ТЕПЛОВЕНТИЛЯТОР Российский патент 2003 года по МПК F24H3/04 

Изобретение относится к области электроотопительной техники, конкретно к тепловентиляторам, и может быть использовано для обогрева жилых и промышленных помещений, гаражей, дач, теплиц, парников, а также для сушки материалов.

Известен тепловентилятор, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками, установленные на опорных приспособлениях внутри корпуса спиральные нагревательные элементы и вентилятор, средства контроля и регулирования работой вентилятора и нагревательных элементов [1].

Основные недостатки известного тепловентилятора заключаются, во-первых, в недостаточной надежности работы, поскольку в случае выхода из строя любого из участков спирального нагревательного элемента тепловентилятор полностью теряет работоспособность, во-вторых, в шумности работы, главным источником которой, как показали исследования, является аэродинамический шум, отрицательно влияющий на здоровье человека (длительное его воздействие приводит к нарушениям сердечно-сосудистой и дыхательной систем, к нарушениям органов слуха и т. п.) и возникающий из-за динамического воздействия выходящего из лопаточного колеса вентилятора высокоскоростного потока на спиральные нагревательные элементы и другие части воздушного тракта, расстояние от вентилятора до которых недостаточно для перехода кинетической энергии потока в энергию давления. Все это снижает надежность и эффективность работы тепловентилятора.

Известен тепловентилятор, включающий корпус с впускным и выпускным патрубками, вентилятор, установленный в корпусе вблизи впускного патрубка, спиральный нагревательный элемент, расположенный на опорном приспособлении вблизи выпускного патрубка, источник питания, соединенный с вентилятором и нагревательным элементом, выполненным в виде по крайней мере одного нагревательного блока с поперечным сечением, имеющим форму ромба, собранного из отдельных участков спиралей, концы которых закреплены по длине на обеих сторонах керамических пластин и электрически связаны параллельно-последовательным или смешанным соединением токопроводящими перемычками, стекложгутовую нить, пропущенную внутри всех спиралей, распорку, установленную в средней части нагревательного блока между спиралей, опорное приспособление в виде двух -образных стоек, на свободных концах которых закреплены керамические пластины, компаратор, к информационным входам которого подключены задатчик температуры и блок контроля температуры, подключенные к источнику питания преобразователь напряжения и управляемый переключатель, выполненный на симисторе, выход которого подключен к вентилятору и нагревательному элементу, подключенный к преобразователю напряжения помехоподавляющий блок, регулятор выходной мощности, управляющий вход которого имеет блок управления и генератор управляющих импульсов, который подключен к симистору через усилитель, причем вход компаратора подсоединен к преобразователю напряжения, выход через помехоподавляющий блок подключен к регулятору выходной мощности, а последний подключен к входу симистора последовательно через генератор управляющих импульсов и усилитель [2].

К недостаткам этого тепловентилятора следует отнести недостаточную эффективность работы и малую надежность, обусловленные сложностью конструкции, сложностью схемы электрических соединений, недостаточной безотказностью его элементов, в частности участков спирального нагревательного элемента, в условиях ударного нагружения, а также высоким уровнем аэродинамического шума вследствие динамического воздействия высокоскоростного потока, выходящего из вентилятора, на близко расположенные элементы воздушного тракта до перехода кинетической энергии потока в энергию давления.

По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близким к предлагаемому тепловентилятору является тепловентилятор, содержащий цилиндрический корпус, установленный соосно корпусу осевой вентилятор, сетчатые вход и выход, выполненные соответственно в виде цилиндрической поверхности корпуса и торцевой крышки, теплоэлектронагреватели с элементами крепления, выполненными в виде опор, обладающих податливостью как в осевом, так и в радиальном направлениях, например, в виде витых упругих пластин, жестко закрепленных на корпусе и на поверхностях теплоэлектронагревателей, выносной блок управления, кожух, образующий соосную корпусу теплозащитную полость, щелевой эжектор, установленный по периферии отверстия, выполненного в задней стенке корпуса, теплозащитный экран, установленный на внутренней торцевой стенке теплозащитной полости, задней торцевой стенке корпуса и на наружной поверхности эжектора, выносное терморегулирующее устройство для включения и выключения теплоэлектронагревателей в зависимости от температуры окружающей среды и привод, размещенный внутри эжектора, причем площадь входа по меньшей мере вдвое превышает площадь выхода [3].

Данный тепловентилятор выбран в качестве прототипа предлагаемого тепловентилятора.

К недостаткам прототипа следует отнести сложность конструкции и, как следствие, низкий уровень надежности, большую трудоемкость изготовления, высокий уровень аэродинамического шума, вызванного динамическим (ударным) воздействием высокоскоростного потока, выходящего из вентилятора, на близко расположенные теплоэлектронагреватели и другие части воздушного тракта, возможные преждевременные отказы элементов, снижающие эффективность работы, а также большую мощность (до 30 кВт).

ГОСТ 17083-91 [4] ограничивает мощность тепловентиляторов до 2 кВт, что соответствует характерной мощности тепловентиляторов, выпускаемых в таких странах, как страны, входящие в СНГ, США, ФРГ, Великобритания, Франция, Венгрия, Голландия, Болгария и др. [5].

Задачей изобретения является повышение надежности и эффективности работы тепловентилятора.

Требуемый технический результат достигается благодаря тому, что тепловентилятор, содержащий корпус, сетчатые вход и выход, вентилятор, электронагреватели с элементами крепления, блок управления и терморегулятор, согласно изобретению снабжен последовательно расположенными внутри корпуса и соединенными между собой рамами, одна из которых с закрепленным на ней вентилятором расположена вблизи входа, а другая, в которой установлены электронагреватели, расположена вблизи выхода, электронагреватели выполнены в виде пакета, набранного из параллельно расположенных одна над другой плоских прямоугольных керамических пластин, одна из поверхностей каждой покрыта керамическим композиционным резистивным слоем, состоящим из изолирующей и проводящей фаз, концевые стороны каждой пластины соединены электрически параллельно, а элементы крепления электронагревателей выполнены в виде упругих зажимов, закрепленных на двух контактах, соединенных через изоляторы со стойками рамы вблизи выхода, причем каждая из пластин выполнена с отношением длины L к ширине В пластины в пределах , отношением шага t пластин к ширине В пластины в интервале и отношением толщины Δ пластины к толщине δ резистивного слоя в диапазоне , при этом отношение расстояния между рамами l к эквивалентному диаметру корпуса d_э выбрано в пределах .

Авторам предлагаемого тепловентилятора не известны аналогичные технические решения, в связи с чем, по мнению авторов, заявляемая совокупность неразрывно связанных существенных признаков, обеспечивающих достижение требуемого технического результата, соответствует критериям изобретения "существенные отличия" и "положительный эффект".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен тепловентилятор в аксонометрической проекции.

Тепловентилятор содержит корпус 1 прямоугольной формы с сетчатыми входом 2 и выходом 3. Внутри корпуса 1 расположены вентилятор 4, например осевой, с электродвигателем и электронагреватели 5 с элементами крепления 6.

Тепловентилятор имеет выносной блок управления 7 и терморегулятор 8. Тепловентилятор снабжен последовательно расположенными внутри корпуса 1 и соединенными между собой рамами 9 и 10. Соединение рам 9 и 10 может быть осуществлено, например, с помощью шпилек с гайками или любым известным способом.

Одна из рам 9 с закрепленным на ней вентилятором 4 (на звукопоглощающих прокладках) расположена вблизи входа 2, а другая 10, в которой установлены электронагреватели 5, расположена вблизи выхода 3.

Электронагреватели 5 выполнены в виде пакета, набранного из параллельно расположенных одна над другой плоских прямоугольных керамических пластин. Одна из горизонтальных поверхностей каждой пластины покрыта керамическим композиционным резистивным слоем, состоящим из изолирующей и проводящей фаз. Концевые стороны каждой пластины соединены электрически параллельно.

Элементы крепления 6 выполнены в виде упругих зажимов 11, закрепленных на двух контактах, соединенных через изоляторы 12 со стойками рамы 10 вблизи выхода 3.

Каждая из пластин выполнена с отношением длины L к ширине В пластины в пределах, определяемых неравенством , отношением шага t пластин к ширине В пластины в интервале и отношением толщины Δ пластины к толщине δ резистивного слоя в диапазоне . При этом отношение расстояния l между рамами 9 и 10 к эквивалентному диаметру d_э корпуса 1 выбрано в пределах .

Эквивалентный диаметр определяется как

где d_э - эквивалентный диаметр, м;
F - площадь поперечного сечения корпуса, м²;
П - периметр поперечного сечения корпуса, м [6].

Все пределы относительных параметров указанные в формуле изобретения, установлены на основе данных опыта.

Использование сетчатых входа 2 и выхода 3 исключает возможность попадания посторонних предметов внутрь корпуса 1 и тем самым повышает безопасность и надежность работы тепловентилятора.

Характер и степень динамической нагруженности каждого элемента воздушного тракта определенным образом зависит от места его расположения в структурной схеме тепловентилятора - чем ближе он к вентилятору (при малых значениях ), тем хуже - больше скорость, больше кинетическая энергия потока, ударяющегося об него, выше уровень аэродинамического шума, снижающего эффективность и надежность работы тепловентилятора, и, наоборот, чем он дальше от вентилятора (при больших значениях ), тем лучше - выше эффективность и надежность работы тепловентилятора. Действительно, как показывает анализ, снабжение тепловентилятора последовательно расположенными внутри корпуса 1 (с уголками жесткости) и соединенными между собой рамами 9 и 10, одна из которых с закрепленным на ней вентилятором, установленным на звукопоглощающих прокладках, расположена вблизи входа 2, а другая 10, в которой установлены электронагреватели 5, расположена вблизи выхода 3, а также установка этих рам с оптимальным отношением их расстояния l к эквивалентному диаметру d_э корпуса в пределах при допустимой окружной скорости вентилятора (менее 25 м/с) позволяет:
во-первых, обеспечить простоту конструкции, которая является гарантией ее надежности;
во-вторых, благодаря оптимальному выбору расстояния между рам по неравенству эффективно использовать процесс преобразования кинетической энергии потока, выходящего из лопаточного колеса вентилятора, в энергию давления и, как следствие этого, добиться не только существенного снижения скорости и кинетической энергии потока, но и бесшумности работы тепловентилятора, поскольку благодаря гашению кинетической энергии и исключению непосредственного интенсивного соударения потока об элементы воздушного тракта устранен аэродинамический шум, ухудшающий самочувствие и здоровье человека;
в-третьих, добиться равномерности распределения скоростей и температур потока до и после электронагревателей.

Все это повышает эффективность и надежность работы тепловентилятора.

Выполнение электронагревателей 5 в виде пакета, набранного из параллельно расположенных одна над другой плоских прямоугольных керамических пластин, одна из горизонтальных поверхностей каждой из которых покрыта керамическим композиционным резистивным слоем, состоящим из изолирующей и проводящей фаз, а также выполнение пластин с отношением длины L к ширине В пластины в пределах, определяемых неравенством , отношением шага t пластин к ширине В пластины в интервале и отношением толщины Δ пластины к толщине δ резистивного слоя в диапазоне позволяет:
во-первых, создать компактную и безопасную конструкцию электронагревателей, обладающих, как показали испытания, высокой надежностью и эффективностью работы;
во-вторых, использовать низкотемпературные нагревательные пластины, которые являются более эффективными, малотеплоинерционными и пожаробезопасными по сравнению как с прототипом, так и с аналогами. Температура поверхности пластин не более 90^oС, максимальная температура горячего воздуха не выше 65^oС и по длине струи она быстро падает [5, с. 119];
в-третьих, обеспечить необходимую прочность, жесткость и тепловибростойкость электронагревателей, без которых немыслима надежная и эффективная работа тепловентилятора.

Наряду с этим нельзя не учитывать, что надежность и эффективность тепловентилятора решающим образом зависят от того, насколько рационально выбраны соотношения конструктивных размеров и с каким оптимальным шагом t расположены относительно друг друга нагревательные пластины. Действительно, при малом шаге увеличивается количество этих пластин, что приводит к увеличению эффекта взаимного их теплового облучения и возрастанию материалоемкости и стоимости. В то же время при малом шаге возрастают суммарные аэродинамические сопротивления воздушного тракта, что может вызвать изменение рабочего режима вентилятора в сторону уменьшения расхода горячего воздуха, подаваемого в помещение, а это увеличивает время и снижает эффективность обогрева помещения. С другой стороны, при малом шаге увеличение количества пластин, равносильное их резервированию, приводит к повышению надежности, поскольку отказ хотя бы одной пластины вследствие взаимного облучения соседних пластин не приводит к отказу тепловентилятора [7].

При большом шаге количество пластин, их взаимное облучение, суммарные аэродинамические сопротивления воздушного тракта и материалоемкость электронагревателей будут минимально возможными, а расход горячего воздуха будет максимальным, следовательно, эксплуатационные показатели тепловентилятора будут наилучшими. Таким образом, выполнение пластин по неравенствам и диктуется необходимостью обеспечения высокой надежности и эффективности работы тепловентилятора.

Выполнение пластин и резистивного слоя по неравенству повышает их прочность, адгезионную прочность их соединения, жесткость, устойчивость и тепловибростойкость, от которых зависят работоспособность и надежность как пластин, так и тепловентилятора, а то, что концевые стороны каждой пластины соединены электрически параллельно, делает каждую пластину автономной и более надежной в работе.

Надежность тепловентилятора зависит от надежности составляющих его элементов.

Выполнение элементов крепления 6 электронагревателей 5 в виде упругих зажимов 11, закрепленных на двух контактах, соединенных через изоляторы 6 со стойками рамы 10 вблизи выхода 3, позволяет создать прочное, долговечное и надежное соединение, одновременно выполняющее роль термокомпенсаторов, гарантирующих защиту пластин от возникновения в них опасных температурных деформаций и напряжений, что в целом повышает надежность, долговечность и эффективность работы тепловентилятора.

Тепловентилятор работает следующим образом. Блок управления 7 включает электродвигатель, приводящий во вращение лопаточное колесо вентилятора 4. Одновременно напряжение подается и на электронагреватели 5.

Вентилятор 4 засасывает воздух через сетчатый вход 2 и направляет его в электронагреватели 5, где нагретые параллельные пластины передают тепло проходящему через них потоку воздуха принудительной конвекцией, теплопроводностью и излучением, после чего нагретый воздух через сетчатый выход 3 подается в обогреваемое помещение. В том случае, когда температура нагретого воздуха по показанию датчика становится выше заданной, терморегулятор 8 отключает часть электронагревателей 5 и температура снижается.

Совокупность неразрывно связанных между собой и подчиненных единой цели существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, обеспечивает повышение надежности и эффективности работы тепловентилятора и отвечает критериям изобретения.

Изготовление предлагаемого тепловентилятора не представляет особых трудностей и может быть осуществлено в обычных производственных условиях.

В настоящее время тепловентилятор прошел этап испытания опытного образца.

Источники информации
1. US 4398082 А, 1983 - аналог.

2. RU 2131092 С1, 16.09.1998 - аналог.

3. RU 2124168 С1, 13.01.1998 - прототип.

4. ГОСТ 17083-91 (взамен ГОСТ 17083-71). Типы и основные параметры электротепловениляторов - аналоги.

5. А. С. Варшавский, Л. В.Волкова, В.А.Костылев и др. Бытовые нагревательные электроприборы (конструкции, расчеты, испытания). М.: Энергоиздат, 1981, с. 118-125 - Электротепловентиляторы. Рис.9.1 - аналог. Модель тепловентилятора 202S фирмы "Факир" (ФРГ) - аналог (с. 121, 122). Рис. 9.2. - напольный электротепловентилятор (ФРГ) - аналог. Рис. 9.3 - напольный электротепловентилятор круглой формы (Голландия) - аналог. Рис. 9.4 - настольный электротепловентилятор ЭК-4 (Россия) - аналог. Рис. 9.5 - электротепловентилятор "Ветерок" (Россия) - аналог. Приведены также другие аналоги.

6. И.Е.Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Под редакцией М.О.Штейнберга. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1991, 672 с. Вход в прямой канал через неподвижную жалюзийную решетку - аналог.

7. Оптимальные задачи надежности. Под ред. к.т.н. И.А.Ушакова. М.: Издательство стандартов, 1968, с. 5-22 - аналогов не обнаружено.

8. А.Д.Свенчанский. Электрические промышленные печи. Том 1. М.: Энергия, 1975, 384 с. - аналогов не обнаружено.

Далее с п.9 по п.41 идут аналоги:
9. DE 1297252 А, 12.06.1969.

10. GB 1215453 A, 09.12.1970.

11. SU 324455 А, 1971.

12. СН 539255 А, 31.08.1973.

13. GE 1104666, 36с, 1976.

14. SU 544840 А, 22.03.1977.

15. SU 603809 А, 1978.

16. US 4151398 А, 24.04.1979.

17. US 4110600 А, 29.08.1979.

18. SU 787815 А, 23.12.1980.

19. US 4287673 А, 08.09.1981.

20. US 4398082 А, (НК 219-370), 1983.

21. DE 3148870 А, 1983.

22. SU 1177608 А, 07.09.1985.

23. US 4539896 А, 1985.

24. SU 1079962 А, 1986.

25. ЕР 0183252 А2, 04.06.1986.

26. US 4642441 А, 10.02.1987.

27. SU 1758354 A1, 17.01.1990.

28. SU 1562622 А1, 07.05.1990.

29. RU 2008571 С1, 12.03.1991.

30. RU 2008572 С1, 27.05.1991.

31. RU 2024798 С1, 20.06.1991.

32. RU 2056013 С1, 29.10.1991.

33. RU 2032860 С1, 10.04.1995.

34. RU 9400894 С1, 20.11.1995.

35. СА 2059195 С, 1995.

36. RU 2053457 С1, 27.01.1996.

37. RU 94033860 А1, 20.08.1996.

38. RU 2071639 С1, 10.01.1997.

39. RU 2072064 С1, 20.01.1997.

40. GB 2305500 А, 1997.

41. RU 2122689 С1, 13.01.1998.

42. А. Н. Сканави. Отопление. М.: Стройиздат, 1979, с. 205 - Подвесной воздушно-рециркуляционный отопительный агрегат, рис. У111.3 - аналог; с. 207, рис. У111.5 - принципиальная схема автоматизации воздушного отопительного агрегата - аналог; с. 213-214 - воздушно-тепловые завесы, рис. У111.10 - аналог.

43. С. А. Рысин. Вентиляционные установки машиностроительных заводов. Справочник. М.: Машгиз, 1961, с. 338 - воздушные завесы - аналоги.

44. Каталоги по электротепловентиляторам, выпущенные в 2000-2001 гг.:
- ΩDBK. Elektrowarme kreativ. Heizkomponent. PCT Schalts - chrank - neizungen.

- PCT Cabinet Heaters. Typenreihen HK, HC, HP. Types HK, HC, HP. 2000.

- PCT Finned Resistor Heating Elements. - Приведены электротепловентиляторы - аналоги.

Изобретение предназначено для применения в электроотопительной технике. Изобретение содержит корпус, сетчатые вход и выход, вентилятор, электронагреватели с элементами крепления, блок управления и терморегулятор, причем тепловентилятор снабжен последовательно расположенными внутри корпуса и соединенными между собой рамами, одна из которых с закрепленным на ней вентилятором расположена вблизи входа, а другая, в которой установлены электронагреватели, расположена вблизи выхода, электронагреватели выполнены в виде пакета, набранного из параллельно расположенных одна над другой плоских прямоугольных керамических пластин, одна из поверхностей каждой покрыта керамическим композиционным резистивным слоем, состоящим из изолирующей и проводящей фаз, концевые стороны каждой пластины соединены электрически параллельно, а элементы крепления электронагревателей выполнены в виде упругих зажимов, закрепленных на двух контактах, соединенных через изоляторы со стойками рамы вблизи выхода, причем каждая из пластин выполнена с отношением длины L к ширине В пластины в пределах , отношением шага t пластин к ширине В пластины в интервале и отношением толщины Δ пластины к толщине δ резистивного слоя в диапазоне , при этом отношение расстояния между рамами l к эквивалентному диаметру корпуса d_э выбрано в пределах . Изобретение позволяет повысить надежность и эффективность работы тепловентилятора. 1 ил.

Тепловентилятор, содержащий корпус, сетчатые вход и выход, вентилятор, электронагреватели с элементами крепления, блок управления и терморегулятор, отличающийся тем, что он снабжен последовательно расположенными внутри корпуса и соединенными между собой рамами, одна из которых с закрепленным на ней вентилятором расположена вблизи входа, а другая, в которой установлены электронагреватели, расположена вблизи выхода, электронагреватели выполнены в виде пакета, набранного из параллельно расположенных одна над другой плоских прямоугольных керамических пластин, одна из поверхностей каждой покрыта керамическим композиционным резистивным слоем, состоящим из изолирующей и проводящей фаз, концевые стороны каждой пластины соединены электрически параллельно, а элементы крепления электронагревателей выполнены в виде упругих зажимов, закрепленных на двух контактах, соединенных через изоляторы со стойками рамы вблизи выхода, причем каждая из пластин выполнена с отношением длины L к ширине В пластины в пределах , отношением шага t пластин к ширине В пластины в интервале и отношением толщины Δ пластины к толщине δ резистивного слоя в диапазоне , при этом отношение расстояния между рамами l к эквивалентному диаметру корпуса d_э выбрано в пределах .