Revisión de calderas iónicas: calentamos agua con corriente eléctrica

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En este artículo: una caldera de electrodos, creación de empresas de defensa; cómo funciona una caldera iónica; ¿Es posible calentar agua sin una fuente de calor? menor resistencia óhmica: agregue sal al agua; pros y contras de las calderas de iones; dispositivo de caldera de electrodos; cómo instalar correctamente la caldera de electrodos; qué dispositivos de calefacción se pueden utilizar en un circuito con una caldera iónica y cuáles no; fabricantes y precios; al final, los matices de la instalación de calderas de iones.

¿Cuántas formas de calentar tu casa con electricidad conoces? La mayoría de las veces, me viene a la mente una caldera con calentador de agua: al tener una alta resistencia, el hilo de nicromo dentro de dicho calentador se calienta, transfiriendo calor al relleno del tubo, luego a la carcasa de metal y, finalmente, al agua. ¿Por qué no simplificar la tarea y no calentar el refrigerante sin pasar por un intermediario, porque puede hacerlo utilizando electrodos primitivos de dos hojas de afeitar, conectando cables a ellos y conectándolos a la fuente de alimentación? Fue a partir de esta lógica que los creadores de los primeros modelos de calderas de iones (electrodos), desarrollados originalmente para las necesidades de la Armada de la URSS, procedieron.

Historia y principio de funcionamiento de la caldera de iones (electrodo).

Este tipo de calderas de calefacción fue creado a mediados del siglo pasado por empresas del complejo de defensa para las necesidades de la flota submarina de la URSS, en particular, para calentar los compartimentos de los submarinos con motores diesel. La caldera de electrodos cumplía completamente con las condiciones para ordenar submarinistas: tenía dimensiones extremadamente pequeñas para las calderas de calefacción convencionales, no necesitaba una campana extractora, no generaba ruido durante el funcionamiento, calentaba eficazmente el refrigerante, que era más adecuado para el agua de mar ordinaria..

Para los años 90, los pedidos para la industria de defensa habían disminuido drásticamente en volumen, junto con esto, las necesidades de la marina de calderas de iones se redujeron a cero. La primera versión «civil» de la caldera de electrodos fue creada por los ingenieros A.P. Ilyin y D.N. Kunkov, quien recibió la patente correspondiente por su invención en 1995.

Revisión de calderas iónicas: calentamos agua con corriente eléctrica

El principio de funcionamiento de la caldera de iones se basa en la interacción directa del refrigerante, que ocupa el espacio entre el ánodo y el cátodo, con una corriente eléctrica. El paso de una corriente eléctrica a través del refrigerante provoca un movimiento caótico de iones positivos y negativos: los primeros se mueven hacia un electrodo cargado negativamente; el segundo – a los cargados positivamente. El movimiento constante de iones en un medio que resiste este movimiento provoca un calentamiento rápido del refrigerante, que se ve especialmente facilitado por la inversión de las funciones de los electrodos: cada segundo, su polaridad cambia 50 veces, es decir, cada uno de los electrodos dentro de un segundo será el ánodo 25 veces y el cátodo 25 veces, ya que están conectados a una fuente de CA de 50 Hz. Cabe señalar que es precisamente un cambio de carga tan frecuente en los electrodos lo que no permite que el agua se descomponga en oxígeno e hidrógeno; se requiere una corriente eléctrica constante para la electrólisis. A medida que aumenta la temperatura en la caldera, la presión aumenta, provocando la circulación del refrigerante a lo largo del circuito de calefacción..

Por lo tanto, los electrodos instalados en el tanque de la caldera de iones no participan directamente en el calentamiento del agua y no se calientan por sí mismos: los iones cargados positiva y negativamente, divididos bajo la influencia de la corriente eléctrica de las moléculas de agua, son responsables del aumento de la temperatura del agua..

Revisión de calderas iónicas: calentamos agua con corriente eléctrica

Una condición importante para el funcionamiento efectivo de una caldera iónica es la presencia de una resistencia óhmica del agua a un nivel de no más de 3000 Ohm a 15 ° C, para lo cual este refrigerante debe contener una cierta cantidad de sales; inicialmente, las calderas de electrodos se crearon bajo agua de mar. Es decir, si vierte agua destilada en el sistema de calefacción y trata de calentarlo con una caldera de iones, no habrá calefacción, ya que no hay sales en dicha agua, lo que significa que no habrá circuito eléctrico entre los electrodos..

Características de las calderas de iones (electrodos)

Al poseer las características positivas inherentes a las calderas eléctricas, este tipo de calderas también tiene una serie propia. Señalaré todas las ventajas:

  • alta eficiencia, cercana al 100% (sin embargo, cualquier calentador eléctrico tiene una eficiencia de al menos el 96%);
  • dimensiones extremadamente pequeñas con alta potencia, en comparación con cualquier otra caldera;
  • no requiere chimenea;
  • capaz de elevar de forma independiente la presión en el circuito de calefacción;
  • a diferencia de las calderas con elementos calefactores, no hay peligro de accidente con un nivel insuficiente de refrigerante en el tanque de la caldera; la falta de refrigerante solo conducirá a la terminación del funcionamiento de la caldera, ya que no habrá circuito eléctrico entre los electrodos;
  • la inercia extremadamente baja le permite controlar de manera efectiva las condiciones de temperatura durante el funcionamiento de la caldera mediante la automatización, como resultado, se logra la operación del sistema de calefacción con el menor consumo de energía: la temperatura en las habitaciones con calefacción siempre estará al nivel que se establece en el controlador automático;
  • las caídas de voltaje en la red eléctrica no dañan la caldera de iones; solo cambia su potencia, el trabajo no se detiene;
  • instalación como fuente adicional de energía térmica, se permite la instalación de varias calderas de iones al mismo tiempo;
  • no hay absolutamente ningún impacto negativo en el medio ambiente.

Contras de la caldera de electrodos:

  • consume solo corriente alterna, con corriente continua se producirá la electrólisis del agua;
  • altos requisitos para las características electrolíticas del refrigerante, cuando cambian, la calidad del trabajo (producción de calor) disminuye drásticamente. Se requiere control sobre la conductividad eléctrica del refrigerante;
  • requiere conexión a tierra obligatoria (sin embargo, como cualquier dispositivo de calefacción con calentador de agua). Al mismo tiempo, los riesgos de descarga eléctrica en caso de rotura del aislamiento son mayores que los de los elementos calefactores;
  • la temperatura de calentamiento del refrigerante no debe exceder los 75 ° C, de lo contrario, el consumo de energía de la caldera aumentará considerablemente;
  • la formación de incrustaciones en los electrodos reduce la potencia de la caldera, ya que evita la ionización del refrigerante;
  • altos requisitos para las características de calidad de los dispositivos de calefacción;
  • la necesidad de equipar el sistema de calefacción con una bomba de circulación;
  • desgaste de electrodos causado por voltaje alterno, que requiere reemplazo periódico;
  • en un circuito de calefacción con aire acondicionado que contiene un refrigerante-electrolito, los procesos de corrosión se acelerarán muchas veces;
  • en un sistema de circuito único, el uso de agua caliente para necesidades domésticas es inaceptable;
  • El trabajo de puesta en marcha requiere la participación de especialistas: es prácticamente imposible reducir de forma independiente la resistencia óhmica del agua con un aumento de su conductividad al nivel óptimo;
  • La conductividad eléctrica del refrigerante cambia durante el funcionamiento, es necesario controlarlo y, por lo tanto, tener los conocimientos y el equipo adecuados..

Dispositivo e instalación de la caldera de electrodos.

Tiene un diseño bastante simple, en el que se presta especial atención a la protección contra fugas eléctricas: un tubo de acero estirado sólido como cuerpo, encima está cubierto con una capa aislante eléctrica de poliamida; tubos de entrada y salida de refrigerante; terminales para suministro de energía a la caja y tierra; un electrodo de aleación especial (las calderas trifásicas están equipadas con tres electrodos), aislado con tuercas de poliamida; aislamiento adicional con juntas de goma en los conectores.

Revisión de calderas iónicas: calentamos agua con corriente eléctrica

Externamente, una caldera de iones doméstica tiene una forma cilíndrica, su diámetro generalmente no excede los 320 mm, la longitud – 600 mm y el peso – 12 kg. La potencia más pequeña – 2 kW (para calefacción de espacios unos 80 m3), máximo – 50 kW (calefacción de habitaciones aproximadamente 1600 m3). Las calderas monofásicas tienen una potencia de 2 a 6 kW, las calderas trifásicas de 9 a 50 kW. El consumo de energía de la caldera alcanza el nivel nominal (la capacidad declarada por el fabricante en kilovatios) cuando la temperatura en su interior alcanza los 75 ° C – a temperaturas más bajas, el consumo de energía es menor, ya que la conductividad actual es menor en un refrigerante más frío. Cabe destacar que la temperatura de 75 ° C es óptima para las calderas de iones, ya que con el desarrollo de una temperatura más alta, el consumo energético de las calderas superará al indicado en la ficha técnica..

Con la caldera de electrodos se incluye un sistema de control automático (controlador), que incluye un termostato electrónico, protección automática contra sobretensiones en la red y una unidad de arranque. Algunos modelos de controladores permiten tanto el control directo como el control remoto a través de canales gsm. Es el controlador que proporciona los ahorros de electricidad declarados por los fabricantes de calderas de iones; a diferencia de calentar agua con la ayuda de elementos calefactores, el calentamiento por electrodo le permite cambiar la temperatura del refrigerante en un tiempo más corto, porque tiene baja inercia.

Revisión de calderas iónicas: calentamos agua con corriente eléctrica

En un sistema de calefacción abierto con circulación natural del refrigerante, este último sube por las tuberías debido a la expansión térmica y la presión en la caldera de iones, ingresa a los radiadores y enfría, luego regresa por la tubería de retorno a la caldera, donde se calienta y repite el ciclo nuevamente. El sistema de calefacción cerrado está equipado adicionalmente con un tanque de expansión-expansomat y una bomba de circulación requerida en la etapa inicial de calentamiento del refrigerante..

Al instalar una caldera de electrodos, un requisito obligatorio es equipar el circuito de calefacción en su punto más alto con un grupo de seguridad: un respiradero de aire automático, un manómetro, una válvula explosiva (de seguridad). En sistemas abiertos, las válvulas de control o de cierre solo deben instalarse después del tanque de expansión, es decir, ¡La sección de tubería entre la salida de la caldera y hasta el tanque de expansión no debe contener ninguna válvula de cierre! En los sistemas de tipo cerrado, las válvulas de cierre se instalan en una sección de la tubería después del tanque de expansión y antes de ingresar a la caldera. Sin embargo, si inmediatamente después de salir de la caldera, se instala un grupo de seguridad, entonces las válvulas de cierre se pueden instalar antes del expansomat; en este caso, el tanque de expansión debe instalarse en la sección de retorno.

Las calderas iónicas de cualquier modelo se instalan en el sistema de calefacción estrictamente verticalmente, con su propia fijación a la pared. Los primeros 1200 mm de tubería en el suministro de refrigerante a la caldera están hechos de una tubería de metal no galvanizado, luego se permite el uso de tuberías de metal y plástico.

Es imperativa una conexión a tierra confiable de la caldera de iones, ya que en caso de una fuga de corrientes, este problema no se puede resolver con un RCD. El cable de cobre de puesta a tierra debe tener una sección transversal de 4 a 6 mm, su resistencia no debe ser superior a 4 ohmios – el conductor se conecta al terminal cero ubicado en la parte inferior del cuerpo de la caldera. La conexión a tierra debe cumplir con los requisitos del PUE.

Idealmente, se planea instalar una caldera de electrodos en un nuevo sistema de calefacción, prelavada con agua limpia. Al insertar una caldera en un circuito existente, debe enjuagarse completamente con agua y agregarle agentes especiales; su lista y proporciones se describen en el pasaporte técnico de la caldera, cada fabricante insiste en el uso de ciertos inhibidores. Si no se cumple esta condición, los depósitos de sal (incrustaciones) interferirán con el ajuste fino de la resistencia óhmica del refrigerante..

Al elegir radiadores de calefacción para un sistema con una caldera iónica, preste mucha atención a su consumo de refrigerante en litros; debe averiguar cuántos litros consume un radiador y luego calcular el desplazamiento total en función del número requerido de radiadores. Cabe señalar que los dispositivos de calefacción especialmente espaciosos no son adecuados, porque Un sistema de calefacción de este tipo consumirá más de 10 litros de refrigerante por kilovatio de capacidad instalada de la caldera, lo que la obligará a funcionar sin parar, y esto no es rentable desde el punto de vista del consumo eléctrico. Idealmente, el desplazamiento total del sistema de calefacción debería ser de unos 8 litros por kilovatio de potencia..

Según el material de fabricación, los radiadores bimetálicos y de aluminio son los más adecuados para sistemas de calefacción con caldera de electrodos. Al elegir los dispositivos de calentamiento de aluminio, un criterio importante es el origen del aluminio, ya sea primario (es decir, obtenido a partir de materiales naturales, bauxita, alunita, nefelina, etc.) o secundario, refundido a partir de materiales reciclados. El problema es que los radiadores más económicos hechos de aluminio secundario están hechos de una aleación con un alto contenido de impurezas que aumentan la resistencia óhmica del refrigerante..

Revisión de calderas iónicas: calentamos agua con corriente eléctrica

En los sistemas de calefacción abiertos, sería correcto instalar dispositivos de calefacción hechos de aluminio con un revestimiento interno de polímero que reduzca la corrosión; en los sistemas cerrados, tales radiadores no son necesarios: los procesos de corrosión se activan cuando hay aire en el volumen del refrigerante, es decir, su contenido en sal no provoca corrosión.

Los radiadores de hierro fundido para sistemas de calefacción con calentamiento del refrigerante de una caldera de electrodos son los menos adecuados, ya que están muy contaminados desde el interior y las partículas de suciedad afectarán la conductividad de la corriente. Además, los radiadores de hierro fundido consumen una cantidad significativa de refrigerante, que puede superar la capacidad instalada de este modelo de caldera de iones; se requerirán sus modelos más potentes. Los fabricantes de calderas de electrodos permiten el uso de radiadores de hierro fundido, sujeto a las siguientes condiciones: se producen de acuerdo con la norma europea (es decir, en Turquía o Checoslovaquia); en la línea de retorno, antes de ingresar a la caldera, se instalan colectores de lodo (captadores de lodos) y filtros gruesos en la tubería.

Caldera de iones – precios y fabricantes

Las calderas de electrodos de los siguientes fabricantes se presentan en Rusia y los países de la CEI: la CJSC rusa «Firma» Galan «(la marca del mismo nombre), la LLC letona» Stafor EKO «(el mismo nombre) y la ucraniana SPD-FO Goncharenko O.A. (marca «EOU» (instalación de calefacción que ahorra energía)).

Revisión de calderas iónicas: calentamos agua con corriente eléctrica

El costo de una caldera de electrodos depende de su potencia: una caldera con una capacidad de 2 kW le costará al comprador en promedio 3000 rublos. Debe tenerse en cuenta que el conjunto de automatización necesaria se vende, por regla general, por separado; su costo será de aproximadamente 6500 rublos, es decir dos veces más caro que la caldera misma.

El período de garantía de una caldera de electrodos, según el fabricante, varía de un año a dos años. La vida útil promedio de tales calderas es de aproximadamente 10 años, sujeto al cumplimiento de los requisitos operativos para el refrigerante y al reemplazo oportuno de los electrodos (aproximadamente cada 2-4 años).

Al final

Al crear un sistema de calefacción basado en calentar el refrigerante de una caldera de electrodos, se deben observar los siguientes matices:

  • el consumo de electricidad de la caldera es significativamente mayor si se instala en un circuito de calefacción utilizado anteriormente. Es mejor instalar la caldera de iones en un circuito especialmente creado para ella;
  • al usar anticongelante como refrigerante, se debe prestar especial atención a las conexiones desmontables, ya que su fluidez es mayor que la del agua;
  • todas las tuberías que forman el circuito de calefacción deben envolverse con una capa de aislamiento térmico; esta medida facilitará la tarea de la caldera de alcanzar el modo de funcionamiento óptimo;
  • si los grupos de radiadores de calefacción están ubicados en diferentes niveles (pisos) del edificio, entonces será más eficiente, aunque menos rentable económicamente, instalar calderas iónicas independientes de la potencia requerida para cada grupo.

Las calderas iónicas (electrodo) no son adecuadas para sistemas de calefacción como «piso cálido» o «zócalo cálido», ya que la temperatura del refrigerante que circula en ellas no debe exceder los 45 ° С; la caldera no podrá alcanzar la temperatura de funcionamiento requerida.

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