ПЕРЕНОСНОЕ ПОДОГРЕВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА Российский патент 1997 года по МПК A01G9/24 F24H1/20 F24H1/38 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обогрева теплиц, парников и пленочных укрытий, но может найти применение для обогрева жилых помещений и ферм в сельском хозяйстве.

Известны технические решения, предназначенные для обогрева защищенного грунта в парниках и теплицах. В одних изобретениях предлагают в качестве теплоносителя использовать воздух, например, см. А. с. СССР N 1771594, кл. A 01 G 9/24, в других воду.

Благодаря весьма высокой теплоемкости воды, чаще предлагают устройства для обогрева теплиц и помещений, которые рассчитаны на применение воды, см. А. с. СССр N 338758, кл. F 24 H 1/38; А.с. N 818510, кл. A 01 G 9/24; А.с. N 906446, кл. A 01 G 9/24; А.с. N 1337538, кл. F 24 H 1/00, или патент Франции N 2422144, кл. F 24 H 1/06, или патент США N 2989959, кл. 126/344.

Известные технические решения отличаются отличаются конструктивными признаками и достигаемым эффектом, но во всех случаях подогретая вода (теплоноситель) передает избыток тепла воздушной среде через теплообменник.

Авторы этих изобретений предлагают различные конструктивные схемы теплообменников, но к аналогам отнесены устройства, в которых теплообменники выполнены в виде отдельных радиаторов, расположенных по периферии, см. А.с. СССР N 338758, кл. F 24 H 1/38, или радиаторных систем, имеющих, например, форму треугольника, см. А.с. N СССР 818510, кл. A 01 G 9/24.

Известные решения имеют недостатки, являющиеся следствием или больших капитальных вложений, необходимых при реализации, что делает их непригодными для сезонных парников, пленочных укрытий, или низкой эффективности нагрева грунтов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков и решаемой задаче является нагревательное устройство для защищенного грунта, известное из А.с. СССР N 906446, кл. A 01 G 9/24, принятое в качестве прототипа.

Прототип содержит корпус, состоящий из двух частей, верхней и нижней половин, разделенных перегородкой, нагревательный элемент в виде металлической трубы, установленной в корпусе через прокладку из электроизоляционного материала, электропроводящей жидкости, в качестве которой служит вода, содержащая соли и в которой размещен электрод, теплообменник и компенсатор.

При подаче электротока на электрод через электропроводящую жидкость проходит электрический ток, и она нагревается. Образуемый пар омывает теплообменник, а конденсат стекает в трубу. Теплообменник передает тепло воздушной среде парника или теплицы, и через воздух нагревается грунт.

Нагрев грунта через воздушное пространство недостаточно эффективен из-за местного нагрева воздуха в зоне расположения устройства и снижения температуры нагрева в периферийных участках. Невозможно прогреть грунт до более высоких температур в каких-либо локальных местах того же парника.

Указанные недостатки устраняются с помощью предлагаемого изобретения, обеспечивающего более эффективный нагрев воздушной среды и грунта в парниках. Технический результат достигается за счет равномерного обогрева как воздушной среды, так и грунта, в том числе в необходимых местах парника. Это же устройство позволяет в пассивном режиме, т.е. при отключенном электропитании, аккумулировать и закачивать в грунт излишек тепла воздушной среды, образуемый в дневное время от возросшего потока солнечных лучей. В ночное же время, когда по каким-либо причинам отключено электропитание и температура воздуха в зоне рискованного земледелия может оказаться ниже температуры грунта, устройство рекуперирует, т.е. отдает назад запасенное в грунте тепло воздуха.

Указанный результат получен за счет того, что переносное подогревающее устройство для защищенного грунта содержит корпус, установленный в нем нагревательный элемент в виде металлической трубы, заполненной электропроводящей жидкостью, с размещенным в ней с зазором электродом, теплообменник и компенсатор.

При этом в корпус, который изготовлен из теплоизоляционного и электроизоляционного материала, введены верхние и нижние патрубки, а теплообменник выполнен из съемных тонкостенных металлических труб, соединенных с корпусом через верхние и нижние патрубки, образуя по периферии от корпуса замкнутый канал так, что его плоскость расположена вертикально, причем длина боковых сторон канала превышает его высоту по корпусу, образуемую расстоянием между патрубками, в 3-10 раз.

Нагревательный элемент в виде металлической трубы закреплен без зазора в корпусе между его верхними и нижними патрубками, а электрод размещен с зазором внутри нагревательного элемента, над нижними патрубками на расстоянии 0,1-0,5 высоты по корпусу. В теплообменнике боковые стороны замкнутого канала могут иметь по контуру форму треугольника с отклонением от корпуса на угол 75-90 градусов.

Приведенная совокупность признаков и каждый из них в отдельности влияют на повышение эффективности обогрева воздушной среды и грунта в изолированном объеме теплицы, парника или пленочного укрытия.

Рекомендуемое соотношение боковых сторон замкнутого канала (L, L1) и его высоты по корпусу (H), равное 3-10, создает устойчивую циркуляцию подогретой воды по всем частям канала. Однако если отношение L/H менее 3, то прогрев воздушной среды и грунта имеет локальный характер, создавая конвекционные потоки воздуха только в ограниченном объеме укрытия.

При соотношении L/H > 10 в наиболее удаленные части замкнутого канала поступает охлажденная жидкость, что, во-первых, не дает эффективного прогрева грунта, а во-вторых, циркуляция жидкости может вообще прекратиться. Кроме того, устройство становится нетранспортабельным.

Тонкостенность металлических труб теплообменника предопределяет их относительно небольшую тепловую инерционность в передаче тепла от теплоносителя к воздушной среде или грунту.

Электрод располагается над нижними патрубками на расстоянии 0,1-0,5 высоты по корпусу (между патрубками), что создает устойчивую "тягу", т.е. подъем воды, обеспечивая тем самым ее циркуляцию по замкнутому каналу.

Выход за рекомендуемые пределы как в ту, так и в другую сторону снижает эффективность изобретения из-за снижения "тяги" и ухудшения или прекращения циркуляции жидкости, т.е. не достигается желаемый технический результат.

Так, при положении электрода на расстоянии от нижнего патрубка менее 0,1 H электропроводящая жидкость прогревается также в нижней боковой стороне замкнутого канала, что уменьшает "тягу" жидкости из него, и циркуляция жидкости будет слабой. В случае, когда нижняя труба замкнутого канала отходит от корпуса с уклоном вверх, в рекомендуемых пределах 75-90 градусов, теплая вода будет подниматься вверх по этой трубе, и прямая циркуляция жидкости станет невозможной.

Однако если электрод разместить выше указанного предела, т.е. выше 0,5 H, то высота столба прогреваемой жидкости в корпусе уменьшается, уменьшается и создаваемая при ее подъеме "тяга", что также ухудшает прямую циркуляцию жидкости по замкнутому каналу.

Размещение полого нагревательного элемента в корпусе без зазора между ними обеспечивает проход всей жидкости только между электродом и нагревательным элементом, где протекает электрический ток. При этом весь поток жидкости прогревается, к нему не подмешиваются какие-либо холодные потоки, поэтому возникает хорошая "тяга" и, как следствие, хорошая циркуляция нагретой жидкости по замкнутому каналу и равномерный прогрев воздушной среды и грунта под пленочным укрытием или в парнике.

Изготовление корпуса из материала, обладающего электроизоляционными и теплоизоляционными свойствами, необходимо по следующим причинам. Во-первых, следует обеспечить электробезопасность работы с подогревающим устройством. Во-вторых, минимальное тепловое излучение через теплоизолирующие стенки корпуса обеспечивает устойчивую "тягу" подогретой воды к верхним патрубкам, т. е. достигается стабильная циркуляция теплоносителя даже при невысокой температуре его нагрева, что важно для сохранения растений.

Кроме того, теплоизолирующее свойство корпуса способствует получению дополнительного технического результата, когда переносное подогревающее устройство находится в пассивном режиме, т.е. при отключенном электропитании. В таком состоянии устройство эффективно рекуперирует запасенное грунтом тепло воздушной среде во время ночных заморозков или аккумулирует и закачивает в грунт излишек тепла воздушной среды, возникающий днем даже в холодный период времени в парнике или пленочном укрытии от возросшего потока солнечных лучей.

Оформление боковых сторон замкнутого канала в виде треугольника усиливает эффект циркуляции воды в подогревающем устройстве. как в основном режиме (нагрева), так и в дополнительных режимах (рекуперации и охлаждения воздуха с закачкой излишнего тепла в грунт), обеспечивая достижение объявленного технического результата.

Наклон боковых сторон замкнутого канала в интервале 75-90 градусов позволяет сохранять высокой циркуляцию и заглублять в грунт на разную глубину подогревающее устройство, обеспечивая эффективный его прогрев. Снижение угла наклона боковых сторон менее 75 градусов, при сохранении их прямолинейности, уменьшает соотношение длины боковых сторон каналов и высоты корпуса ниже трех. Как обосновано выше, такое конструктивное решение создает локальный характер обогрева воздуха и грунта в парниках и пленочных укрытиях, и он не может быть признан оптимальным.

Увеличение угла наклона боковых сторон замкнутого канала от корпуса более 90 градусов затрудняет циркуляцию воды, что снижает эффективность работы подогревающего устройства.

Изложенное позволяет констатировать, что каждый признак из совокупности является необходимым, а вся совокупность достаточной для решения поставленной задачи.

Предложенная совокупность признаков не выявлена в известных технических решениях.

На фиг. 1 представлен фронтальный вид в разрезе переносного подогревающего устройства (ППУ) для защищенного грунта с одним периферийным замкнутым каналом и обогревателем в виде нагревательного элемента и электрода; на фиг. 2 вырыв корпуса ППУ по месту А, увеличенный в 2 раза; на фиг. 3 - фронтальный вид в разрезе ППУ с двумя симметрично расположенными периферийными замкнутыми каналами и обогревателем в виде нагревательного элемента и электрода; на фиг. 4 вид в плане на ППУ с четырьмя симметрично расположенными периферийными замкнутыми каналами; на фиг. 5 вид в плане на ППУ с двумя периферийными замкнутыми каналами, расположенными под углом 90 градусов; на фиг. 6 фронтальный вид на ППУ, заглубленное в поверхностный слой грунта; на фиг. 7 фронтальный вид на ППУ, наполовину заглубленное в грунт; на фиг. 8 фронтальный вид на ППУ с заглублением в грунт нижнего канала теплообменника и корпусом, защищенным горкой грунта.

Переносное подогревающее устройство для защищенного грунта содержит корпус 1 (см. фиг. 1- 3), изготовленный из материала, обладающего электроизоляционными и теплоизоляционными свойствами. В корпусе установлен нагревательный элемент 2 в виде трубы, заполненной электропроводящей жидкостью 3, компенсатор 4 для накопления избытка электропроводящей жидкости, образующегося с нагревом.

В качестве электропроводящей жидкости 3 может быть использована питьевая, речная или иная "мягкая" вода, имеющая небольшое естественное количество растворенных солей. При необходимости допустимо введение в воду дополнительно небольшого количества соли.

Теплообменники 5 радиаторного типа, выполненные из съемных тонкостенных металлических труб, соединенных с корпусом 1 через верхние 6 и нижние 7 патрубки, образуют по периферии от корпуса 1 замкнутые каналы так, что их плоскости расположены вертикально, при этом длина боковых сторон каналов (L.L1 см. фиг. 1 и L см. фиг. 3 ) превышает высоту по корпусу, образуемую расстоянием между верхними 6 и нижними 7 патрубками, (H), в 3-10 раз.

Теплообменники 5 могут иметь различную форму замкнутых каналов, но целесообразнее их изготовить по контуру в виде треугольника с отклонением боковых сторон канала от корпуса на угол 75-90 градусов.

Нагревательный элемент 2 в виде металлической трубы установлен без зазора в корпусе 1 между его верхними 6 и нижними 7 патрубками; электрод 8 расположен над нижними патрубками внутри нагревательного элемента 2 с зазором на расстоянии от нижнего патрубка, равном (0,1-0,5) H. Между верхними и нижними ветвями замкнутых каналов теплообменников 5 могут быть установлены распорки-стойки 9. К нагревателю 2 и электроду 8 подают электроток пониженного, безопасного напряжения через контакты 10, проходящие через крышку 11 корпуса 1.

Контакт 10 для электрода 8 проложен внутри электроизолированного штока 12. Свободные концы патрубков 6 и 7 закрываются заглушками 13.

Число патрубков 6 и 7 должно быть парным, и число пар на корпусе 1 от одного и более.

Переносное подогревающее устройство устанавливают или на поверхности грунта 14, или с заглублением так, как показано на фиг. 6 и фиг 7. В случае необходимости подогревающее устройство может быть закрыто в грунт 14 на половину корпуса 1. Для реализации дополнительных функций устройства при отключенном электропитании- закачивании излишнего тепла из воздуха в грунт, а также для рекуперации тепла, запасенного в грунте воздуху, необходимо заглубить нижний канал теплообменника в грунт и, кроме того, желательно окучить (засыпать) корпус грунтом, как показано на фиг. 8.

Переносное подогревающее устройство работает следующим образом.

Режим подогрева
Определяют местоположение переносного подогревающего устройства в парнике или пленочном укрытии и его конфигурацию в плане. Присоединяют к патрубкам 6 и 7 замкнутые каналы теплообменников, а на лишних патрубках 6 и 7 оставляют заглушки 13. Устанавливают устройство либо выше уровня грунта, как показано на фиг. 1, либо закапывают в грунт нижние боковые каналы теплообменников, как показано на фиг. 6 и фиг. 7.

В корпус 1 заливают электропроводящую жидкость 3 на 10-15 мм выше верхних кромок патрубков 6. Подают электроток пониженного безопасного напряжения на контакты 10. При достижении в парнике пороговой температуры, величину которой устанавливает пользователь переносного подогревающего устройства с помощью датчика температуры (на фигурах не показан), через нагревательный элемент 2, электропроводящую жидкость 3 и электрод 8 проходит электроток. В зазоре между электродом 8 и нагревательным элементом 2 происходит электролиз с нагревом электропроводящей жидкости.

Чем выше температура нагрева воды в зазоре между нагревательным элементом 2 и электродом 8, установленном в рекомендуемых пределах над нижними патрубками 7, тем больше "тяга", создаваемая столбом нагретой, поднимающейся вверх жидкости, увлекающей за собой охлажденную жидкость из нижних боковых сторон замкнутых каналов.

Теплая вода из корпуса поступает в верхние боковые каналы теплообменников 5 и, охлаждаясь, опускается вниз в направлении от корпуса, а далее, по нижним каналам, к корпусу.

Возникает циркуляция жидкости в каналах ППУ, теплая вода нагревает тонкостенные металлические трубы теплообменников 5, осуществляется теплопередача в окружающую среду (воздух и грунт).

Благодаря теплоизоляционным свойствам материала корпуса рассеивание тепла от корпуса минимально. Это позволяет получить устойчивую циркуляцию воды даже при невысокой температуре нагрева устройства, что важно для сохранности растений.

С прогревом воздуха в парнике или пленочном укрытии датчик температуры (на фигурах не показан) прерывает электроцепь, и нагрев электропроводящей жидкости (воды) прекращается. Через некоторое время прекращается созданная электронагревом циркуляция жидкости в каналах ППУ.

Режим рекуперации
При резком и сильном охлаждении воздуха, например во время ночных заморозков, переносное подогревающее устройство может работать и при непредвиденном отсутствии электроэнергии в режиме рекуперации, т.е. возвращения ранее накопленного тепла грунтом воздуху. Обязательным условием для этого является заглубление нижних боковых каналов теплообменников 5 в грунт и, кроме того, желательно окучивание (засыпка) корпуса грунтом, как показано на фиг. 8.

Вода, охладившись в верхних боковых сторонах замкнутых каналов теплообменников 5, приобретает большую плотность и опускается вниз, к грунту, а более теплая вода из корпуса 1 и нижних боковых каналов теплообменников поступает в верхние боковые каналы теплообменников. Возникает циркуляция воды, и запасенное тепло грунтом интенсивно передается в воздушную среду. Циркуляция воды будет тем интенсивнее, чем больше разность температур грунта и воздуха.

Возникновению и поддержанию циркуляции воды способствует то, что вода в корпусе сохраняется теплой благодаря теплоизоляционному материалу корпуса и теплу в горке грунта, окружающей корпус.

Режим охлаждения
В дневное время от работы нагревающего устройства или от подогрева воздуха в парнике или под пленкой солнечными лучами электропитание подогревающего устройства отключается с помощью датчика температуры (на фигурах не показан). В дальнейшем поток солнечных лучей и температура воздуха могут сильно возрасти. Устройство позволяет охладить воздух, чтобы не допустить повреждения растений, и передать избыток тепла от воздуха грунту.

Условием для этого является заглубление нижних боковых каналов теплообменников 5 в грунт и, кроме того, желательно окучивание (засыпка) корпуса грунтом, как показано на фиг. 8.

В такой ситуации часть жидкости, находящаяся в корпусе, холоднее той части, которая находится в верхних боковых каналах теплообменников 5 и подогревается горячим воздухом. У нагретой в верхних боковых сторонах замкнутых каналов жидкости объем увеличивается, а плотность уменьшается. Она частично перетекает в верхнюю часть корпуса компенсатор. Высота столба жидкости в корпусе возрастает, и давление его на нижележащие слои воды также возрастает. Под воздействием этого давления жидкость частично перетечет из корпуса в нижние каналы теплообменников 5, а из него- в верхние боковые каналы- до тех пор, пока давление жидкости в сообщающихся сосудах (корпусе и верхних боковых каналах), не сравняется.

В дальнейшем это движение жидкости будет поддерживаться, так как в верхних боковых каналах поступившая вода будет вновь подогреваться от горячего воздуха, а в корпусе, где нет притока тепла извне благодаря горке грунта, окружающей корпус, и теплоизолирующим свойствам материала корпуса, неизбежно вода будет охлаждаться, а ее плотность возрастать, так как тепло передается в нижние слои металлической трубой, находящейся в корпусе (нагревательный элемент), а также за счет теплопередающих свойств самой воды. Теплая вода, поступившая в нижние боковые каналы, передает тепло более холодному грунту, при этом излишек тепла, имеющийся в воздухе, закачивается устройством в грунт, как насосом.

Переносное подогревающее устройство было испытано в условиях Подмосковья при выполнении требований по всем признакам заявляемого технического решения. Общая высота корпуса была равна 350 мм при высоте по корпусу между верхними и нижними патрубками 300 мм. При этом длина боковых сторон замкнутых каналов составляла 900 мм, 2100 мм и 3000 мм. Форма боковых сторон замкнутых каналов теплообменников была выполнена в виде треугольников: прямоугольного, как на фиг. 1, и равнобедренного, как показано на фиг. 3 Электрод располагали на различных расстояниях от нижнего патрубка, от 30 до 150 мм. Подавали электроток напряжением от 12 до 36 вольт. Сухая масса устройства около 3 кг. Объем заливаемой воды около трех литров.

Установлено, что в практической деятельности садоводов и огородников удобной для переноса и зимнего хранения следует считать максимальную длину одного замкнутого канала боковых сторон теплообменника 5 равной 2,5-3,0 м.

Предлагаемое устройство надежно обогревает садовый парник площадью 12 квадратных метров и пленочное укрытие площадью 15 квадратных метров. Для больших по площади теплиц и парников требуется 2-3 подогревающих устройства.

Использование: сельское и коммунальное хозяйство, и может найти применение при обогреве воздуха и грунта в парниках, теплицах и пленочных укрытиях, а также при обогреве жилых помещений на селе и животноводческих ферм. Сущность изобретения: устройство включает корпус 1, выполненный из электроизоляционного и теплоизоляционного материала. В корпусе 1 размещен нагревательный элемент 2 в виде трубы, заполненной электропроводящей жидкостью 3 (водой), компенсатор 4 для накопления избытка электропроводящей жидкости, образующегося при нагреве, и теплообменник 5. Теплообменник 5 выполнен из съемных тонкостенных металлических труб, соединенных с корпусом 1 через верхние 6 и нижние 7 патрубки и образующих по периферии от корпуса 1 замкнутый канал так, что его плоскость расположена вертикально. Длина боковых сторон канала теплообменника 5 превышает высоту по корпусу 1 между патрубками 6 и 7 в 3-10 раз. Теплообменник 5 может иметь различную конфигурацию и число замкнутых каналов, но целесообразнее придать им форму треугольника с отклонением боковых сторон каналов от корпуса на угол 75-90 градусов. Электрод 8 размещен над нижними патрубками внутри нагревательного элемента 2 на расстоянии 0,1-0,5 от высоты по корпусу 1 между патрубками 6 и 7. Устройство работает в режиме обогрева грунта и воздуха при пропускании через электропроводящую жидкость 3 электрического тока безопасного напряжения. Кроме того, при отключении электропитания оно может работать в режиме насоса, закачивая днем в грунт излишек тепла из воздуха, образующегося от интенсивного солнечного излучения, не допуская перегрева и повреждения растений под пленочным укрытием. Устройство также может работать в режиме рекуперации тепла от грунта воздуха во время ночных заморозков при непредвиденном отключении электроэнергии, не допуская повреждения растений. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Переносное подогревающее устройство для защищенного грунта, включающее корпус, установленный в нем нагревательный элемент в виде металлической трубы, заполненной электропроводящей жидкостью, с размещенным в ней с зазором электродом, теплообменник и компенсатор, отличающееся тем, что в корпус, изготовленный из электроизоляционного и теплоизоляционного материала, введены верхние и нижние патрубки, теплообменник выполнен из съемных тонкостенных металлических труб, соединенных с корпусом через верхние и нижние патрубки, образуя по периферии от корпуса замкнутый канал так, что его плоскость расположена вертикально, при этом длина боковых сторон канала превышает высоту по корпусу, образуемую расстоянием между патрубками, в 3 10 раз, нагревательный элемент закреплен без зазора в корпусе между его верхними и нижними патрубками, а электрод размещен над нижними патрубками на расстоянии 0,1 0,5 высоты по корпусу. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в теплообменнике боковые стороны замкнутого канала, образующие по контуру форму треугольника, отклонены от корпуса на угол 75 90^o.