ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ
LIQUID ELECTRIC HEATER

Изобретение относится к электротехнике, может быть использовано для нагрева воды, жидкостей, замерзающих при низких температурах, масла и других агентов в котловых и отопительных системах.
Известен электронагреватель воды, содержащий заполненный водой сосуд с патрубками подвода и отвода водных потоков, размещенные в нем электронагревательные элементы, источник переменного тока и соединительные токо и нуль проводы (а.с. СССР 1733866 А1 от 27.09.90., МПК F24H 1/20; F24D 13/04; опубликовано в Б.И. №18 от 15.05.92).
Недостаток этого электронагревателя - неэффективный длительный по времени нагрев воды, влекущий значительное потребление электроэнергии.
Известен также электронагреватель воды, содержащий заполненный водой сосуд с патрубками подвода и отвода водных потоков, размещенные в нем электронагревательные элементы, источник переменного тока и соединительные токо и нуль проводы. (патент РФ F02N 17/06 от 10.09.2002., опубликовано в Б.И. от 27.06.2004 г.).
Особенностью устройства является - увеличенная поверхность теплообмена электронагревательных элементов, что улучшает его эффективность за счет снижения времени нагрева воды. Однако по-прежнему сохраняется - большое энергопотребление.
Известен также электронагреватель жидкости, содержащий заполненный, в частности, маслом сосуд с патрубками подвода и отвода жидкостных потоков, подключенных к системе отопления, размещенные в нем электронагревательные элементы, источник переменного тока и соединительные токо и нуль проводы (патент РФ 2177586, МПК F24D 13/00; F24D 19/10 от 01.08.2000; опубликовано в Б.И. от 27.12.2001 г.)
Устройство дополнительно оборудовано системой автоматического включения - отключения нагревательных элементов, размещаемых в нескольких зонах сосуда, и датчиками температуры среды в тех же зонах. Здесь достигается снижение (до 50%) электропотребления, поскольку включаются только элементы тех зон, где температура среды ниже проектного значения. Однако даже и в этом случае электропотребление по-прежнему значительно.
Известен также электронагреватель жидкости, содержащий заполненный жидкостью сосуд с патрубками подвода и отвода холодных и нагретых потоков жидкости, размещенные в сосуде электронагревательные элементы, источник переменного тока, соединительные токо и нуль проводы, трансформатор с ферромагнитным каркасом, состоящим из соединенных перемычками сердечников первичного возбуждения магнитного потока и повышения напряжения, а также с размещенными на этих сердечниках соответственно токопроводные обмотки первичного возбуждения магнитного потока и повышения напряжения из изолированных проводов, причем провод токопроводной обмотки первичного возбуждения магнитного потока подключен токо и нуль проводами к источнику переменного тока, а провод токопроводной обмотки повышения напряжения подключен к электронагревательным элементам электронагревателя жидкости. (патент РФ 2371889, МПК Н05В 6/00 от 26.05.2008 г; опубликован 27.10.2009 г.)
1
2
1
2
э
э
Наличие трансформатора позволяет повысить напряжение перед электронагревательными элементами и уменьшить время нагрева при сохранении сопротивления электронагревательных элементов и отбираемой из сети электрической нагрузки, то есть, снизить электропотребление ΔЭ=N⋅(τ-τ) кВт⋅ч, где τ, τ - время пользования электроэнергией без трансформатора и при наличии трансформатора перед электронагревателем, ч, и соответствующую плату ΔС=ΔЭ⋅С, где С - стоимость одного кВт⋅ч. Вместе с тем обозначенного снижения электрозатрат недостаточно, для развития бизнеса и бытовых расходов необходимо дополнительное их снижение.
Известен конструктивно наиболее близкий к предлагаемому устройству электронагреватель жидкости, содержащий заполненный жидкостью сосуд с патрубками подвода и отвода холодных и нагретых потоков жидкости, размещенные в сосуде электронагревательные элементы, источник переменного тока, соединительные токо и нуль проводы, трансформатор с ферромагнитным каркасом, состоящим из соединенных перемычками сердечников первичного возбуждения магнитного потока и повышения напряжения, а также с размещенными на этих сердечниках соответственно токопроводные обмотки первичного возбуждения магнитного потока и повышения напряжения из изолированных проводов, причем провод токопроводной обмотки первичного возбуждения магнитного потока подключен токо и нуль проводами к источнику переменного тока, а провод токопроводной обмотки повышения напряжения подключен к электронагревательным элементам электронагревателя жидкости (патент РФ 2079797, МПК F24H 1/20 от 30.09.1994 г; опубликован 20.05.1997 г.)
Как и в предыдущем устройстве наличие трансформатора позволяет снизить электропотребление, однако необходимо дополнительное снижение энергозатрат.
В предлагаемом изобретении реализуется технический эффект дополнительного снижения электропотребления относительно выбранного прототипа.
Для этого в электронагревателе жидкости, содержащем заполненный жидкостью сосуд с патрубками подвода и отвода холодных и нагретых потоков жидкости, размещенные в сосуде электронагревательные элементы, источник переменного тока, соединительные токо и нуль проводы, трансформатор с ферромагнитным каркасом, состоящим из соединенных перемычками сердечников первичного возбуждения магнитного потока и повышения напряжения, а также с размещенными на этих сердечниках соответственно токопроводные обмотки первичного возбуждения магнитного потока и повышения напряжения из изолированных проводов, причем провод токопроводной обмотки первичного возбуждения магнитного потока подключен токо и нуль проводами к источнику переменного тока, а провод токопроводной обмотки повышения напряжения подключен к электронагревательным элементам электронагревателя жидкости, согласно изобретению, каркас трансформатора содержит дополнительный ферромагнитный сердечник, а на нем размещена дополнительная токопроводная обмотка из изолированного провода, подключенного дополнительными токо и нуль проводами к источнику переменного тока и токопроводной обмотке первичного возбуждения магнитного потока.
При использовании отличительных признаков электронагревателя жидкости, а именно, при встраивании в каркас трансформатора дополнительного ферромагнитного сердечника, размещения на нем дополнительной токопроводной обмотки из изолированного провода, подключении его дополнительными токо и нуль проводами к источнику переменного тока и токопроводной обмотке первичного возбуждения магнитного потока достигается дополнительное снижение энергопотребления относительно выбранного прототипа, то есть реализуется заявляемый технический эффект. Исключение хотя бы одного из признаков нарушает работоспособность устройства, резко скачкообразно увеличивает электропотребление. Отсюда все признаки устройства являются существенными, необходимыми для реализации технического эффекта.
Предлагаемый электронагреватель жидкости показан на чертеже, где представлена принципиальная упрощенная схема его устройства.
1
2
1
2
1
2
Электронагреватель жидкости, согласно чертежу, содержит сосуд 1, заполненный жидкостью 2, с патрубками подвода и отвода 3, 4 холодных и нагретых жидкостных потоков 5, 6 соответственно, размещенные в сосуде 1 электронагревательные элементы 7, в частности, в виде спирали 8 в кожухе 9, а также источник переменного тока 10, токопроводы 11, 12 и нуль - проводы 13, 14, оснащенные системами 15 включения - отключения, контроля, блокировки, защиты, сигнализации по температуре T, Т, давлению P, Р, расходу G, G жидкостных потоков 5, 6 соответственно. Кроме того электронагреватель содержит трансформатор 16, имеющий ферромагнитный каркас 17, состоящий из соединенных перемычками 18 сердечников первичного возбуждения магнитного потока 19 и повышения напряжения 20, а также токопроводные обмотки первичного возбуждения магнитного потока и повышения напряжения 21, 22 соответственно, выполненные соответственно из изолированных проводов 23, 24 и размещенные на сердечниках 19, 20. Обмотки возбуждения магнитного потока и повышения напряжения 21, 22 сердечников 19, 20 трансформатора 16 подключены токо и нуль проводами 11, 13 и 12, 14 к источнику переменного тока 10 и электронагревательным элементам 7 соответственно. Электронагреватель жидкости имеет отличительные признаки, а именно: в каркас 17 трансформатора 16 встроен дополнительный ферромагнитный сердечник 25, на нем размещена дополнительная теплопроводная обмотка 26 из изолированного провода 27, подключенного дополнительными токо и нуль проводами 28, 29 к источнику переменного тока 10 и токопроводной обмотке первичного возбуждения магнитного потока 21.
ц
ц
ц
Токо и нуль проводы 28, 29 оснащены системами 30 включения - отключения, контроля электрических параметров напряжения U, силы тока J, электрической мощности N, а также диодными системами блокировки, защиты, сигнализации по перетоку зарядов от источника переменного тока 10 и от обмоток 21, 22 по аналогичным электрическим параметрам напряжения, силы тока, электрической мощности. Источник переменного тока 10 оснащен электрическим счетчиком, фиксирующим расход электроэнергии ΔЭ, кВт⋅ч.
1
1
1
1
2
1
2
п
2
1
2
п
2
п
i
i
i
2
Работа электронагревателя осуществляется путем подачи в сосуд 1 через патрубок 3 холодного потока жидкости 5 с температурой T, давлением P, и расходом G, заполнение сосуда 1 жидкостью 2, отвода потока 6 через патрубок 4, включения в работу источника переменного тока 10 с подачей напряжения по токо и нуль проводам 11, 13 на обмотку 21 ферромагнитного сердечника 19 каркаса 17 трансформатора 16 и возбуждением магнитного потока в ферромагнитном сердечнике 19, передачи его по перемычкам 18 на сердечник 20 и последующего возбуждения электрического тока в обмотке 22 сердечника 20 трансформатора 16, дальнейшей передачи напряжения на электронагревательные элементы 7 по токо и нуль проводам 12, 14. В дополнительной обмотке 26 дополнительного сердечника 25 трансформатора 16 также возникает электрический ток, он циркулирует по проводам 28, 29, поступает к источнику переменного тока 10 и на вход в обмотку 21 сердечника 19 трансформатора 16, увеличивая токовую нагрузку и напряжение на обмотке 21, магнитный поток в сердечнике 19 и в целом на каркасе 17 трансформатора 16, в том числе в сердечнике 20, затем напряжение в обмотке 22 и на нагревательных элементах 7. В зависимости от проектируемой гидравлической схемы выбирают емкость сосуда 1, количество элементов 7, а в подводящих и отводящих трубопроводах с потоками жидкости 5, 6 размещают насосы, регуляторы расходов G, G, кг/с, давления P, Р, н/м, систему растопочной гидроциркуляции, арматурное оснащение (на чертеже не показано). Нагрев жидкости 2 в сосуде 1 осуществляют до проектного уровня Т, К, с градиентом ΔT=(T-T), К. При достижении проектных значений Т=Т нагревательные элементы 7 отключают, но включают вновь, как только Т<Т.При проектировании электронагревателя с привязкой к конкретной гидравлической схеме выбирают обозначенные гидравлические и электрические параметры, закладывая в проект оптимальные диапазоны их значений. Последние определяют на гидравлических и электрических стендах. При разработке электрических схем ориентируются на известные зависимости, в частности, U=ƒ(n), где n - количество витков обмотки i-той секции трансформатора 16.
1
2
1
2
э
э
При этом следует учитывать, что эффект трансформации электрических параметров реализуется только при подаче на обмотку возбуждения магнитного потока 21 переменного электрического тока от соответствующего источника переменного тока 10, например, от сети, генератора, токового преобразователя. Диодные, (либо иные) системы блокировки, защиты, сигнализации 30 должны обеспечивать подачу электрических зарядов только в одном направлении к обмотке 21 и источнику переменного тока 10. Сопротивление, мощность нагревательных элементов 7 выбирают, исходя из максимальной нагрузки с учетом отличительных признаков устройства. При использовании отличительных признаков устройства, а именно, при встраивании в каркас 17, трансформатора 16 дополнительного ферромагнитного сердечника 25, размещение на нем дополнительной токопроводной обмотки 26 из изолированного провода 27, подключении его дополнительными токо и нуль проводами 28, 29 к источнику переменного тока 10 и токопроводной обмотке возбуждения магнитного потока 21 достигается дополнительное снижение энергопотребления относительно выбранного прототипа ΔЭ'=N⋅(τ'-τ') кВт⋅ч, где N - фиксированный (постоянный) отбор нагрузки для работы прототипа и предложенного электронагревателя жидкости, кВт; τ' и τ' - время пользования электроэнергией прототипом и предлагаемым электронагревателем жидкости, ч, а вместе со снижением ΔЭ' снижается и плата за пользование электроэнергией ΔС'=ΔЭ'⋅С, где С - стоимость одного кВт⋅ч. Со снижением ΔЭ', кВт⋅ч, решается поставленная техническая задача изобретения. Исключение хотя бы одного из отличительных признаков нарушает работоспособность устройства, резко скачкообразно увеличивает электропотребление. Отсюда все признаки устройства являются существенными.
Использование электронагревателя жидкости связано с системами отопления, нагрева, котельной технологией, где в качестве теплоносителя используют воду, масла, жидкости с низкой температурой замерзания.