ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ УДАЛЕНИЕ НАКИПИ С ПОМОЩЬЮ ИНВЕРСИИ ПОЛЯРНОСТИ ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА
ELECTROCHEMICAL DESCALING BY PULSED SIGNAL REVERSAL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу нагрева жидкости, в частности воды, к (водо)нагревающему устройству с применением такого способа, а также к электронному прибору, содержащему такое (водо)нагревающее устройство.
Предпосылки изобретения
Водонагревающие приборы применяют в самых разных областях применений, таких как паровые утюги, электрочайники, автоматы для продажи горячих напитков и тому подобное. Проблема с такими приборами заключается в том, что на нагревательных элементах, которые находятся в контакте с водой, может образовываться накипь.
Во время работы, например, парогенерирующего прибора вода подается в часть инфраструктуры для воды, где она нагревается, в такую как (внешний) бойлер системы утюга, вследствие чего может образовываться накипь. Если накипь (периодически) не удаляется, может произойти закупоривание, в результате которого рабочие характеристики парогенерирующего прибора могут ухудшиться, и, в конце концов, парогенерирующий прибор станет непригодным для дальнейшего использования.
2+
-
3
3
Жесткая вода, содержащая значительное количество Ca и HCO (бикарбоната), может образовывать накипь (CaCO) при повышении температуры посредством следующей химической реакции:
3
2
3
2
2
Ca(HCO) → CaCO + HO + CO
2+
+
+
В частности, кипящая вода будет выделять накипь, причем эта накипь будет образовываться в воде, а также на самом нагревательном элементе, поскольку он имеет самую высокую температуру. Со временем накипь будет нарастать на нагревательном элементе и будет отваливаться с элемента когда увеличатся внутренние механические напряжения. В литературе заявлено о нескольких видах обработки воды для предотвращения образования накипи. Хорошо известный способ представляет собой использование ионообменников, где Ca обменивается на Na или H. Второй хорошо известный способ представляет собой использование фосфоната, который в небольшом количестве добавляется к воде и ингибирует образование затравочных кристаллов в жесткой воде, эффективно предотвращая рост кристаллов и, таким образом, образование накипи.
В первом случае нужно использовать картридж с ионообменной смолой внутри. После истощения картридж должен регенерироваться или заменяться новым. Во втором случае должен непрерывно добавляться фосфонат, поскольку фосфонаты имеют ограниченную стабильность при pH 7-8,5, при pH жесткой воды. Непрерывное добавление может осуществляться, например, с использованием спрессованной таблетки, которая очень медленно высвобождает фосфонаты в воду. Этот принцип работы используют в паровых утюгах предшествующего уровня техники. Однако при этом в воду добавляют химические реактивы, что может быть недостатком, например, когда вода (также) предназначается для питья.
Также заявлено о физических способах предотвращения образования накипи, но таковые могут иметь менее четкий принцип работы, и эффективность действия в некоторых случаях может подвергаться сомнению. Например, использование (электро)магнитов, размещаемых на водопроводе, представляет собой пример малопонятного и невоспроизводимого способа предотвращения накипи.
Способы предотвращения образования накипи описывают также WO 2012011026 и WO 2012011051.
Сущность изобретения
Следовательно, один из аспектов данного изобретения заключается в обеспечении альтернативного способа предотвращения или уменьшения образования накипи в водонагревателе и/или альтернативного водонагревательного устройства, которое предпочтительно предотвращает или по меньшей мере частично устраняет один или более описанных выше недостатков и/или недостатков относительно более усложненных конструкций или решений предшествующего уровня техники. В частности, целью данного изобретения является предотвращение или уменьшение образования накипи на нагревательных элементах (таких как способная нагревать стенка или погружной нагреватель) в бытовых нагревающих приборах и/или декальцинирование кальцинированных поверхностей таких нагревательных элементов.
Здесь предлагается электрохимическое предотвращение появления накипи и/или ее удаление из (водной) жидкости, такой как вода. Принцип может иметь в воде два электрода, подключенные к источнику питания постоянного тока. На аноде (электрод +) происходит окисление. На катоде (электрод -) происходит восстановление; на практике это означает, что на катоде вода восстанавливается:
2
2
-
-
2HO + O + 4e → 4OH
-
-
-
-
2+
3
3
3
Образование OH будет локально увеличивать pH и преобразовывать HCO в CO. Этот CO будет взаимодействовать с Ca, и на катоде будет осаждаться кальцит.
На аноде происходит окисление. Когда материал анода является стойким к окислению, тогда вода окисляется до кислорода и кислоты. Кислота будет растворять кальцит, который осаждается на электроде, и электрод будет оставаться чистым, при использовании в нагретой (жесткой) воде:
2
2
+
-
2HO → O + 4H + 4e
Когда анод является реакционноспособным, он может окисляться. Например, металлические аноды будут растворяться, если только не используют очень стабильный металл (Pt), определенные оксиды переходных металлов или углеродные аноды. Кальцинированная сталь может декальцинироваться посредством приложения положительного напряжения, но его влияние ограничивается коррозионной стойкостью металла, делая возможными только очень небольшие напряжения/токи.
В итоге, такая простая установка может удалять накипь из воды посредством осаждения ее на катод и сохраняя (стойкий к окислению) анод чистым. Недостаток, кроме необходимости в коррозионностойком материале анода, может заключаться в том, что катод должен очищаться через регулярные интервалы.
Обнаружено, что образование накипи (то есть образование карбоната кальция («кальцита»)) может предотвращаться посредством приложения сигнала переменного тока к двум электродам, один из которых представляет собой нагревательный элемент. При постоянной инверсии сигнала нагревательный элемент попеременно становится анодом или катодом. Это означает, что на поверхности нагревательного элемента попеременно генерируются кислота и основание, эффективно ослабляя адгезию накипи на нагревательном элементе.
Главная идея, лежащая в основе сигнала переменного тока, заключается в том, что коррозия подавляется при предотвращении перемещения ионов металла из электрода в раствор. Когда сигнал является положительным, ионы металлов стремятся выйти из электрода в воду (коррозия). Когда сигнал инвертируется достаточно быстро, ионы металлов втягиваются обратно к электроду. Когда инверсия является достаточно быстрой, ионы не могут покинуть пограничный слой на поверхности металла и коррозия предотвращается.
Хотя добавление сигнала высокой частоты может подавлять коррозию при применении единственного сигнала переменного тока низкой частоты, имеется недостаток. Второй сигнал переменного тока должен иметь определенную амплитуду, чтобы он был эффективным. Это означает, например, что когда амплитуды обоих сигналов переменного тока равны, на пике сигнала низкой частоты амплитуда модулируется второй частотой, уменьшающая ее до 0 В на минимуме, но удваивает ее на максимуме (см. ниже). Удваивание амплитуды может затем приводить снова к коррозии, несмотря на то, что присутствует второй сигнал переменного тока, который мог бы предотвратить эту коррозию, благодаря пиковой амплитуде, превышающей порог коррозии.
Кроме того, необходимо отметить, таким образом, что в этом примере на пике сигнала низкой частоты, где имеется самый высокий риск коррозии, сигнал только инвертируется только до 0 В.
Реально это означает, что удвоение правильного сигнала для водонагревающего прибора для предотвращения образования накипи и коррозии является довольно трудоемким, поскольку нужно выбрать не только правильные частоты, но также и амплитуды (включая необязательный постоянный ток). Для предотвращения образования накипи, необходима достаточная амплитуда, но на пиках амплитуда не должна пересекать определенный порог, когда разрушается пограничный слой на электроде и происходит коррозия.
Неожиданно обнаружено, что при очень специфических условиях, с помощью быстрого сигнала переменного тока с правильной амплитудой, правильной температурой, и в конфигурации, где жидкость, которая должна нагреваться, протекает между двумя электродами, можно преодолеть недостатки предыдущего уровня техники и можно предотвратить и/или уменьшить образование накипи и коррозию. Однако, как указано выше, слишком низкие или слишком высокие частоты также нежелательны.
Следовательно, в первом аспекте настоящее изобретение предлагает способ нагрева жидкости в нагревателе, при этом нагреватель содержит нагревательный элемент и противоэлектрод, при этом способ включает: (i) нагрев жидкости в нагревателе посредством нагрева нагревательного элемента до температуры в диапазоне 120-250°C и (ii) приложение разности потенциалов (В) переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, при этом разность потенциалов переменного тока изменяется с частотой (f) переменного тока в диапазоне 200-2500 Гц и имеет амплитуду, в частности, в диапазоне 1-5 В и при этом, в частности, жидкость протекает в нагревателе между нагревательным элементом и противоэлектродом. Следовательно, данное изобретение предлагает способ, в котором во время или после нагрева жидкости, нагревательный элемент подвергается воздействию флуктуирующей разности потенциалов, причем эта флуктуация имеет относительно высокую частоту в диапазоне 200-2500 Гц (и при этом он находится в контакте с (горячей) водной жидкостью, в частности, водой). В частности, частота переменного тока находится в диапазоне 400-2200 Гц, таком как 600-2000 Гц. Работа вне указанного диапазона частот переменного тока, то есть при слишком низкой или при слишком высокой частоте, такой как ниже примерно 200 Гц или выше примерно 2500 Гц, видимо, дает худшие результаты относительно образования накипи и/или окисления. Следовательно, неожиданно выяснилось, что с помощью этого решения можно по существу предотвратить и/или устранить образование накипи и можно предотвратить коррозию. Когда на электроды подают переменный ток (AC), на электродах будет попеременно образовываться кислота и основание. Хотя во время нагрева и образуется накипь, она по существу не будет приставать к стенкам электрода, поскольку она постоянно растворяется и повторно осаждается на поверхности электрода. Способ может также использоваться для декальцинирования уже кальцинированных поверхностей.
Подвижность ионов (в жидкости, которая должна нагреваться или нагревается) зависит от температуры. В водонагревающих системах, работающих при относительно низкой мощности, подвижность является относительно низкой. Когда нагреватель работает под давлением и при высокой мощности, например, как в (проточном) нагревателе, например, экспрессо кофе-машины, подвижность является относительно высокой. Видимо, чем выше рабочая температура, тем более симметричным может быть электрический сигнал для предотвращения коррозии. Дополнительный сигнал постоянного тока может быть низким или даже равным нулю, когда нагреватель работает при высокой температуре. При высоких температурах, таких как равных или превышающих 120°C (то есть температуры нагревательного элемента, который находится в контакте с жидкостью), сигнал, в частности, может быть относительно симметричным.
Как правило, сигнал может иметь коэффициент заполнения, близкий к 100%. Термин «коэффициент заполнения» известен в данной области техники и, в частности, относится к проценту времени, которое объект проводит в активном состоянии, как доли от общего времени рассмотрения. Например, когда потенциал переменного тока имеет синусоидальную форму и сигнал следует этой синусоиде, коэффициент заполнения составляет 100%. Если бы, однако, в течение 25% времени сигнал был равен нулю или, например, присутствовал бы противоположный сигнал (для ситуации, в которой сигнал следовал бы по синусоиде), коэффициент заполнения составлял бы 75%. Следовательно, в частности, напряжение переменного тока прикладывается при коэффициенте заполнения импульса, составляющем, например, ≥95%, таким как, в частности, 100%. Следовательно, в частности, прикладывают только напряжение переменного тока, без дополнительных добавлений или удвоения. Следовательно, в частности, напряжение переменного тока, которое прикладывается, основано на единственном компоненте (имеющем указанную частоту), с коэффициентом заполнения 100% и с компонентом постоянного тока <0,2 В, в частности, 0 В.
Как дополнительно оказывается в вариантах осуществления, особенно преимущественно, когда частота (f) переменного тока находится в диапазоне 500-1500 Гц, при этом напряжение переменного тока имеет синусоидальный характер и при этом разность потенциалов находится в диапазоне 1-5 В, таком как по меньшей мере 1,2 В, подобно 1,5-5 В, таком как, в частности, 1,5-4 В. Отметим также, что в настоящем изобретении в качестве нагревательного элемента необязательно может быть выполнен противоэлектрод. Следовательно, в одном варианте осуществления жидкость может протекать между двумя нагревательными элементами, оба из которых используются в качестве электродов.
В других вариантах осуществления способ может включать нагрев нагревательного элемента до температуры в диапазоне 120-250°C, например, в диапазоне 140-200°C. При условиях, описанных в настоящем документе, это может означать, что вода может нагреваться до температуры в диапазоне примерно 80-110°C, в частности, примерно 85-100°C. В частности, нагревательный элемент можно использовать для нагрева жидкости до температуры близкой к температуре кипения (жидкости). Дополнительно, жидкость может нагреваться при повышенном давлении, то есть при давлении выше 1 бар. Следовательно, в одном варианте осуществления жидкость в контакте с нагревательным элементом доводится до давления в диапазоне 1-12 бар, в частности, 1-10 бар. В некоторых случаях, давление может находиться в диапазоне 7-12 бар, например, 7-10 бар. Для этого, нагревательное устройство может дополнительно содержать прибор, выполненный с возможностью приложения давления к жидкости, в частности, давления большего, чем 1 и равного или меньшего чем 12 бар, такого как в диапазоне > 1 бар и ≤10 бар, например, 7-10 бар. Например, такой прибор может представлять собой такой насос, который известен специалисту в данной области техники. В конкретных вариантах осуществления (горячая) жидкость имеет температуру в диапазоне на 0,25-20°C меньше, чем температура кипения, например, на 1-15°C меньше, чем температура кипения. Следовательно, по меньшей мере часть нагревательного элемента может, таким образом, находиться в контакте с жидкостью при такой температуре, в течение по меньшей мере части времени работы. Следовательно, в одном из вариантов осуществления данное изобретение также включает способ, в котором жидкость нагревается с помощью нагревательного элемента до температуры в диапазоне на 0,25-20°C меньше, чем температура кипения, например, на 1-15°C меньше, чем температура кипения.
Жидкость может протекать вдоль нагревательного элемента. Следовательно, в одном из вариантов осуществления способ может дополнительно включать протекание жидкости вдоль нагревательного элемента, в частности, при скорости потока в диапазоне 1,5-10 мл/сек, такой как в диапазоне 2-3,5 мл/сек или 4,5-7 мл/сек. В конкретном варианте осуществления способ может, таким образом, включать протекание жидкости между нагревательным элементом и противоэлектродом при скорости потока в диапазоне 1,5-10 мл/сек, таком как в диапазоне 3-6 мл/сек, например, 4-6 мл/сек. Следовательно, в одном из вариантов осуществления нагреватель выполнен с возможностью протекания жидкости между нагревательным элементом и противоэлектродом. В дополнительном конкретном варианте осуществления нагреватель содержит проточный нагреватель, при этом нагревательный элемент окружает собой противоэлектрод. Еще в одном конкретном варианте осуществления нагревательный элемент и противоэлектрод имеют (кратчайшее) расстояние между ними в диапазоне 0,5-5 мм. В альтернативных вариантах осуществления нагреватель содержит проточный нагреватель, при этом противоэлектрод окружает собой нагревательный элемент. В других вариантах осуществления как нагревательный элемент, так и противоэлектрод выполнены с возможностью нагрева жидкости (противоэлектрод, таким образом, содержит второй нагревательный элемент).
Особенно преимущественным является использование сигналов переменного тока, которые имеют синусоидальную или треугольную, или прямоугольную форму. В частности, интерес могут представлять сигналы переменного тока синусоидальной формы. Следовательно, в конкретном варианте осуществления напряжение переменного тока имеет форму синусоидальной волны.
Приложение напряжения переменного тока может осуществляться до, во время или после нагрева (водной) жидкости. Предпочтительно, напряжение переменного тока прикладывают во время нагрева (водной) жидкости. Фраза «приложение напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом» и сходные фразы относятся к варианту(ам) осуществления, в которых как нагревательный элемент, так и противоэлектрод находятся в контакте с (водной) жидкостью. Следовательно, фраза «приложение напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом» относится к «приложению напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, в то время как нагревательный элемент и противоэлектрод находятся в контакте с (водной) жидкостью». Фраза «в контакте» включает варианты осуществления, в которых по меньшей мере часть объекта находится в контакте. Например, по меньшей мере часть нагревательного элемента или по меньшей мере часть противоэлектрода может находиться в контакте с (водной) жидкостью, соответственно. В частности, нагревательный элемент может быть соединен с землей (заземлен).
В настоящем документе жидкость представляет собой, в частности, воду (хотя другие водные жидкости также могут нагреваться с помощью способа и нагревательного устройства, которые описаны в настоящем документе). Способ может использоваться для жесткой и мягкой воды, в частности, для воды, имеющей электропроводность воды предпочтительно по меньшей мере 100 мкСм/см.
Нагревательный элемент может погружаться непосредственно в воду или быть выполненным в виде (детали) стенки нагревателя. В обоих случаях нагревательный элемент (стенка) действует в качестве электрода и электрически соединен с противоэлектродом. Нагревательный элемент (его поверхность), таким образом, находится в контакте с (водной) жидкостью в нагревателе. Это также указывается в настоящем документе с помощью фразы «при этом нагревательный элемент находится в контакте с (водной) жидкостью». Отметим, что термин нагревательный элемент, таким образом, относится к той детали (элементу), которая находится в контакте с (водной) жидкостью и обеспечивает (при использовании нагревателя для нагрева (водной) жидкости) тепло от нагревателя для (водной) жидкости. На нагревательном элементе (или более конкретно, на его поверхности (на ее части), которая находится в контакте с (водной) жидкостью), может осаждаться накипь. Термин «нагревательный элемент» может, таким образом, не обязательно относиться к реальному прибору для генерирования тепла, но относится к той детали/элементу, который переносит тепло к (водной) жидкости. В одном варианте осуществления термин «нагревательный элемент» может также относиться к множеству нагревательных элементов.
Нагревательный элемент для нагрева (водной) жидкости в настоящем документе предпочтительно содержит одну или более металлических деталей для нагрева жидкости или состоит в основном из металла, например, стальную стенку или стальной погружной нагреватель. Следовательно, нагревательный элемент в настоящем документе обозначается также 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 в настоящем документе предпочтительно содержит одну или более стальных деталей для нагрева жидкости или состоит в основном из стали. Следовательно, нагревательный элемент или деталь нагревательного элемента в контакте с водой предпочтительно изготавливается из стали (хотя другие материалы также могут быть возможными). В конкретном варианте осуществления нагревательный элемент представляет собой стальной нагревательный элемент.
Термин «противоэлектрод» в одном варианте осуществления может также относиться к множеству противоэлектродов. Например, когда подается более одного сигнала, в принципе, могут применяться различные противоэлектроды. В одном варианте осуществления подаваемые сигналы подают на отдельные противоэлектроды, при этом противоэлектрод, таким образом, содержит множество противоэлектродов, и при этом напряжение переменного тока прикладывается между нагревательным элементом и первым противоэлектродом, и при этом второе напряжение переменного тока прикладывается между нагревательным элементом и дополнительным противоэлектродом. В частности, когда подают два или более сигналов переменного тока, может быть возможным использование для каждого сигнала переменного тока отдельного противоэлектрода.
Противоэлектрод может, например, представлять собой электрод из нержавеющей стали или смешанного металлического оксида (MMO), электрод на основе углерода или платиновый электрод. Когда в качестве противоэлектрода используют стенку нагревателя, противоэлектрод, предпочтительно, состоит из металла, более предпочтительно, из стали.
Термин «сталь» в настоящем документе относится в частности к нержавеющей стали. Можно применять любой сорт нержавеющей стали. Предпочтительно, эта сталь содержит как Cr, так и Ni (например, сорт 304), при этом особенно предпочительно дополнительное присутствие небольших количеств Mo (например, сорт 316 или выше).
Термин «нагреватель» используется для указания прибора, который предназначен для нагрева жидкости, такой как вода. Нагреватель, в частности, относится к водонагревателю. Термин «водонагреватель» используется для обозначения устройства, которое предназначено для нагрева (водной) жидкости, такой как вода. Термин «водонагреватель» (в настоящем документе кратко обозначается как «нагреватель») может относиться, например, к парогенерирующей камере (на основе нагрева (водной) жидкости). Нагреватель может представлять собой нагреватель проточного типа. Нагреватель может, например, нагревать (водную) жидкость в одном варианте осуществления с помощью теплогенерирующего прибора, соединенного со стенкой нагревателя, при этом стенка (которая находится в контакте с (водной) жидкостью) представляет собой нагревательный элемент (для нагрева (водной) жидкости) или, например, в одном варианте осуществления может нагревать ее с помощью элемента в (водной) жидкости, такой как вода, например, в случае нагревателя погружного типа (в котором нагревательный элемент находится в контакте с (водной) жидкостью) и тому подобное. Могут применяться различные типы нагревательных элементов (одновременно). Термин «(водо)нагреватель» может также относиться к (замкнутому) бойлеру, предназначенному для получения водяного пара, к (замкнутому) бойлеру, предназначенному для получения нагретой воды, к проточному нагревателю или к отпаривателю. В конкретном варианте осуществления, нагреватель, предназначенный для нагрева (водной) жидкости, выбирают из группы, состоящей из проточного нагревателя (смотри также ниже), проточного отпаривателя, нагревателя для нагрева воды и нагревателя для получения водяного пара. Дополнительно, нагреватель также может быть выполнен с возможностью обеспечения нагретой воды и водяного пара. Учитываются также нагревательные блоки, где нагревательный элемент и, например, труба, которая несет воду, встроены в блок из алюминия.
Нагрев может представлять собой любой нагрев при температурах выше комнатной температуры, но в основном относится к нагреву ((водной) жидкости) выше 50°C, такому как, в частности, нагрев (водной) жидкости в нагревателе до температуры по меньшей мере 85°C. Термин нагрев может, таким образом, включать доведение до повышенных температур, кипения и/или получения водяного пара.
Нагреватель может представлять собой любой нагреватель, такой как нагреватель парогенерирующего прибора (например, который используют для парогенератора высокого давления (иногда обозначается также как системный (паровой) утюг)), для получения водяного пара, водонагреватель для обеспечения горячей питьевой воды, например, как в автомате для продажи горячих напитков (например, для приготовления кофе, чая, каппучино или горячего шоколада и тому подобное), в электрическом чайнике, в кофеварке (с капельным фильтром), в машине для приготовления эспрессо, в капсюльной кофе-машине, в бойлере (для внутреннего обогрева дома (бытовой бойлер) или квартиры, административного здания), в промышленном бойлере и тому подобном), в нагревателе для воды, предназначенном для стиральной машины или посудомоечной машины, или в приборе (или в разбрызгивателе) для уничтожения сорняков на основе горячей воды (предназначенном для обеспечения горячей воды для уничтожения сорняков).
,
Данное изобретение также предлагает устройство, с которым можно применять способ по данному изобретению. Данное изобретение, следовательно, предлагает в одном варианте осуществления (водо)нагревательное устройство содержащее (водо)нагреватель, предназначенный для нагрева (водной) жидкости, при этом (водо)нагреватель содержит нагревательный элемент для нагрева (водной) жидкости в (водо)нагревателе, при этом нагревательный элемент предназначен для пребывания в контакте с (водной) жидкостью, и источник электрического питания, предназначенный для приложения напряжения переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом. Следовательно, нагревательное устройство может осуществлять способ, описанный в настоящем документе.
Следовательно, данное изобретение дополнительно предлагает (водо)нагревательное устройство, содержащее нагреватель, предназначенный для нагрева жидкости, содержащее нагревательный элемент для нагрева жидкости в нагревателе и противоэлектрод, проточный узел, выполненный с возможностью протекания жидкости между нагревательным элементом и противоэлектродом, и источник электрического питания, предназначенный для приложения разности потенциалов переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, при этом разность потенциалов переменного тока изменяется с частотой (f) переменного тока в диапазоне 200-2500 Гц и имеет амплитуду в диапазоне 1-5 В.
В другом дополнительном варианте осуществления нагреватель выполнен с возможностью протекания жидкости между нагревательным элементом и противоэлектродом и при этом нагреватель содержит проточный нагреватель, при этом нагревательный элемент окружает собой противоэлектрод (смотри, однако, также выше). Проточные нагреватели также описаны среди прочих в WO 2006/067695 и WO 2010/055472, которые включены в настоящий документ посредством ссылки.
Следовательно, в дополнительном аспекте данное изобретение предлагает электронный прибор, содержащий такое нагревающее устройство, при этом электронный прибор предназначен для получения нагретой воды и/или водяного пара. В частности, в одном варианте осуществления электронный прибор может выбираться из группы, состоящей из утюга, парогенератора высокого давления, парогенератора низкого давления (иногда также обозначаемого как отпариватель для одежды), автомата для продажи горячих напитков, электрического чайника, кофеварки (с капельным фильтром), машины для приготовления эспрессо, капсюльной кофе-машины, стиральной машины, посудомоечной машины и прибора (разбрызгивателя) для уничтожения сорняков на основе горячей воды. Автомат для продажи горячих напитков может, например, относиться к кофеварке, машине для приготовления эспрессо, капсюльной кофе-машине, машине для приготовления горячего шоколада, капсюльной машине для приготовления горячего шоколада, машине для приготовления супа, машине для приготовления горячего чая и автомату для продажи, который может иметь две или более таких функций. Следовательно, данное изобретение, в частности, дополнительно предлагает электронный прибор для приготовления напитка, содержащего жидкость при повышенной температуре, электронный прибор, содержащий (водо)нагревательное устройство, которое охарактеризовано в настоящем документе, при этом электронный прибор предназначен для получения нагретой воды и/или водяного пара для напитка. Такой напиток может представлять собой кофе, чай, эспрессо и горячий шоколад. В одном варианте осуществления электронный прибор или автомат для продажи может необязательно также иметь возможность для приготовления одного или более напитков из эспрессо макиато, эспрессо со сливками, кофе латтэ, кофе с молоком, кофе латтэ американо, каппучино, кофе мокко, американо, латтэ макиато, кофе с добавкой эспрессо, кофе с молоком по-французски, эспрессо с уменьшенным количеством воды, двойное кофе эспрессо, кофе со сливками, кофе с шоколадом и пряностями и так далее, и тому подобное.
В другом дополнительном аспекте данное изобретение также предлагает использование разности потенциалов переменного тока между нагревательным элементом и противоэлектродом, оба в контакте с горячей жидкостью, при этом разность потенциалов переменного тока изменяется с частотой (f) переменного тока в диапазоне 200-2500 Гц и имеет амплитуду в диапазоне 1-5 В, для предотвращения или уменьшения образования накипи на нагревательном элементе. Как упомянуто выше, в настоящем документе во время нагрева (водной) жидкости в нагревателе с нагревательным элементом предпочтительно прикладывается определенное напряжение переменного тока. Это может иметь наибольшее влияние при предотвращении и/или уменьшении образования накипи на нагревательном элементе.
В одном варианте осуществления способ дополнительно включает измерение электропроводности (водной) жидкости и, необязательно, других параметров, и необязательный контроль напряжения переменного тока и, необязательно, одного или более других параметров в зависимости от измерения и от предварительно заданных соотношений между электропроводностью (и другими необязательными параметрами) и напряжением переменного тока и, необязательно, одним или более другими параметрами. Один или более других необязательных параметров, которые могут измеряться, могут быть выбраны из группы, состоящей из температуры (водной) жидкости, pH (водной) жидкости, тока, который протекает (между нагревательным элементом и противоэлектродом), падения напряжения при соединении двух электродов (то есть нагревательного элемента и противоэлектрода), и тому подобное.
В частности, способ может включать контроль одного или более параметров из разности потенциалов и частоты (f) переменного тока и, необязательно, коэффициента заполнения как функции одного или более из (i) тока между нагревательным элементом и противоэлектродом и (ii) электропроводности жидкости. В частности, измеряют ток между нагревательным элементом и противоэлектродом. Измерение(я) тока и/или электропроводности может дать информацию о химических процессах, которые происходят.
2
2
2
2
Как правило, плотность тока (то есть между нагревательным элементом и противоэлектродом) находится в диапазоне 0,1-10 мА/см, в частности, 0,1-5 мА/см, например, конкретно 0,2-0,6 мА/см, при использовании плоского нагревательного элемента или нагревательного элемента спиральной формы в системе бойлера, или, в частности, 0,2-5 мА/см для проточного нагревателя.
Источник электрического питания может представлять собой любую систему, которая может генерировать напряжение переменного тока. Необязательно, один или более из частоты переменного тока, напряжения между пиками переменного тока и тому подобное являются изменяемыми и контролируемыми, например, один или более параметров могут контролироваться по отношению к параметру, подобному электропроводности жидкости и/или температуре жидкости, или току, который протекает. Термин источник электрического питания в одном варианте осуществления также может относиться к множеству источников электрического питания. В принципе, каждое напряжение может генерироваться с помощью разного источника электрического питания.
Приложение напряжения (то есть разности потенциалов) предпочтительно может осуществляться постоянно в течение всего времени, когда (водная) жидкость находится при повышенных температурах, но в одном варианте осуществления оно может также прикладываться периодически. Необязательно, напряжение прикладывается до или после нагрева (водной) жидкости. Однако наилучшие результаты получены, когда напряжение прикладывают по меньшей мере во время нагрева (водной) жидкости.
В частности, электропроводность воды находится в диапазоне 100-50000 мкСм/см и температура воды находится в диапазоне 50°C - температура кипения; в частности ≥85°C.
Термин «по существу» в настоящем документе, например, «по существу состоит», будет понятен специалисту в данной области техники. Термин «по существу» может также включать варианты осуществления вместе с «целиком», «полностью», «все» и тому подобное. Следовательно, в вариантах осуществления характеристика по существу также может удаляться. Там, где это применимо, термин «по существу» может также относиться к 90% или выше, например 95% или выше, в частности 99% или выше, еще более конкретно 99,5% или выше, включая 100%. Термин «содержать» включает также варианты осуществления, где термин «содержит» обозначает «состоит из».
Кроме того, термины первый, второй, третий и так далее в описании и в формуле изобретения используют для установления различий между сходными элементами, а не обязательно для описания последовательного или хронологического порядка. Следует понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах и что варианты осуществления данного изобретения, описанные в настоящем документе, могут работать в последовательностях иных, чем описывается или иллюстрируется в настоящем документе.
Приборы или установки в настоящем документе, среди прочего, описываются во время работы. Как будет ясно специалисту в данной области техники, данное изобретение не ограничивается способами работы или приборами в работе.
Необходимо отметить, что рассмотренные выше варианты осуществления, скорее иллюстрируют, чем ограничивают данное изобретение, и что специалисты в данной области техники смогут сконструировать многие альтернативные варианты осуществления без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения любые ссылочные позиции, помещенные в скобках, не должны рассматриваться как ограничивающие пункт формулы изобретения. Использование глагола «содержать» и его склонений не исключает присутствия элементов или этапов иных, чем сформулированы в пункте формулы изобретения. Единственное число элемента не исключает присутствия множества таких элементов. Термин «и/или», в частности, указывает на «один или более из». Настоящее изобретение может осуществляться посредством аппаратного обеспечения, содержащего несколько различных элементов, и посредством соответствующим образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения, содержащем прибор, перечисляются несколько средств, некоторые из этих средств могут воплощаться с помощью одного и того же объекта аппаратного обеспечения. Сам по себе факт, что определенные меры упоминаются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер не может использоваться для получения преимущества.
Дополнительно данное изобретение применяется к прибору или установке, содержащей один или более отличительных признаков, описанных в описании и/или показанных на прилагаемых чертежах. Дополнительно данное изобретение принадлежит к способу или процессу, включающему один или более отличительных признаков, описанных в описании и/или показанных на прилагаемых чертежах.
Различные аспекты, обсуждаемые в этом патенте, могут объединяться для обеспечения дополнительных преимуществ. Кроме того, некоторые из этих признаков могут формировать основу для одной или нескольких выделенных заявок.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления данного изобретения будут теперь описаны только лишь в качестве примеров со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых соответствующие ссылочные символы обозначают соответствующие детали и на которых:
Фиг.1a-1c схематически изображают некоторые возможные конфигурации нагревательного устройства, где нагревательный элемент погружен в воду или где нагревательный элемент представляет собой стенку (водо)нагревателя, и показывают некоторые аспекты данного изобретения; и
Фиг.2a-2c схематически изображают некоторые примеры электрохимии и напряжений переменного тока.
Подробное описание вариантов осуществления
Фиг. 1a схематически изображает (водо)нагревательное устройство («нагревательное устройство») 1, содержащее (водо)нагреватель 100 («нагреватель»), предназначенное для нагрева (водной) жидкости 20. (Водная) жидкость 20, в частности вода, содержится в нагревателе 100.
Нагреватель 100 содержит металлический нагревательный элемент 110 для нагрева (водной) жидкости 20 в нагревателе 100. Нагревательное устройство 1 дополнительно содержит источник 200 электрического питания, предназначенный для приложения напряжения переменного тока между нагревательным элементом 110 и противоэлектродом 120. При приложении напряжения, металлический нагревательный элемент 110 защищается от образования накипи и/или образованная накипь может удаляться. Фиг. 1a схематически изображает один вариант осуществления проточного нагревателя (FTH), при этом нагреватель 100 представляет собой нагреватель, через который протекает (водная) жидкость 20, в то время, когда она нагревается. В схематическом варианте осуществления по фиг.1a, теплогенерирующий прибор 115 соединен со стенкой нагревателя 100, а стержень внутри нагревателя используется в качестве противоэлектрода 120. Стенка соединяется с генерирующим прибором 115 для нагрева стенки и предпочтительно состоит из (нержавеющей) стали; стенка находится в контакте с (водной) жидкостью (не изображена) и, таким образом, она используется в качестве нагревательного элемента 110. Противоэлектрод 120 может содержать материал, как показано в описании выше для фиг.1b. Нагревательный элемент (110) и противоэлектрод (120) имеют расстояние (d2) (между ними), которое может, например, находиться в диапазоне 0,5-5 мм.
Необязательно, расположенный по окружности нагревательный элемент и противоэлектрод могут располагаться наоборот, при этом противоэлектрод окружает собой нагревательный элемент (этот вариант осуществления не изображается).
Фиг. 1b схематически изображает по существу такой же вариант осуществления, который схематически изображен на фиг.1a, но теперь в поперечном сечении. Элементы 115 нагревают стенку нагревателя 100. Следовательно, стенка указана как нагревательный элемент 110. К этой стенке, то есть к нагревательному элементу 110 и противоэлектроду 120 прикладывается напряжение от источника 200 электрического питания. Здесь стенка используется в качестве нагревательного элемента 110 и предпочтительно состоит из (нержавеющей) стали. Противоэлектрод 120 может содержать материал, который указан в описании выше для фиг. 1b.
Фиг. 1c схематически изображает образец автомата для продажи в качестве примера электронного прибора 2. Ссылочный символ 300 указывает напиток.
Основная идея, связанная с сигналом переменного тока, заключается в том, что коррозия подавляется посредством предотвращения выхода ионов металлов из электрода в раствор. Когда сигнал является положительным, ионы металла стремятся уйти из электрода в воду (коррозия). Когда сигнал достаточно быстро инвертируется, ионы металлов втягиваются обратно в электрод. Когда эта инверсия является достаточно быстрой, ионы не могут покинуть пограничный слой на поверхности металла и коррозия предотвращается. Фиг. 2a схематически изображает два электрода, подобные нагревательному элементу и противоэлектроду. Электроды обозначаются как EL. Когда прикладывается напряжение переменного тока, будет образовываться поверхностный заряд SC, который постоянно изменяет свой знак из-за характера переменного тока. Вблизи электродов будет присутствовать электрический двойной слой, обозначенный как DL. Прерывистая линия обозначает плоскость скольжения SP, которая отделяет подвижную текучую среду от текучей среды, которая остается присоединенной к поверхности. Фиг. 2b показывает решение посредством опорного сигнала, при этом медленный переменный ток модулируется быстрым переменным током. Хотя добавление сигнала высокой частоты может подавлять коррозию отдельным сигналом переменного тока низкой частоты, имеется недостаток. Второй сигнал переменного тока должен иметь определенную амплитуду для того, чтобы быть эффективным. Это означает, что когда, например, амплитуды обоих сигналов переменного тока равны, на пике сигнала низкой частоты амплитуда модулируется с помощью второй частоты, доводящей его до 0 В на минимуме, но удваивающего его на максимуме (фиг. 2b). Удваивание (в этом примере) амплитуды может затем давать в результате опять коррозию, несмотря на присутствие второго сигнала переменного тока, который может предотвратить эту коррозию, благодаря пиковой амплитуде, превышающей порог коррозии.
Фиг. 2c схематически изображает различные сигналы переменного тока с a) указанием сигнала в виде треугольной волны, b) указанием синусоидального сигнала и c) указанием сигнала в виде прямоугольной волны. Наилучшие результаты получаются с синусоидальным сигналом.
Нагревательное устройство 1 может дополнительно содержать датчик (не изображен) для регистрации параметров, подобных электропроводности (водной) жидкости, температуре (водной) жидкости и тому подобного. Кроме того, система 1 нагревателя может дополнительно содержать контроллер для управления одним или более признаками из переменного тока и временного изменения знака разности потенциалов. Контроллер может управлять этими одним или более признаками в зависимости от одного или более параметров и одного или более заранее заданных соотношений между одним или более параметрами и одним или более признаками.
Примеры
Подготовка воды
2
2
4
2
3
Приготавливали исходные растворы CaCl⋅2HO (65,6 г/л), MgSO⋅7HO (38 г/л) и NaHCO (76,2 г/л). Стандартную жесткую воду приготавливали посредством смешивания 50 грамм каждого исходного раствора с 9 литрами деионизированной воды и дополнения ее до 10 литров. Полученная в результате вода имела общую жесткость 16,8°DH и временную (устранимую) жесткость 11,2°DH.
Общая жесткость определяется как 2,8 × 2 × [ммоль/л Ca + ммоль Mg/л].
3
-
Устранимая жесткость определяется как 2,8 × [ммоль HCO/л].
Первая серия примеров представляют собой сравнительные примеры. Эти примеры показывают, что не каждый сигнал переменного тока приводит к желаемым результатам и что удвоение разности потенциалов переменного тока также не всегда приводит к желаемым результатам.
Коррозионные эксперименты (низкая температура)
В следующих далее примерах показано влияние различных параметров, в частности, на коррозию электродов, когда амплитуда повышается. В типичном эксперименте два электрода из нержавеющей стали (сорт 316) диаметром 2,5 и 6 мм погружали в лабораторный стакан, заполненный стандартной жесткой водой. Воду нагревали до 75°C и подавали электрический сигнал между электродами. Ток протекал в течение 30 минут и электроды осматривали визуально.
Сравнительный эксперимент 1
На два электрода подавали синусоидальный сигнал переменного тока 3 В и 0,5 Гц. На обоих электродах произошла сильная коррозия.
Сравнительный эксперимент 2
Сигнал переменного тока 3 В и 0,5 Гц модулировали импульсом, который инвертирует сигнал при 100 Гц с коэффициентом заполнения 80%, и подавали на два электрода, как в предыдущем эксперименте. Через 30 мин электроды визуально осматривали. Малый (2,5 мм) электрод показал слабый желтый оттенок, в то время как 6-мм электрод был бесцветным.
Сравнительный эксперимент 3
Сигнал переменного тока 3 В и 0,5 Гц модулировали при 100 Гц, при коэффициенте заполнения 85% и подавали на два электрода, как в предыдущем эксперименте. Через 30 мин электроды визуально осматривали. Малый (2,5 мм) электрод показал слабый желтый оттенок, в то время как 6-мм электрод показал небольшое обесцвечивание. Окрашивание для коэффициента заполнения 85% было сравнимо с коэффициентом заполнения 80% по эксперименту 2.
Сравнительный эксперимент 4
Сигнал переменного тока 3 В и 0,5 Гц модулировали при 100 Гц при коэффициенте заполнения 90% и подавали на два электрода, как в предыдущем эксперименте. Через 30 мин электроды визуально осматривали. Малый (2,5 мм) электрод корродировал и показал глубокий желтый цвет. Также и больший 6-мм электрод приобрел светло-желтый цвет.
Эксперименты выше четко показывают влияние инверсии основного сигнала при определенной частоте для предотвращения коррозии и влияние коэффициента заполнения импульсов.
Сравнительный эксперимент 5
Сигнал переменного тока 3 В и 0,5 Гц модулировали при 50 Гц вместо 100 Гц при коэффициенте заполнения 80% и подавали на два электрода, как в предыдущем эксперименте. Через 30 мин электроды визуально осматривали. Малый (2,5 мм) электрод был слегка желтым, как и 6-мм электрод. Обесцвечивание было сильнее, чем для импульса 100 Гц.
Сравнительный эксперимент 6
Сигнал переменного тока 3 В и 0,5 Гц модулировали при 100 Гц при коэффициенте заполнения 80% и подавали на два электрода. Сигнал не инвертировали на 100%, а только до 0 В. Через 30 мин электроды визуально осматривали. Малый (2,5 мм) электрод сильно корродировал, в то время как 6-мм электрод приобрел желтый цвет.
Сравнительный эксперимент 7
Сигнал переменного тока 3 В и 0,1 Гц модулировали при 100 Гц при коэффициенте заполнения 80% при положительной амплитуде и при 100 Гц, 20%, при отрицательной амплитуде. (2,5 мм электрод соединен с положительным выводом). 2,5-мм электрод показал пожелтение, в то время как 6-мм электрод остался чистым. Более того, 6-мм электрод показал образование накипи. Последнее четко указало, что вода разлагалась, поскольку из-за коэффициентов заполнения 6-мм электрод непрерывно подвергался высоким pH, приводящим к образованию накипи.
Исследовательская установка для проточного нагревателя
Нагреватель схематически показан на фиг.1a и 1b. Наружная труба, первый нагревательный элемент 110, представляет собой трубу из нержавеющей стали с двумя теплогенерирующими приборами 115 на обеих сторонах. Наружная труба имеет длину 15 см и внутренний диаметр 13 мм. Вместе они фактически формируют один нагревательный элемент, окруженный алюминием, с которым жидкость находится в контакте, когда жидкость протекает через упомянутую трубу. Внутренняя труба может также быть из нержавеющей стали и иметь диаметр больший, чем схематически изображено на фиг.1a/1b:  трубу из нержавеющей стали диаметром 8 мм в качестве противоэлектрода 120 вставляли в упомянутую трубу. Вода проходила через область между двумя трубами из нержавеющей стали при скорости 2,25 мл/сек; давление в нагревательной системе составляло 6-10 бар. И наружную трубу, и внутреннюю трубу водонагревающей системы соединяли электрически. Типичный цикл исследования состоял из нагрева воды в течение 70 секунд и охлаждения в течение 50 секунд. Этот цикл повторяли 500 раз.
Сравнительный эксперимент 8
Упомянутый водонагреватель использовали для исследования кальцинирования для двух типов воды без подачи какого-либо электрического сигнала на два электрода. В обоих случаях в особенности стенка полностью кальцинировалась и образовался плотный слой накипи, который прочно приставал к стенке.
Эксперименты с коррозией
В следующих далее примерах показано влияние различных параметров, в частности, на коррозию электродов, когда изменяется частота и амплитуда. Эксперименты проводили с проточным нагревателем. Нагреватель состоит из трубы из нержавеющей стали (сорт 316) с внутренним диаметром 13 мм, функционирующей в качестве электрода. Два нагревательных элемента присоединены к трубе снаружи. Внутри стальной трубы устанавливают вторую трубу (сорт 304). Вторая труба имеет наружный диаметр 8 мм и функционирует в качестве 2-го электрода. Вода протекает между двумя трубами. Типичный эксперимент состоит из 500 циклов, где каждый цикл включает нагрев 150 мл стандартной жесткой воды до 100 градусов Цельсия и подачу электрического сигнала на электроды. Вода нагревается и распределяется при скорости 2,25 мл/с при высоком давлении от 6 до 10 бар, примерно воспроизводя условия приготовления эспрессо. Один эксперимент соответствует 1500 чашкам эспрессо.
Эксперимент 1
На два электрода подавали синусоидальный сигнал переменного тока с амплитудой 2,8 В и частотой 200 Гц. Произошла точечная коррозия на наружной трубе и окрашивание обоих электродов.
Эксперимент 2
На два электрода подавали синусоидальный сигнал переменного тока с амплитудой 2,8 В и частотой 1000 Гц. Коррозии не произошло. Осаждение кальцита почти отсутствовало.
Эксперимент 3
На два электрода подавали синусоидальный сигнал переменного тока с амплитудой 2,8 В и частотой 2000 Гц. Коррозии не произошло и никакого эффекта декальцинирования не наблюдали.
Если частота является слишком низкой, ионы металлов будут по-прежнему уходить из электрода в воду и происходит коррозия. Если частота слишком высокая, нет достаточного времени для образования кислоты и воздействия на кальцит. Важно отметить, что само по себе подача сигнала переменного тока для предотвращения кальцинирования будет работать, только если подвижность ионов высокая; в экспериментах температура стенки проточного нагревателя находится между 140 и 180 градусами Цельсия.
Эксперимент 4
На два электрода подавали синусоидальный сигнал переменного тока с амплитудой 1,6 В и частотой 1000 Гц. Коррозии не произошло и эффект декальцинирования является ограниченным.
Эксперимент 5
На два электрода подавали синусоидальный сигнал переменного тока с амплитудой 3,2 В и частотой 1000 Гц. Произошла точечная коррозия.
При сравнении экспериментов 4 и 5 с экспериментом 1, демонстрируется важность величины амплитуды. Низкая амплитуда предотвращает коррозию, но не образуется достаточного количества кислоты для эффективного предотвращения кальцинирования. Слишком высокая амплитуда будет вызывать коррозию.
Осуществляли дополнительные эксперименты с прямоугольным сигналом:
Эксперимент 6
На два электрода подавали сигнал переменного тока прямоугольной формы с амплитудой 1,6 В и частотой 1000 Гц. Коррозии нет; ограниченный эффект декальцинирования.
Эксперимент 7
На два электрода подавали сигнал переменного тока прямоугольной формы с амплитудой 2,0 В и частотой 1000 Гц. Оба электрода показывают окрашивание.
Эксперимент 8
На два электрода подавали сигнал переменного тока прямоугольной формы с амплитудой 2,8 В и частотой 1000 Гц. Результаты являются несколько худшими.