ИНДУКЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОКОТЕЛ

Полезная модель относится к электрокотлам и может быть использована для отопления производственных и вспомогательных зданий.
Из уровня техники известны электрокотлы [1, 2, 3, 4], содержащие водонагревательный бак, внутри которого установлены ТЭНы.
Недостатком такого рода котлов является особое требование к качеству химического состава воды. Вода, содержащая известь, образует на поверхности нагревательных элементов накипь и приводит их в негодность. Замена ТЭНов дорого и сложно технически. Требует полного разбора бака. Наиболее близким решением являются индукционные котлы [6]. Решение также запатентовано полезной моделью РФ №87856 и описывает устройство индукционного нагрева жидких сред, содержащее цилиндрический корпус с крышкой и днищем, внутреннее кольцо, смонтированное над днищем, и имеющее сквозные отверстия для прохождения нагреваемой жидкой среды, индуктор, входной патрубок для нагреваемой жидкой среды и выходной патрубок для нагретой жидкой среды, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит центральный внутренний цилиндрический канал, установленный соосно с корпусом, при этом верхняя часть центрального внутреннего цилиндрического канала соединена с крышкой корпуса и на ее поверхности выполнены сквозные отверстия для прохода нагреваемой жидкой среды, а нижняя часть соединена с выходным патрубком для нагретой жидкой среды, индуктор выполнен в виде цилиндрической полости, смонтированной между корпусом и центральным внутренним цилиндрическим каналом с образованием кольцевых каналов для прохождения нагреваемой жидкой среды, при этом внутри цилиндрической полости установлена обмотка, герметично запрессованная связующим диэлектрическим материалом, верхняя часть ее соединена с крышкой корпуса, а нижняя - с внутренним кольцом. Индукционные электрокотлы предназначены для использования в автономных системах отопления, горячего водоснабжения в технологических процессах, связанных с нагревом промежуточного теплоносителя. Отсутствие прямого нагрева в отличии от тэновых и газовых нагревателей, позволяет котлам работать намного дольше (свыше 30 лет) не теряя своих технических показателей.
Недостатком такого рода котлов является использование замкнутого проточного бака. В результате такое устройство нельзя регулировать по мощности выработки тепла. Котел работает постоянно, что не позволяет экономить электроэнергию. Один котел устанавливают на определенную площадь нагреваемых помещений.
Устройство не может обеспечить эффективную работу при организации оперативной системы резервного отопления или при потребности экстренно повысить мощность нагрева при значительном понижении температуры окружающей среды.
Техническим результатом заявленной полезной модели является индукционный электрокотел, позволяющий регулировать мощность нагрева и который можно использовать быстро и оперативно для установки системы отопления, например, при чрезвычайных ситуациях; электрокотел не требователен к выбору электродов, в качестве которых могут использоваться любые стальные трубы.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что электрокотел индукционного принципа нагрева жидких сред, содержащий не менее одного проточного бака для прохождения через него нагреваемой жидкой среды, индуктор, входной патрубок для нагреваемой жидкой среды и выходной патрубок для нагретой жидкой среды, отличающийся тем, что каждый из проточных баков изолирован от другого при помощи проходных керамических изоляторов, на которые подведено напряжение, а в качестве индуктора использовано не менее трех электродов из нержавеющей стали, установленных внутри каждого проточного вертикально установленного бака так, что их соединение между собой обеспечивается в центральной точке через теплоноситель, причем концы электродов находятся снаружи бака, а электроды выполнены с возможностью погружения внутрь бака на разную глубину.
Кроме того, погружение электродов на разную глубину обеспечивается путем их вкручивания или вывинчивания из корпуса бака.
Кроме того, вкручивания или вывинчивания из корпуса бака электродов обеспечивается посредством электроприводов с сальниковыми уплотнениями.
В качестве теплоносителя используется вода.
Индуктор может быть выполнен на основе магнитной системы и первичной обмотки, состоящей из катушек, с изоляцией на класс напряжения. Катушки зафиксированы в каркасе с помощью нажимных элементов, состоящих из изоляторов (сверху и снизу каждой катушки) и нажимных болтов. Выводные концы катушек выведены на изоляторы вводного устройства.
На наружной поверхности входного и выходного патрубков установлены датчики температуры входящей и выходящей воды. Кроме того, на поверхности труб водонагревателя установлены термовыключатели. Рядом с входным (нижним) фланцем установлен датчик потока.
Электрокотел (см. Фиг.1) является электрическим котлом косвенного нагрева, в котором для получения горячей воды используется теплота, выделяемая при протекании индуцированного электрического тока в стенках труб (1) водонагревателя, выполненных из коррозионностойкой аустенитной стали, а внутри труб проходит нагреваемая вода. Через нагреваемую воду электрический ток не проходит, поэтому требований к воде по удельному электрическому сопротивлению не предъявляется. Для входа и выхода воды установлены соответственно входной (2) и выходной (3) фланцы.
Индуктор может быть выполнен на основе магнитной системы (4) и первичной обмотки, состоящей из катушек (5), с изоляцией на класс напряжения. Катушки зафиксированы в каркасе с помощью нажимных элементов, состоящих из изоляторов (сверху и снизу каждой катушки) и нажимных болтов. Выводные концы катушек выведены на изоляторы вводного устройства (6). Вводное устройство выполнено для кабельного подсоединения. Магнитопровод, обмотка и вводное устройство электрокотла аналогичны по конструкции соответствующим узлам сухого трансформатора с воздушным охлаждением. Для интенсификации охлаждения высоковольтной обмотки в нижней части электрокотла установлены центробежные вентиляторы (7). Снаружи электрокотел закрыт защитным кожухом, предохраняющим активные и токоведущие части от доступа к ним и попадания посторонних предметов сбоку и сверху.
Водонагреватель, соединенный с заземленным корпусом электрокотла, выполняет роль вторичной, замкнутой накоротко, обмотки трансформатора. От питающей сети водонагреватель отделен изоляцией на класс напряжения. В любом режиме работы напряжение на водонагревателе относительно земли, а также между входным и выходным фланцами равно нулю. В связи с этим электрокотел допускается подключать к общей электрической сети без разделительного трансформатора, и подсоединять трубопроводы подачи воды к электрокотлу без изолирующих вставок. Для контроля тепловых параметров на наружной поверхности входного и выходного патрубков установлены датчики температуры (8) входящей и выходящей воды. Кроме того, на поверхности труб водонагревателя установлены термовыключатели (9), предназначенные для аварийного отключения электрокотла в случае недопустимого перегрева водонагревателя. Рядом с входным (нижним) фланцем установлен датчик потока (15), предназначенный для аварийного отключения электрокотла в случае нарушения циркуляции воды.
Выводные провода от охлаждающих вентиляторов, а также от датчиков температуры, потока и термовыключателей подсоединены к зажимам клеммной колодки в коробке соединений (10), находящейся в боковой части электрокотла и закрытой панелью защитного кожуха.
Для управления работой электрокотла и защиты его от ненормальных режимов работы в комплекте с ним поставляется шкаф управления (ШУ) с аппаратурой управления и защиты. К ШУ подсоединены провода связи, которые должны быть подсоединены к зажимам коробки соединений электрокотла.
Управление работой электрокотла осуществляется автоматически с помощью аппаратуры управления, находящейся в шкафу управления. В аварийных режимах аппаратура защиты отключает электрокотел.
Перед включением необходимо заполнить полностью гидравлическую систему, выпустить воздух из воздухоспускных устройств в системе и на электрокотле. Для выпуска воздуха из водонагревателя электрокотла установлен кран со сливной трубкой (11), который следует открыть при заполнении и закрыть после появления воды в трубке. Включить циркуляционный насос, убедиться в наличии нормальной циркуляции воды. Повторно приоткрыть воздухоспускные устройства, убедившись в отсутствии воздуха в системе.
В случае необходимости опорожнения водонагревателя электрокотла (например, при опасности его замерзания) необходимо слить воду из системы водоснабжения. Для чего в нижних торцах коллекторов могут быть предусмотрены заглушки (14), открытие которых позволит слить остатки воды из водонагревателя.
Принцип работы устройства
Теплосистема (см. Фиг.2) в которой работает электрокотел, является замкнутой системой с расширительным баком и постоянной принудительной циркуляцией теплоносителя.
Циркуляция может обеспечиваться циркуляционными насосами.
Помимо отопления, вырабатываемая электрокотлом тепловая энергия может использоваться для нагрева воды для хозяйственных нужд.
Электрокотел позволяет на его основе обеспечить систему подпитки от внешнего водопровода, автоматически поддерживающей необходимый объем воды в системе, путем открытия задвижки подпитки и (при давлении во внешнем водопроводе ниже давления в системе), включении насоса подпитки. Из опыта эксплуатации, при отсутствии утечек в трубопроводах, необходимость подпитки системы возникает 2-3 раза в месяц, за счет испарения воды из расширительного бака.
В качестве теплоносителя в системе отопления используется вода из внешнего водопровода, без дополнительной обработки (очистки, добавления веществ, улучшающих электропроводимость и пр.). Таким образом, свойства воды при использовании ее в системе не меняются и постоянной периодической замены (для исключения разрушительного влияния на трубопроводы и на работу электрокотла) не требуется.
Электрокотел (см. Фиг.2) работает по принципу протекания тока через теплоноситель (воду), имеющую определенное сопротивление столба воды. Соединенные в «звезду» электроды (13) котла, замыкают электрическую цепь через воду, которая таким образом является и теплоносителем и нагревательным элементом. Для подачи электроэнергии к теплоносителю служат изолированные друг от друга при помощи проходных керамических изоляторов (12), вертикально установленные баки (16), на которые подведено напряжение и, предпочтительно, не менее трех электродов (13) в каждом из нержавеющей стали, погруженные в теплоноситель (воду), внутрь баков по центру и соединенные между собой в центральной точке через воду в «звезду».
Электроды удерживаются внутри бака посредством поддерживающих устройств (15), опирающихся на края бака.
Тепловая мощность котла таким образом зависит от глубины погружения электродов (площади контакта подающих питание элементов и теплоносителя и расстояния от стержней до заземленных конструкций (второго полюса)). Более глубокое погружение электродов (13) в баки (16) вызывает увеличение тока, а соответственно мощности, подъем электродов - уменьшение. Подача холодной воды осуществляется снизу, выход горячей - сверху. Для обеспечения необходимой мощности электрокотла, электроды погружены внутрь баков на заданную глубину. Опускание (поднятие) электродов производится путем их вкручивания (вывинчивания) из корпуса котла.
В целях обеспечения регулирования мощности электрокотла без его отключения, возможна модернизация путем установки электроприводов с сальниковыми уплотнениями, что позволит изменять положение электродов даже при работающем котле.
Следует учесть, что при использовании котла подобной конструкции на высоком напряжении (10 кВ), может потребоваться увеличение диаметра и высоты баков, для увеличения расстояния пробоя и столба жидкости. Так же при увеличении мощности котла, потребуется изменить величину расхода протекающей жидкости (для исключения перегрева), путем замены циркуляционных насосов на агрегаты большей производительности и рабочего давления.
Максимальная токовая защита может быть обеспечена на основе реле ЭТ-521, питающимися от трансформаторов тока крайних фаз через испытательные блоки. При срабатывании этих реле, сработает выходное реле защиты, которое замыканием своих контактов становится на самоудержание и подает плюс на катушку отключения, при этом срабатывает аварийная сигнализация, а размыканием нормально замкнутого контакта снимается оперативный ток с тепловой защиты.
Так же предусмотрено отключение электрокотла при достижении теплоносителем заданной максимальной температуры и последующего автоматического включения при остывании теплоносителя. Реализовано это может быть на электроконтактном термометре ТКП-160Сr-М1-УХЛ2, что позволяет менять при необходимости установки температуры включения-отключения, в зависимости от температуры на улице. Таким образом, режим работы котла является повторно-кратковременным (в работе остается только циркуляционный насос). За счет тепловой инерции теплоносителя, температура внутри отапливаемых помещений остается постоянной, но налицо экономия электроэнергии, т.к. котел не работает постоянно, как в случае с прототипом.
Для сравнительной характеристики электрокотла по полезной модели мощностью на 6 кВ и промышленно выпускаемых электрокотлов 0,4 кВ были проведены контрольные замеры времени и периодичности срабатывания и потребления электроэнергии этими электрокотлами.
Результаты:
3
3
При обеспечении нормальной, комфортной температуры (20-25°С (по СанПиН2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» и ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны») в помещениях отапливаемых электрокотлом 6 кВ (общий объем - 10140 м), потребление электроэнергии за месяц составило 63000 кВт/час. Удельная энергозатрата на 1 м - 6,21 кВт/час за месяц.
2
3
3
При работе электрокотла 0,4 кВ, для обеспечения той же температуры в помещениях отапливаемого здания площадью 728 м, (объем отапливаемых помещений - 1820 м), потребление электроэнергии за месяц составило 12960 кВт/час. Удельная энергозатрата на 1 м - 7,12 кВт/час за месяц.
Таким образом, заявляемый электрокотел обеспечивает возможность экономии электроэнергии путем регулирования нагрузки.
Источники информации:
1. http://www.mk-termo.ru/catalog/90/
2. http://sogrevaem.narod.ru/kotli2_2.htm
3. http://www.narodcom.ru/catalog/?cat_id=22
4. http://www.sadovodu.ru/catalog/price55/
5. http://www.ekonomkotel.ru/