СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ И СОЗДАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА Российский патент 1998 года по МПК H05B6/10 F24H1/38 F02N17/04 

Изобретение относится к технологии преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена. Оно может быть использовано при нагреве жидкости в системах предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания, отопления и горячего водоснабжения промышленных предприятий и жилых зданий, для нагрева плазмы и других веществ.

Известен способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена, основанный на прямом пропускании электрического тока через теплоноситель, создаваемого за счет подачи напряжения питающей сети через токоподводы к электродам (см. А.П. Альтгаузен и др., "Низкотемпературный электронагрев", Москва, Энергия, 1968). Он используется для нагрева жидкости, бетона, для оттаивания грунтов, руды, песка и других веществ. Основными недостатками этого способа являются повышенная электроопасность из-за относительно высоких напряжений (380 В или 220 В), а также зависимость электронагрева и теплообмена от электрического сопротивления теплоносителя. В частности, в нагреваемую воду вносят специальные добавки, чтобы обеспечить заданное значение электрического сопротивления.

Известен способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена между нагревательным элементом и теплоносителем, включающий подводку электропитания к нагревательному элементу, представляющему собой металлическую трубку, внутри которой находится нагревательная спираль, запрессованная в специальном наполнителе, пропускание электрического тока через нагревательную спираль (см. А.П. Альтгаузен и др., "Низкотемпературный электронагрев", Москва, Энергия, 1968). Такой способ получил широкое распространение в различных областях народного хозяйства. Трубчатый электрический нагреватель (ТЭН) можно помещать в воду, соли, жидкий металл, пресс-форму, картер двигателя внутреннего сгорания и т.д. Однако к нагреваемой спирали подводится электрическое напряжение непосредственно от питающей сети, а снизить подаваемое напряжение не позволяет относительно высокое электрическое сопротивление спирали, что влечет необходимость электроизоляции спирали для обеспечения электробезопасности и что в свою очередь снижает теплопроводность между спиралью и металлической трубкой, а следовательно, ухудшает теплообмен между ТЭН (ом) и теплоносителем в целом. Электроизоляция спирали не исключает вероятность ее электрического пробоя и попадания на металлическую трубку ТЭН(а) высокого электрического потенциала, что приводит к необходимости ее заземления. Кроме того, ТЭН (ы) имеют ограниченный срок службы из-за перегорания спирали.

Известен способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена, получивший название "Контактная сварка" (см. Н.С. Кабанов, "Сварка на контактных машинах", Москва, изд. "Высшая школа", 1985; Ю.Н. Бобринский и Н.П. Сергеев, "Устройство и наладка контактных сварочных машин", Москва, изд. "Машиностроение", 1967; В.Г. Геворкян, "Основы сварочного дела", Москва, изд. "Высшая школа", 1991). В данном способе нагревательным элементом и теплоносителем является свариваемый металл, который замыкает вторичную обмотку сварочного трансформатора, в результате чего по замкнутой цепи протекает электрический ток, достаточный для нагрева и сварки металла. При этом каждый виток вторичной обмотки трансформатора является отдельным источником электроэнергии, так как он охватывает один и тот же магнитный поток, создаваемый в магнитопроводе первичной обмоткой трансформатора.

Этот способ является прототипом. Недостаток способа заключается в том, что он применим только лишь для теплоносителей с относительно низким электрическим сопротивлением. В случае применения жидкости, например воды, пришлось бы отказаться от понижения напряжения с помощью трансформатора, и способ превратился бы в рассмотренный первый со всеми его недостатками.

Безопасность и надежность преобразования электрической энергии в тепловую, эффективность теплообмена в предлагаемом способе достигаются путем использования в качестве нагревательного элемента замкнутого витка проводника электрического тока или нескольких витков, образующих вторичную обмотку трансформатора, и введения теплоносителя в контакт с поверхностями проводника. При замыкании витка проводника, охватывающего магнитопровод трансформатора, в нем наводится ЭДС меньше от подводимой к первичной обмотке в число ее витков, что обеспечивает электробезопасность, а протекающий по замкнутому витку ток резко возрастает из-за малого электрического сопротивления витка и осуществляет его нагрев независимо от электрического сопротивления теплоносителя. В то же время непосредственный контакт теплоносителя с поверхностями замкнутого витка проводника повышает эффективность теплообмена за счет резкого снижения тепловых потерь. Могут быть созданы условия, исключающие возможность перегорания витка, что обеспечивает надежность преобразования.

На чертеже приведен пример оборудования, реализующего предлагаемый способ.

Способ осуществляется следующим образом. С помощью переключателя K первичную обмотку трансформатора с числом витков W₁ подключают к сети переменного тока. В магнитопроводе 1 возникает переменный магнитный поток, который наводит ЭДС в замкнутых витках проводников 2 и 3 и вызывает в них электрический ток, нагревающий их. Проводник 2 выполнен в виде трубы, проводник 3 - из замкнутого пучка медных проводов. На вход A вводят холодный теплоноситель, например воду, которая попадает внутрь проводника 2 и омывает снаружи проводник 3. Через поверхности раздела проводников 2 и 3 и теплоносителя происходит теплообмен, теплоноситель нагревается и за счет конвекции поступает на выход Б. В одном частном случае проводник 3 может отсутствовать (он нужен тогда, когда электрическое сопротивление проводника 2 не согласуется с мощностью трансформатора). В другом частном случае, чтобы не допускать рассеяние тепла с наружной поверхности проводника 2, вместо проводника 2 может быть использована электроизоляционная труба, и тогда тепло в теплоноситель будет поступать только из проводника 3. В третьем случае проводником может являться сам теплоноситель, помещенный внутрь изоляционной трубы или в объем другой формы, охватывающей магнитопровод.

Пример конкретного выполнения способа.

Был взят радиатор стальной штампованный марки 2М3-500 (см. стр. 189, Справочник по специальным работам под редакцией Н.А. Коханенко, Москва, изд. литературы по строительству, 1964) с эквивалентной поверхностью нагрева 3,53 экм (эквивалент 11 - секционного чугунного радиатора М-140 по ГОСТ 8690-58) с емкостью 13,3 л. Из стальной трубы диаметром 3/4'' был изготовлен замкнутый виток, охватывающий магнитопровод трансформатора питания мощностью 1,5 кВт. Вход витка А был соединен с выходом (патрубок в нижней части радиатора, установленного вертикально), а выход витка Б - с входом радиатора (патрубок в верхней части) с помощью резиновых шлангов. В верхней части радиатора был установлен расширительный бачок емкостью 0,25 л. Затем система (радиатор - виток) была заполнена водой и первичная обмотка трансформатора включена в сеть с напряжением 220 В. Температура, окружающая радиатор до включения трансформатора, была 4,5^oC в объеме помещения 300 м³. После включения трансформатора были измерены электрическое напряжение на витке 0,8 В и электрический ток, проходящий по витку, который составил 1875 А. Через 20 мин температура воды в радиаторе возросла до 96^oC (первоначальная температура воды составляла 12^oC), после чего с помощью тиристорной системы управления потребляемая из сети мощность была уменьшена вначале до 800 Вт, что обеспечило поддержание температуры воды на уровне 82^oC, а затем через 2 часа до 500 Вт, что обеспечило поддержание температуры воды на уровне 60^oC. В результате 4-часового испытания температура в помещении достигла 18^oC. На следующий день система была включена на потребляемую мощность 1,5 кВт. Через 4 часа температура в помещении достигла 23^oC, после чего система была переведена на потребление 500 Вт и эксплуатируется в течение 1 месяца как обогревательное устройство.

Были проведены испытания по нагреву системы отопления с емкостью 150 л по предлагаемому способу с потреблением мощности 800 Вт. В процессе испытаний был установлен нагрев воды от 16^oC до 58,5^oC за 7 часов, после чего система была переведена в режим, поддерживающий температуру на уровне 58^oC при потреблении мощности 500 Вт.

Были проведены испытания по введению внутрь замкнутого витка из стальной трубы пучка из медных проводов, замкнутых с помощью пайки (проводник 3). В результате испытаний установлена возможность с помощью проводника 3 уменьшать эквивалентное электрическое сопротивление замкнутых витков практически в любых пределах и увеличивать потребляемую мощность до полной загрузки трансформатора.

Испытания показали возможность снижения потребляемой электроэнергии в 1,5 -2 раза при использовании предлагаемого способа в сравнении с традиционными.

Способ осуществляется использованием в качестве нагревательного элемента одного или более замкнутых витков проводника электрического тока, образующих вторичную обмотку электрического трансформатора, и введением теплоносителя в контакт с поверхностями проводника. Изобретение позволяет повысить надежность преобразования электрической энергии при теплообмене. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена между нагревательным элементом и теплоносителем, использующий в качестве нагревательного элемента вторичную обмотку электрического трансформатора, выполненную в виде замкнутого витка проводника в виде трубы со входом и выходом теплоносителя, отличающийся тем, что обеспечивают конвенцию теплоносителя через нагревательный элемент соединением его входа с выходом теплоносителя из радиатора, а выхода теплоносителя из нагревательного элемента - со входом радиатора, соединения выполняют шлангами, радиатор устанавливают вертикально таким образом, чтобы выход теплоносителя из радиатора находился в его нижней части, в верхней части радиатора устанавливают расширительный бачок и всю систему заполняют теплоносителем и подключают трансформатор в сеть. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что замкнутый виток в виде трубы выполняют из электроизоляционного материала, а внутрь его устанавливают один или более замкнутых витков проводника.