Электрический котел

Д Полезная модель относится к электронагревательной технике и может быть использована для нагрева воды в быту , животноводстве общественном питании, электроотоллении и т.д. Известны электрические (электродные ) котлы (прямого нагрева) выделение тепла в которых происходит непосредственно в нагреваемой жидкой среде, причем электроды выполняют функции токопроводов и одновременно формируют соответствующую геометрию электрического поля в нагреваемой среде. По конструктивным признакам известны электродные котлы одно, двух и трехбакового исполнения, с плоскими,цилиндирческими,трубчатыми, стержневыми, сферическими, спиралевидными, дугообразными и др. электродами (напр. Патент СУД 3864543 ЖИ НОб В 3/30, И05 BI/02, ШШ 219-285; патент CiJA 4093646 МКИ 1105 ВЗ/60, HOI С 10/02, ШШ 219-266; обзорная информация Щ1ЙГЭИ тяжмаш серия 3 , энергетическое машиностроение вып, 3 Электрические паровые и водогрейные котлы рис. 3, 4, 6, 8, 10, Москва 1991 г.) Электродные котлы обладают весьма высоким КГЦ., преобразования электрической энергии в тепловую (до 98) и характеризуются сравнительно большой единичной мощностью до нескольких мегаватт. Однако в связи с использованием непосредственного нагрева, вода в них находится под высоким электрическим потенциалом (до 500 вольт - котлы низкого напряжения, до 3000 .вольт - среднего до 20 киловольт - высокого напряжения) и относятся в связи с этим  к устройствам повышенной электрической опасности. В частности, электроводонагреватели электродного типа запрещается устанавливать, -и особо опасных помещениях (напр., в животноводческих фермах, банях, прачечных, душевых и т.д.) Более : того предпочтительно их расположение в отдельных помещениях -при пользовании в других случаях ( упомянутая выше Обзорная информация $ШГЭИ тяжмаш Электрические паровые и водогрейные котлы, стр. 20). Кроме того для большинства электродных котлов характерно наличие объемной неравномерности температурного поля, что может быть причиной локального перегрева воды, вплосгь до температуры кипения и причиной повышенного коррозийного износа элементов электродной группы с осаждением на них высокооомных отложений (накипи). Для выравнивания температурного потенциала
требуется специальные регулирующие средства в том числе механически подвижные диэлектрические экраны, система принудительной циркуляции , усложняющие электрокотел, и систему его управления .
Несколько повышенной электробезопасностью по сравнению с электродными котлами обладают электрические котлы, использующие косвенный нагрев жидкости от реэисторных электронагревателей, подключаемых к сети,и помещенных в нагреваемую среду в соответствующей защитной оболочке различных исполнений, в основном ТЗНов - трубчатый электронагревателей (Патенты Франции 2286353 МКИ 24 1/22, 24 3/00; 2295365 МКИ 24 1/ЈОл ; Патент Великобритании I36827I МКИ Н05 В 3/22, ШШ Н5Н и др. ). Однако, в этих электрокотлах с погружными резистора нагревателями , подключенными к сети, не исключена возможность электропоражения в аврийных режимах - появление трещин в оболочке, пробой жаропрочной изоляции греющего резистора, перегорание резистора с разрушением оболочки, например, при работе котла без воды. В последнем случае аварийный электрокотед может стать источником пожара. Кроме того, из-за малой поверхности тепловыделяющих элементов, С в частности ТШов), непосредственно соприкасающихся с нагреваемой жидкостью, и большого термического сопротивления жаропрочной изоляции и оболочки этих элементов в электрокотлах с погружными резисторными нагревателями существенно ограничена скорость нагрева жидкости, в котле, даже при наличии принудительной циркуляции. Это приводит к увеличению установленной мощности и реализации многорезисторного тепловыделяющего узла для осуществления двух разных режимов: быстрого разогрева жидкости в котле и длительного поддержания ее в нагретом состоянии, что в свою очередь снижает долговечность котла из-за возможного выхода из строя хотя бы одного нагревателя (особенно ТЭйа) , усложняет процесс обслуживания этого котла и ,его ремонт , а также к некоторому косвенному снижению КПД котла.
Известны электрокотлы , в которых подключаемые к сети резисторные электронагреватели размещаются вне резервуара с нагреваемой жидкостью, как с кондуктивным нагревом стенок резервуара или его трубопроводов (Патент Австрии МКИ 24 HI/I8,
в электрическом парогенератора, встроенном в котел ( М.И.Бедяев Оборудование предприятий общественного питания, том 3, Тепловое оборудование, М.Экономика, 1990 г., стр.282-294). В этих электрокотлах несколько повышен уровень электробезопасности, однако, сохраняются все недостатки, связанные с применением электронагревателей с высокотемпер&туркзм резистором, подключаемым непосредственно к сети - большая тепловая инерционность и, как следствие, повышенная установленная мощность резисторов, вероятность электрического поражения в аврийных режимах, неудобство обслуживания и ремонта. Кроме того в этих электрокотлах имеет место заметное снижение коэффициента полезного преобразования электрической энергии в тепловую энергию нагрева жидкости, как за счет увеличенного теплового рассеивания внешнего греющего узла, так и за счет двойного преобразования энергии в случае использования промежуточного теплоносителя.
Известен также, наиболее совершенный по условиям электробезопасности электрокотел со встроенным понижающим трансформатором, вторичная обмотка которого содержит греющие резисторные элементы различной геометрии: в частности, электрокотел (АС ЧСССР $ 2GI48I МКИ BOI BI/0), содержащий металлический разъемный корпус, вертикальная часть которого имеет приваренный фланец. Между дном корпуса и фланцем установлена прокладка из электроизоляционного материала , обеспечивающая герметичность корпуса. Корпусавыполнен с внешней теплоизоляцией и установлен на подставке, в которой находится понижающий трансформатор 220/6 В, выводы вторичной обмотки которого соединены с проводящим днищем и корпусом. Внутри к корпусу и дну приварены эл«ктронагреват§ли с малым омическим сопротивлением, размещенные по периметру корпуса. К недостаткам этого электрокотла следует отнести: несколько увеличенные габариты за счет дополнительной камеры для трансформатора; снижение коэффициента полезного преобразования электроэнергии в тепловую энергию нагрева жидкости за счет потерь в первичной обмотке и сердечнике трансформатора и пониженный коэффициент мощности ( С&4 У ) за счет достаточно заметного магнитного рассеяния вторичного контура трансформатора и его первичной обмотки.
M.t 1991 , стр. 54) принятый за прототип, сопряженный с объемом, заполненным жидкостью и имеющий устройство защиты от работы ьез жидкости, который содержит встроенный трехфазный трансформатор с первичной высоковольтной обмоткой (выполненной в сухой изоляции, вторичная обмотка которого является нагревательным узлом и представляет собой спирально-навитые трубки из нержавеющей стали, по которой протекает нагреваемая жидкость. По информационным данным фирмы эти электрокотлы в 4 раза компактнее электродных котлов той же мощности, при этом электрокотел может выполняться как в водогрейном, так и в паровом вариантах.
Основным недостатком прототипа является низкий коэффициент мощности ( ) электрокотла из-за особенностей геометрии вторичного контура с трубчатым змеевиком , которые обуславливают соизмеримость индуктивного сопротивления рассеяния и активного (омического) сопротивления этого юнтура. Другим негативным следствием трубчатого змеевика во вторичном контуре трансформатора, является повышенное гидравлическое сопротивление для циркуляции (естественной или принудительной) нагреваемой жидкости, что соответственно приводит к увеличению материалоемкости встроенного трансформатора (при увеличении диаметра трубок змеевика, а значит и всего котла). Кроме того, особенно в прототипе с высоковольтным встроенным трансформатором затруднен теплоотвод от первичной обмотки этого трансформатора, чтетакже приводит к некоторому увеличению материалоемкости котла из-за необходимости снижения рабочей плотности тока в этой обмотке.
Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о необходимости создания электрического котла, который при высоких КПД и уровне электробезопасности обеспечивает предельно высокий коэффициент мощности и меньшую материалоемкость.
Этого достигается в предложенной полезной модели электрического котла, сопряженного с емкостью, или системой, заполненными жидкостью, имеющего устройство защиты при работе без жидкости и содержащего встроенный трансформатор с первичной обмоткой, подключаемой к сети, и вторичной обмоткой, являющейся нагревательным узлом, который представляет собой одновитковый отрезок трубы из электропроводящего немагнитного материала, причем в стенке отрезка трубы имеется герметичная концентрическая полость
для нагреваемой жадности, нагревательный узел имеет входной и выходной патрубки, соединяющие полость отрезка трубы с емкостью, причем отрезок трубы с первичной обмоткой образует бифиллярную структуру из эквивалентных п« ампервиткам объемов первичной и вторичной обмоток.
Внутри концентрической полости отрезка трубы может быть установлена дополнительная трубчатая замкнутая оболочка из электропроводящего немагнитного материала, электрическое сопротивление которой меньше электрического сопротивления стенок отрезка трубы.
На чертеже представлен продольный и поперечный разрезы предложенного эл. котла. Первичная обмотка I подключаемая к сети с помощью ввода 2 , охватывает вертикальный сердечник 3 магнитопровода , изолированный от первичной обмотки слоем корпусной изоляции 4. С внешней стороны.катушки первичной обмотки I покрыта слоем изоляции 5, отделяющим ее от вторичного контура 6; выполненного в виде отрезка трубы из электропроводящего немагнитного материала, внутри которого имеется герметичная концентрическая полость 7 для нагреваемой жидкости. С помощью нижнего входного 3 и верхнего выходного 9 патрубков эта полость 7 сопрягается с емкостью или системой 10, в которых содержится или циркулирует нагреваемая жидкость.
В предлагаемом электрокотяе внутри концентрической полости 7 отре&ка трубы может быть установлена дополнительная трубчатая замкнутая оболочка II (например, отрезок тонкой трубы) из электропроводящего материала (например, из медной фольги), электрическое сопротивление которой меньше электрического сопротивления стенок отрезка трубы.
Предлагаемая полезная модель электрокотла функционирует следующим образом: После подключения первичной обмотки I встроенного трансформатора с помощью ввода 2 в сердечнике 3 возникает переменный магнитный поток, создающий во вторичном контуре 6 ток короткого замыкания, пропорционально квадрату которого в электропроводящей трубе б выделяется тепловая энергия , интенсивно нагревающая жидкость, находящуюся в концетрической полости 7, т.к. теплообмен между нагреваемой жидкостью и вторичным контуром происходит по всей внутренней поверхности полости 7. В результате разности температур жидкости в полости 7 и емкости или системе 10 возникает циркуляция жидкости по контуру 7-9-10-8-7
(и соответствующий теплообмен) , которая может быть усилена с помощью использования одного из известных циркуляционных насосов, устанавливаемого в объеме 10.
Электрокотел с дополнительной трубчатой замкнутой оболочкой внутри концентрической полости отрезка трубы функционирует аналогично с той лишь разницей, что электронагрев жидкости в полости 7 происходит в большей мере от дополнительного контура, и меньшей мере от внутренней поверхности этой полости 7.
Технический аффект предлагаемой модели электрокотла состоит в следующем :
При обеспечении высоких к.п.д. и уровня электробезопасности:
-обеспечивается снижение материалоемкости за счет снижения расхода обмоточного материала (в частности, меди) для изготовления первичной обмотки, так как .вторичный контур б с заполненной циркулирующей жидкостью полостью 7, позволяет существенно улучшить теплоотвод от первичной обмотки и следовательно увеличить рабочую плотность тока в ней. При этом дополнительные потери мощности в первичной обмотке остаются полезными при преобразовании их в тепловую энергию для нагрева циркулирующей жидкости;
-обеспечивается предельно высокий коэффициент мощности
( ЈvЈ У ) предлагаемой модели злектрокотла (близкий к I), так как бифилярная структура объемов первичной обмотки и вторичного короткозамкнутого контура обладает весьма малым индуктивным сопротивлением рассеивания (близким к нулю) и сопротивление вторичного контура становится практически активным (омическим). Авторы: В1лшин А.И.  // fy е%. ( i-/ Казанский Б.М. ILL // ;27 Й5г 4 -Карманов Е4,.