СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ УЛУЧШЕННОГО НАГРЕВАНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
SYSTEM AND METHOD FOR IMPROVED HEATING OF FLUID MEDIUM

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству, системе и способу для быстрого нагревания текучей среды и, более конкретно, к устройству, системе и способу для быстрого нагревания текучей среды с использованием электроэнергии.
Предпосылки к созданию изобретения
В подавляющем большинстве жилых и офисных зданий в развитых странах установлена система горячего водоснабжения той или иной формы. В некоторых странах наиболее распространенным источником энергии для нагревания воды является электроэнергия.
Разумеется, как хорошо известно, генерирование электроэнергии путем сжигания ископаемого топлива является фактором, способствующим загрязнению окружающей среды и глобальному потеплению. Например, в 1996 году крупнейшим потребителем электроэнергии в США явились жилые домовладения, на которые пришлось 20% всех выбросов углерода. Из всех выбросов углерода, которые пришлись на этот сектор потребления энергии, 63% были непосредственно связаны с сжиганием ископаемого топлива для генерирования электроэнергии для этого сектора.
В развивающихся странах в настоящее время электроэнергия считается практической необходимостью для жилых зданий, и при росте потребления электроэнергии приблизительно на 1,5% в год с 1990 года прогнозируемое увеличение потребления электроэнергии в секторе жилья становится центральной темой дискуссий, относящихся к стабилизации выбросов углерода и выполнению требований киотского протокола и подобных документов.
С 1982 по 1996 количество домовладений в США увеличивалось со скоростью 1,4% в год, а потребление электроэнергии в секторе жилых зданий за тот же период увеличивалось со скоростью 2,6% в год. Соответственно количество домовладений в США до 2010 года по прогнозам будет увеличиваться со скоростью 1,1% в год, и ожидается, что потребление электроэнергии в этот период будет расти со скоростью 1,6% в год.
В 1995 году считалось, что приблизительно 40 млн. домохозяйств во всем мире использовали электрические системы нагревания воды. Наиболее распространенной формой системы электрического нагревания воды является бак, в котором вода медленно нагревается до определенной температуры. Температуру воды в баке поддерживают на заранее определенном уровне по мере того, как горячую воду из бака расходуют и бак пополняют холодной водой. По существу, такие баки накопительных водонагревателей содержат погруженный электрический резистивный нагревательный элемент, соединенный с бытовой сетью, и работой которого управляет термостат или устройство, осуществляющее мониторинг температуры.
Электрические накопительные системы горячего водоснабжения считаются по существу энергетически неэффективными, поскольку они основаны на принципе хранения и подогрева воды до заранее определенной температуры, превышающей температуру, необходимую для использования, даже если потребителю в данный момент горячая вода не нужна. Поскольку горячая вода в накопительном баке теряет тепловую энергию, может потребоваться дополнительное количество электроэнергии для повторного нагрева воды до заранее определенной температуры. В конечном итоге, потребителю горячая вода может не понадобиться в течение довольно длительного периода времени. Однако в это время некоторые накопительные системы горячего водоснабжения продолжают потреблять энергию на нагрев воды в расчете на то, что горячая вода может потребоваться потребителю в любой момент.
Разумеется, быстрый нагрев воды так, чтобы температура воды достигала заранее определенного уровня за короткое время, позволяет устранить неэффективность системы, которая неизбежно возникает при хранении горячей воды. В настоящее время выпускаются системы быстрого нагрева или проточные системы горячего водоснабжения, в которых в качестве источника энергии используется природный газ или СНГ (сжиженный нефтяной газ) и электроэнергия. Природный газ или СНГ являются топливом, особенно хорошо приспособленным для быстрого нагревания текучей среды, поскольку сжигание такого топлива может обеспечить достаточный теплоперенос в текучую среду и при управляемых условиях повысить температуру этой текучей среды до удовлетворительного уровня за относительно короткое время.
Однако, хотя природный газ можно использовать для быстрого нагревания воды, этот источник энергии не всегда является легкодоступным. Наоборот, в развитых станах электроэнергия легкодоступна в большинстве домовладений.
Ранее предпринимались неэффективные попытки создать электрическую систему "мгновенного" нагрева воды. К ним относятся системы, в которых используется горячая проволока, и системы, основанные на электромагнитной индукции. Была разработана система "мгновенного" нагрева воды, в которой проволока обычно располагалась в электро- и теплоизолирующей трубке небольшого диаметра или встраивалась в корпус, что обеспечивало протекание воды в непосредственной близости к нагретой за счет сопротивления проволоке. При работе вода проходит по трубке в контакте с проволокой или в непосредственной близости к ней, при этом на проволоку подается питание, за счет чего она передает тепловую энергию воде в трубке. Управление осуществляется путем отслеживания температуры воды на выходе из трубки и сравнения этой температуры с заранее определенной величиной. В зависимости от измеренной температуры воды на выходе на проволоку подают напряжение, пока температура воды не достигнет требуемого заранее определенного уровня.
Хотя система нагревания воды проволочного типа не страдает неэффективностью, присущей накопительным системам горячего водоснабжения, к сожалению, она имеет другие недостатки. В частности, проволоку необходимо нагревать до температуры, значительно превышающей температуру окружающей воды. Это приводит к неблагоприятному эффекту кристаллизации солей, растворенных в разной концентрации в воде, таких как карбоната кальция и сульфата кальция. Горячие участки проволоки, находящиеся в непосредственном контакте с водой, являются прекрасной средой для формирования кристаллов такого типа, что приводит к образованию на проволоке накипи, которая снижает эффективность теплопереноса от проволоки к окружающей воде. Поскольку трубка в таких обстоятельствах может иметь относительно небольшой диаметр, образование кристаллов также сокращает расход воды через трубку. Кроме того, для того чтобы вода оставалась в непосредственной близости к нагретой проволоке, системы, в которых используется горячая проволока, для эффективной работы требуют относительно высокого давления воды, и поэтому такие системы непригодны для использования в регионах, в которых давление воды невысоко или давление воды часто падает, например, во время пика потребления воды.
Система, основанная на электромагнитной индукции, работает как трансформатор. В этом случае токи, наводимые во вторичной обмотке трансформатора, заставляют вторичную обмотку нагреваться. Генерируемая теплота рассеивается водой, циркулирующей в водяной рубашке, которая окружает вторичную обмотку. Затем нагретую воду выводят из системы для использования. Управление осуществляется путем отслеживания температуры воды на выходе из водяной рубашки и сравнения с заранее определенной величиной. В зависимости от измеренной температуры воды на выходе напряжение, подаваемое на первичную обмотку, можно менять, что приводит к изменению электрических токов, наводимых во вторичной обмотке, пока температура воды не достигнет заранее определенной величины.
Хотя системы такого типа не страдают от энергетической неэффективности, присущей накопительным системам горячего водоснабжения, они имеют другие недостатки. В частности, вторичную обмотку необходимо нагревать до температур, превышающих температуру окружающей воды. При этом возникает тот же эффект кристаллизации растворенных солей, который описан выше. Поскольку зазор между вторичной обмоткой и окружающей ее водяной рубашкой обычно относительно узок, формирование кристаллов также снижает расход воды через рубашку.
Кроме того, создаваемые магнитные поля и наводимые электрические токи во вторичной обмотке могут приводить к возникновению неприемлемого уровня электрических или высокочастотных помех. Эти электрические или высокочастотные помехи трудно подавить или экранировать, и они влияют на другие устройства, чувствительные к электромагнитному излучению и расположенные в зоне действия этих электромагнитных полей.
Вышеуказанное в равной степени относится и к системам горячего водоснабжения, в которых требуемая температура воды на выходе обычно не превышает 60°C, и к устройствам для раздачи кипятка, в которых требуемая температура воды на выходе значительно выше и составляет 90-95°C.
Таким образом, существует потребность в создании устройства для быстрого нагревания текучей среды, в частности воды, используя электроэнергию, которое устраняет, по меньшей мере, некоторые из недостатков других систем.
Кроме того, существует потребность в создании усовершенствованного способа для быстрого нагревания текучей среды, в частности воды, используя электроэнергию, при котором потребление энергии сведено к минимуму.
Кроме того, существует потребность в создании усовершенствованной системы для быстрого нагревания текучей среды, в частности воды, используя электроэнергию, которая обеспечивает относительно быстрый нагрев, пригодный для домашнего и/или коммерческого применения.
Кроме того, существует потребность в создании усовершенствованного устройства и способа электрического нагревания текучей среды, облегчающих управление выходной температурой воды, минимизируя образование кристаллов растворенных солей.
Кроме того, существует потребность в создании усовершенствованной системы нагревания текучей среды, в которой используется электрическая сеть, по существу имеющаяся в жилых и коммерческих зданиях.
Кроме того, существует потребность в создании усовершенствованного нагревательного устройства, которое можно производить в разных типоразмерах относительно расхода текучей среды.
Кроме того, имеется потребность в создании нагревательного устройства, которое имеет возможность работать с различными текучими средами или с водой разной жесткости.
Кроме того, имеется потребность в создании устройства для нагревания текучей среды, которое можно устанавливать в непосредственной близости от выхода горячей воды, тем самым снижая задержку появления горячей воды и тем самым устраняя ненужный расход воды.
Любые ссылки на документы, законодательные акты, материалы, устройства, статьи и прочие документы, включенные в настоящее описание, предназначены только для создания контекста настоящего изобретения. Все или любые такие материалы не следует считать частью базы прототипов или общеизвестными до даты приоритета каждого пункта настоящей заявки в области, к которой относится настоящее изобретение.
В настоящем описании слово "включает" или его производные, такие как "включающий" или "включая", следует понимать как включающее указанный элемент, целое или шаг, или группу элементов, целых или шагов, но не исключающее любого другого элемента, целого или шага, или групп элементов, целых или шагов.
Краткое описание изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для нагревания текучей среды, содержащее резервуар подогрева, имеющий, по меньшей мере, одну пару электродов для пропускания электрического тока через текучую среду, имеющуюся в резервуаре, для нагревания этой текучей среды до температуры подогрева, которая ниже требуемой температуры текучей среды устройства, и канал повышения выходной температуры для прохождения текучей среды из резервуара предварительного подогрева к выпускному отверстию устройства, который содержит, по меньшей мере, одну пару выходных электродов для пропускания электрического тока через текучую среду в указанном канале для динамического нагревания текучей среды в канале повышения выходной температуры до требуемой выходной температуры текучей среды, и средство измерения температуры текучей среды в резервуаре.
Устройство предпочтительно может иметь: средство для измерения температуры текучей среды в резервуаре, расположенное вблизи впускного отверстия канала повышения выходной температуры, дополнительно содержащее средство измерения выходной температуры текучей среды средство измерения выходной температуры текучей среды, расположенное вблизи выпускного отверстия канала повышения выходной температуры. Канал для повышения выходной температуры может содержать, по меньшей мере, первый и второй наборы электродов, расположенные вдоль канала повышения выходной температуры и имеющие, по меньшей мере, одну пару электродов для пропускания электрического тока через текучую среду для нагрева текучей среды при ее прохождении по каналу повышения выходной температуры, при этом электроды каждой пары разнесены поперек траектории потока так, что напряжение, приложенное к электродам каждой пары, создает электрический ток через текучую среду поперек траектории потока при ее прохождении по каналу повышения выходной температуры.
Устройство может дополнительно содержать средство измерения расхода текучей среды в канале повышения выходной температуры, электрическое управляющее средство для подачи и управления электрической мощностью на электроды канала повышения выходной температуры, при этом управляющее средство содержит процессор для соотнесения тока и приложенного напряжения в ответ на измеренную температуру текучей среды в резервуаре, измеренную выходную температуру текучей среды и измеренный расход текучей среды для определения требуемой мощности, подаваемой к текучей среде от каждого набора электродов для получения требуемой выходной температуры текучей среды, при этом устройство дополнительно содержит средство измерения температуры текучей среды в канале, расположенное между первым и вторым наборами электродов в канале повышения выходной температуры, при этом управляющее средство способно управлять мощностью, подаваемой на первый и второй наборы электродов в соответствии с измеренной температурой и требуемым увеличением температуры текучей среды на каждом соответствующем наборе электродов и дополнительно содержит систему управления на основе микрокомпьютера для управления электрической мощностью, подаваемой на текучую среду, система управления на основе микрокомпьютера может быть выполнена с возможностью обнаружения и учета изменения в удельной проводимости текучей среды, вызванного изменением температуры текучей среды в канале повышения выходной температуры, и на основе микрокомпьютера выполнена с возможностью обнаружения и учет изменения электропроводности поступающей текучей среды, а также система управления на основе микрокомпьютера может быть выполнена с возможностью подавать переменное электрическое напряжение между электродами каждого набора для пропускания электрического тока через текучую среду между электродами каждого набора в ответ на приложенное переменное электрическое напряжение и управлять переменным электрическим напряжением между электродами каждого набора в ответ на удельную проводимость текучей среды, определенную по измеренным температуре текучей среды и токам, так, что величина электрической мощности, подаваемой на текучую среду каждой парой электродов, соответствует предварительно определенному повышению температуры текучей среды и влияет на это повышение. Система управления на основе микрокомпьютера может быть выполнена с возможностью компенсации изменений электрической проводимости текучей среды, возникающих в результате изменения температуры и изменения концентрации растворенных химикатов и солей, и в результате нагревания текучей среды посредством изменения переменного электрического напряжения для учета изменений в удельной проводимости, повышая температуру текучей среды на требуемую величину. Устройство может содержать регулятор для регулирования пользователем требуемой выходной температуры текучей среды.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ нагревания текучей среды, при котором пропускают электрический ток между, по меньшей мере, одной парой электродов, расположенных в резервуаре предварительного подогрева, через текучую среду, находящуюся в резервуаре, для нагревания текучей среды, до температуры подогрева, которая ниже требуемой выходной температуры текучей среды, измерение температуры текучей среды, при выпуске текучей среды через канал повышения выходной температуры пропускания тока между, по меньшей мере, одной парой выходных электродов через текучую среду в канале повышения выходной температуры для динамического нагревания текучей среды в указанном канале до требуемой температуры текучей среды на выходе.
Способ дополнительно содержит этап измерения выходной температуры текучей среды, при этом канал повышения выходной температуры содержит, по меньшей мере, первый и второй наборы электродов, расположенные вдоль указанного канала и имеющие, по меньшей мере, одну пару электродов, при этом способ дополнительно содержит этап пропускания электрического тока через текучую среду через каждую пару электродов для нагрева текучей среды во время ее прохождения по каналу повышения выходной температуры, дополнительно содержит этап определения расхода текучей среды через канал повышения выходной температуры, дополнительно содержит этапы подачи электрической мощности на электроды канала повышения выходной температуры и управления посредством электрического управляющего средства, имеющего процессор для соотнесения тока и приложенного напряжения в ответ на измеренную температуру текучей среды в резервуаре, измеренную выходную температуру текучей среды и расход текучей среды, и определения требуемой мощности, подаваемой к текучей среде на каждом наборе электродов для получения требуемой выходной температуры текучей среды, дополнительно содержит этап измерения температуры текучей среды между первым и вторым набором электродов канала повышения выходной температуры, при этом управляющее средство управляет мощностью, подаваемой на первый и второй наборы электродов в соответствии с измеренными температурами и требуемым повышением температуры текучей среды на каждом из соответствующих наборов электродов. Способ может дополнительно содержать этап управления электрической мощностью, подаваемой к текучей среде с использованием системы управления на основе микрокомпьютера, в котором система управления на основе микрокомпьютера обнаруживает и учитывает изменения в удельной проводимости текучей среды, вызванные изменением ее температуры в канале повышения выходной температуры, а также в котором система управления на основе микрокомпьютера обнаруживает и учитывает изменение электропроводности поступающей текучей среды. Система управления на основе микрокомпьютера подает переменное электрическое напряжение между электродами каждого набора для пропускания электрических токов через текучую среду между электродами каждого набора, отслеживает токи, проходящие через текучую среду между электродами каждого набора в ответ на подачу переменного электрического напряжения, и управляет переменным электрическим напряжением между электродами каждого набора в ответ на удельную проводимость текучей среды, определенную по измеренным температурам текучей среды и токам, так, что количество электрической мощности, подаваемой к текучей среде, создает предварительно определенное повышение температуры текучей среды и влияет на повышение. Система управления на основе микрокомпьютера может компенсировать изменения электропроводности текучей среды, вызванные изменением температуры и изменением концентрации растворенных химикатов и солей и при нагревании текучей среды, путем изменения переменного электрического напряжения для учета изменений в удельной проводимости при повышении температуры текучей среды на требуемую величину. Способ может дополнительно содержать этап регулировки пользователем требуемой выходной температуры текучей среды.
Таким образом, варианты настоящего изобретения могут содержать стадии подачи переменного электрического напряжения на электроды каждого набора для пропускания электрического тока через текучую среду между электродами каждого набора, отслеживают токи, проходящие через текучую среду между электродами каждого набора в ответ на приложенное переменное электрическое напряжение, и управляют переменным электрическим напряжением между электродами каждого набора в ответ на удельную проводимость текучей среды, определенной по измеряемым температурам текучей среды и токам так, чтобы количество электроэнергии, подаваемой на текучую среду каждой парой электродов, соответствовало заранее определенному повышению температуры текучей среды.
В предпочтительных вариантах способа по настоящему изобретению дополнительно могут выполняться этапы компенсации изменения электрической проводимости текучей среды, вызванного изменением температур и изменением концентраций растворенных химикатов и солей, и нагреванием текучей среды, изменяя переменное электрическое напряжение для учета изменений удельной проводимости при увеличении температуры текучей среды на требуемую величину. Этот этап можно выполнять, управляя электрической мощностью, подаваемой на наборы электродов для поддержания требуемого постоянного повышения температуры в этом электродном участке. Затем переменное электрическое напряжение можно регулировать для компенсации изменений в удельной проводимости текучей среды в участке канала, относящемся к каждой паре электродов, что повлияет на ток, отбираемый текучей средой в этом участке. Таким образом можно учитывать изменения в удельной проводимости текучей среды, проходящей через отдельные электродные участки. Поэтому система способна эффективно управлять результирующим градиентом удельной проводимости на всей системе.
Пользователь может регулировать требуемую выходную температуру текучей среды с помощью регулируемого управляющего средства.
Объем текучей среды, проходящей между любым набором электродов, можно точно определить, измеряя размеры канала, в котором текучая среда контактирует с электродами, и учитывая расход текучей среды.
Аналогично, время, в течение которого данный объем текучей среды будет получать электроэнергию от электродов, можно определить, измеряя расход текучей среды через канал повышения температуры на выходе. Увеличение температуры текучей среды пропорционально количеству электроэнергии, поданной на текучую среду. Количество электроэнергии, необходимое для подъема температуры известного объема текучей среды, пропорционально массе (объему) нагреваемой текучей среды и расходу текучей среды через канал. Измеренный электрический ток через текучую среду можно использовать как показатель электрической проводимости или удельной проводимости этой текучей среды, что позволяет определить требуемое изменение приложенного напряжения, необходимое для поддержания постоянной приложенной электрической мощности. Электрическая проводимость и, следовательно, удельная проводимость нагреваемой текучей среды меняется с подъемом температуры, создавая перепад удельной проводимости на траектории потока текучей среды.
Энергию, необходимую для увеличения температуры массы текучей среды, можно определить, соединив два следующих уравнения:
Уравнение 1
Энергия = Удельная теплоемкость × Плотность × Объем × Изменение температуры;
или
энергию за единицу времени, необходимую для повышения температуры массы текучей среды, можно определить по уравнению:
Для целей анализа удельную теплоемкость воды можно считать постоянной в диапазоне температур от 0°C до 100°C. Плотность воды, равную 1, также можно считать постоянной. Поэтому количество энергии, необходимое для изменения температуры единицы массы воды на 1°C за 1 с, принимается за постоянное и обозначается "k". Объем/Время является эквивалентом расхода (Fr). Таким образом, количество энергии за единицу времени, необходимое для повышения температуры массы текучей среды, можно определить с помощью уравнения:
Таким образом, если известно требуемое изменение температуры, можно определить расход и рассчитать необходимую мощность.
Типично, когда пользователю нужна горячая вода, он открывает кран горячей воды, тем самым создавая поток воды из резервуара через канал повышения температуры на выходе. Этот поток воды можно обнаружить расходомером, в результате чего инициировать последовательность нагревания. Можно измерить температуру воды в резервуаре и сравнить ее с заранее заданной температурой воды на выходе из системы. По этим двум величинам можно рассчитать необходимое изменение температуры воды от входа до выхода канала повышения температуры на выходе.
Разумеется, температуру воды, поступающей на электродные участки, можно измерять многократно на протяжении времени, и, когда величина измеренной температуры воды на входе меняется, расчетная величина требуемого изменения температуры от входа до выхода электродных сегментов соответственно корректируется. Аналогично, при изменении температуры, содержания минералов и т.п. со временем могут происходить изменения электрической проводимости и, следовательно, удельной проводимости. Соответственно, ток, текущий через текучую среду, будет меняться, приводя к изменениям в результирующей мощности, приложенной к воде. Многократное измерение температуры на электродных сегментах и сравнение их с требуемой температурой на выходе позволяет повторять расчет для непрерывной оптимизации напряжения, прилагаемого к электродным участкам.
В одном предпочтительном варианте вычислительное средство, образованное системой управления на базе микрокомпьютера, используется для определения электрической мощности, которую следует подать на текучую среду, протекающую между электродами, путем определения величины электрической мощности, которая произведет требуемое изменение температуры между входом и выходом электродного участка, измерения эффекта изменений в удельной проводимости воды, и благодаря этому вычисляет напряжение, которое следует подать для данного расхода.
Уравнение 2. Управление электрической мощностью
В предпочтительных вариантах настоящего изобретения измеряют электрический ток между электродами в каждом электродном участке и, следовательно, сквозь текучую среду. Кроме того, измеряют температуру на входе и на выходе электродного участка. Измерение электрического тока и температуры позволяет вычислительному средству системы управления на основе микрокомпьютера определить мощность, которую необходимо приложить к текучей среде в электродном участке для повышения температуры текучей среды на требуемую величину.
В одном варианте вычислительное средство, образованное системой управления на основе микрокомпьютера, определяет электрическую мощность, которую следует подать на текучую среду, протекающую между электродами, и, следовательно, рассчитывает среднее напряжение, которое следует подавать, чтобы поддерживать температуру по существу постоянной.
Уравнение 2, приведенное ниже, позволяет почти мгновенно и со всей возможной точностью рассчитывать подаваемую электрическую мощность. Это устраняет необходимость в ненужном потреблении воды, которую пришлось бы израсходовать для начального прохождения через систему, прежде чем на выходе появится вода с нужной температурой. Это позволяет экономить воду или другую текучую среду.
В предпочтительных вариантах, определив электрическую мощность, которую следует подать на текучую среду, протекающую между электродами, вычислительное средство затем может рассчитать напряжение, которое следует подать на каждый электродный участок (ES), следующим образом: если можно рассчитать мощность, необходимую для электродного сегмента, и измерить ток, отбираемый электродным участком (n):
Уравнение 2
n
appn
n
reqn
n
sn
Напряжение ES(V)=МощностьES(P)/ТокES(I)
appn
reqn
sn
или V=P/I.
В рамках начальной последовательности нагревания приложенное напряжение можно установить на относительно низкое значение для определения начальной удельной проводимости текучей среды, протекающей между электродами. Подача напряжения на электроды приведет к протеканию тока через текучую среду, протекающую между ними, что позволяет определить удельную проводимость текучей среды, поскольку она прямо пропорциональна протекающему через эту среду току. Соответственно, определив электрическую мощность, которую следует подать на текучую среду, протекающую между электродами в электродных участках, можно определить требуемое напряжение, подаваемое на эти электроды для повышения температуры текучей среды, протекающей между электродами в электродном участке, на требуемую величину. Мгновенный ток, отбираемый текучей средой, предпочтительно постоянно отслеживается на наличие изменений на всем протяжении канала повышения выходной температуры. Любое изменение мгновенного тока, отбираемого в любом положении вдоль канала, указывает на изменение электрической проводимости или удельной проводимости текучей среды. Изменяющиеся величины удельной проводимости, проявляющиеся в текучей среде, протекающей между электродами в электродных участках, эффективно определяют перепад удельной проводимости вдоль траектории нагревания.
Предпочтительно, осуществляют непрерывное отслеживание различных параметров и непрерывно осуществляют расчеты для определения электрической мощности, которую следует подавать на текучую среду, и напряжения, которое следует подавать на электроды для повышения температуры текучей среды для заранее заданной требуемой температуры в данный период.
Краткое описание чертежей
Далее следует более подробное описание примеров настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых показано следующее:
фиг.1 изображает вид сбоку устройства для нагревания текучей среды по одному варианту настоящего изобретения;
фиг.2 - блок-схему системы, содержащей устройство по фиг.1;
фиг.3 - диаграмму последовательности, иллюстрирующую работу системы по фиг.2.
Подробное описание предпочтительных вариантов
На фиг.1 представлен вид сбоку устройства 10 для нагревания текучей среды одного варианта нагревательной системы, в которой вода протекает через корпус 12 от впускного отверстия 11 к выпускному отверстию 30. Корпус 12 предпочтительно выполнен из материала, не проводящего электричество, например, из синтетической пластмассы. Однако корпус 12 может быть соединен с металлической водопроводной трубкой, например, медной трубкой, которая является электропроводной. Соответственно, во входном отверстии 11 и выходном отверстии 30 установлены сетчатые фильтры 14, показанные на фиг.2, чтобы электрически заземлить любые металлические трубы, соединенные с устройством 10. Заземляющие сетчатые фильтры 14 в идеале соединены с электрической землей электрической установки, в которой используется нагревательная система по этому варианту. Поскольку заземляющие сетчатые фильтры 14 могут отбирать ток от электрода через воду, проходящую сквозь устройство 10, может срабатывать автоматический прерыватель утечки на землю или устройство защитного отключения (УЗО). В особо предпочтительной форме этого варианта система содержит устройства защиты от утечки на землю.
Корпус 12 образует резервуар 16, который в этом варианте имеет объем 1,5 литра. В резервуаре 16 расположен набор подогревающих электродов 18. Электроды установлены в горизонтальной плоскости для максимальной конвекционной эффективности. Материалом электродов может быть любой подходящий металл или неметаллический электропроводный материал, например, электропроводный пластиковый материал, материал, пропитанный углеродом и прочее. Важно выбирать электроды из материала, минимизирующего химическую реакцию и/или электролиз.
На этапе подогрева вода в резервуаре 16 подогревается электродами 18 для температуры подогрева, превышающей температуру воды, поступающей в резервуар 16, но меньше, чем требуемая температура воды на выходе устройства 10. В настоящем варианте температура подогрева составляет 60°C, и она измеряется на входе канала 22 повышения выходной температуры воды датчиком 20 температуры. Вода в резервуаре 16, нагретая до температуры подогрева, готова к использованию по требованию.
Когда выпускной кран (не показан) открыт, вода на этапе нагревания вытекает из резервуара 16 по каналу 22 повышения выходной температуры воды. Канал 22 содержит наборы 24 и 26 электродов с общим заземляющим или нейтральным электродом 25, которыми управляет контроллер 41 мощности для нагрева воды, текущей по каналу 22, до температуры 90°C, измеряемой датчиком 8 температуры, расположенным на выходе 30 канала 22.
Контроллер 41 мощности также получает сигналы непосредственно от расходомера (не показан), расположенного в канале 22, и устройства 37, задающего температуру, с помощью которого пользователь может задать требуемую температуру текучей среды на выходе, и дополнительные сигналы от устройства 20 измерения температуры в резервуаре, измеряющего температуру текучей среды на входе в канал 22, и от устройства 28 измерения температуры текучей среды на выходе из канала 22. Контроллер 41 может реагировать на сигналы от устройств (устройства) измерения промежуточной температуры (не показано), расположенных между набором 24 электродов и набором 26 электродов, для измерения температуры текучей среды между электродами 24 и 26.
Контроллер 41 мощности принимает различные отслеживаемые входные сигналы и выполняет необходимые вычисления для расчета требуемых напряжений на парах электродов, чтобы подать расчетную мощность на текучую среду, имеющуюся в резервуаре 16 и/или протекающую в канале 22. Контроллер 41 мощности управляет импульсной подачей напряжения от каждой из трех отдельных фаз, соединенных с каждой парой 18, 24, 26 электродов. Подача каждого импульсного напряжения отдельно управляется отдельными управляющими сигналами от контроллера 41 мощности, подаваемыми на модуль 42 переключения мощности.
Таким образом, понятно, что на основе различных параметров, поступающих в контроллер 41 мощности в форме репрезентативных входных сигналов, вычислительное средство под управлением программного кода в контроллере 41 мощности вычисляет управляющие сигналы, необходимые для модуля 42 переключения мощности для подачи необходимой электрической мощности с целью изменения температуры воды, имеющейся в резервуаре 16 подогрева и/или текущей по каналу 22, так, чтобы из канала 22 выходила нагретая вода при требуемой температуре, заданной регулятором 37.
Когда пользователь задает требуемую температуру воды на выходе, используя регулятор 37, заданная величина вводится в контроллер 41 мощности и запоминается в системном запоминающем устройстве, пока не будет изменена или сброшена. Предпочтительно, в памяти хранится заранее определенная величина, равная 90°C, и регулятор 37 может выдавать визуальную индикацию заданной температуры. Контроллер 41 мощности может иметь заранее заданный максимум для регулятора 37, который представляет максимальную температуру, свыше которой воду нагревать нельзя. Таким образом, величина, определяемая регулятором 37, не может быть выше максимальной заданной величины. Систему можно спроектировать так, что если по какой-либо причине выходная температура, измеряемая измерительным устройством 36, превысит заданную максимальную температуру, система немедленно отключится и деактивируется.
На фиг.3 показана диаграмма 300 последовательности двухступенчатой работы устройства 10. На этапе подогрева для определения, находится ли температура воды в резервуаре 16 на уровне подогрева, т.е. 60°C, на этапе 320 используется датчик 20 температуры. Если температура ниже, светодиодный индикатор (синий) на этапе 322 выключается, и на этапе 324 активируются электроды 18 резервуара 16 для подогрева воды до температуры 60°C, и процесс возвращается на этап 320.
Когда температура воды в резервуаре достигнет 60°C, процесс переходит на этап повышения, на котором электроды 18 резервуара на этапе 340 отключаются, на этапе 342 включатся светодиодный индикатор (красный), и на этапе 344 система отслеживает активацию пользователем микропроцессорной системы открыванием выпускного крана. Пока кран закрыт, система возвращается на этап 320 для поддержания температуры в резервуаре. Однако если на этапе 344 кран открывается, то на этапе 346 выполняется расчет необходимого повышения температуры, чтобы задать диапазон импульсов, подаваемых на электроды 24 и 26, чтобы нагреть текучую среду в выпускном канале 22 до необходимой температуры. Если на этапе 348 температура на выходе, измеренная датчиком 28, меньше требуемой (например, 90°C), то этап 346 повторяется для пересмотра заданной последовательности импульсов. На этапе 350 электроды 24 и 26 остаются включенными, как определено на этапе 346, а электроды 18 резервуара остаются отключенными.
Затем процесс 300 переходит на точку 360 принятия решений, где определяется, не упала ли температура, измеренная датчиком 20, ниже 50°C (т.е. более чем на 10°C ниже требуемой температуры 60°C в резервуаре). Если это произошло, процесс возвращается на этап 322 подогрева резервуара. Если нет, процесс возвращается на этап 340 подъема температуры.
Система повышения температуры активируется, когда обнаруживается расход воды в канале 22. Температуру воды в резервуаре измеряют датчиком 20 и эту величину вводят в контроллер 41 и фиксируют в системном запоминающем устройстве. Когда в регуляторе 37 имеется заданная или используемая по умолчанию величина температуры, легко определить требуемое изменение температуры воды, которое представляет разницу между заданной температурой и измеренной температурой на входе. Следует отметить, что температура воды в резервуаре измеряется датчиком 20 многократно, и если величина изменяется, также изменяется расчетная разница температур.
Вычислительное средство 41 получает возможность определить электрическую мощность, которую требуется подать на протекающую воду через канал 22, чтобы поднять ее температуру от измеренной температуры на входе 20 до заданной температуры. Рассчитав электрическую мощность, которую необходимо подать на протекающую воду, вычислительное средство 41 затем получает возможность рассчитать напряжение, которое следует подать между парами электродов 24 и 26 для создания необходимого тока в воде.
В настоящем варианте в качестве части начальной последовательности пропускания воды через канал 22 поданное напряжение задается с заранее определенной низкой величиной, чтобы рассчитать проводимость воды или удельную теплоемкость. Подача такого напряжения создает ток, и амперметр контроллера 41 измеряет возникший ток и выдает сигнал на контроллер 41. Величина общего тока измеряется периодически.
Затем система управления 41 выполняет ряд проверок, чтобы убедиться в том, что температура воды на выходе не превышает максимально допустимую, утечка тока на землю не превышает заранее определенной величины, и ток в системе не превышает заранее определенную предельную величину.
Эти проверки осуществляются многократно, пока устройство работает, и если любая из проверок выявит нарушение заданных пределов, система немедленно деактивируется. Когда начальная проверка системы успешно завершается, выполняется расчет, чтобы определить необходимое напряжение, которое следует подать на воду, текущую по каналу 22, чтобы изменить ее температуру до требуемой величины. Затем рассчитанное напряжение подается на пары электродов 24, 26 для быстрого увеличения температуры воды при ее протекании по каналу 22.
По мере увеличения температуры воды, текущей по каналу 22, начиная от впускного конца канала, в ответ на повышение температуры ее проводимость изменяется. Одно или более устройств измерения промежуточной температуры и устройство 28 измерения температуры на выходе измеряют инкрементное повышение температуры в двух сегментах канала 22, соответственно содержащих наборы 24 и 26 электродов. Напряжение, приложенное к соответствующим парам электродов 24, 26, затем можно менять с учетом изменения проводимости воды для получения равномерного увеличения температуры на длине канала 22 для поддержания по существу постоянной мощности, подаваемой на наборы 24, 26 электродов, и достижения наивысшей эффективности и стабильности нагревания воды между температурой на входе 20 и температурой на выходе 28. Мощность, подаваемая на текущую воду, меняется путем увеличения или уменьшения количества управляющих импульсов, выдаваемых модулем 42 переключения мощности. Это позволяет увеличить или уменьшить мощность, подаваемую на воду отдельными парами 24, 26 электродов.
Следует понимать, что в этом варианте система постоянно отслеживает воду и в резервуаре 16, и в канале 22 на изменение проводимости, постоянно измеряя ток, проходящий между парами 18, 24 и 26 при данном напряжении, и температуру на датчиках 20 и 28, а также на датчиках температуры, помещенных между наборами 24, 26 электродов. Любые изменения величин температуры воды или изменения измеренных токов являются основанием для вычислительного средства для пересчета средних величин напряжения, подаваемого на пары 18, 24, 26 электродов. Постоянный мониторинг с обратной связью изменений тока в системе, токов на отдельных электродах или температуры воды на электродных сегментах приводит к пересчету напряжения, которое следует подавать на отдельные электродные участки, чтобы система подавала соответствующую стабильную мощность на воду в резервуаре 16 и/или текущую по каналу 22.
Операции по управлению различными аспектами предлагаемого устройства и системы, такими как электроды выпускного канала повышения температуры, могут осуществляться в соответствии с патентом США №7050706, содержание которого включено в настоящее описание путем отсылки.
При реализации настоящего изобретения можно использовать любое количество наборов электродов. Так, хотя в описанных вариантах показано три набора электродов, где один набор предназначен для подогрева воды в резервуаре, а два - для повышения температуры воды, вытекающей через канал 22, количество электродов в резервуаре и/или в канале можно менять в соответствии с индивидуальными требованиями или задачами, связанными с нагреванием текучей среды. Если количество электродов увеличить, например, до шести пар, напряжением на каждой индивидуальной паре можно управлять отдельно, так же как и в описанных выше вариантах.
Использование пар электродов, которые создают ток в воде так, что в результате удельного сопротивления самой текучей среды генерируется теплота, согласно настоящему изобретению позволяет отказаться от электрических резистивных элементов, что снижает остроту проблем, связанных с образованием накипи на таких элементах. Кроме того, нагревая заранее подогретое содержимое резервуара 16, имеющее температуру 60°C, что существенно меньше требуемой температуре в 90°C на выходе, настоящий вариант позволяет уменьшить потери теплоты в периоды между отбором горячей воды и, следовательно, снижает потребление энергии.
Настоящее изобретение может применяться в таких областях, которые включают, помимо прочего, домашние системы горячего водоснабжения и домашние системы раздачи кипятка. В обоих вариантах применения, которые часто используются для удовлетворения потребности домовладений в горячей воде, настоящее изобретение позволяет экономить и воду, и энергию. Дополнительно, принципы, на которых основана система, облегчают ее изготовление, монтаж на месте, позволяют использовать приятные эстетические решения и удовлетворяют установленным рынком факторам комфорта. В описании режимов работы в таких вариантах применения в первую очередь имелись в виду системы нагревания воды.
Система нагревания воды по одному варианту настоящего изобретения является проточной системой мгновенного нагрева воды по требованию, которая подает горячую воду с заранее устанавливаемой или фиксированной температурой в кухню, ванную комнату и в помещение для стирки в жилом строении. Температуру на выходе можно регулировать с высокой точностью и удерживать стабильной, несмотря на возможные неблагоприятные условия подачи воды. Потребность в электроэнергии для такого типа использования обычно составляет от 18 до 33 кВт и чаще всего требует трехфазного источника питания. Альтернативно, такие потребности в мощности может удовлетворить однофазный источник питания. Потребности в мощности могут меняться в зависимости от конкретной задачи. Система рассчитана на подачу горячей воды пользователю с расходом от 0,5 л/мин до 15 л/мин. И вновь это зависит от конкретного варианта применения. Температура воды на выходе может быть фиксированной или задаваемой в диапазоне от 2°C до 60°C, что также зависит от варианта применения и действующих в жилом секторе нормативных актов. Способность к подъему температуры обычно составляет 50°C при расходе 10 л/мин, но это также зависит от варианта применения.
Настоящее изобретение также может использоваться в режиме раздачи кипятка. Устройство для раздачи кипятка по одному варианту настоящего изобретения является проточным устройством для раздачи по требованию мгновенно нагретого кипятка при фиксированной температуре на выходе до максимум 95°C. Такое устройство чаще всего будет устанавливаться в кухонной среде. Температура на выходе регулируется с высокой точностью и поддерживается стабильной, несмотря на возможные неблагоприятные условия подачи воды. Потребность в электроэнергии для такого типа применения составляет от 1,8 до 6 кВт. Расход такого раздающего устройства фиксирован. Нормально он составляет 1,0 или 1,2 л/мин, но это зависит от варианта применения. Потребность в энергии зависит от конкретных требований.
В проточном устройстве раздачи кипятка по настоящему изобретению, если нужна система для мгновенной раздачи кипятка с расходом 1,0 л/мин без хранения горячей воды, потребуется 6 кВт электрической мощности, и возникнет необходимость в установке соответствующего источника питания. Этот вариант способен подавать кипяток практически непрерывно, без перерывов, так долго, как это необходимо. Ранее известные конкурирующие системы не могли непрерывно раздавать кипяток из-за того, что они требовали высокого давления в линии, что обуславливало расход не менее 3 л/мин. Для устройств раздачи кипятка непрактично использовать расход, значительно превышающий 1,2 л/мин.
В другом варианте настоящего изобретения предлагается двухступенчатое устройство раздачи кипятка. Если приходится использовать обычные однофазные розетки, потребляемая мощность может составлять 1,8-2,0 кВт, что вполне приемлемо для стандартных домашних розеток и не требует специальных или дополнительных силовых цепей. Этот вариант требует двухступенчатой системы раздачи кипятка, которая содержит отделение для хранения воды и проточное отделение динамического нагрева. Поэтому воду сначала нагревают до 70°C в системе хранения, которая нормально способна содержать 1/8-2,0 л воды. После нагрева воды до 70°C устройство раздачи кипятка переходит в рабочее состояние, когда при включении вода, имеющая температуру 70°C, пропускается через отделение динамического нагрева и подается на выход. Это отделение динамического нагрева по требованию нагревает воду, текущую с расходом 1,0-1,2 л/мин, на 25°C до температуры на выходе 95°C.
Специалистам понятно, что в показанные конкретные варианты настоящего изобретения можно внести многочисленные изменения и/или модификации, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения. Описанные варианты во всех отношениях следует считать иллюстративными и не ограничивающими.