ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ И АНОДОМ ДЛЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ
ELECTRIC HEATING DEVICE WITH HEATING ELEMENT WITH ELECTRIC DRIVE AND ANODE FOR CATHODIC PROTECTION AGAINST CORROSION

ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение относится к электронагревательному устройству с нагревательным элементом с электрическим приводом и анодом для катодной защиты от коррозии для использования в емкости для воды, в частности в емкости для теплой воды.
На практике, такой электронагревательное устройство используется, например, для емкостей для воды, таких как емкостные водонагреватели. Емкостные водонагреватели используются для нагревания воды для частных или промышленных целей. Технические требования к таким емкостным водонагревателям строгие. Оборудование должно работать надлежащим образом в течение максимально возможного срока службы без отрицательного влияния на качество воды. Оно должны быть устойчиво к коррозии и, следовательно, конечно, не должно течь через несколько лет работы. Эти требования должны удовлетворяться при температурах воды до 100°С, причем параметры качества воды, такие как жесткость, электропроводность и минерализация воды, могут покрывать широкий спектр.
Как правило, нелегированные или низколегированные стали используют в качестве материалов для конструирования емкостей для воды и, в частности, емкостных водонагревателей. Таким образом, при контакте с водой в емкостном водонагревателе будут проходить коррозионные процессы, если обогащенная кислородом свежая вода подается непрерывно. Для предотвращения или уменьшения таких повреждений из-за коррозии часто внутреннюю часть емкостного водонагревателя эмалируют. Покрытие 99,9% и более возможно, когда такое эмалевое покрытие добавляют надлежащим образом. Однако, по меньшей мере, несколько небольших дефектов всегда возникают при эмалировании, так что эмалевое покрытие не может обеспечивать 100% защиту от коррозионных процессов. В общем, следовательно, эмалированные емкостные водонагреватели также обеспечиваются гальваническим анодом (расходуемым анодом) или анодом для защиты от блуждающих токов в качестве средства для защиты от коррозии. Как правило, такие аноды проходят через отверстие в стенке емкости для горячей воды и прикрепляются к стенке. Эти аноды используют для катодной защиты от коррозии стального конструкционного материала в области дефектов эмали, находящихся в контакте с электролитом. При использовании анодов защитный ток течет от анода к дефектам эмали (катодам), предотвращая коррозию. Можно обеспечить достаточное распределение защитного тока, причем распределение тока является насколько возможно равномерным, используя компоновку емкостного водонагревателя и используя расположение и количество анодов. Как правило, анод прикреплен отцентрированным образом, а именно, в центре обычно круглого емкостного водонагревателя, который следует защищать, так что потенциал на всех поверхностях контейнера является приблизительно одинаковым, для обеспечения подходящего распределения защитного тока в емкостном водонагревателе.
Материалы нагревательного элемента, анода и соединителя/уплотнения двух элементов относительно емкостного водонагревателя подчиняются множеству очень строгих требований из-за иногда сильно изменяющихся температур воды с высокими относительными изменениями температуры в емкостном водонагревателе, изменяющихся разниц давления из-за различных уровней воды в контейнере для хранения и электрохимических процессов из-за катодной защиты от коррозии, и требования к гигиене питьевой воды в емкостях для горячей воды также очень высокие.
В общем, медь и сплавы меди, такие как латунь, используют в качестве материалов для конструирования нагревательных элементов электронагревательных устройств. Нержавеющая сталь также используется. Однако из-за использования металлических проводящих нагревательных элементов на распределение защитного тока нежелательным образом действует емкость для воды, как правило, из-за конструкции, существует электрический контакт между анодом и нагревательным элементом через стенку емкости для воды. Если анод находится физически вблизи от нагревательного элемента, анод главным образом защищает нагревательный элемент, а не места дефектов в эмали, поскольку нагревательный элемент оказывается внешним катодом. Для предотвращения этого и для обеспечения предпочтительного распределения защитного тока, как правило, анод прикрепляют вдали от нагревательного элемента, например, на расстоянии приблизительно 30-50 см от нагревательного элемента. Существует недостаток, заключающийся в том, что в общем два отдельных отверстия, которые разнесены друг от друга, должны для этого присутствовать на емкости для воды. Это подразумевает дополнительную конструкционную сложность и увеличенную производственную себестоимость.
Исходя из этого, целью настоящего изобретения является обеспечение электронагревательного устройства с анодом, причем электронагревательное устройство является очень компактным и обеспечивает возможность эффективной защиты емкости для воды от коррозии.
Эта цель достигается при помощи объекта пункта 1 формулы патента. Предпочтительные усовершенствования находятся в зависимых пунктах формулы.
Таким образом, согласно настоящему изобретению обеспечивается электронагревательное устройство для использования в емкости для воды, которое содержит металлический крепежный элемент для прикрепления электронагревательного устройства к емкости для воды, нагревательный элемент с электрическим приводом, анод катодной защиты от коррозии и регулируемый резистор. Также обеспечивается, что нагревательный элемент находится в электрическом контакте с крепежным элементом и/или емкостью для воды через регулируемый резистор, и что нагревательный элемент и анод расположены физически вблизи друг от друга на крепежном элементе.
Таким образом, важный аспект настоящего изобретения состоит в том, что анод и нагревательный элемент расположены вместе и физически вблизи друг от друга на крепежном элементе. Неожиданно обнаружили, что физически близкое расположение анода и нагревательного элемента не снижает степень защиты от коррозии. Крепежный элемент обеспечивает прикрепление электронагревательного устройства к емкости для воды, в частности на стенке емкости для воды. Трубки электронагревателя, которые проходят во внутреннюю часть емкости, отчасти изолированы от крепежного элемента посредством резистора для регулирования потенциала, расходуемый анод проходит через крепежный элемент наружу электроизолированным образом. Из-за физически близкого расположения анода и нагревательного элемента размер крепежного элемента небольшой. Таким образом, из-за небольшого размера крепежного элемента требуется только небольшое монтажное отверстие в емкости для воды. Согласно настоящему изобретению нет необходимости в большом отверстии, которое необходимо затем закрывать, например, дорогостоящим и конструкционно сложным фланцевым соединением. Кроме того, также нет необходимости в наличии двух отдельных отверстий в стенке емкости для воды для анода и нагревательного элемента. Размер крепежного элемента предпочтительно составляет от 3 до 20 см.
Другим важным аспектом настоящего изобретения является то, что нагревательный элемент соединен электропроводным образом с крепежным элементом и/или с емкостью для воды через регулируемый резистор. Отсутствие регулируемого резистора будет приводить к короткому замыканию между нагревательным элементом и емкостью для воды или крепежным элементом. Катодное защитное действие анода для эмалированной емкости для воды будет из-за этого сильно снижаться. Если сопротивление в регулируемом резисторе рассчитать правильно, с другой стороны, нагревательный элемент частично включается в катодную защиту емкости для воды, так что так называемая коррозия в месте выхода тока подавляется, например, на медном электронагревательном устройстве, а, с другой стороны, катодные защитные потенциалы на эмалированном контейнере увеличиваются, поскольку они являются более катодными. Обеспечивается эффективная защита от коррозии, особенно для воды с низкой удельной электропроводностью, из-за повышенного потенциала стенки емкости для воды. Кроме того, защитный ток снижается конструкцией электронагревательного устройства, что приводит к повышению срока службы расходуемого анода, когда обеспечивается один из последних. Крепежный элемент представляет собой металлический крепежный элемент, так что защита от коррозии для емкости для воды также становится возможной, когда нагревательный элемент находится в электрическом контакте с крепежным элементом через регулируемый резистор. Крепежный элемент предпочтительно содержит сплав меди, такой как латунь. Нержавеющая сталь также в принципе возможна.
Электронагревательное устройство, сконструированное таким образом, затем подходит, в частности, для использования в емкостях для воды, например, в емкостном водонагревателе. Катодная защита емкости для воды улучшается, и защитный ток снижается конструкцией электронагревательного устройства. Электронагревательное устройство согласно настоящему изобретению является особенно компактным из-за его конструкции, и все, что требуется для его установки на емкости для воды, представляет отверстие в стенке емкости для воды, предпочтительно патрубок или фланец.
Нахождение в физической близости анода и нагревательного элемента будет подразумевать расстояние между анодом и нагревательным элементом, которое находится в диапазоне от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. В частности, оно будет подразумевать расстояние от 1 мм до 50 мм.
Анод в контексте настоящего изобретения включает любые аноды для защиты от коррозии, такие как расходуемые аноды, изготовленные из сплавов магния или сплавов алюминия, или аноды для защиты от блуждающих токов, которые используются для катодной защиты от коррозии вмещающих жидкость контейнеров или емкостей для воды, в частности, емкостей для нагретой питьевой воды.
Нагревательный элемент с электрическим приводом в контексте настоящего изобретения включает любой тип нагревательных элементов, такой как, например, нагревательные стержни, греющие трубки или нагревательные змеевики, на которые подается электроэнергия для нагревания воды в емкости для воды. Кроме того, также включены встроенные детали, которые используются для регулирования и контроля температуры, такие как датчик температуры.
Согласно одному предпочтительному улучшению настоящего изобретения крепежный элемент имеет резьбу и может быть вкручен непосредственно в емкость для воды. Таким образом, можно простым образом устанавливать электронагревательное устройство на стенке емкости для воды. Крепежный элемент предпочтительно имеет стандартную наружную резьбу, которая подходит для использования в водопроводном и нагревательном оборудовании, такую как дюймовая трубная резьба Витворта. Например, крепежный элемент имеет цилиндрическую резьбу с дюймовым размером G1-G3. Крепежный элемент предпочтительно имеет цилиндрическую резьбу с дюймовым размером G1 1/4, что равняется диаметру резьбы приблизительно 41,91 мм. Можно использовать как трубные резьбы, так и конические резьбы.
Согласно одному предпочтительному улучшению настоящего изобретения анод содержит тело анода и контактный элемент, соединенный электропроводным образом с телом анода, причем контактный элемент проходит через крепежный элемент электроизолированным образом через изолирующий канал. Тело анода может содержать различные материалы в зависимости от типа анода (анод для защиты от блуждающих токов или расходуемый анод). Например, тело анода для расходуемого анода может быть получено из магния или алюминия, а для анода для защиты от блуждающих токов может быть получено из титана со слоем смешанного оксида. В принципе, контактный элемент может быть соединен с телом анода различными способами. Например, может быть обеспечено, что контактный элемент соединен с сердечником, проходящим через тело анода, например, посредством сварки, спайки и/или прессования, или что контактный элемент отлит вместе с телом анода.
Контактный элемент может быть воплощен в виде металлической шпильки, которая имеет резьбу, например. Такой вариант осуществления контактного элемента в виде металлической шпильки является особенно простым при производстве, а также оказался очень простым в регулировании при работе расходуемого анода. Контактный элемент проходит через крепежный элемент электроизолированным образом для обеспечения эффективного распределения защитного тока в емкости для воды. Изолирующий канал обеспечивается для этой цели. Изолирующий канал может быть реализован как полученная литьем под давлением деталь, например, причем уплотнение предпочтительно достигается при помощи прессовой посадки. Кроме того, изолирующий канал может быть выполнен как деталь вращения с наружной резьбой и внутренней резьбой. Наружная резьба детали вращения может быть резьбой М8, например, а внутренняя резьба может быть резьбой М4.
В принципе, анод для защиты от блуждающих токов или расходуемый анод можно использовать в качестве анода. При использовании расходуемого анода согласно одному улучшению настоящего изобретения обеспечивается, что расходуемый анод для катодной защиты от коррозии соединен электропроводным образом с крепежным элементом и/или с емкостью для воды. Таким образом, электрический контакт получается между расходуемым анодом и устройством, которое необходимо защитить. Электрическое соединение с крепежным элементом может быть получено, например, посредством гайки. Альтернативно, электрический контакт со стенкой емкости для воды может также получаться посредством электропроводного соединителя. Это обеспечивает возможность определения электрического потенциала тела анода снаружи емкости для воды, так что выходящий защитный ток позволяет сделать вывод, используя измерение напряжения между потенциалом тела анода, с одной стороны, и потенциалом емкости для воды. Если оно падает ниже заранее определенного значения, следует предположить, что расходуемый анод был "отработан" и должен быть заменен. Кроме того, есть возможность того, что истощение расходуемого анода может быть замедлено тем, что омическое сопротивление переключается между контактным элементом и крепежным элементом или емкостью для воды. Измерение абсолютного защитного тока между анодом и корпусом контейнера также позволяет сделать вывод о состоянии расходуемого анода, полностью согласно вышеуказанному способу измерения напряжения.
Анод для защиты от блуждающих токов можно использовать как альтернативу использованию расходуемого анода. Когда используют анод для защиты от блуждающих токов, согласно одному предпочтительному улучшению настоящего изобретения обеспечивается то, что контактный элемент для катодной защиты от коррозии (титановый анод с покрытием ММО) соединяется электропроводным образом с внешним источником напряжения. Таким образом, аноды для защиты от блуждающих токов подают защитный ток непрерывно. Для регулирования и контроля защитного тока аноды для защиты от блуждающих токов могут быть оборудованы регулятором напряжения, который, с одной стороны, соединен с емкостью для воды и/или с крепежным элементом, а, с другой стороны, соединен с контактным элементом (в частности, Ti-анодом).
Изолирующий канал обеспечивается с целью изоляции контактного элемента анода от крепежного элемента. В принципе, изолирующий канал может быть получен из любого изолирующего полимерного материала. Согласно одному предпочтительному улучшению настоящего изобретения обеспечивается то, что, по меньшей мере, части изолирующего канала получены из сшитого полиэтилена. Кроме того, изолирующий канал также может быть получен только из сшитого полиэтилена. Использование сшитого полиэтилена (РЕ-X) связано с рядом преимуществ. РЕ-Х может обеспечивать как изоляцию между контактным элементом и емкостью для воды, так и уплотнение кольцевого зазора отверстия канала для контактного элемента в крепежном элементе. Материал, полученный из РЕ-Х, отличается, в частности, тем, что материал по существу, согласно общепринятым техническим нормам, таким как, например, правила утверждения, гигиенически безопасен и, таким образом, подходит для использования в области емкостей для воды, в частности емкостей для нагретой питьевой воды.
РЕ-Х, кроме того, очень химически стоек к действию оснований и кислот, а также очень электрохимически устойчив к действию тока. Термостойкость материала при температурах до 95°С, и в течение коротких периодов даже до 110°С, и длительная термостойкость до прибл. 20 лет при соответствующих условиях работы емкостей для воды, в частности, емкостей для нагретой питьевой воды, является другим предпочтительным свойством РЕ-Х. Кроме того, РЕ-Х можно получать так, что нет полной электроизоляции, но так, что электропроводность РЕ-Х можно регулировать. Таким образом, обеспечивается возможность использования изолирующего канала одновременно и как омического сопротивления между контактным элементом анода и крепежным элементом. Это снижает защитный ток, выходящий от расходуемого анода, продлевая срок службы расходуемого анода.
В принципе нагревательный элемент может содержать только греющую трубку. Согласно одному предпочтительному улучшению настоящего изобретения, однако, нагревательный элемент содержит датчик температуры, по меньшей мере, одну греющую трубку, прокладку и соединительный элемент, соединенный электропроводным образом с прокладкой, причем соединительный элемент проходит через крепежный элемент через уплотнение электроизолированным образом. Вода в емкости для воды может нагреваться посредством греющей трубки. Датчик температуры обеспечивается для регулирования и/или контроля температуры. Греющая трубка и датчик температуры предпочтительно содержат детали, изготовленные из меди или сплава меди, такого как латунь, или сплава на основе никеля. Более предпочтительно они содержат детали, изготовленные из нержавеющей стали или эмалированной нелегированной стали. Греющая трубка может быть выполнена U-образной формы или может иметь другую форму. Диаметр греющей трубки предпочтительно составляет от 5 до 15 мм, а ее длина составляет от 200 до 500 мм; однако, также возможны другие длины. Диаметр датчика температуры предпочтительно составляет от 5 до 15 мм, а длина составляет от 150 до 350 мм.
С целью установки греющая трубка и датчик температуры соединены с прокладкой. Прокладка может быть установлена на крепежном элементе посредством соединительного элемента. Соединительный элемент может быть шпилькой, винтом или подобным. Он может иметь наружную резьбу, так что его легко присоединять. В принципе соединительный элемент может быть соединен с прокладкой рядом способов. Один вариант состоит в том, что прокладка имеет глухое отверстие, например, с резьбой, нарезанной в нем и в которую соединительный элемент может вкручиваться. Для обеспечения эффективного распределения защитного тока на емкости для воды соединительный элемент проходит через крепежный элемент электроизолированным образом. Для этого уплотнение изолирует соединительный элемент от крепежного элемента и уплотняет кольцевой зазор между соединительным элементом и крепежным элементом. Кроме того, уплотнение может также изолировать и уплотнять прокладку и крепежный элемент. Уплотнение предпочтительно содержит полимерный материал.
Согласно одному предпочтительному улучшению настоящего изобретения соединительный элемент проходит через регулируемый резистор и электрически контактирует с крепежным элементом и/или емкостью для воды посредством регулируемого резистора. Для улучшенной катодной защиты от коррозии нагревательный элемент соединен электропроводным образом с крепежным элементом и/или емкостью для воды через регулируемый резистор. Это может быть реализовано так, что соединительный элемент проходит через регулируемый резистор и электрически контактирует с крепежным элементом и/или емкостью для воды посредством регулируемого резистора.
В этом контексте согласно предпочтительному улучшению настоящего изобретения обеспечивается то, что регулируемый резистор является кольцевым, имеет контактную поверхность для электрического контакта как на верхней стороне, так и на нижней стороне, и омическое сопротивление помещено между контактными поверхностями. Из-за кольцевого варианта осуществления соединительный элемент может проходить через регулируемый резистор. Электрический контакт между соединительным элементом и крепежным элементом может обеспечиваться при помощи контактных поверхностей. Кроме того, согласно другому предпочтительному улучшению настоящего изобретения обеспечивается то, что регулируемый резистор представлен в виде миниатюрной пластинки с SMD. Это делает возможным наличие надежного и удобного для серийного производства монтажа. Омическое сопротивление в регулируемом резисторе предпочтительно составляет от 500 до 1000 Ом, так что нагревательный элемент включен в катодную защиту от коррозии. Это включение (медных) трубчатых элементов в катодную схему защиты подавляет коррозию в месте выхода тока на них. Кроме того, предпочтительное сопротивление составляет 620 Ом.
Настоящее изобретение объясняется далее, ссылаясь на фигуры, используя предпочтительный типичный вариант осуществления.
Фиг. 1 представляет схематическое изображение электронагревательного устройства согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет другое схематическое изображение электронагревательного устройства фиг. 1 согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3 представляет схематическое изображение электронагревательного устройства согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения; а
фиг. 4 представляет схематическое изображение электронагревательного устройства согласно другому альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 1 и 2 представляют два схематических изображения первого предпочтительного варианта осуществления электронагревательного устройства 10 настоящего изобретения. Электронагревательное устройство 10 имеет анод 12. Анод 12 имеет тело 14 анода, изготовленное из магния, которое находится в электрическом контакте с контактным элементом 16, металлической шпилькой 18 с резьбой в типичном варианте осуществления, показанном здесь. Изолирующий канал 22 обеспечивается так, что металлическая шпилька 18 с резьбой не имеет никакого непосредственного контакта с крепежным элементом 20. Электронагревательное устройство 10 может быть установлено на стенке емкости для воды при помощи крепежного элемента 20. Крепежный элемент 20 содержит латунь и для целей установки имеет резьбу 24, наружную резьбу в типичном варианте осуществления, показанном здесь, при помощи которой его можно надежно ввинтить в стенку емкости для воды. Изолирующий канал 22 осуществлен в виде детали вращения, содержит сшитый полиэтилен (РЕ-Х) и имеет наружную резьбу с размером М8 и внутреннюю резьбу с размером М4.
Нагревательный элемент (изолированный посредством 34) также установлен на крепежном элементе 20. Нагревательный элемент 26 имеет U-образную греющую трубку 28, датчик 30 температуры и прокладку 32. Датчик 30 температуры и греющая трубка 28 соединены с прокладкой 32 и, таким образом, прикреплены к крепежному элементу 20. Подобно крепежному элементу 20 прокладка 32 содержит латунь. Уплотнение 34, изготовленное из полимера, обеспечивается в качестве уплотнения и изоляции между крепежным элементом 20 и прокладкой 32. Крепежный элемент 20 имеет отцентрованное внутреннее отверстие (не показано), посредством которого соединительный элемент 36, в этом случае выполненный как винт 38, может ввинчиваться снаружи в глухое отверстие прокладки 32. Когда ввинчен, нагревательный элемент 26 притягивается к уплотнению 34 и уплотняется относительно крепежного элемента 20. Уплотнение, таким образом, также выступает как изоляция. На нагревательный элемент 26 подается энергия посредством двух электрических обжимных соединителей 40.
Для катодной защиты от коррозии контактный элемент 16 анода 12, в простейшем типичном варианте осуществления, изображенном здесь, металлическая шпилька 18 с резьбой, контактирует с крепежным элементом 20 посредством гайки 42. Альтернативно, также можно получать электрический контакт со стенкой емкости для воды посредством электропроводного соединителя 44. Также для включения нагревательного элемента 26 в катодную защиту от коррозии соединительный элемент 36, в этом случае винт 38, контактирует с крепежным элементом 20 посредством регулируемого резистора 46. Регулируемый резистор 46 осуществлен как миниатюрная пластина с резистором 48 с SMD (устройством для поверхностного монтажа). Регулируемый резистор 46 осуществлен в виде кольца, так что винт 38 может проходить через регулируемый резистор 46. На каждой из своих верхней и нижней сторон пластина имеет контактные поверхности, сопротивление составляет 620 Ом.
Фиг. 3 представляет изображение в сечении другого типичного варианта осуществления настоящего изобретения. По сравнению с типичным вариантом осуществления на фиг.1 и 2 в типичном варианте осуществления, показанном здесь, уплотнение 34 и прокладка 32 проходят через большую область крепежного элемента 20. Следовательно, контактный элемент 16, в типичном варианте осуществления, показанном здесь, металлическая шпилька 18 с резьбой, проходит не только через крепежный элемент 20, но и прокладку 32 и уплотнение 34. Изолирующий канал 22 также изолирует металлическую шпильку 18 с резьбой от прокладки 32 и уплотнения 34.
Фиг. 4 представляет изображение в сечении другого альтернативного варианта осуществления. В отличие от фиг. 3, однако, контактный элемент 16 осуществлен не как шпилька с резьбой, а, наоборот, как металлическая шпилька 50 без резьбы. Прокладка 32 и изолирующий канал 22 модифицированы соответствующим образом. В области анода 12 прокладка 32 имеет выступ 52, который помещен в изолирующий канал 22. Изолирующий канал 22 выполнен для этого как деталь, изготовленная литьевым формованием. Уплотнительное кольцо 54 выступает в качестве уплотнения между выступом 52 и изолирующим каналом 22. Два уплотнительных кольца 54 также добавлены между металлической шпилькой 50 и изолирующим каналом.
Список номеров позиций
10 Электронагревательное устройство
12 Анод
14 Тело анода
16 Контактный элемент
18 Шпилька с резьбой
20 Крепежный элемент
22 Изолирующий канал
24 Резьба
26 Нагревательный элемент
28 Греющая трубка
30 Датчик температуры
32 Прокладка
34 Уплотнение
36 Соединительный элемент
38 Винт
40 Обжимной соединитель
42 Гайка
44 Электропроводный соединитель
46 Регулируемый резистор
48 Резистор
50 Металлическая шпилька
52 Выступ
54 Уплотнительное кольцо.