Revisione delle caldaie ioniche: riscaldiamo l’acqua con corrente elettrica

Sezioni dell’articolo

• Storia e principio di funzionamento della caldaia a ioni (elettrodo)
• Caratteristiche delle caldaie a ioni (elettrodo)
• Dispositivo e installazione della caldaia dell’elettrodo
• Caldaia a ioni – prezzi e produttori
• Alla fine

In questo articolo: una caldaia per elettrodi: il frutto delle imprese della difesa; come funziona una caldaia ionica; è possibile riscaldare l’acqua senza una fonte di calore; minore resistenza ohmica – aggiungere sale all’acqua; pro e contro delle caldaie ioniche; dispositivo caldaia elettrodo; come installare correttamente la caldaia dell’elettrodo; quali dispositivi di riscaldamento possono essere utilizzati in un circuito con una caldaia ionica e quali no; produttori e prezzi; alla fine – le sfumature dell’installazione di caldaie a ioni.

Quanti modi conosci per riscaldare la tua casa con l’elettricità? Molto spesso, viene in mente una caldaia con un elemento riscaldante ad acqua – avendo un’alta resistenza, il filo di nicromo all’interno di un tale elemento riscaldante si riscalda, trasferendo calore al riempitivo del tubo, quindi al guscio metallico e, infine, all’acqua. Perché non semplificare il compito e riscaldare il liquido di raffreddamento senza passare attraverso un intermediario, perché è possibile farlo utilizzando elettrodi primitivi da due lame di rasoio, collegando i fili ad essi e collegandoli all’alimentazione? Fu da questa logica che i creatori dei primi modelli di caldaie a ioni (elettrodo), originariamente sviluppati per le esigenze della Marina dell’URSS, procedettero.

Storia e principio di funzionamento della caldaia a ioni (elettrodo)

Questo tipo di caldaie per riscaldamento è stato creato a metà del secolo scorso dalle imprese del complesso di difesa per le esigenze della flotta sottomarina dell’URSS, in particolare per il riscaldamento degli scomparti dei sottomarini con motori diesel. La caldaia per elettrodi soddisfaceva pienamente le condizioni per l’ordinazione di sottomarini: aveva dimensioni estremamente ridotte per caldaie di riscaldamento convenzionali, non aveva bisogno di una cappa di scarico, non creava rumore durante il funzionamento, riscaldava efficacemente il liquido di raffreddamento, che era più adatto per l’acqua di mare ordinaria.

Negli anni ’90, gli ordini per l’industria della difesa erano drasticamente diminuiti di volume e, insieme a questo, le esigenze della marina per le caldaie a ioni furono ridotte a zero. La prima versione “civile” della caldaia per elettrodi è stata creata dagli ingegneri A.P. Ilyin e D.N. Kunkov, che ha ricevuto il brevetto corrispondente per la loro invenzione nel 1995.

Il principio di funzionamento della caldaia a ioni si basa sull’interazione diretta del refrigerante, che occupa lo spazio tra l’anodo e il catodo, con una corrente elettrica. Il passaggio di una corrente elettrica attraverso il liquido di raffreddamento provoca un movimento caotico di ioni positivi e negativi: il primo si sposta verso un elettrodo caricato negativamente; il secondo – a carico positivo. Il costante movimento di ioni in un mezzo che resiste a questo movimento provoca un rapido riscaldamento del liquido di raffreddamento, che è particolarmente facilitato dall’inversione dei ruoli degli elettrodi – ogni secondo la loro polarità cambia 50 volte, ad es. ciascuno degli elettrodi entro un secondo sarà l’anodo 25 volte e il catodo 25 volte, poiché sono collegati a una sorgente CA a 50 Hz. Va notato che è proprio un cambio di carica così frequente agli elettrodi che non consente la decomposizione dell’acqua in ossigeno e idrogeno: per l’elettrolisi è necessaria una corrente elettrica costante. All’aumentare della temperatura nella caldaia, la pressione aumenta, provocando la circolazione del liquido di raffreddamento lungo il circuito di riscaldamento.

Pertanto, gli elettrodi installati nel serbatoio della caldaia a ioni non partecipano direttamente al riscaldamento dell’acqua e non si riscaldano da soli – gli ioni caricati positivamente e negativamente, divisi sotto l’influenza della corrente elettrica dalle molecole d’acqua, sono responsabili dell’aumento della temperatura dell’acqua..

Una condizione importante per il funzionamento efficace di una caldaia a ioni è la presenza di una resistenza ohmica dell’acqua a un livello non superiore a 3000 Ohm a 15 ° C, per la quale questo refrigerante deve contenere una certa quantità di sali – inizialmente, le caldaie degli elettrodi sono state create sotto l’acqua di mare. Cioè, se si versa acqua distillata nel sistema di riscaldamento e si tenta di riscaldarlo con una caldaia a ioni, non ci sarà riscaldamento, poiché non ci sono sali in tale acqua, il che significa che non ci sarà alcun circuito elettrico tra gli elettrodi.

Caratteristiche delle caldaie a ioni (elettrodo)

Possedendo le caratteristiche positive inerenti alle caldaie elettriche, questo tipo di caldaie ha anche un numero proprio. Noterò tutti i vantaggi:

• alta efficienza, vicino al 100% (tuttavia, qualsiasi stufa elettrica ha un’efficienza di almeno il 96%);
• dimensioni estremamente ridotte con elevata potenza, rispetto a qualsiasi altra caldaia;
• nessun camino richiesto;
• in grado di aumentare autonomamente la pressione nel circuito di riscaldamento;
• a differenza delle caldaie con elementi riscaldanti, non vi è pericolo di incidente a un livello insufficiente del refrigerante nel serbatoio della caldaia – una mancanza di refrigerante porterà solo alla conclusione del funzionamento della caldaia, poiché non vi sarà alcun circuito elettrico tra gli elettrodi;
• un’inerzia estremamente bassa consente di controllare efficacemente le condizioni di temperatura durante il funzionamento della caldaia mediante l’automazione, di conseguenza si ottiene il funzionamento meno dispendioso in termini di energia del sistema di riscaldamento – la temperatura nei locali riscaldati sarà sempre al livello impostato sul controller automatico;
• le cadute di tensione nella rete elettrica non danneggiano la caldaia a ioni – solo le sue variazioni di potenza, il lavoro non si ferma;
• installazione come fonte aggiuntiva di energia termica, è consentita l’installazione di più caldaie ioniche contemporaneamente;
• non c’è assolutamente alcun impatto negativo sull’ambiente.

Contro della caldaia dell’elettrodo:

• consuma solo corrente alternata, con elettrolisi in corrente continua di acqua;
• requisiti elevati per le caratteristiche elettrolitiche del liquido di raffreddamento, quando cambiano, la qualità del lavoro (produzione di calore) diminuisce drasticamente. È necessario controllare la conduttività elettrica del liquido di raffreddamento;
• richiede una messa a terra obbligatoria (tuttavia, come qualsiasi dispositivo di riscaldamento con scaldabagno). Allo stesso tempo, i rischi di scosse elettriche in caso di rottura dell’isolamento sono superiori a quelli degli elementi riscaldanti;
• la temperatura di riscaldamento del liquido di raffreddamento non deve superare i 75 ° C, altrimenti il ​​consumo di energia della caldaia aumenterà notevolmente;
• la formazione di calcare sugli elettrodi riduce la potenza della caldaia, poiché impedisce la ionizzazione del liquido di raffreddamento;
• requisiti elevati per le caratteristiche di qualità dei dispositivi di riscaldamento;
• la necessità di dotare l’impianto di riscaldamento di una pompa di circolazione;
• usura degli elettrodi causata dalla tensione alternata, che richiede una sostituzione periodica;
• in un circuito di riscaldamento climatizzato contenente un elettrolita refrigerante, i processi di corrosione saranno accelerati più volte;
• in un sistema a circuito singolo, l’uso di acqua riscaldata per esigenze domestiche è inaccettabile;
• la messa in servizio richiede il coinvolgimento di specialisti – è quasi impossibile ridurre in modo indipendente la resistenza ohmica dell’acqua con un aumento della sua conduttività al livello ottimale;
• la conduttività elettrica del liquido di raffreddamento cambia durante il funzionamento, è necessario controllarlo e quindi disporre delle conoscenze e delle attrezzature appropriate.

Dispositivo e installazione della caldaia dell’elettrodo

Ha un design piuttosto semplice, in cui viene prestata particolare attenzione alla protezione contro le dispersioni elettriche: un tubo d’acciaio trafilato solido come corpo, sopra di esso è coperto da uno strato isolante elettrico di poliammide; tubi di ingresso e uscita del refrigerante; morsetti per l’alimentazione elettrica alla custodia e alla terra; uno speciale elettrodo in lega (le caldaie trifase sono dotate di tre elettrodi), isolate con dadi in poliammide; isolamento aggiuntivo con guarnizioni in gomma sui connettori.

Esternamente, una caldaia a ioni domestici ha una forma cilindrica, il suo diametro di solito non supera i 320 mm, la lunghezza – 600 mm e il peso – 12 kg. La più piccola potenza – 2 kW (per riscaldamento ambiente di circa 80 m³), massimo – 50 kW (riscaldamento dell’ambiente circa 1600 m³). Le caldaie monofase hanno una potenza da 2 a 6 kW, caldaie trifase da 9 a 50 kW. Il consumo di energia della caldaia raggiunge il livello nominale (la potenza dichiarata dal produttore in kilowatt) quando la temperatura interna raggiunge i 75 ° C – a temperature più basse, il consumo di energia è inferiore, poiché la conducibilità attuale è inferiore in un refrigerante più freddo. Va notato che la temperatura di 75 ° C è ottimale per le caldaie a ioni, poiché con lo sviluppo di una temperatura più elevata, il consumo di energia delle caldaie supererà quello indicato nella scheda tecnica..

Un sistema di controllo automatico (controller) è incluso con la caldaia dell’elettrodo, che include un termostato elettronico, protezione automatica contro i picchi di corrente nella rete e un’unità di avviamento. Alcuni modelli di controller consentono sia il controllo diretto che il controllo remoto tramite canali GSM. È il controller che fornisce i risparmi energetici dichiarati dai produttori di caldaie ioniche – a differenza dell’acqua di riscaldamento con l’aiuto di elementi riscaldanti, il riscaldamento dell’elettrodo consente di modificare la temperatura del refrigerante in un tempo più breve, perché ha una bassa inerzia.

In un sistema di riscaldamento aperto con circolazione naturale del liquido di raffreddamento, quest’ultimo sale sui tubi a causa dell’espansione termica e della pressione nella caldaia a ioni, entra nei radiatori e si raffredda, quindi ritorna attraverso il tubo di ritorno alla caldaia, dove si riscalda e ripete nuovamente il ciclo. Il sistema di riscaldamento chiuso è inoltre dotato di un vaso di espansione-espansore e di una pompa di circolazione necessari nella fase iniziale di riscaldamento del liquido di raffreddamento.

Quando si installa una caldaia per elettrodi, un requisito obbligatorio è dotare il circuito di riscaldamento nel suo punto più alto di un gruppo di sicurezza: una presa d’aria automatica, un manometro, una valvola esplosiva (di sicurezza). Nei sistemi aperti, le valvole di controllo o di chiusura devono essere installate solo dopo il vaso di espansione, ad es. la sezione del tubo tra l’uscita della caldaia e fino al vaso di espansione non deve contenere alcuna valvola di intercettazione! Nei sistemi di tipo chiuso, le valvole di intercettazione sono installate su una sezione della tubazione dopo il vaso di espansione e prima di entrare nella caldaia. Se, tuttavia, immediatamente dopo aver lasciato la caldaia, viene installato un gruppo di sicurezza, allora le valvole di intercettazione possono essere installate prima dell’espansore – in questo caso, il vaso di espansione deve essere installato nella sezione di ritorno.

Le caldaie ioniche di qualsiasi modello sono installate nel sistema di riscaldamento in modo rigorosamente verticale, con il loro fissaggio alla parete. I primi 1200 mm di tubazioni sull’alimentazione del refrigerante alla caldaia sono costituiti da un tubo di metallo non zincato, quindi è consentito l’uso di tubi di metallo-plastica.

Una messa a terra affidabile della caldaia a ioni è indispensabile, poiché in caso di dispersione di corrente, questo problema non può essere risolto utilizzando un interruttore differenziale. Il filo di rame di messa a terra deve avere una sezione trasversale da 4 a 6 mm, la sua resistenza non deve essere superiore a 4 ohm – il conduttore è collegato al terminale zero situato nella parte inferiore del corpo della caldaia. La messa a terra deve soddisfare i requisiti del PUE.

Idealmente, è prevista l’installazione di una caldaia per elettrodi in un nuovo sistema di riscaldamento, prelavato con acqua pulita. Quando si inserisce una caldaia in un circuito esistente, deve essere accuratamente lavata con acqua con agenti speciali aggiunti ad essa – la loro lista e proporzioni sono descritte nel passaporto tecnico della caldaia, ogni produttore insiste sull’uso di determinati inibitori. Se questa condizione non viene soddisfatta, i depositi di sale (scala) interferiranno con la regolazione fine della resistenza ohmica del liquido di raffreddamento..

Quando si scelgono i radiatori di riscaldamento per un sistema con una caldaia ionica, prestare molta attenzione al loro consumo di refrigerante in litri: è necessario scoprire quanti litri consuma un radiatore, quindi calcolare lo spostamento totale in base al numero richiesto di radiatori. Va notato che i dispositivi di riscaldamento particolarmente spaziosi non sono adatti, perché Un tale sistema di riscaldamento consumerà più di 10 litri di refrigerante per chilowatt della capacità installata della caldaia, il che lo costringerà a funzionare ininterrottamente, e questo non è redditizio dal punto di vista del consumo di elettricità. Idealmente, lo spostamento totale del sistema di riscaldamento dovrebbe essere di circa 8 litri per chilowatt di potenza..

Secondo il materiale di fabbricazione, i radiatori bimetallici e in alluminio sono più adatti per i sistemi di riscaldamento con una caldaia ad elettrodi. Quando si scelgono i dispositivi di riscaldamento in alluminio, un criterio importante è l’origine dell’alluminio – sia esso primario (ovvero ottenuto da materiali naturali – bauxite, alunite, nefelina, ecc.) O secondario, rifuso da materiali riciclati. Il problema è che i radiatori di alluminio secondari più economici sono fatti di una lega con un alto contenuto di impurità che aumentano la resistenza ohmica del liquido di raffreddamento..

In sistemi di riscaldamento aperti, sarebbe corretto installare dispositivi di riscaldamento in alluminio con un rivestimento polimerico interno che riduce la corrosione; in sistemi chiusi tali radiatori non sono necessari – i processi di corrosione vengono attivati ​​quando c’è aria nel volume del liquido di raffreddamento, ad es. il suo contenuto di sale non provoca corrosione.

I radiatori in ghisa per impianti di riscaldamento con riscaldamento del liquido di raffreddamento da una caldaia per elettrodi sono i meno adatti, poiché sono fortemente contaminati dall’interno e le particelle di sporco influenzano la conduttività della corrente. Inoltre, i radiatori in ghisa consumano una quantità significativa di refrigerante, che può superare la capacità installata di questo modello di caldaia a ioni: saranno necessari i suoi modelli più potenti. I produttori di caldaie per elettrodi consentono l’uso di radiatori in ghisa, alle seguenti condizioni: sono prodotti secondo la norma europea (ovvero in Turchia o in Cecoslovacchia); sulla linea di ritorno, prima di entrare nella caldaia, vengono installati nella tubazione collettori di fango (raccoglitori di fanghi) e filtri grossolani.

Caldaia a ioni – prezzi e produttori

Le caldaie per elettrodi dei seguenti produttori sono presentate in Russia e nei paesi della CSI: la “ditta” Galan “russa CJSC (lo stesso marchio), la lettone LLC” Stafor EKO “(lo stesso nome) e l’ucraino SPD-FO Goncharenko O.A. (marchio “EOU” (impianto di riscaldamento a risparmio energetico)).

Il costo di una caldaia per elettrodi dipende dalla sua potenza: una caldaia con una capacità di 2 kW costerà all’acquirente in media 3000 rubli. Va tenuto presente che il set di automazione necessaria viene venduto, di regola, separatamente – il suo costo sarà di circa 6500 rubli, vale a dire. due volte più costoso della caldaia stessa.

Il periodo di garanzia per una caldaia per elettrodi, a seconda del produttore, varia da un anno a due anni. La durata media di tali caldaie è di circa 10 anni, subordinatamente al rispetto dei requisiti operativi per il refrigerante e la sostituzione tempestiva degli elettrodi (circa ogni 2-4 anni).

Alla fine

Quando si crea un sistema di riscaldamento basato sul riscaldamento del liquido di raffreddamento da una caldaia per elettrodi, è necessario osservare le seguenti sfumature:

• il consumo di elettricità della caldaia è significativamente maggiore se installato in un circuito di riscaldamento precedentemente utilizzato. È meglio installare la caldaia a ioni in un circuito creato appositamente per esso;
• quando si utilizza l’antigelo come refrigerante, è necessario prestare particolare attenzione alle connessioni staccabili, poiché la sua fluidità è superiore a quella dell’acqua;
• tutti i tubi che formano il circuito di riscaldamento devono essere avvolti con uno strato di isolamento termico – questa misura faciliterà il compito della caldaia di raggiungere la modalità operativa ottimale;
• se i gruppi di termosifoni si trovano a diversi livelli (piani) dell’edificio, allora sarà più efficiente, anche se meno redditizio, installare caldaie ioniche indipendenti della potenza richiesta per ciascun gruppo.

Le caldaie ioniche (ad elettrodo) non sono adatte a sistemi di riscaldamento come “pavimento caldo” o “zoccolo caldo”, poiché la temperatura del refrigerante che circola in essi non deve superare i 45 ° С – la caldaia non sarà in grado di raggiungere la temperatura operativa richiesta.

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