ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ИЛИ УМЕНЬШЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ НАКИПИ НА НАГРЕВАТЕЛЬНОМ ЭЛЕМЕНТЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ
PREVENTION OR REDUCTION OF INCRUSTATION ON WATER HEATER HEATING ELEMENT

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу использования водонагревателя и к водонагревательной системе, которая может быть использована для такого способа. Изобретение также относится к электронному устройству, содержащему такую водонагревательную систему.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Водонагревательные устройства применяются во многих областях, например, в паровых утюгах, электрических чайниках, автоматах для продажи горячих напитков и т.д. Недостатком таких устройств является то, что на нагревательных элементах, которые имеют контакт с водой, может образовываться накипь.
Во время работы, например, устройства для генерации водяного пара, вода подается в часть системы снабжения водой, где она нагревается, например в (внешний) бойлер гладильной системы, вследствие чего может образоваться накипь. Если накипь (периодически) не удаляется, может произойти засорение, в результате чего производительность устройства для генерации водяного пара может снизиться и, в конечном счете, может возникнуть вероятность того, что устройство для генерации водяного пара станет непригодным для использования.
Например, в WO2007007241 описана паровая гладильная система, содержащая паровой утюг и бойлерную систему, имеющую бойлер для генерации водяного пара, в которой паровой утюг и бойлер соединены друг с другом шлангом подачи пара. Во время работы бойлерной системы в бойлере образуется накипь. С целью удаления накипи из бойлера через регулярные промежутки выполняют процесс промывания бойлерной системы. Во время процесса промывания открывают промывочный клапан, соединенный с выпуском воды, расположенным на дне бойлера, и вода вытекает из бойлера в промывочный контейнер. В ходе этого процесса частицы накипи переносятся вместе с потоком воды. Предпочтительно, перед открыванием промывочного клапана внутри бойлера создают давление, в результате чего вода принудительно выбрасывается из бойлера, что повышает эффективность промывания. Во время промывания или в его конце в бойлер может быть введен растворитель накипи.
В US 2003192436 описан способ генерации водяного пара, в частности, для устройства приготовления пищи, при котором текучую среду, находящуюся в контейнере парогенератора, доводят до кипения путем нагрева по меньшей мере одной нагреваемой поверхности стенки контейнера парогенератора. Эту текучую среду при нагреве приводят во вращение и в результате прижимают к нагреваемой поверхности стенки из-за центробежных сил, возникающих при вращении. Водяной пар, возникший в результате испарения по меньшей мере части текучей среды, выходит из контейнера парогенератора через выпуск пара, и капли текучей среды, переносимые паром, отделяют при помощи по меньшей мере одного первого ротора, установленного с возможностью вращения в контейнере парогенератора, который приводит эту текучую среду во вращение. Это изобретение также относится к устройству, в котором используют рассмотренный способ.
В US2001018866 описана система для индикации состояния обызвествления проточных нагревателей, в частности, в машинах для кофе-эспрессо, причем проточный нагреватель имеет магистраль впуска холодной воды и магистраль выпуска горячей воды, и эта система предназначена для точной индикации состояния обызвествления и имеет несложную конструкцию. С этой целью предусмотрен манометр для измерения перепада давлений текучей среды, который имеет две камеры высокого давления, разделенные диафрагмой, причем одна из камер высокого давления имеет гидравлическую связь с магистралью впуска холодной воды, а другая камера высокого давления имеет гидравлическую связь с магистралью выпуска горячей воды. Диафрагма, на которую действует разница давлений между двумя камерами, соединена с элементами индикации.
2+
-
3
3
Жесткая вода, содержащая значительное количество Ca и HCO  (бикарбонат), может образовывать накипь (CaCO) при увеличении температуры в соответствии со следующей химической реакцией:
3
2
3
2
2
Ca(HCO) → CaCO + HO + CO
2+
+
+
В частности, накипь будет выделять кипящая вода, эта накипь будет образовываться не только в воде, но также и на самом нагревательном элементе, так как он имеет наибольшую температуру. Со временем накипь на нагревательном элементе будет нарастать, и когда внутренние механические напряжения увеличатся, она будет свободно отделяться от элемента. В литературе предлагается несколько способов обработки воды для предотвращения образования накипи. Хорошо известным способом является использование средств ионного обмена, где Ca заменяется на Na или H. Вторым хорошо известным способом является использование фосфоната, который в небольшом количестве добавляют в воду и который препятствует образованию зародышевых кристаллов в жесткой воде, эффективно предотвращая рост кристаллов и, таким образом, образование накипи (см. также указанные выше документы).
В первом случае необходимо использовать картридж с находящейся внутри ионообменной смолой. После израсходования картридж необходимо регенерировать или заменять новым. В последнем случае необходимо постоянно добавлять фосфанат, так как фосфонаты имеют ограниченную устойчивость при pH на уровне 7-8,5, т.е. pH жесткой воды. Постоянное добавление может быть реализовано, например, за счет использования плотно спрессованной таблетки, которая очень медленно выделяет фосфонаты в воду. Этот принцип работы используется в существующих паровых утюгах. При этом в воду добавляют химикаты, что может оказаться недостатком, например, если воду (также) предполагается использовать для питья.
Также предложены физические способы предотвращения образования накипи, но они могут иметь менее ясный принцип работы, и их действенность в некоторых случаях может даже оказаться сомнительной. Примером плохо понимаемого и невоспроизводимого способа предотвращения накипи является использование (электро)магнитов, установленных на водяном трубопроводе для предотвращения накипи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, аспект изобретения состоит в том, чтобы предложить альтернативный способ предотвращения или снижения образования накипи в водонагревателе и/или альтернативную водонагревательную систему, который(ая) предпочтительно устраняет или по меньшей мере частично смягчает один или более из вышеописанных недостатков и/или позволяет обойтись без относительно более сложных конструкций или решений уровня техники. В частности, цель изобретения состоит в том, чтобы предотвратить или снизить образование накипи на нагревательных элементах (таких как нагреваемая стенка или погружной нагреватель) в нагревательных приборах и/или устранить обызвествление поверхностей таких нагревательных элементов.
В данном случае предлагается электрохимический метод предотвращения и/или удаления накипи из водной жидкости, такой как вода. В основе него может лежать принцип наличия в воде двух электродов, соединенных с источником питания постоянного тока. На аноде (положительном электроде) происходит окисление. На катоде (отрицательном электроде) происходит восстановление; на практике это означает, что на катоде вода восстанавливается:
2
2
-
-
2HO + O + 4e → 4OH.
-
-
-
-
2+
3
3
3
Образование OH будет приводить к локальному увеличению pH и превращению HCO  в CO . CO  будет реагировать с Ca, и на катоде будет осаждаться известь.
На аноде происходит окисление. Если материал анода стоек к окислению, то окисляется вода с образованием кислорода и кислоты. Кислота будет растворять известь, которая выделилась на электроде, и электрод будет оставаться чистым при использовании в нагретой (жесткой) воде:
2
2
+
-
2HO → O + 4H + 4e.
Если анод является реакционно-способным, он может окисляться. Например, металлические аноды будут растворяться, если только не используются аноды из очень устойчивого металла (Pt), некоторых оксидов переходных металлов или углерода. Со стали выделившуюся на ней известь можно удалить путем приложения положительного напряжения, но эффективность этого ограничивается коррозионной стойкостью металла, что позволяет применять только небольшие электрические напряжения/токи.
В итоге, такая простая установка может удалять накипь из воды путем осаждения ее на катоде и поддержания анода (стойкого к окислению) чистым. Недостатком, помимо необходимости в коррозионной стойкости материала анода, может стать то, что катод необходимо очищать через регулярные интервалы. Поэтому изобретением, в частности, предлагаются решения, которые также могут решить и эту проблему. Ниже некоторые предпочтительные варианты его реализации рассмотрены более подробно.
Было неожиданно обнаружено, что образование накипи можно снизить, предотвратить или исключить при использовании способа, в котором подают два сигнала переменного тока с различными частотами. Поэтому изобретением, в частности, предлагается способ использования водонагревателя, предназначенного для нагрева водной жидкости, причем водонагреватель содержит нагревательный элемент для нагрева водной жидкости в водонагревателе, и этот способ содержит:
a. нагрев водной жидкости в водонагревателе нагревательным элементом, причем нагревательный элемент находится в контакте с водной жидкостью; и
b. приложение первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом и приложение второго напряжения переменного тока (или больше напряжений переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем второе напряжение переменного тока имеет вторую частоту переменного тока, выбранную из диапазона 0,02-5 Гц, и при этом отношение между первой частотой переменного тока и второй частотой переменного тока составляет 2 или более.
Возможно, может быть добавлена компонента постоянного тока. Эти две или более компоненты переменного тока и возможная компонента постоянного тока соответственно обсуждаются ниже более подробно.
Переменный ток
При подаче на электроды переменного тока (AC), на электродах с чередованием будут образовываться кислота и основание. При образовании накипи во время кипения, она, по существу, не будет сцепляться со стенками электрода, так как будет постоянно растворяться и повторно осаждаться на поверхности электрода. Этот способ также можно использовать для удаления извести с уже обызвествленных поверхностей. В частности, при более низких частотах адгезия накипи снижается настольно сильно, что она спонтанно отделяется от поверхности. Накипь отделяется тем лучше, чем дольше обызвествленная поверхность имеет положительный потенциал, при котором возникает кислота. В течение этого периода времени также может происходить коррозия металла. Чувствительность металлических электродов к коррозии может стать ограничивающим фактором при выборе тока и частоты, которые могут быть использованы, как в случае удаления накипи при постоянном токе. Однако если говорить в общем, было обнаружено, что отделение накипи происходит легче, чем окисление металла, если вместо постоянного тока используется переменный ток. Кроме того, в режиме переменного тока можно использовать более высокие напряжения и более высокие токи, чем в режиме постоянного тока, что делает эффект удаления извести при электрохимической обработке в режиме переменного тока значительно более эффективным, чем в режиме постоянного тока.
Таким образом, изобретением предлагается способ использования водонагревателя, предназначенного для нагрева водной жидкости (далее называемого "нагревателем"), причем нагреватель содержит металлический нагревательный элемент для нагрева водной жидкости в нагревателе, и этот способ содержит:
a. нагрев водной жидкости в водонагревателе нагревательным элементом, причем нагревательный элемент находится в контакте с водной жидкостью; и
b. приложение первого напряжения переменного тока (и второго напряжения переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом.
При использовании такого нагревателя этот способ с выгодой может быть применен для (по существу) предотвращения образования накипи на нагревательном элементе (его поверхности), но также этот способ может быть применен для удаления накипи, уже образовавшейся на нагревательном элементе (его поверхности). Накипь не может сцепиться ни с нагревательным элементом (его поверхностью), ни с противоэлектродом, и будет по существу оставаться плавающей в воде.
Таким образом, изобретением также предлагается способ предотвращения или снижения образования накипи на металлическом нагревательном элементе водонагревателя, предназначенного для нагрева водной жидкости ("нагревателя"), и этот способ содержит:
a. приведение нагревательного элемента в контакт с водной жидкостью, предпочтительно при нагревании водной жидкости (предпочтительно нагревательным элементом); и
b. приложение первого напряжения переменного тока (и второго напряжения переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом.
В особенно выгодном варианте реализации первое напряжение переменного тока имеет первую частоту переменного тока, выбранную из диапазона от 0,1 Гц или выше, такую как по меньшей мере 1 Гц, такую как вплоть до 10000 Гц, в частности, из диапазона 1-10000 Гц (т.е. 1-10 кГц), в частности, 5-5000 Гц, например, 5-1000 Гц. Приложенное первое напряжение переменного тока может зависеть от конструкции нагревательного элемента и противоэлектрода, но может, например, находиться в диапазоне примерно 1-100 В, в частности, 5-50 В.
Особенно выгодным является использование сигналов переменного тока, имеющих треугольную форму. В этом случае время, в течение которого ток находится на своем пике, меньше по сравнению, например, с волнами синусоидальной или прямоугольной формы, что снижает риск коррозии. В конкретном варианте реализации настоящего изобретения, первое напряжение переменного тока имеет волну треугольной формы.
Приложение первого напряжения переменного тока может происходить до, во время или после нагрева водной жидкости. Предпочтительно, первое напряжение переменного тока прикладывают во время нагрева водной жидкости. Фраза "приложение первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом" и аналогичные фразы относятся к варианту(ам) реализации, в которых как нагревательный элемент, так и противоэлектрод находятся в контакте с водной жидкостью. Таким образом, фраза "приложение первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом" означает "приложение первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, когда нагревательный элемент и противоэлектрод находятся в контакте с водной жидкостью". Фраза "в контакте" включает варианты, в которых в контакте находится по меньшей мере часть предмета. Например, по меньшей мере часть нагревательного элемента или по меньшей мере часть противоэлектрода могут соответственно находиться в контакте с водной жидкостью.
Изобретением также предлагается система, с помощью которой может быть применен способ по изобретению. Поэтому в одном из вариантов его реализации изобретением предлагается водонагревательная система, содержащая водонагреватель, предназначенный для нагрева водной жидкости, причем водонагреватель содержит нагревательный элемент для нагрева водной жидкости в этом водонагревателе, при этом нагревательный элемент выполнен с возможностью нахождения в контакте с водной жидкостью, и источник электропитания, выполненный с возможностью приложения первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом.
Переменный ток/переменный ток
Как упомянуто выше, было неожиданно обнаружено, что дополнительное увеличение эффективности при удалении накипи при помощи первого переменного тока может быть достигнуто путем приложения дополнительного переменного тока помимо первого переменного тока.
При приложении в одно и то же время двух (или более) напряжений переменного тока используют сигнал более низкой частоты и сигнал более высокой частоты. В общем было обнаружено, что чем ниже частота, тем сильнее может быть эффект удаления накипи электрическим током. Однако при слишком большом понижении частоты также может начинаться коррозия. При более высокой частоте коррозия может подавляться, но при этом также может ограничиваться эффект удаления накипи. Неожиданно обнаружено, что при наложении высокочастотного сигнала переменного тока на низкочастотный сигнал переменного тока коррозионный эффект низкочастотного сигнала подавляется, но при этом по-прежнему действует эффект удаления накипи низкочастотным сигналом переменного тока.
Таким образом, в еще одном аспекте изобретением предлагается способ использования водонагревателя ("нагревателя"), предназначенного для нагрева водной жидкости, причем нагреватель содержит металлический нагревательный элемент для нагрева водной жидкости в нагревателе, и этот способ содержит:
a. нагрев водной жидкости в нагревателе нагревательным элементом, причем нагревательный элемент находится в контакте с водной жидкостью; и
b. приложение первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом и приложение второго напряжения переменного тока (и, возможно, одного или более последующих напряжений переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем второе напряжение переменного тока имеет вторую частоту переменного тока, предпочтительно выбранную из диапазона 0,02-5 Гц, в частности, 0,1-2,5 Гц, и при этом отношение между первой частотой переменного тока и второй частотой переменного тока предпочтительно составляет 2 или более, например, в диапазоне 2-1000, в частности, по меньшей мере 5, например, в диапазоне 5-1000.
При использовании такого нагревателя этот способ с выгодой может быть применен для (по существу) предотвращения образования накипи на нагревательном элементе (его поверхности), но этот способ также может быть использован для удаления накипи, уже образовавшейся на нагревательном элементе (его поверхности). Накипь не может сцепиться ни с нагревательным элементом (его поверхностью), ни с противоэлектродом, и будет по существу оставаться плавающей в воде.
Таким образом, изобретением также предлагается способ предотвращения или снижения образования накипи на металлическом нагревательном элементе водонагревателя, предназначенного для нагрева водной жидкости, и этот способ содержит:
a. приведение нагревательного элемента в контакт с водной жидкостью, предпочтительно при нагревании этой водной жидкости (предпочтительно нагревательным элементом); и
b. приложение первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом и приложение второго напряжения переменного тока (и, возможно, одного или более последующих напряжений переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем второе напряжение переменного тока имеет вторую частоту переменного тока, предпочтительно выбранную из диапазона 0,02-5 Гц, в частности, 0,1-2,5 Гц, и при этом отношение между первой частотой переменного тока и второй частотой переменного тока предпочтительно составляет 2 или более, например, в диапазоне 2-1000, в частности, по меньшей мере 5, например, в диапазоне 5-1000, например, до 500.
Как упомянуто выше, неожиданно и с выгодой обнаружено, что высокочастотный сигнал переменного тока, наложенный на низкочастотный сигнал переменного тока, подавляет коррозионный эффект низкочастотного сигнала, но при этом по-прежнему действует эффект удаления накипи низкочастотным сигналом переменного тока. Кроме того, как указано выше, первое напряжение переменного тока предпочтительно имеет первую частоту переменного тока, выбранную из диапазона 0,1 Гц или выше, такую как по меньшей мере 1 Гц, например, вплоть до 10000 Гц, например, в диапазоне 1-10000 Гц, в частности, 5-1000 Гц. Таким образом, первое напряжение переменного тока и второе напряжение переменного тока имеют различные частоты.
Фраза "приложение второго напряжения переменного тока" и аналогичные фразы не исключают приложения последующего (третьего и т.д.) напряжения переменного тока. Поэтому в следующем варианте реализации могут быть приложены первое напряжение переменного тока и второе напряжение переменного тока, как здесь указано, и, возможно, одно или более последующих напряжений переменного тока. Таким образом, в конкретном варианте его реализации изобретение также включает в себя указанный выше способ, дополнительно содержащий приложение дополнительного напряжения переменного тока (в дополнение к первому и второму напряжениям переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом. Поэтому и использована фраза "приложение второго напряжения переменного тока (и, возможно, одного или более последующих напряжений переменного тока)". Для облегчения понимания, здесь это часто относится ко "второму напряжению переменного тока".
Второе приложенное напряжение переменного тока может зависеть от конструкции нагревательного элемента и противоэлектрода, но может, например, также находиться в диапазоне примерно 1-100 В, в частности, 5-50 В. Частоты второго и возможных последующих напряжений переменного тока предпочтительно отличаются друг от друга, и необязательно (каждая из них независимо) могут соответствовать предпочтительному отношению в 2 или более раз больше частоты первого напряжения переменного тока и частоты второго и последующих напряжений переменного тока. При этом последующие напряжения переменного тока также могут иметь частоту, выбранную из диапазона 0,1 Гц или выше, в частности, 1 Гц или выше, например, вплоть до 10000 Гц, такую как в диапазоне 1-10000 Гц, в частности, 5-1000 Гц. При этом, однако, по меньшей мере одна группа из двух напряжений переменного тока соответствует указанному отношению, равному по меньшей мере 2, такому как в диапазоне 2-1000, в частности, по меньшей мере 5, например, в диапазоне 5-1000.
В еще одном конкретном варианте реализации, в котором приложены по меньшей мере два напряжения переменного тока, предпочтительно и первое напряжение переменного тока, и второе напряжение переменного тока имеют волну треугольной формы. Возможные одно или более последующих напряжений переменного тока также могут иметь волну треугольной формы.
Приложение первого и второго напряжений переменного тока может происходить до, во время или после нагрева водной жидкости. Предпочтительно, первое и второе напряжения переменного тока прикладывают во время нагрева водной жидкости.
Изобретением также предлагается система, с помощью которой может быть применен способ по изобретению. Поэтому в одном из вариантов его реализации изобретением предлагается водонагревательная система, содержащая водонагреватель, предназначенный для нагрева водной жидкости, причем водонагреватель содержит нагревательный элемент для нагрева водной жидкости в этом водонагревателе, при этом нагревательный элемент выполнен с возможностью нахождения в контакте с водной жидкостью, и источник электропитания, выполненный с возможностью приложения первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем источник электропитания дополнительно выполнен с возможностью приложения второго напряжения переменного тока (и, возможно, одного или более последующих напряжений переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом, при этом второе напряжение переменного тока имеет вторую частоту переменного тока, выбранную из диапазона 0,02-5 Гц, и при этом отношение между первой частотой переменного тока и второй частотой переменного тока составляет 2 или более.
Дополнительный постоянный ток
Неожиданно было обнаружено, что еще большее увеличение эффективности удаления накипи при помощи переменного тока может быть достигнуто за счет приложения дополнительного к переменному току постояннотокового смещения. Это означает, что обызвествленной поверхности (например, стенке проточного нагревателя или погружному нагревательному элементу криволинейной формы) придают положительный потенциал при отрицательном потенциале на противоэлектроде. В данном случае, при объединении с переменным током, можно приложить гораздо более высокое напряжение (постоянного тока), чем в случае отдельного постоянного тока. Теперь можно использовать напряжения постоянного тока, которые обычно неприменимы для удаления извести с поверхности из-за коррозии. Переменный ток сдерживает коррозионный эффект постоянного тока, при этом к эффекту устранения обызвествления, производимому переменным током, добавляется эффект отделения накипи.
Таким образом, в следующем аспекте изобретением предлагается способ, дополнительно содержащий приложение напряжения постоянного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем напряжение постоянного тока предпочтительно составляет по меньшей мере 0,5 В, более предпочтительно, по меньшей мере 1,0 В, в частности, по меньшей мере 1,2 В, и при этом нагревательный элемент выбран в качестве положительного электрода. В общем, напряжение постоянного тока будет находиться в диапазоне примерно 1,0-10 В, например, 1,5-10 В, в частности, 1,5-6 В. Помимо этого, как указано выше, первое напряжение переменного тока предпочтительно имеет первую частоту переменного тока, выбранную из диапазона 1 Гц или выше, такую как в диапазоне 1-1000 Гц, в частности, 5-1000 Гц.
Другим преимуществом постояннотокового смещения к напряжению переменного тока является следующее. Если напряжение переменного тока приложено к системе, в которой электроды имеют разный размер, коррозионная стойкость электрода наименьшего размера может определять коррозионную стойкость установки в целом, так как он имеет наибольшую плотность тока, что делает его наиболее чувствительным к коррозии. Если, например, для удаления накипи со стенки (предполагается, что стенка соединена с нагревательным элементом) в проточном нагревателе установлен небольшой противоэлектрод, этот небольшой электрод будет определять ток и частоту, которые могут быть применены. Если постояннотоковое смещение приложено с правильной полярностью, стенка (+) выиграет от дополнительного удаления накипи, при этом небольшой электрод защищен от коррозии, так как он имеет отрицательный потенциал (-).
Приложение первого напряжения переменного тока (и второго напряжения переменного тока) и напряжения постоянного тока может происходить до, во время или после нагрева водной жидкости. Предпочтительно, первое напряжение переменного тока и напряжение постоянного тока прикладывают во время нагрева водной жидкости.
Изобретением также предлагается система, с помощью которой может быть применен способ по изобретению. Поэтому в одном из вариантов его реализации изобретением предлагается водонагревательная система, содержащая водонагреватель, предназначенный для нагрева водной жидкости, причем водонагреватель содержит нагревательный элемент для нагрева водной жидкости в этом водонагревателе, при этом нагревательный элемент выполнен с возможностью нахождения в контакте с водной жидкостью, и источник электропитания, выполненный с возможностью приложения первого напряжения переменного тока (и второго напряжения переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем источник электропитания дополнительно выполнен с возможностью приложения напряжения постоянного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, при этом напряжение постоянного тока составляет по меньшей мере 0,5 В, более предпочтительно, по меньшей мере 1,0 В, и нагревательный элемент выполнен положительным электродом.
Неожиданно также было обнаружено, что наложение высокочастотного сигнала переменного тока на низкочастотный сигнал переменного тока позволяет использовать низкочастотные сигналы переменного тока (также см. выше). Так как сигналы очень низкой частоты могут быть особенно эффективными при удалении накипи, вспомогательное постояннотоковое смещение можно снизить. В итоге чувствительность к изменению проводимости водной жидкости становится ниже, что делает эту установку более подходящей для работы с различными типами водных жидкостей, чем сочетания одного напряжения переменного тока/напряжения постоянного тока.
Таким образом, особенно предпочтительным является сочетание первого напряжения переменного тока, второго (медленно изменяющегося) напряжения переменного тока и напряжения постоянного тока. Поэтому изобретением также предлагается способ использования водонагревателя ("нагревателя"), предназначенного для нагрева водной жидкости, причем нагреватель содержит металлический нагревательный элемент для нагрева водной жидкости в нагревателе, и этот способ содержит:
a. нагрев водной жидкости в нагревателе нагревательным элементом; и
b. приложение первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, приложение второго напряжения переменного тока (и, возможно, одного или более последующих напряжений переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем второе напряжение переменного тока имеет вторую частоту переменного тока, предпочтительно выбранную из диапазона 0,02-5 Гц, в частности, 0,1-2,5 Гц, при этом отношение между первой частотой напряжения переменного тока и второй частотой напряжения переменного тока предпочтительно составляет 2 или более, например, в диапазоне 2-1000, в частности, по меньшей мере 5, например, в диапазоне 5-1000, и приложение напряжения постоянного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем напряжение постоянного тока предпочтительно составляет по меньшей мере 0,5 В, более предпочтительно, по меньшей мере 1,0 В, в частности, по меньшей мере 1,2 В, и при этом нагревательный элемент выбран в качестве положительного электрода.
При применении такого нагревателя этот способ с выгодой может быть использован для (по существу) предотвращения образования накипи на нагревательном элементе (его поверхности), но также этот способ может быть использован для удаления накипи, уже образовавшейся на нагревательном элементе (его поверхности). Накипь не может сцепиться ни с нагревательным элементом (его поверхностью), ни с противоэлектродом, и будет по существу оставаться плавающей в воде.
Таким образом, изобретением также предлагается способ предотвращения или снижения образования накипи на металлическом нагревательном элементе нагревателя, предназначенного для нагрева водной жидкости, и этот способ содержит:
a. приведение нагревательного элемента в контакт с водной жидкостью, предпочтительно при нагревании этой водной жидкости (предпочтительно нагревательным элементом); и
b. приложение первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, приложение второго напряжения переменного тока (и, возможно, одного или более последующих напряжений переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем второе напряжение переменного тока имеет вторую частоту переменного тока, предпочтительно выбранную из диапазона 0,02-5 Гц, в частности, 0,1-2 Гц, при этом отношение между первой частотой переменного тока и второй частотой переменного тока предпочтительно составляет 2 или более, например, в диапазоне 2-1000, в частности, по меньшей мере 5, например, в диапазоне 5-1000, и приложение напряжения постоянного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем напряжение постоянного тока предпочтительно составляет по меньшей мере 0,5 В, более предпочтительно, по меньшей мере 1,0 В, в частности, по меньшей мере 1,2 В, и при этом нагревательный элемент выбран в качестве положительного электрода.
Варианты реализации настоящего изобретения, описанные выше в отношении режимов "переменный ток" и "переменный ток/переменный ток", также применимы к вариантам "переменный ток/переменный ток/постоянный ток".
Приложение первого и второго напряжений переменного тока и напряжения постоянного тока может происходить до, во время или после нагрева водной жидкости. Предпочтительно, первое и второе напряжения переменного тока и напряжение постоянного тока прикладывают во время нагрева водной жидкости.
Изобретением также предлагается система, с помощью которой может быть применен способ по изобретению. Поэтому в одном из вариантов его реализации изобретением предлагается водонагревательная система, содержащая водонагреватель, предназначенный для нагрева водной жидкости, причем водонагреватель содержит нагревательный элемент для нагрева водной жидкости в этом водонагревателе, при этом нагревательный элемент выполнен с возможностью нахождения в контакте с водной жидкостью, и источник электропитания, выполненный с возможностью приложения первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем источник электропитания дополнительно выполнен с возможностью приложения второго напряжения переменного тока (и, возможно, одного или более последующих напряжений переменного тока) между нагревательным элементом и противоэлектродом, при этом второе напряжение переменного тока имеет вторую частоту переменного тока, выбранную из диапазона 0,02-5 Гц, и при этом отношение между первой частотой переменного тока и второй частотой переменного тока составляет 2 или более, и при этом источник электропитания дополнительно выполнен с возможностью приложения напряжения постоянного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, причем напряжение постоянного тока составляет по меньшей мере 0,5 В, и при этом нагревательный элемент выполнен положительным электродом.
Дополнительные варианты
В данном случае водная жидкость, в частности, представляет собой воду. Способ может быть использован для жесткой и мягкой воды, в частности, для воды с проводимостью, предпочтительно составляющей по меньшей мере 100 мкСм/см.
Нагревательный элемент может быть погружен непосредственно в воду, либо может быть выполнен как стенка (часть стенки) нагревателя. В обоих случаях нагревательный элемент (стенка) действует как электрод и электрически соединен(а) с противоэлектродом. Таким образом, нагревательный элемент (его поверхность) находится в контакте с водной жидкостью, расположенной в нагревателе. Здесь это также указано фразой "причем нагревательный элемент находится в контакте с водной жидкостью". Отметим, что термин "нагревательный элемент", таким образом, относится к той части (элементу), которая(ый) находится в контакте с водной жидкостью и обеспечивает (при использовании нагревателя для нагрева водной жидкости) поступление теплоты от нагревателя в водную жидкость. Именно на нагревательном элементе (или, более конкретно, на его поверхности (ее части), которая находится в контакте с водной жидкостью) может осаждаться накипь. Термин "нагревательный элемент", таким образом, может необязательно относиться к фактическому теплогенерирующему устройству, которое выделяет теплоту, но относится к той части/элементу, которая(ый) передает теплоту водной жидкости. В одном варианте реализации термин "нагревательный элемент" может также относиться к множеству нагревательных элементов.
Нагревательный элемент для нагрева водной жидкости здесь предпочтительно содержит одну или более металлических частей, предназначенных для нагрева жидкости, или состоит по существу из металла, например, стальная стенка или стальной погружной нагреватель. Поэтому нагревательный элемент здесь также указан как металлический нагревательный элемент. На этом металле нагревательного элемента, который находится в контакте с водной жидкостью, может осаждаться накипь. Предпочтительно, нагревательный элемент для нагрева водной жидкости здесь содержит одну или более стальных частей, предназначенных для нагрева жидкости, или состоит по существу из стали. Таким образом, нагревательный элемент, либо часть нагревательного элемента, находящаяся в контакте с водой, предпочтительно изготовлены из стали. В конкретном варианте реализации нагревательный элемент представляет собой стальной нагревательный элемент.
Термин "противоэлектрод" может в одном из вариантов реализации также относиться к множеству противоэлектродов. Например, если приложено больше одного сигнала, в принципе могут быть использованы разные противоэлектроды. В одном из вариантов реализации приложенные сигналы подают на отдельные противоэлектроды, при этом противоэлектрод содержит множество противоэлектродов, и при этом первое напряжение переменного тока прикладывают между нагревательным элементом и первым противоэлектродом, и при этом второе напряжение переменного тока прикладывают между нагревательным элементом и следующим противоэлектродом, и/или при этом напряжение постоянного тока прикладывают между нагревательным элементом и следующим противоэлектродом. Повторимся, этот следующий противоэлектрод для одного сигнала может быть еще одним следующим противоэлектродом для еще одного сигнала. В частности, когда приложено два или более сигнала переменного тока, возможным вариантом может быть использование для каждого сигнала переменного тока разного противоэлектрода. Предпочтительно, напряжение постоянного тока прикладывают к каждому набору из нагревательного элемента и противоэлектродов.
Таким образом, изобретением также предлагается вариант водонагревательной системы, в которой противоэлектрод содержит множество противоэлектродов и в которой источник электропитания и множество противоэлектродов выполнены с возможностью прикладывать первое напряжение переменного тока между нагревательным элементом и первым противоэлектродом, а также прикладывать второе напряжение переменного тока между нагревательным элементом и следующим противоэлектродом или прикладывать напряжение постоянного тока между нагревательным элементом и следующим противоэлектродом. Если прикладывают как второе напряжение переменного тока, так и напряжение постоянного тока, могут быть применены разные следующие противоэлектроды или один и тот же следующий противоэлектрод. В еще одном варианте реализации, при использовании двух или более напряжений переменного тока и напряжения постоянного тока, напряжение постоянного тока прикладывают к каждому набору из противоэлектрода и нагревательного элемента, и упомянутые два или более напряжения переменного тока прикладывают к соответствующим комбинациям противоэлектрода и нагревательного элемента.
Противоэлектрод, например, может быть электродом из нержавеющей стали или смешанных оксидов металлов (ММО), на основе углерода или из платины. Если стенка нагревателя используется в качестве противоэлектрода, то предпочтительно противоэлектрод изготовлен из металла, более предпочтительно - из стали.
Термин "сталь" здесь, в частности, относится к нержавеющей стали. Может быть применен любой сорт нержавеющей стали. Предпочтительно, сталь содержит как Cr, так и Ni (например, сорт 304), но особенно выгодным является дополнительное наличие небольших количеств Mo (например, сорт 316 или выше). В качестве альтернативы, можно использовать более стойкий металл (сплавы), такие как инконель (Cr/Ni-сплав). Чем выше коррозионная стойкость стали, тем ниже частота переменного тока или тем выше постояннотоковое смещение или напряжение переменного тока, которые могут быть применены для улучшения удаления накипи.
Термин "водонагреватель" используется для указания устройства, которое выполнено с возможностью нагрева водной жидкости, такой как вода. Термин "водонагреватель" (здесь для краткости используется "нагреватель") может, например, относиться к камере генерации водяного пара (работа которой основана на нагреве водной жидкости). Нагреватель по типу может относиться к проточному нагревателю. В одном из вариантов реализации нагреватель может, например, нагревать водную жидкость посредством теплогенерирующего устройства, соединенного со стенкой нагревателя, при этом стенка (которая находится в контакте с водной жидкостью) представляет собой нагревательный элемент (для нагрева водной жидкости), либо, в одном из вариантов реализации, может нагревать посредством элемента, расположенного в водной жидкости, такой как вода, например, в случае нагревателя погружного типа (в котором нагревательный элемент находится в контакте с водной жидкостью) и т.д. Могут применяться разные типы нагревательных элементов (в одно и то же время).
Термин "водонагреватель" также может относиться к (закрытому) бойлеру, предназначенному для получения водяного пара, к (закрытому) бойлеру, предназначенному для получения нагретой (горячей) воды, к проточному нагревателю или аппарату для обработки водяным паром. В конкретном варианте реализации нагреватель, предназначенный для нагрева водной жидкости, выбирают из группы, состоящей из проточного нагревателя, проточного аппарата для обработки водяным паром, нагревателя для нагрева воды и нагревателя для получения водяного пара. Сюда также входят нагревательные блоки, в которых нагревательный элемент и, например, трубка, по которой подается вода, установлены в блоке из алюминия.
Нагрев может представлять собой любой нагрев до температур выше комнатной температуры, но, в частности, относится к нагреву (водной жидкости) выше 50°С, такому как, в частности, нагрев водной жидкости в нагревателе до температуры по меньшей мере 85°С. Таким образом, термин "нагрев" может включать доведение до повышенных температур, кипения и/или получения водяного пара.
Нагреватель может представлять собой любой нагреватель, такой как нагреватель в устройстве генерации водяного пара (например, используемый для генератора водяного пара высокого давления (иногда также называемого гладильной системой)), предназначенном для обеспечения водяного пара, водонагреватель для обеспечения горячей питьевой воды, подобный имеющемуся в автомате для продажи горячих напитков (например, для приготовления кофе, чая, капуччино или горячего шоколада и т.д.), электрический чайник, кофеварка (с фильтром пропускания), машина для кофе-эспрессо, капсульная кофемашина, бойлер (для отопления дома (бытовой бойлер) или квартиры, офисного здания), промышленный бойлер и т.д.), водонагреватель, установленный в стиральной машине или посудомоечной машине, либо устройство (или опрыскиватель) для уничтожения сорняков на основе горячей воды (выполненный с возможностью получения горячей воды для уничтожения сорняков).
Таким образом, в следующем аспекте изобретением предлагается электронное устройство, содержащее нагревательную систему, причем электронное устройство выполнено с возможностью получения нагретой воды и/или водяного пара. В частности, это электронное устройство выбрано из группы, состоящей из утюга, генератора водяного пара высокого давления, генератора водяного пара без давления (иногда также называемого отпаривателем одежды), автомата для продажи горячих напитков, электрического чайника, кофеварки (с фильтром пропускания), машины для кофе-эспрессо, капсульной кофемашины, стиральной машины, посудомоечной машины и устройства (опрыскивателя) для уничтожения сорняков на основе горячей воды.
Как упомянуто выше, указанные здесь напряжение(я) (первое напряжение переменного тока и одно или более из второго напряжения переменного тока и напряжения постоянного тока) предпочтительно прикладывают во время нагрева водной жидкости в нагревателе нагревательным элементом. Это может оказать наибольшее влияние на предотвращение и/или снижение образования накипи на нагревательном элементе.
Напряжения переменного тока могут (независимо) иметь волну синусоидальной формы или волну треугольной формы. Форма волны может быть симметричной или асимметричной. Волны асимметричной треугольной формы иногда также называются волнами с пилообразной формой. Предпочтительно, волны имеют симметричную форму. Помимо этого, как указано выше, предпочтительно применяют волны (симметричной) треугольной формы.
Первое напряжение переменного тока, напряжение постоянного тока и возможные последующие напряжения переменного тока прикладывают между нагревательным элементом и противоэлектродом при нахождении нагревательного элемента и противоэлектрода в контакте с водной жидкостью. Водная жидкость может нагреваться (как указано выше) (предпочтительно - нагревательным элементом) во время приложения напряжений.
В одном из вариантов реализации способ дополнительно включает в себя измерение проводимости водной жидкости и, возможно, других параметров, и, возможно, управление первым напряжением переменного тока и одним или более из второго напряжения переменного тока и напряжения постоянного тока в зависимости от упомянутого измерения и заранее заданных взаимосвязей между проводимостью (и возможными другими параметрами) и первым напряжением переменного тока и одним или более из второго напряжения переменного тока и напряжения постоянного тока. Один или более возможных других параметров, которые могут измеряться, могут быть выбраны из группы, состоящей из температуры водной жидкости, pH водной жидкости, протекающего электрического тока (между нагревательным элементом и противоэлектродом), падения напряжения при соединении двух электродов (т.е. нагревательного элемента и противоэлектрода) и т.д.
2
2
2
2
Как правило, плотность тока (т.е. между нагревательным элементом и противоэлектродом) находится в диапазоне 0,1-10 мА/см, в частности, 0,1-5 мА/см, например, в частности, 0,2-0,6 мА/см, при использовании плоского нагревательного элемента или нагревательного элемента спиральной формы в бойлерной системе, либо, в частности, 0,2-5 мА/см для проточного нагревателя.
Источник электропитания может представлять собой любую систему, способную генерировать первое напряжение переменного тока и одно или более из второго напряжения переменного тока и смещения напряжения постоянного тока. В качестве возможного варианта, изменяемыми и контролируемыми являются одно или более из следующего: частота первого переменного тока, размах напряжения первого переменного тока, частота второго переменного тока (если его прикладывают), размах напряжения второго переменного тока и напряжение постоянного тока (если его прикладывают), например, одним или более из указанных можно управлять во взаимосвязи с таким параметром, как электрическая проводимость жидкости и/или температура жидкости, либо протекающий электрический ток. В одном из вариантов реализации термин "источник электропитания" может также относиться к множеству источников электропитания. В принципе, каждое напряжение может генерироваться разным источником электропитания.
Таким образом, изобретением, в частности, предлагается применение сочетания первого напряжения переменного тока и одного или более из второго напряжения переменного тока (и, возможно, одного или более последующих напряжений переменного тока) и напряжения постоянного тока к металлическому нагревательному элементу нагревателя, предназначенного для нагрева водной жидкости (и выполненного с возможностью нахождения в контакте с водной жидкостью), чтобы предотвратить или снизить образование накипи на металлическом нагревательном элементе, в частности, во время нагрева водной жидкости в нагревателе нагревательным элементом. В конкретном варианте реализации прикладывают как напряжения переменного тока, так и напряжение постоянного тока.
Приложение напряжения(й) предпочтительно может быть применено постоянно во время нахождения водной жидкости при повышенных температурах, но в одном из вариантов реализации может быть также применено периодически. В качестве возможного варианта, напряжение(я) прикладывают до или после нагрева водной жидкости. Однако наилучшие результаты получают, когда напряжение(я) прикладывают, по меньшей мере, во время нагрева водной жидкости.
Предпочтительные условия, касающиеся напряжения(й) и частот, указаны в приведенной ниже таблице.
1-й переменный ток + возможно, постоянный ток + 2-й переменный ток
1-й переменный ток
Постоянный ток
2-й переменный ток
Отношение "частота 1-го переменного тока/частота 2-го переменного тока"
Приложенная частота
≥ 1 Гц, в частности 5-500 Гц
не применимо
0,02-5 Гц, в частности 0,1-2 Гц
2-1000, в частности 5-500
Напряжение
1,0-10 В, в частности 1,2-6 В
Другие предпочтительные условия указаны ниже в следующей таблице.
Проводимость воды
Температура воды
100-50000 мкСм/см
50°С - температура кипения,в частности, ≥ 85°С
Используемый здесь термин "по существу" будет понятен специалисту в данной области техники. Этот термин также может включать варианты "целиком", "полностью", "все" и т.д. Поэтому в вариантах реализации наречие "по существу" также можно удалить. Там, где это применимо, термин "по существу" также может относиться к "90% или более", например "95% или более", в частности, "99% или более", и даже "99,5% или более", включая "100%". Термин "содержит" включает также варианты, где термин "содержит" означает "состоит из".
Помимо этого, термины "первый", "второй", "третий" и т.п. в описании и формуле изобретения используются для различения похожих элементов, а не обязательно для указания порядка следования или хронологического порядка. Необходимо понимать, что используемые таким образом термины взаимозаменяемы при соответствующих обстоятельствах и что описанные здесь варианты реализации изобретения применимы для работы в других последовательностях, чем те, которые здесь описаны или изображены.
Указанные здесь устройства (такие как нагревательная система), кроме прочего, описаны во время эксплуатации или работы (т.е., в частности, во время нагрева водной жидкости). Как будет очевидно специалисту в данной области техники, изобретение не ограничивается способами эксплуатации (работы) или находящимися в эксплуатации (в работе) устройствами.
Необходимо отметить, что рассмотренные выше варианты реализации всего лишь иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и специалисты в данной области техники смогут создать различные альтернативные варианты его реализации, не выходящие за пределы объема приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения любые ссылочные обозначения, помещенные в скобки, не должны восприниматься как ограничивающие данный пункт. Использование глагола "содержать" и его спряжений не исключает наличия элементов или этапов, отличающихся от указанных в пункте формулы изобретения. Указание элемента в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано при помощи аппаратных средств, содержащих несколько отдельных элементов, и при помощи запрограммированного подходящим образом компьютера. В относящемся к устройству пункте формулы изобретения, в котором перечислено несколько средств, некоторые из этих средств могут быть воплощены одной и той же единицей аппаратных средств. Простой факт того, что некоторые признаки указаны во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что с выгодой нельзя использовать комбинацию этих признаков.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь будут описаны варианты реализации изобретения, только в качестве примера и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых соответствующими ссылочными обозначениями указаны соответствующие части и из которых:
Фиг.1а-1f схематично изображают некоторые возможные конструкции нагревательной системы, в которой нагревательный элемент погружен в воду или в которой нагревательный элемент представляет собой стенку водонагревателя;
Фиг.2а-2g схематично изображают некоторые примеры напряжений постоянного тока и переменного тока, которые могут быть приложены; и
Фиг.3 схематично изображает вариант электронного устройства, содержащего нагревательную систему.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
На фигуре 1а схематично изображена водонагревательная система ("нагревательная система") 1, содержащая водонагреватель ("нагреватель") 100, предназначенный для нагрева водной жидкости 20. Водная жидкость 20, в частности, вода, содержится в нагревателе 100. Чтобы нагревать находящуюся в нем водную жидкость 20, нагреватель 100 содержит металлический нагревательный элемент 110. Нагревательная система 1 дополнительно содержит источник 200 электропитания, выполненный с возможностью приложения первого напряжения переменного тока между нагревательным элементом 110 и противоэлектродом 120. В дополнение к первому напряжению переменного тока, могут быть добавлены второе напряжение переменного тока с более низкой частотой и/или напряжение постоянного тока. Если приложено напряжение постоянного тока, нагревательный элемент 110 выбирают в качестве положительного электрода. За счет приложения напряжения(й) металлический нагревательный элемент 110 защищают от образования накипи и/или может быть удалена образовавшаяся накипь. На фигуре 1а схематично изображен вариант реализации, в котором нагревательный элемент 110 представляет собой погружаемый/погружной нагревательный элемент, указанный ссылочным обозначением 111. В этом варианте реализации стенку нагревателя 100 (или по меньшей мере часть ее) используют как противоэлектрод. Эта стенка, например, может быть из стали, как проводящего материала. Как правило, используют нержавеющую сталь с Cr, Ni в качестве легирующих элементов (например, 304) или с дополнительной добавкой Mo (например, 316). В качестве альтернативы, может быть использован более стойкий металл (сплавы), такой как инконель (Cr/Ni-сплав).
На фигуре 1b схематично изображена нагревательная система 1, в которой нагревательный элемент 110 представляет собой криволинейный погружной нагревательный элемент и в которой противоэлектрод 120 отчасти окружен по меньшей мере частью погружаемого нагревательного элемента 111. В этом случае противоэлектрод может быть из нержавеющей стали или инконеля, либо другого стойкого к окислению электродного материала, такого как титан, платина, покрытый смешанными оксидами металлов титан, покрытый платиной титан, либо материал на основе углерода.
На фигуре 1с схематично изображен вариант проточного нагревателя (FTH, Flow-Through Heater), при этом нагреватель 100 представляет собой нагреватель, через который течет, нагреваясь, водная жидкость 20. В схематичном варианте по фигуре 1с со стенкой нагревателя 100 соединено теплогенерирующее устройство 115, а в качестве противоэлектрода 120 используется стержень внутри этого нагревателя. Стенка соединена с теплогенерирующим устройством 115 для ее нагрева и предпочтительно выполнена из (нержавеющей) стали; стенка находится в контакте с водной жидкостью (не изображена) и, таким образом, используется в качестве нагревательного элемента 110. Противоэлектрод 120 может содержать материал, указанный в приведенном выше описании для фигуры 1b.
На фигуре 1d схематично изображен, по существу, тот же самый вариант, что и схематично изображенный на фигуре 1с, но теперь в поперечном сечении. Элементы 115 нагревают стенку нагревателя 100. Поэтому стенка указана как нагревательный элемент 110. К этой стенке, т.е. нагревательному элементу 110, и противоэлектроду 120 прикладывают напряжение источником 200 электропитания. Здесь в качестве нагревательного элемента 110 используется стенка, которая предпочтительно выполнена из (нержавеющей) стали. Противоэлектрод 120 может содержать материал, указанный в приведенном выше описании для фигуры 1b.
На фигуре 1е схематично изображен, по существу, тот же самый вариант, что и схематично изображенный на Фигуре 1а, но с той разницей, что применены два противоэлектрода, указанные ссылочными обозначениями 120а и 120b. Здесь в качестве противоэлектрода 120 используется стенка, которая, таким образом, содержит две (или более) изолированных части, используемых в качестве противоэлектродов. Например, если на противоэлектрод(ы) и нагревательный элемент 110 совместно подают первый переменный ток и второй переменный ток, то первый переменный ток может быть приложен к нагревательному элементу 110 и первому противоэлектроду, указанному ссылочным обозначением 120а, а второй переменный ток может быть приложен к нагревательному элементу 110 и второму или следующему противоэлектроду, указанному ссылочным обозначением 120b.
На фигуре 1f схематично изображен тот же самый вариант, что и схематично изображенный на фигуре 1b. Здесь также используются два противоэлектрода (120) (как и на схематичной фигуре 1е), указанные ссылочными обозначениями 120а и 120b. Как указано выше, если, например, на противоэлектрод(ы) и нагревательный элемент 110 совместно подают первый переменный ток и второй переменный ток, то первый переменный ток может быть приложен к нагревательному элементу 110 и первому противоэлектроду, указанному ссылочным обозначением 120а, а второй переменный ток может быть приложен к нагревательному элементу 110 и второму или следующему противоэлектроду, указанному ссылочным обозначением 120b.
Напряжения, приложенные источником (или источниками) электропитания, могут быть компонентами "переменного тока/переменного тока" и возможными последующими компонентами переменного тока, а также компонентами "переменного тока/переменного тока/постоянного тока" и возможными последующими компонентами переменного тока.
На фигуре 2а схематично изображен сигнал напряжения переменного тока, при этом по оси x отложено время, а по оси y отложено напряжение. Размах напряжения на этой схематичной фигуре составляет 10 единиц. На фигуре 2b схематично изображен тот же сигнал напряжения переменного тока, но теперь с наложенным на напряжение переменного тока напряжением постоянного тока (т.е. "переменный ток/постоянный ток"). Напряжение постоянного тока является отрицательным, и весь сигнал в целом смещается в отрицательную сторону. Предпочтительно, нагревательный элемент выбирают в качестве положительного электрода, а противоэлектрод выбирают в качестве отрицательного электрода (что касается приложения напряжения постоянного тока). На фигуре 2с схематично изображен сигнал "переменный ток/переменный ток" с быстро изменяющейся компонентой и медленно изменяющейся компонентой. На фигуре 2d схематично изображен тот же сигнал "переменный ток/переменный ток", что и на фигуре 2с, но теперь с наложенным на напряжение переменного тока напряжением постоянного тока (т.е. "переменный ток/переменный ток/постоянный ток"). Напряжение постоянного тока является отрицательным, и весь сигнал в целом смещается в отрицательную сторону. Здесь в качестве примера приложены синусоидальные напряжения переменного тока. Предпочтительно, напряжения переменного тока имеют волну треугольной формы, то есть с по существу плоскими наклонными площадками. Такой сигнал схематично изображен на фигуре 2е. На фигуре 2е сигнал является симметричным. Однако это не мешает использовать асимметричные сигналы (с не идентичными наклонами). На него может быть наложено второе (медленнее изменяющееся) напряжение переменного тока и/или напряжение постоянного тока. Второе напряжение переменного тока также может иметь волну треугольной формы. На фигуре 2f схематично изображены напряжения "переменный ток/переменный ток", оба из которых имеют волну треугольной формы, а на фигуре 2g схематично изображено то же самое, но теперь включая постояннотоковое смещение.
На фигуре 3 схематично изображено электронное устройство 2. В качестве примера электронного устройства 2 на фигуре 3 схематично изображен электрический чайник. Электронное устройство 2 содержит нагревательную систему 1. В данном случае может быть установлена электроника 300 для управления нагревом нагревательного элемента 120 и подачи электроэнергии на источник 200 электропитания для приложения первого напряжения переменного тока и возможного второго напряжения переменного тока и/или возможного напряжения постоянного тока к нагревательному элементу 120 и противоэлектроду 110.
Нагревательная система 1 может дополнительно содержать датчик (не изображен) для измерения таких параметров, как проводимость водной жидкости, температура водной жидкости и т.д. Помимо этого, нагревательная система 1 дополнительно может содержать контроллер, чтобы управлять одной или более характеристиками первого переменного тока, а также одной или более характеристиками упомянутых одного или более из второго переменного тока и постоянного тока. Контроллер может управлять этими одной или более характеристиками в зависимости от упомянутых одного или более параметров и одной или более заранее заданных взаимосвязей между упомянутыми одним или более параметрами и упомянутыми одной или более характеристиками.
ПРИМЕРЫ
Приготовление воды
2
2
4
2
3
Были получены исходные растворы CaCl·2HO (65,6 г/л), MgSO·7HO (38 г/л) и NaHCO(76,2 г/л). Стандартная жесткая вода была получена путем примешивания 50 грамм каждого исходного раствора к 9 литрам деионизированой воды и добавления до 10 литров. Результирующая вода имела итоговую жесткость (около) 16,8°DH (немецкая степень жесткости) и временную жесткость (около) 11,2°DH.
Итоговая жесткость определяется как 2,8×2×[ммоль/л Ca + ммоль Mg/л].
3
-
Временная жесткость определяется как 2,8×[ммоль HCO /л].
Получение обызвествленного электрода
В типичном эксперименте жесткую воду добавляли в мензурку емкостью 250 мл. В воду погружали криволинейный нагревательный элемент (из нержавеющей стали). Воду доводили до кипения и поддерживали при 95°С в течение 30 минут. Во время нагрева в воду на глубину 5 см погружали трубку из нержавеющей стали диаметром 12 мм и 1-миллиметровый электрод из титана, покрытого оксидами металлов (MMO). Расстояние между электродами составляло 1 см. Оба электрода подключали к напряжению постоянного тока 4,5 В, при этом нержавеющая сталь служила отрицательным электродом. На трубке осаждалась накипь и прочно сцеплялась с ней.
Эксперименты по удалению накипи
Для каждого эксперимента использовали свежеобызвествленный электрод (трубка из нержавеющей стали). Для экспериментов использовали ту же установку, что и для обызвествления тестового электрода. После кипячения в течение 30 минут электрод (трубку из нержавеющей стали) исследовали на спонтанное удаление накипи и коррозию. После этого электрод (трубку из нержавеющей стали) промывали под проточной водой из крана с аккуратным протиранием, чтобы затем протестировать отделение накипи.
Эксперимент 1 (переменный ток) (контрольный пример)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и небольшая полоса из покрытого MMO титана шириной 6 мм (противоэлектрод) были подключены к источнику питания. Было приложено напряжение с размахом 6,8 В (Vpp) и частотой 100 Гц, что обеспечило ток 40 мА. (В качестве источника питания был использован генератор колебаний с импедансом 50 Ом). После нагрева в течение 30 минут при 95°С была проверена внешняя поверхность трубки (электрода). Спонтанного удаления накипи не наблюдалось. Промывание под водой из крана с аккуратным протиранием продемонстрировало плохое удаление накипи. Коррозия не наблюдалась.
Эксперимент 2 (переменный ток) (контрольный пример)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и небольшая полоса из покрытого MMO титана шириной 6 мм были подключены к источнику питания. Было приложено напряжение с размахом 6,8 В и частотой 10 Гц, что обеспечило ток 40 мА. После нагрева в течение 30 минут при 95°С электрод был проверен. Спонтанного удаления накипи не наблюдалось. Промывание под водой из крана с аккуратным протиранием продемонстрировало хорошее удаление накипи. Коррозия не наблюдалась.
Эксперимент 3 (переменный ток) (контрольный пример)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и небольшая полоса из покрытого MMO титана шириной 6 мм были подключены к источнику питания. Было приложено напряжение с размахом 6,8 В и частотой 5 Гц, что обеспечило ток 40 мА. После нагрева в течение 30 минут при 95°С электрод был проверен. Накипь спонтанно отделилась от металлической трубки. Промывание под водой из крана с аккуратным протиранием продемонстрировало очень хорошее удаление накипи за пределами спонтанно очистившейся зоны. Коррозия не наблюдалась.
Эксперимент 4 (переменный ток) (контрольный пример)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и небольшая полоса из покрытого MMO титана шириной 6 мм были подключены к источнику питания. Было приложено напряжение с размахом 6,8 В и частотой 2,5 Гц, что обеспечило ток 40 мА. После нагрева в течение 30 минут при 95°С электрод был проверен. Накипь спонтанно отделилась от металлической трубки. Промывание под водой из крана с аккуратным протиранием продемонстрировало очень хорошее удаление накипи за пределами спонтанно очистившейся зоны. Наблюдался легкий желтый окрас на трубке, указывающий на начало коррозии.
Когда частота снижается слишком сильно, может произойти коррозия стального электрода, предполагая, что меньший ток может быть выгодным.
Эксперимент 5 (переменный ток) (контрольный пример)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и небольшая полоса из покрытого MMO титана шириной 6 мм были подключены к источнику питания. Было приложено напряжение с размахом 4,8 В и частотой 2,5 Гц, что обеспечило ток 20 мА. После нагрева в течение 30 минут при 95°С электрод был проверен. Накипь спонтанно отделилась от металлической трубки. Промывание под водой из крана с аккуратным протиранием продемонстрировало очень хорошее удаление накипи за пределами спонтанно очистившейся зоны. Коррозия не наблюдалась.
Чтобы оценить влияние постоянного тока, были выполнены приведенные далее эксперименты 6-8.
Эксперимент 6 (постоянный ток) (контрольный пример)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и небольшая полоса из покрытого MMO титана шириной 6 мм были подключены к источнику питания. Было приложено напряжение постоянного тока 0,3 В, что обеспечило ток 0,1 мА. После нагрева в течение 30 минут при 95°С электрод был проверен. Промывание под водой из крана с аккуратным протиранием продемонстрировало плохое удаление накипи. Спонтанного удаления накипи не было. Коррозия не наблюдалась.
В экспериментах по удалению накипи с постоянным током трубка из нержавеющей стали используется в качестве положительного электрода, а противоэлектрод, покрытый MMO титан, - в качестве отрицательного электрода.
Эксперимент 7 (постоянный ток) (контрольный пример)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и небольшая полоса из покрытого MMO титана шириной 6 мм были подключены к источнику питания. Было приложено напряжение постоянного тока 0,6 В, что обеспечило ток 0,3 мА. После нагрева в течение 30 минут при 95°С электрод был проверен. Промывание под водой из крана с аккуратным протиранием продемонстрировало ограниченное удаление накипи. Спонтанного удаления накипи не было. Коррозия не наблюдалась.
Эксперимент 8 (постоянный ток) (контрольный пример)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и небольшая полоса из покрытого MMO титана шириной 6 мм были подключены к источнику питания. Было приложено напряжение постоянного тока 1,0 В, при этом трубка из нержавеющей стали использовалась в качестве положительного электрода. На трубке из нержавеющей стали сразу стала наблюдаться точечная коррозия. После 2 минут эксперимент был прекращен. Промывание под водой из крана с аккуратным протиранием продемонстрировало плохое удаление накипи. Спонтанного удаления накипи не было.
Более высокие напряжения не прикладывались. В экспериментах 6-8 отчетливо продемонстрированы плохая эффективность удаления извести и чувствительность к коррозии при приложении только напряжения постоянного тока.
Эксперименты 9 и 10 демонстрируют выгоду от добавления дополнительного сигнала переменного тока для противодействия возможному побочному эффекту окисления в случае одного сигнала переменного тока со слишком низкой частотой.
Эксперимент 9 (переменный ток) (контрольный пример)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и 6-миллиметровый стержень из покрытого MMO Ti были подключены к источнику питания. Было приложено напряжение переменного тока с размахом 9,0 В и частотой 5 Гц, что обеспечило ток 40 мА. После нагрева в течение 30 минут при 95°С электрод был проверен. Накипь спонтанно отделилась от металлической трубки. Промывание под водой из крана с аккуратным протиранием продемонстрировало очень хорошее удаление накипи за пределами спонтанно очистившейся зоны. Трубка приобрела желтый цветовой оттенок из-за окисления металла.
Эксперимент 10 (переменный ток/переменный ток)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и 6-миллиметровый стержень из покрытого MMO Ti были подключены к источнику питания. Было приложено напряжение переменного тока с размахом 9,0 В и частотой 5 Гц, что обеспечило ток 40 мА. Был наложен сигнал переменного тока частотой 100 Гц. После нагрева в течение 30 минут при 95°С электрод был проверен. Накипь спонтанно отделилась от металлической трубки. Промывание под водой из крана с аккуратным протиранием продемонстрировало очень хорошее удаление накипи за пределами спонтанно очистившейся зоны. Цветового оттенка на металле не наблюдалось.
Получение обызвествленного электрода
В типичном эксперименте жесткую воду добавляли в мензурку емкостью 600 мл. В воду погружали криволинейный нагревательный элемент. Воду доводили до кипения и поддерживали при 95°С в течение 30 минут. Во время нагрева в воду была погружена трубка из нержавеющей стали с внешним диаметром 12 мм и внутренним диаметром 10 мм. В центре трубки располагался 1-миллиметровый электрод из покрытого оксидами металлов (MMO) титана. Оба электрода были электрически подключены к напряжению постоянного тока 3,5 В, при этом нержавеющая сталь служила отрицательным электродом. Накипь осаждалась внутри трубки и прочно сцеплялась.
Эксперименты 11 и 12 демонстрируют влияние проводимости воды на удаление накипи и корродирование при очень низкой частоте в комбинации со смещением. Эксперименты 13 и 14 демонстрируют выгоду от дополнительного сигнала переменного тока по предотвращению коррозии.
Эксперимент 11 (переменный ток/постоянный ток) (контрольный пример)
Обызвествленная (внутри) 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и расположенный внутри по центру стержень диаметром 6 мм из нержавеющей стали были подключены к источнику питания после погружения в стандартную жесткую воду с проводимостью 900 мкСм/см. При 95°С пропускали ток 40 мА при измеренном размахе напряжения 2,6 В с частотой 0,5 Гц и постояннотоковым смещением -1,5 В (при этом трубка из нержавеющей стали была положительным электродом, а стержень - отрицательным противоэлектродом). После нагрева в течение 30 минут были проверены трубка и стержень. Вся накипь была удалена, при этом наблюдались признаки коррозии.
Эксперимент 12 (переменный ток/постоянный ток) (контрольный пример)
Тот же эксперимент, что и эксперимент 11, был повторен в воде с проводимостью 300 мкСм/см (вода с относительно низкой жесткостью). Чтобы получить тот же ток, было приложено напряжение 3,8 В. После нагрева в течение 30 минут при 95°С были проверены трубка и стержень. Вся накипь была удалена, и коррозии обнаружено не было.
Эксперимент 13 (переменный ток/переменный ток/постоянный ток)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и расположенный внутри по центру стержень диаметром 6 мм из нержавеющей стали были подключены к источнику питания после погружения в воду с проводимостью 900 мкСм. Пропускали ток 40 мА с частотой 0,5 Гц и постояннотоковым смещением -1,5 В. На сигнал был наложен дополнительный сигнал той же амплитуды, но с нулевым смещением и частотой 2,5 Гц. После нагрева в течение 30 минут при 95°С были проверены трубка и стержень. Вся накипь была удалена, и коррозии обнаружено не было, что демонстрирует выгоду от дополнительного переменного тока.
Эксперимент 14 (переменный ток/переменный ток/постоянный ток)
Обызвествленная 12-миллиметровая трубка из нержавеющей стали и расположенный внутри по центру стержень диаметром 6 мм из нержавеющей стали были подключены к источнику питания после погружения в воду с проводимостью 900 мкСм. При 95°С пропускали ток 40 мА с частотой 0,5 Гц и постояннотоковым смещением -1,5 В. На сигнал был наложен дополнительный сигнал той же амплитуды, но с нулевым смещением и частотой 1000 Гц. После нагрева в течение 30 минут при 95°С были проверены трубка и стержень. Вся накипь была удалена, и коррозии обнаружено не было, что демонстрирует выгоду от дополнительного переменного тока.
В приведенных далее экспериментах в качестве электрода был использован криволинейный нагревательный элемент.
Получение обызвествленного нагревательного элемента
В типичном эксперименте жесткую воду добавляли в мензурку емкостью 600 мл. В воду для ее нагрева погружали криволинейный нагревательный элемент (нержавеющая сталь). Воду поддерживали при 95°С в течение 30 минут. Во время нагрева внутрь нагревательного элемента помещали электрод из покрытого MOX Ti L-образной формы. Нагревательный элемент и противоэлектрод были подключены к источнику питания с напряжением постоянного тока 3,5 В, при этом нагревательный элемент был подключен как отрицательный электрод. Накипь осаждалась на нагревательном элементе и прочно сцеплялась.
Эксперимент 15 (переменный ток/переменный ток/постоянный ток)
Обызвествленный нагревательный элемент был погружен в стандартную жесткую воду с проводимостью 900 мкСм. Электрод L-образной формы из нержавеющей стали с диаметром 6 мм был расположен внутри элемента. Через систему пропускался ток 40 мА с использованием 2 сигналов переменного тока линейной формы, соответственно, 0,25 и 2,5 Гц, и постояннотокового смещения -2,5 В (при этом криволинейный нагревательный элемент был положительным электродом, а электрод L-образной формы из нержавеющей стали - отрицательным противоэлектродом). После нагрева в течение 30 минут были проверены элемент и электрод. Накипь была удалена, и коррозии обнаружено не было. Те же результаты были получены при увеличении смещения до -4,0 В постоянного тока.
Эксперимент 16 (переменный ток/переменный ток/постоянный ток)
В середине трубки проточного нагревателя длиной 18 см и внутренним диаметром 12 мм был расположен стержень из покрытого смешанными оксидами металлов (MMO) титана диаметром 2 мм. В течение 30 минут через нагреватель прокачивали жесткую воду при расходе 140 мл/мин. Вода выходила из трубки с температурой 95°С. Во время нагрева было приложено напряжение постоянного тока 3,5 В, при этом нагреватель был отрицательным электродом, а противоэлектрод - положительным электродом. На стенке нагревателя осаждалась накипь.
2
2
После обызвествления было приложено две наложенных частоты 0,1 Гц и 1 Гц. Смещение составляло 2,5 В, при этом нагреватель был положительным электродом. Был измерен ток 130 мА, что давало плотность тока около 2 мА/см на стенке нагревателя. После повторного прокачивания и нагрева жесткой воды в течение 30 минут было обнаружено, что известь с трубки удалилась. При 190 мА (2,8 мА/см) наблюдались похожие результаты.
Эксперимент 17 (переменный ток/переменный ток/постоянный ток)
2
2
2
Чаша цилиндрической формы из нержавеющей стали с нагревательным элементом, присоединенным к внешней стороне плоского дна, была наполнена жесткой водой. Радиус дна составлял 5,25 см. На расстоянии 3 мм от дна был установлен спиральный электрод из нержавеющей стали, изготовленный из проволоки толщиной 2 мм. Воду нагревали при подаче двух наложенных сигналов переменного тока (треугольной формы) с частотой 1 и 1000 Гц. Было использовано смещение 1,5 В, при этом чаша была положительным электродом. Был измерен ток 78 мА, что давало плотность тока 0,9 мА/см, если учитывать только дно. Если учитывать чашу в целом, при уровне воды 3 см, то плотность тока на стенке чаши составила 0,4 мА/см. После 20 минут нагрева воду из чаши вылили. На стенке не было сцепленной с ней накипи. При 56 мА (0,3 мА/см) были получены похожие результаты.