ЭЛЕКТРОКОНВЕКТОР Российский патент 1998 года по МПК H05B3/26 F24H3/04 F24D13/02 

Изобретение относится к электроотопительной технике, в частности, к электроконвекторам, и предназначено для создания в помещениях теплового комфорта в холодное время года путем естественной конвекции.

Известны электроконвекторы, содержащие корпус с двухсторонним боковым входом и выходом воздуха, размещенные внутри корпуса нагревателя, выполненные в виде спирали, и потокоразделители [1].

К недостаткам таких электроконвекторов можно отнести то, что у нижней кромки корпуса происходит срыв потока с последующим образованием на его внутренней поверхности ламинарного пограничного слоя, который ухудшает теплоотдачу от корпуса к воздуху помещения. Ламинарный пограничный слой существенно уменьшает эффективность работы электроконвектора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является электроконвектор [2], содержащий корпус коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, между которыми внутри корпуса на опорах из электроизоляционного материала размещен нагреватель, подключенный через коммутатор к электросети. Нагреватель этого электроконвектора выполнен в виде набора отдельных нагревательных элементов, каждый из которых содержит прямоугольную электроизолированную подложку. На одной из плоскостей подложки на контактные шины, размещенные по ее коротким противоположным сторонам, нанесен резистивный материал, обеспечивающий одинаковые нагрузки по току, повышающий надежность работы, занимающий всю поверхность плоскости подложки между шинами. При этом отдельные элементы набора соединены механически между собой последовательно и ориентированы своими плоскостями параллельно друг другу, а электрически по контактным шинам объединены между собой в группы с параллельным соединением элементов в группах, причем группы через коммутатор подключены к электросети с возможностью последовательного, параллельного или последовательно-параллельного соединения между собой. Этот электроконвектор принимается за прототип.

Недостатком прототипа является то, что, как показывает опыт, в начале каждого нагревательного элемента с двух сторон возникает ламинарный пограничный слой, в котором наблюдается ламинарное движение воздуха. Толщина пограничного слоя, как показывают расчетно-теоретические исследования, по высоте нагревательного элемента постепенно возрастает. Это приводит не только к ухудшению теплоотдачи от поверхности нагревательных элементов к потоку воздуха, подаваемого в обогреваемое помещение, но и к резкому сужению живого сечения тракта между нагревательными элементами; при этом гидравлическое сопротивление тракта возрастает, а такие важнейшие показатели, как расход воздуха, количество тепла, отдаваемое каждым нагревательным элементом потоку воздуха, подаваемого в обогреваемое помещение, тяга и эффективность электроконвектора, уменьшаются. Это значит, что электрическая энергия, подведенная к электроконвектору, используется малоэффективно.

В ламинарном пограничном слое теплота переносится путем теплопроводности и конвекции.

Так как теплопроводность воздуха мала, например, при температуре 0^oC теплопроводность равна λ = 2,44•10^-2 Вт/(м•^oC), а при температуре 100^oC λ = 3,21•10^-2 Вт/(м•^oC) [3], то термическое сопротивление ламинарного пограничного слоя толщиной δ достаточно велико ( δ/λ = 0,3 - 0,5 м²•с/Вт).

В пристенной части пограничного слоя, где скорость движения воздуха близка к нулю, теплота переносится в основном теплопроводностью [4].

С увеличением расстояния от стенки нагревательного элемента (в пределах пограничного слоя) продольная скорость потока увеличивается и вместе с ней увеличивается интенсивность переноса теплоты конвекцией.

На некотором участке по высоте нагревательного элемента происходит переход ламинарного режима сначала в переходный, а затем в турбулентный режимы.

Перенос теплоты через турбулентный пограничный слой более интенсивен, чем через ламинарный.

Вместе с тем, как показывают экспериментальные исследования [4, 5}, под турбулентным пограничным слоем в непосредственной близости к обтекаемой поверхности существует тонкий вязкий ламинарный подслой, который так или иначе снижает эффективность теплоотдачи от поверхности.

По аналогии с физической картиной обтекания вертикальной пластины в соответствии с результатами ее исследования [3] можно утверждать, что при ламинарном движении воздуха вблизи вертикальной поверхности нагревательного элемента вследствие увеличения толщины пограничного слоя коэффициент теплоотдачи по направлению течения воздуха (снизу вверх) убывает, а при турбулентности он резко возрастает и затем по высоте нагревательного элемента остается постоянным.

Помимо снижения теплопередачи образование пограничного слоя на вертикальных поверхностях нагревательных элементов вредно еще и потому, что при этом повышается температура поверхности нагревательных элементов, а это нежелательно, так как уменьшает их ресурс и долговечность работы, и при высоких температурах и неравномерной теплоотдаче может привести к деформации (короблению) поверхности нагревательного элемента.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы электроконвектора путем устранения пограничного слоя и повышения теплоотдачи от поверхности нагревательных элементов к потоку воздуха, подаваемого в обогреваемое помещение.

Задача решается тем, что известный электроконвектор, содержащий корпус коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, опоры из электроизоляционного материала, связанные с опорами параллельно размещенные вертикальные нагревательные элементы с электроизолированной подложкой, покрытой с одной из сторон резистивным материалом, объединенные по контактным шинам в группы и подключенные через коммутатор к электросети, снабжен направляющими щитками, выполненными, например, в виде плоской прямоугольной пластины, длинные стороны которой равны ширине нагревательного элемента, расположенной с двух сторон в нижней части каждого нагревательного элемента под углом к его вертикальной поверхности зазором (щелью).

Аналогичные технические решения не известны, в связи с чем предлагаемый электроконвектор обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 изображен электроконвектор с частичным выровом; на фиг. 2 - схема нагревательного элемента с направляющими щитками.

Электроконвектор (фиг. 1) содержит установленный на электроизоляционных опорах 1 корпус 2, параллельно расположенные внутри корпуса вертикальные нагревательные элементы 3, направляющие щитки 4, соединительные (крепежные) детали 5 и стяжные шпильки 6.

Для крепления направляющих щитков 4 могут быть попутно использованы стяжные шпильки 6 нагревательных элементов 3 (фиг. 1) или оси, связанные с корпусом, что при оригинальном выполнении может составить предмет нового изобретения.

Электроконвектор работает следующим образом.

После подключения элетроконвектора к электросети с помощью коммутатора задают режим работы, подключая определенные группы нагревательных элементов. После нагрева нагревательных элементов 3 (фиг. 1) холодный воздух через входные отверстия, расположенные в нижней части корпуса 2, и направляющие щитки 4 поступают к нагревательным элементам 3.

При соприкосновении воздуха с нагретой поверхностью нагревательных элементов за счет теплообмена воздух нагревается, становится легче (поскольку плотность уменьшается) и поднимается вверх. Вследствие разности плотностей холодных и нагретых частиц воздуха начинается конвективное (свободное) движение воздуха в электроконвекторе. Воздух, проходя через направляющие щитки 4, нагревательные элементы 3 (фиг. 1, 2) и выходные отверстия, расположенные в верхней части корпуса 2, поступает в обогреваемое помещение.

При протекании воздуха через щель 7 (фиг. 1) между нагревательным элементом 3 и направляющими щитками 4 создается поток повышенной скорости, который сдувает пограничный слой с поверхности нагревательного элемента, вызывая резкое повышение теплоотдачи от его поверхности к потоку воздуха и увеличивая тем самым эффективность работы электроконвектора.

Выполнение направляющих щитков в виде плоских прямоугольных пластин, обладающих достаточной прочностью, жесткостью и устойчивостью, обуславливает простоту конструкции и технологии изготовления, а равенство длинной стороны пластины к ширине нагревательного элемента обеспечивает надежное сдувание пограничного слоя со всей теплоотдающей поверхности нагревательного элемента.

Так как направляющие щитки установлены с двух сторон в нижней части каждого нагревательного элемента, то пограничные слои устраняются с теплоотдающих поверхностей нагревательного элемента одновременно с двух сторон, а омывание этих поверхностей воздушным потоком усиливает теплоотдачу от нагревательного элемента к потоку воздуха, увеличивает живое сечение тракта, уменьшает гидравлическое сопротивление, увеличивая расход воздуха и количество тепла, подаваемое в обогреваемое помещение.

Все это вместе взятое существенно повышает эффективность работы электроконвектора.

Для повышения скорости сдувания пограничного слоя направляющие щитки установлены под углом α к вертикальной поверхности нагревательного элемента (фиг. 1, 2).

В общем случае этот угол может меняться в зависимости от режима работы электроконвектора, например, в зависимости от числа подключенных нагревательных элементов. При этом следует иметь в виду, что скорости сдувания пограничного слоя, расход воздуха через щель и коэффициенты теплоотдачи от его поверхности к потоку воздуха, протекающему через электроконвектор, сильнейшим образом зависит от угла установки направляющих щитков (фиг. 1, 2).

Оптимальное значение этого угла определяется экспериментальным путем по данным испытаний электроконвектора при различных углах установки направляющих щитков.

С точки зрения минимального сопротивления, наименьшего отрыва потока и ослабления вихреобразования при поперечном обтекании направляющих щитков воздушным потоком наивыгоднейшее значение угла α находится в пределах 5 - 15^o.

Направляющие щитки могут быть выполнены не только в виде плоской прямоугольной пластины, но и в виде пластины с закругленными краями, клинообразной пластины, вогнутой пластины, решетки или крылового профиля.

Однако во всех этих случаях изготовление направляющих щитков несколько усложняется, но конечный положительный эффект, получаемый от плоской прямоугольной пластины, сохраняется. Поэтому в формуле изобретения оговорены направляющие щитки, выполненные, например, в виде плоской прямоугольной пластины.

Такое конструктивное выполнение предлагаемого электроконвектора позволяет существенно повысить эффективность его работы путем сдувания пограничного слоя и повышения теплоотдачи от теплообменных поверхностей каждого нагревательного элемента к потоку воздуха, протекающему через электроконвектор и поступающему в обогреваемое помещение.

Благодаря направляющим щиткам, обеспечивающим эффективное обдувание теплообменныых поверхностей нагревательных элементов, коэффициент теплоотдачи каждого нагревательного элемента как критерий его эффективности работы становится более высоким, таким как при вынужденном турбулентном обтекании, стабильным и постоянным по всей высоте нагревательных элементов. Это означает, что электрическая энергия или эквивалентная ей тепловая энергия, подведенная к элетроконвектору, используется с наивысшей эффективностью. Поэтому при работе предлагаемого электроконвектора в холодное время года в помещении за короткое время создается комфортный микроклимат.

При заданных значениях мощности электроконвектора и температуры воздуха на его выходе установка направляющих щитков позволяет значительно уменьшить высоту нагревательных элементов, и, следовательно, создать электроконвектор, обладающий малой массой, небольшими габаритами и повышенной интенсивностью теплоотдачи, что имеет немаловажное значение.

При заданных же габаритах электроконвектора установка направляющих щитков позволяет уменьшить потребляемую мощность.

При установке направляющих щитков теплоотдача с поверхности нагревательных элементов увеличивается, а температура их поверхности не повышается, что дает возможность повысить ресурс и долговечность их работы. Кроме того, теплоотдача с поверхности нагревательных элементов становится равномерной, поэтому явление коробления поверхности нагревательных элементов полностью исключается даже для высокотемпературных электроконвекторов.

Сравнительная оценка эффективности предлагаемого электроконвектора по сравнению с существующими типами маслонаполненных электрорадиаторов и электроконвекторов, созданных за последние годы в таких странах, как бывший СССР, СНГ, Россия, США, Англия, Франция, Китай, Швейцария и Япония [1] и др., показывает, что предлагаемый электроконвектор значительно превышает их по достигнутому уровню.

Таким образом, заявляемый электроконвектор благодаря сочетанию совокупности существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, обеспечивает высокую эффективность работы.

Электроконвектор предназначен для создания в помещении теплового комфорта в холодное время года путем естественной конвекции. Электроконвектор содержит корпус коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, опоры из электроизоляционного материала, нагревательные элементы с электроизолированной подложкой и направляющие щитки, выполненные, например, в виде плоских прямоугольных пластин, причем длина каждой пластины равна ширине нагревательного элемента. Направляющие щитки расположены с двух сторон в нижней части каждого нагревательного элемента под углом α к его вертикальной поверхности с зазором (щелью). 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электроконвектор, содержащий корпус коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, опоры из электроизоляционного материала, связанные с опорами параллельно размещенные вертикальные нагревательные элементы с электроизолированной подложкой, покрытой с одной из сторон резистивным материалом, объединенные по контактным шинам в группы и подключенные через коммутатор к электросети, отличающийся тем, что он снабжен направляющими щитками, расположенными с двух сторон в нижней части каждого нагревательного элемента под углом α к его вертикальной поверхности с зазором, причем длина каждого направляющего щитка равна ширине нагревательного элемента. 2. Электроконвектор по п.1, отличающийся тем, что каждый направляющий щиток выполнен в виде плоской прямоугольной пластины.