Аккумуляторный водонагреватель с регулируемой катодной защитой - RU2365681C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к аккумуляторному водонагревателю, предпочтительно электрическому аккумуляторному водонагревателю с двойной катодной защитой и устройствам, необходимым для обеспечения упомянутой двойной катодной защиты.

Настоящее изобретение также относится к способу защиты резервуара водонагревателя из черного металла от электрохимической коррозии.

Резервуар аккумуляторного газового или электрического водонагревателя обычно изготавливают из черного металла, покрытого слоем эмалевого глазурованного, оцинкованного или синтетического материала, при этом внутри резервуара обычно помещается нагревательный элемент (жаровая труба или электрические сопротивления), и он имеет оболочку с одним или несколькими датчиками температуры, которыми управляют термореле, обеспечивающие регулирование температуры и защиту.

Внутри резервуара также часто помещается устройство катодной защиты для предотвращения коррозии металлического резервуара.

Устройством катодной защиты может являться "расходуемый анод", представляющий собой анод (обычно магниевый) для защиты резервуара из черного металла.

В качестве альтернативы, катодная защита может быть обеспечена за счет применения системы катодной защиты с подаваемым током, которая состоит из электрода, установленного внутри резервуара (действующего как анод), и в которой между резервуаром (действующим как катод) и находящимся внутри электродом требуется прикладывать более высокое напряжение, чтобы снизить электрический потенциал резервуара (т.е. чтобы он достиг достаточно отрицательного и достаточно высокого абсолютного значения) на величину, необходимую для предотвращения коррозии.

В европейском патенте ЕР 1426467 указано, что подаваемый ток необходимо соответствующим образом регулировать в соответствии с рабочим состоянием водонагревателя, и рекомендованы наиболее приемлемые способы достижения данного результата; более точно, в этом документе указано, что ток, подаваемый на активные электрические сопротивления, превышает ток, необходимый для неактивных сопротивлений.

Вместе с тем, известно, что подаваемый ток вызывает образование водорода вследствие водного гидролиза, хотя это маловероятно, поскольку абсолютное значение потенциала, необходимого для обеспечения защиты от коррозии, обычно, но не всегда значительно меньше, чем это необходимо для образования значительных количеств водорода; в алгебраическом выражении это означает, что отрицательный потенциал, обеспечивающий необходимую защиту, обычно гораздо больше потенциала, вызывающего значительный гидролиз.

Все эти устройства и, в особенности, устройства, используемые в водонагревателях, с практической целью предпочтительно, но необязательно установлены на одном замыкающем фланце резервуара, что описано в соответствующем варианте осуществления настоящего изобретения.

Известные в настоящее время устройства для защиты от коррозии имеют несколько недостатков и ограничений с точки зрения эффективности.

Несмотря на простоту и низкую первоначальную стоимость устройств катодной защиты на основе расходуемых анодов, их недостатком является необходимость регулярного контроля износа и своевременной замены износившихся расходуемых анодов.

Недостатком систем катодной защиты с подаваемым током является то, что они обеспечивают защиту водонагревателя, только пока он включен, но не обеспечивают какой-либо защиты при отсутствии питания (обычно, когда не включено питание водонагревателя, что происходит, когда его устанавливают или заполняют водой в построенных, но еще не заселенных жилых помещениях).

Задачей настоящего изобретения является преодоление по меньшей мере части известных недостатков аккумуляторных водонагревателей и, более точно, преодоление описанных выше недостатков.

Задача изобретения решена за счет водонагревателя по п.1 и способа защиты изготовленного из черного металла резервуара водонагревателя от коррозии способами по п.п.15, 18, 19 и 20.

Дополнительные преимущества изобретения могут быть обеспечены за счет дополнительных особенностей согласно зависимым пунктам.

Далее описан возможный вариант осуществления изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

На фиг.1 схематически показано поперечное сечение нагревателя согласно первому варианту осуществления,

на фиг.2 схематически показано поперечное сечение нагревателя согласно первому варианту осуществления,

на фиг.3 показана блок-схема согласно первому варианту осуществления,

на фиг.4 показана блок-схема согласно второму варианту осуществления.

На всех приложенных чертежах позицией 1 обозначен аккумуляторный водонагреватель, включающий резервуар 2 из черного металла с металлическим фланцем 3, который прикреплен к нему болтами.

Резервуар 2 включает устройства 4, 5 для защиты от коррозии для снижения электрического потенциала резервуара 2 и его защиты от электрохимической коррозии.

Упомянутые устройства 4, 5 для защиты от коррозии состоят из расходуемого анода 4, который электрически соединен с резервуаром 2, и анода 5 с подаваемым током, электрически изолированного от фланца 3 изолирующими устройствами 10 и управляемого источником 6 питания, обеспечивающим электроэнергию, необходимую для катодной защиты упомянутого резервуара 2.

Также предусмотрено термореле Т с датчиком температуры 7, помещающимся внутри оболочки 8, которое включает и выключает нагревательный элемент (в данном случае, электрическое сопротивление 9).

В описанных вариантах осуществления электрическое сопротивление 9, помещающееся внутри резервуара, нагревает воду, находящуюся в резервуаре.

Для специалистов в данной области техники ясно, что настоящее изобретение также относится к газовым аккумуляторным водонагревателям.

Устройством для защиты от коррозии управляет система управления SC.

Более точно, данная система управления SC способна сохранять значения тока Id, который должен подаваться, когда нагревательный элемент (в частности, электрическое сопротивление 9) выключен; система управления также выполняет описанные далее функции памяти и обработки, необходимые, чтобы по меньшей мере изменить упомянутое значение подаваемого тока Id согласно предложенным в настоящем изобретении способам.

Упомянутая система управления SC может также выполнять дополнительные функции обработки, применимые для осуществления операций, описанных в ЕР 1426467, и, более точно, вычислять значение тока Iа, который должен подаваться, когда нагревательный элемент (и в частности, электрическое сопротивление 9) включен.

Сочетание расходуемого анода 4 и анода 5 с подаваемым током обеспечивает катодную защиту резервуара 2 как при включенном, так и отключенном от источника питания водонагревателе 1 и одновременно уменьшает частоту проведения технического обслуживания устройств катодной защиты, что увеличивает срок службы резервуара 2.

Расходуемый анод 4 состоит из менее благородного металла, чем металл резервуара 2, чтобы обеспечить непрерывный электрический ток в направлении от расходуемого анода 4 к резервуару 2 через воду в резервуаре и гальваническую катодную защиту резервуара.

При условии, что резервуар 2 изготовлен из черного металла, расходуемый анод 4 может состоять из магния (Мg).

Источник 6 питания создает разность потенциалов между анодом 5 с подаваемым током и резервуаром 2, действующим как катод, и обеспечивает постоянный ток между анодом 5 с подаваемым током и резервуаром 2 через воду, содержащуюся в самом резервуаре 2.

Для приложения отличающегося потенциала анод 5 с подаваемым током, разумеется, электрически изолирован от резервуара 2 изолирующими устройствами 10.

Анод 5 с подаваемым током предпочтительно состоит из титана (Ti).

Еще более предпочтительным является использование покрытого титаном анода 5, как это известно из уровня техники, со слоем смешанных окислов металлов для повышения электропроводности анода.

Водонагреватель 1, предложенный в настоящем изобретении, защищен от коррозии при нормальных условиях работы за счет того, что источник 6 питания подает соответствующее питание на анод 5 с подаваемым током.

При недоступности источника питания резервуар 2 защищается расходуемым анодом 4.

В первом варианте осуществления, показанном на фиг.1, расходуемый анод 4 соединен прямым электрическим соединением с резервуаром 2, которое проиллюстрировано на фиг.1 силовым кабелем 11, но предпочтительно реализовано за счет металлического устройства, которым расходуемый анод 4 прикреплен к фланцу 3, и устройства, которым фланец 3 прикреплен к резервуару 2.

В данном случае расходуемый анод 4 способен, хотя и в ограниченной степени, способствовать катодной защите, даже когда анод 5 с подаваемым током работает; вместе с тем, если анод 5 прилагает электрический потенциал, превышающий электрохимический потенциал расходуемого анода 4, он ограничивает расход расходуемого анода 4.

Во втором варианте осуществления, показанном на фиг.2, расходуемый анод 4 установлен на фланце 3, который электрически изолирован от резервуара 2 электрической изоляцией 12, а электрическое соединение между расходуемым анодом 4 и резервуаром 2 обеспечивает силовой кабель 11 и переключатель 13, управляемый системой управления SC.

За счет этого можно размыкать электрическое соединение между резервуаром 2 и магниевым анодом 4 (когда генератор 6 прилагает электрический потенциал между анодом 5 с подаваемым током и резервуаром 2), прерывая расход расходуемого анода 4 во время работы анода 5 с подаваемым током.

Предпочтительно водонагреватель должен быть оснащен устройствами, применимыми для измерения расхода расходуемого анода 4.

В первом варианте осуществления способа измерения водонагреватель может включать, как это показано на фиг.1, вольтметр для сравнения напряжения резервуара 2 с напряжением контрольного электрода, когда источник 6 питания выключен.

Предпочтительно контрольный электрод должен представлять собой анод 5 с подаваемым током.

В первом варианте осуществления, показанном на фиг.1, измеряют напряжение V между резервуаром 2 и анодом 5 с подаваемым током.

Во избежание помех при снятии показаний предпочтительно, чтобы измерения в электрических водонагревателях осуществлялись при каждом выключении термореле (т.е. в промежутке времени между выключениями термореле, который обычно называют "циклом терморегулирования"), иными словами, когда электрические сопротивления не действуют.

Система управления SC измеряет разность потенциал Vs после того, как переключатель 15 выключил источник 6 питания, соответствующий переключатель 16 включил вольтметр 14 и истек заданный временной интервал m с момента последнего выключения нагревательного элемента (электрического сопротивления 9 в приведенных примерах).

Затем разность потенциалов Vs сравнивают с контрольным значением V₀ и сохраняют в памяти.

Если разность потенциалов Vs превышает контрольное значение V₀, данное событие сохраняют в системе управления SC и завершают процедуру.

Если разность потенциалов Vs превышает контрольное значение V₀ в течение n следующих подряд процедур, приводится в действие предупредительный сигнал, означающий, что расходуемый анод 4 требует замены.

Контрольное значение V₀ предпочтительно составляет - 1,5 В.

Заданный интервал m предпочтительно составляет по меньшей мере 15 минут.

Данная процедура проиллюстрирована в левой части блок-схемы на фиг.3.

Во втором варианте осуществления, показанном на фиг.2, вольтметр 14, установленный на электрическом соединении 11 между расходуемым анодом 4 и резервуаром 2, может быть заменен или объединен с амперметром 17 для измерения электрического тока в заданном диапазоне (примерно 0-20 миллиампер).

Амперметр 17 измеряет электрический ток во время работы расходуемого анода 4, чтобы получить информацию о степени износа расходуемого анода.

Для проверки степени износа расходуемого анода необходимо выключить источник 6 питания анода 5 с подаваемым током при помощи переключателя 15.

Ток, поступающий с расходуемого анода 4 в резервуар 2, предпочтительно измеряют по истечении заданного временного интервала m, составляющего по меньшей мере 15 минут с момента выключения анода с подаваемым током.

По истечении упомянутого временного интервала m амперметр 17 измеряет ток Is между резервуаром 2 и расходуемым анодом 4.

Затем ток Is сравнивают с контрольным значением Is_ref и сохраняют в памяти.

Если ток меньше контрольного значения Is_ref, описанные выше стадии повторяют n раз.

Если ток меньше контрольного значения Is_ref в течение n раз, приводится в действие предупредительный сигнал, означающий, что расходуемый анод 4 требует замены.

Контрольное значение Is_ref предпочтительно составляет величину в пределах от 0 до 3 миллиампер.

Заданный временной интервал m предпочтительно составляет 15 минут.

Данная процедура проиллюстрирована в левой части блок-схемы на фиг.4.

В обоих вариантах осуществления способа, который используют для контроля износа расходуемого анода 4, предупредительный сигнал о необходимости замены расходуемого анода 4 подается до тех пор, пока анод не будет заменен, и также подается сигнал о необходимости держать включенным источник питания, чтобы обеспечить защиту резервуара 2 с подаваемым током.

Предупредительные сигналы отключаются после замены анода.

Также предпочтительно предусмотреть периодическое регулирование и настройку параметров подаваемого тока Id путем приложения электрического потенциала между резервуаром 2 и анодом 5 с подаваемым током.

Это регулирование и настройка параметров подаваемого тока Id также полезны при отсутствии расходуемого анода.

Во-первых, регулирование и настройка параметров подаваемого тока Id может включать присвоение наиболее приемлемого значения рабочего тока Id аноду 5 с подаваемым током.

Упомянутые операции регулирования и настройки осуществляют, когда электрическое сопротивление выключено, при этом их можно начинать немедленно после выключения термореле Т, то есть в конце цикла терморегулирования.

Для измерения потенциала Vi между анодом 5 с подаваемым током и резервуаром 2 используют вольтметр 14.

Затем измеренный потенциал Vi сохраняют и сравнивают с контрольным значением V₁.

Если потенциал Vi превышает (в алгебраическом смысле) контрольное значение V₁, значение подаваемого рабочего тока Id, предусмотренное при выключенном нагревательном элементе, увеличивают на заданную величину ΔId, или уменьшают потенциал Vi на заданную величину ΔVi, что технически равнозначно.

Увеличение подаваемого тока Id повторяют до тех пор, пока потенциал Vi не будет ниже, чем V₁.

Если потенциал Vi ниже контрольного значения V₁, потенциал Vi сравнивают со вторым контрольным значением V_H, отображающим предел, ниже которого существует опасность образования значительного количества водорода.

Если потенциал Vi выше второго контрольного значения V_H (т.е. отсутствует опасность образования водорода), значение рабочего тока Id поддерживают на уровне последнего присвоенного значения; система управления SC завершает регулирование и настройку параметров подаваемого тока Id и возобновляет ее по истечении заданного периода времени (т.е. после p срабатываний термореле), который считается достаточно коротким по сравнению с возможными изменениями требуемых условий защиты.

Если потенциал Vi ниже второго контрольного значения V_H (т.е. существует опасность образования водорода), рабочий ток Id переустанавливают на предпоследнее присвоенное значение; регулирование и настройку параметров подаваемого тока Id завершают и возобновляют, как это пояснено выше, по истечении заданного периода времени.

В последнем случае значение Id достаточно для обеспечения эффективной защиты, поскольку потенциал Vi почти соответствует оптимальному значению.

С течением времени защита становится даже еще более эффективной, поскольку известковый осадок, со временем образующийся в водонагревателе, уменьшает ток, необходимый для выполнения данного условия.

Для резервуаров с эмалевым глазурованным покрытием значение рабочего тока Id при выключенном нагревательном элементе предпочтительно составляет 6 миллиампер, а значение рабочего тока Iа при включенном нагревательном элемент составляет 9-12 миллиампер.

Для резервуаров с эмалевым глазурованным покрытием контрольное значение Vi потенциала предпочтительно составляет - 1,8 В, а второе контрольное значение V_H потенциала составляет - 2,5 В.

Для принятия решения о том, когда следует включить источник 6 питания и вольтметр 14, например, через каждые р срабатываний термореле, также можно использовать электронную схему.

Данная процедура также проиллюстрирована в правой части блок-схем на фиг.3 и 4.

Реферат

Изобретение относится к аккумуляторному водонагревателю и способу защиты резервуара водонагревателя от электрохимической коррозии. Аккумулятор включает металлический резервуар, нагревательный элемент, терморегулирующие устройства, устройства катодной защиты с подаваемым током от источника питания, систему управления для регулирования источника питания и расходуемый анод. Способ включает измерение потенциала резервуара при выключенном нагревательном элементе, сохранение измеренного значения потенциала, сравнение измеренного значения с первым контрольным значением и, если потенциал превышает контрольное значение, то значение подаваемого рабочего тока увеличивают на заданную величину и уменьшают потенциал до тех пор, пока потенциал не станет ниже контрольного значения, сравнивают измеренный потенциал со вторым контрольным значением и если упомянутый потенциал выше контрольного значения, то поддерживают последнее значение рабочего тока, полученное в результате последовательного увеличения. Технический результат: повышение эффективности защиты от коррозии. 5 н. и 23 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула