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

Изобретение относится к электроотопительной технике, используемой для создания в помещениях теплового комфорта в холодное время года, в частности к электроконвекторам, и предназначено для нагрева воздуха в помещениях путем конвективного переноса теплоты.

Известны электроконвекторы, содержащие корпус с отверстиями для входа и выхода воздуха, между которыми внутри корпуса на опорах из электроизоляционного материала установлен нагреватель, выполненный в виде спирали и подключенный через коммутатор к электросети [1].

Недостатком таких электроконвекторов является то, что нагреватель, выполненный в виде спирали из высокоомного материала, нагревается до высокой температуры, достигающей 450-500^oC и более [1], а это приводит к термическому разложению пыли и влаги с выделением вредных примесей в атмосферу обогреваемого помещения. При этом требуемые комфортные условия в помещении не обеспечиваются, поскольку качество воздуха ухудшается (он становится более сухим, неэкологичным, с низкой относительной влажностью).

Для микроклимата воздух должен быть достаточно нагретым, умеренно влажным и чистым.

Кроме того, известные электроконвекторы обладают низкой надежностью. При перегорании спирали электроконвектор теряет работоспособность, а концы раскаленной оборванной спирали при определенных условиях могут привести к возникновению пожара.

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, 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.

Трудность создания высокоэффективного и надежного электроконвектора заключается в том, что конструктору приходится одновременно учитывать требования ряда научных дисциплин, таких как электротехника, теплопередача, теория электромагнитных волн, теория теплообмена излучением, теория надежности, механика, аэродинамика, пневматика, гидравлика и другие.

Учет требований и закономерностей, например, аэродинамики, пневматики и гидравлики позволяет рационально (оптимально) конструировать проточные части электроконвектора (вход, выход, проточные каналы, образованные между нагревательными элементами, обтекание элементов конструкции воздухом и т.д.), а также оценить влияние проточной части на эффективность его работы.

Действительно, как показали расчетно-теоретические и экспериментальные исследования, эффективность и надежность работы электроконвектора решающим образом зависят от того, насколько рационально выбраны соотношения конструктивных размеров и с каким оптимальным шагом расположены относительно друг друга нагревательные элементы, образующие проточные каналы электроконвектора, т.е. тракт движения воздуха в нем.

При малом шаге увеличивается количество нагревательных элементов, что приводит к увеличению их взаимного облучения и возрастанию материалоемкости, массы и стоимости электроконвектора.

Кроме того, при малом шаге резко возрастают суммарные гидравлические потери в проточных каналах электроконвектора, по которым движется воздух. В результате уменьшается расход воздуха через электроконвектор и ослабляется эффект дымовой трубы, т.е. уменьшается естественная тяга электроконвектора [1], стр. 100-103; 118).

При малом шаге увеличение количества нагревательных элементов, равносильное их резервированию, приводит к повышению надежности [3], поскольку отказ хотя бы одного нагревателя вследствие взаимного облучения соседних нагревателей не приводит к полному отказу электроконвектора. Однако при этом в результате увеличения гидравлических потерь в проточных каналах эффективность электроконвектора в целом уменьшается, так как нагрев воздуха помещения до оптимального (комфортного) значения происходит в течение длительного времени, что создает некоторые неудобства потребителю.

При большом шаге количество нагревательных элементов, их взаимное облучение, суммарные гидравлические потери в проточных каналах и материалоемкость электроконвектора будут минимально возможными, а расход воздуха через электроконвектор и его естественная тяга будут максимальными.

При оптимальном шаге нагревательных элементов и оптимальных соотношениях размеров проточных каналов, входных и выходных отверстий эксплуатационные показатели электроконвектора будут наилучшими, т.е. оптимальными.

Задачей изобретения является повышение эффективности и надежности работы электроконвектора.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном электроконвекторе, содержащем корпус коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, опоры из электроизоляционного материала, связанные с опорами параллельно размещенные нагревательные элементы с электроизолированной подложкой, покрытой с одной стороны резистивным материалом, объединенные по контактным шинам в группы и подключенные через коммутатор к электросети, нагревательные элементы выполнены с отношением высоты H к ширине B нагревательного элемента в области оптимальных значений H/B, определяемой неравенством 1,8 < H/B < 2,2, отношением шага нагревательных элементов t к ширине B нагревательного элемента в оптимальном диапазоне, удовлетворяющем неравенству 1/4 < t/B < 1/6, и установлены с относительным шагом t/H в области оптимальных значений, ограниченной неравенством 1/11 < t/H < 1/7, при этом верхняя и нижняя стенки корпуса выполнены в виде панелей, расположенных параллельно друг другу, на каждой из которых выполнены отверстия в виде трехрядных равновеликих прорезей, причем расстояние между двумя рядами l_р, отнесенное к диаметру прорези d, составляет l_р/d = 0,8 - 1,4, отношение длины l к диаметру прорези находится в пределах l/d = 6 - 8, и отношение межосевого расстояния двух рядов расположенных прорезей X к диаметру d прорези составляет X/d = 1,9 - 2,6.

Авторам предлагаемого изобретения не известны аналогичные технические решения, в связи с чем, по мнению авторов, предлагаемый электроконвектор обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 изображен предлагаемый электроконвектор с частичным вырывом, облегчающим пояснение сущности изобретения; на фиг. 2 - схема нагревательного блока электроконвектора и сечение А-А схемы нагревательного элемента; на фиг. 3 - схема нижней панели электроконвектора и сечение Б-Б; на фиг. 4 - схема верхней панели электроконвектора.

Предлагаемый электроконвектор (фиг. 1) содержит установленный на электроизоляционных опорах 1 корпус 2, расположенные внутри корпуса нагревательные элементы 3 и соединительные детали 4. Между параллельно расположенными нагревательными элементами образован проточный канал 5 (фиг. 2).

На нижней панели (фиг. 3) выполнены отверстия 6, через которые воздух засасывается в электроконвектор.

На верхней панели (фиг. 4) расположены выходные отверстия 7, через которые воздух, нагретый в электроконвекторе, выходит в обогреваемое помещение.

Электроконвектор работает следующим образом.

После подключения электроконвектора к электросети с помощью коммутатора задают режим работы, подключая определенные группы нагревательных элементов. После нагрева нагревательных элементов 3 (фиг. 1) холодный воздух через отверстия 6 нижней панели поступает к электронагревателям 3, подогревается и через отверстия 7 верхней панели выходит в обогреваемое помещение.

Анализ влияния различных факторов на эффективность работы электроконвектора показал, что наиболее важными параметрами, от которых существенно зависит эффективность работы электроконвектора, являются:
относительный шаг нагревательных элементов t/H (фиг. 2), где H - высота нагревательного элемента;
t - шаг, с которым установлены нагревательные элементы относительно друг друга;
относительная высота нагревательного элемента H/B (фиг, 2), где B - ширина нагревательного элемента;
шаг t нагревательных элементов, отнесенный к ширине B нагревательного элемента, т.е. t/B (фиг. 2).

Шаг t и ширина B нагревательных элементов определяют поперечное сечение проточного канала 5 (фиг. 2), а стало быть и расход воздуха через электроконвектор, от которого зависит эффективность работы электроконвектора.

Высота нагревательного элемента H существенно влияет на тягу электроконвектора, расход воздуха и на его температуру на выходе.

Поэтому в предлагаемом электроконвекторе нагревательные элементы выполнены с отношением высоты H к ширине B нагревательного элемента в области оптимальных значений H/B, определяемой неравенством 1,8 < H/B < 2,2, отношением шага нагревательных элементов t к ширине B нагревательного элемента в оптимальном диапазоне, удовлетворяющем неравенству 1/4 < t/B < 1/6, и установлены с относительным шагом t/H в области оптимальных значений, ограниченной неравенством 1/11 < t/H < 1/7.

Такое выполнение и расположение нагревательных элементов с относительным шагом по неравенству 1/11 < t/H < 1/7 объясняется необходимостью обеспечения высокой эффективности работы электроконвектора.

Выполнение на нижней и верхней панелях трехрядных равновеликих прорезей обеспечивает плавность и равномерность входа воздуха в электроконвектор и равномерность выхода воздуха из него в обогреваемое помещение.

При этом расстояние между двумя соседними рядами l_р, отнесенное к диаметру прорези d, выполнено из условия l_р/d = 0,8 - 1,4.

Отношение длины l к диаметру d прорези находится в пределах l/d = 6 - 8, а отношение межосевого расстояния двух рядом расположенных прорезей X к диаметру d прорези составляет X/d = 1,9 - 2,6.

Прорези верхней панели (фиг. 4) по формам, размерам, соотношениям размеров и количеству выполнены одинаковыми с прорезями нижней панели (фиг. 3), т.е. верхняя панель является зеркальным отображением нижней панели.

Длина нагревательного блока, составленного, например, из 16 нагревательных элементов, составляет L = 458 - 460 мм (фиг. 2). Отношение длины L к высоте нагревательного элемента H находится в диапазоне L/H = 1,6 - 1,7.

Все пределы оптимальных значений относительных параметров H/B, t/B, t/H, l_р/d, l/d и X/d, входящих в формулу изобретения, определены на основании данных разработанного электроконвектора.

Такое выполнение электроконвектора повышает его эффективность работы, поскольку резко уменьшаются гидравлические сопротивления проточных каналов и отверстий.

Действительно, гидравлическое сопротивление электроконвектора определяется по формуле [1] (стр. 116):

где
∑ ΔH - суммарное гидравлическое сопротивление электроконвектора по тракту движения воздуха, Па;
ζ_n - коэффициент гидравлического сопротивления электроконвектора, который может быть приведен к любому сечению тракта;
ρ_ср - плотность воздуха при средней температуре в электроконвекторе, кг/м³;
W_ср - средняя скорость движения воздуха в проточном канале электроконвектора, м/с.

Значения ζ_n и W_ср приведены к одному и тому же сечению канала.

Для параллельно работающих проточных каналов по электрогидравлической аналогии можно записать

Так как проточные каналы предлагаемого электроконвектора выполнены по форме и размерам одинаковыми и гидродинамически подобными между собой (фиг. 1-4), то коэффициенты сопротивления проточных каналов равны между собой, т. е.

ζ₁= ζ₂= ... = ζ_k (3) .

Следовательно, формула (2) будет иметь вид

откуда
.

Полученная формула показывает, что коэффициент гидравлического сопротивления электроконвектора, снабженного проточными каналами, расположенными параллельно, уменьшается обратно пропорционально квадрату числа проточных каналов.

Так, например, при 15 параллельно работающих проточных каналах (K = 15) и коэффициенте сопротивления канала ζ₁ = 14 [1] по формуле (5) получаем

т.е. коэффициент гидравлического сопротивления каналов электроконвектора уменьшается существенно.

В рассматриваемом случае в соответствии с формулой (1) суммарное гидравлическое сопротивление электроконвектора также уменьшается существенно.

При этом общий расход воздуха через электроконвектор равен сумме расходов, проходящих через параллельно работающие проточные каналы. Общий расход определяется по формуле (1):

где
Q_общ. - общий расход воздуха, м³/с;
K - число параллельно работающих проточных каналов;
S₁ - площадь поперечного сечения канала, м²;
∑ ΔH - разность давлений на входе и выходе электроконвектора, Па.

Остальные обозначения те же, что и в формуле (1).

Из формулы (6) видно, что с уменьшением ζ_n (при прочих одинаковых условиях) расход воздуха через электроконвектор увеличивается. Вследствие этого количество теплоты, идущее на нагрев воздуха помещения, также увеличивается.

В результате воздух обогреваемого помещения до оптимальной температуры нагревается быстрее. Это означает повышение эффективности работы электроконвектора.

Коэффициент полезного действия электроконвектора, характеризующий степень совершенства его конструкции, равен

где
η - КПД электроконвектора,%;
Q_вых - количество теплоты, идущее на нагрев воздуха помещения, Вт;
Q_п - теплопотери в помещении, Вт;
Q_подв. - количество теплоты, эквивалентное электроэнергии, подведенной к электроконвектору из электроисточника, Вт.

Для герметичного помещения Q_п = 0. Следовательно,
.

Чем больше расход воздуха через электроконвектор, тем больше величина Q_вых, а, согласно формуле (8), это приводит к увеличению КПД электроконвектора, т.е. к повышению эффективности его работы.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого изобретения позволяют существенно повысить эффективность и надежность работы электроконвектора, т.е. обеспечивают достижение цели изобретения.

Оптимальный шаг нагревательных элементов обеспечивает высокую работоспособность электроконвектора даже в том случае, если один из нагревательных элементов по той или иной причине выходит из строя. При это за счет взаимного излучения соседних нагревательных элементов отказавший нагревательный элемент нагревается до такой же температуры, что и облучающие соседние нагревательные элементы, в результате работоспособность данного элемента восстанавливается, т.е. обеспечивается надежная работа электроконвектора.

С другой стороны, оптимальный шаг нагревательных элементов определяет оптимальные размеры проточных каналов, при которых пропускная способность электроконвектора по воздуху максимальна, а гидравлические сопротивления минимальны, что обеспечивает высокую эффективность работы электроконвектора.

Кроме того, надежность и эффективность работы предлагаемого электроконвектора обеспечиваются и тем, что в нем применен низкотемпературный нагревательный элемент (температура его поверхности не превышает 100^oC). Это практически устраняет окислительные процессы в воздушной среде и обеспечивает пожаробезопасность. При температуре порядка 100^oC не происходит термического разложения пыли и осушения нагреваемого воздуха помещения. Поэтому при работе заявляемого электроконвектора создается в помещении комфортный микроклимат.

В предлагаемом электроконвекторе температура подогреваемого воздуха регулируется числом и схемой подключения нагревательных элементов.

Таким образом, предлагаемый электроконвектор, благодаря оптимальному сочетанию совокупности существенной комбинации признаков, изложенных в формуле изобретения, обеспечивает высокую эффективность, надежность и безопасность работы, что делает его весьма конкурентоспособным на внутреннем и мировом рынках.

Электроконвектор предназначен для нагрева воздуха в помещениях в холодное время года путем конвективного переноса теплоты. Электроконвектор содержит корпус 2 коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, опоры 1 из электроизоляционного материала, связанные с опорами нагревательные элементы 3 с электроизолированной подложкой, покрытой с одной стороны резистивным материалом. Нагревательные элементы 3 выполнены с отношением высоты Н к ширине В, удовлетворяющим неравенству 1,8 < Н/В < 2,2, отношением шага t нагревательных элементов к ширине В, удовлетворяющем неравенству 1/4 < t/В < 1/6, и установлены с относительным шагом t / Н, определяемым неравенством 1/11 < t/Н < 1/7. Верхняя и нижняя стенки корпуса 2 выполнены в виде панелей, расположенных пареллельно друг другу. На каждой панели выполнены отверстия в виде трехрядных равновеликих прорезей, причем отношение расстояния l_р между двумя рядами к диаметру d прорези составляет l_р/d = 0,8 - 1,4, отношение длины l прорези к диаметру d составляет l/d = 6 - 8, а отношение межосевого расстояния X двух рядом расположенных прорезей к диаметру прорези составляет X/d = 1,9 - 2,6. 4 ил.

Электроконвектор, содержащий корпус коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, опоры из электроизоляционного материала, связанные с опорами, параллельно размещенные 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 в нем нагревательные элементы выполнены с отношением высоты Н к ширине В нагревательного элемента в области оптимальных значений Н/В, определяемой неравенством 1,8 < Н/В < 2,2, отношением шага t нагревательных элементов к ширине В нагревательного элемента в оптимальном диапазоне, удовлетворяющем неравенству 1/4 < t/В < 1/6, и установлены с относительным шагом t/Н в области оптимальных значений, ограниченной неравенством 1/11 < t/Н < 1/7, при этом верхняя и нижняя стенки корпуса выполнены в виде панелей, расположенных параллельно друг другу, на каждой из которых выполнены отверстия в виде трехрядных равновеликих прорезей, причем расстояние l_р между двумя рядами, отнесенное к диаметру прорези d, составляет l_р/d = 0,8 - 1,4, отношение длины l к диаметру d прорези находится в пределах l/d = 6 - 8 и отношение межосевого расстояния Х двух рядом расположенных прорезей к диаметру d прорези составляет Х/d = 1,9 - 2,6.