ЭЛЕКТРОКОНВЕКТОР Российский патент 1999 года по МПК H05B3/26 

Предлагаемое изобретение относится к электроотопительной технике, в частности к электроконвекторам, и предназначено для обогрева воздуха и создания теплового комфорта в жилых, производственных, строительных и других помещениях в холодное время года.

Известны электроконвекторы, содержащие корпус, состоящий из наружной и внутренней оболочек, расположенных одна в другой и соединенных перемычками, электронагреватель, выполненный в виде магнитопровода с первичной обмоткой трансформатора, надетого на внутреннюю оболочку корпуса, а вторичный короткозамкнутый виток трансформатора образован наружной и внутренней оболочками корпуса и перемычками.

К недостаткам этих электроконвекторов относятся сложность конструкции, значительная тепловая инерционность, увеличивающая время выхода электроконвектора в номинальный режим работы из-за необходимости начального прогрева массы металлических элементов конструкции: корпуса, оболочек, перемычек, электронагревателя и других до рабочей температуры, что приводит к снижению эффективности работы.

Кроме того, значительная температура наружной поверхности корпуса, достигающая 100^oC и более, небезопасна при эксплуатации таких электроконвекторов из-за возможности ожога и ведет к сокращению срока службы элементов конструкции, что в целом снижает надежность электроконвектора.

Известен электроконвектор, содержащий открытый снизу и закрытый сверху сеткой коробчатый защитный кожух, ножки и нагревательные секции, которые установлены в защитном кожухе с образованием между ними зазора для прохода воздуха, причем каждая нагревательная секция состоит из упругой пластины, электроизоляционного элемента и гибкой нагревательной ленты.

Существенным недостатком этого электроконвектора является то, что при малых величинах зазора, как показывают исследования Варшавского А.С., Волковой Л. В. , Костылева В.А. и др. и Идельчика И.Е., сопротивление воздушного тракта резко увеличивается, при этом уменьшаются не только естественная тяга и расход горячего воздуха, но и теплопроизводительность электроконвектора, а все это вместе взятое приводит к снижению эффективности работы электроконвектора и невозможности создания в помещении теплового комфорта в холодное время года.

Известен электроконвектор, содержащий корпус с входными и выходными отверстиями, параллельно размещенные в корпусе вертикальные трубчатые нагревательные элементы, представляющие собой полые трубы с внутренним диаметром не менее 25 мм, соединенные с корпусом с помощью держателей-зажимов, при этом трубы расположены в шахматном порядке и снабжены рубашками- отражателями, форма выполнения ребер которых может быть вертикальной или винтообразной.

Преимуществом данного электроконвектора является возможность усиления теплообмена. Это достигается тем, что трубчатые нагревательные элементы снабжены рубашками- отражателями с вертикальными или винтообразными ребрами.

С другой стороны, такое решение является крупным недостатком конструкции: усложняется конструкция, ухудшается технологичность изготовления, увеличиваются материалоемкость и масса на каждый киловатт мощности, повышается тепловая инерционность, в результате чего требуется больше времени для выхода электроконвектора на стационарный режим работы, перегревается корпус ввиду значительного термического сопротивления стенок. Все это приводит к снижению эффективности и надежности работы электроконвектора.

Проведенные нами патентные и научно-технические исследования показали, что наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является электроконвектор, содержащий кожух коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, опоры, параллельно размещенные внутри кожуха вертикальные нагревательные элементы, представляющие каждый в отдельности выравниватель с закрепленным на нем нагревателем, и токоподвод.

Этот электроконвектор принимается за прототип.

Преимуществами прототипа и подобных ему конструкций являются
- экономичность потребления электроэнергии;
- прочность и долговечность;
- электро- и пожаробезопасность.

Основным недостатком прототипа и аналогичных ему конструкций является недостаточно высокая интенсивность переноса тепловой энергии излучением, конвекцией и теплопроводностью при большом количестве параллельно размещенных внутри кожуха вертикальных нагревательных элементов, представляющих каждый в отдельности выравниватель с закрепленным на нем нагревателем, что в целом снижает эффективность и надежность их работы.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности работы электроконвектора путем интенсификации переноса энергии излучением, конвекцией и теплопроводностью.

Поставленная цель достигается тем, что электроконвектор, содержащий кожух коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, опоры, параллельно размещенные внутри кожуха вертикальные элементы, представляющие каждый в отдельности выравниватель с закрепленным на нем нагревателем, и токоподвод, согласно изобретению снабжен боковыми стойками с выступами, на которых закреплены опоры и выравниватели, выполненные в виде листа из цветных металлов, например алюминия, а на внутренних поверхностях выравнивателей в нижней их части на одном уровне установлены нагреватели со смещением относительно друг друга в разные стороны за пределы зеркального отображения каждого, при этом нагреватель каждого выравнивателя выполнен составным из нескольких частей с суммарной площадью поверхности меньшей, чем площадь поверхности выравнивателя.

Авторам предлагаемого изобретения не известны аналогичные технические решения, в связи с чем, по мнению авторов, заявляемая совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображен электроконвектор (вид сверху и спереди);
на фиг. 2 - нагреватель.

Электроконвектор содержит кожух коробчатой формы 1 с входным 2 и выходным 3 отверстиями, опоры 4, параллельно размещенные внутри кожуха вертикальные элементы, представляющие каждый в отдельности выравниватель 5 с закрепленным на нем нагревателем 6, боковые стойки 7 и 8 с выступами толщиной, равной расстоянию между выравнителями, с которыми соединены опоры 4 и выравниватели, проточный канал 9 и токоподвод 10 в электробезопасном исполнении.

Входное отверстие 2, расположенное в нижней части электроконвектора, открыто, а выходное отверстие 3 в верхней части электроконвектора закрыто декоративной решеткой (на чертеже не показана), имеющей минимальное сопротивление проходу нагретого воздуха.

Проточный канал 9, связанный с входным 2 и выходным 3 отверстиями, образован между двумя вертикальными выравнивателями.

Электроконвектор работает следующим образом.

После подключения электроконвектора к электросети посредством токоподвода 10 в начальный момент нагреваются нагреватели 6 и выравниватели 5. Затем холодный воздух обогреваемого помещения через входное отверстие 2 благодаря действию свободной конвекции засасывается в проточный канал 9, где в результате теплообмена излучением, конвекцией и теплопроводностью воздух нагревается, становится легче (поскольку с ростом температуры воздуха плотность его уменьшается), поднимается и через выходное 3 отверстие электроконвектора поступает в обогреваемое помещение, где через некоторое время создается тепловой комфорт.

Движущей силой, вызывающей засасывание воздуха в проточный канал 9, является тепловой напор, возникающий за счет разности плотностей холодного и нагретого воздуха.

Согласно изобретению снабжение электроконвектора боковыми стойками, выполненными с выступами толщиной, равной расстоянию между выравнителями, расположенными в верхней и нижней частях стоек, позволяет обеспечить прочное и надежное соединение выравнивателей и опор с выступами боковых стоек.

Благодаря этому электроконвектор обладает высокой устойчивостью, работоспособностью и надежностью.

Выполнение выравнивателей в виде тонкого листа (толщиной порядка 3-5 мм) из цветных металлов, обладающих высокой теплопроводностью, возрастающей по мере роста температуры, при их взаимных облучениях приводит к быстрому распространению тепла, повышению и выравниванию температуры по всей поверхности и толщине выравнивателя. (Термин "выравниватель" используется именно в этом смысле ).

С повышением абсолютной температуры выравнивателя возрастает не только излучение его поверхности пропорционально кубу абсолютной температуры (T³), но и взаимное облучение выравнивателей, что приводит к повышению интенсивности теплообмена излучением, конвекцией и теплопроводностью.

В результате электроконвектор быстро выходит на номинальный режим работы и ускоряется процесс трансформации электрической энергии в тепловую энергию, передаваемую электроконвектором в обогреваемое помещение вместе с нагретым воздухом.

В свою очередь ускорение трансформации вызывает интенсификацию теплообмена между воздухом и выравнивателями.

В таблице приведены некоторые свойства металлов, из которых согласно изобретению могут быть изготовлены выравниватели 5.

Учитывая, что электроконвектор должен быть легким, компактным, конкурентоспособным и дешевым, среди материалов, указанных в таблице, предпочтение может быть отдано алюминию как более легкому, высокотеплопроводному металлу с достаточно высокой температурой плавления.

Алюминий является недефицитным и недорогим материалом по сравнению, например, с золотом, серебром и медью. Последний при температурах 250-350^oC окисляется, что несколько снижает теплоотдачу. В целом же в зависимости от рабочего диапазона температур, в котором работает электроконвектор, для изготовления выравнивателей могут быть использованы все материалы, перечисленные в таблице.

То, что на внутренних поверхностях выравнивателей в нижней их части на одном уровне установлены плоские нагреватели со смещением относительно друг друга в разные стороны за пределы зеркального отображения каждого, обеспечивает оптимально быстрый нагрев выравнивателя без теплового удара, способного вывести его из строя, полностью устраняет возможность локального (местного) перегрева, повышает термостойкость и долговечность выравнивателей (за счет оптимального нагрева), что является важнейшим критерием работоспособности электроконвектора, связанным с его надежностью работы.

В том случае, когда нагреватели в нижней части выравнивателей установлены друг против друга, то есть когда один нагреватель является зеркальным отображением другого, то, как показали экспериментальные исследования предлагаемого электроконвектора, за счет их взаимного облучения происходит резкое повышение температуры нагревателей, что снижает не только работоспособность и теплостойкость, но и механические свойства выравнивателей (предел прочности, предел текучести, предел выносливости и др.), а все это вместе взятое снижает надежность работы электроконвектора.

В случае, когда согласно изобретению нагреватели разнесены относительно друг друга в разные стороны за пределы зеркального отображения каждого, перегрева ни нагревателей, ни выравнивателей не происходит, тепловая энергия, эквивалентная подводимой электроэнергии, быстро отводится путем переноса ее тепловым излучением (в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением - тепловой энергии в лучистую и обратно), конвекцией и теплопроводностью.

То, что нагреватели установлены в нижней части выравнивателей, связано с необходимостью обеспечения воздуху, засасываемому в электроконвектор, большего контакта с нагретой поверхностью выравнивателей от входа до выхода; это позволяет получить заданную температуру воздуха на выходе из электроконвектора и повысить его эффективность.

Выполнение нагревателя составным из нескольких частей диктуется необходимостью обеспечения высококачественного, прочного и надежного соединения нагревателя с поверхностью выравнивателя при помощи жаропрочной клеющей эмали и упрощает технологию создания такого клеевого соединения.

Выполнение нагревателя из нескольких частей с суммарной площадью поверхности меньшей, чем площадь поверхности выравнивателя, как показали экспериментальные исследования предлагаемого электроконвектора, полностью исключает перегрев и появление тепловых деформаций и разрушений элементов электроконвектора, то есть повышает надежность и долговечность электроконвектора.

При предлагаемом конструктивном выполнении электроконвектора эффективность его работы возрастает за счет интенсификации переноса энергии излучением, конвекцией и теплопроводностью. Действительно, как показывают исследования, при нагреве выравнивателей, размеры которых велики по сравнению с расстоянием между ними (например, высота и ширина выравнивателя в 8-15 раз превышают расстояние между выравнивателями), перенос энергии излучением играет значительную роль.

Первый (назовем условно) выравниватель, выполненный, например, из алюминия, излучает в направлении второго выравнивателя лучистую энергию. Часть этой энергии (порядка 95%) отражается назад, часть (порядка 4,9%) поглощается вторым выравнивателем, а часть (порядка 0,1%) проходит сквозь выравниватель и рассеивается.

Поглощаемая часть энергии идет на повышение температуры выравнивателя. Так как материал выравнивателя обладает высокой теплопроводностью, то распространение температуры по всей его поверхности и толщине происходит очень быстро: со скоростью распространения температурной волны.

В результате температура выравнивателя плавно повышается, а это в свою очередь вызывает усиление переноса энергии конвекцией и теплопроводностью.

Отраженная энергия падает на первый выравниватель, где частично поглощается, частично проходит сквозь первый выравниватель и частично снова отражается (теперь от первого выравнивателя) в сторону второго. Этот процесс продолжается до бесконечности.

Точно такие же рассуждения можно провести в отношении второго выравнивателя. В результате выравниватели взаимно облучают друг друга.

Энергия излучения выравнивателей охватывает длины волн:
от 0,4 до 0,8 мкм - это видимое излучение;
от 0,8 до 800 мкм - это инфракрасное излучение.

Преобладающее значение имеет инфракрасное (тепловое) излучение.

При одинаковой температуре выравниватели находятся в термодинамическом равновесии. В этом случае выравниватели также излучают и поглощают, только для каждого из них приход лучистой энергии равен ее расходу.

Опыт показал, что доля дополнительного теплового нагрева выравнивателей от их взаимного теплового излучения составляет не менее 13%.

Таким образом, из приведенных обоснований существенных признаков заявляемого изобретения следует, что предлагаемая совокупность признаков обеспечивает получение существенного положительного эффекта - повышение эффективности и надежности работы электроконвектора путем интенсификации переноса энергии излучением, конвекцией и теплопроводностью.

Этот вывод полностью подтверждается положительными результатами испытания опытного образца предлагаемого электроконвектора.

Сравнительная оценка эффективности и надежности предлагаемого электроконвектора по сравнению с известными типами маслонаполненных электрорадиаторов, электронагревателей воздуха и электроконвекторов, созданных за последние годы в таких странах, как СССР (бывш.), СНГ, Россия, Украина, США, Великобритания, ФРГ, Франция, Швейцария, Норвегия, Япония и др., показывает, что предлагаемый электроконвектор по достигнутому уровню значительно превышает уровень самого современного мирового стандарта.

Таким образом, заявляемый электроконвектор благодаря сочетанию совокупности существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, как показали испытания его опытного образца, обеспечивает высокую эффективность и надежность работы, отвечает критериям изобретения, что при ожидаемом серийном выпуске, безусловно, делает его весьма конкурентоспособным на мировом рынке, а это повышает приоритет Российской Федерации в данной прогрессирующей области техники, связанной с преобразованием электрической энергии в тепловую энергию.

С учетом всего изложенного серийный выпуск заявляемого электроконвектора предполагается в ближайшее время.

Изобретение относится к электроотопительной технике, в частности к электроконвекторам, и предназначено для обогрева воздуха и создания теплового комфорта в жилых, производственных, строительных и других помещениях в холодное время года. Электроконвектор, содержащий кожух коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, опоры, параллельно размещенные внутри кожуха вертикальные элементы, представляющие каждый в отдельности выравниватель с закрепленным на нем нагревателем, и токоподвод, согласно изобретению снабжен боковыми стойками и выступами толщиной, равной расстоянию между выравнивателями, на которых закреплены опоры и выравниватели, выполненные в виде листа из цветных металлов, например алюминия, а на внутренних поверхностях выравнивателей в нижней из части на одном уровне установлены нагреватели со смещением относительно друг друга в разные стороны за пределы зеркального отображения каждого, при этом нагреватель каждого выравнивателя выполнен составным из нескольких частей с суммарной площадью поверхности меньшей, чем площадь поверхности выравнивателя. Технический результат - повышение эффективности и надежности работы электроконвектора. 2 ил., 1 табл.

Электроконвектор, содержащий кожух коробчатой формы с входным и выходным отверстиями, опоры, параллельно размещенные внутри кожуха вертикальные элементы, представляющие каждый в отдельности выравниватель с закрепленным на нем нагревателем, и токоподвод, отличающийся тем, что он снабжен боковыми стойками с выступами толщиной, равной расстоянию между выравнивателями, на которых закреплены опоры и выравниватели, выполненные в виде листа из цветных металлов, например алюминия, а на внутренних поверхностях выравнивателей в нижней их части на одном уровне установлены нагреватели со смещением относительно друг друга в разные стороны за пределы зеркального отображения каждого, при этом нагреватель каждого выравнивателя выполнен составным из нескольких частей с суммарной площадью поверхности меньшей, чем площадь поверхности выравнивателя.