СПОСОБ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD TO HEAT LIQUID (VERSIONS) AND DEVICE FOR LIQUID HEATING (VERSIONS)

Родственные заявки и приоритет
Данная патентная заявка истребует приоритет временной патентной заявки США «Нагрев жидкости электрическим током» №61/088,720 от 13 августа 2008 г. (см. ссылки). Настоящая заявка также истребует приоритет временной патентной заявки США «Аппарат для паровой обработки пищи с использованием непрерывного нагрева воды электричеством» №61/178,970 от 16 мая 2009 г. (см. ссылки). Заявка является родственной по отношению к патентной заявке США «Аппарат для паровой обработки пищи с использованием непрерывного скоростного нагрева воды», государственный регистрационный №221-003 от 13 августа 2009 г. («Заявка 221-003», см. ссылки).
Область применения
В заявленном патенте речь идет о нагреве жидкости. Более конкретно, он касается способа нагрева жидкости посредством пропускания через нее электрического тока.
Текущий технологический уровень
При обычном электрическом нагреве жидкости ток проходит через резистивный нагревательный элемент, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Нагреваясь, резистивный элемент передает тепло жидкости, повышая ее температуру. Эта схема широко применяется в таких приборах, как водонагреватели для жилых и коммерческих объектов, в бытовой технике, например, в посудомоечных машинах, а также в промышленности. Подобный способ нагрева жидкости оказывается не совсем удачным, поскольку поверхность резистивного нагревательного элемента достигает температур, намного превышающих температуру жидкости. Более высокая температура поверхности приводит к тому, что химические вещества и примеси в жидкости вступают в химические реакции, выпадают в осадок и налипают на горячую поверхность резистивного нагревательного элемента, образуя отложения на его оболочке. Со временем этот слой нарастает и препятствует передаче тепловой энергии. Изолированный таким образом нагревательный элемент перегревается, а его КПД снижается. Рост рабочей температуры нагревательного элемента, в конце концов, приводит к его разрушению. Кроме того, при нагреве жидкости с помощью стандартного резистивного нагревателя, электроэнергия, преобразуемая резистивным элементом, должна сначала нагреть сам нагревательный элемент, затем его оболочку, весь известковый налет на поверхности, и только потом саму жидкость. Поэтому нагрев жидкости происходит с некоторой задержкой.
Чтобы решить эту проблему, можно периодически удалять известковый налет с резистивного нагревателя, тем самым предотвращая его перегрев и частую замену. Процесс удаления минеральных осадков требует длительного времени, денежных затрат и применения дорогостоящих и потенциально опасных агрессивных химических составов, наносящих ущерб окружающей среде.
Таким образом, для нагрева жидкости нужны улучшенные технологии, и именно они предложены в этой заявке на патент.
Краткие сведения об изобретении
Одним из аспектов настоящей заявки на патент является устройство для нагрева жидкости. Устройство состоит из резервуара, электродов и проводящей жидкости. В резервуаре находятся жидкость и электроды. Электроды соединяются для протекания тока в жидкости.
Также устройство оснащено непроводящим ток накопительным резервуаром для содержания электролита. Для подачи электролита в бак (основной резервуар) он оснащен системой переключателей. Приспособление имеет электрический параметрический датчик для сканирования параметров электроэнергии, переданной проводящей жидкости. На случай отклонения от заданных параметров устройство подключено к контроллеру, который способен пополнить проводящую жидкость электролитом в автоматическом режиме. Кроме того в предложенном устройстве в качестве заданного параметра используется ток, и электрический параметрический датчик считывает значение тока, устройство дополнительно укомплектовано источником питания для подачи тока, механизмом для возможной подачи электролита в резервуар, контроллер управляет работой вышеупомянутого механизма и может содержать один или несколько вышеупомянутых механизмов, содержащих насос и клапан. Устройство может быть укомплектовано стоком жидкости, соединенным с приемником горячей воды, а сток жидкости может быть соединен с посудомоечной машиной, резервуар состоит из первого и второго отсеков, где в первом отсеке расположен первый электрод, а во втором отсеке - второй электрод. Устройство может быть укомплектовано источником питания для питания первого электрода и может быть дополнительно укомплектовано температурным датчиком и контроллером температуры, где контроллер используется для обеспечения подвода электроэнергии к электродам, когда температура ниже заданной.
Еще одним аспектом, освещаемым в настоящей заявке на патент, является способ нагрева жидкости. Способ включает подготовку резервуара с расположенными в нем электродами, создание потока проводящей жидкости между электродами, обеспечение системы для регулировки электропроводности проводящей жидкости, создание электрического тока в проводящей жидкости между электродами, считывание показаний тока, использование указанной системы для автоматической регулировки электропроводности для обеспечения заданного тока. При этом автоматическая регулировка электропроводности подразумевает добавление электролита, используют проводящую жидкость, содержащую воду и электролит с солью, добавление электролита включает в себя добавление раствора, содержащего соль, автоматическая регулировка электропроводности включает в себя использование контроллера, который управляет работой, по крайней мере, одной группы устройств, состоящей из насоса и клапана.
Другим вопросом, раскрывающимся в данной заявке на патент, является устройство для нагрева жидкости. В этом устройстве для нагрева жидкости расположены резервуар с множеством отсеков, подача воды, водослив (входной, выходной потоки воды), электроды, перегородка и жидкость. В отсеках резервуара находятся жидкость и электроды. Жидкость достаточно электропроводна для того, чтобы пропускать ток между электродами. Перегородка разделяет указанные отсеки и включает первую стенку, которая имеет верхнюю часть и выполнена с возможностью пропускать жидкость к смежной верхней части и содержит вторую стенку, которая имеет нижнюю часть, вторая стенка выполнена с возможностью пропускать жидкость к смежной нижней части.
Перегородка расположена между множеством отсеков резервуара. Следующим аспектом, освещаемым в настоящей заявке на патент, является способ нагрева жидкости, заключающийся в подготовке резервуара с расположенными в нем электродами, создании потока проводящей жидкости между электродами, подаче напряжения между электродами и протекании тока в жидкости между электродами, регулировке тока для обеспечения заданного значения без изменения напряжения. Кроме того, способ характеризуется автоматической настройкой проводимости жидкости, посредством добавления электролитического вещества для обеспечения заданного уровня тока, а электроэнергия подается от цепи в розетке и имеет максимальные значения тока и линейного напряжения, напряжение равно напряжению в розетке и устанавливаемое значение тока составляет более 60% от максимально возможного тока в этой цепи.
Краткое описание чертежей
Все вышеизложенное будет предельно ясно из последующего подробного описания, проиллюстрированного на прилагающихся чертежах, сделанных не в масштабе для лучшего понимания, среди которых:
Фиг.1а - поперечный разрез варианта конструкции устройства для нагрева жидкости, согласно настоящей заявке на патент, состоящей из отсеков резервуара с множеством электродов, проводящей жидкости под давлением, протекающей между электродами, сосуда с электролитом, и контроллера для обеспечения жидкости электролитом с целью усиления ее электропроводности.
Фиг.1b - трехмерный вид другого варианта конструкции устройства для нагрева жидкости с фиг.1а, в котором жидкость находится под атмосферным давлением.
Фиг.2а - трехмерное изображение устройства для нагрева жидкости по частям с фиг.1а.
Фиг.2b - трехмерное изображение перегородки, электродов, и соединительные провода устройства для нагрева с фиг.1а.
Фиг.3 - структурная схема электропитания и контроллера устройства для нагрева жидкости с фиг.1а.
Подробное описание
Устройство 18, 18' для нагрева поступающей жидкости 19 состоит из резервуара 20, 20', где в отсеке резервуара 20 находится электродная установка 22 и в отсеке 20с электродная установка 23, как показано на фиг.1а-1b. В одном из исполнений трехфазовая электродная установка 22 состоит из электродных пластин 22а-22а', 22b-22b', 22с-22с'', а трехфазовая электродная установка 23 состоит из таких же пластин 23а-23а', 23b-23b'', 23c-23c', как показано на фиг.2а-2с. В резервуаре 20 находится проводящая жидкость 24, которая изолирована от наружной поверхности резервуара 20, 20'. Устройство для нагрева жидкости можно использовать для нагрева холодной жидкости 24, повышая температуру ранее нагретой жидкости или поддерживая температуру прежней.
Резервуар 20, 20' может быть изготовлен из металла (например, из стали), покрытого изнутри диэлектрическим материалом 25: фторополимером, стеклом или фарфором. Резервуар 20, 20' также изолирован и помещен в контейнер (не показан), изолирующий его в дальнейшем. При слабом давлении резервуар 20, 20' допустимо выполнять из диэлектрического материала, такого как пластик.
В одном случае устройство для нагрева жидкости 18, 18' использовалось для повышения температуры поступающей жидкости 19, например воды из городского водоснабжения, что протекала через резервуар 20, 20'. Вливающаяся жидкость 19 может поступать прямо из водопровода или она может быть ранее очищена, использована, или нагрета в любом другом нагревательном устройстве. Допустим, втекающая жидкость 19 имеет начальную температуру 150°F и для повышения ее до 200°F используется устройство для нагрева жидкости 18, 18'.
Входящая жидкость 19 должна быть на водной основе или содержать большое количество воды, как, например, морская вода, отстойная вода, молоко, кровь, биологические жидкости, отработанные пищевые отходы, смесь отработанных органических отходов, чистящие средства, пиво и вино. В качестве теплопроводящей жидкости 19 также может быть спиртом, например этанолом или гликолем, или веществом на основе парафина. Если жидкость 19 отлична от водного раствора, тогда раствор электролита 26 должен содержать присадки, проводящие ток, подходящие для данной жидкости. Образуемая смешением втекающей жидкости 19 и раствором электролита 26, проводящая жидкость 24 позволяет существенно ускорить протекание тока между электродами и электродными установками 22, 23, нежели без смешивания. При сильном электротоке проводящая жидкость 24 сохраняет тепло в течение всего времени нахождения в резервуаре 20, 20'.
Электролит 26 добавляется к втекающей жидкости 19, чтобы улучшить проводимость жидкости по сравнению с использованием только втекающей жидкости 19. Электролит 24 может быть жидким или твердым. В одном из вариантов конструкции электролитическое вещество 26 - это сам раствор электролита. Например, электролитическое вещество 26 может быть водным раствором, содержащим электролит солей (металлов), как хлорид натрия и хлорид калия. В дополнение к солям могут быть использованы водные растворы таких дополнительных водных электролитических растворов, как карбонат натрия, бикарбонат натрия, гидроксид натрия, соляная кислота, аммиачная селитра, азотная кислота и уксусная кислота. Также можно использовать водные растворы других солей или других проводящих растворов. Чистящие вещества, моющие растворы, защитные частицы от коррозии металла или смесь этих веществ могут добавляться в электролит 26.
В одном из проектов устройство для нагрева жидкости 18, 18' содержит питающий сосуд с электролитом 28, соединенный с отсеком резервуара 20s через впускную трубу 30а этого сосуда, для подачи электролита 26 в отсек 20а. Подача осуществляется с помощью насоса или самотеком. Электролит 26 может быть добавлен во втекающую жидкость 19 в впускной трубе 30b, прежде чем жидкость 19 попадет в отсек резервуара 20а, как показано на фиг.1а. В качестве альтернативы, электролит 26 можно добавить в отсек 20а с помощью его собственной впускной трубы 30с, отдельно от втекающей жидкости 19, поступающей через впускную трубу 30д, как показано на фиг.1b.
В другом варианте конструкции накопительный резервуар с электролитом может располагаться отдельно от устройства для нагрева жидкости 18, 18'. Например, в качестве накопительного резервуара с проводящей жидкостью может быть установка для умягчения воды, содержащая водный раствор с солями электролита.
В экспериментальной установке электролитом 26 являлся водный раствор поваренной соли, с концентрацией хлорида натрия 30000 частиц на миллион. Электролитический раствор был получен смешиванием ¼ чайной ложки соли и 7 галлонов (26, 46 л) воды. Для получения проводящей жидкости 24 использовали точное количество электролита и водопроводную воду города Винуски (штат Вермонт, США), концентрация которой составляла 90 частиц на миллион. В данном тесте была получена проводящая жидкость 24 с концентрацией хлорида натрия в пределах сотен частиц на миллион.
В другом варианте конструкции устройство для нагрева жидкости 18, 18' содержит переключатель 36 с функцией программного запроса величины протекания тока к электродным установкам 22, 23. Устройство 18, 18' также содержит подключенный контроллер 38, который считывает данные переключателя 36 для автоматического управления течением от электролита 26 до отсека резервуара 20а.
В вышеописанной экспериментальной модели в качестве втекающей жидкости 19 использовалась водопроводная вода и раствор электролита 26 с концентрацией хлорида натрия 30 000 частиц на миллион, а также были использованы переключатели 36 для управления током и раствором электролита. Экспериментаторы, проводившие этот опыт, использовали переключатели с функцией программного запроса тока для получения такого необходимого объема электролита 26, чтобы водопроводная вода обладала следующей проводимостью: при установлении напряжения в 208 В между парами электродных пластин установок 22, 23 протекал ток 32 А.
Эти 32 А составляли более 60% от максимально возможного значения тока 50 А питающей энергии от розетки. Устанавливаемое значение тока может быть и выше, например, 70% или вплоть до 80% порогового значения тока в электрической цепи настенной розетки. Этот электрический ток, протекающий в проводящей жидкости 24 между парой электродных пластин в электродных установках 22, 23, повышал температуру жидкости с 150 градусов по Фаренгейту на входной части 39 примерно до 200 градусов на стоке 40 резервуара 20, 20'. Затем эта нагретая вода использовалась для дезинфекционной обработки использованной посуды в промышленных посудомоечных машинах. С расходом водопроводной воды в 293 галлона/час (1107 л/час) через резервуар 20, 20' для дезинфекционной обработки использовался небольшой насос, чтобы перемешать раствор хлорида натрия с концентрацией 30000 частиц на миллион. Таким образом, посредством протекания тока в проводящей жидкости 24 между электродами в резервуаре 20, 20', ей было передано необходимое количество тепла, что повысило температуру на 50°F. Исследуя выходной поток проводящей жидкости 24 из резервуара 20, 20', экспериментаторы обнаружили, что концентрация хлорида натрия там составляла 450 частиц на миллион.
Устройство 18, 18' также можно использовать и для центрального отопления в домах. С этой целью в качестве входящей жидкости 19 может использоваться вода, которая циркулирует между напольным нагревателем и устройством 18, 18'. В других вариантах устройством, в которое поступает нагретая вода, может быть кран с горячей водой, душевая насадка, бочка с горячей водой, автомойка, бассейн с подогревом, или другой промышленный объект, нуждающийся в горячей воде. Вода, поступающая во входную часть 39, может быть проводником, в случае если она содержит электролит от умягчителя воды или если это циркулирующая вода, в которую заранее добавлен электролит.
Устройство 18, 18' предусматривает повышение или понижение концентрации электролита в проводящей жидкости 24, протекающей в резервуаре 20, 20'', для поддержания предусмотренного значения тока. Для повышения концентрации электролита в проводящей жидкости 24 добавляется большее количество электролитного раствора 26. В одной из конструкций этого добивались с помощью вливания раствора 26 в течение увеличивающейся продолжительности времени, в то время как водопроводная вода подавалась через резервуар 20, 20'. Для уменьшения концентрации электролита в проводящей жидкости 24 электролитическое вещество 26 вливали меньшее количество времени, в то время как водопроводная вода протекала через резервуар 20, 20'. Таким образом, устройство 18, 18' допускает изменение концентрации проводящих растворов жидкости 24 в обоих направлениях.
Повышение концентрации проводящих растворов в жидкости 24 повышает ее проводимость, которая усиливает протекание тока через жидкость 24 при заданном напряжении. Ток и скорость нагрева возрастают пропорционально, так как скорость нагрева - это ток, который превышает напряжение. Подобным образом, уменьшение концентрации проводящего раствора снижает скорость нагрева.
Насос 41 соединен от питающего сосуда 28 с электролитом 26 к резервуару 20, 20' впускной трубой 30. В одном устройстве, собранном заказчиками, использовался шестеренчатый насос модели PQM-1/230 АС, поставленный компанией Greylor (Кейп Корал, штат Флорида, США). Могут использоваться и другие насосы, такие как шланговый насос серии Mec-o-matic VSP компании Pulsafeeder (корпорация Idex).
В прототипах экспериментаторы встраивали контроллер 38 обычно с открытым переключателем 36 с функцией программного запроса тока и точно таким же закрытым переключателем 42. Такие переключатели можно заказать в корпорации Eaton (Кливленд, штат Огайо, США), с номерами партий ECSNOASP и ECSNCASP соответственно. Когда отметка тока падает ниже заданного значения в 32 А, обычно открытый переключатель 36 закрывается, поворачивая насос 41 и открывая клапан 110.
Как правило, закрытый переключатель с функцией программного запроса тока 42 открывается, если ток превысит отметки заданного значения, например в 38 А. В обычном состоянии закрытый переключатель тока 42 открывается в целях повышенной безопасности от тока и соединяется множеством проводов с переключателем 36, предохраняющим от перенагрузки. Если ток превысил установленное значение в 38 А, то открылся бы закрытый в обычном состоянии переключатель 42, останавливая работу насоса 41 и течение электролита 26 в резервуар 20, 20'. Если сила тока падает ниже заданной отметки в 38 А, откроется переключатель 42, закрытый в обычном состоянии. Когда ток падает ниже отметки 32 А, оба переключателя 42 и 36 перекрываются, насос 42 возобновит накачивание и электролит 26 снова пропускается через резервуар 22а, чтобы повысить значение тока до 32 А.
В другом варианте конструкции на насос 41 и клапан 110 одновременно подается напряжение, для того чтобы предотвратить падение давления, и, как следствие, отток раствора электролита из питающего сосуда 28 при выключенном насосе 41.
В другом случае в устройстве электролитический раствор 26 подается под силой тяжести. При таком воплощении, когда переключатель с функцией запроса тока 36 обнаруживает его падение ниже заданного значения в 32 А, переключатель 36 закрывается, приводя в действие гидрораспределитель с электромагнитным управлением 110, выключенный в обычном состоянии. Включение гидрораспределителя с электромагнитным управлением 110 позволяет электролитическому раствору 26 течь под собственной силой тяжести (самотеком) в резервуар 20, 20'. В таком случае в любом из вариантов электролитический раствор 26 автоматически подается в резервуар 20, 20', для того чтобы достигнуть заранее настроенной величины тока при линейном напряжении, и такие ток и напряжение обеспечивают заранее предусматриваемую скорость нагрева.
В отличие от этого возможность протекания втекающей жидкости 19 для заполнения резервуара 20, 20' без применения электролита 26 разжижает его концентрацию в проводящей жидкости 24 резервуара 20, 20', снижение проводимости проводящей жидкости 24 и уменьшение протекания тока через нее. Таким образом, как только нагретая жидкость 24 вытекает из резервуара 20, 20', вливается новая жидкость 19, и проводимость проводящей жидкости 24 в резервуаре 20, 20' постоянно регулируется для обеспечения и поддержания заданного уровня тока.
Входная часть 39 электрически изолирована прокладкой из диэлектрического материала 51 и жидкость на стоке 40 изолирована с помощью диэлектрических прокладок 53 для изоляции впускной металлической трубы 30 и выходной трубы 54 из резервуара 20, 20', предотвращая утечку жидкости из труб 30 и 54. Прокладки 51 и 53 содержат заземляющие кабели, которые соединяют проводящую жидкость 24 с землей, посредством защитного устройства от утечки на землю. Если ток в землю превышает пороговое значение, то с помощью этого устройства все питание резервуара 20, 20' отключится. Резервуар 20, 20' также имеет свой заземляющий кабель.
Жидкость на стоке 40 соединена с агрегатом или системой (здесь не показаны): например, с промышленной или домашней посудомоечной машиной, в которой нагретая вода 56 будет использоваться для дезинфекции посуды.
В конструкции на фиг.1b резервуар 20, 20' негерметичен, скажем при атмосферном давлении, и поплавковое реле уровня в резервуаре 20, 20 контролирует работу соленоида, приводимого в действие наполнительным клапаном, соединенным в свою очередь с входной частью для поступающей жидкости 39. Поплавковый переключатель может быть из партии серии М8700 от компании Madison Company, Branford СТ.
В устройстве для нагрева жидкости 18, 18', созданном кандидатами, резервуар 20, 20' имеет три разделительных участка 20а, 20b, 20с. Предварительно нагретая водопроводная вода, попавшая в входную часть 39, находится на дне 62 первого участка 20а, как показано на фиг.1а, 1b. Соленый водный электролитический раствор 26 заполнился в отсеке 20а для производства проводящего раствора 24.
Проводящая жидкость 24 была нагрета током, проходящим в проводящей жидкости 24 между электродными пластинками 22а-22а', 22b-22b', 22c-22c' первой электродной установки 22 первого отсека 20а. Нагретая проводящая жидкость 24 поднимается до верхней части 68 первого отсека резервуара 20а и вытекает из него через отверстия 74 в верхней части 76 первой стенки 78 перегородки и впускного промежуточного резервуара 20b, затем проводящая жидкость 24 вытекает из среднего резервуара 20b через отверстия 86 на дно 88 второй стенки 90 перегородки и попадает в третий отсек резервуара 20с, где нагревается током, протекающим в проводящей жидкости 24 между электродными пластинками 23а-23а', 23b-23b', 23c-23c' во второй электродной установке 23. Нагретая проводящая жидкость поднимается до верхней части 102 третьего отсека резервуара 20с, и последующая нагретая вода вытекала по стоку 40 третьего отсека 20с.
Эксперимент показал, что растворенная твердая фаза, которая обычно имеет место в водопроводной воде, не выпадала в осадок и не образовывала известковых отложений на электродных пластинках 22а-22а', 22b-22b', 22c-22c' и 23а-23а', 23b-23b', 23c-23c', как это обычно происходило при нагреве стандартными резистивными нагревателями. Известковый налет отсутствовал, потому что электродные установки 22 и 23 сохраняют температуру жидкости, в которой они погружены, тогда как стандартные резистивные нагреватели работают при более высоких температурах. Таким образом, данная система уменьшает или устраняет надобность удаления извести или частой замены, как это происходит в нагревателях резистивного типа.
В такой конструкции в среднем отсеке резервуара 20b нет электродов; средний отсек 20b служит для избегания набегания воды из-за повышения температуры, улучшающей процесс. Время нахождения воды в каждом отсеке резервуара увеличивается. Так, если резервуар 20, 20' изначально пустой, вода сначала полностью заполняет отсек 20а, прежде чем начать выливаться через отверстия 76 в верхней части первой стенки 78 перегородки и перетекать в отсек 20b, тем самым максимально увеличивая время стояния в отсеке резервуара 20а. Затем эта вода попадает на дно третьего отсека резервуара 20с через отверстия 86 на нижней части второй стенки 90 перегородки и остается в отсеке 20с до тех пор, пока он полностью не заполнится, далее вода вытекает по стоку 40 в верхней части отсека 20с, максимально увеличивая время нахождения воды здесь.
В конструкции с атмосферным давлением, так как проводящая жидкость 24 вытекала из третьего отсека резервуара 20с в посудомоечную машину, поплавковый переключатель 55 приводил в действие гидрораспределитель с электромагнитным управлением 110 и предварительно нагретая до 150°F водопроводная вода втекала в первый отсек резервуара 20а. Поплавковый переключатель 55 был поставлен компанией Madison (штат Коннектикут, США), с серийным номером М8700. Предварительно нагретая до 150°F водопроводная вода вылилась в резервуар 20а, снизив концентрацию соли в проводящей жидкости 24 в первом отсеке резервуара 20а, тем самым уменьшая ее проводимость в этом отсеке, и уменьшая ток между электродными пластинками 22а, 22b, 22с в первом отсеке 20а.
При снижении силы тока ниже заданного значения регулятор 36 включает насос 41 для подачи дополнительного электролитического материала 26 в первый отсек резервуара 20а. Повышение электропроводности жидкости 24 приводит к увеличению силы тока между электродами в электродных установках 22, 23 и вызывает повышение скорости нагрева в отсеках резервуара 20а, 20с. Насос 41 работает до тех пор, пока сила тока не достигнет 32 А. При этом значении переключатель 36 отключает насос 41 и подача электролитического материала 26 в отсек резервуара 20а временно прекращается. При этом ток продолжает течь между электродами установок 22 и 23. Насос 41 периодически включается и отключается, чтобы поддерживать силу тока в 32 А, до тех пор пока температура воды в стоке 40 не достигает заданного значения.
В герметичной системе на фиг.1а поплавковый переключатель ненужен, и в отсеках резервуара 20а, 20b, 20с постоянно находится вода под давлением.
Как показано на фиг.1а, 1b и 3, в качестве температурных датчиков 112 и 113 для измерения температуры проводящей жидкости 24 в первом отсеке 20а и третьем отсеке 20с резервуара используются термопары типа К. Температурный контроллер 114, соединенный с температурными датчиками 112 и 113, отключает подачу тока на электродные установки 22, 23 в том случае, если температура достигает заданного значения. В данном случае на прототипе была установлена температура 200°F. Таким образом, проводящая жидкость 24 не перегревалась, а для достижения заданной температуры использовалось минимальное количество электроэнергии. Такие температурные сенсоры, как термисторы, также могут использоваться в устройстве. Подача энергии на электродные установки в обоих отсеках резервуара прототипа осуществлялась от одного источника питания. В прототипе использовалась модель температурного контроллера ЕСМ-40 от компании Athena Controls, Plymouth Meeting, Pennsylvania и термопары типа К.
В температурной цепи трехфазный переменный ток подается через временную электропроводку клеммной колодки 130 и параллельно подается на обе обкладки электродов в установках 22, 23 через релейные установки 138 и 140. Установка 138 состоит из 3 твердотельных реле 138а, 138b, 138с, а установка 140 - из 3-х твердотельных реле 140а, 140b, 140с. Каждое из 3-х твердотельных реле подключается к 1-й фазе источника питания. Твердотельное реле 138 подключается к электродам 22а, 22b, 22с установки 22, а реле 140 - к электродам 23а, 23b и 23с установки 23. В качестве релейных установок может использоваться модель CWD2450 от компании Crydom, San Diego, CA.
Питание подается на температурный контроллер 114 через переключатель электропитания 132, высокотемпературный предохранитель 134 и понижающий трансформатор (208/18 В) 136. Показания температуры с двух датчиков 112, 113 используются контроллером 114 для регулировки температуры в отсеках резервуара 20а, 20с. Для повышения температуры в одном или обоих отсеках резервуара температурный контроллер 114 изменяет напряжение на обмотках твердотельных релейных установок 138 или 140 и таким образом отключает данное реле, что позволяет току течь между электродами в нужном отсеке резервуара. В другой модификации каждый резервуар 20а и 20с имеет собственный температурный контроллер. Для температурного контроллера 114 может использоваться модель DCH компании Antunes Controls, Carol Stream IL.
Высокотемпературный предохранитель 134 входит в комплект для предохранения от перегрева и, как следствие, от причинения вреда оператору или устройству 18, 18'. Предохранитель 134 представляет собой закрытое устройство с биметаллическим диском, которое устанавливается снаружи резервуара 20, 20' и регистрирует температуру его поверхности. Если температура поднимается выше определенного значения, то предохранитель 134 открывается и перекрывает подачу тока на электроды установки 22, 23, что приводит к прекращению нагрева проводящей жидкости 24 этими электродами. Предохранитель 134 автоматически возвращается в закрытое положение после понижения температуры. Для системы нагрева воды до 200°F верхний предел температуры для предохранителя 134 устанавливается равным 250°F, а нижний - 220°F. Как показано на фиг.2 и 3, электроды 22а-22с и 22а'-22с' изготавливаются из графитовых пластин. В одном из экспериментов пластины имели размеры 4" на 9" и расстояние между собой 1.688". Каждая графитовая пластина была установлена на скобы 121 из титанового листа типа 2, каждая из которых была подключена к электропроводке 120, выполненной из титанового прутка типа 2 диаметром в 0,125 дюймов. На фиг.2а-2б показано, что эти прутки находятся внутри диэлектрически изолированных вкладышей на крышке резервуара 122. Практика показывает, что графитовые электроды имеют больший срок службы в сравнении с нагревателями резистивного типа.
В свою очередь, резервуар 20, 20' может иметь один отсек. Одна и более электродных установок могут использоваться в модификации с одной емкостью резервуара. Также может быть использована система с двумя резервуарами. В последнем случае в верхней части разделительной стенки могут располагаться отверстия. Резервуар 20 также может иметь более 3-х отсеков. Для нагрева проводящей жидкости 24, протекающей с более высокой скоростью, могут использоваться дополнительные электродные установки, которые располагаются в дополнительных резервуарах.
Хотя на чертеже показана система с трехфазным питанием, может также использоваться система с одним. В примере указана система, рассчитанная на 208 В, хотя можно использовать и другое напряжение, например 480 В, 240 В или 120 В. Хотя в примере была описана система с постоянным источником напряжения, также может быть использована система с постоянным током, и напряжение, которое изменяется вместе с проводимостью проводящей жидкости, также может использоваться.
Как показано на фиг.3, в одной модификации источник питания соединен параллельно с электродными установками 22, 23 в обоих резервуарах. В данной модификации тот резервуар, который содержит проводящий раствор 24 с большей проводимостью, в данный момент времени проводит больший ток и нагревается быстрее. Если проводящая жидкость 24 течет, то сила тока в отсеке резервуара 20с в общем случае будет повторять силу тока в отсеке 20а, но с небольшой задержкой, которая требуется проводящей жидкости 24 из перехода из резервуара из отсека 20а к 20с. В другой модификации каждый электрод запитывается от своего собственного источника питания. В такой модификации два источника питания могут обеспечивать одинаковую фазу и напряжение. В другом случае два источника питания подают разные напряжение и фазу. В одной модификации ток подается на электродной установке 22 источником переменного тока 46, например как стандартный источник на 208 В и 3 фазы. В другой модификации может использоваться однофазный источник и одна пара электродов. В новой модификации с одним источником питания, подсоединенным к температурному контроллеру 114, ток независимо поочередно направляется к каждой установке электродов 22, 23 при своем максимальном значении. Температурный контроллер 114 использует модуляцию по ширине импульса для направления тока к каждой из электродных установок 22 и 23, как описано в заявке на патент 221-003, приведенной здесь в качестве ссылки. Полный или полуволновой ток поочередно направляется на каждую электродную установку 22, 23, пока не достигается заданная температура. В одной модификации температурный контроллер 114 устанавливается для подачи прямоугольной волны на переключатели для каждой электродной установки 22, 23, что позволяет контролировать рабочий цикл в двух электродных установках. При каждом включении и выключении некоторая часть энергии передается каждой электродной установке.
В другой модификации контроллер электрического тока 114 представляет собой цепь, которая подает ток на электродную установку 22 в первый период времени и не подает ток на электродную установку 23 в течение этого периода. По истечении этого периода цепь в контроллере 114 направляет электрический ток к электродам 23 в течение второго периода времени и не направляет его к электродам 22. Затем цикл повторяется, ток подается на электроды 22 и 23 последовательно. На практике было построено и протестировано устройство, работающее по этой схеме с частотой ¼ секунды. В этой модификации каждая электродная установка получала максимальное питание в течение 1/8 секунды и оставалась без питания на следующую 1/8 секунды, в течение которых другая электродная установка получала максимальный ток. Таким способом вода в двух резервуарах, каждый из которых нагревался одной из электродных установок, была нагрета до кипения, а через электроды в каждом сосуде тек практически максимальный ток, который можно было безопасно использовать от настенной розетки при напряжении, которое было близко или равно возможному от сети. При длительности рабочего цикла 50% каждый резервуар получал практически максимальный ток, доступный от настенной розетки, и мощность, поставляемая к обоим резервуарам, была значительно выше той, которая могла быть достигнута при стандартном параллельном или последовательном подключении сети. При стандартном параллельном подключении напряжение между резервуарами делится и напряжение между резервуарами должно быть значительно меньше, для того чтобы полный ток не превысил максимальный возможный ток от сетевой розетки. При последовательном соединении напряжение делится между резервуарами, таким образом, мощность на каждом из них понижается. Обеспечивающее последовательную подачу тока к электродным установкам уникальное параллельное соединение в данной модификации позволяет подключать одну из установок электродов на продолжительный период времени для настройки проводимости жидкости при заданном уровне тока. В то время как другая установка может работать при полном напряжении и токе, близком к максимально возможному в сети. Такой режим работы не может быть достигнут при последовательном подключении электродов.
Разрабатывая систему, в которой проводимость нагреваемой жидкости изменялась, заявители подавали максимальное напряжение одновременно с уровнем тока, близким к максимально допустимому для электропроводки. Таким образом, всегда достигалась максимальная мощность, что способствовало максимально высокой скорости нагрева. После этого в устройстве можно настроить рабочий цикл, для того чтобы избежать превышения заданной температуры. В устройстве регулировался рабочий цикл путем перехода от полуволны к импульсной, например, путем подачи полуволны в том случае, когда проводимость жидкости была слишком высока. В экспериментах также изменялась проводимость жидкости 24 для регулировки уровня тока. Кроме того, выборочно прекращалась и возобновлялась подача мощности на одну или более электродных установок 22 и 23, при этом сохраняя проводимость жидкости 24.
В экспериментах было обнаружено, что непосредственный нагрев воды путем изменения проводимости воды или пропускание через нее тока способствовал существенно более быстрому нагреву, при том что в сравнении со стандартными резистивными нагревателями воды контролировать процесс стало проще, а КПД повысился. Было обнаружено, что при использовании самой воды в качестве нагревательного элемента электрическая энергия превращалась в энергию прогретой жидкости с меньшей задержкой. Отсутствие нарастания накипи, описанное выше, также приводит к более быстрому и эффективному нагреву.
Как было обнаружено, прямой нагрев жидкости в настоящей заявке вызывает проблему перегрева, которая появляется вследствие задержки, при использовании резистивных нагревателей. Задержка при передаче тепла в резистивных нагревателях означает, что электрическая энергия продолжает поступать уже после того, как требуемая температура была достигнута, и это зачастую приводит к повышению температуры и расходованию излишней энергии. В одном из экспериментов было обнаружено, что устройство 18' 18 способно самонастраиваться под непредвиденные обстоятельства. Было запланировано нагреть воду до 200°F при температуре во входной трубе 39 150°F и пропускной способностью 293 галлона/час. При падении температуры подаваемой воды до 90°F устройство 18' среагировало так, что интервалы времени, в течение которых питание подавалось на электродные установки 22 и 23, были увеличены, и, таким образом, для жидкости с более низкой входной температурой, передавалось большее количество тепла.
В одном из экспериментов было обнаружено, что при добавлении соли во входящий поток 19 на тарелках не остается налета. Было обнаружено, что устройство может использоваться как отдельный агрегат для сверхбыстрого нагрева воды и подачи ее в посудомоечную машину. Как было выяснено, такой нагреватель может быть встроен в посудомоечную машину. Было выяснено, что устройство также может использоваться для нагрева холодной воды в водоснабжении горячей водой жилых, коммерческих и промышленных зданий.
Несмотря на то что устройства и способы снабжены эскизами и иллюстрациями, в них могут быть внесены изменения без отступления от идеи и объема изобретения, которые описаны в прилагаемой формуле изобретения.