НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2002 года по МПК F24D13/02 

Изобретение относится к области отопительной техники и может быть использовано для нагревания пола, стен или потолка помещения, а также для создания отопительных радиаторов различной конфигурации.

Известна система отопления квартир, содержащая воздухонагревательную установку, подающие и обратные каналы, размещенные в пустотах плит междуэтажных перекрытий, образующие замкнутый циркуляционный контур, соединительные короба, установленные на концах плит и сообщающие воздушные каналы смежных плит (1).

В этой системе воздухонагревательная установка размещена в соединительном коробе, выполненном из металла, разделенном внутри перегородкой с установленным в нем вентилятором, при этом в соединительном коробе после вентилятора размещены сообщенные электронагреватель и регулятор перегрева воздуха, а в помещении квартиры расположен регулятор температуры, связанный с электронагревателем. В этом техническом решении в качестве нагревательного элемента использованы каналы и соединительные короба из металла, проходя по которым теплоноситель-воздух нагревает плиты междуэтажного перекрытия.

Ограничениями этого технического решения являются: сложность конструкции; возможность использования в качестве теплоносителя только воздуха; необходимость обязательного обеспечения циркуляции теплоносителя для эффективного обогрева помещения.

Наиболее близким техническим решением является способ и устройство для обогрева комнаты при помощи трубы с электрически нагретой водой (2).

В этом техническом решении полкомнаты нагревают путем подачи электроэнергии через нагревательный элемент, выполненный в виде медной проволоки, размещенной по всей длине трубы с водой, которая расположена под полом комнаты по форме его плоскости.

Таким образом, используемый в наиболее близком техническом решении нагревательный элемент содержит трубу, предназначенную для размещения в ней теплоносителя, электропроводящий элемент, выполненный электрически изолированным от теплоносителя, установленный в трубе по всей ее длине и предназначенный для подсоединения к линии электроэнергии.

В качестве электропроводящего элемента в этом известном устройстве использована медная проволока, установленная внутри трубы по всей ее длине и выполненная электрически изолированной от теплоносителя и стенки трубы.

Преимуществом этого устройства является то, что нагревающее действие медной проволоки заменило функции парового котла и средства для циркуляции теплоносителя-воды, поэтому циркуляция горячей воды внутри трубы не используется.

Ограничениями известного нагревательного элемента являются:
- возможность применения нагревательного элемента только без циркуляции воды, что обусловлено большим гидродинамическим сопротивлением установленной внутри трубы медной проволоки, которая препятствует циркуляции воды, особенно в местах изгиба трубы;
- невозможность использования нагревательного элемента без теплоносителя или низкая эффективность его применения при использовании в качестве теплоносителя воздуха, поскольку проволока имеет небольшую наружную поверхность, и, кроме того, эффективность передачи от проволоки тепла рассеянием невелика, т.к. сама поверхность трубы является тепловым экраном для передачи рассеянного тепла в окружающее пространство;
- большее время на начальный прогрев помещения, т.к. установленная внутри трубы медная проволока сначала прогревает весь объем теплоносителя и только затем стенку трубы;
- сложность конструкции за счет выполнения трубы целиком металлической и необходимости покрытия медной проволоки для изоляции слоем эмали и по меньшей мере двумя слоями тефлоновой смолы, а также необходимости для обеспечения равномерного нагрева поддержания медной проволоки внутри трубы на ее продольной оси;
- невысокая надежность конструкции, поскольку при изгибе трубы медная проволока за счет ее укорачивания смещается от продольной оси в сторону внутренней поверхности трубы, противоположную наружной поверхности изгиба, при этом выполнение изгибов труб с небольшими радиусами невозможно и приходится использовать прокладку трубы под полом в форме спирали;
- неравномерность нагревания поверхности трубы и теплоносителя, что обусловлено возможностью смещения медной проволоки от продольной оси трубы на прямолинейных отрезках, а также обязательным смещением медной проволоки от продольной оси в месте изгиба трубы.

Решаемая изобретение задача - повышение технико-эксплуатационных характеристик, обеспечение возможности эксплуатации устройства как в режиме циркуляции теплоносителя, так и без циркуляции, обеспечение возможности в зависимости от условий эксплуатации эффективного использования различных теплоносителей или не использования теплоносителя совсем.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - повышение эффективности нагрева, расширение арсенала используемых теплоносителей, сокращение времени первоначального обогрева помещения, обеспечение равномерности нагрева поверхности нагревательного элемента, повышение надежности, упрощение конструкции и уменьшение ее веса.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном нагревательном элементе, содержащем трубу, предназначенную для размещения в ней теплоносителя, электропроводящий элемент, выполненный электрически изолированным от теплоносителя, установленный в трубе по всей ее длине и предназначенный для подсоединения к линии электроэнергии, согласно изобретению труба выполнена многослойной, по меньшей мере, из трех продольных слоев, расположенных по всей ее длине, внутренний слой и внешний слой выполнены из диэлектрического материала, а электропроводящий элемент выполнен в виде промежуточного слоя в форме полого цилиндра на прямолинейном отрезке трубы и закреплен между внутренним слоем и внешним слоем.

Возможны дополнительные варианты выполнения нагревательного элемента, в которых целесообразно, чтобы:
- на криволинейном отрезке трубы электропроводящий элемент был выполнен сплошным и изогнутым в соответствии с криволинейной поверхностью изгиба трубы;
- были введены адгезионные слои, а электропроводящий элемент был закреплен между внутренним слоем и внешним слоем посредством адгезионных слоев;
- для адгезионных слоев была использована клеевая композиция на базе силанольносшиваемого полиэтилена;
- для адгезионных слоев была использована клеевая композиция сухого каширования;
- электропроводящий элемент был выполнен из алюминия;
- электропроводящий элемент был выполнен из сплава алюминия;
- электропроводящий элемент выполнен из стали;
- электропроводящий элемент был выполнен из меди;
- электропроводящий элемент был выполнен из латуни;
- внутренний слой и внешний слой были выполнены из полиэтилена.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 изображает нагревательный элемент, продольное сечение;
Фиг.2 - то же, что фиг.1, поперечное сечение;
Фиг. 3 - то же, что фиг.1, продольное сечение в месте изгиба трубы, схематично.

Нагревательный элемент (фиг.1, 2) содержит трубу 1, предназначенную для размещения в ней теплоносителя 2. Электропроводящий элемент 3 выполнен электрически изолированным от теплоносителя 2, установлен в трубе 1 по всей ее длине и предназначен для подсоединения к линии электроэнергии (схематично на фиг. 1 показаны клемма на одном конце трубы 1 для подсоединения к линии электроэнергии, другая клемма находится на другом ее конце при последовательном подключении электропроводящего элемента 3 к цепи питания). Труба 1 выполнена многослойной, по меньшей мере, из трех продольных слоев, расположенных по всей ее длине. Внутренний слой 4 и внешний слой 5 выполнены из диэлектрического материала. Электропроводящий элемент 3 выполнен в виде промежуточного слоя в форме полого цилиндра на прямолинейном отрезке трубы 1 и закреплен между внутренним слоем 4 и внешним слоем 5.

Для улучшения качества соединения электропроводящего элемента 3 с внутренним слоем 4 и внешним слоем 5 в устройство могут быть введены адгезионные слои 6 (фиг.2), а электропроводящий элемент 3 закреплен между внутренним слоем 4 и внешним слоем 5 посредством адгезионных слоев 6.

Адгезионные слои 6 являются клеевыми и надежно закрепляют внутренний слой 4 и внешний слой 5 из диэлектрического материала на наружной и внутренней поверхности электропроводящего элемента 4. При конкретном выполнении устройства для адгезионных слоев может быть использована клеевая композиция на базе силанольносшиваемого полиэтилена или клеевая композиция сухого каширования, например, выпускаемая под торговой маркой "Вилад-23".

Труба 1 (фиг.1, 2) может быть легко изогнута в различных направлениях. При изгибе трубы 1 (фиг.3) на криволинейном отрезке трубы 1 электропроводящий элемент 3 выполнен сплошным и изогнутым в соответствии с криволинейной поверхностью трубы 1. При этом за счет выполнения электропроводящего элемента 3 в форме полого цилиндра на прямолинейном отрезке трубы 1 (фиг.1, 2) удается сохранить сплошную поверхность электропроводящего элемента 3 (фиг.3) при изгибе трубы 1 с минимальным изменением площади поперечного сечения электропроводящего элемента 3, что позволяет повысить надежность и равномерность нагрева в местах изгиба трубы 1, а также осуществлять изгибы трубы 1 с малыми радиусами изгибов Rи. Радиус изгиба Rи наружной поверхности трубы 1 приблизительно равен трем-пяти D, где D - наружный диаметра трубы (фиг.3).

Для осуществления простого и легкого изгиба трубы 1, например, с помощью рук целесообразно, чтобы электропроводящий элемент 3 был выполнен из алюминия или из сплава алюминия.

На основании закона Ома: R=ρ•(L/A), где R - величина сопротивления, ρ - удельное сопротивление, L - длина электропроводящего элемента 3, А - площадь поперечного сечения кольца, получаемого в поперечном сечении полого цилиндра.

Как показали практические исследования, в зависимости от длины трубы 1 и мощности источника питания электропроводящий элемент 3 наиболее целесообразно выполнять из алюминиевой фольги с толщиной ~ 0,15-0,3 мм, свернутой в полый цилиндр, что, кроме того, позволяет легко выполнять изгибы трубы 1. Таким образом, в заявленном техническом решении в электропроводящем элементе 3, выполненном в форме полого цилиндра, совмещены функции несущей основы трубы 1 и использования электропроводящего элемента 3 в качестве электрического нагревателя.

Понятно, что так же, как и в известном решении, в зависимости от мощности источника питания и длины трубы 1 электропроводящий элемент 3 может быть выполнен из различных электропроводных материалов, например из меди или латуни. Однако удельное сопротивление ρ меди или латуни меньше, чем удельное сопротивление ρ стали, а также алюминия или его сплавов, поэтому при одинаковой мощности источника питания и одинаковых поперечных сечениях электропроводящего элемента 3 при применении электропроводящего элемента 3 из меди приходится увеличивать длину трубы 1 по сравнению с использованием электропроводящего элемента 3 из стали или алюминия для обеспечения одинакового количества выделяемого тепла. Это приводит к большему расходу материалов для меди при изготовлении всей системы обогрева и к повышению ее стоимости. Кроме того, медь хуже деформируется при изгибе трубы 1.

Внутренний слой 4 и внешний слой 5 могут быть выполнены из полиэтилена, например из полиэтиленов ПЭНД, ПЭВД, поперечно-сшитого полиэтилена (для очень горячей воды). Величина толщины внутреннего слоя 4 и внешнего слоя 5 выбирается исходя из эксплуатационных требований и может варьироваться в широких пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров (0,2 мм - 7 мм) для различных диаметров труб 1. Полиэтиленовые покрытия легко изгибаются, обладают высокими антикоррозионными и диэлектрическими свойствами. Поэтому при изготовлении электропроводящего элемента 3 из алюминия или его сплавов, при изготовлении внутреннего слоя 4 и внешнего слоя 5 из полиэтилена, а также при использовании адгезионных слоев 6 удается создать конструкцию, обеспечивающую эксплуатацию нагревательного элемента в течение не менее пятидесяти лет.

Работает нагревательный элемент (фиг.1, 2) следующим образом.

За счет совмещения функций несущей основы трубы 1 и электропроводящего элемента 3 удается использовать нагревательный элемент при работе в различных режимах. Труба 1 прокладывается известным образом, (необязательно в виде спирали, а, например, и в виде меандра, поскольку труба 1 может быть изогнута с малыми радиусами изгиба Rи) в полу, несущей стене или в перегородке помещения. На базе трубы 1 могут быть изготовлены своеобразные радиаторы различных конструкций. Рабочая температура трубы 1, выполненной из алюминия и полиэтиленовых слоев, от -40 до +95^oС. Указанные конструкции труб 1 позволяют обеспечить рабочее давление не менее 20 кг/см²; гидростатическое давление, при котором наступает разрушение стенки, достаточно большое - от 65 до 84 кг/см²; теплопроводность - около 0,45 Вт/мК; а допускаемый наружный радиус изгиба Rи таких труб 1 от трех-пяти ее диаметров D (фиг.3).

Нагревательный элемент (фиг.1-3) может функционировать в трех режимах. Первый режим служит для быстрого первичного обогрева помещения и непосредственно трубы 1. В этом случае теплоноситель 2, например вода или воздух, внутрь трубы не подается. Электропроводящий элемент 2 подключается к источнику питания известным образом, по различным схемам, например с использованием понижающего трансформатора. Происходит эффективный и быстрый разогрев внутренней поверхности трубы 1. За счет излучения тепла от внешней поверхности трубы 1 воздух подогревается и в самом помещении. Такой режим в других известных нагревательных элементах применить невозможно, поскольку рассеянное тепло от проволоки без теплоносителя практически не нагревало бы трубу 1, а использование в качестве теплоносителя 2 воздуха требует обязательной его циркуляции. Первый режим целесообразно использовать в зимнее время при начальном обогреве холодных и замороженных труб 1. Особенно этот режим эффективен в использовании при начальном прогреве помещений загородных домов, коттеджей, ферм и т.д.

Второй режим служит для быстрого обогрева всего помещения с использованием циркуляции теплоносителя 2 внутри трубы 1 и с подключением источника питания к электропроводящему элементу 3. Теплоносителем 2 может служить жидкость, например вода или воздух (подаваемые по трубам 1 по известным схемам). В случае использования теплоносителя 2 - воды - тепло излучается в помещение как с внешней поверхности трубы 1, проложенной в полу, так и, например, от внешней поверхности радиаторов отопления, выполненных из труб 1, заявленной конструкции. В случае использования теплоносителя 2 - воздуха - тепло излучается в помещение как с внешней поверхности трубы 1, проложенной в полу, так и, например, через воздушные короба системы вентиляции. При циркуляции теплоносителя 2 внутри трубы 1 величина подаваемого тока на электропроводящий элемент 3 может быть увеличена, т.к. тепло дополнительно отбирается теплоносителем 2 и передается в помещение или в несколько помещений по принятой схеме отопления. При этом для эффективного и быстрого прогрева помещения теплоноситель 2 предварительно может быть также подогрет в нагревательном котле воды или воздушном нагревателе. Функциональные схемы обогрева помещений в данном техническом решении не рассматриваются, и их различия не принципиальны для работы нагревательного элемента. При циркуляции теплоносителя 2 в любом случае улучшается теплоотдача трубы 1 за счет перемешивания теплоносителя 2 внутри системы отопления и более эффективной отдачи тепла.

Третий режим служит для поддерживания тепла в помещении и подобен режиму обогрева помещения, используемому в ближайшем аналоге. При данном режиме циркуляцию теплоносителя 2 в трубе 1 отключают, мощность источника питания электронагревателя 2 уменьшают и поддерживают необходимую температуру, например, при помощи терморерегулятора. Такой режим (с размещением, но не циркуляцией теплоносителя 2 внутри трубы 1) целесообразно использовать уже для достаточно прогретого помещения за счет предварительного обогрева его в первом и во втором режимах. Третий режим желательно использовать, например, в ночное время суток или при небольших перепадах температуры окружающей среды в дневное и в ночное время. Однако заявленное устройство обеспечивает снижение мощности источника питания для обеспечения одной и той же температуры обогрева помещения по сравнению с ближайшим аналогом. Действительно, в заявленном устройстве тепло от электропроводящего элемента 3 аккумулировано непосредственно в стенке трубы 1, основная часть тепла свободно излучается с наружной поверхности трубы в окружающее пространство и лишь меньшая часть тепловой энергии расходуется непосредственно на нагрев теплоносителя 2. Теплоноситель 2 позволяет при осуществлении третьего режима в заявленном устройстве исключить резкие перепады температур, например, в местах изгиба трубы 1, а также повысить надежность функционирования электропроводящего элемента 3 и устройства в целом во втором режиме и в третьем режиме. В известном устройстве, использующем проложенную вдоль продольной оси трубы 1 медную проволоку, основная часть тепла расходуется на нагрев теплоносителя 2, а сама стенка трубы 1 является тепловым экраном. Таким образом, большая часть тепловой энергии в известном устройстве бесполезно расходуется на нагрев не циркулирующего теплоносителя 2.

Кроме того, заявленное устройство имеет простую конструкцию, небольшую массу (масса одного метра трубы 1 около 100 г), а нагревательные элементы могут выпускаться с различными диаметрами и с различными толщинами слоев многослойной трубы 1, например, с наружными диаметрами трубы 1 в интервале от 12 до 25 мм. При этом длина самих нагревательных элементов может колебаться в широких пределах, например от 50 до 200 м. Это позволяет при конкретном проектировании и строительстве помещений с различной общей площадью использовать отрезки труб 1 различной длины. Простым отрезанием трубы 1 на один отрезок требуемой длины и созданием его изгибов под полом или в стене помещения, а также при изготовлении своеобразных трубчатых радиаторов удается создавать эффективные обогревающие поверхности без излишних затрат самих труб 1.

Наиболее успешно заявленный нагревательный элемент промышленно применим в строительстве для создания многорежимных и многофункциональных систем обогрева помещений.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР 564492, F 24 D 5/04, опубл. 90 г.

2. Патент Российской Федерации 2138740, F 24 D 13/02, Н 05 В 3/00, опубл. 99 г.

Изобретение предназначено для применения в области отопления помещений, а именно для отопления пола, стен или потолка помещения, а также для создания отопительных радиаторов различной конфигурации. Нагревательный элемент содержит трубу и электропроводящий элемент. Труба выполнена многослойной, по меньшей мере, из трех продольных слоев, расположенных по всей ее длине. Внутренний слой и внешний слой выполнены из диэлектрического материала. Электропроводящий элемент выполнен в виде промежуточного слоя в форме полого цилиндра на прямолинейном отрезке трубы и закреплен между внутренним слоем и внешним слоем. Изобретение позволяет повысить технико-эксплуатационные характеристики устройства. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Нагревательный элемент, содержащий трубу, предназначенную для размещения в ней теплоносителя, электропроводящий элемент, выполненный электрически изолированным от теплоносителя, установленный в трубе по всей ее длине и предназначенный для подсоединения к линии электроэнергии, отличающийся тем, что труба выполнена многослойной, по меньшей мере, из трех продольных слоев, расположенных по всей ее длине, внутренний слой и внешний слой выполнены из диэлектрического материала, а электропроводящий элемент выполнен в виде промежуточного слоя в форме полого цилиндра на прямолинейном отрезке трубы и закреплен между внутренним слоем и внешним слоем. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что на криволинейном отрезке трубы электропроводящий элемент выполнен сплошным и изогнутым в соответствии с криволинейной поверхностью изгиба трубы. 3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что введены адгезионные слои, а электропроводящий элемент закреплен между внутренним слоем и внешним слоем посредством адгезионных слоев. 4. Элемент по п. 3, отличающийся тем, что для адгезионных слоев использована клеевая композиция на базе силанольносшиваемого полиэтилена. 5. Элемент по п. 3, отличающийся тем, что для адгезионных слоев использована клеевая композиция сухого каширования. 6. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящий элемент выполнен из алюминия. 7. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящий элемент выполнен из сплава алюминия. 8. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящий элемент выполнен из стали. 9. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящий элемент выполнен из меди. 10. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящий элемент выполнен из латуни. 11. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что внутренний слой и внешний слой выполнены из полиэтилена.