用於加熱流體的裝置的製作方法

2023-05-14 17:28:41

專利名稱：用於加熱流體的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於加熱流體的裝置，其具有外殼，該外殼包括外殼身、外殼底和外殼蓋，該裝置還具有用於流體的至少一個入口和至少一個出口，其中在外殼中彼此有間距地設置至少兩個電極，特別是至少一個陽極和至少一個陰極，這些電極與至少一個脈衝發生器的各一個極導電地連接；還涉及一種供暖設備，其包括至少一個用於第一流體的輸送裝置，至少一個用於加熱流體的裝置，至少一個換熱器，在該換熱器中將所生成的熱量從所述流體傳遞給其它的流體；以及還涉及用於加熱流體的裝置的應用。
背景技術：
在現有技術中用於電加熱的方法已經廣為人知。這些方法可以細分 為電阻加熱、電弧加熱、感應加熱、介質加熱、電子加熱、雷射加熱和混合加熱。這樣例如由RU 21 57861C公知了一種用於獲得熱能、氫和氧的設備，該設備以物理化學技術為基礎。這個裝置包括由絕緣材料構成的外殼，該外殼設置有一個帶通孔的、澆鑄的筒狀錐形凸臺，該凸臺與外殼共同構成陽極室或者陰極室。陽極被構造成帶有開口的扁平的環，置於陽極室內並且與電源的正極相連接。杆形的陰極由耐高溫的材料構成並且被插到一個絕緣的外螺紋杆內，藉助該外螺紋杆陰極可以通過外殼中的螺紋孔在端蓋通孔中同心地且與電源的負極相連接地插到中間電極腔內。用於工作液的輸入口接管位於陽極室的中間部分中。迄今為止已知的用於固體、液體和氣體的電加熱的方法和裝置的不足之處在於加熱過程的高能量強度。這首先體現在低效率方面。

發明內容
因此本發明的目的是，提供一種更經濟的用於加熱流體的可能性。本發明的這個目的分別獨立地通過開頭所述用於加熱流體的裝置、供暖設備以及根據本發明的裝置為房屋供暖的應用得以實現，其中，脈衝發生器構造為用於發出可變的電壓脈衝，並且供暖設備包括至少一個根據本發明的用於加熱流體的裝置。通過為流體加載的電壓脈衝在系統中、即在流體的分子結構中激發分子的振動行為。由此破壞了分子在流體中存在的秩序，其中，分子致力於再次建立與流體的相應溫度有關的秩序狀態。可觀察到如脈衝發生器構造為用於發出可變的電壓脈衝，而不是隨時間導入同樣的脈衝、即具有恆定振幅和/或恆定脈衝持續時間的電壓脈衝，則能夠藉助電壓脈衝來提高加熱流體的效率。通過這種可變性，始終破壞流體的試圖在系統中建立特定秩序的行為。由此能夠提高裝置的效能。有利的是脈衝發生器生成這樣的電壓脈衝，其振幅選自下限為330V，特別是500V且上限為1500V，特別是1200V的範圍。如將水用作熱載體介質，即用作流體，則正是所述範圍對於改善水的加熱是有利的。為了避免在流體中建立分子的特定的秩序狀態，也可作如下設置脈衝發生器包括隨機數發生器，其可設計為硬體式的或軟體式的，藉助其能夠將電壓脈衝設計為可變的。
根據一種優選的實施變型設置如下脈衝發生器生成這樣的電壓脈衝，其具有至少25ν/μ s的陡峭的上升邊坡。為此藉助一種優選的實施變型將脈衝發生器構造為用於發出矩形的電壓脈衝。通過脈衝的用於達到最大振幅的陡峭的上升邊坡，能量被「爆炸式地」輸入系統、即輸入流體，由此能夠更好地避免分子的過早的重建並由此能夠實現更高的能
量輸出。可以如此構造脈衝發生器，使其發出這樣脈衝頻率的電壓脈衝，該脈衝頻率選自下限為20Hz，特別是800Hz，優選2530Hz且上限為20kHz，特別是I IkHz的範圍，或者發出具有這樣脈衝持續時間的電壓脈衝，該脈衝持續時間選自下限為2ns，特別是IOns且上限為10μ S，特別是5μ s的範圍，或者發出具有這樣脈衝間歇時間的電壓脈衝，該脈衝間歇時間選自下限為2 μ S，特別是5 μ s且上限為20 μ S，特別是8 μ s的範圍。因此當水作為流體用作熱載體時，又能夠通過本發明的單個或彼此任意組合的各個實施變型來提高效能。為了避免建立流體的分子的秩序狀態，也可以設置如下脈衝發生器構造為用於 生成可變的脈衝間歇時間，從而使電壓脈衝加載在可變的頻率中完成。有利的是,在反應室內設置有至少一個另外的電極,優選至少兩個另外的電極，這個或者這些電極與能量源導電地連接，從而通過反應室內的這個(些)附加的電極，離子被釋放到流體中，由此能夠有針對性地影響流體的傳導能力並且由此能夠使電壓脈衝通過陰極和陽極傳入流體內以加熱所述流體得以改善，這不同於在流體內加入導電鹽，儘管由此同樣可以影響傳導能力，但是與所添加的導電鹽的濃度相關，傳導能力由此有確定的值。與此不同，通過兩個另外的電極，傳導能力是可控制的或者可調節的。如果在供暖設備中使用根據本發明的裝置，這一點特別具有優越性，因為在內部設置有所述裝置的這種供暖設備的初級環流中在初次投入運行後一般情況下會構成一個封閉的系統，壓力平衡或者過壓保護除外。通過用本發明，即使是在運行期間也可以從外部對傳導能力施加影響，此處提供一種以較高的效率運行所述裝置的可能性。優選另外的電極或至少兩個另外的電極由以下材料構成，該材料選自包括PcUPt、Ti、Rh、Au、Ag、Ni、Cu、Ir、Fe、V、Nb、Ta和它們的合金的組，特別是由這些元素中的至少兩種共同構成的合金的組，其中，優選元素Pd、Pt、Ti、Rh和合金。由此在裝置中實現較好的系統穩定性，特別是在至少一個另外的電極的耐用度方面。還令人意想不到的是發現裝置的效率，即，加熱功率，與由其它材料構成的電極相比得到改善。優選另外的電極或兩個另外的電極中的至少一個設置在陽極或者陰極的區域內。通過另外的電極或者另外的電極中的至少一個的這種布置結構實現了 在反應室中被加載電壓脈衝的流體已經在加載電壓脈衝後迅速地進入兩個另外的電極的至少一個的區域，其中，流體的分子由於電壓脈衝加載到這個區域內而依然具有較高的能態或者較高的內能，從而改善了離子通過兩個另外的電極的生成，其中，作為對此的補充出現了如下的效果傳遞到流體的分子上的能量的一部分被用於生成離子而不是用於部分蒸發流體，從而能夠在流體中更好地避免毫米量級的較大的氣泡或者汽泡的構成，這些泡會妨礙裝置的效率，即效能。已經得到實際驗證如果至少兩個另外的電極之間的間距為由外殼限定的反應室的長度的至少10%，特別是至少25%，則具有優勢。長度在此可以理解為沿該反應室的縱向中間軸線的方向並且由如下的區域構成在該區域內設置有至少一個陽極和至少一個陰極。通過兩個另外的電極的這種幾何定位，通過使在外殼中，即反應室中具有用於流體均勻化的足夠大的混合段或者足夠大的容積，能夠實現源自電極的離子在流體中的更好的均勻化。此外還能夠由此在這兩個電極之間施加相對微弱的電壓，從而不會對陽極與陰極之間的電壓脈衝生成產生不利影響。還可以設置如下另外的電極或至少兩個另外的電極構造為棒狀的，其直徑最大為至少一個陰極的最小尺寸的30%，特別是最大為20%。一方面這個(些)電極由此需要相對小的空間，另一方面通過另外的電極的與此相關聯的小的表面更好地阻止了流體中離子濃度過大的發生，從而使裝置可以得到更好的控制，因為可能·出現的電參數的微弱的波動對流體沒有本質的影響，用所述電參數運行另外的電極或者兩個另外的電極。在優選的實施變型中，用於至少兩個另外的電極的能量源為穩壓電源，以由此在系統中實現離子的連續生成。根據另一種實施變型設置如下在電流強度選自下限為2000A，特別是4000A，且上限為8000A，特別是6000A的範圍的情況下，另外的電極或者至少兩個另外的電極在電解液中用如下電壓脈衝來進行活化處理，該電壓脈衝具有選自5V至50V，特別是IOV至20V的範圍的振幅，優選具有15V (直流電);且具有選自I μ s至10μ S，特別是3μ s至5 μ S的範圍的脈衝持續時間。通過這種被活化處理的表面能夠實現兩個另外的電極的明顯改善的效能，且由此能夠實現裝置的效率的提高。此外還有利的是反應室內，即裝置內包含的流體為水並且在該水中包含有電解質，從而由此已經獲得了流體的一定的基本傳導能力並且由此能夠降低兩個另外的電極的能量消耗。優選電解質包含有矽酸鈉(Na2Si03)、至少一種鹼液，特別是Κ0Η、蒸餾水或去離子水，以及必要的情況下Na2S03和/或K2S04，通過這種方式一方面可以看到在通過兩個另外的電極生成離子方面的優點，並且另一方面由此也使裝置中包含有對環境無害的電解質。至少兩個另外的電極可以沿外殼的縱向延伸的方向地且彼此同軸地設置在外殼中，由此能夠實現在電壓脈衝加載後通過兩個電極之間的微小的有效面使流體穩定的優點，所述有效面基本上限制在所述電極的相互對置的端部區域上。為了提高在內部設置有電極的外殼的區域中用電壓脈衝給流體加載的效能，設置如下至少一個電極，特別是陽極，構造為籃子狀的，其中，優選根據另一種實施變型將至少一個電極至少部分地設置在所述籃子狀的電極之內，特別是陰極至少部分地設置在該籃子狀的陽極之內。由此可以實現弓I入的電荷載體在流體內的更加均勻的分布。另外還可以觀察到如果電極之間，特別是陰極與陽極之間的間距為至少5mm，特別是至少7_，裝置的效能以及進一步來說供暖設備的效能能夠得到提高。特別是這一點還對在流體中的小泡構成具有重要意義。在根據本發明的裝置的優選實施變型中，外殼身構造為筒狀的，通過這種方式由於避免了稜邊等以及由此避免了流體內的渦流而能夠實現流體的有利的流動行為。還可以設置如下至少一個電極相對另外的電極，特別是陽極相對陰極和/或陰極相對陽極在外殼內可調整地設置。由此具有如下可能性電極之間的間距即使在裝置運行期間也可以被再校準，以由此提高根據本發明的裝置的效能。
另外還可以設置如下在反應室內設置有至少一個雷射器。能夠用該雷射器實現使源自兩個另外的電極或者添加的電解質的離子活化，通過這種方式能夠改善流體的傳導能力並且由此能夠提高電壓脈衝輸入流體的效能。優選雷射器發射選自下限為300THZ，特別是410THZ且上限為550THz，特別是490THz的範圍的頻率的光。此處還可以設置如下雷射器與生成間歇性的光的裝置相連接，其中，根據一種實施變型該雷射器發射光脈衝，該光脈衝的脈衝持續時間選自下限為20μ S，特別是33μ s且上限為100μ S，特別是50μ s的範圍。與具有由發光二級管發射的間歇性的光的本發明的實施變型相類似，在實際中具有如下發現間歇性的雷射射線，特別是選自給定範圍的頻率的雷射射線能夠提高裝置或者供暖設備的加熱功率。
脈衝發生器優選設置有調節和/或控制模塊，以由此實現供應給流體的電壓脈衝，特別是電壓脈衝的形狀的更高的精度。為此可選地，脈衝發生器出於相同目的也可以與外部的調節和/或控制裝置連接。根據供暖設備的優選的實施變型，換熱器構造為加熱體，從而使該供暖設備被設計為特別用於加熱房屋的室內空氣。


為了更好地理解本發明，參照後附的附圖進一步闡述本發明。在簡化的示意性示圖中分別示出圖I :用於加熱流體的裝置的實施變型；圖2 :供暖設備；圖3 電壓脈衝圖形的一種變型；圖4 :用於兩個另外的電極的材料選擇對裝置的效率的影響；圖5 :兩個另外的電極的活化對裝置的效率的影響；圖6 :將可變的電壓脈衝供應到流體中對效率的影響。
具體實施例方式首先要說明的是在不同描述的實施方式中相同部件被標註相同的附圖標記或者相同的構件名稱，其中，所有的說明書中包含的公開內容按照意義能夠轉引在具有相同的附圖標記或者相同的構件名稱的相同部件上。此外在說明書中所選用的位置表述，諸如上、下、側等等也是針對直接描述的以及示出的附圖而言並且在位置變化時按照意義轉指新的位置。圖I示出根據本發明的用於加熱流體的裝置1，優選加熱水。該裝置包括外殼2，該外殼包括一個外殼身3以及一個外殼底4和一個外殼蓋5。外殼2,就是說外殼身3和/或外殼底4和/或外殼蓋5優選由絕緣材料製成，例如由塑料製成，諸如聚乙烯(ΡΕ)、聚丙烯(ΡΡ)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、有機玻璃等。如從圖I可以看出的那樣，不論是外殼底4還是外殼蓋5通過各一個外殼身3內的內螺紋-該外殼身3的兩個端部區域7、8的每一個配置有各一個螺紋6-或者外殼底4上以及外殼蓋5上的相應的外螺紋與外殼身3旋接，這樣外殼底4或者外殼蓋5從外殼身3可移除地設置在該外殼身內。當然也可以通過將外殼底4或外殼蓋5簡單地推到外殼身3中代替旋接來實現這種可移除性，其中在這種實施變型中應該注意的是相應的密封性例如通過設置密封環或者類似的諸如O型環得以實現。而此外還可以將外殼底4和/或外殼蓋5通過壓配合設置在外殼身3中或採用其它的方法與該外殼身不可拆地相連，例如通過焊接等。而還可以設置如下只有外殼底4或只有外殼蓋5是從外殼身3可移除的。另外可以將外殼2構造為與外殼底4和/或與外殼蓋5是一體的。在圖I所示的裝置I的實施變型 中，外殼2被構造成筒狀的。當然還存在如下的可能性外殼2-儘管筒狀的構造能夠降低反向作用於通過裝置I輸送的流體9，特別是水的流動阻力-可以具有其它的空間形狀，例如立方體等。外殼蓋5沿縱向中間軸線10具有一個例如孔形式的空隙，該空隙起用於流體9流入裝置I、即裝置I的反應室12的入口 11的作用。在外殼底4中設置有一個軸向孔式的出口 13，以由此保障流體9從反應室12中流出。而不論是入口 11還是出口 13還可以位於裝置I的外殼2中的其它位置，例如在外殼身3中，或者徑向地位於外殼底4或外殼蓋5中，以由此使流入的流體9切向流動。在必要的情況下，還可以設置多於一個的入口 11和/或多於一個的出口 13，其中開口可以是沿軸向和/或沿徑向的，即，例如一個或多個入口 11沿軸向且一個或多個入口11沿徑向和/或一個或多個出口 13沿軸向且一個或多個出口 13沿徑向。在反應室12內設置有至少一個陽極14和至少一個陰極15。如在圖I中所示出的那樣，陽極14優選構造成籃子狀的並且至少一個陰極15至少部分地設置在由陽極14限定的空間內部。為了使流體9更加容易流過，陽極14可以在朝向外殼底4的端部區域16內設置有一個或者多個穿孔17，這些穿孔優選沿徑向定向，這樣流體9被轉向沿垂直於縱向中間軸線10的方向離開反應室12內由陽極14限定的區域。但是還有如下的可能性陽極14構造成柵狀的，或者作為一個穿孔17或者多個穿孔17的可選方案或者附加方案，也可以在陽極14朝向容器底部4的部分中，也就是在籃子狀的陽極14的「底部」中構造這樣的穿孔。為此在一種實施變型中具有如下可能性陽極14如同陰極15 —樣構造成棒形的。也可以設置多個陽極14和陰極15，其中，在這種情況中優選交替地設置陽極14和陰極15，這樣構成成對的陽極14和陰極15。至少一個陽極14與脈衝發生器20的正極18導電地連接，且至少一個陰極16與脈衝發生器的負極19導電地連接。陰極15與陽極14之間的間距25為至少5mm,特別是至少7mm。如圖I所示出的那樣，在具體的實施變型中陽極14在反應室12內與外殼底4有間距地設置。為了實現這個間距，在外殼底4上，在用於流體9從反應室12中流出的排出口 13的區域內設置有一個圓頂形的頂蓋21，該頂蓋可以用作至少一個陽極14用的高度調整裝置。特別地，該頂蓋21又構造成旋轉對稱的、栓形的並且固定在外殼底4中的中心孔22中。但是所述頂蓋21也可以具有其它的幾何形狀，例如稜柱狀的，這樣可以按照所述頂蓋21的外周來設計所述孔22。另外還可能的是所述頂蓋21並不伸入至外殼底4中，而是安放在這個外殼底上，例如與該外殼底粘接，或通過其它類型的連接技術與外殼底4相連接，諸如焊接。在本實施例中所述頂蓋21設置有外螺紋23，該外螺紋與孔22的內螺紋24嚙合。因此能夠實現對所述頂蓋21進行一定的高度調整，從而使陽極14與陰極15之間的間距25，也就是說在本實施變型中的陰極14沉入籃子狀的陽極14內的深度是可調節的。除了頂蓋21的這種可旋入性和可旋出性，還可以將該頂蓋構造成在孔22中是可移動的並且由此同樣實現所述間距25的可調節性。在縱向中間軸線10的延伸中，所述優選同樣由絕緣的材料構成的頂蓋21具有一個並非沿縱軸線10的方向貫通的開口 26，該開口沿流體9的流動方向(箭頭27)設置在外殼底4中的開口 10之後。在外殼底4的區域內，在頂蓋21中設置有至少一個徑向孔28，通過該徑向孔流體9可以從反應室12中流出。然而也可能的是出口 13不是構造在外殼底的中心，而是為偏·心的並且在頂蓋21在外殼底中的容納處的旁邊，這樣可以放棄所述徑向孔28。然而最先提到的變型的優點在於能夠延長流體9在反應室12內的停留時間，這一點在本發明中有利於流體9的穩流。另外還可以在頂蓋21內高低錯落地設置多個徑向孔28。對此在一種實施變型中具有如下可能性外殼底4與頂蓋21被一體地構造，其中，必要時能夠通過外殼底4在外殼身3中的可旋入性實現高低可調整性且由此實現間距25的可調整性。陽極14也可以如此構造使其至少部分地圍住頂蓋21。向下，就是說向著外殼底4的方向，陽極14在該變型中可以通過一個相應的固定裝置，例如螺母或環繞的連接板或類似的裝置而固定在其高度位置中。在最簡單的情況下陽極14可移除地放置在該固定裝置上。而所述陽極當然可以與所述固定裝置相連接。另外還存在如下的可能性陽極14雖然被構造成籃子狀的，但是僅向外殼底4的方向延伸。在這種情況下陰極15具有平行於陽極14的底部延伸的延伸面，與圖I中的該面的垂直定向相比，該陰極基本上也能夠以其有效面而被僅僅水平地安裝。在具體的實施變型中，陰極15同樣被構造成筒狀的。該陰極15同樣被固定在外殼蓋5的軸向孔29內，其中，該軸向孔29所具有的直逕自然大於用於流體9的入口 11的直徑。優選所述陰極15構造成可旋入軸向孔29的或者該陰極可以是可插入的。另一方面，當然可以將陰極15與外殼蓋5不相對運動地(bewegungsfest)連接。為了能夠使流體9進入反應室12，所述陰極15可以具有沿流體9的流動方向(箭頭26)的、中心的、貫通的孔30，該孔與入口 11相連接。此處要說明的是如果在具體的說明中提到一個孔的話，當然具有如下的可能性，即，當被置入其中的物體具有其它的幾何形狀時，這些孔一般情況下是指具有相應匹配的橫截面的空隙。但是陰極15還可以全部或部分地沿徑向由外殼蓋5所覆蓋，從而在這種情況下有利的是如在圖I中用虛線所示意的那樣，在外殼蓋5中設置有具有大於軸向孔29的直徑的直徑的相應的孔或者空隙，以由此在陰極15的區域內構造陰極室。外殼蓋5還可以向著反應室12的方向覆蓋陰極15。還能夠在外殼蓋5中偏心地構造至少一個入口 11，這樣流體可以不流經陰極15且因此不流經軸向孔29。另外還可能的是陰極15在下側的、指向容器底部4方向的端部區域內被構造成封閉的並為此為了流體9流出而進入反應室12而在該陰極15中設置至少一個徑向孔。如已經提到的那樣，可以在反應室12內設置多個單獨的陽極14以及多個單獨的陰極15，例如以電極板或者柵形的電極的形式，其中，這些電極在必要時可以構成束。一般情況下陽極14與陰極15可以沿流體9的流動方向一個接一個地或者並排地設置。
此外還可能的是外殼底4和/或外殼蓋5不是設置在外殼身3的內孔中，而是與此相反地以插塞蓋或螺旋蓋5的方式被構造成從外側搭接所述外殼身3。反應室12的大小是可變化的，特別是鑑於所希望的裝置I的加熱功率，該加熱功率例如可以為5kW至40kW。此外，由此還能夠影響反應室12自身內的流體9的流速。外殼底4和/或外殼蓋5可以在它們的外端上具有接管狀的突起部，以例如簡化熱發生器I與熱循環或者類似裝置的連接。為此外殼底4和外殼蓋5的這些接管狀的突起部可配備相應的螺紋。當然可以採用帶有鎖緊螺母或者類似部件的通常的螺紋連接，例如錐面螺紋管接頭(Hollaenderverschraubung)，如其在加熱領域眾所周知的那樣。此外，根據一種實施變型對此還可能的是頂蓋21穿過外殼底4並且由此從外部，就是說從反應室12的外部是可操作的，以例如事後對陽極14與陰極15之間的間距25的水平進行修正或者以還能夠實現從外部的可調節性。另外還可能的是陰極15如同陽極14那樣也設置成高度可調整的，或者只有陰極15被構造成在其相對陽極14的位置中是可調節的。另外需要提一下可調整性當然也可以是馬達驅動的，而不必只通過手動完成，為此所述頂蓋21例如可以配置相應的驅動裝置。該驅動裝置可以構造成微電子的，因為只要在初次運行中陽極14與陰極15之間的正確的間距25已經被調節的話，通常情況下在裝置I的運行中調整的絕對值不會太大，而可以僅僅理解為再校準。由此應該僅僅對在可能的情況下可能出現的熱膨脹進行平衡，從而能夠進一步提高或者優化裝置I的效率。可以與裝置I所期望的的功率相關地在下限為7mm且上限為IOcm的範圍內或者在下限為IOmm且上限為5cm的範圍內選擇至少一個陽極14與至少一個陰極15之間的間距25，其中，這個範圍內的能量輸出驚人的大。通常情況下不論是陽極14還是陰極16都由金屬材料構成。陽極14也可以以不同的方式，例如同樣通過容器蓋5固定在外殼中，這樣能夠放棄頂蓋21並且由此使按照電極的反應室12的區域變大或者使外殼可以構造得更加緊湊。另外還具有如下的可能性陽極14支撐在外殼身3的指向縱向中間軸線10的方向的凸出部上。通過將流體9引導流過頂蓋21，流體9的流動方向在輸入口方面也被倒轉。為此可以在陽極14貼靠在頂蓋21上的區域內設置一個輸出口，通過該輸出口流體9被引入陽極14與陰極15之間的區域。在流經該區域之後流體9在容器蓋5的區域內轉向並且通過容器底中的至少一個偏心的流出口又從反應室12中流出。圖2示出的是根據本發明的裝置I的優選可能的應用。該裝置設置在供暖設備31的環流迴路中，例如集中供暖的或者加熱體32的環流迴路中。加熱體32可以由任意的材料，特別是不鏽鋼、銅或者類似的材料構成。另外，裝置I包括脈衝發生器20。當然根據需要可設置其它的裝置，如至少一個泵33、至少一個膨脹箱34、必要的情況下一個氣體吸收器35、過壓保護裝置、控制和測量裝置等等，如其在集中供暖系統領域內的供暖技術方面眾 所周知的那樣。另外在這個供暖循環中當然還可以包含其它的調節單元37。脈衝發生器20可以設計成電子機械式的或電子式的。在電子機械式的實施方式中脈衝發生器包括電動機、電壓脈衝發生器和泵，特別是液壓泵，其中，脈衝發生器20的這些元件按照指定的順序一個接一個地設置在一個共同的軸上。與電子機械式的脈衝發生器20不同，電子式的脈衝發生器20優選被設計成模塊式的，其中，在第一供電模塊中，例如在變壓器中，由電網或其它的能量源諸如蓄電池等提供的電能在電流方面從接地的能量系統分離。對於交流供電的情況，必要時在例如具有傳統的、現有技術中已知的整流元件的整流器模塊中對提供的電能進行整流。與供電模塊或者整流器模塊導電連接有一個供應模塊，通過該供應模塊，連續的直流電壓被轉換為脈衝的直流電壓。然後用該脈衝直流電壓通過陽極14和陰極15使流體9在電極中間室中加載。為了進行調節和/或控制優選設置有調節模塊和/或控制模塊，其由單獨的電容器、電晶體、至少一個絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)構造而成並且例如在一種實施變型中可以實施為印刷電路板的形式。藉助於所述調節模塊和/或控制模塊例如能夠實現對電壓脈衝的脈衝寬度、脈衝持續時間以及重複頻率的調節和/或控制。在此作為調節標準可以考慮根據溫度調節迴路的溫度，其中，所述溫度調節迴路從流體9的溫度中，特別是從流體9在加熱設備31中的額定溫度中獲得該溫度調節迴路的數據。在所述加熱設備31中，如已知的那樣，可以設置例如調溫器作為溫度測針。其它調節技術的輸入值例如可以是化學參數和物理參數，例如流體9的pH值或壓力或者用於流體9的化學填料一例如鹼液一的濃度，或流體9的導電能力。由此不僅可調節電壓脈衝的脈衝形狀還可調節電壓脈衝的振幅，其中還可以調整或者調節來自脈衝發生器20的電壓脈衝的邊坡的陡度(dU/dt)，特別是上升邊坡和/或下降邊坡。因此具有陡峭上升的和平坦的或者平緩下降的邊坡的電壓脈衝是可調節的，特別是矩形脈衝。如已經提到的那樣，這種電子脈衝發生器20可以用直接來自供電公司的電網的原始能量，就是說電流，來供電。但是同樣也可以通過中間電路從任意的電源中供應具有不同頻率的不同的信號形式，並且為此在電子式的脈衝發生器20中應用現有技術中已知的電晶體等，以獲得最終所期望的脈衝形狀。為了避免脈衝發生器20過熱，可以在該脈衝發生器中設置相應的冷卻模塊，例如冷卻片的形式，例如由鋁型材構成。裝置I的作用原理可以概括如下脈衝發生器20與供應網，就是說電網相連接。由該脈衝發生器產生的電壓脈衝通過陽極14和陰極15被傳遞給加熱設備31的環流迴路中的流體9並且在那裡在流體9中產生所期望的熱量。另外流體9用泵35保持流動，該泵一方面可以是電子機械式的脈衝發生器20的構件，或者在採用電子式的脈衝發生器的情況下可以實施為加熱設備31的分開的構件。流體9優選在閉合的迴路中被引導流過加熱設備31的流動裝置並且由此也流過裝置1，特別是流過該裝置的反應室12。
在此要說明的是可以使用其它的換熱器代替加熱體32，例如大面積的板式換熱器、蛇形換熱器等，在這些換熱器中熱量從初級的、由裝置I加熱的流體以已知的方式傳遞給次級流體，以加熱例如房屋、工業設備等等。在此被證明是有利的是在流體9內摻入鹼，從而使該流體具有鹼性的pH值。在此，該PH值可以在下限為7. I且上限為12的範圍內或者特別優選在下限為9且上限為11的範圍內選出。為了實現鹼性的PH值，原則上可以使用任何一種鹼，但是特別優選氫氧化鈉溶液、苛性鈉溶液、氫氧化鈣或碳酸鈣。作為用於電壓脈衝的脈衝頻率，被證明是特別有利的頻率選自上限為500Hz且下限為IOOHz的範圍，特別是上限為300Hz且下限為150Hz的範圍。電壓脈衝的脈衝持續時間可以選自下限為10 μ s且上限為250 μ s的範圍，特別是選自下限為40 μ s且上限為200 μ s的範圍。
電壓脈衝的脈衝振幅可以選自下限為330V且上限為1500V的範圍，特別是選自下限為500V且上限為1200V的範圍。電壓脈衝之間的脈衝間歇時間可以選自下限為2μ s且上限為20μ s的範圍，特別是選自下限為5μ s且上限為8μ s的範圍。根據本發明設置如下脈衝發生器20構造為用於發出可變的電壓脈衝。由此意味著，電壓脈衝的脈衝頻率和/或脈衝持續時間和/或脈衝間歇時間和/或振幅可以在時間的次序中改變，從而獲得所發出的電壓脈衝的不規則圖形。為此在圖3中示出按此意義的具有可變的電壓脈衝設計結構的矩形電壓脈衝的次序。用於電壓和脈衝持續時間的參量為此由上述範圍中選出。由於僅僅作為例子，所以在圖表中並未給定具體的值。藉此應僅示出電壓脈衝的圖形。同樣也可能的是，在一組依次接連的電壓脈衝中，電壓不下降為零，而是在一個電壓脈衝之後在下一個電壓脈衝跟隨之前保持在可預定的水平上。當然，根據圖3的例子僅被視為各種電壓脈衝圖形的代表。電壓脈衝的振幅、電壓脈衝的持續時間以及脈衝間歇時間在此從上述範圍中選出。為了實現這點，脈衝發生器20可以包括隨機數發生器，或者也可以為此設置相應的軟體技術方面的實施方式。如已經提到的那樣，優選採用矩形電壓脈衝。但在本發明的框架中也能夠採用具有至少25V/y S的陡峭的上升邊坡的電壓脈衝。電壓脈衝的脈衝頻率也可以選自下限為20Hz，特別是800Hz，優選2530Hz，且上限為20kHz，特別是IlkHz的範圍。電壓脈衝的下降的邊坡可以選擇得與上升邊坡同樣地陡峭，但在此也可以選擇至少15V/y s的其它的斜率，儘管這並非本發明優選的實施變型。此外還可以設置如下在反應室12內設置有至少兩個另外的電極38、39，這些電極與能量源40導電連接。能量源40在合適的布局中也可以設置在脈衝發生器20內，其中，在這種實施變型中必須保障兩個另外的電極38、39的能量供應與用於在陽極14與陰極15之間產生電壓脈衝的電極的能量供應不發生相互之間的影響。當然在本發明的框架內還能夠在反應室12內設置兩個以上的另外的電極38、39，例如在按圖I的實施變型中在陽極14的左邊和右邊並且沿縱向延伸10的方向延伸，其中在這種情況中另外的電極38、39可以分別成對地由能量源40提供電能。還能夠將兩個另外的電極45、46構造成筒套狀的，這樣例如能夠將這兩個另外的電極45、46設置為至少部分包圍至少一個陽極14和至少一個陰極15。儘管並非優選，但是原則上也可以設置僅僅一個另外的電極45或46，其中，在這種情況中對應電極由至少一個陽極14或至少一個陰極15構成，該電極為了構造相應的電極對可以通過調節裝置和/或控制裝置交替轉換。因此在後面的實施方式中也包含這種意義。特別地在此還能夠將這三個電極陽極14、陰極15和另外的電極45或46相互同心地且至少部分地相互交錯地(在直徑不同的情況下)設置。另外在此還存在如下的可能性至少一個陰極15或至少一個陽極14具有至少兩 個相互之間非導電連接的區域，分別是一個用於構造陽極14-陰極15電極對的區域和一個 用於與另外的電極45或46構造電極對的區域。另外的電極38、39可以由相同的材料或由彼此不同的材料構成。不管怎樣，兩個另外的電極38、39由金屬或者金屬合金構成。作為可能的金屬考慮的是例如Pd、Pt、Ti、Rh、Au、Ag、Ni、Cu、Ir、Fe、V、Nb、Ta和它們的合金。然而在裝置I的測試框架內證實具有Ni和/或Nb和/或Ta的總和在25重量百分比之內的銀合金，特別是具有Ni和/或Nb和/或Ta的總和在15重量百分比之內的銀合金，或者具有Rh和/或Ni和/或Ir的總和在20重量百分比之內，特別是總和在12重量百分比之內的鉬合金在裝置I的效率方面顯示出優勢，即顯示出裝置I更好的加熱功率，如在下文中還將對此進行闡述的那樣。另外在此還存在如下的可能性電極38、39中的至少一個具有由金屬載體構成的用於上述金屬或合金的載體芯，該載體芯由成本較低廉的金屬或較低廉的合金，例如鋼，構成，其中，特別用按照現有技術的方法將前述金屬或者合金電沉積在這個載體芯上。如圖I所示，優選兩個另外的電極38、39中的至少一個設置在陽極14的區域內。若在此陽極14相對於陰極15的相對位置應被翻轉，即從而在反應室12內陰極15設置在陽極14之外，則存在如下的可能性兩個另外的電極38、39中的至少一個設置在陰極15的區域內。儘管這是本發明的優選的實施變型，但當然存在將所述至少兩個另外的電極38、39設置在反應室12的其它的區域內的可能性，例如這些另外的電極38、39可以設置在圖I中的陽極14的下方的構造所述陽極14與外殼底4之間的那個區域內。在此無論如何應該如下設置在兩個電極38、39之間保持用於流體9的流動的自由區段，這樣的話，兩個電極38,39和置於它們之間的頂蓋21的布局在本發明的框架內是不期望的。這兩個電極38、39之間的間距41優選最大為反應室12的長度的10%，即反應室12沿縱向中間軸線10在外殼底4與外殼蓋5之間的縱向延伸的10%，特別是至少為25%。反應室12在此由內部設置有至少一個陽極14和至少一個陰極15的區域構成。在此，間距41是這兩個電極38、39之間的最小間距。在圖I所示的實施變型中這個間距41是兩個另外的電極38、39的兩個端部區域之間的距離。如果兩個另外的電極38、39在裝置I內，即在反應室12內並排設置，即相互平行設置的話，那麼所述間距41表示構造在電極38、39的兩個相向的表面之間的那個距離。如在圖I中所示出的那樣，這兩個另外的電極38、39優選構造為棒狀的。在此，棒狀的電極38、39的直徑42具有的尺寸最大為至少一個陰極15的最小尺寸的30%。然而在本發明的框架內出於前述原因優選這個直徑42具有的最大值為至少一個陰極15的最小尺寸的20%。儘管在本發明的框架內存在至少兩個另外的電極38、39在反應室12中的多個不同的設置可能性，但是優選的是如在圖I中所示出的那樣，這兩個另外的的電極38、39沿外殼的縱向延伸10的方向且彼此同軸地設置在外殼2內。另外，電極38、39並不是非要如在圖I中所示出的那樣強制性地豎立設置在反應室12內，而是也可以將這些電極水平地設置，即，定向為以所述電極的最大的縱向延伸至少幾乎垂直於裝置I的縱向中間軸線10。用於至少兩個另外的電極38、39的能量源41優選為在現有技術中已知的穩壓電源。如果引入交流電壓作為初級能量源，該能量源41優選具有整流器。在本發明的一個特別優選的實施變型中，電極38、39在安裝到裝置的反應室12中·之前進行了表面活化處理。為此兩個電極38、39在電解液中用振幅範圍在5V至50V內的電壓脈衝加載。電壓脈衝的脈衝持續時間在此選自下限為1μ s且上限為10 μ s的範圍。電流強度選自下限為2000Α且上限為8000Α的範圍。在內部進行所述活化處理的電解液優選包含矽酸鈉(Na2Si03)、至少一種鹼液，特別是Κ0Η、蒸餾水或去離子水，以及必要的情況下Na2S03和/或K2S04。矽酸鈉份額在此可以選自O. 05重量百分比至10重量百分比的範圍，特別是O. I重量百分比至I重量百分比的範圍。鹼液份額可以選自O. 05重量百分比至5重量百分比的範圍，特別是O. I重量百分比至5重量百分比的範圍。如果電解液中不包含助劑的話，則水構成至100重量百分比的剩餘部分，如在前述中指定的那樣，其中助劑的份額總和被限制在10重量百分比內。通過這種活化處理改變了電極38、39的表面。為此在一種實施變型中存在在活化處理的同時實施在前述載體芯上沉積金屬或合金的可能性。在根據本發明的裝置的一種改進方案中，在流體9，特別是水中添加一種電解質。作為電解質在此可以使用可溶於水或者流體的導電鹽，如這一點在現有技術中已知的那樣。不過優選電解質除了水之外含有份額最大為5重量百分比的Κ0Η。如已經在前面闡述的那樣，如果使用水作為流體9，優選可以給其中添加鹼液或者鹼，或至少一種電解質。由此水的傳導能力通過離子的存在而得以提高，其中，所述離子也出自兩個另外的電極38、39。在這種情況下被證明是有利的是如在圖I中示意性示出的那樣，在穩流段38中設置有至少一個雷射器43，就是說雷射器43的發射光的部件。特別地，雷射器43的該發射光的部件又設置在外殼身3內，或者也可以將雷射器43的該發射光的部件進一步向反應室12的縱向中間軸線10的方向轉移，為此可以在外殼身3中設置相應的裝置，例如插套等。另一方面可以用透明的材料製造外殼身3並從外部向反應室12內射入雷射射線。優選雷射器43是紅色光雷射器，其中，優選該雷射器43發射的光的頻率選自下限為300THz且上限為550THz的範圍。為此根據一種實施變型，也可以為雷射器43設置如下該雷射器發射間歇性的光，為此該雷射器43具有用於產生這種間歇性的光的相應的裝置或者與該相應的裝置相連接。在此，雷射脈衝的脈衝持續時間可以選自下限為20 μ S，特別是33 μ S，且上限為100 μ S，特別是50 μ s的範圍。在圖4中示出的是用於兩個電極38、39的材料選擇對裝置I的效率的影響。從本發明的意義上講，效率是指吸收的能量與以加熱功率形式輸出的能量之比。在圖4中柱44表示採用PtNi5作為電極材料，柱45表示採用Pt作為電極材料，柱46表不米用成份為AgNi5的合金作為電極材料，柱47表不米用Ni作為電極材料且48表示採用鋼作為電極材料。如從圖4的示圖中可以看出的那樣，優選採用的合金AgNi5作為電極材料具有的效率明顯高於由其它所述材料構成的電極。雖然在此，在PtNi5作為電極材料(柱44)與AgNi5作為電極材料之間的效率差別看上去僅僅是微不足道的，然而這個差別一如既往地意味著通過採用電極材料AgNi5將裝置I的效率提高了 3%至5%，這在裝置I的經濟性方·面，並且特別是在減輕環境汙染方面具有優越性。圖5示出的是兩個電極38、39的表面活化處理對裝置I的效率的影響。其中柱49示出採用非活化處理的AgNi5，柱50示出同樣的電極，不過具有被活化處理的表面。如可以看出的那樣，與具有相同成份而未經活化處理的表面的電極相比，表面通過前述的活化處理，效率得到明顯上升。圖6示出可變的電壓脈衝按本發明的意義供應到流體9中對裝置I的效率的影響的原理圖，其中，在此又放棄示出具體的值，因為僅應示出兩種變型的相對比較。在這兩種變型中，除了電壓脈衝外所有其它的參量都相同。在此，變化曲線51示出在保持恆定的電壓圖形下在效率在時間上的變化曲線，變化曲線52示出具有可變的電壓脈衝圖形的裝置I的效率的變化曲線，如這一點例如在圖3中所示出的那樣或如前面所描述的那樣。由圖6清晰可見，通過將可變的電壓脈衝供應到反應室12實現了更高的效率並且因此能夠提高裝置I的經濟性。另外可以觀察到，如這一點也由變化曲線52所示的那樣，效率中的波動明顯小於變化曲線51在效率中的波動。根據現有技術，供暖設備31在初級環流中可以以例如2bar至4bar之間的壓力運轉。但是也能夠實現在流體9的溫度接近流體9的沸點的情況下使供暖設備31在初級環流中無壓運行。儘管在多處已經指出，根據本發明的供暖設備31或者裝置I用於房屋供暖，一般來講這些裝置可以用於產生熱量，而與該熱量最終用於何種目的無關。為此為了在必要時提高加熱功率，可以將多個裝置I在供暖設備31中一個接一個地連接起來，即串接起來。附圖標記表I裝置27箭頭2外殼28徑向孔3外殼身29軸向孔4外殼底30孔5外殼蓋31供暖設備6螺紋32加熱體7端部區域33泵8端部區域34膨脹箱
9流體35氣體吸收器10縱向中間軸線36測量裝置11入口37調節裝置12反應室38電極13 出口39 電極14陽極40能量源 15陰極41間距16端部區域42直徑17穿孔43雷射器18 正極44 柱19 負極45 柱20脈衝發生器46柱21 頂蓋47 柱22 孔48 柱23外螺紋49柱24內螺紋50柱25間距51變化曲線26開口52變化曲線
權利要求
1.用於加熱流體(9)的裝置(1)，其具有外殼(2)，該外殼包括外殼身(3)、外殼底(4)和外殼蓋(5);該裝置還具有用於所述流體(9)的至少一個入口(11)和至少一個出口(13)，其中在所述外殼(2)中彼此有間距(25)地設置至少兩個電極，特別是至少一個陽極(14)和至少一個陰極(15)，這些電極與至少一個脈衝發生器(20)的各一個極導電地連接，其特徵在於所述脈衝發生器(20)構造為用於發出可變的電壓脈衝。
2.如權利要求I所述的裝置(1)，其特徵在於所述脈衝發生器(20)生成這樣的電壓脈衝，該電壓脈衝的振幅選自下限為300V且上限為1500V的範圍。
3.如權利要求I或2所述的裝置(1)，其特徵在於所述脈衝發生器(20)包括隨機數發生器。
4.如權利要求I至3之任一項所述的裝置(1)，其特徵在於所述脈衝發生器(20)生成這樣的電壓脈衝，該電壓脈衝具有至少25V/y s的陡峭的上升邊坡。
5.如權利要求I至4之任一項所述的裝置(1)，其特徵在於所述脈衝發生器(20)生成矩形的電壓脈衝。
6.如權利要求I至5之任一項所述的裝置(1)，其特徵在於所述脈衝發生器(20)以這樣的脈衝頻率發出電壓脈衝，該脈衝頻率選自下限為20Hz且上限為20kHz的範圍。
7.如權利要求I至6之任一項所述的裝置(1)，其特徵在於所述脈衝發生器(20)發出具有這樣脈衝持續時間的電壓脈衝，該脈衝持續時間選自下限為2ns且上限為10μ s的範圍。
8.如權利要求I至7之任一項所述的裝置(1)，其特徵在於所述脈衝發生器(20)生成具有這樣脈衝間歇時間的電壓脈衝，該脈衝間歇時間選自下限為2 μ s且上限為20 μ s的範圍。
9.如權利要求8所述的裝置(1)，其特徵在於所述脈衝發生器(20)構造為用於生成可變的脈衝間歇時間。
10.如權利要求I至9之任一項所述的裝置(I)，其特徵在於在反應室(12)內設置有另外的電極(38或39 )，優選至少兩個另外的電極(38、39 )，所述另外的電極與能量源(40 )導電地連接。
11.如權利要求10所述的裝置(1)，其特徵在於所述另外的電極(38或39)或所述兩個另外的電極(38、39)由以下材料構成，該材料選自包括Pd、Pt、Ti、Rh、Au、Ag、Ni、Cu、Ir、Fe、V、Nb、Ta和它們的合金的組。
12.如權利要求10或11所述的裝置(1)，其特徵在於所述另外的電極(38或39)或所述兩個另外的電極(38、39)中的至少一個電極設置在所述陽極(14)或所述陰極(15)的區域內。
13.如權利要求10至12之任一項所述的裝置(I)，其特徵在於所述至少兩個另外的電極(38、39)之間的間距(41)是由所述外殼(2)所限定的反應室(12)的長度的至少10%。
14.如權利要求10至13之任一項所述的裝置(I)，其特徵在於所述另外的電極(38或39)或所述至少兩個另外的電極(38、39)構造為棒狀的，其直徑(42)最大為所述至少一個陰極的最小尺寸的30%。
15.如權利要求10至14之任一項所述的裝置(1)，其特徵在於用於所述另外的電極(38或39)或所述至少兩個另外的電極(38、39)的所述能量源(40)是穩壓電源。
16.如權利要求10至15之任一項所述的裝置(I)，其特徵在於在電流強度選自下限為2000A且上限為8000A的範圍的情況下，所述另外的電極(38或39)或所述至少兩個另外的電極(38、39)在電解液中用如下電壓脈衝來進行活化處理，該電壓脈衝具有選自5V至50V (直流電)範圍的振幅和選自I μ s至10 μ s範圍的脈衝持續時間。
17.如權利要求I至16之任一項所述的裝置(I)，其特徵在於在所述外殼(2)內包含有帶電解質的水。
18.如權利要求17所述的裝置(I)，其特徵在於所述電解質包含有矽酸鈉(Na2Si03)、至少一種鹼液，特別是KOH、蒸餾水或去離子水，以及必要時Na2SO3和/或K2S04。
19.如權利要求10至18之任一項所述的裝置(I)，其特徵在於所述至少兩個另外的電極(38、39)沿所述外殼(2)的縱向延伸(10)的方向並彼此同軸地設置在所述外殼(2)內。
20.如權利要求I至19之任一項所述的裝置(1)，其特徵在於所述電極中的至少一個電極、特別是陽極(14)構造成籃子狀的。
21.如權利要求20所述的裝置(1)，其特徵在於所述至少一個電極至少部分地設置在籃子狀的所述電極內部，特別是所述至少一個陰極(15)至少部分地設置在籃子狀的陽極(14)的內部。
22.如權利要求I至21之任一項所述的裝置(1)，其特徵在於所述電極之間的間距(25)、特別是陰極(15)與陽極(14)之間的間距為至少5mm。
23.如權利要求I至22之任一項所述的裝置(I)，其特徵在於所述外殼身(3)構造為筒狀的。
24.如權利要求I至23之任一項所述的裝置(1)，其特徵在於所述電極中的至少一個電極相對另外的電極，特別是陽極(14 )相對陰極(15 )和/或陰極(15 )相對陽極(14 ),在所述外殼(2)內可調整地設置。
25.如權利要求I至24之任一項所述的裝置(I)，其特徵在於在所述反應室(12)中設置有至少一個雷射器(43 )。
26.如權利要求25所述的裝置(1)，其特徵在於所述雷射器(43)發射選自下限為300THz且上限為550THz的範圍的頻率的光。
27.如權利要求25或26所述的裝置(1)，其特徵在於所述雷射器(43)與用於生成間歇性的光的裝置相連接。
28.如權利要求27所述的裝置(1)，其特徵在於所述雷射器(43)發出光脈衝，其中，脈衝持續時間選自下限為20 μ s且上限為100 μ s的範圍。
29.如權利要求I至28之任一項所述的裝置(I)，其特徵在於所述脈衝發生器(20)具有調節和/或控制模塊或與調節和/或控制裝置連接。
30.供暖設備(31)，包括至少一個用於第一流體(9)的輸送裝置；至少一個用於加熱所述流體(9)的裝置(I);至少一個換熱器，在該換熱器中將所生成的熱量從所述第一流體(9)傳遞給其它的流體，其特徵在於所述至少一個用於加熱流體(9)的裝置(I)按照前述權利要求之任一項構成。
31.如權利要求30所述的供暖設備(31)，其特徵在於所述換熱器構造為加熱體(32)。
32.如權利要求I至29之任一項所述的用於加熱流體(9)的裝置(I)在為房屋供暖中的應用 。
全文摘要
本發明涉及一種用於加熱流體(9)的裝置(1)，其具有外殼(2)，該外殼包括外殼身(3)、外殼底(4)和外殼蓋(5)；該裝置還具有用於所述流體(9)的至少一個入口(11)和至少一個出口(13)，其中，在所述外殼(2)中彼此有間距(25)地設置至少兩個電極，這些電極與至少一個脈衝發生器(20)的各一個極導電地連接。所述脈衝發生器(20)構造為用於發出可變的電壓脈衝。
文檔編號F24H1/10GK102959340SQ201180011369
公開日2013年3月6日 申請日期2011年1月11日 優先權日2010年1月11日
發明者約翰·維德爾羅伊特爾 申請人:約翰·維德爾羅伊特爾