СПОСОБ НАГРЕВА И НАГНЕТАНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА
METHOD TO HEAT AND INJECT CURRENT-CONDUCTING FLUID, DEVICE FOR ITS REALISATION AND HEAT-GENERATING PLANT

Изобретение относится к области энергетики, а именно к способам и техническим средствам нагрева и нагнетания токопроводящих жидкостей, и может быть использовано в электродных паровых насосах (пульсометрах), предназначенных для перекачки и нагнетания токопроводящих жидкостей в системах отопления и горячего водоснабжения, в различных производственных процессах, в частности, в химическом производстве, а также в различных машинах и установках специального назначения.
Изобретение относится также к теплоэнергетике, а именно к теплогенерирующим установкам, и может быть использовано в системах обогрева и горячего водоснабжения зданий и сооружений, а также в различных производственных процессах, машинах и установках.
Известен способ нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости с использованием электродной герметичной нагревательной камеры с впускным и выпускным обратными клапанами, включающий нагрев исходной токопроводящей жидкости до кипения с образованием пара над токопроводящей жидкостью, вытеснение нагретой токопроводящей жидкости в линию нагнетания через выходное отверстие указанной камеры и выпускной обратный клапан под действием давления указанного пара с отключением питания электродов нагревательной камеры после вытеснения из последней жидкости, конденсацию пара с образованием разрежения в нагревательной камере и заполнение исходной токопроводящей жидкости из линии ее подвода в нагревательную камеру через входное отверстие последней и впускной обратный клапан под действием указанного разрежения, причем упомянутый нагрев исходной токопроводящей жидкости осуществляют путем пропускания через нее электрического тока, проходящего между электродами нагревательной камеры, при этом управление включением и выключением питания указанных электродов осуществляют при помощи управляющего электрода, расположенного в нагревательной камере, которую выполняют с возможностью регулировки уровня ее входного и выходного отверстий относительно днища указанной камеры (авторское свидетельство СССР № 1532776, МПК 4 F24H 1/20, F04F 1/04, опубл. 30.12.1989 г.).
Недостатком известного способа является сложность управления рабочими электродами и сложность регулирования температуры и расхода жидкости в линии нагнетания.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является принятый за прототип способ нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, с использованием герметичной электродной нагревательной камеры с вертикальным или близким к вертикальному трубчатым корпусом, впускным и выпускным обратными клапанами, нулевым электродом и, по меньшей мере, одним внутренним фазным электродом, включающий пропускание переменного электрического тока между нулевым и фазными электродами через находящуюся в нагревательной камере токопроводящую жидкость с нагревом последней до кипения с образованием пара над токопроводящей жидкостью, вытеснение нагретой токопроводящей жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания через выпускной обратный клапан под действием давления пара, конденсацию пара в нагревательной камере с образованием разрежения в последней и заполнение нагревательной камеры токопроводящей жидкостью через впускной обратный клапан под действием указанного разрежения (авторское свидетельство СССР № 1820046, МПК 5 F04F 1/04, опубл. 07.06.1993 г.).
В данном способе электрический ток постоянно пропускается по всему объему токопроводящей жидкости, заполняющей нагревательную камеру, что повышает удельные затраты электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости в расчете на единицу объема нагреваемой жидкости, поступающей в линию нагнетания. Вместе с тем, присущий известному способу одновременный нагрев до кипения всей токопроводящей жидкости, находящейся в нагревательной камере, требует большого времени, что приводит к увеличению продолжительности каждого цикла нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и соответственно к снижению частоты таких циклов и связанному с этим снижению объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания. Указанные недостатки снижают эффективность процесса нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости по известному способу.
Известно устройство для осуществления способа нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, содержащее заполненную токопроводящей жидкостью герметичную электродную нагревательную камеру с вертикальным корпусом, днищем, крышкой, фазным, нулевым и управляющим электродами, соединенную своей нижней частью с линией подвода исходной токопроводящей жидкости через вертикальный подводящий патрубок и впускной обратный клапан и с линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости - через вертикальный отводящий патрубок и выпускной обратный клапан, при этом верхние концы указанных патрубков расположены выше днища нагревательной камеры, которая выполнена с возможностью регулировки уровня верхних концов указанных патрубков относительно ее днища (указанное выше авторское свидетельство СССР № 1532776).
Недостатком известного устройства является сложность его конструкции и обусловленная этим невысокая надежность работы.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является принятое за прототип устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, содержащее заполненную токопроводящей жидкостью герметичную электродную нагревательную камеру с вертикальным или близким к вертикальному трубчатым корпусом, днищем, крышкой, по меньшей мере, одним внутренним фазным электродом и выходным отверстием, соединенную своей верхней частью через впускной обратный клапан с линией подвода исходной токопроводящей жидкости, а нижней частью - через ее выходное отверстие и выпускной обратный клапан с линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости, при этом у нагревательной камеры корпус служит нулевым электродом (указанное выше авторское свидетельство СССР № 1820046).
В данном устройстве фазный электрод проходит по всей высоте нагревательной камеры, что обуславливает следующие недостатки прототипа. Процесс нагрева жидкости в данном устройстве осуществляется одновременно во всем объеме токопроводящей жидкости, заполняющей рабочую полость нагревательной камеры, что требует большого времени для нагрева жидкости до температуры кипения, необходимой для начала парообразования и последующего вытеснения жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания. Низкая скорость нагрева жидкости, в свою очередь, обуславливает низкую частоту рабочих циклов в нагревательной камере и соответственно низкую объемную подачу нагретой жидкости в линию нагнетания (т.е. низкую производительность устройства как насоса), что ограничивает область применения известного устройства. Вместе с тем, в прототипе электрический ток постоянно пропускается через токопроводящую жидкость вплоть до окончания процесса вытеснения жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания. При этом как низкая скорость нагрева жидкости до температуры кипения, так и постоянное пропускание электрического тока через жидкость повышает удельные затраты электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости в расчете на единицу объема нагреваемой жидкости, поступающей в линию нагнетания, вследствие чего снижается эффективность работы и соответственно КПД известного устройства. Кроме того, установка фазного электрода на всю высоту нагревательной камеры с обеспечением герметичного прохода указанного электрода через крышку и днище нагревательной камеры усложняет конструкцию и изготовление устройства и увеличивает его вес и стоимость. При этом не исключается возможность нарушения герметичности днища нагревательной камеры в месте прохода через него фазного электрода, что снижает надежность работы устройства. Вместе с тем, в прототипе выходное отверстие нагревательной камеры находится выше ее днища на значительном удалении от последнего, что снижает надежность работы известного устройства, поскольку создает возможность поступления пара из нагревательной камеры в линию нагнетания. В результате конденсации пара, прорывающегося в линию нагнетания, в последней возникает нежелательная пульсация давления токопроводящей жидкости, нарушающая нормальную работу устройства.
Общим недостатком известных способов нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и известных устройств для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости являются также большие потери теплоты, уходящей в окружающую среду через конструктивные элементы нагревательной камеры, в частности, через ее корпус, днище и крышку. Указанные потери теплоты приводят к нерациональным затратам электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, снижающим эффективность работы и соответственно КПД устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости.
Известна теплогенерирующая установка для отопления помещений, содержащая проточную нагревательную камеру с вертикальным цилиндрическим корпусом, служащим нулевым электродом, продольным фазным электродом, установленным в указанном корпусе, линией подвода исходной токопроводящей жидкости, служащей теплоносителем, и линией нагнетания нагретого теплоносителя, причем первая из указанных линий подключена к выходу, а вторая - ко входу теплопотребляющего устройства (патент RU № 2133918, МПК F24D 3/08, F24D 13/04, опубл. 27.07.1999 г.).
В известной установке используется конвективный теплообмен, что обуславливает большие потери теплоты на пути движения нагретой жидкости от нагревательной камеры к теплопотребляющему устройству вследствие низкой скорости конвективного течения жидкости, что приводит к непроизводительным затратам электроэнергии, идущим на дополнительный нагрев жидкости в нагревательной камере, компенсирующий указанные потери теплоты для обеспечения подвода на вход теплопотребляющего устройства жидкости с заданной температурой. С увеличением расстояния между генерирующей нагретую жидкость нагревательной камерой и теплопотребляющим устройством указанные потери теплоты возрастают, и вместе с ними растут и указанные непроизводительные затраты электроэнергии, что заставляет ограничивать указанное расстояние, в связи с чем ограничивается и область применения известной установки. Вместе с тем, использование в известной установке конвективного теплообмена требует выдерживать заданный уклон трубопроводов, связывающих нагревательную камеру с выходом и входом теплопотребляющего устройства, что не всегда может быть практически реализовано, например, из-за геометрии помещения или по каким-либо другим причинам. Данное обстоятельство также ограничивает область применения известной установки.
Наиболее близкой к заявленной установке по технической сущности является принятая за прототип теплогенерирующая установка, преимущественно для отопления, содержащая теплообменник и устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, с линией подвода исходной токопроводящей жидкости, вход которой подключен к выходу теплообменника, и линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости, выход которой подключен ко входу теплообменника, при этом устройство для нагрева и нагнетания служащей теплоносителем токопроводящей жидкости выполнено в виде заполненной токопроводящей жидкостью герметичной электродной нагревательной камеры с вертикальным трубчатым корпусом, служащим нулевым электродом, днищем, крышкой, и фазным электродом, установленным внутри указанного корпуса продольно по отношению к последнему. Нижний конец фазного электрода расположен выше днища нагревательной камеры, а выходное отверстие последней расположено вблизи нижнего конца фазного электрода и на удалении от днища нагревательной камеры, которая соединена своей верхней частью через впускной обратный клапан с линией подвода исходной токопроводящей жидкости, а нижней частью - через выпускной обратный клапан с линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости (авторское свидетельство СССР № 1751619, МПК 5 F24H 1/20, опубл. 30.07.1992 г.).
В данной установке в процессе вытеснения токопроводящей жидкости из нагревательной камеры после снижения уровня жидкости до уровня нижнего конца фазного электрода движение тока по жидкости в нагревательной камере прекращается, и вместе с этим прекращается нагрев жидкости, в результате чего прекращается парообразование и вытеснение жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания. При этом в придонной зоне нагревательной камеры, находящейся ниже фазного электрода, остается невытесненная часть нагретой жидкости, в связи с чем указанная зона нагревательной камеры является нерабочей зоной, а затраты электроэнергии, использованной для нагрева невытесненной части жидкости, остающейся в придонной зоне нагревательной камеры, оказываются, в сущности, непроизводительными (бесполезными) затратами и относятся к потерям, снижающим эффективность работы и соответственно КПД известной теплогенерирующей установки. Вместе с тем, расположение выходного отверстия нагревательной камеры вблизи нижнего конца фазного электрода и на удалении от днища указанной камеры снижает надежность работы теплогенерирующей установки, поскольку создает возможность прорыва пара из нагревательной камеры в линию нагнетания при повышении выше заданного значения величины напряжения на электродах нагревательной камеры и/или величины силы тока между ними. В результате конденсации пара, прорывающегося в линию нагнетания, в последней возникает нежелательная пульсация давления токопроводящей жидкости, нарушающая нормальную работу установки. Вероятность прорыва пара из нагревательной камеры в линию нагнетания усиливается с повышением скорости вытеснения жидкости из нагревательной камеры, в связи с чем известная установка может нормально функционировать лишь при низкой частоте рабочих циклов, протекающих в нагревательной камере, и соответственно при низкой объемной подаче жидкости в линию нагнетания, что ограничивает область применения известной установки. Кроме того, наличие нерабочей зоны в придонной части нагревательной камеры приводит к нерациональному увеличению высоты и массы последней и соответственно к увеличению габаритов и массы установки в целом, а также к снижению одного из основных показателей эффективности работы установки - отношения объемной подачи нагретой токопроводящей жидкости в линии нагнетания к высоте и массе установки. Другим недостатком принятой за прототип теплогенерирующей установки являются большие потери теплоты, уходящей в окружающую среду через конструктивные элементы ее нагревательной камеры, в частности через корпус, днище и крышку последней. Указанные потери теплоты приводят к нерациональным затратам электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, снижающим эффективность работы и соответственно КПД теплогенерирующей установки.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности процесса нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и повышение эффективности и надежности работы устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и обеспечение за счет этого повышения эффективности и надежности работы теплогенерирующей установки, в которой используется указанное устройство, при одновременном снижении массы и габаритов указанной установки.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, с использованием герметичной электродной нагревательной камеры с вертикальным или близким к вертикальному трубчатым корпусом, впускным и выпускным обратными клапанами, нулевым электродом и, по меньшей мере, одним внутренним фазным электродом, включающем пропускание переменного электрического тока между нулевым и фазными электродами через находящуюся в рабочей полости нагревательной камеры токопроводящую жидкость с нагревом последней до кипения с образованием пара над токопроводящей жидкостью, вытеснение нагретой токопроводящей жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания через выпускной обратный клапан под действием давления пара, конденсацию пара в нагревательной камере с образованием разрежения в последней и заполнение нагревательной камеры токопроводящей жидкостью через впускной обратный клапан под действием указанного разрежения, согласно пункту 1 формулы изобретения пропускание электрического тока через токопроводящую жидкость прекращают в процессе вытеснения токопроводящей жидкости и возобновляют в процессе заполнения нагревательной камеры при прохождении соответственно опускающимся и поднимающимся уровнем токопроводящей жидкости уровня рабочей полости нагревательной камеры, расположенного на высоте относительно днища нагревательной камеры, составляющей 0,7-1,0 высоты указанной рабочей полости, при этом в нагревательной камере создают реверсивный теплообмен между токопроводящей жидкостью и днищем указанной камеры, в соответствии с которым в процессе пропускания через токопроводящую жидкость электрического тока теплота от указанной жидкости передается к днищу нагревательной камеры и аккумулируется в последнем, а после указанного прекращения пропускания электрического тока теплота от днища нагревательной камеры передается к токопроводящей жидкости, причем указанный реверсивный теплообмен осуществляют с подводом к днищу нагревательной камеры от внешнего источника тепловой энергии количества теплоты, достаточного для поддержания температуры токопроводящей жидкости при передаче к ней теплоты от днища нагревательной камеры не ниже температуры кипения указанной жидкости, а дальнейшее вытеснение токопроводящей жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания после упомянутого прекращения пропускания через нее электрического тока осуществляют с помощью энергии давления пара, образующегося над токопроводящей жидкостью за счет указанного поддержания температуры последней, при этом реверсивный теплообмен осуществляют с минимальными затратами энергии указанного внешнего источника тепловой энергии, для чего днище нагревательной камеры выполняют массивным из материала с высокой удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью.
При этом массу днища нагревательной камеры задают в соответствии с выражением
д
э
ж
к
2
1
М>[(1+k)(Sh-V)ρc/с-(1-k)M]/(1-k+Δt/Δt),
д
где М - масса днища нагревательной камеры;
k - определяемый теоретическим и/или экспериментальным путем коэффициент теплопотерь, учитывающий количество теплоты, теряемой в результате ее рассеивания в процессе теплообмена между токопроводящей жидкостью и конструктивными элементами нагревательной камеры;
S - площадь поперечного сечения рабочей полости нагревательной камеры;
h - высота столба токопроводящей жидкости в рабочей полости нагревательной камеры в момент прекращения пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость;
э
V - объем фазных электродов и частей их электрододержателей, находящихся в токопроводящей жидкости в момент прекращения пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость;
ж
ρ, с - соответственно плотность и удельная теплоемкость используемой токопроводящей жидкости;
с - удельная теплоемкость металла, из которого изготовлены днище, корпус, крышка, фазные электроды и электрододержатели нагревательной камеры;
к
М - суммарная масса корпуса, крышки, фазных электродов и электрододержателей нагревательной камеры;
1
Δt - величина изменения температуры в нагревательной камере 1;
2
Δt - величина изменения температуры днища нагревательной камеры при его нагреве от внешнего источника тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения.
э
э
э
э
Кроме того, в придонной части нагревательной камеры между днищем последней и нижними торцами фазных электродов создают зону интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости, для чего днище нагревательной камеры используют в качестве нулевого электрода, а фазные электроды размещают в нагревательной камере таким образом, что нижние торцы указанных электродов обращены к днищу нагревательной камеры, при этом фазные электроды выполняют с суммарной площадью S поверхности их нижних торцов, выбираемой из условия 0,4≤S/8≤0,9, а расстояние h между нижними торцами фазных электродов и днищем нагревательной камеры задают из условия 0,10≤h/H≤0,35, где Н - высота рабочей полости нагревательной камеры, причем нагревательную камеру выполняют с цилиндрической формой ее рабочей полости, высота Н и диаметр d которой соответствуют условию l,0<H/d<2,0.
При этом в линии нагнетания после выпускного обратного клапана по ходу движения токопроводящей жидкости и вблизи от указанного клапана создают гидравлический подпор путем дросселирования потока токопроводящей жидкости с обеспечением возможности поддержания в нагревательной камере в процессе вытеснения из нее токопроводящей жидкости в линию нагнетания давления пара, достаточного по величине для указанного вытеснения токопроводящей жидкости.
Решение поставленной задачи достигается также тем, что в устройстве для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, содержащем заполненную токопроводящей жидкостью герметичную электродную нагревательную камеру с вертикальным или близким к вертикальному трубчатым корпусом, днищем, крышкой, нулевым электродом, по меньшей мере, одним внутренним фазным электродом и выходным отверстием, соединенную своей верхней частью через впускной обратный клапан с линией подвода исходной токопроводящей жидкости, а нижней частью - через ее выходное отверстие и выпускной обратный клапан с линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости, согласно пункту 5 формулы изобретения электроды нагревательной камеры снабжены блоком питания и управления, а нагревательная камера снабжена датчиком уровня токопроводящей жидкости, установленным в ее верхней части на высоте относительно днища нагревательной камеры, составляющей 0,7-1,0 высоты рабочей полости последней, и подключенным своим выходом ко входу указанного блока питания и управления, который выполнен с возможностью отключения и включения питания фазных электродов при получении от датчика уровня сигнала о прохождении уровнем токопроводящей жидкости указанного датчика соответственно при вытеснении токопроводящей жидкости из нагревательной камеры и при заполнении последней токопроводящей жидкостью, при этом нагревательная камера выполнена с обеспечением возможности реверсивного теплообмена между токопроводящей жидкостью и днищем нагревательной камеры с передачей теплоты от токопроводящей жидкости к днищу нагревательной камеры в процессе пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость до момента указанного отключения питания фазных электродов и передачей теплоты в обратном направлении - от днища нагревательной камеры к токопроводящей жидкости при дальнейшем опускании уровня последней после указанного отключения питания фазных электродов, а днище нагревательной камеры выполнено массивным из материала с высокой удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью и снабжено внешним источником тепловой энергии, выполненным предпочтительно в виде электронагревателя, закрепленного на наружной поверхности указанного днища предпочтительно с нижней стороны последнего, причем масса днища нагревательной камеры и удельная теплоемкость материала, используемого для его изготовления, а также тепловая мощность указанного внешнего источника тепловой энергии заданы с обеспечением возможности передачи от днища нагревательной камеры к токопроводящей жидкости количества теплоты, достаточного для поддержания температуры указанной жидкости не ниже температуры ее кипения после упомянутого отключения питания фазных электродов при минимальных затратах энергии указанного внешнего источника тепловой энергии.
При этом масса днища нагревательной камеры задана в соответствии с выражением
д
э
ж
к
2
1
М>[(1+k)(Sh-V)ρc/с-(1-k)M]/(1-k+Δt/Δt),
д
где М - масса днища нагревательной камеры;
k - определяемый теоретическим и/или экспериментальным путем коэффициент теплопотерь, учитывающий количество теплоты, теряемой в результате ее рассеивания в процессе теплообмена между токопроводящей жидкостью и конструктивными элементами нагревательной камеры;
S - площадь поперечного сечения рабочей полости нагревательной камеры;
h - высота столба токопроводящей жидкости в рабочей полости нагревательной камеры в момент упомянутого отключения питания фазных электродов;
э
V - объем фазных электродов и частей их электрододержателей, находящихся в токопроводящей жидкости в момент срабатывания датчика уровня на отключение питания фазных электродов;
ж
ρ, с - соответственно плотность и удельная теплоемкость используемой токопроводящей жидкости;
с - удельная теплоемкость металла, из которого изготовлены днище, корпус, крышка, фазные электроды и электрододержатели нагревательной камеры;
к
М - суммарная масса корпуса, крышки, фазных электродов и электрододержателей нагревательной камеры;
1
Δt - величина изменения температуры в нагревательной камере 1;
2
Δt - величина изменения температуры днища нагревательной камеры при его нагреве от внешнего источника тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения.
э
э
э
э
Кроме того, нагревательная камера выполнена с возможностью создания в ее придонной части зоны интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости, расположенной между днищем нагревательной камеры и нижними торцами фазных электродов, для чего днище нагревательной камеры служит нулевым электродом, а фазные электроды размещены в нагревательной камере таким образом, что нижние торцы указанных электродов обращены к днищу нагревательной камеры, при этом суммарная площадь S поверхности нижних торцов фазных электродов выбрана из условия 0,4≤S/S≤0,9, а расстояние h между нижними торцами фазных электродов и днищем нагревательной камеры задано из условия 0,10≤h≤Н≤0,35, где Н - высота рабочей полости нагревательной камеры, причем нагревательная камера выполнена с цилиндрической формой ее рабочей полости, высота Н и диаметр d которой соответствуют условию 1,0<H/d<2,0.
При этом в линии нагнетания может быть установлен подпорный дроссель, расположенный после выпускного обратного клапана по ходу движения токопроводящей жидкости и вблизи от указанного клапана и выполненный с сужающимся в направлении движения токопроводящей жидкости поперечным сечением, при этом гидравлическое сопротивление подпорного дросселя задано с обеспечением возможности поддержания в нагревательной камере в процессе вытеснения из нее токопроводящей жидкости в линию нагнетания давления пара, достаточного по величине для указанного вытеснения токопроводящей жидкости.
При выполнении указанного внешнего источника тепловой энергии в виде электронагревателя последний может быть подключен к своему источнику питания через управляющий термостат, при этом на днище нагревательной камеры установлен датчик температуры, выход которого соединен со входом указанного термостата.
Кроме того, выходное отверстие нагревательной камеры целесообразно выполнить в днище последней, предпочтительно на оси указанной камеры, или в корпусе последней с примыканием к днищу нагревательной камеры.
Нагревательная камера может быть снабжена теплоизоляционным кожухом, а выпускной обратный клапан может быть выполнен с усилием его открытия, регулируемым в зависимости от величины гидравлического сопротивления линии нагнетания.
Внутренняя поверхность днища нагревательной камеры может быть выполнена конусной с вершиной конуса, обращенной вниз, при этом выходное отверстие нагревательной камеры и конусная поверхность ее днища могут быть выполнены предпочтительно соосно друг с другом и с корпусом нагревательной камеры.
Выпускной обратный клапан может быть размещен в днище нагревательной камеры, предпочтительно соосно с выходным отверстием последней, с возможностью перекрытия им выхода указанного отверстия.
При выполнении нагревательной камеры с одним фазным электродом последний целесообразно располагать коаксиально корпусу нагревательной камеры, а при выполнении нагревательной камеры с двумя и более фазными электродами последние целесообразно размещать равномерно по объему нагревательной камеры и с равным удалением от корпуса последней.
Решение поставленной задачи в отношении изобретения, касающегося теплогенерирующей установки, достигается тем, что в теплогенерирующей установке, предназначенной преимущественно для отопления и содержащей теплообменник и устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, с линией подвода исходной токопроводящей жидкости, вход которой подключен к выходу теплообменника, и линией нагнетания нагретой токопроводящей жидкости, выход которой подключен ко входу теплообменника, согласно пункту 16 формулы изобретения устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости выполнено по любому из пп.5-15, а в качестве теплообменника используется теплообменник типа «жидкость-жидкость» с контуром греющей и контуром нагреваемой среды, подключенный к теплопотребляющему устройству, снабженному линией подвода горячего теплоносителя и линией отвода холодного теплоносителя, при этом у теплообменника контур греющей среды подключен своим входом и выходом соответственно к выходу упомянутой линии нагнетания и ко входу упомянутой линии подвода токопроводящей жидкости, а контур нагреваемой среды подключен своим входом и выходом соответственно к линии отвода холодного теплоносителя от теплопотребляющего устройства и линии подвода горячего теплоносителя к теплопотребляющему устройству.
При этом установка может быть снабжена аккумулирующей емкостью с газовой полостью и отделенной от последней с помощью подвижного разделителя гидравлической полостью, которая расположена над газовой полостью и подключена на своем верхнем уровне через вертикально расположенный канал к упомянутой линии подвода исходной токопроводящей жидкости вблизи от впускного обратного клапана упомянутого устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, при этом подвижный разделитель аккумулирующей емкости может быть выполнен в виде мембраны, или поршня, или сильфона.
Кроме того, установка может быть снабжена устройством для автоматического газоудаления, включающим обратный самодействующий клапан, вход которого подключен к внутренней полости нагревательной камеры устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости на верхнем уровне указанной полости, и автоматический газоотводчик, подключенный своим входом к выходу указанного обратного клапана, который содержит горизонтально расположенное седло с отверстием для прохода токопроводящей жидкости и затвор, установленный под указанным седлом с возможностью перекрытия отверстия последнего, при этом масса, геометрическая форма и размеры указанного затвора выбираются с таким расчетом, чтобы обеспечивалось открытое положение указанного клапана при поступлении к нему воздуха или газообразных продуктов из нагревательной камеры.
Установка может быть также снабжена устройством для автоматической подпитки теплоносителем, выполненным в виде гидроаккумулятора, и устройством стабилизации давления, через которое устройство для автоматической подпитки теплоносителем подключено к упомянутой линии подвода исходной токопроводящей жидкости, при этом устройство стабилизации давления может выполнено, предпочтительно, в виде перепускного клапана с возможностью поддержания заданного давления в указанной линии.
Кроме того, установка может быть снабжена предохранительным клапаном, подключенным к внутренней полости нагревательной камеры и настроенным на заданное максимальное давление в указанной полости, а также предохранительным клапаном, подключенным к линии нагнетания и настроенным на заданное максимальное давление в последней.
Установка может быть также снабжена шламоуловителем, установленным в упомянутой линии нагнетания токопроводящей жидкости, а в верхних точках упомянутой линии подвода исходной токопроводящей жидкости могут быть установлены автоматические газоотводчики.
При этом на входе упомянутой линии подвода исходной токопроводящей жидкости и в линии подвода горячего теплоносителя к теплопотребляющему устройству могут быть установлены датчики температуры, выходы которых соединены с упомянутым блоком питания и управления, выполненным с возможностью отключения питания фазных электродов нагревательной камеры при увеличении температуры исходной токопроводящей жидкости на входе линии подвода последней к упомянутой нагревательной камере или температуры горячего теплоносителя в линии подвода последнего к теплопотребляющему устройству выше заданного максимального значения и с возможностью последующего включения питания фазных электродов нагревательной камеры после снижения указанной температуры исходной токопроводящей жидкости и горячего теплоносителя до заданного минимального значения. При таком выполнении установки в помещении, обогреваемом с помощью теплопотребляющего устройства, может быть установлен датчик температуры, выход которого соединен с упомянутым блоком питания и управления, выполненным с возможностью отключения питания фазных электродов нагревательной камеры при увеличении температуры воздуха в указанном помещении выше заданного максимального значения и с возможностью последующего включения питания фазных электродов нагревательной камеры после снижения указанной температуры воздуха до заданного минимального значения. Кроме того, при таком выполнении установки как при наличии, так и при отсутствии в упомянутом выше помещении датчика температуры установка может быть снабжена малогабаритным автономным источником питания фазных электродов нагревательной камеры, подключенным к блоку питания и управления и рассчитанным на заданное время работы нагревательной камеры при внезапном отключении электроснабжения основного источника питания указанных электродов.
3
Техническим результатом, получаемым при практическом использовании изобретения, является снижение затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, обеспечиваемое за счет прерывистого режима питания фазных электродов нагревательной камеры с прекращением и возобновлением пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость соответственно в начале ее вытеснения из нагревательной камеры и в конце заполнения нагревательной камеры токопроводящей жидкостью, а также за счет выполнения днища нагревательной камеры массивным из материала с высокой удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью и создания в нагревательной камере процесса реверсивного теплообмена между токопроводящей жидкостью и днищем указанной камеры с подводом к днищу нагревательной камеры от внешнего маломощного источника тепловой энергии количества теплоты, достаточного для поддержания в токопроводящей жидкости температуры не ниже температуры кипения указанной жидкости, и с обеспечением дальнейшего вытеснения токопроводящей жидкости из нагревательной камеры после упомянутого прекращения пропускания через нее электрического тока только с помощью энергии давления пара, образующегося над токопроводящей жидкостью за счет указанного поддержания температуры последней. Исключение электронагрева токопроводящей жидкости в процессе ее вытеснения из нагревательной камеры после прекращения пропускания через жидкость электрического тока обеспечивает указанное снижение затрат электроэнергии. Вместе с тем, техническим результатом является повышение объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания (т.е. производительности устройства как насоса), обеспечиваемое за счет создания в придонной части нагревательной камеры между днищем последней и нижними торцами фазных электродов зоны интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости, позволяющей сократить время нагрева жидкости до температуры кипения, необходимой для начала парообразования и последующего вытеснения жидкости из нагревательной камеры в линию нагнетания, что, в свою очередь, позволяет увеличить частоту рабочих циклов в нагревательной камере и соответственно указанную объемную подачу нагретой жидкости в линию нагнетания. Увеличение объемной подачи нагретой жидкости на выходе устройства (в линии нагнетания) обеспечивается также за счет эффективного использования в нем всего рабочего объема нагревательной камеры, что достигается за счет обеспечения возможности вытеснения токопроводящей жидкости из всей рабочей полости нагревательной камеры. При этом увеличение объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания расширяет область применения устройства и, вместе с тем, снижает удельные затраты электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости в расчете на единицу объема (например, 1 м) нагретой жидкости, поступающей из нагревательной камеры в линию нагнетания. Кроме того, снижение затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости обеспечивается также за счет исключения свойственных прототипу заявленного устройства нерациональных затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, теряемых вследствие потери теплоты, уходящей в известном из прототипа устройстве в окружающую среду через стенки нагревательной камеры.
Указанное снижение затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, достигаемое за счет использования прерывистого режима пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость, создания в нагревательной камере процесса реверсивного теплообмена между токопроводящей жидкостью и днищем указанной камеры с подводом теплоты к днищу нагревательной камеры от внешнего источника тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения, а также за счет создания в придонной части нагревательной камеры зоны интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости и исключения утечек теплоты через стенки нагревательной камеры в окружающую среду, по расчетным данным может составлять не менее 20% затрат электроэнергии, имеющих место в прототипе заявленного устройства. Это обеспечивает существенное повышение эффективности процесса нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и повышение эффективности работы и соответственно КПД устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, за счет чего повышается эффективность работы и КПД теплогенерирующей установки, в которой указанное устройство является главным рабочим органом.
Другим техническим результатом является исключение необходимости имеющей место в прототипе заявленного устройства установки электродов на всю высоту нагревательной камеры с обеспечением герметичного прохода фазного электрода через крышку и днище нагревательной камеры, за счет чего упрощаются конструкция и изготовление устройства и снижаются его вес и стоимость. При этом повышается надежность работы устройства за счет исключения присущей прототипу возможности нарушения герметичности днища нагревательной камеры в месте прохода через него фазного электрода. Кроме того, техническим результатом является исключение при работе устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости возможности поступления пара в линию нагнетания нагретой токопроводящей жидкости и исключение связанной с этим нежелательной пульсации давления в указанной линии, за счет чего также обеспечивается повышение надежности работы указанного устройства и соответственно повышение надежности работы теплогенерирующей установки.
Выполнение теплогенерирующей установки с бесконтактным теплообменником типа «жидкость-жидкость», снабженным контуром греющей и контуром нагреваемой среды, обеспечивает возможность работы установки с нагревом токопроводящей жидкости в рабочей полости нагревательной камеры до высокой температуры - порядка 150-200°С, обеспечивающей высокий КПД установки, и позволяет подключать при этом к установке различные теплопотребляющие устройства, для работы которых требуется подвод теплоносителя со значительно меньшей температурой - порядка 70-90°С.
Снабжение теплогенерирующей установки устройством для автоматической подпитки теплоносителем, устройством для автоматического газоудаления, устройством стабилизации давления, предохранительными клапанами и шламоуловителем обеспечивает возможность эффективной, безопасной и надежной работы установки в автоматическом режиме без присутствия обслуживающего персонала. Вместе с тем, снабжение установки блоком питания и управления и датчиками температуры обеспечивает возможность оптимизации затрат электроэнергии на работу установки за счет поддержания в автоматическом режиме заданной температуры теплоносителя в линии подвода исходной токопроводящей жидкости, и/или на входе теплопотребляющего устройства, и/или температуры воздуха в помещении, обогреваемом с помощью данного теплопотребляющего устройства. Кроме того, снабжение установки малогабаритным автономным источником питания, рассчитанным на заданное время работы нагревательной камеры, обеспечивает возможность работы установки в течение указанного времени в случае внезапного отключения электроснабжения основного источника питания рабочих электродов нагревательной камеры.
Заявленное устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости служит для осуществления заявленного способа нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, причем способ и устройство по настоящему изобретению, вместе взятые, образуют единый изобретательский замысел, поскольку направлены на решение одной и той же задачи - повышение эффективности процесса нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и повышение эффективности и надежности работы устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и позволяют получить одинаковый технический результат - снижение затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости. В связи с этим указанные способ и устройство соответствуют требованию единства изобретения.
Вместе с тем, заявленное устройство используется как часть целого в заявленной теплогенерирующей установке и при этом образует вместе с последней единый изобретательский замысел, поскольку использование заявленного устройства в указанной установке придает последней положительные технические качества, заложенные в заявленном устройстве, а именно: повышение эффективности и надежности работы предлагаемой установки за счет повышения эффективности и надежности работы входящего в нее как часть целого заявленного устройства, а также снижение массы и габаритов заявленной установки за счет снижения массы и габаритов заявленного устройства. В связи с этим указанные устройство и установка, также соответствуют требованию единства изобретения.
Из уровня техники неизвестны способ нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и реализующее данный способ устройство, содержащие признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в независимых пунктах 1 и 5 формулы изобретения, характеризующих заявленный способ и заявленное устройство. Кроме того, из уровня техники неизвестна теплогенерирующая установка, содержащая признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в независимом пункте 16 формулы изобретения, характеризующем заявленную установку. В связи с этим изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники неизвестны также способ нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости и реализующее данный способ устройство, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками, содержащимися в независимых пунктах 1 и 5 формулы изобретения. Кроме того, из уровня техники неизвестна теплогенерирующая установка, имеющая признаки, совпадающие с отличительными признаками, содержащимися в независимом пункте 16 формулы изобретения, характеризующем заявленную установку. В связи с этим изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленная группа изобретений соответствует также условию патентоспособности «промышленная применимость», поскольку входящие в нее изобретения могут быть использованы в энергетике и других областях техники, и при этом в настоящем описании содержится указание назначения каждого из указанных изобретений, каждое из которых раскрыто в настоящем описании с полнотой, достаточной для осуществления изобретения, а при осуществлении каждого независимого изобретения указанной группы в соответствии с любым из относящихся к настоящему изобретению пунктов формулы возможна реализация указанного в описании назначения изобретения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
- на фиг.1 - общий вид устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости;
- на фиг.2 - вариант выполнения нижней части нагревательной камеры устройства с встроенным в днище выпускным клапаном;
- на фиг.3 - общий вид теплогенерирующей установки;
- на фиг.4 - сечение А-А на фиг.3;
- на фиг.5 - устройство для автоматического газоудаления.
Согласно изобретению устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости содержит герметичную электродную нагревательную камеру 1 (фиг.1) с внутренней рабочей полостью 2, заполненной токопроводящей жидкостью, например водой, трубчатым корпусом 3, установленным в вертикальном или близком к вертикальному положении, днищем 4, крышкой 5, выходным отверстием 6, нулевым электродом 7 и одним или несколькими фазными электродами 8. Нулевой электрод 7 снабжен нулевой клеммой 9, соединенной с заземлением (не показано), а каждый из фазных электродов 8 установлен внутри корпуса 3 и закреплен на продольном электроде держателе 10, снабженном фазной клеммой 11 и изоляционной втулкой 12. Нагревательная камера 1 соединена своей верхней частью через впускной обратный клапан 13 с линией 14 подвода исходной токопроводящей жидкости, а нижней частью - через выходное отверстие 6 и выпускной обратный клапан 15 с линией 16 нагнетания нагретой токопроводящей жидкости. Для обеспечения полного вытеснения токопроводящей жидкости из рабочей полости 2 выходное отверстие 6 нагревательной камеры 1 выполнено в днище 4 последней (фиг.2, 3), предпочтительно на оси камеры 1, или в корпусе 3 последней (фиг.1) с примыканием к днищу 4 нагревательной камеры 1. Крышка 5 может быть выполнена из прочного и термостойкого диэлектрического материала или из металла.
Для снижения затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости нагревательная камера 1 выполнена с обеспечением возможности прерывистого режима питания фазных электродов 8, для чего электроды 7 и 8 снабжены блоком питания и управления 17, к которому подключены нулевая 9 и фазная 11 клеммы указанных электродов, а нагревательная камера 1 снабжена датчиком 18 уровня токопроводящей жидкости, установленным в ее верхней части на высоте h относительно днища 4, составляющей 0,7-1,0 высоты Н рабочей полости 2 нагревательной камеры 1, и подключенным своим выходом ко входу блока питания и управления 17. При этом блок питания и управления 17 выполнен с возможностью отключения и включения питания фазных электродов 8 при получении от датчика уровня 18 сигнала о прохождении уровнем токопроводящей жидкости указанного датчика соответственно при вытеснении токопроводящей жидкости из нагревательной камеры 1 и при заполнении последней токопроводящей жидкостью. Вместе с тем, блок питания и управления 17 выполнен с возможностью питания фазных электродов 8 переменным электрическим током и на своем выходе может иметь одну рабочую фазу «А» (фиг.3) - при установке в нагревательной камере 1 одного или нескольких фазных электродов 8 с однофазным питанием или три рабочие фазы «А», «В» и «С» - при установке в нагревательной камере 1 трех или более фазных электродов 8 с трехфазным питанием.
В целях снижения затрат электроэнергии на питание фазных электродов 8 рекомендуется увеличивать высоту h установки датчика уровня 18 относительно днища 4 вплоть до значения h=H, при котором датчик уровня 18 устанавливается в крышке 5 нагревательной камеры 1 или в верхней торцевой части корпуса 3, что обеспечивает максимальное снижение указанных затрат электроэнергии. При этом минимальное значение указанной высоты h задано равным 0,7 высоты В рабочей полости 2 с учетом того, что при уменьшении высоты h ниже 0,7Н резко возрастают затраты электроэнергии на питание фазных электродов 8 без существенного повышения температуры токопроводящей жидкости и/или ее объемной подачи в линию нагнетания 16.
В нагревательной камере 1 предусмотрены конструктивные меры, обеспечивающие возможность вытеснения токопроводящей жидкости из рабочей полости 2 при отсутствии электронагрева токопроводящей жидкости, имеющем место после срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8. Для этого нагревательная камера 1 выполнена с обеспечением возможности реверсивного теплообмена между токопроводящей жидкостью и днищем 4 с передачей теплоты от токопроводящей жидкости к днищу 4 в процессе пропускания электрического тока через токопроводящую жидкость до момента срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8 и передачей теплоты в обратном направлении - от днища 4 к токопроводящей жидкости при дальнейшем опускании уровня последней после срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8. При этом днище 4 снабжено внешним источником 19 тепловой энергии, тепловая мощность которого в несколько раз меньше тепловой мощности, вырабатываемой при пропускании тока между электродами 7 и 8. Источник 19 выполнен предпочтительно в виде плоского электронагревателя, закрепленного на наружной поверхности днища 4 предпочтительно с нижней стороны последнего. Для обеспечения возможности минимизации затрат энергии на работу внешнего источника тепла 19 днище 4 выполнено массивным из материала с высокой удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью, причем массу днища 4 при проектировании устройства задают максимально возможной по величине, исходя из заданных габаритных и весовых показателей устройства. При этом масса днища 4 и удельная теплоемкость материала, используемого для его изготовления, а также тепловая мощность внешнего источника 19 тепловой энергии задаются на основе расчетных и/или экспериментальных данных с обеспечением возможности передачи от днища 4 к токопроводящей жидкости количества теплоты, достаточного для поддержания температуры указанной жидкости не ниже температуры ее кипения после срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8 при минимальных затратах энергии источника 19 тепловой энергии.
Для обеспечения возможности осуществления реверсивного теплообмена в нагревательной камере 1 в момент прекращения пропускания тока через токопроводящую жидкость, соответствующий срабатыванию датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8, количество теплоты в днище 4, необходимое для обеспечения реверса теплообмена с последующей передачей теплоты от днища 4 к токопроводящей жидкости, должно превышать количество теплоты в токопроводящей жидкости. Данное условие имеет следующее математическое выражение:
д
где Q - количество теплоты, накопленное в днище 4 до момента срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8;
к
Q - количество теплоты, накопленное в корпусе 3, крышке 5, фазных электродах 8 и их электрододержателях 10 до момента срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8;
q - количество теплоты, получаемое днищем 4 от внешнего источника 19 тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения;
ж
Q - количество теплоты в токопроводящей жидкости в момент срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8;
k- определяемый теоретическим и/или экспериментальным путем коэффициент теплопотерь, учитывающий количество теплоты, теряемой в результате ее рассеивания в процессе теплообмена между токопроводящей жидкостью и конструктивными элементами нагревательной камеры 1. По расчетным данным величина k колеблется в пределах 0,01-0,05 в зависимости от степени тепловой изоляции нагревательной камеры 1.
д
к
ж
После раскрытия параметров Q, Q, q и Q выражение (1) принимает следующий вид:
где с - удельная теплоемкость металла, из которого изготовлены корпус 3, днище 4, крышка 5, фазные электроды 8 и электрододержатели 10 нагревательной камеры 1;
д
М - масса днища 4 нагревательной камеры 1;
1
Δt - величина изменения температуры в нагревательной камере 1;
к
М - суммарная масса корпуса 3, крышки 5, фазных электродов 8 и электрододержателей 10 нагревательной камеры 1;
2
Δt - величина изменения температуры днища нагревательной камеры при его нагреве от внешнего источника тепловой энергии для поддержания температуры токопроводящей жидкости не ниже температуры ее кипения;
ж
с - удельная теплоемкость используемой токопроводящей жидкости;
ж
М - масса токопроводящей жидкости, находящейся в рабочей полости 2 в момент срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8.
Входящая в выражение (2) масса жидкости определяется выражением
где ρ - плотность используемой токопроводящей жидкости;
S - площадь поперечного сечения рабочей полости 2 нагревательной камеры 1;
э
V - объем фазных электродов 8 и частей их электрододержателей 10, находящихся в токопроводящей жидкости в момент срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8.
Как следует из выражений (2) и (3), задаваемая величина массы днища 4 должна соответствовать следующему условию:
2
-6
3
к
э
э
1
2
д
Возьмем для примера нагревательную камеру 1 с одним осевым фазным электродом 8 (фиг.1), имеющую диаметр и площадь S поперечного сечения полости 2 соответственно 90 мм и 6359 мм, высоту Н рабочей полости 2, равную 170 мм, и высоту h установки датчика уровня 18 относительно днища 4, равную 150 мм, что составляет 0,88Н. Днище 4 изготовлено из стали с удельной теплоемкостью, равной 0,50 кДж/(кг·°С), а в качестве токопроводящей жидкости используется вода с плотностью, равной 10 кг/мм, и удельной теплоемкостью, равной 4,18 кДж/(кг·°С). Суммарная масса М конструктивных элементов нагревательной камеры 1 составляет 5,31 кг, а объем V фазных электродов 8 и частей их электрододержателей 10, находящихся в токопроводящей жидкости при расположении уровня последней на уровне датчика 18, составляет 15% от объема токопроводящей жидкости, соответствующего указанному уровню ее расположения (V=0,15Sh). Величину изменения температуры Δt в нагревательной камере 1 зададим равной 135°С, а величину изменения температуры Δt днища 4 в результате его нагрева от источника 19 - равной 20°С. Подставив заданные параметры в выражение (4) и приняв коэффициент теплопотерь k равным 0,02, найдем требуемую величину массы днища 4 для такой нагревательной камеры - М>1,52 кг.
э
э
э
э
Для снижения затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости и обеспечения возможности увеличения в необходимых пределах величины объемной подачи нагретой токопроводящей жидкости в линию нагнетания 16 нагревательная камера 1 выполнена с возможностью создания в ее придонной части зоны 20 интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости, расположенной между днищем 4 и нижними торцами фазных электродов 8. Для этого днище 4 нагревательной камеры 1 служит нулевым электродом 7 вместе с корпусом 3 или без последнего, а фазные электроды 8 размещены в нагревательной камере 1 таким образом, что нижние торцы указанных электродов обращены к днищу 4. При этом суммарная площадь S поверхности нижних торцов фазных электродов 8 выбрана из условия 0,4≤S/S≤0,9, расстояние h между нижними торцами фазных электродов 8 и днищем 4 задано из условия 0,10≤h/Н≤0,35, а нагревательная камера 1 выполнена с цилиндрической формой ее рабочей полости 2, высота Н и диаметр d которой соответствуют условию 1,0<H/d<2,0.
э
э
э
э
Суммарная площадь S поверхности нижних торцов фазных электродов 7 выбрана из условия 0,4≤S/S≤0,9 с учетом того, что при S<0,4S резко снижается скорость нагрева жидкости в полости 2 камеры 1, а при S>0,9S резко возрастает гидравлическое сопротивление, создаваемое фазными электродами 7 на пути движения нагретой жидкости и пара из придонной зоны 20 интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости в верхнюю часть рабочей полости 2 камеры 1, что замедляет процесс теплообмена между нагретой жидкостью, находящейся в зоне 20, и более холодной жидкостью, находящейся выше фазных электродов 8, и в конечном итоге также приводит к снижению скорости нагрева жидкости в полости 2 камеры 1 и, вместе с тем, к снижению температуры жидкости на выходе устройства - в линии нагнетания 16. В свою очередь, снижение скорости нагрева жидкости в полости 2 камеры 1 увеличивает время нагрева жидкости до кипения и время вытеснения жидкости из полости 2 в линию нагнетания 16, что приводит к снижению частоты рабочих циклов вытеснения жидкости из камеры 1 и соответственно к снижению объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания 16. Вместе с тем, увеличение времени нагрева жидкости до кипения и времени вытеснения жидкости из полости 2 вызывает повышение затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости. В свою очередь, указанное снижение объемной подачи нагретой жидкости и повышение затрат электроэнергии вызывает снижение эффективности работы устройства.
э
э
э
э
э
При величине расстояния h между нижними торцами фазных электродов 8 и днищем 4 нагревательной камеры 1 h<0,10Н объем зоны 20 интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости снижается до недопустимого значения, при котором так же, как и при S<0,4S, резко снижается скорость нагрева жидкости в полости 2 камеры 1, что приводит к недопустимому увеличению времени нагрева жидкости до кипения и времени вытеснения жидкости из полости 2 в линию нагнетания 16 и связанному с этим снижению до недопустимого уровня частоты рабочих циклов вытеснения жидкости из камеры 1 и соответственно к недопустимому снижению уровня объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания 16 и повышению затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости. Вместе с тем, при уменьшении указанного расстояния h ниже значения 0,10Н возможно возникновение электрического пробоя между электродами 7 и 8, способного нарушить нормальную работу устройства и вывести его из строя. В то же время нецелесообразно увеличивать указанное расстояние h выше значения 0,35Н, поскольку при h>0,35H объем зоны 20 интенсивного нагрева токопроводящей жидкости увеличивается до недопустимого значения, при котором так же, как и при h<0,10H, резко снижается скорость нагрева жидкости в полости 2 камеры 1, что приводит к снижению частоты рабочих циклов в камере 1 и объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания 16 и повышению затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, в результате чего снижается эффективность работы устройства.
э
э
Высота Н и диаметр d рабочей полости 2 нагревательной камеры 1 заданы из условия 1,0<H/d<2,0 с учетом того, при H/d>2,0 замедляется до недопустимого значения время замещения холодной токопроводящей жидкости, находящейся в верхней части рабочей полости 2, горячей токопроводящей жидкостью, поднимающейся из зоны 20 интенсивного нагрева токопроводящей жидкости, что так же, как и при S>0,9S, замедляет процесс теплообмена между нагретой жидкостью, находящейся в зоне 20, и более холодной жидкостью, находящейся выше фазных электродов 8, и в конечном итоге приводит к снижению скорости нагрева жидкости в рабочей полости 2 камеры 1 и соответственно к снижению частоты рабочих циклов вытеснения жидкости из камеры 1 и объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания 16. При величине отношения H/d<1,0 высота h зоны 20 интенсивного нагрева токопроводящей жидкости недостаточна по величине для организации в указанной зоне с требуемой эффективностью процесса интенсивного нагрева токопроводящей жидкости.
Для обеспечения возможности создания в рабочей полости 2 давления пара, достаточного по величине для вытеснения токопроводящей жидкости в линию нагнетания 16, а также для устранения возможных колебаний затвора выпускного клапана 15 в линии нагнетания 16 установлен подпорный дроссель 21, расположенный после выпускного клапана 15 по ходу движения токопроводящей жидкости и вблизи от указанного клапана. Дроссель 21 выполнен в виде жиклера с сужающимся в направлении движения токопроводящей жидкости поперечным сечением. Угол конусности сужающейся части дросселя 21 и диаметр следующего за сужающейся частью выходного отверстия подбираются расчетным и/или экспериментальным путем с обеспечением указанного выше давления пара в рабочей полости 2.
Для обеспечения возможности регулирования количества теплоты, передаваемой от источника 19 к днищу 4, при выполнении внешнего источника 19 тепловой энергии в виде электронагревателя последний подключен к своему источнику питания (например, к электросети) через управляющий термостат 22, служащий для регулировки тепловой мощности источника 19. Термостат 22 снабжен датчиком температуры 23, установленным на днище 4 нагревательной камеры 1 и подключенным своим выходом ко входу термостата 22.
э
э
Наиболее важными для осуществления изобретения конструктивными параметрами нагревательной камеры 1 являются масса днища 4 нагревательной камеры 1, высота Н и диаметр d рабочей полости 2, величина отношения H/d, высота h, на которой установлен датчик уровня 18 относительно днища 4, расстояние h между нижними торцами фазных электродов 8 и днищем 4 нагревательной камеры 1, величина отношения суммарной площади S нижних торцов фазных электродов 8 к площади S поперечного сечения рабочей полости 2 камеры 1, вмещающий токопроводящую жидкость объем зоны 20 интенсивного электронагрева, весь объем рабочей полости 2 нагревательной камеры 1, вмещающий токопроводящую жидкость, толщина стенок корпуса 3, днища 4 и крышки 5 нагревательной камеры 1 и величина удельной теплоемкости материала, из которого изготовлены корпус 3, днище 4 и крышка 5.
э
Указанные конструктивные параметры нагревательной камеры 1, а также величина усилия открытия выпускного клапана 15, величина тепловой мощности источника 19 тепловой энергии, величина напряжения на электродах 7 и 8 нагревательной камеры 1 и величина силы тока между указанными электродами задаются с обеспечением возможности кипения токопроводящей жидкости после отключения питания фазных электродов 8 при срабатывании датчика уровня 18 с образованием в полости 2 над токопроводящей жидкостью пара с давлением, достаточным по величине для дальнейшего вытеснения указанным паром токопроводящей жидкости из рабочей полости 2 в линию нагнетания 16 при заданной величине температуры и электропроводности исходной токопроводящей жидкости, поступающей из линии 14 в камеру 1 и гидравлического сопротивления течению нагретой токопроводящей жидкости, оказываемого со стороны линии нагнетания 16. Вместе с тем, с целью повышения эффективности работы и соответственно КПД устройства за счет снижения затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости, величина электропроводности токопроводящей жидкости, величина удельной теплоемкости материала, из которого выполнены днище 4, корпус 3 и крышка 5 нагревательной камеры 1, величина гидравлического сопротивления выходного отверстия 6 нагревательной камеры 1, выпускного клапана 15, дросселя 21 и линии нагнетания 16, величина усилия открытия выпускного клапана 15 и указанные выше геометрические параметры нагревательной камеры 1, включая расстояние S между нижними торцами фазных электродов 8 и днищем 4 камеры 1, задаются с расчетом обеспечения заданной температуры, и/или давления, и/или объемной подачи токопроводящей жидкости в линии нагнетания 16 с минимальными затратами электроэнергии на нагрев токопроводящей жидкости в рабочей полости 2 нагревательной камеры 1 и на нагнетание указанной жидкости из полости 2 в линию нагнетания 16 при заданной величине гидравлического сопротивления течению нагретой токопроводящей жидкости, оказываемого со стороны линии нагнетания 16. С этой же целью нагревательная камера 1 снабжена теплоизоляционным кожухом 24, снижающим утечки теплоты через стенки камеры 1 в окружающую среду.
Для сохранения необходимой эффективности работы устройства при изменении величины гидравлического сопротивления течению нагретой токопроводящей жидкости, оказываемого со стороны линии нагнетания 16, что может иметь место, например, при изменении количества потребителей нагретой токопроводящей жидкости, подключаемых к линии нагнетания 16, выпускной клапан 15 может быть выполнен с регулируемым в заданных пределах усилием его открытия. Для этого клапан 15 может быть выполнен с возможностью регулировки предварительного натяга его пружины 25 (фиг.2) за счет осевого перемещения опоры 26 последней с помощью вращающейся рукояти 27, соединенной осью 28 с опорой 26, при этом ось 28 имеет резьбовое соединение с нижней частью корпуса 29 клапана 15 и снабжена фиксирующей контргайкой 30.
Для снижения гидравлического сопротивления потоку токопроводящей жидкости при вытеснении последней из нагревательной камеры 1 в выходное отверстие 6 внутренняя поверхность 31 (фиг.2) днища 4 может быть выполнена конусной с вершиной конуса, обращенной вниз, причем выходное отверстие 6 нагревательной камеры 1 и конусная поверхность 31 днища 4 выполнены соосно друг с другом и с корпусом 3 нагревательной камеры 1. При этом выпускной клапан 15 может быть размещен в днище 4 предпочтительно соосно с выходным отверстием 6, с возможностью перекрытия им выхода отверстия 6.
Для повышения надежности работы и долговечности устройства электроды 7 и 8 выполнены из нержавеющей стали или любого другого электропроводного материала, стойкого к воздействию различных видов агрессивных токопроводящих жидкостей и ко всем видам электрокоррозии (особенно к межкристаллической коррозии), а изоляционные втулки 12 электрододержателей 10 выполнены из диэлектрического конструкционного материала, стойкого к воздействию агрессивных жидкостей и высокой температуры, например из фторопласта, поликристаллических полимеров (полиэфирэфиркетон - текапик), применяемых при высоких температурах (до 300°С), и т.п.
При выполнении нагревательной камеры 1 с одним фазным электродом 8 (фиг.1) последний расположен коаксиально к корпусу 3 нагревательной камеры 1, а при выполнении нагревательной камеры 1 с двумя и более фазными электродами 8 последние размещены равномерно по объему нагревательной камеры 1 (фиг.3, 4) и равноудалены от ее корпуса 3. При этом корпус 3 нагревательной камеры 1 может быть выполнен цилиндрическим или с иной геометрической формой. Например, корпус 3 может быть выполнен с поперечным сечением в виде эллипса, или треугольника, или прямоугольника, или многоугольника (не показано). Вместе с тем, форма нижних торцов фазных электродов 8 также может быть различной, например круглой, эллипсной, треугольной, прямоугольной, многоугольной и т.п.
Описанное устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости может быть использовано по своему прямому назначению в показанной на фиг.3 теплогенерирующей установке, предназначенной преимущественно для систем отопления. Согласно изобретению указанная установка содержит описанное выше устройство для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, например воды, подключенное линиями 14 и 16 к теплообменнику 32, к которому подключено также теплопотребляющее устройство 33, выполненное, например, в виде одного или нескольких отопительных радиаторов, бойлеров, отопительно-вентиляционных аппаратов, теплых полов и т.п. и снабженное линией 34 подвода горячего теплоносителя и линией 35 отвода холодного теплоносителя.
Для обеспечения возможности работы установки с нагревом токопроводящей жидкости в рабочей полости 2 до высокой температуры - порядка 150-200°С, обеспечивающей высокий КПД установки, и обеспечением при этом возможности подключения к линии нагнетания 16 установки теплопотребляющего устройства 33, для работы которого требуется подвод теплоносителя со значительно меньшей температурой - порядка 70-90°С, теплообменник 32 выполнен в виде двухконтурного бесконтактного теплообменника типа «жидкость-жидкость» (например, в виде поверхностного рекуперативного противоточного теплообменника) с контуром 36 греющей и контуром 37 нагреваемой среды. При этом контур 36 греющей среды подключен своим входом 38 и выходом 39 соответственно к линиям 16 и 14, а контур 37 нагреваемой среды (например, воды) подключен своим входом 40 и выходом 41 соответственно к линиям 35 и 34.
Установка снабжена аккумулирующей емкостью 42 с газовой полостью 43 и отделенной от нее с помощью подвижного разделителя 44 гидравлической полостью 45, заполненной теплоносителем в виде токопроводящей жидкости. При этом гидравлическая полость 45 расположена над газовой полостью 43 и подключена на своем верхнем уровне через вертикально расположенный канал 46 к линии 14 подвода исходной токопроводящей жидкости вблизи от впускного обратного клапана 13 упомянутого устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости, а подвижный разделитель 44 аккумулирующей емкости 42 выполнен в виде мембраны, или поршня, или сильфона.
Установка снабжена устройством 47 для автоматического газоудаления, включающим обратный самодействующий клапан 48 (фиг.5), вход которого подключен к внутренней полости 2 нагревательной камеры 1 устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости на верхнем уровне полости 2, и автоматический газоотводчик 49, подключенный своим входом к выходу обратного клапана 48. Клапан 48 содержит горизонтально расположенное седло 50 с отверстием 51 для прохода газообразных продуктов, удаляемых из рабочей полости 2 камеры 1, и затвор 52, установленный под седлом 50 с возможностью перекрытия отверстия 51 последнего, при этом масса, геометрическая форма и размеры затвора 52 выбираются с таким расчетом, чтобы обеспечивалось открытое положение клапана 48 при поступлении к нему воздуха или газообразных продуктов из полости 2 нагревательной камеры 1. Газоотводчик 49 расположен на минимально возможном расстоянии от клапана 48 и выполнен с возможностью прохода через него газообразных продуктов только в одном направлении - с выхода клапана 48 на выход самого газоотводчика 49 и не допускает проникание через него воздуха в полость 2 камеры 1 при наступлении разрежения в полости 2.
Установка снабжена также выполненным в виде гидроаккумулятора устройством 53 для автоматической подпитки циркуляционного контура установки теплоносителем в виде токопроводящей жидкости. Устройство 53 подключено к линии 14 через устройство стабилизации давления 54, выполненное в виде перепускного клапана (редуктора давления) с возможностью поддержания заданного давления в линии 14 за счет перепуска жидкости из линии 14 в сливную линию (не показана). Для исключения опасных для работы установки забросов давления в рабочей полости 2 камеры 1 и в линии 14 к полости 2 подключен предохранительный клапан 55, а к линии 14 - предохранительный клапан 56, при этом клапаны 55 и 56 настроены на заданное максимальное давление соответственно в полости 2 и в линии 14 и соединены своими выходами со сливной линией (не показана). Установка снабжена также шламоуловителем 57, установленным после подпорного дросселя 21 по ходу движения жидкости в линии 16, а для обеспечения возможности удаления из циркуляционного контура установки газообразных продуктов, выделяющихся из токопроводящей жидкости в процессе ее нагрева и дросселирования через встречающиеся на пути указанной жидкости гидравлические сопротивления, установка снабжена автоматическими газоотводчиками 58, подключенными своими входами к линии 14 в верхних точках последней, являющихся местами возможного скопления газообразных продуктов.
Кроме того, установка снабжена манометром 59 для визуального контроля давления в линии 14 и стрелочными термометрами 60, 61, 62 и 63 для визуального контроля температуры жидкости соответственно в линиях 14, 16, 34 и 35. Для поддержания циркуляции теплоносителя в рабочем контуре теплопотребляющего устройства 33 в линии 35 установлены циркуляционный насос 64 и обратный клапан 65 с возможностью круговой циркуляции теплоносителя по указанному рабочему контуру - с выхода теплопотребляющего устройства 33 и далее по линии 35, контуру 37 теплообменника 32 и линии 34 ко входу теплопотребляющего устройства 33 и исключением возможности круговой циркуляции теплоносителя в обратном направлении.
В линиях 14 и 34 установлены термодатчики соответственно 66 и 67, выполненные, например, в виде накладных термостатов. Кроме того, в помещении (не показано), обогреваемом с помощью устройства 33, может быть установлен датчик температуры воздуха 68. При этом выход каждого из датчиков 66-68 соединен с блоком питания и управления 17, выполненным с возможностью отключения питания фазных электродов 8 нагревательной камеры 1 при увеличении температуры теплоносителя в линии 34 теплопотребляющего устройства 33, и/или температуры токопроводящей жидкости в линии 14, и/или температуры воздуха в указанном помещении выше заданного максимального значения и с возможностью последующего включения питания фазных электродов 8 после снижения указанной температуры теплоносителя, и/или токопроводящей жидкости, и/или воздуха до заданного минимального значения.
Установка может быть снабжена малогабаритным автономным источником 69 питания фазных электродов 8 переменным электрическим током, подключенным к блоку 17 и рассчитанным на заданное время работы нагревательной камеры 1 при внезапном отключении электроснабжения основного источника питания указанных электродов. Источник 69 может быть выполнен в виде аккумулятора с преобразователем с возможностью подзарядки аккумулятора и имеет выключатель 70 и устройство 71 автоматического управления, выполненное с возможностью автоматического включения выключателя 70 при внезапном отключении электроснабжения блока 17 и автоматического выключения выключателя 70 при восстановлении электроснабжения блока 17. Кроме того, устройство 71 может быть выполнено с возможностью установки источника 69 на подзарядку и прекращения подзарядки после аккумулирования в источнике 69 заданной величины электроэнергии в процессе подзарядки.
Согласно изобретению способ нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости осуществляется с помощью описанного выше устройства для нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости следующим образом.
Через токопроводящую жидкость, находящуюся в рабочей полости 2, пропускают переменный электрический ток, проходящий между электродами 7 и 8 при заданном напряжении на клеммах 9 и 11, в результате чего жидкость нагревается. Одновременно с этим днище 4 подогревают снизу с помощью внешнего источника 19 тепловой энергии. При этом за счет большой суммарной площади нижних торцов фазных электродов 8, составляющей не менее 0,4 площади S поперечного сечения рабочей полости 2 нагревательной камеры 1, между нижними торцами фазных электродов 8 и днищем 4 создается зона 20 интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости. Находящаяся в зоне 20 жидкость имеет небольшую массу в сравнении с массой всей жидкости, заполняющей рабочую полость 2 камеры 1, в связи с чем жидкость в зоне 20 быстро нагревается до кипения и вместе с образующимся при кипении паром с большой скоростью поднимается из зоны 20 в верхнюю часть полости 2, выталкивая холодную жидкость из верхней части полости 2 вниз - в зону 20 интенсивного электронагрева, благодаря чему ускоряется процесс нагрева токопроводящей жидкости в камере 1 и обеспечивается возможность повышения частоты рабочих циклов в нагревательной камере 1 и соответственно объемной подачи нагретой жидкости в линию нагнетания 16 без увеличения расхода электроэнергии на питание электродов 8.
к,
к
к
*
Образующийся в верхней части полости 2 пар создает в камере 1 давление Р величина которого в начале кипения жидкости возрастает в связи с закрытым положением выпускного клапана 15. При увеличении давления Р в камере 1 в процессе дальнейшего кипения жидкости до значения Р , соответствующего открытию выпускного клапана 15, последний открывается, и под воздействием давления пара жидкость вытесняется из полости 2 в линию нагнетания 16 через выходное отверстие 6 нагревательной камеры 1 и выпускной клапан 15. При этом подпорный дроссель 21 создает гидравлическое сопротивление (подпор) на пути движения токопроводящей жидкости в линии нагнетания 16. За счет указанного гидравлического сопротивления в линии нагнетания 16 в рабочей полости 2 камеры 1 создается давление пара, достаточное по величине для вытеснения токопроводящей жидкости в линию нагнетания 16. Кроме того, дроссель 21 устраняет возможные колебания затвора выпускного клапана 15. Величина гидравлического сопротивления дросселя 21 и его геометрические параметры, соответствующие данному сопротивлению, определяются путем теоретических расчетов и/или экспериментальным путем.
Суть изобретения заключается в создании в нагревательной камере 1 процесса реверсивного теплообмена между токопроводящей жидкостью и днищем 4, обеспечивающего возможность снижения затрат электроэнергии на нагрев и нагнетание токопроводящей жидкости.
В соответствии с указанным реверсивным теплообменом в процессе пропускания через токопроводящую жидкость электрического тока теплота от нагреваемой жидкости передается к массивному днищу 4 нагревательной камеры 1 и аккумулируется в последнем. При вытеснении токопроводящей жидкости из рабочей полости 2 после опускании уровня токопроводящей жидкости до уровня нагревательной камеры 1, на котором установлен датчик уровня 18, последний срабатывает на отключение питания фазных электродов 8. В случае установки датчика на высоте h, равной высоте Н рабочей полости 2, указанное срабатывание датчика 18 происходит в начале опускания уровня токопроводящей жидкости (при отрыве токопроводящей жидкости от крышки 5). После получения сигнала с выхода датчика 18 блок 17 отключает питание фазных электродов 8, в результате чего прекращается пропускание тока через токопроводящую жидкость и соответственно прекращается действие зоны 20 интенсивного электронагрева токопроводящей жидкости.
Поскольку в нагревательной камере 1, как в любом реальном техническом объекте, неизбежны тепловые потери за счет утечек теплоты через стенки камеры 1 в окружающее пространство, после прекращения пропускания тока через токопроводящую жидкость температура последней в результате указанных тепловых потерь при отсутствии внешнего источника 19 тепловой энергии может снизиться ниже температуры кипения. При таких условиях в нагревательной камере 1 наступит температурный баланс, при котором токопроводящая жидкость имеет такую же температуру, как внутренняя поверхность днища 4, что исключает возможность переноса теплоты от днища 4 к токопроводящей жидкости, вследствие чего исключается и возможность осуществления реверсивного теплообмена в нагревательной камере 1, а следовательно, и возможность дальнейшего вытеснения токопроводящей жидкости из рабочей полости 2.
Наличие внешнего источника 19 тепловой энергии позволяет запустить в действие указанный реверсивный теплообмен за счет подвода к днищу 4 от источника 19 незначительного по величине количества теплоты, позволяющего поднять температуру внутренней поверхности днища 4 выше температуры токопроводящей жидкости и вывести нагревательную камеру 1 из состояния указанного температурного баланса. При этом в нагревательной камере 1 наступает реверс теплообмена, после которого передача теплоты осуществляется в обратном направлении - от днища 4 нагревательной камеры 1 к токопроводящей жидкости. Указанный реверсивный теплообмен в нагревательной камере 1 осуществляют с минимальными затратами энергии внешнего источника 19 тепловой энергии, достаточными для того, чтобы компенсировать тепловые потери, обусловленные утечками теплоты из нагревательной камеры 1, и нагреть внутреннюю поверхность днища 4 до температуры кипения токопроводящей жидкости.
Благодаря указанному подогреву токопроводящей жидкости со стороны днища 4 с использованием теплоты, передаваемой к днищу 4 от внешнего источника 19 тепловой энергии, кипение токопроводящей жидкости в рабочей полости 2 продолжается без остановки, несмотря на прекращение ее электронагрева после срабатывания датчика уровня 18 на отключение питания фазных электродов 8. Указанное кипение сопровождается образованием пара над токопроводящей жидкостью, под действием энергии давления которого осуществляется дальнейшее полное вытеснение токопроводящей жидкости из рабочей полости 2 в линию нагнетания 16 через обратный клапан 15. Для снижения затрат энергии на работу внешнего источника тепла 19 перед началом или в процессе работы устройства с помощью термостата 22, получающего информацию о величине температуры наружной поверхности днища 4 от датчика 23, устанавливают тепловую мощность источника 19 на уровне, при котором от источника 19 к днищу 4 передается количество теплоты, не превышающее по величине количество теплоты, требуемое для поддержания температуры токопроводящей жидкости в рабочей полости 2 не ниже температуры ее кипения.
к
*
После окончания вытеснения жидкости из рабочей полости 2 в линию нагнетания 16 давление в полости 2 снижается ниже указанного выше значения Р , после чего выпускной клапан 15 закрывается, а в полости 2 происходит конденсация пара. В результате конденсации пара в полости 2 образуется разрежение, под действием которого открывается впускной клапан 13, и полость 2 заполняется новой порцией исходной токопроводящей жидкости, поступающей из линии 14. При прохождении уровнем токопроводящей жидкости датчика 18 в процессе заполнения полости 2 датчик 18 срабатывает на включение питания фазных электродов 8. В случае установки датчика на высоте h, равной высоте Н рабочей полости 2, указанное срабатывание датчика 18 происходит в конце подъема уровня токопроводящей жидкости, т.е. в момент полного заполнения рабочей полости 2 токопроводящей жидкостью. После получения сигнала с выхода датчика 18 блок 17 включает питание фазных электродов 8, в результате чего возобновляется пропускание тока через токопроводящую жидкость между нижними торцами электродов 8 и днищем 4 и соответственно возобновляется интенсивный электронагрев токопроводящей жидкости в придонной зоне 20, сопровождающийся интенсивной циркуляцией нагретой жидкости из зоны 20 в верхнюю часть рабочей полости 2 с вытеснением из нее в зону 20 холодной токопроводящей жидкости. После заполнения полости 2 токопроводящей жидкостью впускной клапан 13 закрывается.
Далее процесс нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости повторяется в описанном порядке.
В процессе запуска устройства частота рабочих циклов нагрева и нагнетания токопроводящей жидкости в нагревательной камере 1 плавно увеличивается по мере нагрева днища 4, корпуса 3, крышки 5 и электродов 8 с электрододержателями 10 и выходит на рабочий уровень по окончании нагрева указанных конструктивных элементов нагревательной камеры 1. Для сокращения времени выхода устройства на рабочий режим перед его запуском массивное днище 4 может быть прогрето с помощью внешнего источника 19 тепловой энергии до момента включения питания электродов 8.
При изменении величины гидравлического сопротивления течению нагретой токопроводящей жидкости, оказываемого со стороны линии нагнетания 16, что может иметь место, например, при изменении количества потребителей нагретой токопроводящей жидкости, подключаемых к линии нагнетания 16, производят регулировку усилия открытия выпускного клапана 15 в целях сохранения необходимой эффективности работы устройства. При этом в случае снижения указанного гидравлического сопротивления увеличивают усилие открытия выпускного клапана 15 путем увеличения усилия предварительного сжатия пружины 25 (фиг.2) за счет перемещения ее опоры 26 вверх с помощью вращающейся рукояти 27, а в случае повышения указанного гидравлического сопротивления снижают усилие открытия выпускного клапана 15 путем снижения усилия предварительного сжатия пружины 25 за счет перемещения ее опоры 26 вниз.
Описанная выше теплогенерирующая установка работает следующим образом.
С помощью входящего в состав теплогенерирующей установки устройства для нагрева и нагнетания служащей теплоносителем токопроводящей жидкости осуществляют в соответствии с описанным выше способом нагрев холодного теплоносителя в виде токопроводящей жидкости, например воды, поступающего к указанному устройству по линии 14 с выхода 39 контура 36 теплообменника 32, и подачу нагретого теплоносителя по линии нагнетания 16 на вход 38 указанного контура 36. Одновременно с этим с помощью насоса 64 осуществляют круговую циркуляцию теплоносителя в рабочем контуре теплопотребляющего устройства 33. В процессе указанной циркуляции тепло от нагретой токопроводящей жидкости, проходящей через контур 36 теплообменника 32, передается теплоносителю теплопотребляющего устройства 33, проходящему через контур 37 теплообменника 32. Нагреваемый таким образом теплоноситель по линии 34 поступает на вход теплопотребляющего устройства 33, а после отдачи тепла последнему в охлажденном виде поступает по линии 35 через обратный клапан 65 на вход 40 контура 37 теплообменника 32 и вновь нагревается при прохождении через контур 37 последнего.
При этом в процессе вытеснения токопроводящей жидкости из полости 2 камеры 1 в линию нагнетания 16 жидкость из линии 14 под действием давления со стороны линии 16 вытесняется в гидравлическую полость 45 аккумулирующей емкости 42, что приводит к сжатию газа в газовой полости 43 емкости 42 разделителем 44 и аккумулированию потенциальной энергии давления газа в полости 43, которая используется для ускорения процесса заполнения рабочей полости 2 камеры 1 поступающим из линии 14 холодным теплоносителем. Указанное ускорение обеспечивается тем, что заполнение полости 2 холодным теплоносителем обеспечивается как под действием разрежения, образующегося в рабочей полости 2 в процессе конденсации пара, так и под действием давления на теплоноситель в линии 14 со стороны газовой полости 43 емкости 42. При этом разделитель 44 емкости 42 перемещается давлением со стороны газовой полости 43 в сторону гидравлической полости 45, вытесняя жидкость из полости 45 в рабочую полость 2 камеры 1. Помимо ускорения процесса заполнения рабочей полости 2 камеры 1 теплоносителем аккумулирующая емкость 42 совместно с клапаном 56 позволяет также исключить опасные забросы давления в линии 14 в процессе вытеснения жидкости из нагревательной камеры 1 в линию нагнетания 16.
В процессе работы установки газообразные продукты, выделяющиеся из теплоносителя в рабочей полости 2, выводятся из указанной полости через самодействующий клапан 48 (фиг.5) и автоматический газоотводчик 49, а газообразные продукты, скапливающиеся в верхних точках линии 14, удаляются с помощью автоматических газоотводчиков 58. Потери теплоносителя, возникающие за счет утечек и превращения теплоносителя в указанные газообразные продукты, восполняются при помощи устройства 53 автоматической подпитки. При этом теплоноситель очищается от шламовых загрязнений при помощи шламоуловителя 57, давление в линии 14 поддерживается на заданном уровне при помощи устройства 54 стабилизации давления путем перепуска в сливную линию жидкости из линии 14 в случае превышения указанного давления выше заданного значения, а возможность повышения давления в рабочей полости 2 и в линии 14 свыше предельно допустимого значения исключается при помощи предохранительных клапанов 55 и 56 путем перепуска жидкости через указанные клапаны в сливную линию.
Для обеспечения высокой эффективности работы и высокого КПД установки интенсивность нагрева теплоносителя в нагревательной камере 1 и соответственно температуру теплоносителя в линии нагнетания 16 поддерживают на требуемом уровне путем установки с помощью блока питания и управления 17 необходимого для этого значения силы тока между электродами 7 и 8, а также за счет выбора токопроводящей жидкости с требуемой электропроводностью и установки с помощью устройства 54 требуемой величины давления в линии 14. При этом с помощью теплообменника 32 обеспечивают более низкую, чем в линии нагнетания 16, температуру теплоносителя во входной линии 34 теплопотребляющего устройства 33, требуемую для нормальной эксплуатации последнего. Для этого с помощью циркуляционного насоса 64 создают такую скорость течения теплоносителя через контур 37 теплообменника 32, при которой теплоноситель, проходящий через контур 37, успевает нагреться до температуры, не превышающей заданные пределы, определяемые эксплуатационными характеристиками теплопотребляющего устройства 33.
При увеличении температуры теплоносителя в линии 34 теплопотребляющего устройства 33, и/или температуры токопроводящей жидкости в линии 14, и/или температуры воздуха в помещении, в котором установлено теплопотребляющее устройство 33, выше заданного максимального значения блок питания и управления 17, получающий сигналы о превышении температуры от датчиков 66-68, отключает питание электродов 8, а после снижения температуры теплоносителя в линии 33, и/или температуры токопроводящей жидкости в линии 14, и/или температуры воздуха в указанном помещении до заданного минимального значения вновь включает питание электродов 8.
В случае внезапного отключения электроснабжения блока 17 устройство 71 автоматически включает выключатель 70, после чего электроды 8 получают питание от автономного источника 69. После восстановления электроснабжения блока 17 устройство 71 автоматически выключает выключатель 70 и устанавливает источник 69 на подзарядку, а после аккумулирования в источнике 69 в процессе подзарядки заданной величины электроэнергии прекращает подзарядку источника 69.