ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ELECTRIC WATER HEATING SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к электрической водонагревательной системе, содержащей емкость для воды, ограничивающую внутреннее накопительное пространство для нагреваемой воды, имеющую электрический нагревательный элемент для нагревания воды, хранящейся в упомянутом внутреннем накопительном пространстве, а также анодный элемент и катодный элемент, соединенные или выполненные с возможностью соединения с источником питания постоянного тока для создания разности потенциалов между катодным элементом и анодным элементом. Изобретение также относится к электрической водонагревательной системе, содержащей полый корпус для прохождения нагреваемой воды, имеющий внутреннюю стенку, электрический нагревательный элемент для нагревания воды, прикрепленный к упомянутой внутренней стенке, а также анодный элемент и катодный элемент, соединенные или выполненные с возможностью соединения с источником питания постоянного тока для создания разности потенциалов между катодным элементом и анодным элементом.
Изобретение также относится к чайнику, содержащему электрическую водонагревательную систему.
Изобретение также относится к кофеварке, содержащей электрическую водонагревательную систему.
Изобретение также относится к утюгу, содержащему электрическую водонагревательную систему.
Изобретение также относится к моечной машине, содержащей электрическую водонагревательную систему.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
3
2
3
2
2
3
3
2+
2+
-
2+
2+
-
Как известно, в водонагревательных системах во время использования таких систем обычно образуется накипь, как правило - карбонат кальция. Основная химическая реакция, происходящая при этом, такова: Ca(HCO)→CaCO+CO+HO. В частности, сильной тенденцией к образованию отложений накипи обладает вода высокой жесткости. Наиболее важными элементами, растворенными в воде и ответственными за жесткость, являются ионы Ca, ионы Mg и ионы HCO . Суммарная жесткость воды (DH) определяется как суммарное количество миллимолей ионов Ca и ионов Mg на литр, умноженное на 5,6. Временная твердость определяется количеством миллимолей ионов HCO  на литр, умноженным на 2,8.
Растворимость накипи в воде уменьшается с увеличением температуры. Поэтому покрытию накипью подвержены, в частности, горячие поверхности, подобные присутствующим в нагревательных элементах. Кроме того, накипь осаждается преимущественно на металлических поверхностях. Нагревательный элемент в типичных электрических водонагревательных системах выполнен из металла. Такой металлический водонагревательный элемент весьма подвержен осаждению накипи, поскольку при эксплуатации он объединяет металлическую поверхность и горячую поверхность. Отложение накипи на нагревательном элементе снижает термический кпд нагревательного элемента, а значит и общий кпд электрической водонагревательной системы.
+
В данной области техники предложены электрохимические подходы для предотвращения отложения накипи на нагревательном элементе. Например, в документе US 6871014 B2 описан электрический водонагреватель с так называемой катодной защитой. Катодная защита - это обычно употребляемое название концепции борьбы с коррозией металлической поверхности за счет того, что эту поверхность заставляют работать как катод электрохимического элемента. В контексте документа US 6871014 B2 катодная защита воплощается путем создания разности потенциалов между внутренней стенкой водонагревателя и нагревательным элементом, при этом внутренняя стенка водонагревателя действует как катодный элемент, а нагревательный элемент - как анодный элемент. При такой компоновке, в соответствии с документом US 6871014 B2, предотвращается коррозия внутренней стенки водонагревателя, поскольку электрохимические эффекты предотвращают возникновение коррозии в стенке водонагревателя. При этом на нагревательном элементе, действующем как анодный элемент, образуются ионы Н, предотвращая образование накипи около нагревательного элемента. Вместе с тем нагревательный элемент в этой конфигурации подвержен окислению, делающему необходимым изготовление этого элемента из металлов, очень стойких к окислению.
-
-
2-
3
3
Поскольку внутренняя стенка водонагревателя действует как катодный элемент, около этой внутренней стенки водонагревателя образуются ионы ОН, что приводит к отложению накипи на внутренней стенке водонагревателя из-за превращения ионов НСО  в ионы СО . Они приводят к уменьшению электрического кпд, поскольку накипь до некоторой степени электрически изолирует внутреннюю стенку водонагревателя, действующую как катодный элемент. Это требует регулярной надлежащей очистки, чтобы предотвратить данный эффект. Кроме того, отложившаяся накипь будет приводить к неопрятному внешнему виду внутренней стенки водонагревателя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в том, чтобы разработать электрическую водонагревательную систему, содержащую емкость для приема воды, которая относится к типу, охарактеризованному в вводном абзаце, и в которой предотвращается отложение накипи как на нагревательном элементе, так и на внутренней стенке емкости.
Задача изобретения решается посредством электрической водонагревательной системы, охарактеризованной в п.1 формулы изобретения. В частности, в электрической водонагревательной системе, соответствующей изобретению, катодный элемент находится во внутреннем накопительном пространстве, рядом с нагревательным элементом.
-
-
-
-
-
2-
2-
2+
-
3
3
3
При эксплуатации, у катода образуются ионы ОН. При этом горячий нагревательный элемент вызывает появление структур турбулентного течения в воде, особенно вблизи нагревательного элемента. Поскольку катод находится рядом с нагревательным элементом, в области внутреннего накопительного пространства, где присутствует турбулентность, образуются ионы OH. Это вызывает смешивание образующихся ионов OH с нагретой водой. Образующиеся ионы OH локально увеличивают pH, и по меньшей мере часть их превращает ионы HCO  в ионы CO . Ионы CO  реагируют с ионами Ca, присутствующими в воде, образуя накипь. Турбулентность приводит к хорошему распределению ионов ОН в воде. Неожиданно, накипь образуется только в виде микрокристаллов. Эти микрокристаллы остаются в воде и не претерпевают интенсивное отложение. Благодаря своему малому размеру, микрокристаллы не портят воду. Кроме того, предотвращается покрытие нагревательного элемента или стенки емкости накипью.
Следует отметить, что анодный элемент может находиться в емкости для воды или на стенке емкости для воды, или даже может быть выполнен как единое целое со стенкой емкости. Однако анодный элемент не обязательно должен находиться между катодным элементом и нагревательным элементом, или быть предусмотренным на нагревательном элементе либо выполненным как единое целое с ним.
-
В предпочтительном варианте выполнения катодный элемент и нагревательный элемент расположены по существу в центре емкости, тем самым обеспечивая свободное протекание воды вокруг катодного элемента и нагревательного элемента без препятствий, мешающих конвекции посредством нее. Это вносит вклад в надлежащее смешивание c образующимися ионами OH, а значит, и в дальнейшее предотвращение образование окалины.
Источнику питания постоянного тока можно придать конфигурацию, обеспечивающую подачу постоянной разности напряжений между катодным элементом и анодным элементом. Вместе с тем, хотя по всему тексту данной заявки источник питания постоянного тока определяется как устройство, которое поддерживает ориентацию разности напряжений между катодным элементом и анодным элементом постоянной, значение разности напряжений может быть зависимым от времени.
Электрические водонагревательные системы того типа, который соответствует данному изобретению, можно использовать как в бытовых приложениях, так и в промышленных приложениях, связанных с массовым производством.
-
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, катодный элемент предусмотрен на нагревательном элементе. Это гарантирует образование ионов OH в месте, где присутствует турбулентность из-за нагревания воды, а также вода, нагреваемая нагревательным элементом. Это дополнительно повышает эффективность образования микрокристаллов и тем самым уменьшает количество образующихся частиц накипи, имеющих  бόльший размер, что приводит к еще лучшему предотвращению загрязнения воды и отложения накипи. Это также сокращает конструкторско-производственные усилия по правильному позиционированию катодного элемента относительно нагревательного элемента и снижает затраты на конструкторские работы по электрической водонагревательной системе и на ее производство.
-
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, катодный элемент и нагревательный элемент объединены в один компонент, составляя тем самым единый узел. Благодаря этому объединению не требуется тратить усилия конструкторов на исследование надлежащего позиционирования катодного элемента относительно нагревательного элемента. Это снижает затраты на конструкторские работы. Помимо этого у нагревательного элемента образуются ионы OH, дополнительно повышая эффективность образования микрокристаллов накипи.
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, анодный элемент выполнен из углерода. Как известно из предшествующего уровня техники, см., например, документ US 6871014 B2, для формирования анодного элемента рекомендуется подложка из титана или ниобия со слоем платины. Эксперименты неожиданно показали, что при использовании углеродного анода предотвращение накипи эффективнее, чем при использовании альтернативных материалов анода.
-
-
-
-
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, она содержит средство для внесения турбулентности в воду, окружающую нагревательный элемент и катодный элемент. Средство для внесения турбулентности в воду может быть, например, мешалкой или воздушным потоком, нагнетаемым в электрическую водонагревательную систему. Если средство для внесения турбулентности в воду находится в нижней части емкости, это означает, что средство для внесения турбулентности в воду находится в области емкости, которая, как правило, наполнена водой во время использования. При такой конфигурации средство для внесения турбулентности в воду во время использования при работе вносит дополнительную турбулентность в воду, помимо турбулентности, являющейся результатом конвекции нагретой воды. Эта дополнительная турбулентность, вносимая средством для внесения турбулентности в воду, вносит вклад в смешивание ионов OH и воды, тем самым повышая эффективность образования микрокристаллов накипи и уменьшая количество образующихся частиц накипи, имеющих бόльший размер, что приводит к еще лучшему предотвращению загрязнения воды и отложения накипи. Кроме того, поскольку смешивание с ионами ОН улучшается за счет внесения турбулентности в воду, обеспечивается формирование большего количества ионов ОН, например, за счет приложения между анодным элементом и катодным элементом разности потенциалов, большей, чем была бы разность потенциалов в случае без внесения дополнительной турбулентности в воду. Поскольку в растворе получается больше ионов ОН, повышается эффективность образования микрокристаллов накипи.
-
-
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, она содержит блок управления для по существу одновременного переключения источника питания постоянного тока и нагревательного элемента между первым состоянием, в котором на нагревательный элемент подается электропитание для нагревания воды, а источник питания постоянного тока прикладывает разность напряжений к анодному элементу и катодному элементу, и вторым состоянием, в котором нагревательный элемент и источник питания постоянного тока выключены. В этом варианте выполнения разность напряжений не прикладывается между анодным элементом и катодным элементом, когда нагревательный элемент не используется. Когда нагревательный элемент не используется, турбулентность в воде станет меньшей или вообще будет отсутствовать. Когда при этих обстоятельствах между анодным элементом и катодным элементом прикладывается разность напряжений, образовавшиеся ионы OH не станут распространяться через воду. Это приведет к повышенной концентрации ионов ОН. Вследствие этого образуется накипь, которая вероятнее всего отложится на близлежащем нагревательном элементе. Кроме того, ограничение приложения разности напряжений между катодным элементом и анодным элементом приводит также к сниженной коррозии анодного элемента.
-
-
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, анодный элемент и катодный элемент расположены так, что они создают по существу однородное электрическое поле во время эксплуатации. Такое однородное электрическое поле приводит к образованию ионов ОН по существу в одинаковых количествах у разных частей катода. Поэтому ионы ОН будут оптимально смешиваться с водой за счет ее турбулентности, приводя к эффективному образованию микрокристаллов накипи. Это эффективное образование микрокристаллов приводит к дальнейшему снижению отложения накипи. Кроме того, это эффективное образование микрокристаллов накипи приводит к получению микрокристаллов, которые не загрязняют воду.
Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы разработать электрическую водонагревательную систему, содержащую полый корпус для прохождения воды, которая относится к типу, охарактеризованному во вводном абзаце, и в которой предотвращается отложение накипи как на нагревательном элементе, так и на внутренней стенке емкости.
Дополнительная задача изобретения решается посредством электрической водонагревательной системы, охарактеризованной в п.2 формулы изобретения. В частности, в электрической водонагревательной системе, соответствующей изобретению, катодный элемент прикреплен к внутренней стенке рядом с нагревательным элементом.
-
-
-
-
-
2-
2-
2+
-
3
3
3
При использовании у катода образуются ионы ОН. При этом горячий нагревательный элемент вызывает появление структур турбулентного течения в воде, особенно - вблизи нагревательного элемента. Поскольку катод находится рядом с нагревательным элементом, в области внутреннего резервуарного пространства, где присутствует турбулентность, образуются ионы OH. Это вызывает смешивание образующихся ионов OH с нагретой водой. Образующиеся ионы OH локально увеличивают pH, и по меньшей мере часть их превращает ионы HCO  в ионы CO . Ионы CO  реагируют с ионами Ca, присутствующими в воде, образуя накипь. Турбулентность приводит к хорошему распределению ионов ОН в воде. Неожиданно, накипь образуется только в виде микрокристаллов. Эти микрокристаллы остаются в воде, и их отложение либо не происходит совсем, либо происходит с трудом. Благодаря своему малому размеру, микрокристаллы не портят воду.
Следует отметить, что анодный элемент может находиться в полом корпусе или на внутренней стенке полого корпуса, или даже может быть выполненным как единое целое с внутренней стенкой полого корпуса. Однако анодный элемент не обязательно должен находиться между катодным элементом и нагревательным элементом, или быть предусмотренным на нагревательном элементе либо выполненным как единое целое с ним.
Источнику питания постоянного тока можно придать конфигурацию, обеспечивающую подачу постоянной разности напряжений между катодным элементом и анодным элементом. Вместе с тем, хотя по всему тексту данной заявки источник питания постоянного тока определяется как устройство, которое поддерживает ориентацию разности напряжений между катодным элементом и анодным элементом постоянной, значение разности напряжений может быть зависимым от времени.
Электрические водонагревательные системы того типа, который соответствует данному изобретению, можно использовать как в бытовых приложениях, так и в промышленных приложениях, связанных с массовым производством.
-
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, катодный элемент предусмотрен на нагревательном элементе. Это гарантирует образование ионов OHв месте, где присутствует турбулентность из-за нагревания воды, а также вода, нагреваемая нагревательным элементом. Это дополнительно повышает эффективность образования микрокристаллов и тем самым уменьшает количество образующихся частиц накипи, имеющих  бόльший размер, что приводит к еще лучшему предотвращению загрязнения воды и отложения накипи. Это также сокращает конструкторско-производственные усилия по правильному позиционированию катодного элемента относительно нагревательного элемента и снижает затраты на конструкторские работы по электрической водонагревательной системе и на ее производство.
-
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, катодный элемент и нагревательный элемент объединены в один компонент, составляя тем самым единый узел. Благодаря этому объединению не требуется тратить усилия конструкторов на исследование надлежащего позиционирования катодного элемента относительно нагревательного элемента. Это снижает затраты на конструкторские работы. Помимо этого у нагревательного элемента образуются ионы OH, дополнительно повышая эффективность образования микрокристаллов накипи.
-
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, катодный элемент, нагревательный элемент и внутренняя стенка объединены в один компонент, составляя тем самым единый узел. Благодаря этому объединению можно сконструировать компактную электрическую водонагревательную систему. Также не требуется тратить усилия проектировщиков на исследование надлежащего позиционирования катодного элемента относительно нагревательного элемента. Это снижает затраты на конструкторские работы. Помимо этого, у нагревательного элемента образуются ионы OH, дополнительно повышая эффективность образования микрокристаллов накипи.
В альтернативном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, нагревательный элемент предусмотрен на стороне внутренней стенки, не контактирующей с водой, например, снаружи внутренней стенки. В таких вариантах выполнения внутренняя стенка будет нагреваться как целое и фактически действовать как нагревательный элемент по отношению к воде, протекающей через электрическую водонагревательную систему. При этой разновидности вариантов выполнения внутренняя стенка в целом действует как катодный элемент.
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, анодный элемент выполнен из углерода. Как известно из предшествующего уровня техники, см., например, документ US 6871014 B2, для формирования анодного элемента рекомендуют подложку из титана или ниобия со слоем платины. Эксперименты неожиданно показали, что при использовании углеродного анода предотвращение накипи эффективнее, чем при использовании альтернативных материалов анода.
-
-
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, она содержит блок управления для по существу одновременного переключения источника питания постоянного тока и нагревательного элемента между первым состоянием, в котором на нагревательный элемент подается электропитание для нагревания воды, а источник питания постоянного тока прикладывает разность напряжений к анодному элементу и катодному элементу, и вторым состоянием, в котором нагревательный элемент и источник питания постоянного тока выключены. В этом варианте выполнения разность напряжений не прикладывается между анодным элементом и катодным элементом, когда нагревательный элемент не используется. Когда нагревательный элемент не используется, турбулентность в воде станет меньшей или вообще будет отсутствовать. Когда при этих обстоятельствах между анодным элементом и катодным элементом прикладывается разность напряжений, образовавшиеся ионы OH не станут распространяться через воду. Это приведет к повышенной концентрации ионов ОН. Вследствие этого образуется накипь, которая вероятнее всего отложится на близлежащем нагревательном элементе. Кроме того, ограничение приложения разности напряжений между катодным элементом и анодным элементом приводит также к сниженной коррозии анодного элемента.
-
-
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, анодный элемент и катодный элемент расположены так, что они создают по существу однородное электрическое поле во время эксплуатации. Такое однородное электрическое поле приводит к образованию ионов ОН по существу в одинаковых количествах у разных частей катода. Поэтому ионы ОН будут оптимально смешиваться с водой за счет ее турбулентности, приводя к эффективному образованию микрокристаллов накипи. Это эффективное образование микрокристаллов приводит к дальнейшему снижению отложения накипи. Кроме того, это эффективное образование микрокристаллов накипи приводит к получению микрокристаллов, которые не загрязняют воду.
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, анодный элемент находится по существу на аксиально-ориентированной оси полого корпуса. Эту конструкцию легко воплотить, что уменьшает затраты на конструкторские работы по электрическому водонагревателю и на его производство.
В предпочтительном варианте выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, анодный элемент находится по существу на центральной аксиально-ориентированной оси полого корпуса. При такой компоновке по существу однородное электрическое поле между анодным элементом и катодным элементом легко реализуется во время эксплуатации без значительных усилий конструкторов. Это снижает общие затраты на конструкторские работы по электрическому водонагревателю.
Как пояснялось выше, в обоих вариантах выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению, т.е. в варианте, описанном в п.1 формулы изобретения, и варианте, описанном в п.2 формулы изобретения, получаются аналогичные эффекты. Оба варианта основаны на одном и том же изобретательском замысле, а именно, на том, что катодный элемент находится рядом с нагревательным элементом, и на одном и том же принципе работы, а именно, на том, что образуются лишь микрокристаллы накипи, которые не выпадают в виде отложения на частях электрической водонагревательной системы или не загрязняют воду.
Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы разработать чайник, содержащий вариант выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению.
Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы разработать кофеварку, содержащую вариант электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению.
Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы разработать утюг, содержащий вариант электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению.
Со ссылкой на формулу изобретения следует отметить, что изобретение также относится ко всем возможным комбинациям признаков и/или мер, охарактеризованных в различных пунктах формулы изобретения.
В типичном эксперименте, доказывающем эффект изобретения, химический стакан, действующий как емкость для приема воды и ограничивающий внутреннее накопительное пространство, наполняли 240 мл воды, подлежащей нагреву. Воду подготавливали в соответствии со стандартом 60734 Международной электротехнической комиссии (МЭК), а эта вода имела суммарную жесткость 16,8 и временную жесткость 11,2. pH составлял 8,25. В стакан вставляли змеевиковый электрический нагревательный элемент, который регулировали термостатом. Нагревательный элемент действовал как катодный элемент. В центр змеевика устанавливали L-образный электрод, действовавший как анодный элемент, причем делали это таким образом, что его нижняя часть втыкалась в центр змеевика. Во время эксперимента блок управления обеспечивал подачу электропитания на электрический нагревательный элемент и возбуждение источника питания постоянного тока на основании температуры воды и истекшего времени. Воду кипятили в течение десяти минут, при этом нагревательный элемент включали и выключали в прерывистом режиме в течение этого периода времени. Блок управления возбуждал источник питания постоянного тока только тогда, когда нагревательный элемент был включен. После эксперимента воде давали остыть до температуры окружающей среды. Воду визуально контролировали, чтобы оценить ее прозрачность. Кроме того, воду фильтровали, а оставшуюся воду тестировали на жесткость. Разность между жесткостью до и после кипения является приемлемым показателем количества накипи, которая отложилась или не прошла сквозь фильтр. Результаты эксперимента показаны в нижеследующей таблице.
Прикладываемая разность напряжений
Жесткость
Внешний вид воды
0 В
2,5 В
3,0 В
3,5 В
DH
Температура
0 сек
16,8
11,0
10 мин
10,6
4,4
Мутная
10 мин
13,3
6,5
Прозрачная
10 мин
14,1
7,6
Прозрачная
10 мин
14,3
7,5
Прозрачная
В первой строке указана жесткость воды до кипячения. Во второй строке указана в качестве опорного значения жесткость воды, кипяченой без приложения напряжения. Из резкого уменьшения жесткости воды очевидно, что какая-то накипь все же образовывалась. Это также проявилось в том, что кипяченая вода внешне была мутной.
Когда к анодному элементу и катодному элементу прикладывали разность напряжений 2,5 В или более, жесткость кипяченой воды приближалась к жесткости необработанной воды, указывая, что предотвращение образования накипи было эффективным. При этом вода оставалась прозрачной, а нагревательный элемент оставался чистым.
-
-
Напряжения, использовавшиеся в эксперименте согласно этому примеру, действительны лишь для этого конкретного эксперимента. При других настройках могут потребоваться другие напряжения. Имеют значение не только размеры катодного элемента и анодного элемента, но и, например, жесткость и pH воды. Во время других экспериментов наблюдалось, что при жесткой воде с относительно низким pH для получения прозрачной воды после кипячения необходимы более высокие напряжения. Более высокое напряжение необходимо для того, чтобы создавать больше ионов OH с целью компенсации pH раствора. Вода с более высоким исходным pH требует меньшего напряжения, поскольку концентрация ионов OH, необходимая для создания микрокристаллов накипи, достигается раньше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже приводится подробное описание изобретения. Это описание представлено в качестве неограничительного примера, который следует рассматривать со ссылкой на чертежи, при этом:
на фиг.1 показано схематическое сечение согласно первому варианту выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению и содержащей емкость для приема воды, рассматриваемое в соответствии с видом сбоку;
на фиг.2 показано схематическое сечение согласно второму варианту выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению и содержащей полый корпус для пропускания воды, рассматриваемое в соответствии с видом спереди;
на фиг.3 показано схематическое сечение согласно второму варианту выполнения электрической водонагревательной системы, показанной на фиг.2, рассматриваемое в соответствии с видом сбоку;
на фиг.4 показано схематическое сечение согласно третьему варианту выполнения электрической водонагревательной системы, соответствующей изобретению и содержащей полый корпус для пропускания воды, рассматриваемое в соответствии с видом спереди;
на фиг.5 показано схематическое сечение согласно третьему варианту выполнения электрической водонагревательной системы, показанной на фиг.4, рассматриваемое в соответствии с видом сбоку.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
На чертежах, иллюстрирующих один и тот же вариант выполнения или одни и те же его части, для одних и тех же частей используются одни и те же позиции.
На фиг.1 показана электрическая водонагревательная система 101. Электрическая водонагревательная система 101 содержит емкость 102, имеющую внутреннюю стенку 103. Эта емкость может быть цилиндрической емкостью или может иметь любую другую подходящую форму, такую как коробчатая. Внутренняя стенка 103 емкости ограничивает внутреннее накопительное пространство 110 емкости. Внутренняя стенка 103 может - целиком или частично - находиться в контакте с нагреваемой водой, в зависимости от количества воды, хранимой во внутреннем резервуарном пространстве емкости. Во внутреннем резервуарном пространстве емкости предусмотрен нагревательный элемент 104, который можно включать и выключать посредством блока 111 управления. На фиг.1 не показано, что блок 111 управления может быть соединен с переключателем, который приводит в действие потребитель, и/или может принимать сигнал из любого другого источника, например контроллера процесса, термостата или парового переключателя, указывающего кипение воды, причем такой сигнал указывает, что следует осуществить действие переключения. На фиг.1 также не показано, что блок управления может быть соединен с источником питания, например электросетью, или с аккумулятором запасенной энергии в какой-либо иной форме, таким как батарея. Когда блок управления включает нагревательный элемент 104, электропитание подключается к нагревательному элементу 104 через соединение 112. Нагревательный элемент 104 может быть электрическим нагревательным элементом любого типа, например, основанным на электрическом сопротивлении или электрической индукции. В этом примере нагревательный элемент является удлиненным элементом. Рядом с нагревательным элементом 104 находится катодный элемент 106. В варианте выполнения, показанном на фиг.1, катодный элемент 106 ориентирован по существу параллельно нагревательному элементу 104, проходя вдоль всей длины нагревательного элемента 104. В других вариантах выполнения катодный элемент 106 может проходить лишь вдоль части нагревательного элемента 104 и/или иметь другую ориентацию. Анодный элемент 105 находится на некотором расстоянии от катодного элемента 106. В этом примере анодный элемент 105 выполнен из углерода, в других вариантах выполнения анодный элемент 105 может быть выполнен из другого материала, главным образом известного сочетанием низкой скорости коррозии при использовании в качестве анодного элемента 105 в воде и низкой растворимости в воде, например, это может быть подложка из титана и ниобия со слоем платины, платина или так называемые смешанные оксиды металлов. Катодный элемент 106 может быть выполнен из любого материала, который обладает хорошей удельной электропроводностью и низкой растворимостью, такого как титан, платина, титан с покрытием из оксида металла или нержавеющая сталь обычных марок, известных как водостойкие.
В варианте выполнения, показанном на фиг.1, анодный элемент 105 ориентирован по существу параллельно катодному элементу 106 и находится около дна емкости. В других вариантах выполнения анодный элемент может быть выполнен как единое целое с внутренней стенкой 103 емкости или находиться в другом месте в пределах внутреннего резервуарного пространства, и/или быть ориентированным по существу не параллельно катодному элементу 106. Как анодный элемент 105, так и катодный элемент 106 соединены с источником 107 питания постоянного тока. Источник 107 питания постоянного тока во время эксплуатации прикладывает разность напряжений к катодному элементу 106 и анодному элементу 105. Источник 107 питания постоянного тока включается и выключается блоком 111 управления. Когда источник 107 питания постоянного тока включается, возбуждение источника 107 питания постоянного тока обеспечивается блоком 111 управления через соединение 113. Как правило, разность напряжений между катодным элементом 106 и анодным элементом 105 составляет 3,0 В, когда используется стандартизированная вода, охарактеризованная выше. В других вариантах выполнения разность напряжений может быть низкой, например 1,5 В, или превышающей 4,0 В, в зависимости от конкретной конфигурации электрической водонагревательной системы и характеристик нагреваемой воды.
-
-
В пределах внутреннего резервуарного пространства емкости 102 имеется мешалка 108, привод которой осуществляет средство 109 привода. Мешалка 108 с приводом перемешивает воду, тем самым создавая дополнительную турбулентность в нагреваемой воде. В других вариантах выполнения можно использовать другие способы внесения дополнительной турбулентности в воду, например, нагнетание воздушного потока в воду. Благодаря этой дополнительной турбулентности ионы OH, образующиеся у катодного элемента 106, будут очень хорошо смешиваться с водой, что приведет к меньшей локальной концентрации ионов OH. Следовательно, при этом формируется большое количество микрокристаллов накипи. Средство 109 привода может быть любым известным узлом привода, например электрическим двигателем. Соединение средства 109 привода с его источником питания на фиг.1 не показано.
-
+
-
-
-
-
3
3
Чтобы вскипятить воду без отложения накипи на частях электрической водонагревательной системы 101 или без загрязнения воды, потребитель наполняет емкость 102 водой в требуемом количестве и включает электрическую водонагревательную систему 101, приводя в действие двухпозиционный переключатель. Этот двухпозиционный переключатель не показан на фиг.1. Двухпозиционный переключатель посылает сигнал блоку 111 управления. Блок 111 управления оценивает этот сигнал вместе с другими сигналами, действующими как входные сигналы, например управляющими сигналами, из датчика температуры или датчика пара (оба они не показаны на фиг.1). Когда эта оценка приводит к выводу, что подача электропитания на водонагреватель 104 воды безопасна, блок 111 управления подает электропитание на водонагреватель 104. Одновременно или по меньшей мере по существу одновременно с этим блок 111 управления будет также возбуждать источник 107 питания постоянного тока. Запитанный водонагреватель 104 будет нагреваться и начнет передавать тепло воде, что, в конечном счете, приводит к кипячению воды. Возбужденный источник 107 питания постоянного тока будет создавать разность потенциалов между анодным элементом 105 и катодным элементом 106. Благодаря этой разности потенциалов будет иметь место электролиз воды. У катодного элемента 106 образуются ионы OH, что приводит к локально повышенному значению pH. У анодного элемента 105 будут образовываться ионы H, что приведет к локально пониженному pH. В областях с повышенным pH будет образовываться накипь. Во время эксплуатации, то есть, когда подается электропитание, нагревательный элемент 104 будет вызывать течение воды от себя, обычно - турбулентное. Поскольку катодный элемент 106 находится рядом с нагревательным элементом 104, он окажется в области турбулентного течения. Благодаря этой турбулентности образующиеся ионы OH будут очень хорошо смешиваться с водой. Накипь образуется сначала на молекулярном уровне (например, CaCO и/или MgCO). Различные молекулы накипи будут агрегироваться и образовывать микрокристалл. Когда количество ионов OH окажется достаточным, такой микрокристалл будет в дальнейшем расти и достигнет размера, при котором становится различимым для человеческого глаза. Кроме того, вероятно, будет происходить отложение более крупных кристаллов накипи. Однако в электрической водонагревательной системе согласно изобретению, как показано в этом варианте выполнения, приемлемое распределение ионов OH предотвращает рост кристаллов накипи за пределы размера микрокристаллов. Поэтому накипь остается невидимой в воде, а отложение не происходит. Для дальнейшего улучшения распределения ионов OH в воде мешалка 108, приводимая в действие средством 109 привода, перемешивает воду. В предпочтительном варианте выполнения средство 109 привода также соединено с блоком 111 управления и включается и выключается по существу одновременно с нагревательным элементом 104 и источником 107 питания постоянного тока. Когда вода уже достигла заданной температуры или, например, своей температуры кипения, подходящий датчик пошлет сигнал в блок 111 управления, который, в свою очередь, отключит нагревательный элемент 104 и источник 107 питания постоянного тока. Потребитель сможет вылить воду из емкости и использовать нагретую воду, например, для приготовления чая или супа.
На фиг.2 и 3 показана электрическая водонагревательная система 201. Электрическая водонагревательная система 201 имеет трубчатую форму; сечение, показанное на фиг.2, проведено перпендикулярно оси трубы. Сечение, показанное на фиг.3, проведено в плоскости, включающей в себя ось трубы. Электрическая водонагревательная система 201 имеет полый корпус 202, имеющий внутреннюю стенку 203. Вместо поперечного сечения кругового цилиндра полый корпус может иметь любое подходящее поперечное сечение, такое как квадратное или треугольное перечное сечение. В целом, нагреватели, соответствующие этому принципу, известны как проточные нагреватели. К внутренней стенке 203 крепится нагревательный элемент 204. Как единое целое с нагревательным элементом 204 выполнен катодный элемент 206 (отдельно не виден на фиг.2). Около оси трубчатой электрической водонагревательной системы 201 расположен анодный элемент 205. Анодный элемент 205 удерживается на месте, например, с помощью концевых упоров, которые имеют отверстие, где можно закрепить анодный элемент. Анодный элемент 205 и катодный элемент 206 соединены с источником 207 питания постоянного тока, как показано на фиг.3. Как нагревательный элемент 204, так и источник 207 питания постоянного тока соединены с блоком 211 управления. На фиг.3 не показано, что блок 211 управления может быть соединен с переключателем, который приводит в действие потребитель, и/или что этот блок может принимать сигнал из любого другого источника, например контроллера процесса или датчика расхода, указывающего, что через электрическую водонагревательную систему 201 течет вода, причем такой сигнал указывает, что надо осуществить действие переключения. На фиг.3 также не показано, что блок управления может быть соединен с источником питания, например электросетью, или с аккумулятором запасенной энергии в какой-либо иной форме, таким как батарея. Когда блок 211 управления включает нагревательный элемент 204, электропитание подключается к нагревательному элементу 204 через соединение 212. Нагревательный элемент 204 может быть электрическим нагревательным элементом любого типа, например, основанным на электрическом сопротивлении или электрической индукции. В этом примере нагревательный элемент является удлиненным элементом. Как единое целое с нагревательным элементом 204 выполнен катодный элемент 206. В других вариантах выполнения, катодный элемент 206 может крепиться к нагревательному элементу 204 или даже быть отдельным от него. Анодный элемент 205 находится на некотором расстоянии от катодного элемента 206. В этом примере анодный элемент 205 выполнен из углерода, в других вариантах выполнения анодный элемент 205 может быть выполнен из другого материала, главным образом известного сочетанием низкой скорости коррозии при использовании в качестве анодного элемента 205 в воде и низкой растворимости в воде, например, это может быть подложка из титана и ниобия со слоем платины, платина или так называемые смешанные оксиды металлов. Катодный элемент 206 может быть выполнен из любого материала, который обладает хорошей удельной электропроводностью и низкой растворимостью, такого как титан, платина, титан с покрытием из оксида металла или нержавеющая сталь обычных марок, известных как водостойкие.
В варианте выполнения, показанном на фиг.2 и 3, анодный элемент 205 ориентирован по существу параллельно оси вращения трубчатой электрической водонагревательной системы 201. В других вариантах выполнения анодный элемент может иметь другую ориентацию и/или может находиться на некотором расстоянии от центральной аксиально-ориентированной оси полого корпуса. Как анодный элемент 205, так и катодный элемент 206 соединены с источником 207 питания постоянного тока. Во время эксплуатации источник 207 питания постоянного тока прикладывает разность напряжений к катодному элементу 206 и анодному элементу 205. Источник 207 питания постоянного тока включается и выключается блоком 211 управления. Когда источник 207 питания постоянного тока включается, возбуждение источника 207 питания постоянного тока обеспечивается блоком 211 управления через соединение 213. Как правило, разность напряжений между катодным элементом 206 и анодным элементом 205 составляет 3,0 В, когда используется стандартизированная вода, охарактеризованная выше. В других вариантах выполнения разность напряжений может быть низкой, например 1,5 В, или превышающей 4,0 В, в зависимости от конкретной конфигурации электрической водонагревательной системы и характеристик нагреваемой воды.
-
+
-
-
3
3
Во время эксплуатации, когда электрическая водонагревательная система 201 используется для нагрева или кипячения воды, протекающей через полый корпус 202, без отложения накипи на частях электрической водонагревательной системы 201 или загрязнения воды, блок 211 управления обеспечивает подачу электропитания на водонагреватель 204. Одновременно или по меньшей мере по существу одновременно с этим блок 211 управления будет также возбуждать источник 207 питания постоянного тока. Запитанный водонагреватель 204 будет нагреваться и начнет передавать тепло воде, что, в конечном счете, приводит к кипячению воды. Возбужденный источник 207 питания постоянного тока будет создавать разность потенциалов между анодным элементом 205 и катодным элементом 206. Благодаря этой разности потенциалов будет иметь место электролиз воды. У катодного элемента 206 образуются ионы OH, что приводит к локально повышенному значению pH. У анодного элемента 205 будут образовываться ионы H, что приведет к локально пониженному pH. В областях с повышенным pH будет образовываться накипь. Накипь образуется сначала на молекулярном уровне (например, CaCO и/или MgCO). Различные молекулы накипи будут агрегироваться и образовывать микрокристалл. Когда количество ионов OH окажется достаточным, такой микрокристалл будет в дальнейшем расти и достигнет размера, при котором становится различимым для человеческого глаза. Кроме того, вероятно, будет происходить отложение более крупных кристаллов накипи. Однако в электрической водонагревательной системе согласно изобретению, как показано в этом варианте выполнения, приемлемое распределение ионов OH предотвращает рост кристаллов накипи за пределы размера микрокристаллов. Поэтому накипь остается невидимой в воде, а отложение не происходит. Когда дополнительных требований к нагретой или кипяченой воде нет, контроллер процесса или аналогичное устройство пошлет сигнал в блок 211 управления, который, в свою очередь, отключит нагревательный элемент 204 и источник 207 питания постоянного тока.
Вариант выполнения, показанный на фиг.4 и 5, отличается от варианта выполнения согласно фиг.2 и 3 тем, что нагревательный элемент, внутренняя стенка и катодный элемент объединены в один компонент. На фиг.4 и 5 показана электрическая водонагревательная система 401. Электрическая водонагревательная система 401 имеет трубчатую форму; сечение, показанное на фиг.4, проведено перпендикулярно оси трубы. Сечение, показанное на фиг.5, проведено в плоскости, включающей в себя ось трубы. Электрическая водонагревательная система 401 имеет полый корпус 402, имеющий внутреннюю стенку 403. Как единое целое с внутренней стенкой 403 выполнен нагревательный элемент 404. В этом конкретном варианте выполнения нагревательный элемент 404 находится по существу на внешней стороне внутренней стенки 403. На фиг.4 и 5 показана область, в которой находится нагревательный элемент 404 и которая ограничена пунктирной линией 414. Как единое целое с внутренней стенкой 403 выполнен катодный элемент 406 (отдельно не виден на фиг.4). Около оси трубчатой электрической водонагревательной системы 401 расположен анодный элемент 405. Анодный элемент 405 и катодный элемент 406 соединены с источником 407 питания постоянного тока, как показано на фиг.5. Как нагревательный элемент 404, так и источник 407 питания постоянного тока соединены с блоком 411 управления. Источник 407 питания постоянного тока и блок 411 управления работают аналогично источнику питания постоянного тока и блоку управления, показанным на фиг.2 и 3. Во время эксплуатации электрические водонагревательные системы 201 и 401 работают аналогично.
Хотя изобретение проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в вышеизложенном описании, эти иллюстрации и описание следует считать носящими демонстрационный или пояснительный характер, а не ограничительный. Изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения. Следует отметить, что электрическая водонагревательная система, соответствующая изобретению, и все ее компоненты могут быть выполнены посредством применения процессов и материалов, которые сами по себе известны. В формуле изобретения и описании слово «содержащий(ая)» не исключает другие элементы, а признак единственного числа не исключает множество. Любые обозначения позиций в пунктах формулы изобретения не следует считать ограничивающими объем его притязаний. Также ясно, что все возможные комбинации признаков, описанные в формуле изобретения, являются частью этого изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
101 Электрическая водонагревательная система
102 Емкость
103 Внутренняя стенка емкости
104 Нагревательный элемент
105 Анодный элемент
106 Катодный элемент
107 Источник питания постоянного тока
108 Мешалка
109 Средство привода
110 Внутреннее накопительное пространство емкости
111 Блок управления
112 Соединение между блоком управления и нагревательным элементом
113 Соединение между блоком управления и источником питания постоянного тока
201 Электрическая водонагревательная система
202 Полый корпус
203 Внутренняя стенка
204 Нагревательный элемент, выполненный как единое целое с катодным элементом
205 Анодный элемент
206 Катодный элемент
207 Источник питания постоянного тока
211 Блок управления
212 Соединение между блоком управления и нагревательным элементом
213 Соединение между блоком управления и источником питания постоянного тока
401 Электрическая водонагревательная система
402 Полый корпус
403 Внутренняя стенка
404 Нагревательный элемент, выполненный как единое целое с внутренней стенкой
405 Анодный элемент
406 Катодный элемент, выполненный как единое целое с внутренней стенкой
407 Источник питания постоянного тока
411 Блок управления
412 Соединение между блоком управления и нагревательным элементом
413 Соединение между блоком управления и источником питания постоянного тока
414 Граница между нагревательным элементом и остальной частью внутренней стенки.