ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК F24H7/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и теплообменной технике, а именно к электронагреву жидкой и воздушной среды, и может быть также использовано для частичного или полностью автономного от центрального отопления жилых и промышленных помещений.

Известно устройство для нагрева воды /Китаев Е.В., Гревцев Н.Ф., Курс общей электротехники, Изд. "Советская наука", Москва, 1945 г., стр. 27/, имеющее нагревательный элемент, окруженный твердым теплоаккумулирующим веществом, например, порошкообразным кварцевым песком, изолированные вместе от окружающей среды теплосъемной поверхностью, например, трубчатого типа (устройство типа ТЭН).

Область применения ТЭН в зависимости от условий эксплуатации разнообразна. Они применяются: для нагрева воды, слабых растворов кислот при температуре теплосъемной поверхности 100^oC; для нагрева газовой среды при температуре теплосъемной поверхности до 450^oC; для прогрева селитры при температуре теплосъемной поверхности 600^oC и т.п.

Основные недостатки этого аналога:
- высокое потребление электроэнергии;
- небольшой теплосъем в единицу времени из-за малой теплосъемной поверхности;
- низкий КПД;
- высокие значения удельной мощности, Вт/см²;
- невозможность применения его для отопления помещений.

Известен также нагреватель (воздуха) с аккумулированием тепла (а.с. СССР N 1760258, F 24 H 7/00, 1/20, 26.04.90, опубл. 07.09.92, бюл. N 33), содержащий корпус, разделенный поперечной перегородкой на две камеры - верхнюю жидкостную, снабженную входным и выходным патрубками, и нижнюю с теплоаккумулирующим веществом и центральным электронагревательным элементом, подключенным к источнику питания. При этом в верхней части нижней камеры с охватом электронагревательного элемента дополнительно установлена теплоизолированная кольцевая камера, сообщенная перепускными патрубками с жидкостной камерой соответственно в зонах расположения в последней упомянутых входного и выходного патрубков. В нижней камере с охватом электронагревательного элемента может быть установлен спиральный тепловой шунт с центральной и периферийной частями, первая из которых скреплена с кольцевой камерой, а вторая заведена своей верхней частью под перегородку выше кольцевой камеры.

Недостатки этого аналога следующие:
- невозможность применения его для нагрева воды;
- низкий КПД при нагреве воздуха;
- значительный расход электроэнергии, так как для расплавления до жидкостного состояния большого объема теплоаккумулирующего вещества необходима значительная мощность электронагревательного элемента;
- малоэффективность его как источника тепла при нагревании воздуха в помещениях с большими площадями и объемами из-за неравномерности теплового потока в обогреваемое помещение.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является устройство для нагрева воздуха (электровоздухонагреватель) (свидетельство на полезную модель РФ N 43656, F 24 H 7/00, 19.04.96, опублик. 16.06.97, бюл. N 6), содержащее корпус, разделенный двумя перегородками на камеры, снабженные входным и выходным патрубками, в одной из которых размещен накопитель тепловой энергии, включающий электронагревательный элемент, например, из нихрома, подключенный к источнику питания, например, в виде группы трансформаторов, и теплоаккумулирующее вещество типа парафина ОКП-50, изменяющего агрегатное состояние в диапазоне рабочих температур, при этом перегородки размещены вертикально и разделяют корпус на три камеры - изолированную центральную, заполненную жидкостью типа минерального масла, и две сообщающиеся между собой крайние, заполненные воздухом, причем, в одной из крайних камер установлен входной патрубок, а в другой - выходной патрубок, накопитель тепловой энергии выполнен в виде по крайней мере одного полого цилиндра с заглушенными концами, размещенного вертикально в нижней части центральной камеры, внутри которого установлен электронагревательный элемент, заполненный теплоаккумулирующим веществом, а поверхности перегородок со стороны крайних камер снабжены ребрами с образованием общего воздушного канала от водного до выходного патрубков, на входном патрубке размещен вентилятор.

Недостатками электронагревателя по прототипу являются:
- невозможность его использования для нагрева воды из-за низкого КПД;
- малоэффективность его как источника тепла при нагревании воздуха в больших помещениях из-за применения в качестве теплоаккумулирующего вещества типа парафин вследствие того, что рабочая поверхность, с которой снимается тепло, мала по величине и ее невозможно увеличить значительно из-за ограниченного объема парафина;
- низкий КПД, так как второе агрегатное состояние вещества - жидкий парафин позволяет поднимать температуру лишь до 150^oC, что ограничивает применение больших теплосъемных рабочих поверхностей и снижает рабочий выход теплоносителя (нагретого воздуха);
- невозможность управлять внутренней энергией теплоаккумулирующего вещества в больших пределах, что уменьшает КПД установки по прототипу, из-за применения в нем в качестве теплоаккумулирующего вещества твердого вещества с двумя энергетически затратными фазовыми переходами в жидкость и газ.

Целью предлагаемого изобретения является расширение универсальности его применения для отопления помещения и подогрева воды за счет использования проточного жидкого теплоносителя (воды) при повышении эффективности преобразования электрической энергии в тепловую (КПД) за счет использования нагревательного устройства с малой его удельной мощностью и большим коэффициентом передачи тепла.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом электронагревателе, содержащем корпус, снабженный входным и выходным отверстиями для протока жидкого теплоносителя (воды и т.п.), замкнутыми между собой вне электронагревателя через единую систему циркуляции жидкого теплоносителя; внутри корпуса размещено по крайней мере одно нагревательное устройство, включающее электронагревательный элемент, например, из нихрома, подключенный к источнику питания, и теплоаккумулирующее вещество, причем нагревательное устройство выполнено в виде изолированного от внеобъемного пространства и омывается по своей внешней поверхности и внутренней поверхности корпуса жидким теплоносителем (водой и т.п.). Нагревательное устройство внутри себя, вне от поверхности электронагревательного элемента заполнено газообразным теплоаккумулирующим веществом, например, воздухом или химически инертным газом, а внутри от поверхности элемента твердым теплоаккумулирующим веществом типа керамики.

Входное и выходное отверстия электронагревателя могут быть встроены в циркуляционную водяную систему отопления помещения с ее механизмами водозабора, водоподачи, циркуляции воды и водорасхода при включенной и выключенной котельной установки. При варианте полностью автономного электронагревателя его входное и выходное отверстия замкнуты через свою локальную для помещения циркуляционную систему отопления, снабженную своими автономными от центрального отопления механизмами водозабора, водоподачи, циркуляции воды и водорасхода.

Корпус электронагревателя удобнее и лучше изготавливать по форме в виде куба или параллелепипеда.

Нагревательное устройство может быть выполнено в виде цилиндра или параллелепипеда с оребрением для увеличения поверхности теплосъема.

Источник питания, например, на 220 В, 50 Гц, можно дополнительно снабдить выпрямительным диодом или понижающим трансформатором, например до 110 В, для скачкообразного регулирования силы тока, например, до 5 А, на электронагревательном элементе.

Электронагреватель может быть дополнительно снабжен устройством прямой и обратной связи с окружающей воздушной средой, например, состоящим из датчика температуры воздуха с дистанционным выносом его за пределы электронагревателя, для автоматического включения или выключения источника питания.

Электронагреватель может быть дополнен опорой, расположенной в нижней части корпуса, для установки в обогреваемом помещении.

В науке и технике не обнаружено решений, обладающих совокупностью существенных признаков, аналогичной предлагаемой. Замкнутое в постоянном объеме теплоаккумулирующее газообразное вещество не совершает внешней и внутренней работы на фазовые переходы этого вещества, выполняет только функции аккумуляции тепла и его переноса с поверхности нихрома на внешнюю рабочую поверхность нагревательного устройства. Соприкасающийся с рабочими поверхностями нагревательного устройства и корпуса теплоноситель (вода) совершает передачу тепла во вне поверхности корпуса электронагревателя, а затем и поверхности циркуляционной системы отопления помещения. Через механизм водорасхода часть или вся вода после ее подогрева может расходоваться на бытовые и технические нужды.

Таким образом, предлагаемое решение отвечает критерию изобретательского уровня.

Предлагаемое решение иллюстрируется фиг. 1-2, где на фиг. 1 дан общий вид электронагревателя (в разрезах: вид А, вид Б), а на фиг. 2 - его принципиальная электрическая схема.

Предлагаемый электронагреватель содержит корпус 1 с входным отверстием 2 и выходным отверстием 3. Внутри корпуса 1 содержится по меньшей мере одно нагревательное устройство 4, которое выполнено в виде цилиндра или параллелепипеда с оребренной поверхностью. Внутри нагревательного устройства 4 установлен электронагревательный элемент 5, например, из нихрома, подключенный к источнику питания 6. Нагревательное устройство 4 с электронагревательным элементом 5 внутри заполнено газообразной средой, например воздухом или химически инертным газом 7, предназначенным для аккумулирования и переноса тепла с поверхности нихрома 5 на теплосъемную поверхность нагревательного устройства 4. Элемент уложен на опорную основу типа керамики (на фиг. 1-2 не показана).

Корпус 1 удобнее и лучше изготавливать в форме куба или параллелепипеда. Источник питания 6, например, на 220 В, 50 Гц, можно дополнительно снабдить выпрямительным диодом 8 или понижающим трансформатором 8, например, до 110 В, для скачкообразного регулирования силы тока, например до 5 А, на нагревательном элементе 5.

Электронагреватель может быть дополнительно снабжен опорой, расположенной в нижней части корпуса 1, для установки в обогреваемом помещении (на фиг. 1-2 не показана).

При включении электронагревателя в сеть электронагревательный элемент 5 конструктивно и функционально нагревается ниже температуры свечения. Теплоаккумулирующее газообразное вещество (воздух) 7 и керамическая опора элемента 5 аккумулируют и переносят тепло на теплосъемную поверхность нагревательного устройства 4. Температура теплосъемной поверхности этого устройства 4 равна температуре поверхности электронагревательного элемента 5. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит при условии Q = E_вн; A = 0. Нагретая вода перемещается с выходного отверстия 3 по трубам в радиаторы системы отопления (на фиг. 1-2 не показаны). После конвекционного обмена с окружающей средой помещения обратная охлажденная вода возвращается через входное отверстие 2 электронагревателя, который может работать периодически, в зависимости от температуры воздуха в помещении (с помощью устройства прямой и обратной связи автоматически включаться или выключаться). Водозабор, водоподача, циркуляция воды и ее расход на нужды осуществляется механизмами системы центрального отопления или автономно от нее автономной системой помещения.

Сравнение предлагаемого решения с прототипом и другими аналогичными решениями показывает, что его совокупность существенных признаков позволяет достичь следующие технические результаты:
1. Обеспечить не только нагрев воздуха помещения через нагрев воды, но и использование самой воды для бытовых и технических нужд.

2. Повысить выход количества тепла в единицу времени за счет конструктивного и функционального изменения площади рабочей поверхности нагревательного устройства при постоянной температуре теплоносителя и тем самым отапливать не только малые, но и большие помещения и пространства.

3. Повысить мощность теплопередачи и снизить материалоемкость за счет интенсификации теплообмена с окружающей средой.

4. Увеличить срок службы устройства, так как не происходит нагрева электронагревательного элемента до его свечения.

5. Создать экологически чистый источник тепловой энергии с высоким КПД и низким потреблением электроэнергии.

6. Обеспечить возможность переноса достаточно автономного от центрального отопления электронагревателя как источника тепла в любое обогреваемое помещение.

7. Повысить эксплуатационную готовность, удобство монтажа, обслуживания и транспортировки электронагревателя.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для частичного или полностью автономного отопления жилых и промышленных помещений. Электродвигатель содержит корпус, снабженный замкнутыми через систему отопления помещения входными и выходными отверстиями для циркуляции воды, внутри которого размещено, по меньшей мере, одно нагревательное устройство, включающее электронагревательный элемент, подключенный к источнику питания, и теплоаккумулирующее вещество, выполненное в виде изолированного от внеобъемного пространства. Теплоаккумулирующее вещество включает твердое (керамика) внутри от поверхности нагревательного элемента и газообразное (воздух) вне поверхности нагревательного элемента вещества. Такое выполнение нагревателя позволяет повысить его эффективность за счет использования нагревательного устройства с малой удельной мощностью и большим коэффициентом передачи тепла. 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электронагреватель, содержащий корпус, снабженный входным и выходным отверстиями для протока жидкого теплоносителя, внутри которого размещено по меньшей мере одно нагревательное устройство, включающее электронагревательный элемент, подключенный к источнику питания и окруженный теплоаккумулирующим веществом, выполненное в виде изолированного от вне объемного пространства, отличающийся тем, что теплоаккумулирующее вещество нагревательного устройства включает твердое внутри поверхности электронагревательного элемента и газообразное (воздух) вне поверхности электронагревательного элемента вещества, оба отверстия замкнуты между собой вне электронагревателя через единую систему циркуляции жидкого теплоносителя, омывающего рабочие поверхности нагревательного устройства и корпуса электронагревателя. 2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде куба или параллелепипеда. 3. Электронагреватель по каждому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что нагревательное устройство имеет форму цилиндра с оребрением. 4. Электронагреватель по каждому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что нагревательное устройство имеет форму параллелепипеда с оребрением. 5. Электронагреватель по каждому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что источник питания дополнительно снабжен выпрямительным устройством типа диод или понижающим трансформатором для скачкообразного регулирования силы тока на электронагревательном элементе. 6. Электронагреватель по каждому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен устройством прямой и обратной связи с окружающей средой, например, состоящим из датчика температуры воздуха с дистанционным выносом его за пределы электронагревателя для автоматического включения или выключения источника питания. 7. Электронагреватель по каждому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что он через входное и выходное отверстия встроен в циркуляционную водную систему центрального отопления с механизмами водозабора, водоподачи, циркуляции воды и водорасхода при включенной и выключенной котельной установке. 8. Электронагреватель по каждому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что он через входное и выходное отверстия встроен в свою локальную для помещения систему отопления со своими автономными от центрального отопления механизмами водозабора, водоподачи, циркуляции воды и водорасхода. 9. Электронагреватель по каждому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен опорой, расположенной в нижней части корпуса для установки в обогреваемом помещении.