Revisão das caldeiras iônicas – aquecemos água com corrente elétrica

Neste artigo: uma caldeira de eletrodo – a ideia de empresas de defesa; como funciona uma caldeira iônica; é possível aquecer água sem fonte de calor; menor resistência ôhmica – adicione sal à água; prós e contras das caldeiras de íons; dispositivo de caldeira eletrodo; como instalar corretamente a caldeira de eletrodo; quais dispositivos de aquecimento podem ser usados ​​em um circuito com uma caldeira de íons e quais não podem; fabricantes e preços; no final – as nuances da instalação de caldeiras de íons.

Quantas maneiras de aquecer uma casa com eletricidade você conhece? Na maioria das vezes, uma caldeira com um aquecedor de água vem à mente – tendo uma alta resistência, o fio de nicrômio dentro de um aquecedor assim se aquece, transferindo calor para o enchimento do tubo, depois para a carcaça de metal e, por fim, para a água. Por que não simplificar a tarefa e não aquecer o refrigerante sem passar por um intermediário, porque você pode fazer isso usando eletrodos primitivos de duas lâminas de barbear, conectando fios a eles e conectando-os à fonte de alimentação? Foi a partir dessa lógica que procederam os criadores dos primeiros modelos de caldeiras de íon (eletrodo), originalmente desenvolvidas para as necessidades da Marinha da URSS..

História e princípio de operação da caldeira de íon (eletrodo)

Este tipo de caldeiras de aquecimento foi criado em meados do século passado por empresas do complexo de defesa para as necessidades da frota de submarinos da URSS, em particular, para aquecimento de compartimentos de submarinos com motores diesel. A caldeira a eletrodo cumpria integralmente as condições para pedidos de submarinistas – tinha dimensões extremamente pequenas para caldeiras de aquecimento convencionais, não precisava de exaustor, não criava ruído durante a operação, aquecia efetivamente o refrigerante, que era mais adequado para água do mar comum.

Na década de 90, os pedidos para a indústria de defesa diminuíram drasticamente em volume, junto com isso, as necessidades da Marinha por caldeiras de íons foram reduzidas a zero. A primeira versão “civil” da caldeira de eletrodo foi criada pelos engenheiros A.P. Ilyin e D.N. Kunkov, que recebeu a patente correspondente por sua invenção em 1995.

O princípio de funcionamento da caldeira de íons é baseado na interação direta do refrigerante, que ocupa o espaço entre o ânodo e o cátodo, com uma corrente elétrica. A passagem de uma corrente elétrica pelo refrigerante causa um movimento caótico de íons positivos e negativos: os primeiros se movem em direção a um eletrodo carregado negativamente; o segundo – para o carregado positivamente. O movimento constante de íons em um meio que resiste a esse movimento provoca um rápido aquecimento do refrigerante, o que é especialmente facilitado pela mudança de funções nos eletrodos – a cada segundo sua polaridade muda 50 vezes, ou seja, cada um dos eletrodos dentro de um segundo será o ânodo 25 vezes e o cátodo 25 vezes, uma vez que estão conectados a uma fonte de corrente alternada de 50 Hz. Deve-se notar que é precisamente uma mudança tão frequente de carga nos eletrodos que não permite que a água se decomponha em oxigênio e hidrogênio – uma corrente elétrica constante é necessária para a eletrólise. Conforme a temperatura sobe na caldeira, a pressão sobe, causando a circulação do refrigerante através do circuito de aquecimento.

Assim, os eletrodos instalados no tanque da caldeira de íons não participam diretamente do aquecimento da água e não se aquecem – íons carregados positiva e negativamente, divididos sob a influência da corrente elétrica das moléculas de água, são responsáveis ​​pelo aumento da temperatura da água..

Uma condição importante para o funcionamento eficaz de uma caldeira iônica é a presença de uma resistência ôhmica da água a um nível não superior a 3000 Ohm a 15 ° C, para a qual este refrigerante deve conter uma certa quantidade de sais – inicialmente, as caldeiras de eletrodo foram criadas sob a água do mar. Ou seja, se você colocar água destilada no sistema de aquecimento e tentar aquecê-la com uma caldeira de íons, não haverá aquecimento, pois não há sais nessa água, o que significa que não haverá circuito elétrico entre os eletrodos.

Características das caldeiras de íon (eletrodo)

Possuindo as características positivas inerentes às caldeiras elétricas, este tipo de caldeiras também possui uma série própria. Vou observar todas as vantagens:

• alta eficiência, próxima a 100% (entretanto, qualquer aquecedor elétrico tem eficiência de pelo menos 96%);
• dimensões extremamente pequenas com alta potência, em comparação com quaisquer outras caldeiras;
• nenhuma chaminé necessária;
• capaz de aumentar de forma independente a pressão no circuito de aquecimento;
• ao contrário das caldeiras com elementos de aquecimento, não há perigo de acidente com nível insuficiente do refrigerante no tanque da caldeira – a falta de refrigerante só levará ao encerramento do funcionamento da caldeira, uma vez que não haverá circuito elétrico entre os eletrodos;
• a inércia extremamente baixa permite controlar eficazmente os modos de temperatura durante o funcionamento da caldeira através da automação, como resultado, consegue-se um funcionamento menos energético do sistema de aquecimento – a temperatura nas divisões aquecidas estará sempre ao nível definido para o controlador automático;
• as quedas de tensão na rede elétrica não prejudicam a caldeira de íons – apenas sua potência muda, o trabalho não para;
• instalação como fonte adicional de energia térmica, é permitida a instalação de várias caldeiras de íons ao mesmo tempo;
• não há absolutamente nenhum impacto negativo no meio ambiente.

Contras da caldeira de eletrodo:

• consome apenas corrente alternada, com corrente contínua a eletrólise da água ocorrerá;
• elevados requisitos para as características eletrolíticas do refrigerante; quando eles mudam, a qualidade do trabalho (produção de calor) diminui drasticamente. É necessário controle sobre a condutividade elétrica do refrigerante;
• requer aterramento obrigatório (no entanto, como qualquer dispositivo de aquecimento com um aquecedor de água). Ao mesmo tempo, os riscos de choque elétrico em caso de quebra do isolamento são maiores do que os elementos de aquecimento;
• a temperatura de aquecimento do refrigerante não deve ultrapassar 75 ° C, caso contrário o consumo de energia da caldeira aumentará seriamente;
• a formação de incrustações nos eletrodos diminui a potência da caldeira, pois impede a ionização do refrigerante;
• elevados requisitos para as características de qualidade dos dispositivos de aquecimento;
• a necessidade de equipar o sistema de aquecimento com bomba de circulação;
• desgaste dos eletrodos ocasionado por tensão alternada, necessitando de reposição periódica;
• em um circuito de aquecimento com ar condicionado contendo um eletrólito refrigerante, os processos de corrosão serão acelerados muitas vezes;
• em um sistema de circuito único, o uso de água aquecida para necessidades domésticas é inaceitável;
• o trabalho de comissionamento requer o envolvimento de especialistas – é quase impossível diminuir independentemente a resistência ôhmica da água com um aumento em sua condutividade para o nível ideal;
• a condutividade elétrica do refrigerante muda durante a operação, é necessário controlá-la e, portanto, ter o conhecimento e os equipamentos adequados.

Dispositivo e instalação de uma caldeira de eletrodo

Possui um desenho bastante simples, no qual é dada atenção especial à proteção contra vazamentos elétricos: um tubo de aço trefilado como corpo, em cima é coberto com uma camada isolante elétrica de poliamida; tubos de entrada e saída de refrigerante; terminais de alimentação para a caixa e aterramento; um eletrodo de liga especial (as caldeiras trifásicas são equipadas com três eletrodos), isolado com porcas de poliamida; isolamento adicional com juntas de borracha nos conectores.

Externamente, uma caldeira de íon doméstica tem uma forma cilíndrica, seu diâmetro geralmente não excede 320 mm, comprimento – 600 mm e peso – 12 kg. A menor potência – 2 kW (para aquecimento ambiente cerca de 80 m³), máximo – 50 kW (aquecimento ambiente cerca de 1600 m³) As caldeiras monofásicas têm uma capacidade de 2 a 6 kW, as caldeiras trifásicas de 9 a 50 kW. O consumo de energia da caldeira atinge o nível nominal (potência declarada pelo fabricante em quilowatts) quando a temperatura interna atinge 75 ° C – em temperaturas mais baixas, o consumo de energia é menor, pois a condutividade de corrente é menor em um refrigerante mais frio. Deve-se notar que a temperatura de 75 ° C é ótima para caldeiras de íons, uma vez que com o desenvolvimento de uma temperatura mais elevada, o consumo de energia das caldeiras será superior ao indicado na ficha técnica..

Um sistema de controle automático (controlador) está incluído com a caldeira a eletrodo, que inclui um termostato eletrônico, proteção automática contra picos de energia na rede elétrica e uma unidade de partida. Alguns modelos de controladores permitem o controle direto e o controle remoto via canais gsm. É o controlador que proporciona a economia de energia declarada pelos fabricantes de caldeiras iônicas – ao contrário do aquecimento de água por elementos de aquecimento, o aquecimento por eletrodo permite alterar a temperatura do refrigerante em menos tempo, pois tem baixa inércia.

Em um sistema de aquecimento aberto com circulação natural do refrigerante, este último sobe pelos tubos devido à expansão térmica e pressão na caldeira de íons, entra nos radiadores e resfria, depois retorna pelo tubo de retorno para a caldeira, onde se aquece e repete o ciclo novamente. O sistema de aquecimento fechado é equipado adicionalmente com um tanque de expansão expansomat e uma bomba de circulação, que é necessária na fase inicial de aquecimento do refrigerante.

Ao instalar uma caldeira a eletrodo, um requisito obrigatório é equipar o circuito de aquecimento em seu ponto mais alto com um grupo de segurança – um respiradouro automático, um manômetro, uma válvula disruptiva (segurança traseira). Em sistemas abertos, as válvulas de controle ou de fechamento só devem ser instaladas após o tanque de expansão, ou seja, a secção do tubo entre a saída da caldeira e até ao tanque de expansão não deve conter válvulas de corte! Em sistemas do tipo fechado, as válvulas de corte são instaladas em uma seção da tubulação após o tanque de expansão e antes de entrar na caldeira. Se, no entanto, imediatamente após sair da caldeira, um grupo de segurança é instalado, então as válvulas de corte podem ser instaladas antes do expansor – neste caso, o tanque de expansão deve ser instalado na seção de retorno.

As caldeiras iônicas de qualquer modelo são instaladas no sistema de aquecimento estritamente na vertical, com fixação própria na parede. Os primeiros 1200 mm de tubulação no fornecimento de refrigerante para a caldeira são feitos de um tubo de metal não galvanizado, então o uso de tubos de metal-plástico é permitido.

O aterramento confiável da caldeira de íons é imprescindível, pois em caso de fuga de correntes este problema não pode ser resolvido com o auxílio de um RCD. O fio de cobre de aterramento deve ter seção transversal de 4 a 6 mm, sua resistência não deve ser superior a 4 ohms – o condutor é conectado ao terminal zero localizado na parte inferior do corpo da caldeira. O aterramento deve estar de acordo com os requisitos da PUE.

Idealmente, está prevista a instalação de uma caldeira a eletrodo em um novo sistema de aquecimento, pré-lavado com água limpa. Ao inserir uma caldeira em um circuito existente, deve-se enxaguar abundantemente com água e adicionar agentes especiais – sua lista e proporções estão descritas na ficha técnica da caldeira, cada fabricante insiste na utilização de determinados inibidores. Se esta condição não for atendida, os depósitos de sal (escala) irão interferir no ajuste preciso da resistência ôhmica do refrigerante..

Ao escolher radiadores de aquecimento para um sistema com caldeira iônica, preste muita atenção ao seu consumo de refrigerante em litros – você precisa descobrir quantos litros um radiador consome e, em seguida, calcular o deslocamento total com base no número necessário de radiadores. Deve-se notar que dispositivos de aquecimento especialmente espaçosos não são adequados, porque Esse sistema de aquecimento consumirá mais de 10 litros de refrigerante por quilowatt de capacidade instalada da caldeira, o que o obrigará a funcionar sem parar, o que não é lucrativo do ponto de vista do consumo de eletricidade. Idealmente, o deslocamento total do sistema de aquecimento deve ser de cerca de 8 litros por quilowatt de potência..

De acordo com o material de fabricação, os radiadores bimetálicos e de alumínio são mais adequados para sistemas de aquecimento com caldeira a eletrodo. Na escolha dos dispositivos de aquecimento de alumínio, um critério importante é a origem do alumínio – se é primário (ou seja, obtido de materiais naturais – bauxita, alunita, nefelina, etc.) ou secundário, fundido novamente a partir de materiais reciclados. O problema é que os radiadores secundários de alumínio mais baratos são feitos de uma liga com alto teor de impurezas que aumentam a resistência ôhmica do refrigerante..

Em sistemas de aquecimento abertos, será correto instalar dispositivos de aquecimento feitos de alumínio com um revestimento de polímero interno que reduza a corrosão; em sistemas fechados, tais radiadores não são necessários – processos de corrosão são ativados quando há ar no volume do refrigerante, ou seja, seu teor de sal não causa corrosão.

Os radiadores de ferro fundido para sistemas de aquecimento com aquecimento do refrigerante de uma caldeira a eletrodo são os menos adequados, uma vez que são altamente contaminados por dentro e partículas de sujeira afetam a condutividade da corrente. Além disso, os radiadores de ferro fundido consomem uma quantidade significativa de refrigerante, que pode exceder a capacidade instalada deste modelo de caldeira de íons – seus modelos mais potentes serão necessários. Os fabricantes de caldeiras de eletrodo permitem a utilização de radiadores de ferro fundido, nas seguintes condições: são produzidos de acordo com a norma europeia (ou seja, na Turquia ou na Checoslováquia); na linha de retorno, antes de entrar na caldeira, tanques coletores de lama (coletores de lama) e filtros grosseiros são instalados na tubulação.

Caldeira de íons – preços e fabricantes

Caldeiras de eletrodo dos seguintes fabricantes estão representadas na Rússia e nos países da CEI – a russa CJSC “Firm” Galan “(a marca do mesmo nome), a letã LLC” Stafor EKO “(o mesmo nome) e a ucraniana SPD-FO Goncharenko O.A. (marca “EOU” (instalação de aquecimento com economia de energia)).

O custo de uma caldeira a eletrodo depende de sua potência – uma caldeira com capacidade de 2 kW custará ao comprador em média 3.000 rublos. Deve-se ter em mente que o conjunto de automação necessária é vendido, via de regra, separadamente – seu custo será de cerca de 6.500 rublos, ou seja, duas vezes mais caro que a própria caldeira.

O período de garantia de uma caldeira a eletrodo, dependendo do fabricante, varia de um a dois anos. A vida útil média de tais caldeiras é de cerca de 10 anos, sujeito ao cumprimento dos requisitos operacionais para o refrigerante e substituição oportuna dos eletrodos (aproximadamente a cada 2-4 anos).

No fim

Ao criar um sistema de aquecimento baseado no aquecimento do refrigerante de uma caldeira a eletrodo, as seguintes nuances devem ser observadas:

• o consumo de eletricidade da caldeira é significativamente maior se instalado em um circuito de aquecimento usado anteriormente. É melhor instalar a caldeira de íons em um circuito especialmente criado para ela;
• ao utilizar anticongelante como refrigerante, atenção especial deve ser dada às conexões destacáveis, pois sua fluidez é superior à da água;
• todos os tubos que formam o circuito de aquecimento devem ser envolvidos com uma camada de isolamento térmico – esta medida irá facilitar a tarefa da caldeira de atingir o modo de funcionamento ideal;
• se grupos de radiadores de aquecimento estão localizados em diferentes níveis (andares) do edifício, então será mais eficiente, embora menos lucrativo economicamente, instalar caldeiras iônicas independentes com a energia necessária para cada grupo.

Caldeiras iônicas (eletrodo) não são adequadas para sistemas de aquecimento como “piso quente” ou “rodapé quente”, uma vez que a temperatura do refrigerante circulando nelas não deve exceder 45 ° C – a caldeira não será capaz de atingir a temperatura de operação exigida.