% в год за тот же период.
Согласно оценкам, проведенным в 1995, приблизительно 40 миллионов домашних хозяйств по всему миру использовали электрические водонагревательные системы. Наиболее распространенный вид электрической системы нагрева горячей воды включает в себя резервуар хранения, в котором вода медленно нагревается с течением времени до заданной температуры. Вода в резервуаре хранения поддерживается при заданной температуре, поскольку воду забирают из резервуара хранения и заполняют холодной поступающей водой. Обычно резервуары хранения включают в себя погружной электрический элемент контактного электронагрева, соединенный с электрическим источником сети, работа которого контролируется термостатом или устройством, контролирующим температуру.
Электрические системы хранения горячей воды обычно считают энергетически неэффективными, поскольку они работают по принципу хранения и нагрева воды до заданной температуры, которая выше, чем температура, требуемая для использования, даже хотя потребителю может не потребоваться горячая вода до некоторого времени в будущем. Поскольку тепловая энергия теряется из горячей воды в резервуаре хранения, может потребоваться дополнительное потребление электрической энергии, чтобы вновь нагреть воду до заданной температуры. Наконец, потребителю может не потребоваться горячая вода в течение некоторого продолжительного периода времени. Однако в течение этого времени некоторые электрические системы хранения горячей воды продолжают потреблять энергию, чтобы нагреть воду, готовясь к тому, что потребителю в любое время потребуется горячая вода.
Быстрый нагрев воды таким образом, что температура воды достигает заданного уровня в течение короткого периода времени, позволяет системе избежать неэффективности, которая обязательно возникает как результат хранения горячей воды. В настоящее время доступны системы быстрого или «мгновенного» нагрева горячей воды, в которых и газ, такой как натуральный газ или LPG (сжиженный нефтяной газ), и электричество используются в качестве источника энергии. В случае использования натурального газа или LPG (сжиженного нефтяного газа), они являются топливными источниками, которые особенно хорошо подходят для быстрого нагрева текучей среды, поскольку воспламенение этих топлив может позволить создать достаточный перенос тепловой энергии к текучей среде и повысить температуру этой текучей среды до удовлетворительного уровня в течение относительно короткого времени при контролируемых условиях.
Однако, хотя можно использовать топливные источники натурального газа для быстрого нагрева воды, эти источники не всегда являются надежно доступными. В отличие от этого, подача электричества является легко доступной для большинства домашних хозяйств в развитых странах.
Есть другие существующие электрические «мгновенные» системы горячей воды. Один способ нагрева известен как система нагреваемого провода, в которой провод располагают в непроводящем электричество окружении или корпусе. При работе вода проходит через окружающую среду или по корпусу провода, контактируя или на очень близком расстоянии от провода или корпуса провода. Провод, к которому подается энергия, будет в результате нагреваться и за счет этого передавать тепловую энергию воде. Контроль обычно осуществляют путем мониторинга температуры воды на выпуске и сравнения этой температуры с заданными температурными параметрами. В зависимости от измеряемой температуры воды на выпуске, контролируемое напряжение подают на провод, до тех пор пока температура воды не достигнет требуемых заданных температурных параметров.
Хотя система типа нагреваемого провода избегает энергетической неэффективности, вызванной хранением горячей воды, она, к сожалению, имеет некоторое число других недостатков. В частности, необходимо нагревать провод до температур, которые гораздо выше, чем температура окружающей воды. Это имеет неблагоприятное воздействие, вызывая образование кристаллов растворенных солей, обычно присутствующих в различных концентрациях в воде, таких как карбонат кальция и сульфат кальция. Горячие зоны провода или корпуса в непосредственном контакте с водой создают прекрасную окружающую среду для образования кристаллов таких типов, что приводит к тому, что провод или корпус становятся «спекшимися» и таким образом уменьшается эффективность теплопередачи от провода к окружающей воде. Поскольку труба обычно бывает маленькой в диаметре, образование кристаллов может также уменьшить поток воды через трубу. В дополнение, системам типа нагреваемого провода требуются относительно высокие давления воды для эффективной работы, и таким образом эти системы не являются эффективными для использования в районах, где имеется относительно низкое давление воды, или частыми являются падения давления воды, что может происходить в период пика использования воды.
Другой предложенной мгновенной системой горячей воды является система электромагнитной индукции, которая работает как трансформатор. В этом случае токи, наводимые во вторичной обмотке трансформатора, вызывают нагрев вторичной обмотки. Выработанное здесь тепло распространяется за счет циркулирующей воды через водяную рубашку, которая окружает вторичную обмотку. Нагретая вода затем выходит из системы для использования. Контроль обычно осуществляют путем мониторинга температуры воды на выпуске из водяной рубашки и сравнения этой температуры с заданными температурными параметрами. В зависимости от замеренной температуры воды на выпуске напряжение, приложенное к первичной обмотке, может быть изменено, что изменяет электрические токи, наводимые во вторичной обмотке, до тех пора пока температура воды не достигнет требуемых заданных температурных параметров.
Хотя система типа электромагнитной индукции избегает энергетической неэффективности, вызванной хранением горячей воды, она также имеет некоторое число недостатков. В частности, необходимо нагревать вторичную обмотку до температур более высоких, чем температура окружающей воды. Это имеет тот же эффект, вызывая образование кристаллов растворенных солей, как описано выше. Поскольку зазор между вторичной обмоткой и окружающей водяной рубашкой обычно является относительно узким, образование кристаллов также может сократить поток воды через рубашку. Кроме того, создаваемые магнитные поля и большие токи, наводимые во вторичной обмотке, могут привести к неприемлемым уровням электрического или высокочастотного шума. Этот электрический или высокочастотный шум может быть трудно подавить или экранировать, и он влияет на другие чувствительные электромагнитные устройства внутри диапазона электромагнитных полей.
Любое описание документов, действий, материалов, устройств, изделий или т.п., которое было включено в настоящую заявку, приведено только с целью создания контекста для настоящего изобретения. Это не должно быть взято в качестве допущения, что любое или все из этих материалов составляют часть предшествующего уровня или были общеизвестны в области, относящейся к настоящему изобретению, поскольку существовали до даты приоритета каждого пункта формулы изобретения данной заявки.
По всему тексту описания слово «содержат» или его варианты, такие как «содержит» или «содержащий», необходимо понимать как подразумевающий включение упомянутого элемента, целого или этапа, или группы элементов, целых или этапов, а не исключение любого другого элемента, целого или этапа, или группы элементов, целых или этапов.
Раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ нагрева текучей среды, включающий:
пропускание текучей среды по проходу от впуска к выпуску, при этом проход содержит по меньшей мере первую и вторую нагревательные секции, расположенные вдоль прохода так, что текучая среда, проходящая первую нагревательную секцию, затем проходит вторую нагревательную секцию, причем каждая нагревательная секция содержит по меньшей мере одну пару электродов, между которыми электрический ток проходит через текучую среду для резистивного нагрева текучей среды во время ее прохождения по проходу, при этом по меньшей мере одна из нагревательных секций содержит по меньшей мере один сегментированный электрод, содержащий множество электрически отделяемых сегментов, обеспечивающих контролирование эффективной активной площади сегментированного электрода посредством избирательной активации сегментов таким образом, что при приложении напряжения к сегментированному электроду, потребляемый ток будет зависеть от эффективной активной площади;
измерение проводимости текучей среды на впуске;
определение на основании измеренной проводимости текучей среды требуемых напряжения и тока, подаваемых к текучей среде первой нагревательной секцией для увеличения температуры текучей среды на первую требуемую величину;
определение измененной проводимости текучей среды в результате работы первой нагревательной секции;
определение на основании измененной проводимости текучей среды требуемых напряжения и тока, подаваемых к текучей среде второй нагревательной секцией для увеличения температуры текучей среды на вторую требуемую величину; и
активацию сегментов сегментированного электрода таким образом, чтобы осуществить подачу требуемого тока и напряжения сегментированным электродом.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено устройство для нагрева текучей среды, содержащее:
проход текучей среды от впуска к выпуску;
по меньшей мере первую и вторую нагревательные секции, расположенные вдоль прохода так, что текучая среда, проходящая первую нагревательную секцию, затем проходит вторую нагревательную секцию, при этом каждая нагревательная секция содержит по меньшей мере одну пару электродов, между которыми электрический ток проходит через текучую среду для резистивного нагрева текучей среды во время ее прохождения по проходу, причем по меньшей мере одна из нагревательных секций содержит по меньшей мере один сегментированный электрод, содержащий множество электрически отделяемых сегментов, обеспечивающих контролирование эффективной активной площади сегментированного электрода посредством избирательной активации сегментов таким образом, что при приложении напряжения к сегментированному электроду потребляемый ток будет зависеть от эффективной активной площади;
датчик проводимости для измерения проводимости текучей среды на впуске; и
контроллер для определения на основании измеренной проводимости текучей среды требуемых напряжения и тока, подаваемых к текучей среде первой нагревательной секцией для увеличения температуры текучей среды на первую требуемую величину, для определения измененной проводимости текучей среды в результате работы первой нагревательной секции, для определения на основании измененной проводимости текучей среды требуемых напряжения и тока, подаваемых к текучей среде второй нагревательной секцией для увеличения температуры текучей среды на вторую требуемую величину, и для активации сегментов сегментированного электрода таким образом, чтобы осуществить подачу требуемых тока и напряжения выбранной комбинацией сегментированного электрода.
За счет обеспечения сегментированного электрода и избирательной активации сегментов сегментированного электрода настоящее изобретение обеспечивает контроль над режимом напряжение/ток, при котором эта нагревательная секция будет работать. Это позволяет вариантам осуществления изобретения демонстрировать лучшую приспособляемость к изменчивости электрической проводимости текучей среды между различными местами и/или различными периодами времени, в то же время оставаясь в пределах границ напряжения и тока.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения изменения в проводимости текучей среды по существу постоянно приспосабливаются в ответ на замеры проводимости поступающей текучей среды. Проводимость текучей среды может быть также определена на основе потребляемого тока после подачи напряжения на один или более электродов одной или более нагревательных секций.
Изменения в проводимости текучей среды будут вызывать изменения в величине электрического тока, потребляемого системой. Предпочтительные варианты осуществления изобретения предотвращают такие изменения от того, чтобы пиковое значение тока превышало номинальные величины, путем использования измеренного значения проводимости, чтобы изначально выбрать установленную соответствующую комбинацию сегментов электрода, перед тем как обеспечить работу системы. В таких вариантах осуществления изобретения специально рассчитывают комбинированную площадь поверхности выбранных сегментов электрода, чтобы обеспечить то, что номинальные максимальные значения электрического тока в системе не будут превышены.
Кроме того, предпочтительные варианты осуществления изобретения используют замеренную проводимость текучей среды для обеспечения, чтобы не происходило нарушения заданного диапазона приемлемой проводимости текучей среды, внутри которого система предназначена работать.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения каждая нагревательная секция содержит сегментированный электрод. Такие варианты осуществления изобретения позволяют контролировать эффективную площадь электрода каждой нагревательной секции путем избирательной активации сегментов сегментированного электрода такой нагревательной секции.
Указанный или каждый сегментированный электрод предпочтительно разделен на сегменты разного размера, чтобы позволить выбрать комбинацию сегментов, которая обеспечит повышенную точность выбора требуемой эффективной площади. Например, если сегментированный электрод разделен на три сегмента, сегменты предпочтительно имеют соответствующие эффективные площади в соотношении 1:2:4, то есть сегменты предпочтительно составляют четыре седьмых, две седьмых или одну седьмую общей эффективной площади электрода соответственно. В таких вариантах осуществления изобретения соответствующая активация трех электродных сегментов позволяет выбрать любую одну из семи доступных эффективных площадей. Могут быть обеспечены другие соотношения площадей сегментов и число сегментов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждый электродный сегмент сегментированного электрода проходит по существу перпендикулярно направлению потока текучей среды таким образом, чтобы подвергнуть текучую среду резистивному нагреву по существу по всему проходу текучей среды.
Кроме того, выбор электродного сегмента предпочтительно осуществляют таким образом, чтобы обеспечить, что границы пикового значения тока не будут превышены. В таких вариантах осуществления изобретения измерение проводимости на впуске позволяет предотвратить работу устройства, если такие пределы тока не будут безопасно соблюдены.
В вариантах осуществления изобретения, в которых скорость потока текучей среды не является по существу постоянной или является неизвестной, предпочтительно предусмотрен измеритель скорости потока текучей среды, чтобы содействовать в соответствующем определяющем контроле тока, напряжения и активации электродного сегмента при изменяющихся скоростях потока текучей среды.
Кроме того, за счет обеспечения множества нагревательных секций настоящее изобретение позволяет каждой нагревательной секции работать таким образом, чтобы обеспечить изменения в электрической проводимости текучей среды с увеличением температуры текучей среды. Например, проводимость воды возрастает с температурой, в среднем на около 2% на градус Цельсия. Когда текучая среда должна быть нагрета на десятки градусов Цельсия, например, от комнатной температуры до 60 градусов Цельсия или до 90 градусов Цельсия, проводимость текучей среды на впуске может по существу отличаться от проводимости текучей среды на выпуске. Впоследствии резистивный нагрев текучей среды на последовательных нагревательных секциях вдоль прохода позволяет каждой нагревательной секции работать в пределах ограниченного температурного диапазона. Таким образом, каждая нагревательная секция может подавать напряжение и ток, которые применимы к проводимости текучей среды внутри этого ограниченного температурного диапазона, а не пытаться приложить напряжение и ток в отношении одного или усредненного значения проводимости по всему температурному диапазону.
Варианты осуществления изобретения предпочтительно дополнительно содержат расположенный дальше по ходу термометр текучей среды для измерения температуры текучей среды на выпуске, чтобы обеспечить управление нагревом текучей среды с обратной связью.
Предпочтительно, каждая нагревательная секция содержит по существу плоские электроды, между которыми проходит проход текучей среды. В качестве альтернативы, каждая нагревательная секция может содержать по существу коаксиальные цилиндрические или плоские электроды с проходом текучей среды, содержащим пространство с кольцевым сечением. Проход текучей среды может образовывать множество параллельных проходов для текучей среды.
В одном варианте осуществления изобретения второе средство для измерения температуры измеряет температуру текучей среды между первой и второй нагревательными секциями, при этом средство управления управляет мощностью к первой и второй нагревательным секциям в соответствии с измеренными температурами и требуемым увеличением температуры текучей среды в каждой соответствующей нагревательной секции.
Другие варианты осуществления изобретения могут содержать три или более нагревательных секций, каждая из которых имеет впуск и выпуск, при этом секции соединены последовательно, и средство управления, изначально выбирающее электродные сегменты в соответствии с измеренной проводимостью поступающей текучей среды и управляющее мощностью к электродной паре каждой секции в соответствии с измеренными температурами на впуске и выпуске каждой секции и заданной требуемой разницей температур для каждой секции.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения средство управления подает изменяющееся напряжение на электродную пару каждой нагревательной секции путем передачи выбранных двухполупериодных циклов от источника напряжения сети переменного тока. Например, двухполупериодные циклы могут быть переданы при частоте цикла, определенной с помощью импульсной системы управления и являющейся целой частью частоты источника напряжения сети питания переменного тока, таким образом, что управление мощностью, подаваемой к выбранной комбинации электродных сегментов, включает в себя изменение числа контрольных импульсов в единицу времени.
Требуемая температура текучей среды на выпуске может быть отрегулирована пользователем посредством регулируемого средства управления.
Объем текучей среды, проходящей между любым набором электродов, предпочтительно определяют путем измерения размеров канала, внутри которого текучая среда подвергается действию электродов, взятых вместе с потоком текучей среды.
Аналогичным образом, время, в течение которого заданный объем текучей среды будет получать электрическую мощность от электродов, может быть определено на основе скорости потока текучей среды через проход текучей среды. Увеличение температуры текучей среды пропорционально величине электрической мощности, приложенной к текучей среде. Величина электрической мощности, необходимая, чтобы повысить температуру текучей среды на известную величину, пропорциональна массе (объему) текучей среды, которая нагрета, и скорости потока текучей среды через канал. Измерение электрического тока, проходящего через текучую среду, может быть использовано как единица измерения электрической проводимости, или удельная проводимость этой текучей среды, и, следовательно, обеспечивает выбор сегментов, которые должны быть активированы, вместе с контролем и управлением требуемого изменения в приложенном напряжении, необходимом, чтобы сохранить приложенную электрическую мощность постоянной или на требуемом уровне. Электрическая проводимость и, следовательно, удельная проводимость текучей среды, которая нагрета, будет изменяться с повышением температуры, создавая таким образом градиент удельной проводимости вдоль траектории потока текучей среды.
Энергия, необходимая для того, чтобы повысить температуру массы текучей среды, может быть определена путем объединения двух уравнений:
Уравнение (1)
Энергия = Удельная теплоемкость × Плотность × Объем × Температурное изменение
или
Энергия на единицу времени, необходимая, чтобы повысить температуру массы текучей среды, может быть определена с помощью уравнения:
Для цели анализа удельная теплоемкость воды, например, может считаться постоянной между температурами 0 градусов С и 100 градусов С. Плотность воды, равная 1, также может считаться постоянной. Следовательно, количество энергии, необходимой, чтобы изменить температуру единицы массы воды 1 градус С в 1 секунду, считают в качестве постоянной, и она может быть обозначена «k». Отношение Объем/Время эквивалентно скорости потока (Fr). Таким образом, энергия в единицу времени, необходимая, чтобы повысить температуру массы текучей среды, может быть определена с помощью уравнения:
Таким образом, если требуемое изменение температуры известно, скорость потока может быть определена, при этом необходимая мощность может быть рассчитана.
Обычно, когда потребителю требуется нагретая вода, работает кран, заставляя таким образом воду протекать через проход текучей среды. Этот поток воды может быть обнаружен измерителем скорости потока и вызвать начало цикла нагревания. Температура воды на впуске может быть измерена и сравнена с установленной требуемой температурой для воды на выпуске из системы. Из этих двух значений может быть определено требуемое изменение в температуре воды от впуска до выпуска.
Конечно, температура воды на впуске в секции сегментированного электрода может быть повторно измерена с течением времени, и поскольку значение для изменений измеренной температуры воды на впуске меняется, рассчитанное значение для необходимого изменения температуры от впуска до выпуска из секций сегментированного электрода может быть отрегулировано, соответственно. Аналогичным образом, с изменением температуры, минерального содержания и т.п., изменения в электрической проводимости и, следовательно, в удельной проводимости текучей среды могут происходить с течением времени. Соответственно, протекание тока через текучую среду будет изменяться, вызывая изменение конечной мощности, приложенной к воде, и это может управляться путем выборочной активации или деактивации сегментов сегментированного электрода (электродов) внутри секции. Повторное измерение температуры на выпусках нагревательных секций в течение времени и сравнение этих данных с рассчитанными значениями температуры на выпуске позволит с помощью повторных вычислений непрерывно оптимизировать напряжение, приложенное к электродам.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения используется вычислительное средство, обеспеченное микрокомпьютерной системой управления, чтобы определить электрическую мощность, которую следует приложить к текучей среде, проходящей между электродами, путем определения значения электрической мощности, которая будет влиять на требуемое изменение температуры между впуском и выпуском нагревательной секции, измерения влияния изменений на удельную проводимость воды, и за счет этого выбирая соответствующую активацию сегментов и рассчитывая напряжение, которое необходимо приложить для заданной скорости потока.
Уравнение (2) Контроль электрической мощности
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения измеряют электрический ток, протекающий между электродами внутри каждой нагревательной секции и, следовательно, через текучую среду. Также измеряют температуры на впуске и выпуске нагревательной секции. Измерение электрического тока и температуры позволяет вычислительному средству микрокомпьютерной системы управления определить необходимую мощность, которая должна быть приложена к текучей среде в каждой нагревательной секции, чтобы повысить температуру текучей среды на требуемую величину.
В одном варианте осуществления изобретения вычислительное средство, обеспеченное микрокомпьютерной системой управления, определяет электрическую мощность, которую следует приложить к текучей среде, проходящей между сегментированными электродами каждой нагревательной секции, выбирает, какой сегмент следует активировать в каждом сегментированном электроде, и рассчитывает среднее напряжение, которое необходимо приложить, чтобы вызвать требуемое температурное изменение.
Уравнение (2), приведенное ниже, облегчает вычисление электрической мощности, которая должна быть приложена, насколько это возможно точно, почти мгновенно. Применительно к водонагревательным системам, это устраняет необходимость в ненужном использовании воды, требуемом в другом случае, чтобы изначально пройти через систему, перед тем как способствовать подаче воды при требуемой температуре. Это создает потенциал для экономии воды или другой текучей среды.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения, определив электрическую мощность, которую следует подать к текучей среде, проходящей между электродами, вычислительное средство может затем рассчитать напряжение, которое следует приложить к каждой электродной секции (ES) следующим образом. Как только мощность, необходимая для электродной секции, была рассчитана, и ток, потребляемый электродом (n), был измерен (который для сегментированных электродов включает в себя полный ток, потребляемый активированным сегментом (сегментами) сегментированной электродной секцией), тогда:
Уравнение (2)
n
прил n
n
треб n
n
sn
Напряжение ES(V)=Мощность ES(P)/Ток ES(I)
прил n
треб n
n
V=P/I
В качестве части начального цикла нагревания, приложенное напряжение может быть установлено на относительно низком значении для того, чтобы определить начальную удельную проводимость текучей среды, проходящей между электродами. Приложение напряжения к электродам вызовет ток, который будет потреблен через текучую среду, проходящую между электродами, таким образом позволяя определить удельную проводимость текучей среды, которая прямо пропорциональна току, потребляемому через нее. Соответственно, определив электрическую мощность, которую следует подать на текучую среду, протекающую между электродами в каждой нагревательной секции, можно определить требуемое напряжение, которое следует приложить к тем электродам для того, чтобы повысить температуру текучей среды, протекающей между электродами в каждой нагревательной секции на требуемую величину. Мгновенный ток, потребляемый текучей средой, предпочтительно постоянно контролируют для изменения вдоль длины прохода текучей среды. Любое изменение в мгновенном токе, потребляемом в любом месте вдоль канала, является указанием изменения в электрической проводимости или удельной проводимости текучей среды. Изменяющиеся значения удельной проводимости, проявляющиеся в текучей среде, проходящей между электродами в электродных секциях, фактически образуют градиент удельной проводимости вдоль траектории нагревания.
Предпочтительно непрерывно контролируют различные параметры и непрерывно осуществляют вычисления, чтобы определить электрическую мощность, которую следует подать к текучей среде, и напряжение, которое следует приложить к электродам, для того чтобы повысить температуру текучей среды до установленной требуемой температуры в заданный период.
Краткое описание чертежей
Пример изобретения будет описан ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематичную блок-диаграмму системы нагрева текучей среды согласно одному варианту осуществления изобретения;
Фиг.2 представляет собой вид в перспективе сегментированного электрода, содержащего три сегмента; и
Фиг.3 представляет собой схему прохода текучей среды, проходящего три нагревательных секции, причем каждая нагревательная секция содержит один электрод, сегментированный на три сегмента.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Фиг.1 представляет собой схематичную блок-диаграмму системы 100 нагрева текучей среды согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, в которой обеспечивают протекание воды через корпус 112. Корпус 112 предпочтительно выполнен из материала, который является неэлектропроводным, таким как синтетическая пластмасса. Однако корпус 112 вероятно должен быть соединен с металлической трубой для воды, такой как медная труба, которая является электропроводной. Соответственно, заземленные плетеные сетки 114, показанные на фиг.1, включены на впуске и выпуске корпуса 112 таким образом, чтобы электрическим образом заземлять любые металлические трубы, соединенные с устройством 100. Заземленные сетки 114 в идеальном варианте должны быть соединены с электрическим заземлением электрической установки, в которой нагревательная система согласно варианту осуществления изобретения была установлена. Поскольку заземленные плетеные сетки 114 могут потреблять ток от электрода, через воду, протекающую через устройство 100, может быть осуществлена активация защиты от утечки заземления внутри системы управления и/или автоматический выключатель или устройство защитного отключения (RCD). В наиболее предпочтительной форме этого варианта осуществления изобретения система включает в себя защитные устройства при утечке тока в землю.
Когда выпускной кран (не показан) открыт, вода течет через корпус 112, как указано стрелками 102 прохода.
Труба 112, которая образует проход текучей среды, снабжена тремя нагревательными секциями, содержащими соответствующие группы электродов 116, 117 и 118. Материалом электрода может быть любой подходящий металл или неметаллический проводящий материал, такой как проводящая пластмасса, материал, пропитанный углеродом или т.п. Важно, чтобы электроды были выбраны из материала для минимизации химической реакции и/или электролиза.
Сегментированный электрод каждой электродной пары является сегментированным электродом 116а, 117а и 118а, соединенным с общей переключаемой обратной цепью 119 через отдельные устройства Q1, Q2, …, Q9 регулирования мощности источника напряжения, а другой электрод из каждой электродной пары 116b, 117b и 118b соединен с входящим однофазным или трехфазным источником напряжения 121,122 и 123 соответственно. Отдельные устройства Q1, Q2,…, Q9 регулирования мощности источника напряжения переключают общую обратную цепь в соответствии с контролем управления мощностью, обеспеченным микропроцессорной системой 141 управления. Полный электрический ток, подаваемый на каждую отдельную нагревательную секцию 116, 117 и 118, измеряют с помощью устройств 127, 128 и 129 измерения тока соответственно. Замеры тока подают как впускной сигнал через впускной интерфейс 133 на микропроцессорную систему 141 управления, которая действует как контроллер подачи мощности.
Микропроцессорная система 141 управления также принимает сигналы через впускной интерфейс 133 от устройства 104 измерения скорости потока, расположенного в трубе 112, и устройства задания температуры (не показано), с помощью которого пользователь может установить требуемую температуру текучей среды на выпуске. Объем текучей среды, проходящей между любой группой электродов, может быть точно определен путем измерения заранее размеров канала, внутри которого текучая среда подвергается воздействию электродов, взятых в сочетании с потоком текучей среды. Аналогичным образом, время, в течение которого заданный объем текучей среды будет принимать электрическую мощность от электродов, может быть определен путем измерения скорости потока текучей среды через канал. Повышение температуры текучей среды пропорционально величине электрической мощности, приложенной к текучей среде. Величина электрической мощности, необходимая, чтобы повысить температуру текучей среды на известную величину, пропорциональна массе (объему) текучей среды, которая нагрета, и скорости потока текучей среды через канал. Измерение электрического тока, протекающего через текучую среду, может быть использовано как единица измерения электрической проводимости, или удельной проводимости этой текучей среды и, следовательно, позволяет определить необходимое изменение в приложенном напряжении, которое требуется, чтобы сохранить приложенную электрическую мощность постоянной. Электрическая проводимость и, следовательно, удельная проводимость текучей среды, которая нагрета, будет изменяться с повышением температуры, создавая, таким образом, градиент удельной проводимости вдоль траектории потока текучей среды.
Микропроцессорная система 141 управления также получает сигналы через сигнальный впускной интерфейс 133 от устройства 135 измерения температуры на впуске, чтобы измерить температуру текучей среды на впуске в трубу 112, от устройства 136 измерения температуры на выпуске, измеряющего температуру текучей среды, выходящей из трубы 112, от первого устройства 138 измерения промежуточной температуры для измерения температуры текучей среды между нагревательными секциями 116 и 117, и от второго устройства 139 измерения промежуточной температуры для измерения температуры текучей среды между нагревательными секциями 117 и 118.
Устройство 100 согласно настоящему изобретению дополнительно выполнено с возможностью согласования с изменениями в проводимости текучей среды, возникающими или из конкретного места, в котором устройство установлено, или возникающими время от времени в единичном месте. В этом отношении датчик 106 проводимости входящей текучей среды постоянно измеряет проводимость текучей среды на впуске в проход 112 текучей среды. Изменения в проводимости текучей среды будут вызывать изменения в величине электрического тока, потребляемого каждым электродом для заданного приложенного напряжения. Этот вариант осуществления изобретения контролирует такие изменения и обеспечивает, чтобы устройство потребляло необходимый уровень тока, используя измеренное значение проводимости, чтобы изначально выбрать соответствующую комбинацию электродных сегментов перед тем, как разрешить системе работать. Каждый электрод 116а, 117а и 118а сегментирован на три электродных сегмента 116ai, 116aii, 116aiii, 117ai, 117aii, 117aiii, 118ai, 118aii и 118aiii. Для каждого соответствующего электрода предусмотрен сегмент ai, обычно составляющий около одной седьмой активной площади электрода, сегмент aii, обычно составляющий около двух седьмых активной площади электрода, сегмент aiii, обычно составляющий около четырех седьмых активной площади электрода. Выбор соответствующих сегментов или соответствующих комбинаций сегментов, таким образом, позволяет эффективной площади электрода быть любой одной из семи доступных величин для площади электрода. Впоследствии для текучей среды с высокой проводимостью может быть выбрана более маленькая площадь электрода так, что для заданного напряжения будет предотвращаться рост тока, потребляемого электродом, выше требуемого или безопасного уровня. И наоборот, для текучей среды с низкой проводимостью может быть выбрана бόльшая площадь электрода так, что для того же заданного напряжения достаточный ток будет потребляться, чтобы осуществить требуемую передачу мощности текучей среды. Выбор сегментов может быть просто осуществлен путем активации или деактивации устройств переключения мощности Q1,…, Q9, в случае необходимости.
В частности, конкретно рассчитывают комбинированную площадь поверхности выбранных электродных сегментов, чтобы обеспечить, что средние максимальные значения электрического тока системы не были превышены.
Микропроцессорная система 141 управления принимает различные контролируемые впускные сигналы и осуществляет необходимые вычисления в отношении выбора активной площади электрода, необходимых напряжений электродной пары и токов, чтобы обеспечить подачу рассчитанной мощности к текучей среде, протекающей через канал 112. Микропроцессорная система 141 управления контролирует импульсную подачу напряжения от каждого из трех отдельных фаз, соединенных с каждой из электродных пар 116, 117 и 118. Каждая импульсная подача напряжения отдельно контролируется отдельными контрольными сигналами от микропроцессорной системы 141 управления к устройствам переключения мощности Q1,…, Q9.
Следовательно, можно видеть, что на основе различных параметров, для которых микропроцессорная система 141 управления принимает характерные впускные сигналы, вычислительное средство под контролем программы внутри микропроцессорной системы 141 управления рассчитывает контрольные импульсы, запрашиваемые устройствами переключения мощности для того, чтобы подать необходимую электрическую мощность, чтобы вызвать требуемое изменение температуры в воде, протекающей через канал 112, таким образом, что нагретая вода подается из канала 112 при необходимой температуре, заданной устройством установки температуры, управляемым пользователем.
Когда пользователь устанавливает требуемую температуру воды на выпуске, используя устройство установки температуры, установленное значение вводится в микропроцессорную систему 141 управления и сохраняется в памяти системы до тех пор, пока оно не изменится или не будет переустановлено. Предпочтительно, заданное значение по умолчанию, равное 50 градусам Цельсия, хранится в памяти, при этом устройство установки температуры может создать визуальную индикацию установки температуры. Микропроцессорная система 141 управления может иметь заданный максимум для устройства установки температуры, который представляет собой максимальное значение температуры, выше которой вода не может быть нагрета. Таким образом, значение устройства установки температуры не может быть больше, чем максимальное установленное значение. Система может быть выполнена так, что если по какой-либо причине температура, определенная выпускным температурным устройством 136, была больше, чем установленная максимальная температура, система будет срочно отключена и деактивирована.
Микропроцессорная система 141 управления повторно осуществляет серию проверок, чтобы обеспечить, что
(а) температура воды на выпуске не превышает максимальной допустимой температуры;
(b) утечка тока в землю не превысила заданного установленного значения; и
(с) ток системы не превышает заданной границы тока системы.
Эти проверки осуществляются повторно при работе блока, и если любая из проверок определяет нарушение контролируемых пределов, систему срочно деактивируют. Когда начальная проверка системы выполнена удовлетворительно, выполняется расчет, чтобы определить необходимое напряжение, которое должно быть приложено к воде, протекающей через канал 112 для того, чтобы изменить ее температуру на требуемую величину. Рассчитанное напряжение затем прикладывают к парам электродов 116, 117, 118 так, чтобы быстро повысить температуру воды, как только она протекает через канал 112.
Поскольку температура воды, протекающей через канал 112, растет от впускного конца канала, проводимость изменяется в ответ на повышенную температуру. Устройства 138 и 139 измерения промежуточной температуры и устройство 136 измерения выпускной температуры замеряют пошаговые изменения температур в трех нагревательных секциях канала 112, содержащих группы электродов 116, 117 и 118 соответственно. Напряжение, приложенное к соответствующим парам электродов 116, 117 и 118, затем может быть изменено, чтобы учесть изменения в проводимости воды, чтобы обеспечить, что равномерный рост температуры происходит вдоль длины канала 112, чтобы поддержать по существу постоянным сигнал мощности каждым из группы электродов 116, 117, 118 и чтобы обеспечить наибольшую эффективность и стабильность в нагреве воды между измерением температуры на впуске в 135 и измерением температуры на выпуске в 136. Мощность, подаваемую к протекающей воде, изменяют путем управления контрольными импульсами, подаваемыми активированными устройствами переключения мощности Q1,…, Q9, соразмерными с требуемой мощностью. Это способствует повышению или снижению мощности, подаваемой отдельными электродными парами 116, 117 и 118 на воду.
Система 100 повторно контролирует воду с точки зрения изменений в ее проводимости путем непрерывного опроса датчика 106 проводимости, а также обращаясь к устройствам 127, 128 и 129 измерения тока, а также устройствам 135, 136, 138 и 139 измерения температуры. Любые изменения в значениях проводимости воды внутри системы, являющиеся результатом изменений в повышениях температуры воды, изменения в температурах воды, как определенные вдоль длины трубы 112, или изменения в определенных токах, потребляемых водой, заставляют вычислительное средство рассчитывать пересмотренные средние значения напряжения, которые должны быть приложены к электродным парам. Изменения в проводимости входящей воды заставляют микропроцессорную систему 141 управления избирательно активировать измененные комбинации электродных сегментов 116ai, 116aii, 116aiii, 117ai, 117aii, 117aiii, 118ai, 118aii и 118aiii таким образом, что установленные максимальные значения тока не превышаются. Постоянно замкнутый контур, контролирующий такие изменения тока системы, токов отдельных электродов, выбор электродного сегмента и температуру воды, вызывает пересчет напряжения, которое должно быть приложено к отдельным электродным сегментам, чтобы позволить системе подавать относительно постоянную и стабильную мощность к воде, протекающей через нагревательную систему 100. Изменения в удельной проводимости текучей среды или воды, проходящей через отдельные сегменты сегментированного электрода, могут управляться индивидуально таким образом. Поэтому система способна эффективно контролировать и управлять конечным градиентом удельной проводимости по всей системе. Таким образом, этот вариант осуществления изобретения обеспечивает компенсацию изменения в электрический проводимости текучей среды или воды, вызванного изменяющимися температурами и изменяющимися концентрациями растворенных химических веществ и солей, а также через нагрев текучей среды или воды путем изменения изменяемого электрического напряжения для согласования с изменениями в удельной проводимости при повышении температуры текучей среды или воды на необходимую величину.
Фиг.2 представляет собой вид в перспективе сегментированного электрода 216а нагревательной секции 216. Сегментированный электрод 216а содержит три сегмента 116ai, 116aii, 116aiii. Соответствующий электрический переключатель позволяет избирательно активировать любую комбинацию трех сегментов в любое заданное время. Электрод 216b является общим обратным проводом подачи электричества.
Фиг.3 представляет собой схему прохода 302 текучей среды, проходящей три нагревательные секции 316, 317, 318. Каждая нагревательная секция содержит одну электродную секцию, сегментированную на три сегмента.
Идеи патента США 7050706, содержание которого включено сюда путем ссылки, могут быть применены, чтобы контролировать работу аспектов настоящего изобретения и системы.
Сегментированные электроды согласно настоящему изобретению могут быть применены в устройстве нагрева воды, содержащем предварительно нагретый резервуар, в котором текучую среду нагревают до требуемой температуры предварительного нагрева и удерживают в резервуаре, причем сегментированные электроды используют для нагрева текучей среды в выпускном канале, через который текучая среда проходит из резервуара при необходимости. В этом отношении содержание международной патентной публикации WO 2008/116247, поданной заявителем, включено сюда путем ссылки.
Следует отметить, что любое подходящее число электродных нагревательных секций может быть использовано при осуществлении настоящего изобретения. Таким образом, хотя в описанных вариантах осуществления изобретения показано три нагревательные секции для нагрева воды, протекающей через канал 112, число нагревательных секций в канале может быть изменено в соответствии с индивидуальными требованиями или спецификой применения для нагрева текучей среды. Если число электродов увеличивается, например, до шести пар, каждая отдельная пара может быть индивидуально управляемой в отношении электродного напряжения таким же образом, как и описанный здесь в отношении вариантов осуществления изобретения. Аналогичным образом, число сегментов, на которое единичный электрод сегментирован, может отличаться от трех. Например, сегментация электрода на четыре сегмента, имеющие активные площади в соотношении 1:2:4:8, обеспечивает 15 значений эффективной площади, которые могут быть выбраны микропроцессорной системой 141 управления.
В отношении нагрева воды следует отметить, что используя электродные пары, которые заставляют ток протекать через саму воду таким образом, что тепло вырабатывается от электрического удельного сопротивления самой воды, настоящее изобретение устраняет необходимость в обычных элементах электрического сопротивления, таким образом избегая проблем, связанных с образованием окалины и образованием накипи на элементах.
Кроме того, следует понимать, что изобретение может быть использовано в применениях, которые включают в себя, но не ограничены этим, домашние системы горячей воды и домашние распределители закипающей воды. В отношении этих двух применений, которые часто используются для домашних потребностей в горячей воде, изобретение может способствовать как экономии энергии, так и воды. Кроме того, следует понимать, что выполнение сегментированных электродов, содержащих отдельно активные сегменты, позволяет установить такое устройство в местах с сильно отличающейся проводимостью воды, в которых микропроцессорная система 141 управления может адаптировать работу устройства к конкретной встречающейся проводимости, не требуя трудоемких и дорогих изменений в физической конфигурации устройства. Более того, принципы системы обеспечивают легкость в изготовлении, легкость в установке в месте использования, приятный внешний вид и согласованы с установленными рынком факторам комфорта. При описании режимов работы таких применений более подробно мы в первую очередь рассматриваем системы горячей воды.
Система горячей воды в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения предлагает систему нагрева горячей воды по требованию со свободным потоком, которая доставляет горячую воду при заданной или постоянной температуре к одной или более кухням, ваннам или прачечным в домашнем применении. Выпускная температура может точно контролироваться и поддерживаться стабильной, несмотря на неблагоприятные условия доставки воды, которые могут преобладать. Требования к электрической мощности для такого типа применения обычно находятся в диапазоне между 3,0 кВт и 33 кВт и требуют либо однофазного, либо многофазного электрического источника питания переменного тока. Требования к электрическому источнику питания могут изменяться в зависимости от конкретной области применения. Система предназначена для доставки горячей воды пользователю при скоростях потока, которые обычно изменяются между 0,5 литров/мин и 15 литров/мин. Это также зависит от конкретного применения. Температуры воды на выпуске могут быть постоянными или могут быть устанавливаемыми между 2 градусами Цельсия и 6 градусами Цельсия, что также зависит от применения и домашних правил. Способность изменения температуры будет номинально равна 50 градусам С при 10 литрах/мин, но это также зависит от применения.
Теперь мы обратимся к устройству для выдачи кипящей воды в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство для выдачи кипящей воды в этом варианте осуществления изобретения обеспечивает устройство для мгновенной выдачи кипящей воды со свободным потоком, предназначенное для доставки горячей воды при постоянной выпускной температуре, до максимальной температуры, равной 98 градусов Цельсия. Этот блок наиболее часто будет установлен в месте использования в кухонной среде. Выпускная температура точно контролируется и поддерживается стабильной, несмотря на неблагоприятные условия подачи воды, которые могут преобладать. Требования к электрической мощности для такого типа применения обычно находятся в диапазоне между 1,2 кВт и 6 кВт. Скорость потока этого устройства для выдачи является постоянной. Она будет номинально зафиксирована на уровне между 0,5 л/мин или 1,2 л/мин, но это также зависит от применения. Требования к мощности зависят от требований применения.
Теперь мы возвращаемся к устройству для выдачи свободного потока кипящей воды в соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения. Если такой системе требуется доставлять кипящую воду моментально и постоянно при скорости между 0,5 л/мин и 1,2 л/мин без хранения или предварительного нагрева, тогда обычно требуется электрическая мощность, равная 6,6 кВт, и должен быть установлен соответствующий источник электрического питания. Этот вариант осуществления изобретения способен доставлять закипающую воду практически непрерывно и без перерыва так долго, как это требуется. Исключительно низкие аварийные потери, равные 2 Вт в день, будут учтены. Ранее доставка непрерывной мгновенной кипящей воды по требованию не могла быть обеспечена с помощью доступной технологии, конкурентоспособной системы нагрева горячей воды из-за требования к высоким давлениям в трубопроводах, к чему обязательно приводят скорости потока больше чем 2 л/мин. Непрактично использовать скорости потока гораздо большие, чем 1,2 л/мин для устройств для выдачи кипящей воды.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения предложено двухступенчатое устройство для выдачи кипящей воды. Если должны быть использованы обычные однофазные выпускные мощности, то требования к мощности остаются между 1,8 кВт и 2,5 кВт, которые приемлемы для стандартных домашних штепсельных розеток и не требуют дополнительных или специальных электрических цепей. Этот вариант осуществления изобретения требует систему двухступенчатого устройства для выдачи кипящей воды, которое включает в себя элемент для хранения воды, а также элемент динамичного свободного потока. В этом отношении воду сначала нагревают до 65 градусов С в системе хранения, предназначенной для удержания номинально от 1,8 литров до 2,0 литров воды. После нагрева до 65 градусов С, устройство для выдачи кипящей воды становится рабочим, т.е. если его включают, то вода при 65 градусах С доставляется через динамическую секцию к выпускному отверстию. Этот динамический сектор нагревает воду, протекающую на скорости 0,8 л/мин до 1,2 л/мин, по требованию на дополнительные 30 градусов С до выпускной температуры 95 градусов С.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что в изобретении, как показано в конкретных вариантах осуществления изобретения, могут быть выполнены различные изменения и/или дополнения, не выходящие за рамки объема изобретения, как широко определено здесь. Следовательно, данные варианты осуществления изобретения должны расцениваться во всех аспектах как иллюстративные и не носящие ограничительного характера.