Электродный котёл с плавным регулированием мощности

Полезная модель относится к отопительным системам с применением электронагрева теплоносящей жидкости, в частности к устройствам для электродного нагрева жидкостей, и может быть использована в различных сферах: в системах отопления, горячего водоснабжения, технологического нагрева, прямого и косвенного нагрева различных водных сред или смеси воды с незамерзающими жидкостями.
Известен электродный котел [2], содержащий трубчатый электропроводный корпус с входным и выходным патрубками, токовод заземления, жестко соединенный с корпусом, и расположенные в корпусе электрически изолированные от него стержневой фазный электрод и нулевой электрод с соответствующими тоководами, снабженный двумя дополнительными стержневыми фазными электродами, а нулевой электрод выполнен стержневым, при этом электроды расположены так, что в поперечном сечении оси фазных стержневых электродов находятся, по существу, в вершинах равностороннего треугольника, а ось нулевого стержневого электрода расположена, по существу, в центре окружности, описанной вокруг указанного треугольника.
Недостатком указанного выше электродного котла является конструктивное исполнение, предполагающее установку блока котла на имеющихся трубопроводах, что ориентировано на котлы с небольшим весом и габаритами мощностью менее 50 кВт. Данный котел может быть рассчитан по мощность только для определенного значения удельной электропроводности воды, что снижает возможность его применения на различных объектах. Отсутствует возможность регулирования мощности котла. Также, конструктивно отсутствует возможность внедрения контрольно-измерительных и предохранительных устройств, отсутствует возможность отвода воздуха из верхней точки блока котла при заполнении.
Известен электродный паровой котел [3], содержащий котел для воды, на крышке которого закреплены электроды нагрева воды, и полость которого сообщена через вентиль с трубопроводом выпуска пара и трубопроводом подкачки воды, электронасосный агрегат для подачи воды в котел, предохранительный клапан и датчик реле давления, сообщенные с полостью котла, стержень-датчик уровня воды, причем электронасосный агрегат выполнен с управлением включения от реле пуска насоса, связанного со стержнем-датчиком уровня воды, смонтированным на крышке котла, а датчик реле давления, сообщенный с полостью котла, электрически связан с пускателем напряжения к электродам, при этом электродный паровой котел дополнительно содержит трубчатый чехол, расположенный вокруг стержня-датчика уровня воды и закрепленный на крышке котла, выполненный из нержавеющий стали с отверстиями в верхней и нижней его частях.
Недостатком данного электродного котла является высокая материалоемкость и технологическая сложность, и трудоемкость изготовления электродов со сложным профилем. В тоже время данный котел может быть рассчитан по мощность только для определенного значения удельной электропроводности воды, что снижает возможность его применения на различных объектах. Отсутствует возможность регулирования мощности котла. Также в данном котле отсутствует возможность полного опорожнения от теплоносителя ввиду конструктивного расположения нижнего патрубка. Отсутствует возможность отвода воздуха из верхней точки блока котла при заполнении.
Известен автоматизированный электродный котел [3-прототип] - трехфазный электродный котел, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого установлены равноудаленные фазные электроды, в цепи электропитания смонтирована тиристорная группа, прибор управления открытия и закрытия тиристоров, прибор контроля токовой нагрузки.
Недостатком данного автоматизированного электродного котла является отсутствие контрольно-измерительных и предохранительных устройств с возможностью передачи и приема сигнала от шкафа управления.
Предлагаемое техническое решение - электродный котел с плавным регулированием мощности - направлено на устранение выявленных недостатков прототипа и аналогов, а именно: обеспечения автоматического регулирования работы котла.
Предлагаемое техническое решение представлено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Электродный котел с плавным регулирование мощности представляет собой комплектное изделие, состоящее из следующих элементов: на фигуре 1 цифрой 1 обозначен блок котла, 2 - верхняя крышка блока котла, 3 - токоведущая шпилька, 4 - патрубок отвода теплоносителя, 5 - патрубок подвода, 6 - предохранительный клапан, 7 - электроконтактный манометр, ц 8 - датчик температуры теплоносителя, 9 - патрубок слива, 10 - фазные электроды, 11 - теплоизоляционный материал, 12 - патрубок воздухоотвода, 13 - опорные элементы, 14 - кабель подвода питающей сети к электродной группе, 15 - кабельный участок к датчику температуры, 16 - кабельный участок к электроконтактному манометру, 17 - кабель ввода питающей сети, ц18 - шкаф управления, 19 - внешний кожух блока котла.
Данные элементы электродного котла с плавным регулирование мощности находятся в конструктивном единстве: при мощности котла менее 300 кВт (см. фиг. 5), шкаф управления размещается на поверхности котла противоположной трубопроводным подключениям котла, при мощности котла более 300 кВт (см. фиг. 6), указанные элементы представлены единой рамной конструкцией, объединяемые сборочными операциями, выполняют одно общее функциональное назначение, что обуславливает функционально-конструктивное единство изделия, только в совокупности позволяющее элементам обеспечивать целевой технический результат.
Электродный котел с плавным регулирование мощности работает следующим образом: по патрубку ввода питательной воды 5 (см. фиг. 1), расположенному в нижней части, исходная вода начинает заполнять блок котла 1. В ходе заполнения открывается патрубок отвода воздуха 12, и исходная вода без сопротивления заполняет весь объем блока котла 1. По факту появления воды на выходе из патрубка 12 он перекрывается. В последующем нагретая вода будет покидать блок котла через патрубок отвода 4, расположенный в верхней части. По факту заполнения блока котла 1 водой с избыточным давлением, от электроконтактного манометра 7 по кабельному участку 16 в шкаф управления 18 поступает сигнал о наличии допустимого давления в системе в соответствии с принципиальной схемой (см. фиг. 2). В тоже время от датчика температуры 8 по кабельному участку 15 в шкаф управления 18 поступает сигнал о температуре теплоносителя в системе в соответствии с принципиальной схемой (см. фиг. 2). При наличии допустимого давления в системе и не достижении заданной температуры теплоносителя на фазные электроды 10, которые расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга, может быть подан ток через токоведущие шпильки 3 по кабельному участку 14 от шкафа управления 18, через тиристоры А2, B2, C2 в соответствии с принципиальной схемой (см. фиг. 2). Электрический ток, протекая через воду в межэлектродном пространстве, находящуюся в блоке котла 1, разогревает ее, что повышает давление и температуру в системе. Вода в системе должна принудительно циркулировать с помощью насоса. При достижении избыточного давления в блоке котла 1 выше установленного, либо при достижении температуры теплоносителя заданного значения, подача тока на электроды 10 в соответствии с принципиальной схемой шкафа управления 18 (см. фиг. 1) через тиристоры А2, B2, C2 (см. фиг. 2) прекратится. Когда температура теплоносителя снизится, от датчика температуры 8 поступит соответствующий сигнал и цикл нагрева теплоносителя повторится неограниченное количество раз в автоматическом режиме. В связи с тем, что исходная питательная вода имеет индивидуальное значение удельного электрического сопротивления у каждого потребителя, сила тока, возникающая при протекании через воду, находящуюся между электродами 10, может варьироваться и изменяться как внешний фактор для котла, в связи с указанным, при неизменной площади электродов 10 (см. фиг. 1), с помощью тиристорной группы А2, B2, C2 (см. фиг. 2) и прибора управления открытия и закрытия тиристоров БУСТ-2, смонтированными в шкафу управления 18 (см. фиг. 1), осуществляется ограничение максимально допустимой силы тока, возникающей на фазных электродах 10, в соответствии принципиальной схемой (см. фиг. 2) шкафа управления 18 (см. фиг. 1), в результате чего реализуется регулирование мощности котла в зависимости от удельной электропроводности. При необходимости изменения мощности котла, потребитель может самостоятельно установить требуемое значение силы тока в диапазоне 0-100%, где:
0% - полное закрытие тиристоров А2, B2, C2 (см. фиг. 2),
100% максимально возможная сила тока на данных электродах с учетом удельной электропроводности имеющейся воды, что соответствует полному открытию тиристоров А2, B2, C2.
В случае превышения избыточного давления в блоке котла 1 (см. фиг. 1) выше установленного и не срабатывания электроконтактного манометра 7, с помощью предохранительного клапана 6 избыточное давление воды будет сброшено механически. В случае необходимости полного опорожнения блока котла 1, в патрубке подачи теплоносителя 5, нижняя часть которого размещена на одном уровне с дном блока котла 1, смонтирован сливной патрубок 9, при открытии которого вода полностью покинет блок котла 1.
В случае необходимости обеспечения большой мощности котла с учетом оптимизации внутреннего объема водогрейной камеры блока котла 1, электродная группа, состоящая из трех фазных электродов 10, может быть выполнена шестью электродами, подключающимися к трехфазной электрической сети по два электрода на одну фазу (см. фиг. 3), также электродная группа, состоящая из трех фазных электродов 10, может быть выполнена девятью электродами, подключающимися к трехфазной электрической сети по три электрода на одну фазу (см. фиг. 4) по такому принципу, что ближайшими к электроду подключенному к фазе А, должны быть электроды подключенные к фазам В и С, ближайшими к электроду подключенному к фазе В, должны быть электроды подключенные к фазам А и С, ближайшими к электроду подключенному к фазе С, должны быть электроды подключенные к фазам А и В.
Предлагаемая полезная модель - электродный котел с плавным регулированием мощности - обеспечивает автоматическое регулирование работы котла.
С учетом факторов, изложенных выше и устранения недостатков прототипа, достигается необходимый результат, что в совокупности обуславливает высокую промышленную применимость технического решения.
Данное техническое решение апробировано при экспериментальном применении электродного котла 250 кВт с плавным регулированием мощности, получено подтверждение эффективности функционирования, что обуславливает промышленную применимость и возможности внедрения в производство. Планируется осуществление серийного выпуска оборудования, на основании данного технического решения, с единичной мощностью в диапазоне 50-3000 кВт с различным напряжением питающей сети.
Источники информации:
1. Патент RU №164896, 2016.
2. Патент SU №639158, 1978.
3. Патент RU №203049, 2020.