一种流体的快速加热系统及方法

专利名称：一种流体的快速加热系统及方法
技术领域：
本发明涉及用于流体快速加热的一种装置、系统以及方法，特别涉及一种利用电能对流体进行快速加热的一种装置、系统以及方法。
背景技术：
在发达国家，大多数民用和商用领域中都安装有各种各样的热水系统。在一些国家，对水进行加热的最常用能源是电力。
但是，众所周知，利用化石燃料燃烧进行火力发电时会产生大量的污染，并可能会导致全球变暖。例如，在1996年，美国最大的耗电部门是居民家庭，其二氧化碳排放量达到了全国总排放量的20％。而其中由于火力发电燃烧化石燃料所产生的二氧化碳直接排放量就达63％。
在发达国家，电已经成为日常生活中一种不可或缺的必需品，1990年以后，随着家庭用电量每年以大约1.5％的幅度增长，民用领域日常生活用电量的增长已经成为有关稳定二氧化碳排放量、遵守京都协议(KyotoProtocol)的目标等争论的核心问题。
从1982年到1996年，美国家庭的数量以每年1.4％的速度增长，与此相应，此间日常生活耗电量以每年2.6％的速度增长。因此，到2010年前，预计美国家庭数量的年增长速度将达到1.1％，而此间日常生活耗电量的增长速度将达到每年1.6％。
据估计，在1995年全球大约有4000万个家庭使用以电能为加热热源的热水系统。这种电力热水加热系统中最普通的组成部件都包括一个储罐，这个储罐中的水经过长时间的加热，缓慢地达到预定温度。在水从储罐流出、或者从冷水入口补水的过程中，罐中的水温一直恒定地保持在预定温度。一般而言，在储罐中的水面下都安装有一根与总电源相连的电阻，该总电源的操作由恒温调节装置或温度监控设备进行控制。
我们知道，电热水储存系统的能量效率通常比较差，因为该系统是将水加热到比使用时所需温度高的预定温度后进行储存，即便用户在相当一段时间内不需要热水时也是如此。由于热能会不断从储罐中的热水中散失，为了使储罐中的水维持预定温度，就需要进一步消耗电能，将水重新加热到预定温度。但其中的关键问题是，用户可能在相当一段时间内不需要热水。但是，在此期间一些电热水储存系统仍需继续消耗能量来对水进行加热，以备用户在需要时随时使用。
所以，通过对水进行快速加热，使水温在相当短的时间内达到预定的水平，就可以保证系统避免在储存热水供暖过程中因无效供热所造成的浪费。借助于诸如天然气或LPG(液化石油气)以及电能等能源，目前完全可以实现快速加热或“即时”热水供应系统。对于天然气以及LPG这些化石燃料，由于通过燃烧这些燃料可以在控制条件下充分地将热能转移给流体，并在相当短的时间内将该流体的温度提升到所需的水平，因而特别适合于实现流体的快速加热功能。
但是，尽管可以使用天然气这种燃料进行水的快速加热，然而人们并不能随时随地获得该资源。与此相反，在发达国家的大多数家庭中，电力却是一种非常方便的能量来源。
以前人们曾经进行过一些实现“即时”热水系统的尝试，包括利用热电阻和电磁感应系统，但都收效甚微。在热电阻“即时”热水系统中，是将一根电阻安装到一个导热但对电绝缘、直径相对较小的细管中。在实际操作中，水与电阻接触或距离非常近，当水从细管内流过时，电流产生的热量就转移到管内的水中。通过监控水从管内流出时的温度，并将该温度与预定温度设置进行对比，即可实现对水温的控制。根据对出水温度的监控结果，当水温较低时就会向电阻输送一定的电压，直至水温达到所需的预定温度水平。虽然这种系统避免了与储存热水的工作方式相应的能量损失，但不幸的是，这种方法也有其他一系列缺陷。特别是，这种方法必须将电阻加热到比其周围的流水高得多的温度。这种方式有一个缺点，就是容易使水中溶解的诸如碳酸钙、硫酸钙等无机盐形成结垢，这些无机盐通常以不同的浓度存在于水中。直接与水接触的电阻加热部位为这些水垢的形成提供了得天独厚的环境。这种水垢的形成导致加热电阻的外侧包覆了厚厚的阻热层，这层水垢大大降低了热量从电阻向周围水体进行传输时的效率。同时，由于这些流水管的直径相对较小，水垢的形成同样阻塞了管内水流的畅通。另外，为了更好地运作，热电阻类的系统需要相对较高的水压，因而这些系统在水压较低或在用水高峰时水压频繁降低的地区，经常无法正常工作。
电磁感应系统的操作原理就像一个变压器。此时，在变压器次级线圈中感应产生的电流使次级线圈升温。此时产生的热量被在环绕次级线圈的水套中流动的水流吸收。随后这些经过加热的水即流出系统进入使用过程。一般通过监控水套出水的温度，并将该温度与预定温度设置进行对比，即可实现对水温的控制。根据对出水温度的监控结果，系统向初级线圈提供的电压可以适当地进行调节，这种电压的变化使次级线圈中产生的感应电流变化，直至水温达到所需的预定温度设置为止。虽然这种系统避免了与热水储存工作方式相应的能量损失，但这种方法同样也有其他一系列缺陷。特别是，此过程中必须将次级线圈加热到比其周围的流水高得多的温度。这同样容易使水中溶解的无机盐结垢。由于次级线圈与周围水套的间距通常很小，水垢的形成将同样阻塞了水套内水流的畅通。
另外，由此产生的磁场以及在次级线圈中感应产生的高电流都可能会产生令人窒息的电子噪音或RF噪音。而这种电子噪音或RF噪音很难抑制或屏蔽，并且很容易对在该电磁场范围内的其他易受电磁波影响的设备造成损害。
综合以上因素，人们都希望提供一种使用电能对流体，特别是水，进行快速加热的装置，同时该装置应至少能避免上述其他系统存在的一些弊端。
人们同时希望获得一种使用电能的、能降低能量消耗的改进型快速加热水的方法。
人们还希望能够提供一种适合于当地实际情况以及/或商业目的的、以电能为能源的改进型热水系统。这些功能目标还包括提供一种在方便控制的同时能够减少水中溶解的无机盐结垢的、以电能为能源进行流体加热的改进型装置和方法。
提供一种利用在当地和商业建筑中简便易得的主要能源进行流体加热的改进型系统和方法。
提供一种适用于各种流量流体加热的改进型加热装置。
提供一种可以处理各种类型的流体以及不同硬度水的流体加热装置。
已经包括在本说明书中的设备、制品等的任何讨论仅用于提供本发明的背景。尽管在本申请每项权利要求的优先权日期之前它们已经存在，但是我们并不认为这些内容的一部分或全部形成了现有技术基础，或者是和本发明相关的领域内的公知常识。

发明内容
本发明的一个方面提供了一种流体加热装置，该装置包括确定了一条或多条被加热流体流动通道的通道装置、上游流体温度传感装置、流体在其间流动的电极装置、下游流体温度传感装置以及对各电极提供电功率并控制电功率的电控制装置，上述电控制装置包括为了在预定的时间内达到所需的下游流体温度，将电流、电压、上下游温度以及流体流速关联在一起的处理装置，以决定流体所需的功率输入。
较佳地，通道装置包括在相互分开且充分同轴的圆柱形部件间的一个环形空间。该通道装置可以组成单通道，或者在一些替代实施例中组成一系列平行的流动通道。
在一个较佳实施例中，电极装置包括至少三对沿着一个或多个流体流动通道相互分隔一定距离安装的电极。每个电极对中的电极都沿着不同的流动通道相隔一定距离进行安装，这样，当流体流过通道设备时，在每对电极对中的电极之间的电势差就会使电流通过通道中的流体。
在一个较佳实施例中，电极装置包括圆柱形并充分同轴的电极，这些电极组成了上述通道设备的一部分或位于上述通道设备中。较佳地，该通道设备包括三段，每段都包括一个入口和一个出口，上述区域串行连接，第一区域的出口包含了第二区域的入口，而第二区域的出口与第三区域的入口相衔接，每一区域中都安装有若干电极。
较佳地，在第一区域与第二区域的出口处安装有温度传感装置，控制装置根据每一区域入口及出口检测到的温度，以及预先设定的温度升高控制向各区域电极输出的电功率。
在一个较佳实施例中，每一个通道区域都是由相互分隔开且充分同轴的圆柱形部件组成，这些电极形成了一个环形的流体通道。
在另一个实施例中，通道装置至少包括三个区域，每个区域都包括一个入口和一个出口，各区域串行连接，控制设备根据每一区域入口及出口检测到的温度，以及预先设定的温度升高，控制向各区域电极对输出的功率。
在本发明较佳实施例中，向流体输出的电功率是由微型计算机控制管理系统进行控制的。该微型计算机控制管理系统能够检测和调整系统内由于流体温度波动、以及流入流体的电导系数变化所产生的电导率变化。也就是说，在本发明的较佳实施例中，管理系统对上述加热系统中入口与出口之间流体的电导系数或电导率梯度进行监控，并做出相应的反应。在根据本发明一个实施例提出的用于当地热水加热的即时流体加热系统中，入口水体电导系数的波动可能是由很多因素引起的，这些因素包括水温的变化以及水中溶解的化学物质及盐类浓度的变化，而这种波动需要作为控制过程的一项内容进行管理。尽管如此，本发明的较佳实施例仍将对流体电导系数在系统内进行加热的过程中所发生的变化进行管理和调节，亦即对电导率梯度进行有效的管理。
本发明的另一方面提出了一种加热流体的方法，该方法包括以下步骤使流体流经流体通道；在上述流体通道中提供至少一套电极；在该套电极的电极之间施加一个可变电压，并使电流流过该流体；监控流体通道的入口及出口温度；监控在施加可变电压之后，所产生的流经流体的电流的情况；以及根据由出、入口流体的温度以及流经上述流体的电流所决定的电导率，控制流经该流体的可变电压。通过这种方法，系统就可以根据流体的预定温度升高，在特定的时间内将相应的电能输送到该流体中。
在本发明方法的较佳实施例中，还进一步包括其他可能进行的步骤对由温度变化以及水中溶解化合物和盐类浓度的变化所引起的流体电导率波动进行补偿，并且，当按照需要以某一幅度升高流体温度时，通过加热流体，并利用调整加载在流体上的可变电压的方法来补偿电导率的变化。
通过控制各套电极上的电功率，在该电极所在区域维持所需的恒定流体升温幅度，实现上述步骤中的操作。然后通过调节可变电压补偿流体通道中与每个电极对相对应的区域内上述流体的电导率变化，该电导率的变化将直接影响该区域流体上的电压降。在流体通过与不同电极对相应的区域时流体电导率的变化可以按照上述过程独立地进行控制。因此，该系统可以有效地控制和管理整个系统中的电导梯度。
与此相似，本发明提出的上述系统还进一步包括对由于加热流体所导致的流体电导率的变化进行管理的装置。此装置可包括一种测量系统出口流体温度的温度传感器，将该传感器所测得的温度与入口流体温度进行对比，以此判断是否达到所需的温度升高。
在较佳实施例中，在上述电极所在区域的上游安装一个温度传感器，以便在流体流经该电极区域时及时为系统提供流体温度的信息。借助于该安装在电极区域上游的温度传感器，系统可以确定入口流体温度与出口流体目标温度之间差异。用户可以利用任何一种有效的调节控制装置调节该出口流体的目标温度。
由于在该通道中流体完全与电极相互接触，因而流经任何一套电极间的流体体积可以通过测定上述通道的各维尺寸，结合流体的流速加以准确确定。
同样，对于给定体积的流体从电极接受电能的时间可以通过测量通道内流体的流速加以确定。流体温度升高的幅度与输入电功率的数量成正比。将流体的温度升高一定的幅度所需要的电功率数量与被加热流体的质量(体积)以及流体经过上述通道的流速成正比。通过上述流体的电流量可以作为上述流体电导系数或者电导率的度量，并可以确定为了维持电能的恒定所需进行的电压调整。被加热流体的电导系数，或电导率将随着温度的升高而变化，并沿着流体流经的通道形成一定的电导梯度。
提高上述流体温度所需要的能量可以通过以下两种关系式加以确定关系式(1)能量＝比热容×密度×温度-变化或者在单位时间内提高某流体温度所需的能量可以通过以下关系式确定能量(P)kWh＝比热容(SHC)×质量/体积(V)×温度-变化(Dt)时间(T)为了方便进行研究，当温度在0℃至100℃之间时，可以将水的比热容视为常数，其值约为1。因此，在单位时间内，将单位质量的水的温度改变1℃所需要的能量可以认为是一个常数，用“k”表示。体积/时间相当于流速(Fr)。因而在单位时间内提高某一流体的温度所需的能量可以通过以下关系式确定
能量(P)kWh＝k×流速(Fr)×温度-变化(Dt)时间(T)因而，如果知道了所需的温度变化，就可以确定流速，并可进一步计算出所需要的能量。
在本发明的较佳实施例中，电极所在区域的流入和流出温度都是可以测量的。为了将上述流体的温度提高所需的幅度，对电导率的变化进行必要的管理和调节，通过对温度的测量，使微型计算机控制管理系统的计算装置可以确定在某一个电极区间里，为了向上述流体提供所需数量的电能，需要向电极输出的电功率。
一般情况下，当一个用户需要热水，就会打开热水龙头使热水流出。热水水体的上述流动可以通过流量计进行检测，并激活加热过程。可以对入口水体的温度进行检测，并将其与整个系统的出水目标温度进行对比。根据这两个数据，就可以确定出水口与入水口之间水温的差异。
当然，进入上述电极区域的水体的温度可以在一段时间内进行多次测量，作为该区段被测流入水体水温波动值，为在该电极区段获得流入、流出水体必要水温变化所需的温度计算值可据此进行相应调整。同样，随着水体的温度、矿物质浓度等因素的变化，在一段时间中水体的电导系数或者电导率都会发生变化。此时，通过该流体中的电流也将发生变化，使得向该水体输入的电能发生变化。在一段时间内重复多次对从该电极区域流出水体的温度进行测量，并将其与所需流出口水体温度相对比，就可以保证通过不断进行计算，来修正向该电极区域两端输出的电压。
在本发明的一个较佳实施例中，为了确定应该向流经电极间的流体输出电功率的数量，使用了一种由微型计算机控制管理系统提供的计算装置，其工作原理是通过确定能够影响上述电极区域流入口及出口之间必要温度变化所需的电功率值，并检测水体电导率变化的影响，以此为基础计算在给定流速下需要向上述流体输出的电功率。
关系式 (2)
在本发明的较佳实施例中，将测量在上述电极区域中流过各电极、同时也流经上述流体的电流。同时对该电极区域中的流入流出水体的温度进行测量。上述电流及温度的测量操作可以保证微型计算机控制管理系统的计算装置准确确定将上述电极区域中流体的温度提高一定幅度需要向流体输送的电流。
通过上述流体的电流可能会发生变化。比较可行的方式是在一段时间内对流经该流体的电流强度多次重复地进行测量及计算，以保证向该电极区域中输出的电功率充分地保持恒定。
在一个实施例中，由微型计算机控制管理系统提供的该计算装置将确定应该向流经上述电极区域各电极间的流体输出的电功率，并据此计算为保持该电功率的稳定所需要的电压。
关系式(2)能够几乎即时地准确计算出所需要的电功率。它可以消除在系统出水口的水温达到所需温度前先期流经系统的不必要用水。这种方法为节约用水提供了广阔的空间。
在该较佳实施例中，在确定了应该向流经各电极间的流体输出的电功率后，如果可以获得该电极区域所需要的电功率，同时可以测量流经该区域(n)的电流强度，则上述计算装置就可以按照下面的方法计算出每个电极区域(ES)需要的电压电压ESn(Vappn)＝电功率ESn(Preqn)/电流强度ESn(Isn)Vappn＝Preqn/Isn作为初始加热过程的一部分，为了确定流经电极间流体的初始电导率，上述电压会设置得比较低。上述电极之间的电势差会产生通过流体的电流，由于电导率与流体中的电流强度成正比，因而上述操作有助于确定该流体的电导率。相应地，在确定了该电极区域内流经上述电极之间流体的电功率，就可以确定为了将该电极区域内流经上述电极之间的流体的温度提高一定的数值而需要在上述电极之间施加的电压。一般来讲，对上述流经该流体的即时电流应该沿着加热通道连续地进行变化监测。在该电极区域内流经上述电极之间流体的表面上电导率的数值变化都非常敏感地影响着沿着加热通道的流体电导梯度。
较佳地，为了保证能够在给定时间内将上述流体的温度提高到预先设定的数值，应不断监控各种参数，并计算相应数据，以便确定应该向上述流体输入的电功率，以及向各电极提供的电势差。


为了更好地理解本发明，下面将结合附图对本发明具体实施例进行详细说明，其中图1是根据本发明一个实施例的快速加热系统的示意框图；图2是图1中所用的一些符号的图例说明；以及图3是根据本发明一个实施例的一种电极组件结构简图。
具体实施例方式
参考这些附图，图1所示的是根据本发明一个实施例的加热系统的示意框图，其中，水体通过一个输送管道或流体通道12流动。上述流体通道12较佳地由诸如合成塑料等非导电性材料制成。但流体通道12可能与铜管件等金属水管管材相连接，而这些金属是电的良导体。因此，在流体通道12的每一端都安装有接地垫片14，以将任何与流体通道12相连的金属管件进行接地。在理想情况下，该接地垫片14将与安装了该实施例的用电装置上的接地相连接。由于该接地垫片可能通过流过流体通道12的流体从电极上分流电流，因而需要安装接地保护断路器或剩余电流保护装置(RCD)。在本实施例中的较佳构成形式中，上述系统包括接地漏电保护断路设备。
在上述形成流体流向通道的流体通道12中提供了16、17和18等三套电极。电极材料可以是任何合适的金属或非金属导电材料，其中包括导电塑料、注碳材料等等。电极材料必须要选择那些能够减少化学反应和/或电解的材料，这是非常重要的。
每一个电极对中的一个电极16b、17b以及18b通过独立电压供电控制设备21a、22a以及23a与一个通用开关回路19相连，而每一个电极对中的另一个电极16a、17a以及18a与引入的三相电源21、22以及23相连。上述独立电压供电控制设备21a、22a以及23a根据电源管理控制对上述公用回路进行转换。向上述电极供应的总电流由电流检测设备26进行检测，而向16、17以及18等每一个电极对供应的电流分别由电流检测设备27、28以及29进行检测。表征总电流的信号以沿着信号线31通过插座跳线J6以及信号输入界面的输入信号方式提供给电源控制器41。该电源控制器41还直接从位于流体通道12中的流量测量设备34以及用户设定所需出口流体温度的温度设置装置37获得相应信号，它还可以通过插座跳线J6及信号输入界面接收来自于测量流体通道12入口温度信息的入口温度测量设备35、测量流体通道12出口温度信息的出口温度测量设备36、测量电极16与17之间流体温度的1号中间温度测量设备38、以及测量电极17与18之间流体温度的2号中间温度测量设备39等设备的额外信号。
上述电源控制器41将接收各种监测获得的输入信号，同时执行必要的与所需电极对电压相关的计算操作，并根据计算向在通道12内流动的流体提供相应的电功率。上述电源控制器41可以控制来自于与电极对16、17及18分别相连的三个单独相中的每一相的脉冲电压馈送。每个脉冲电压馈送分别由从电源控制器41分别传输到每个电压供电控制设备21a、22a以及23a的单独控制信号进行单独控制。
我们可以发现，根据电源控制器41接收典型输入信号时所代表的不同参数，在电源控制器41内由软件程序控制的计算装置计算出各电压供电控制设备21a、22a以及23a所需的控制信号，以便提供一个充分恒定的电功率，以确定流经通道12的水体的温度变化，通过该过程，经过加热的水就会以温度设置装置37所设定的温度从通道12中流出。
当一个用户利用温度设置装置37设置所需要的出口水温后，该设置的温度值就被电源控制器41获取并储存到系统存储器中，直至该值发生变化或重新设置。较佳地，在存储器中保存有一个预先确定的缺省值，同时，上述温度设置装置37可以提供温度的直观显示。该电源控制器41可以为温度设置装置37预先设置一个最大值，它代表水体可以被加热到的温度上限。因此，上述温度设置装置37的值不能高于该最大预设值。如果由于某种原因，出口温度测量设备36检测到的温度高于该最高设定温度，则根据设计，系统将被立即关闭和停用。
当流量测量设备34通过插座跳线J7监测到水流时，上述系统就会被激活，此过程同时激活加热过程。入口水体的温度由入口温度测量装置35进行测量，该测量值被入口界面33获取并记录到系统存储器中。借助于温度设置装置37中的设定值或缺省值，用户可以非常方便地确定所需的温度变化，此变化值即为上述设定值与测量入口温度之间的差值。当然，系统会不断定期地测量入口水流的温度，一旦该温度发生变化，计算的温度差值也将发生变化。
此时该计算装置就能够确定为了将流经通道12的水体从测量的入口温度升高到预设温度，而需要向上述流经通道12的水体输出的电功率。在计算了需要向上述水体中注入的电功率后，该计算装置就能够计算出在电极对16、17及18之间能够使所需电流通过上述水体的电势差。
作为初始加热过程的一部分，同时为了计算水体的电导率或具体比热容，上述电势差会设置为一个预定低值。由于上述电势差的存在会在水体中产生电流，同时上述电流检测设备26就会测量该电流，并向入口界面33提供一个相关信号。系统还将定期测量总电流值。
然后，上述控制系统就会进行一系列检查，以保证下列工作正常(1)出口水体的温度不超过最大允许温度；(2)接地漏电保护电流的强度不超过预先设定的数值；
(3)系统电流强度不超过系统的预设电流强度上限。
在系统进行正常操作过程中，需要经常执行上述检查过程，一旦其中的任何一项检查发现超出了控制限度，则系统将会立即停止运行。
当初始化监测无误时，系统就会进行相应的计算过程，以确定按一定的幅度改变流经通道12的水体温度需要在其两侧产生的电势差。然后系统就会将与该计算值相应的电压施加到16、17以及18等电极对上，从而使流经通道12的水体温度迅速升高。
当流经通道12的水体在通道入口处温度升高时，水体的电导率也将随着温度的升高而发生变化。1号、2号中间温度感应设备38和39以及出口温度感应设备36就会在通道12内包含电极16、17及18的三个区段中测量逐渐升高的温度增加值。此时，系统可以根据水体电导率的变化调整在16、17及18各电极对之间的电势差，以保证沿着通道12的升温幅度是平稳的，保证每一套电极输入的能量是充分稳定的，并保证在入口温度测量设备与出口温度测量设备之间的热水加热操作的最佳效率和稳定性。向流动水体输入的电功率通过增加和减少向能量控制装置21a、22a及23a提供的控制脉冲数目进行相应调整。并进一步增加或降低16、17及18中的单个电极对向水体输送的电功率。
可以看到，上述系统通过不断监测系统电流检测设备26、独立电流检测设备27、28及29，以及温度测量设备35、36、38及39等设备，不间断地监测水体电导率的变化。沿着通道12监测到的水温值的任何变化，或者电流变化都会使上述计算装置重新计算、调整向电极对提供的平均电压。对系统电流、单电极的电流及电极区域水温等变化的持续闭环监测会使系统重新计算输送到各电极区域的电压，以保证系统向流经加热系统的水体输出相对持续而稳定的电能。
图2所示的是本发明的第二个实施例，在该实施例中，水体流经通过连接管54及55连在一起的51、52及53三个腔体。进水管56将水接入到51、52及53三个腔体，然后经过处理的水经出水管57流出该系统。
上述系统由安装在系统一侧的与总电源59相连的受控单元58进行控制。在本实施例提出的上述系统中，51、52及53中的每一个腔体都包含一套电极，通过系统的水体流经其间。因此，每个腔体都要流入水体，且其入口温度由该腔体的相对位置决定。
本实施例的控制系统以与上所述相似的方式进行工作。流经每个腔体的流体，其入口及出口水温都要不断进行测量，并对每个腔体中电极两端的电势差进行控制，通过这种方式，每个腔体就会获得充分稳定的电能，以便在从进水管56流到出水管57的过程中平稳地提升水体温度。
根据图3所示，图2中每个独立的腔体都可以包括一对同轴电极61和62，并由其呈放射状形成了一个环形流体流动通道63。外侧的电极61是由诸如不锈钢等电极材料组成了一个管状通道，流体入口64保证了流体顺利地进入电极61和62之间的环形通道。
内电极62也可以包括由不锈钢等电极材料组成一个管状，同轴安装在外电极61所形成的管道中。同轴安装的组件还可以包括固定在内电极62一端的螺母66，安装在内电极62一端外侧、外电极61内侧一端的垫片67，以及通过螺栓69与螺母66紧固在一起的端盖68。上述垫片67是内、外部电极61和62之间的环形区域内的一个密封或紧固件，用以对该通道进行密封并将流体限定在通道内而不发生泄漏。
通过这种方式形成的腔体保证了在内、外部电极61和62之间保持合适的电势差，并使电流能够顺利地在电极的表面、以及在环形通道63流动的流体中通过。内电极62可以通过端螺母66和端盖68与电源相连接。
该外侧电极61用绝缘材料包覆，以便为热水加热系统提供一个安全的用电环境。此类绝缘材料可以包括合成塑料管或其他类似材料，这些材料紧紧地包覆着外电极61的外表面。
在实施本发明的过程中，可以使用任意多套电极。因此，尽管实施例中描述了三个电极对，但电极的数量可以根据各种流体加热操作的具体要求进行适当增减。例如，如果电极的数量增加到了6对，每个电极对都可以利用与上面实施例中所述相同的方法对电极电压进行单独控制。
权利要求
1.一种流体加热装置，包括形成被加热流体的一个或多个流动通道的通路装置、上游流体温度传感装置、流体流经其间的电极装置、下游流体温度传感装置、向电极提供电功率并控制电功率的电控制装置，所述控制装置具有将电流、电压、上游及下游温度以及流体流速进行关联的处理装置，以确定为了使流体达到所需下游温度的所需电功率输入。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述通道装置包括在相隔一定距离且充分同轴的圆柱形部件之间形成的环形空间。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述通道装置确定了所述流体的单独流动通道。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述电极装置包括至少三对沿着一个或多个流动通道相隔一定距离的电极，每个电极对的电极相隔一定距离位于各自的流动通道内。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述电极装置包括形成或位于通道装置内区域的圆柱形且充分同轴的电极。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述通道装置包括三个各自带有一个入口和一个出口的通道区域，上述区域串行连接，这样第一区域的出口与第二区域的入口相连，第二区域的出口与第三区域的入口相连，并且每个区域都带有电极。
7.如权利要求6所述的装置，其中在第一区域与第二区域的出口处安装有流体温度传感装置，所述控制装置根据每个区域检测到的入口及出口温度以及预先设定的所需温度差值控制向每个区域中电极提供的功率。
8.如权利要求6所述的装置，其中每个通道部分都是由确定了流体的环形流动通道的相互间隔一定距离的同轴圆柱形电极形成。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述通道装置包括至少三个各自带有一个入口和一个出口的通道区域，上述区域串行连接，控制装置根据每个区域检测到的入口及出口温度以及预先设定的所需温度差值控制向各区域中电极对提供的功率。
10.如权利要求7或9所述的装置，其中预先设定的所需温度差值根据各电极间的电势差和电流、各区域的入口及出口温度、流体流速以及上游和下游检测到的温度进行确定。
11.如权利要求1所述的装置，其中控制装置以市电电源电压频率的倍数的脉冲频率向电极对输出可变电压，通过改变脉冲数量对提供的功率进行控制。
12.一种流体加热方法，包括如下步骤使流体流经一个流体通道；在流体通道中至少提供一套电极；在该套电极之间施加可变电压，以使电流流过流体；监控流体通道入口和出口的流体温度；在施加可变电压之后，对随后产生的流经该流体的电流进行监控；以及根据由给定流体流量的入口和出口温度及电流所确定的流体电导率控制可变电压，以使通过流体的电功率量对应于流体的预先设定的温度升高。
13.如权利要求12所述的流体加热方法，包括由微型计算机控制的管理系统对经过该流体的电功率进行控制的步骤。
14.如权利要求13所述的流体加热方法，包括当在系统中加热流体时，根据测量的流体流量、入口流体温度以及所需升温速率，对流体电导率的变化进行管理和响应的步骤。
15.如权利要求12所述的流体加热方法，包括经过流体加热，在将流体的温度提高所需幅度时通过改变可变电压来适应具体电导率变化的方法，对由于温度波动、流体中溶解的化合物及盐类浓度的改变所引起的流体电导率变化进行补偿的步骤。
16.如权利要求12至15中任何一项权利要求所述的流体加热方法，包括在流体流中提供至少三套电极，根据在该电极对的上游和下游位置监测到的流体温度向每对电极之间施加电压的步骤。
17.如权利要求16所述的流体加热方法，包括监控每对电极的任意一侧的流体通道内流体温度，以及为了保持与各电极对相邻的流体区域所需的稳定流体温度升高而独立控制施加给每套电极的电极对的电功率的步骤。
18.如权利要求17所述的流体加热方法，包括为了补偿由于每个区域内温度升高引起的变化，对各电极对间流体的具体电导率分别进行管理的步骤。
19.一种流体加热系统，包括一个或多个具有入口、出口流体温度测量装置的被加热流体流动通道；至少三对在流体通道内或组成该通道的电极；出口流体温度传感装置、向电极提供电功率并控制电功率的电控制装置，所述控制装置具有将电流、电压、入口及出口流体温度以及流体流速进行关联的处理装置，以确定为了使流体在预定时间内达到所需出口流体温度的所需电功率输入。
20.如权利要求19所述的流体加热系统，其中所述流体通道包括在相隔一定距离且充分同轴的圆柱形部件之间形成的环形空间。
21.如权利要求19所述的流体加热系统，其中所述圆柱形部件构成电极。
22.如权利要求19所述的流体加热系统，其中所述电极装置包括至少三对沿着一个或多个流动通道相隔一定距离的电极，每个电极对的电极相隔一定距离位于各自的流动通道内。
23.如权利要求19所述的流体加热系统，其中所述流体通道包括三个各自带有一个入口和一个出口的区域，上述区域串行连接，这样第一区域的出口与第二区域的入口相连，第二区域的出口与第三区域的入口相连，并且每个区域都带有电极。
24.如权利要求19所述的流体加热系统，其中流体温度传感设备位于每组电极附近，所述控制装置根据每个区域检测到的入口及出口温度以及预先设定的所需温度差值控制向每个区域中电极提供的功率。
25.如权利要求19所述的装置，其中控制装置以市电电源电压频率的倍数的脉冲频率向电极对输出电压，通过改变脉冲数量对提供的功率进行控制。
26.一种流体加热系统，基本上如上文中参考附图所述。
27.一种流体加热装置，基本上如上文中参考附图所述。
28.一种流体加热方法，包含基本上如上文中参考附图所述的步骤。
全文摘要
一种快速加热流体的装置，包括安装有电极(16、17、18)的流体回路(12)，其中的流体在电极间流动。在电极对(16、17、18)间产生电势差，并由此产生流过上述流体的电流。为了在流体中获得所需的温度升高，根据测量的流速数据，通过测量入口及出口流体温度，利用调整电压的方法对电流进行控制。
文档编号F24H9/20GK1541320SQ02815853
公开日2004年10月27日 申请日期2002年8月12日 优先权日2001年8月13日
发明者塞德里克·希伯来森, 塞德里克 希伯来森, C 范阿肯, 罗伯特·C·范阿肯 申请人:密克罗希特有限公司