ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F24H7/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для отопления помещений.

Известен теплоаккумулирующий нагреватель, имеющий фазовый теплоаккумулирующий блок, в котором в качестве теплоаккумулирующей среды рекомендовано использовать каустик. Теплоаккумулирующий блок может омываться текучей средой, заполняющей неполностью бак, в котором установлены разделительные пластины и шторки, перекрывающие свободную циркуляцию текучей среды вокруг разделительных пластин во время аккумулирования теплоты. Нагреватель имеет также нагревательный элемент.

При работе в режиме аккумулирования теплоты включают нагревательный элемент, шторки устанавливают в закрытое положение, благодаря чему сокращаются теплопотери от передачи теплоты к наружному баку или окружающему бак воздуху. При работе в режиме теплоотдачи нагревательный элемент выключают, а шторки устанавливают в открытое положение, при котором текучая среда под воздействием естественной конвекции начинает циркулировать вокруг разделительных пластин, отводя теплоту от теплоаккумулирующего блока. Теплоаккумулирующий блок может непосредственно омываться потоком воздуха, движущимся под воздействием естественной или принудительной конвекции. Необходимость в промежуточном теплоносителе для организации передачи тепла от нагревательного элемента к блоку и наличие теплопотерь от передачи теплоты от нагревательного элемента к наружному баку или окружающему бак воздуху в режиме аккумулирования теплоты снижает эффективность работы нагревателя.

Известен также электрический нагреватель, содержащий корпус, разделенный поперечной перфорированной перегородкой на верхнюю и нижнюю камеры, первая из которых снабжена патрубком подвода нагреваемого теплоносителя, а последняя заполнена теплоаккумулирующим веществом с фазовым переходом в зоне рабочих температур и снабжена электронагревательным элементом. Электронагреватель снабжен дополнительной поперечной перегородкой, размещенной в верхней камере с образованием между дополнительной и перфорированной перегородками полости, объем которой равен разности объемов теплоакумулирующего вещества в твердом и жидком состоянии при температуре плавления теплоаккумулирующего вещества. После включения электронагревательного элемента нагрев теплоносителя (воды) начинается лишь после полного расплавления теплоаккумулирующего вещества. После отключения электронагревательного элемента и начала твердения вещества в полости образуется воздушная прослойка, препятствующая отбору тепла к теплоносителю, что повышает равномерность нагрева помещения через стенки корпуса. Использование в качестве теплоаккумулирующего вещества парафина (вещество должно быть обязательно неэлектропроводно), который имеет теплоту фазового перехода 144 мДж/м³ и температуру плавления около 60^оС, ограничивает использование электрического нагревателя.

Целью изобретения является создание более экономически выгодного нагревателя за счет экономии электрической энергии, отсутствия промежуточного теплоносителя, снижения требования неэлектропроводности к теплоаккумулирующему веществу.

Сущность изобретения заключается в том, что в электрическом нагревателе, содержащем корпус, внутри которого расположена капсула, не менее 95 внутреннего объема которой заполнено эвтектической смесью хлоридных солей натрия, калия, магния при максимальной рабочей температуре, по центру капсулы в глухой трубе установлен трубчатый электронагревательный элемент, имеющий односторонний подвод энергии. Длина трубы нагревательного элемента меньше длины капсулы на ее внутренний радиус.

Коаксиальное расположение трубчатого нагревательного элемента (ТЭН) обеспечивает практически полное (за исключением торцевого ввода ТЭНа) окружение теплоаккумулирующей средой мест активного выделения тепла. Все тепло, выделяемое ТЭНом, передается теплоаккумулирующей среде через стенки трубы, нет потребности в промежуточном теплоносителе. Кроме того, для обеспечения более эффективного нагрева теплоаккумулирующей среды температуру ТЭНа можно повышать без опасения дополнительных теплопотерь в окружающую среду. ТЭН помещен в стальную трубу для повышения надежности и эффективности работы электронагревателя, учитывая наличие повышенных температур по сравнению с температурой плавления теплоаккумулирующего вещества и коррозионного воздействия среды. Электронагреватель ТЭНа не имеет электрического контакта с теплоаккумулирующим веществом, снимая требование его неэлектропроводности.

Выполнение стальной трубы по длине меньше длины капсулы на ее внутренний радиус и фиксация свободного конца по центру капсулы с помощью дистанционаторов обеспечивает компенсацию неодинакового линейного расширения трубы и капсулы из-за различий по температуре. Теплоаккумулирующим веществом является эвтектическая смесь хлоридных солей натрия, калия и магния. Например, эвтектические смеси могут быть следующего состава, мол.

NaCl 18, KCl 47, MgCl₂ 35, T_пл 400^oC;
NaCl 32, KCl 22, MgCl₂ 46, Т_пл 395^оС;
NaCl 36, KCl 25, MgCl₂ 39, Т_пл 400^оС;
NaCl 60, MgCl₂ 40, Т_пл 450^оС;
Заполнение внутренней полости капсулы на величину не менее 95% объема при максимальной рабочей температуре вызвано необходимостью учета изменения объема теплоаккумулирующего вещества при фазовом переходе и последующем нагреве без снижения максимальной возможной тепловой емкости. Разработка конструкции электрического нагревателя обусловила подбор материала теплоаккумулирующего вещества. Односторонний подвод энергии к трубчатому нагревательному элементу, его расположение по центральной трубе в капсуле и установка последней в теплоизолированном корпусе позволяют экономить электроэнергию и значительно уменьшить габариты самого нагревателя.

На чертеже приведена конструкция электрического нагревателя.

Он состоит из стальной цилиндрической капсулы 1, заполненной теплоаккумулирующим веществом 2. Трубчатый электрический нагреватель 3 вставлен в трубу 4, которая с помощью дистанционатора 5 зафиксирована по центру капсулы. Пространство между капсулой 1 и корпусом 7 заполнено теплоизоляцией 6.

Данная конструкция может рассматриваться как единичный модуль, на базе которого возможны различные варианты компоновки электрических нагревателей в зависимости от конкретных условий применения. Кроме того, возможно также объединение по различному закону распределения и съема тепла нескольких капсул в одном корпусе с общей теплоизоляцией.

Работает электрический нагреватель следующим образом.

При подведении электропитания к электрическому нагревателю происходит выделение тепла, которое передается через стенку трубы к теплоаккумулирующему веществу. Вещество разогревается и постепенно расплавляется в радиальном направлении. После полного расплавления теплоаккумулирующего вещества процесс накопления тепла заканчивается и электрический нагреватель отключается. Запасенное тепло передается через наружную, преимущественно цилиндрическую, стенку корпуса. Толщина теплоизоляции в цилиндрической части нагревательного элемента выбрана таким образом, чтобы величина теплового потока через него обеспечивала расход запасенного тепла равномерно в течение времени разрядки ТЭНа. Происходит затвердевание теплоаккумулирующего вещества от стенок к центру. После полного затвердевания нагреватель готов к повторному циклу.

Указанный электрический нагреватель изготовлен следующим образом.

Теплоаккумулирующее вещество состава, мол. NaCl 32, KCl 22, MgCl₂ 46, расплавляют и заполняют им стальную капсулу. При максимальной рабочей температуре 550^оС расплавленные соли занимают 95 объема капсулы. Затем капсулу герметизируют и охлаждают.

ТЭН, выполненный с односторонним подводом электроэнергии, устанавливают в трубу капсулы. Капсулу с помощью дистанционаторов (растяжек) устанавливают в корпусе. Полость между капсулой и корпусом заполняют теплоизоляционным материалом.

Использование: для отопления помещений. Сущность изобретения: электрический нагреватель, содержащий корпус, внутри которого размещена капсула, не менее 95% внутреннего объема которой заполнено эвтектической смесью хлоридных солей натрия, калия, магния, по центру капсулы в глухой трубе установлен трубчатый электронагревательный элемент, имеющий односторонний подвод энергии. Длина трубы нагревательного элемента меньше длины капсулы на ее внутренний радиус. Капсула относительно корпуса и труба нагревателя относительно капсулы укреплены дистанционаторами. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ, содержащий корпус, внутри которого размещена капсула, заполненная теплоаккумулирующим веществом с фазовым переходом в зоне рабочих температур, и электронагревательный элемент, подключенный к источнику питания, отличающийся тем, что капсула содержит трубу с закрытым торцом, электронагревательный элемент размещен в трубе и подключен к источнику питания со стороны открытого торца трубы, а в качестве теплоаккумулирующего вещества использована эвтектическая смесь хлоридных солей натрия, калия, магния. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что капсула относительно корпуса и труба относительно капсулы закреплены дистанционаторами. 3. Нагреватель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что длина трубы, в которой установлен нагревательный элемент, меньше длины капсулы на величину ее внутреннего радиуса. 4. Нагреватель по пп. 1 3, отличающийся тем, что плавящееся вещество при максимальной рабочей температуре занимает не менее 95% внутреннего объема капсулы.