НАГРЕВАТЕЛЬ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ Российский патент 2000 года по МПК F24H7/02 H05B3/78 

Изобретение относится к области электротехники и теплотехники и может быть использовано в различных электротехнических теплообменниках и нагревательных устройствах.

Известен бытовой электрический нагреватель, содержащий нагревательный элемент, отдающий тепловую энергию непосредственно в окружающее отапливаемое пространство (электрокамин ЭКПС-1,25/220 "Толнэ"-П, ГОСТ 16617-87).

Недостаток таких конструкций заключается в больших массогабаритных показателях, низкой электропожаробезопасности, неэкологичности (сжигание кислорода).

Наиболее близким техническим решением является нагреватель с промежуточным жидким теплоносителем, содержащий герметичный корпус из теплопроводного материала, заполненный промежуточным теплоносителем (минеральным маслом), в объеме которого расположен нихромовый электронагревательный элемент (электрорадиатор "термо-2" типа ЭММПБ(и), БФРИ 680041.004РЭ).

Недостатком данного устройства является то, что тепловой поток от нагревательного элемента к жидкому теплоносителю передается за счет естественной конвекции с низким коэффициентом теплоотдачи (α_к~300 Вт/м²с). Последнее ограничивает допустимую плотность теплового потока на поверхность нагревательного элемента, плотность тока в нем и, как следствие, приводит к увеличению его размеров и расхода дорогостоящих материалов (например, нихрома). Кроме того, по той же причине на границе жидкий теплоноситель / внутренняя поверхность корпуса имеет место большой температурный перепад. Последнее приводит к снижению температурного перепада на границе: внешняя поверхность корпуса - окружающая среда, что требует большей площади внешней поверхности корпуса для отвода заданной мощности.

Технический эффект заключается в повышении эффективности теплоотвода от поверхности нагревательного элемента до внутренней поверхности корпуса, что приводит к снижению габаритов и материалоемкости устройства.

Поставленная цель достигается тем, что нагреватель с промежуточными теплоносителями, содержащий герметичный корпус с электрически нагревательным элементом имеет внешнее вертикальное оребрение корпуса, а сам корпус заполнен двумя жидкими несмешивающимися теплоносителями, расположенными друг над другом. Электрический нагревательный элемент расположен в объеме нижнего промежуточного теплоносителя. Температура кипения верхнего промежуточного теплоносителя не менее чем на 20 - 30^oC выше, а плотность на 50 - 70% ниже чем у нижнего промежуточного теплоносителя. Соотношение площадей внутренней поверхности герметичного корпуса и внешней оребренной поверхности равно:
S_внеш = (15 - 20)S_внутр
Изобретение поясняется чертежом.

Нагреватель с промежуточными теплоносителями состоит из герметичного корпуса 1, заполненного снизу первым (нижним) промежуточным теплоносителем 2, например диэлектрической жидкостью типа ПФДТ-100, в котором размещен электрический нагревательный элемент 3. Верхняя часть герметичного корпуса заполнена вторым (верхним) теплоносителем 4, например диэлектрической кремнийорганической жидкостью типа 115-262. Корпус имеет внешнее вертикальное оребрение 5 и предохранительный клапан избыточного давления 6. Нижняя часть корпуса, в которой помещен электрический нагреватель 3, заполнена первым (нижним) промежуточным теплоносителем 2 с более низкой температурой кипения и более высокой плотностью (например, диэлектриком типа ПФДТ-100 с температурой кипения T_s = 129^oC и плотностью ρ = 1710 кг/см³. Сверху корпус заполнен вторым (верхним) промежуточным теплоносителем 4, например кремнийорганическим диэлектриком типа 115-262, с плотностью ρ = 960 кг/м³ и температурой кипения T_s = 180 - 200^oC) с температурой кипения не менее чем на 20 - 30% большей и плотностью на 30 - 50% меньшей, чем у первого теплоносителя. При этом обе эти жидкости химически инертны по отношению друг к другу и негигроскопичны. С учетом того, что коэффициент теплоотдачи от внешней оребренной поверхности 5 к окружающему воздуху составляет 15 - 25 Вт/м^2 oC, а от кремнийорганической жидкости к внутренней поверхности корпуса 1 за счет турбулизации этой жидкости восходящими пузырьками пара от кипящей в рабочем состоянии первой (нижней) жидкости 2 возрастает до 500 - 600 Вт/м^2 oC, при температуре кипения первой жидкости 129^oC и окружающего воздуха - 15 - 30^oC соотношение площадей внутренней S_внут оребренной 5 и внешней S_внешн поверхностей корпуса 1 составляет
S_внешн = (15 - 20)S_внутр
Нагреватель с промежуточным теплоносителем работает следующим образом. При включении электрического нагревательного элемента 3 выделяется тепловая мощность P_эл и на его поверхности закипает первый промежуточный теплоноситель 2 (диэлектрическая жидкость ПФДТ-100). Подавляющая часть мощности P_эл затрачивается на парообразование. При этом коэффициент теплоотдачи от поверхности нагревательного элемента 3 составляет α_кип = 3000 - 4000 Вт/м^2 oC, что позволяет выполнить этот элемент весьма компактным и низкоматериалоемким. Пары первого теплоносителя 2 поднимаются, проникают в объем некипящего второго теплоносителя 4. Часть паров автоконденсируются в объеме второго теплоносителя 4, часть - на внутренней поверхности корпуса I. Конденсат за счет большей плотности возвращается в объем первого теплоносителя 2. Тепло от нагретого второго теплоносителя 4 за счет явления турбулизации в пристеночном пространстве восходящими пузырьками пара передается стенке корпуса I α_к ~500 - 600 Вт/м^2 oC) коэффициентом теплоотдачи. Далее тепловой поток через оребренную внешнюю поверхность 5 передается окружающему воздуху. Для обеспечения баланса подводимой и отводимой от корпуса мощности должно выполняться следующее соотношение площадей внешней оребренный 5 и внутренней герметичного корпуса 1 поверхностей
S_внеш = (15 - 20)S_внутр
При заданной мощности за счет достигнутой интенсификации теплообменных процессов внутри корпуса I температура его внешней поверхности возрастает. Поэтому для отвода заданной мощности в окружающее пространство требуется меньшая площадь внешней оребренной поверхности S_внешн. Основу герметичного корпуса составляют две штампованные металлические половины, соединенные в нижней и верхней части с помощью сварки (6). Поэтому при нагревании и расширении жидкости объем корпуса I может увеличиваться за счет некоторого упругого "раздувания". В отличие от минерального масла кремнийорганические жидкости имеют меньший коэффициент объемного расширения, что также снижает давление внутри корпуса.

По сравнению с известными решениями предлагаемое позволяет за счет повышения эффективности теплоотвода от поверхности нагревательного элемента до внутренней поверхности корпуса снизить габариты и материалоемкость нагревателя.

Изобретение относится к области электротехники и теплотехники и может быть использовано в различных электротехнических теплообменниках и нагревательных устройствах. Технический эффект заключается в повышении эффективности теплоотвода от поверхности нагревательного элемента до внутренней поверхности корпуса, что приводит к снижению габаритов и материалоемкости устройства. Нагреватель с промежуточными теплоносителями состоит из герметичного корпуса, заполненного снизу первым (нижним) промежуточным теплоносителем, например диэлектрической жидкостью типа ПФДТ-100, в котором размещен электрический нагревательный элемент. Верхняя часть герметичного корпуса заполнена вторым (верхним) теплоносителем, например диэлектрической кремнийорганический жидкостью типа 115-262. Корпус имеет внешнее вертикальное оребрение и предохранительный клапан избыточного давления. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Нагреватель с промежуточными теплоносителями, содержащий герметичный корпус с электрическим нагревательным элементом, отличающийся тем, что корпус имеет внешнее вертикальное оребрение и заполнен двумя несмешивающимися жидкими теплоносителями, расположенными друг над другом, а электрический нагревательный элемент расположен в объеме нижнего промежуточного теплоносителя, при этом промежуточные теплоносители должны быть химически инертными по отношению друг к другу и нижний теплоноситель имеет более низкую температуру кипения и более высокую плотность по сравнению с верхним. 2. Нагреватель с промежуточными теплоносителями по п.1, отличающийся тем, что температура кипения верхнего промежуточного теплоносителя не менее чем на 20 - 30^oC выше, а плотность на 30 - 50% ниже, чем у нижнего промежуточного теплоносителя. 3. Нагреватель с промежуточными теплоносителями по п.1, отличающийся тем, что соотношение площадей внутренней поверхности герметичного корпуса и внешней оребренной поверхности равно S_внешн = (15 - 20) S_внутр.