ЭЛЕКТРОДНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ И ЭЛЕКТРОД (ВАРИАНТЫ)

ЭЛЕКТРОДНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ И ЭЛЕКТРОД (ВАРИАНТЫ)
Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к электронагревательным приборам электродного типа и может быть использована для автономного отопления и горячего водоснабжения объектов не имеющих централизованного теплоснабжения, например, коттеджей, производственных и служебных помещений, теплиц и т.п., а также в термостатах и подогревателях жидкости.
Известна установка электродного нагрева жидкости, содержащая электроды с токоподводами, соединенными через переключающее устройство с источником переменного тока. Регулирование мощности в ней производится при помощи переключающих устройств в ручном или автоматическом режиме (см. А.С. СССР №1116562, кл. Н05ВЗ/60, 1982). Недостатками известной установки являются сложность конструкции и большая материалоемкость.
Известен электродный нагреватель жидкости, принятый за прототип, содержащий корпус с крышкой и, по меньшей мере, два взаимодействующих электрода с токоподводами, для соединения с внешней электрической цепью, образующих с нагреваемой жидкостью внутреннюю электрическую цепь.
Н05ВЗ/60 F24H 1/20
При этом электроды соединены с токоподводами через биметаллические пластины (см. А.С. СССР№ 1045421, кл. Н05В 3/60, 1982).
Регулирование мощности в известном нагревателе осуществляется путем изменения сопротивления жидкости во внутренней электрической цепи при расхождении или схождении взаимодействующих электродов, осуществляемом биметаллическими пластинами, при изменении температуры жидкости, т.е. автоматически. Так как при расхождении или схождении электродов меняются и длина, и площадь сечения столба жидкости между ними.
Недостатком известного нагревателя, а более конкретно технического решения реализованного в нем, является то, что в процессе работы не обеспечивается параллельность взаимодействующих электродов и, следовательно, плотность тока по длине электродов непостоянна, что отрицательно сказывается на его работоспособности. Также в известном нагревателе не решена задача защиты жидкости от перегрева, т.е. нагрева выше допустимой температуры, обусловленной безопасностью эксплуатации.
Общеизвестно, что при повышении температуры воды от 0 до 100°С происходит повышение ее электропроводности в 3.. .5 раз, приводящее к такому же увеличению мощности тепловыделения, при постоянном напряжении на электродах. А это является условием достаточным для возникновения неустойчивости работы системы отопления (основной области применения электродных нагревателей жидкости) из-за периодического заваривания котла. Поэтому требуется принятие специальных мер по предотвращению разгона котла при повышении температуры в системе отопления. Это могут быть: электрические системы регулирования напряжения на электродах; системы контроля тркщературы в
характерных точках в совокупности с системами отключения питания по заданной температурной установке и т.д..
Желательно иметь электродный нагреватель жидкости лишенный вышеуказанных недостатков.
Это достигается тем, что в электродном нагревателе жидкости, содержащем корпус с крышкой и, по меньшей мере, два взаимодействующих электрода с токоподводами, для соединения с внешней электрической цепью, образующих с нагреваемой жидкостью внутреннюю электрическую цепь, согласно полезной модели, во внутреннюю электрическую цепь дополнительно включен, один или более, терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позистор) и заданной температурой переключения (по другой терминологии - заданной точкой Кюри).
При этом позистор, с заданной температурой переключения, один или более (в зависимости от решаемой задачи), может быть включен во внутреннюю электрическую цепь последовательно или параллельно одному из взаимодействующих электродов, а температура переключения позистора соответствует допустимой температуре нагрева жидкости.
Включение позистора, одного или более, с заданной температурой переключения, во внутреннюю электрическую цепь электрического нагревателя жидкости, параллельно или последовательно одному из взаимодействующих электродов, обеспечивает прохождение электрического тока, а, следовательно, и нагрев жидкости на этом участке внутренней электрической цепи только до определенной температуры, определяемой температурой переключения позистора, соответствующей, например, допустимой температуре нагрева жидкости. Так как известно, что зависимость сопротивления позистора от температуры, а также
9&№4вЧ60(
крутизна области с положительным температурным коэффициентом сопротивления (с положительным ТКС) могут изменяться в очень широких пределах. И на участке с положительным ТКС, начинающимся с точки переключения, логарифм сопротивления приблизительно пропорционален температуре:
LogR  AT+A, -где А  и А - постоянные; R- сопротивление позистора; Т - температура позистора.
При этом характеристики позисторов очень стабильны - 5000 часов, а температура переключения стабильна в пределах + 1°С (см. Э.Д. Мэклин Терморезисторы, М. Радио и связь, 1983г., рис.11.6 стр. 151, формула 11.1, стр. 151 и стр. 156. ..158).
В совокупности признаки полезной модели позволяют: гарантированно, в автоматическом режиме, нагревать жидкость в нагревателе до определенной, заданной температуры;
-упростить конструкцию нагревателя, с учетом отсутствия необходимости сложной системы управления для его эксплуатации;
-повысить надежность нагревателя, вследствие отсутствия подвижных элементов в его конструкции.
Технические решения, положенные в основу заявленного электродного нагревателя жидкости, могут быть реализованы путем применения электродов различных конструкций, в зависимости от предъявляемых к нагревателю требований. Поэтому полезные модели заявлены совместно в одной заявке.
В качестве прототипа для электрода, используемого в нагревателе, нагревающем жидкость до определенной температуры, выбран электрод, входящий в состав устройства для нагрева жидкости, содержащий
несколько слоев, один из которых снабжен токоподводом, а другой, контактирующий с нагреваемой жидкостью, выполнен в виде защитного экрана (А.С. СССР № 430520, кл. Н05В 3/ 78, (F24H 1/20), 1972 г.).
Недостатком известного электрода является то, что он неспособен самостоятельно ограничивать проходящий через себя ток, по достижению нагреваемой жидкостью максимально допустимой температуры нагрева.
Желательно иметь электрод для электродного нагревателя жидкости лишенный вышеуказанного недостатка, т.е. способный ограничить проходящий через себя ток, по достижению нагреваемой жидкостью установленной температуры.
Это достигается тем, что известный электрод, содержащий несколько слоев, один из которых снабжен токоподводом, а другой, контактирующий с нагреваемой жидкостью, выполнен в виде защитного экрана, согласно полезной модели дополнительно содержит размещенный между ними слой, выполненный в виде позистора с заданной температурой переключения ( по другой терминологии - точкой Кюри), соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости.
При этом позисторный слой может быть выполнен, например, из резиноподобного материала с положительным ТКС, например электропроводной резины с включением титаната бария (ВаТЮз), или из керамики, изготовленной на основе материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, например, также титаната бария. И связан со слоями, между которыми расположен, веществом с хорошей электротеплопроводностью, например, серебряной пастой, а защитный экранный слой дополнительно наделен функцией радиатора.
Выполнение дополнительного слоя, размещенного между слоями с токоподводом и слоем, контактирующим с нагреваемой жидкостью и
выполненным в виде защитного экрана, в качестве позистора с заданной температурой переключения, соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости, обеспечивает прекращение прохождения электрического тока через электрод и, следовательно, прекращение нагревания жидкости, по достижению ею температуры, соответствующей температуре переключения позистора, которая выбирается заранее.
Выполнение позисторного слоя из резиноподобного материала с положительным ТКС, например токопроводящей резины с включением титаната бария (ВаТЮ3), позволяет упростить технологию изготовления электрода, особенно цилиндрической формы.
При необходимости, позисторный слой можно выполнить из керамики, изготовленной на основе титаната бария (ВаТЮз) с добавлением других элементов, или на основе кремния, германия и т.д.
Связь пористого слоя со слоями, между которыми он расположен, веществом с хорошей электротеплопроводностью, например серебряной пастой, обеспечивает хороший теплосъем с позистора, повышая его надежность и долговечность, чему способствует и защитный экран, дополнительно наделенный функцией радиатора.
В качестве прототипа для электрода, используемого в нагревателе с позисторами, с заданной температурой переключения, включенными во внутреннюю электрическую цепь нагревателя последовательно одному из электродов и параллельно друг дружке, и с нагревом жидкости по заданному режиму до заданной температуры, выбран электрод, входящий в состав электродного водогрейного котла, содержащий секции с токоподводами, разделенные изоляторами (А.С.№ 2062960, кл. F24H 1/20, 1993 г.).
В известном устройстве мощность регулируется путем переключения секций со звезды на треугольник и наоборот, а, следовательно, изменением величины тока, проходящего через секции электрода и нагреваемую жидкость.
Однако такое переключение производится вручную на разобранном устройстве, что является его недостатком.
К тому же использование известного электрода не обеспечивает защиту нагреваемой жидкости от перегрева, закипания, что ведет к нестабильной работе нагревательного устройства в целом.
Желательно иметь электрод для электродного нагревателя жидкости исключающий необходимость внешнего регулирования величины тока, проходящего через него, обеспечивающий необходимый режим нагрева и надежно защищающий нагреваемую жидкость от перегрева, т.е. нагрева выше допустимой, заранее установленной температуры.
Это достигается тем, что в известном электроде, содержащем секции с токоподводами, разделенные изоляторами, согласно полезной модели, секции выполнены, в поперечном сечении, из нескольких слоев, один из которых - позистор с заданной температурой переключения, соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости на боковой поверхности секции. При этом позисторный слой расположен между слоем с токоподводом и слоем, контактирующим с нагреваемой жидкостью и выполняющим функции защитного экрана и радиатора. Во всех случаях позисторный слой связан со слоями, между которыми расположен, веществом с хорошей электротеплопроводностью, например серебряной пастой.
Расположение позисторного слоя между слоем, соединенным с токоподводом, и слоем, контактирующим с нагреваемой жидкостью и выполняющим функции защитного экрана и радиатора, обеспечивает надежную защиту от электрохимической коррозии и хороший съем тепла с позистора и, следовательно, долговечность и надежность работы.
Соответствие температуры переключения позисторного слоя секций допустимой температуре нагрева жидкости обеспечивает, с учетом градиента температуры нагреваемой жидкости по длине электрода, т.е. по секциям, последовательное самоотключение секций, по мере нагрева омывающей их жидкости до допустимой температуры, что исключает перегрев нагреваемой жидкости.
Связь позисторного слоя со слоями, между которыми он расположен, при помощи вещества с хорошей электротеплопроводностью, например серебряной пастой, обеспечивает требуемый температурный режим и, следовательно, долговечность и надежность работы.
В качестве прототипа для электрода, используемого в нагревателе с позисторами, с заданной температурой переключения, включенными во внутреннюю электрическую цепь нагревателя параллельно электроду и друг дружке, с нагревом жидкости по заданному режиму и обеспечением постоянной циркуляции жидкости в отопительном контуре, выбран также электрод, входящий в состав электродного водогрейного котла, содержащий секции с токоподводами, разделенные изоляторами (А.С. № 2062960, кл. F24H 1/20, 1993 г.).
В известном устройстве мощность регулируется путем переключения секций электрода со звезды на треугольник и наоборот, а, следовательно, изменением величины тока, проходящего через секции электрода и нагреваемую жидкость, в ручном режиме, что является его недостатком.
Желательно иметь электрод для электродного нагревателя жидкости исключающий необходимость внешнего регулирования величины тока, проходящего через него и обеспечивающий как защиту нагреваемой жидкости от перегрева, так и постоянную циркуляцию жидкости в сие&КШ) 46QI
теме отопления, что повышает надежность и эффективность всей системы отопления в целом.
Это достигается тем, что в электроде, содержащем секции с токоподводами, разделенные изоляторами, согласно полезной модели часть секций выполнена, в поперечном сечении, из нескольких слоев, один из которых - позистор с заданной температурой переключения, соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости на боковой поверхности секции, а другая часть секций, не менее одной, выполнена без позисторного слоя. При этом позисторный слой расположен между слоем с токоподводом и слоем, контактирующим с нагреваемой жидкостью и выполняющим функции защитного экрана и радиатора. Во всех случаях позисторный слой связан со слоями, между которыми расположен, веществом с хорошей электротеплопроводностью, например серебряной пастой.
Выполнение части секций, в поперечном сечении, из нескольких слоев, один из которых позистор с заданной температурой переключения, соответствующей допустимой температуре нагрева жидкости на боковой поверхности секции, а другая часть секций, не менее одной, выполнена без позисторного слоя, обеспечивает практическое прекращение прохождения электрического тока через позисторные секции и, следовательно, нагреваемую жидкость, по достижению нагреваемой жидкостью температуры, соответствующей температуре переключения позистора, выбираемой заранее, и продолжение прохождения части электрического тока через другие секции, выполненные без позисторного слоя, что обеспечивает бесперебойную циркуляцию жидкости в отопительной системе.
выполняющим функции защитного экрана и радиатора, обеспечивает надежную защиту от электрохимической коррозии и хороший съем тепла с позистора и, следовательно, долговечность и надежность работы.
Соответствие температуры переключения позисторного слоя отдельных секций допустимой температуре нагрева жидкости обеспечивает, с учетом градиента температуры нагреваемой жидкости по длине электрода, т.е. по секциям, последовательное самоотключение секций, по мере нагрева омывающей их жидкости до допустимой температуры, что исключает перегрев нагреваемой жидкости, так как через секцию без позисторного слоя идет только необходимая для обеспечения циркуляции часть тока.
Связь позисторного слоя со слоями, между которыми он расположен, при помощи вещества с хорошей электротеплопроводностью, например серебряной пастой, обеспечивает требуемый температурный режим и, следовательно, долговечность и надежность работы.
На фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема нагревателя при последовательном включении одного позистора во внутреннюю электрическую цепь. На фиг. 2 - приведена электрическая принципиальная схема нагревателя при включении во внутреннюю электрическую цепь нескольких позисторов последовательно одному из электродов и параллельно друг дружке. На фиг. 3 приведена электрическая принципиальная схема нагревателя при включении во внутреннюю электрическую цепь нескольких позисторов параллельно электроду и друг дружке. На фиг. 4 приведена характерная зависимость сопротивления позистора от температуры (Э.Д. Мэклин Терморезисторы, М. Радио и связь, 1983., рис. 11.6, стр. 151). На фиг. 5 приведен электродный нагреватель жидкости, в котором реализована электрическая принципиальная схема, приведенная на фиг.1, с электродом, реалиfatoSOVfOf
10
зующим эту схему (в разрезе). На фиг. 6 приведен электрод, реализующий принципиальную электрическую схему нагревателя, приведенную на фиг.2. На фиг.7 приведен электрод, реализующий принципиальную электрическую схему нагревателя, приведенную на фиг.З. На фиг. 8 дан вид I на фигурах 5, 6 и 7.
Электродный нагреватель жидкости (см. фигуры 1, 2, 3 и 5) содержит корпус 1 с крышкой 2 и патрубками подвода жидкости 3 и отвода жидкости 4. (В зависимости от решаемой задачи корпус 1 может быть котлом отопления, емкостью термостата, подогревателя жидкости и т.п.). 5- нулевой электрод, с сопротивлением Rgo, функцию которого может выполнять и зануленный корпус 1. 6- фазный электрод, с сопротивлением КЭф. (Число электродов в нагревателе может быть любое, но наименьшее число взаимодействующих электродов - два). 7- токоподвод нулевого электрода 5, а 8 - токоподвод фазного электрода 6.9жидкость, с сопротивлением Кж. 10 - позистор с заданной температурой перехода и сопротивлением R позисторный слой. 11- заземление, 12 защитная крышка. 13- комбинированный электрод (см. фиг. 5), представляющий собой комбинацию электрода 6 с позистором 10. Комбинированный электрод изолирован от зануленного корпуса 1 (см. фигуры 5, 6 и 7) посредством нижнего изолятора 14 и верхнего изолятора 15.
В варианте выполнения нагревателя, согласно фиг. 5, комбинированный электрод 13 содержит токоподводящий слой 16с токоподводом 8 и защитный экранный слой 17, дополнительно выполняющий и функцию теплового радиатора, между которыми расположен позисторный слой (позистор) 10, выполненный или из резиноподобного материала, или из позисторной керамики. При этом позисторный слой, позистор,
10 связан со слоями 16 и 17 электротеплопроводящим слоем 18 (см. фиг. 8), выполненным, например, из серебряной пасты.
В варианте, данном на фиг. 6, комбинированный секционный электрод 19 содержит секции 20, 21 и 22, разделенные изоляторами 23, с общим токоподводом 8. Каждая секция 20,21 или 22 содержит токоподводящий слой 16, позисторный слой 10 и наружный защитный экранный слой - радиатор 17, соединенные между собой электротеплопроводным слоем 18 (см. фиг. 8).
В варианте, данном на фиг. 7, комбинированный секционный электрод 24 состоит из секции 25,26, содержащих позисторный слой 10 и секций не содержащих позисторный слой 10, в нашем примере это секция 27. Позисторосодержащие секции 25 и 26 состоят (см. фиг. 8) из токоподводящего слоя 16, позисторного слоя 10, защитного экранного слоя 17, являющегося заодно и радиатором, и связующих их электротеплопроводящих слоев 18.
Электродный нагреватель жидкости, в котором реализована одна из принципиальных электрических схем, приведенных на фигурах 1, 2 и 3,  посредством использования электродов, приведенных на фигурах 5, 6 и 7, соответственно, работает следующим образом.
При начальном включении нагревателя (см., например, фиг. 1 и фиг. 5) напряжение по внешней электрической цепи подается на токоподводы 7 и 8 и по ним на электроды 5 и 6, соответственно. Между электродами 5(1) и 6(13), через нагреваемую жидкость 9 и позистор 10, протекает электрический ток, параметры которого зависят от напряжения между электродами 5 и 6, сопротивления Кж столба жидкости 9между ними и сопротивления Rn позистора 10. При комнатных значениях температуры величина сопротивления позистора 10 лежит в области единиц Ом. Падение напряжения на нем невелико, поэтому мощность
№0JWM I
12
выделяемая на позисторе 10 мала, и не влияет на величину тока во внутренней цепи. По мере нагрева жидкости 9 нагревается и позистор 10. При этом его сопротивление (см. фиг. 4) даже несколько падает. Однако, при достижении нагреваемой жидкостью 9, циркулирующей в системе отопления, а, следовательно, и позистором 10, температуры, соответствующей температуре переключения (точка Тп на графике на фиг. 4, выбираемая заранее), в нашем случае это температура 95°С, меньшая, чем температура кипения жидкости, в позисторе 10 резко возрастает скорость изменения сопротивления. А именно, сопротивление начинает увеличиваться на порядки, что приводит к резкому увеличению падения напряжения на позисторе 10. Нагреваемая жидкость 9 не может отводить выделяемое в позисторе 10 тепло, т.к. сама уже нагрета до заданной температуры, определяемой температурой переключения позистора 10, и в позисторе 10 начинается процесс саморазогрева. Т.е. при достижении температуры переключения, позистор 10 резко уменьшает ток через себя, до величины поддержания состояния саморазогрева. Практически это означает прекращение нагрева жидкости. Возврат в начальное состояние (состояние нагрева жидкости) возможен только при уменьшении температуры нагреваемой жидкости 9 ниже допустимой температуры и, следовательно, - позистора 10 до величины ниже, чем температура переключения.
Таким образом, обеспечивается нагрев жидкости до заданной температуры автоматически, что может обеспечить полезной модели широкое применение во всевозможных нагревательных устройствах электродного типа.
В нагревателе, изготовленном по схеме на фиг. 2, с использованием электрода, изготовленного согласно фиг. 6, обеспечивается установленный режим нагрева жидкости 9 путем подбора позисторов 10 с определенными температурами переключения.
При подаче напряжения на электрод 6(24), входящий в состав электродного нагревателя жидкости (не показан) и, естественно, находящийся во взаимодействии с другим электродом 5(1), связанным с ним электрически, расположенный в нагреваемой жидкости, температура которой меньше температур переключения позисторных слоев 10 секций 20, 21 и 22, через него проходит электрический ток, нагревающий жидкость. Параметры протекающего электрического тока зависят, в основном, от напряжения между электродами, сопротивления позисторных слоев 10 секций 20, 21 и 22 и сопротивления жидкости. При комнатных значениях температуры величина сопротивления позистора (см. фиг.4) лежит в области единиц Ом. Падение напряжения на позисторном слое 10 секций 20,21 и 22 невелико, выделяемая им мощность мала и легко снимается защитным слоем - экраном - радиатором 17 и не особо влияет на величину тока в цепи. По мере нагрева жидкости нагреваются и позисторные слои 10 секции 20,21 и 22, при этом их сопротивление сначала даже несколько падает. Но при достижении температуры переключения (точка Тп на графике на фиг. 4) выбираемой конструктивно, в нашем случае это 95 °С, в позисторном слое 10, сначала секции 20, резко возрастает скорость изменения сопротивления, на порядки. И позисторный слой 10 секции 20 запирается. Так как нагреваемая жидкость не может охлаждать позисторный слой 10, ибо сама уже нагрета до температуры соответствующей температуре переключения. Т.е. при достижении температуры переключения позисторный слой 10 резко уменьшает ток через себя, до величины поддержания саморазогрева. А это, практически, означает прекращение нагрева жидко$М Ш01
14
сти секцией 20 до тех пор, пока ее температура не станет ниже температуры переключения позисторного слоя 10.
При дальнейшем нагреве жидкости, оставшимися в работе секциями 21 и 22, нижняя граница слоя жидкости, нагретой до допустимой температуры, при определенных обстоятельствах, может опустится, захватив и секцию 21. В этом случае позисторный слой 10 секции 21 запирается, аналогично запиранию позисторного слоя 10 секции 20. Теперь уже в нагреве жидкости не будут участвовать секции 20 и 21. Аналогично может самоотключиться и секция 22. При остывании жидкости, омывающей секции 20, 21 и 22, ниже температуры, соответствующей температуре переключения позисторного слоя 10, секции, сначала секция 22, затем, если остывание продолжается, секция 21, затем секция 20, включаются в работу поочередно. Т.е. электрод способен сам выйти на установившийся режим работы.
Таким образом, электрод обеспечивает нагрев жидкости до заданной температуры и поддерживает заданный режим работы самостоятельно, автоматически, что может обеспечить ему широкое применение во всевозможных нагревательных устройствах электродного типа.
В нагревателе, изготовленном по схеме на фиг. 3 с использованием электрода, изготовленного согласно фиг. 7, обеспечивается установленный режим нагрева жидкости 9 с обеспечением постоянной циркуляции нагреваемой жидкости путем комбинации секций 25 и 26 содержащих позисторы 10, с определенными температурами переключения, с секцией 27, не содержащей позисторного слоя. Работа этого нагревателя аналогична работе вышеописанного нагревателя, с той разницей, что при нагреве жидкости 9 и запирании позисторных слоев 10, позисторосодержащих секций 25 и 26, секция 27, не содержащая позисторного слоя, работает постоянно, обеспечивая необходимый подогрев жидкости и ее циркуляцию в системе отопления.
Таким образом, использование заявленного электрода в электродном нагревателе жидкости, например, для циркуляционных систем водяного отопления помещений, позволяет в короткий срок прогреть помещение, снизить потребляемую мощность и автоматически выйти на стабильное поддержание температуры, при обеспечении постоянной циркуляции жидкости в системе, что может обеспечить ему широкое применение.
%т&чб&1 i6