專(zhuān)利名稱(chēng)：提高電極式電熱水器內(nèi)電熱介質(zhì)的電熱效率方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在電極式電熱水器中的電加熱介質(zhì)-電解質(zhì)水溶液的濃度；電解質(zhì)種 類(lèi)；以及溶解于水溶液內(nèi)的氣體種類(lèi)，對(duì)其電解液的導(dǎo)電特性和電熱轉(zhuǎn)換效率的提高方法。
背景技術(shù)：
在電解金屬池中和電池充放電時(shí)，其中電解液釋放熱量，被看作自然的物理現(xiàn)象。在上世紀(jì)曾參與國(guó)內(nèi)二家企業(yè)電極式電熱水器生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。在對(duì)產(chǎn)品熱功率標(biāo)定測(cè) 量和對(duì)產(chǎn)品在各地試用的電極式電熱水器常常發(fā)現(xiàn)有“超”熱量現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)由于條件所限， 沒(méi)有深入研究下去。同時(shí)也因電極直接加熱自來(lái)水的熱水器無(wú)法適應(yīng)各地自來(lái)水電導(dǎo)率變 化，產(chǎn)品全面退出市場(chǎng)。2006年上海自來(lái)水受海水倒灌，水廠(chǎng)公布自來(lái)水含鹽量250-500毫克/升。在這 段采用電極式熱水器測(cè)定功率和電熱轉(zhuǎn)換效率。工作條件為220V電壓，電流從10安至19 安變化。這時(shí)的電熱效率在1.5-1. 9左右。而同樣用電熱管熱水器加熱自來(lái)水的電熱效率 卻只有0. 85左右。用電極直接加熱海水時(shí)，條件為220V電壓，電流35安，電熱效率僅在0. 5 左右。這說(shuō)明稀電解液比濃電解液會(huì)有更高的電熱效率，這是一個(gè)很重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。2007年9月17日搜狐網(wǎng)轉(zhuǎn)載英國(guó)“每日郵報(bào)” 2007年9月16日?qǐng)?bào)道“英國(guó)的 EC0WATTS公司總裁宣布，在英國(guó)工業(yè)貿(mào)易部支持了 1400萬(wàn)英磅，歷時(shí)十年，研制出電極式 電熱能管，電極間的碳酸鉀水溶液在催化劑作用下，由電解質(zhì)水溶液中產(chǎn)出2倍熱能”(見(jiàn) 附頁(yè)一)。經(jīng)查此英國(guó)公司開(kāi)發(fā)出的電極式電熱能管是根據(jù)愛(ài)爾蘭人克里斯托弗.羅伯 特.埃里克斯(ChristopherRobert ECCLES)的美國(guó)專(zhuān)利6290836 (見(jiàn)附頁(yè)二)開(kāi)發(fā)出的電
極式電熱能管。發(fā)明人在專(zhuān)利中提出“......不同的物質(zhì)的量，通過(guò)一定的電力時(shí)，成正比
釋放它的化學(xué)當(dāng)量......”，和“......電解質(zhì)產(chǎn)生等離子體放電，這種放電能量大大超過(guò)
產(chǎn)生放電輸入的能量......”(見(jiàn)附頁(yè)二專(zhuān)利文獻(xiàn)中文譯文部分)。以上英國(guó)ECWATTS公司開(kāi)發(fā)的電極式電熱管經(jīng)過(guò)了英國(guó)諾丁漢大學(xué)、約克大學(xué)、 加拿大布里斯托大學(xué)和紐約大學(xué)的教授們分別獨(dú)立測(cè)試，都對(duì)電熱管的電解液產(chǎn)出兩倍熱 能沒(méi)有異議，但也都沒(méi)有認(rèn)同專(zhuān)利發(fā)明人提出的釋放它的“化學(xué)當(dāng)量”和“離子放電能量”的 說(shuō)法。從2007年公布此裝置以來(lái)科學(xué)界至今還沒(méi)有用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證有任何新的能源產(chǎn)生。工業(yè)界最關(guān)心的是怎樣配置出這種“超”熱量電解液來(lái)制造出新的節(jié)能產(chǎn)品。這 也正如紐約大學(xué)某教授所言“誠(chéng)實(shí)的說(shuō)人們?nèi)詫?duì)此持懷疑態(tài)度。我們非常高興可以參與這 一次的評(píng)估，即使最后證明它是無(wú)用的。但這是一個(gè)非常有效的裝置，可以替代傳統(tǒng)浸入式 加熱器(見(jiàn)附頁(yè)一)”。根據(jù)對(duì)用電極式加熱器加熱碳酸鉀水溶液時(shí)發(fā)現(xiàn)它在加熱過(guò)程中產(chǎn)生大量二氧 化碳?xì)怏w，在散熱器的管道中容易出現(xiàn)氣堵，所以?xún)H適合用于具有大型散熱負(fù)載的暖器具 中，不適用于大功率快速電熱水器中。為了研制大功率快速電極式電熱水器，必需重新研究電解液的電熱轉(zhuǎn)換特性，以達(dá)到制造高電熱效率的電熱水器的目的。

發(fā)明內(nèi)容
1.為提高電極式熱水器的電熱效率，找出在不同電解液濃度和種類(lèi)下的電熱效 率，開(kāi)發(fā)了一個(gè)“0”形管測(cè)試裝置(見(jiàn)附圖一也是電極式電熱水器工作原理流程示意圖)。以下簡(jiǎn)要說(shuō)明將配置好的電解質(zhì)水溶液放入“0”形管中，在溶液泵的作用下電 解液在經(jīng)過(guò)加了電壓的電極時(shí)，受到電流的加熱，加熱后的電解液與熱交換器交換熱能輸 出熱水，這一切都由可檢測(cè)的溫度、流量、壓力、電流等測(cè)量頭將當(dāng)時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算 機(jī)后，找出不同電解液濃度時(shí)的電熱轉(zhuǎn)換效率，并根據(jù)所計(jì)算的參數(shù)找出最高電熱轉(zhuǎn)換效 率時(shí)的工作點(diǎn)。2.眾所周知電解液的導(dǎo)電機(jī)能非常復(fù)雜，根據(jù)電解液理論所知電解液在導(dǎo)電時(shí)是 由電解質(zhì)正負(fù)離子為主導(dǎo)電。這時(shí)電流絕大多數(shù)加熱了電解質(zhì)的正負(fù)離子，為了盡可能加 熱水的正負(fù)離子，必需根據(jù)電解質(zhì)理論來(lái)解決。(見(jiàn)附頁(yè)三，摘錄自德國(guó)卡爾.H.哈曼等人 所著《電化學(xué)(ELECTROCHEMISTRY》，原著第二版，化學(xué)工業(yè)出版社，2010年1月印刷，書(shū)中第 18頁(yè)、第25頁(yè)、第沈頁(yè)和第42頁(yè)中部分論文和圖表)。根據(jù)此書(shū)得知，在極稀釋的電解液水溶液中才具有極大的電導(dǎo)率，因?yàn)檫@時(shí)水分 了充分電離出來(lái)H+和OH—(見(jiàn)附圖二中表2. 3在25度時(shí)一些電解質(zhì)溶液在不同濃度時(shí)電導(dǎo) 率值)。其中H+是氫原子失去了一個(gè)電子的質(zhì)子，它又與具有極化狀的水分子結(jié)合成水合 質(zhì)子(見(jiàn)附圖三中圖2. 12和圖2. 13)。根據(jù)附圖四中圖2. 19水溶液中水合金屬陽(yáng)離子的 局部結(jié)構(gòu)圖，為了形成立體的水合質(zhì)子的隧穿傳遞網(wǎng)絡(luò)，電解質(zhì)一般選取高價(jià)金屬和弱酸 形成鹽的水溶液，就會(huì)形成多層水合分子層。根據(jù)附頁(yè)三中資料，一價(jià)堿金屬離子的內(nèi)水化 層水分子數(shù)為3，其它二價(jià)和三價(jià)陽(yáng)離子的內(nèi)水化層的水分子數(shù)為六。這對(duì)于質(zhì)子電流加工 水分子網(wǎng)絡(luò)的效率有較大的提高。這樣就形成了多層立體的水合質(zhì)子的隧穿傳遞網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn) 附圖五中圖2. 14水溶液中質(zhì)子通過(guò)分子傳遞機(jī)理的示意圖)。此時(shí)施加電壓，質(zhì)子優(yōu)先在電場(chǎng)方向進(jìn)行傳遞，形成質(zhì)子電流。質(zhì)子遷移造成對(duì)水 分子的加熱效應(yīng)，同時(shí)也證明了質(zhì)子在水溶液傳遞的機(jī)理。這說(shuō)明了只有極稀釋電解質(zhì)水 溶液中形成以質(zhì)子電流為主體的電流才能“全部”加熱水分子，達(dá)到電解液產(chǎn)出兩倍的熱量 來(lái)。根據(jù)附頁(yè)三第沈頁(yè)倒數(shù)第五行，當(dāng)質(zhì)子電流在水溶液中傳遞時(shí)所形成的溫度效應(yīng)達(dá)到 150度時(shí)就到了最大值(測(cè)量在高壓下進(jìn)行)，所以其溫度絕對(duì)不會(huì)達(dá)到“核聚變溫度”。同 時(shí)在封閉的容器中，即便是有“化學(xué)當(dāng)量”釋放熱量也是應(yīng)該遵守能量守恒，我們只不過(guò)是 找到一種利用“質(zhì)子”電流加熱了水分子的方法。這種加熱方式的效率大大超過(guò)了目前我 們?cè)谖锢斫缢赖碾姛徂D(zhuǎn)換效率。我們不光從理論上同時(shí)也從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了只有在極稀釋電解質(zhì)水溶液中在水分 子充分電離的情況下，電場(chǎng)所形成的電流才會(huì)“全部”加熱水分子，才會(huì)有產(chǎn)生兩倍熱量的 現(xiàn)象。所以將這種加熱原理應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)加熱水的設(shè)備中，對(duì)節(jié)省電能有巨大的積極意 義，這也是我們今后發(fā)展低碳綠色產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。3.由于電解液的電導(dǎo)率是每升高一度電導(dǎo)率增加2 %，所以在電極式電熱水器啟 動(dòng)時(shí)速度較慢，同時(shí)在電極加熱過(guò)程中由于水溶液的正負(fù)離子的電荷移動(dòng)也會(huì)造成水中質(zhì)子遷移量的缺乏，影響了質(zhì)子電流的增力卩。在電場(chǎng)中，水分子中的氫原子失去了電子形成了 質(zhì)子電流。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，在電解液中充入適當(dāng)氫氣，這時(shí)氫以原子態(tài)溶解于電解質(zhì)水溶液中。它 停留在水合質(zhì)子的隧道傳遞網(wǎng)絡(luò)附近，在電場(chǎng)作用下水溶液中的氫原子也會(huì)失去電子與水 分子形成水合質(zhì)子，或得到電子還原成氫原子。這是對(duì)質(zhì)子電流的增加是最好的補(bǔ)充，提高 了質(zhì)子電流加熱水分子的電熱轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)氫具有極高的標(biāo)準(zhǔn)火用，它是水溶液的數(shù)十 倍。由于具有良好的導(dǎo)熱特性，是良好的導(dǎo)熱體，這對(duì)電解液和外部熱交換器交換熱量的效 率有極大的提高。根據(jù)核磁共振的原理，知道氫和同位素氘是四磁矩結(jié)構(gòu)，所以能夠粘滯在具有極 化狀的水分子周?chē)Ｋ琴|(zhì)子電流最好的替代物，它在電解質(zhì)水溶液里起著對(duì)質(zhì)子電流增 補(bǔ)作用。這是目前所找到的提高質(zhì)子電流加熱電解質(zhì)水溶液，提高電熱效率的方法。所以在工民建水曖供熱系統(tǒng)中，適量充入氫氣對(duì)提高載熱容量和加大傳熱密度對(duì) 提高熱交換效率、節(jié)省能源具有現(xiàn)實(shí)意義。4.電極加熱電解液的電熱設(shè)備中，除前面所敘的電解液的溫度和導(dǎo)電特性夕卜，它 也受到熱交換器向外供熱負(fù)載變化的影響。當(dāng)電解液達(dá)到150度時(shí)，電場(chǎng)繼續(xù)對(duì)電解液加 熱時(shí)，也會(huì)降低電熱效率。因此，控制加熱設(shè)備的電場(chǎng)電流是在實(shí)際使用中提高電熱轉(zhuǎn)換效 率的方法。在這里改變電流通常是改變電極的面積或者是電極的間距，改變電極的間距效 果明顯，但制造成本高，操作復(fù)雜。而改變電極面積的方法，成本低，這是通常選用的方法。 另外，重要的是，要根據(jù)附圖一中的測(cè)量裝置及由計(jì)算機(jī)對(duì)各點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，如電極電流、 電解液溫度、電解液流速、“0”形管壓力、熱交換器的出水溫度和流量進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算，找出 最佳工作點(diǎn)，在此建議工作溫度保持在130度左右變化。這樣對(duì)實(shí)際使用的電極式電熱水 器的電熱效率的提高有保證，同時(shí)在安全使用上也給了標(biāo)準(zhǔn)的方式。而對(duì)于大型電極式電 熱器具中特別要對(duì)導(dǎo)管中的氣體壓力和電解液流速作為主要檢測(cè)、校準(zhǔn)的指標(biāo)才能保證電 熱效率的提高。對(duì)大型電極加熱水的工業(yè)設(shè)備中也采用上述計(jì)算機(jī)的檢測(cè)、計(jì)算和功率控制，這 對(duì)提高工業(yè)用熱有巨大的節(jié)能作用。


附圖1是“0”形管測(cè)試裝置，(也是電極式電熱水器工作原理流程示意圖)1.電極2.溫度探頭3.滴定液輸入口 4.熱交換器5.熱水出口流量計(jì)和溫度計(jì) 6.冷水入口和溫度計(jì)7.電導(dǎo)率電極和溫度計(jì)8.電解液循環(huán)泵9電解質(zhì)水溶液10.壓力表。附圖2是表2. 3在25度時(shí)一些電解質(zhì)溶液在不同濃度時(shí)的電導(dǎo)率值。附圖3是圖2. 12和圖2. 13水合質(zhì)子結(jié)構(gòu)圖。附圖4是圖2. 19水溶液里水合金屬的離子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。 附圖5是圖2. 14水溶液中質(zhì)子通過(guò)水分子傳遞機(jī)理示意圖。
具體實(shí)施例方式1.電解液的種類(lèi)和濃度的配置方法操作工作應(yīng)由熟悉電化學(xué)知識(shí)的人員配置，配置的工作一般選用玻璃器皿，例如滴定管，量杯，滴管等。這些器具事先必需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的化學(xué)分析純度的清洗。尤其要清洗有 機(jī)溶液的殘留，它對(duì)水分子電離有極大的阻滯作用。2.材料配置優(yōu)先選用經(jīng)過(guò)蒸餾的純凈水和用化學(xué)純度的鹽、堿和酸作為電解質(zhì)配 置。例如可以選取碳酸鉀、純堿、磷酸鐵鉀等等。與純凈的凈化水混合，濃度一般選取每升 0. OKmol. dm-3)左右，充分溶解后灌入“0”形管內(nèi)至滿(mǎn)。再開(kāi)動(dòng)溶液泵，利用計(jì)算機(jī)測(cè)量出 電解液的電導(dǎo)率和溫度等，其電導(dǎo)率應(yīng)接近或達(dá)到附圖二中表2. 3中所表示的該電解質(zhì)的 極稀水溶液的摩爾電導(dǎo)率，同時(shí)用計(jì)算機(jī)計(jì)算出最高電熱效率來(lái)確定溶液濃度。3.當(dāng)選用兩種以上的電解質(zhì)極稀釋水溶液配置時(shí)，要先分別配出各自電解質(zhì)極稀 釋水溶液狀態(tài)下的電導(dǎo)率，建議溶液濃度為0. 001-0. 005左右，然后再混合灌入“0”形管內(nèi) 運(yùn)行測(cè)試其電導(dǎo)率和電熱效率，用改變濃度的方式來(lái)選取最高電熱效率。4.為了增加極稀釋電解質(zhì)水溶液中的質(zhì)子導(dǎo)電電流量，讓水中適當(dāng)增加氫原子來(lái) 補(bǔ)充質(zhì)子電流，要在水溶液中放入適當(dāng)含有氫氣的納米狀鈦合金粉。含氫氣的鈦合金粉要先放入氫氣鋼瓶?jī)?nèi)，在低溫下放入適量納米狀的鈦合金粉， 然后充入氫氣，存放M小時(shí)以上。取出含有氫的納米狀鈦合金粉，置入“0”形管內(nèi)，其量要 按實(shí)驗(yàn)決定。這就是由計(jì)算機(jī)測(cè)量電極熱水器在加熱中的電流、管道壓力和電熱效率來(lái)決 定放入量。這是一個(gè)細(xì)致的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，同時(shí)要注意操作安全。因?yàn)殡娊庖褐泻袣涞募{米 狀鈦合金粉在水溶液中升溫時(shí)，就會(huì)釋放出原子態(tài)氫來(lái)補(bǔ)充質(zhì)子電流，這樣就提高了電極 式電熱水器的電熱效率。5.由于電極式熱水容器一般都采用尼龍塑料制品結(jié)構(gòu)，這樣空氣中的二氧化碳極 容易鉆入容器內(nèi)的電解液中，與某些金屬離子形成沉淀鹽類(lèi)，造成電極局部短路和堵塞液 體管道。所以，在電解質(zhì)配置溶液時(shí)一定要注意防止有些金屬離子易與二氧化碳形成沉淀 的鹽類(lèi)，這樣的金屬鹽不能用來(lái)配置電解液。6.由于極稀釋電解液在電極工作加熱中會(huì)形成偏堿性或偏酸性的水溶液，這時(shí)會(huì) 增加電解液的電導(dǎo)率，這時(shí)要注意這些酸堿性的電解液對(duì)容器的腐蝕作用，因此要適量控 制電解質(zhì)使用的種類(lèi)和數(shù)量。
權(quán)利要求
1.在工業(yè)電極加熱水的設(shè)備中采用極稀釋電解質(zhì)的水溶液作為電極的導(dǎo)電介質(zhì)，是形 成以質(zhì)子電流為主體的必要條件，這時(shí)電極才能夠“全部”加熱水溶液，達(dá)到提高電熱轉(zhuǎn)換 的效率。在盡可能大的程度下減少電解液中其它電解質(zhì)的正負(fù)離子的導(dǎo)電程度。
2.在電極加熱及稀釋電解質(zhì)水溶液中采用適量加入納米狀含氫鈦合金粉，是提高電解 質(zhì)水溶液中的導(dǎo)電率，及質(zhì)子電流的功率。這是提高電解質(zhì)電熱轉(zhuǎn)換效率的重要手段。
3.在極稀釋電解質(zhì)的水溶液中，所采用的電解質(zhì)鹽類(lèi)分解和導(dǎo)電中絕對(duì)不能有與碳酸 形成沉淀物的情況存在，這是電極加熱和安全工作的保證。
4.適當(dāng)選擇各類(lèi)電解質(zhì)水溶液，在電極加熱中所形成的水溶液的偏堿性和偏酸性對(duì)于 提高電導(dǎo)率有幫助。
5.采用計(jì)算機(jī)多點(diǎn)檢測(cè)和計(jì)算電熱效率同步進(jìn)行的方法，是提高電極式加熱器的重要 保證。
6.在工業(yè)電極加熱水設(shè)備中，采用極稀釋電解液的高電導(dǎo)率的水來(lái)加熱，具有節(jié)能效果。
7.在工業(yè)電極加熱和供暖水溶液中，適量放入含氫的納米狀鈦合金，對(duì)提高熱水的熱 交換密度和熱交換效率有幫助。
8.由于熱水中含有氫原子，對(duì)于電極鍋爐的沉淀物有清除作用，對(duì)提高安全使用有好處。
全文摘要
本發(fā)明涉及提高電極式電熱水器內(nèi)電熱介質(zhì)的電熱效率方法，解釋為下本發(fā)明涉及電極式電熱水器中的電熱轉(zhuǎn)換介質(zhì)，采用極稀釋電解質(zhì)水溶液的濃度，其電導(dǎo)率達(dá)到該電解質(zhì)或接近該電解質(zhì)電解液的電導(dǎo)率。水分子充分電離后就形成了質(zhì)子遷移隧道立體網(wǎng)絡(luò)，在電場(chǎng)下的質(zhì)子電流幾乎“全部”加熱水分子，提高了電加熱效率。為了補(bǔ)充質(zhì)子電流在遷移中形成的電荷缺乏，采用適量加入含氫的納米狀鈦合金粉使氫在水中以游離態(tài)原子存在，存在于水合質(zhì)子遷移網(wǎng)絡(luò)附近。氫原子起著補(bǔ)充質(zhì)子電流，提高電熱效率的作用。為了保證電極式加熱器的正常工作，不能采用在加熱過(guò)程中出現(xiàn)碳酸鹽的沉淀物，這是安全工作的保證。采用計(jì)算機(jī)多點(diǎn)物理參數(shù)測(cè)量和同時(shí)計(jì)算電熱交換效率的方法是提高電極式加熱水器的電熱轉(zhuǎn)效率的技術(shù)保障。
文檔編號(hào)F24H1/00GK102143620SQ201010516590
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者江山, 江林 申請(qǐng)人:江山, 江林