МАЛОШУМНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ) И ПРОФИЛИРОВАННОЕ ДНО ЕМКОСТИ Российский патент 2022 года по МПК H05B3/06 A47J27/00 

Заявляемое изобретение относится к нагревательным элементам для нагрева воды или иных жидкостей в бытовых или промышленных нагревательных приборах.

Уровень техники.

В настоящее время известно несколько разновидностей нагревательных элементов, аналогичных заявляемой.

Например, CN 101237797 A раскрывают конструкцию устройства, наиболее типичного для выпускаемых современных бытовых чайников. Недостатком устройства является повышенные энергозатраты, значительный шум при кипячении вызванные недостаточно эффективно организованным процессом кипячения.

Большинство устройств аналогичного назначения используют такую или подобную конструкцию для бытовых приборов.

Например, GB 2588888 A раскрывают конструкцию устройства, для приготовления блюд из твердых или консистентных (нежидких) продуктов. Несмотря на это, устройство имеет схожую с заявляемой конструкцию с нижним электроподогревом.

Отличительной особенностью является осуществление местного нагрева дна небольшой частью поверхности нагревательного элемента (менее 50%) и дополнительной системой вентиляции области под сосудом, что обусловлено повышенными температурами приготовления блюд из твердых или консистентных (нежидких) продуктов на масле по сравнению с кипячением воды.

Известно устройство по заявке №CN 200948065. Документ раскрывает устройство нагревательного элемента для бытового чайника. Нагревательный элемент сложной формы, отштампован из листового металла, в полости впаян кольцевой электрический нагреватель.

Недостатком нагревательного элемента является наличие очень узкой и сильно нагреваемой ТЭН-ом области поверхности дна. В результате чего в указанной зоне повышается интенсивность теплообмена, проводящая к активному формированию кавитационных пузырьков и повышенному уровню шума.

Устройство, раскрытое в документе CN 200948065 выбрано в качестве прототипа.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание высокоэффективного нагревательного элемента закрытого типа с увеличенной интенсивностью конвекции и пониженным уровнем шума.

Известные устройства не позволяют достичь заявленного технического результата.

Задачей, решаемой заявляемым устройством, является использование существующих ТЭН.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 - дно переменной толщины

1.1 - центральная область

1.2 - область перехода от центральной к области нагрева

1.3 - область нагрева (область с наибольшей толщиной дна)

1.4 - периферийная область

2 - нагреватель

3 - ребра для увеличения поверхности теплопередачи

ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

На фиг. 1. Показана конструкция нагреваемого дна емкости по патенту GB 2588888 A.

На фиг. 2. Показана конструкция нагреваемого дна емкости устройства - прототипа по патенту CN 200948065.

На фиг. 3 показана заявляемая конструкция дна:

а) в изометрической проекции,

б) вид сверху,

в) вид сверху с указанием областей 1.1, 1.2, 1.3, 1.4.

На фиг. 4 показана схема движения жидкости в известных конструкциях.

На фиг. 5 показана схема движения жидкости в заявляемой конструкции.

На фиг. 6 - а), б), в), г) - показаны возможные варианты реализации заявляемой конструкции.

На фиг. 7 показана заявляемая конструкция в поперечном сечении.

На фиг. 8 показана термографическая схема продольного разреза нагревательного элемента, по патенту CN 101237797 А.

На фиг. 9 показана термографическая схема продольного разреза нагревательного элемента, по патенту CN 200948065, с зоной интенсивного теплообмена.

На фиг. 10 показана термографическая схема продольного разреза заявляемого нагревательного элемента с равномерным распределением теплообмена.

На фиг. 11 показан чертеж экспериментального образца.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

Заявлен нагревательный элемент, являющийся дном емкости для нагревания преимущественно жидкостей, включает металлическое дно переменной толщины с прикрепленным к нему снизу или вмонтированным в тело дна линейным нагревателем, преимущественно, электрическим.

Особенность заявленного нагревательного элемента состоит в том, что в месте прохождения нагревателя и в ближайшей окрестности дно выполнено увеличенной толщины по сравнению с остальной поверхностью дна.

Заявлен нагревательный элемент, являющийся дном емкости для нагревания преимущественно жидкостей. Нагревательный элемент выполнен в виде металлического дна переменной толщины с прикрепленным к нему снизу или вмонтированным в тело дна кольцевым линейным нагревателем, преимущественно, электрическим.

Особенности заявленного нагревательного элемента следующие.

Дно в радиальном направлении включает несколько различных по характеристикам концентрических областей.

Центральная область имеет наименьшую толщину дна. Это область нисходящего конвекционного потока.

Область нагрева - над кольцевым нагревателем и в ближайшей окрестности, имеет наибольшую толщину дна, и за счет толщины возвышается вверх, так что большая часть излучающей тепло поверхности находится в жидкости. Это область восходящего конвекционного потока.

Кольцевой нагреватель часто выполнен в виде неполного кольца с разрывом. На концах кольца сделаны выводы нагревающей спирали. При нагревании таким кольцевым нагревателем дна, например, чайника эта часть не прогревается.

Поэтому для улучшения конвекции предлагается область над кольцевым нагревателем выполнять переменной толщины. Место, где находится разрыв кольца нагревателя, выполняют меньшей толщины. А противоположный край, где находится середина нагревательного элемента, выполняют бОльшей толщины.

Область между центральной и областью над кольцевым нагревателем имеет переменную толщину дна от минимальной, примыкающей к центральной части до максимальной, примыкающей к области над кольцевым нагревателем.

Периферическая область от кольцевого нагревателя вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда, если таковая имеется, имеет близкую к минимальной толщину дна.

Центральная область может иметь выгнутую вверх сферическую или сферическую переходящую в конусную форму.

Область между центральной и областью над нагревателем может иметь выгнутую вниз форму.

Заявлено устройство дна емкости для нагревания преимущественно жидкостей переменной толщины.

Дно в радиальном направлении включает несколько различных по характеристикам концентрических областей.

Центральная область имеет наименьшую толщину дна. Это область нисходящего конвекционного потока.

Далее идет область с переменной толщиной дна от минимальной, примыкающей к центральной части до максимальной.

Далее от центра располагается область нагрева - с наибольшей толщиной дна. Это область восходящего конвекционного потока.

Предполагается, что эта область является областью нагрева, и что нагрев будет выполняться линейным источником тепла, составляющим неполное, незамкнутое кольцо.

Поэтому область нагрева выполнена утолщенной и переменной толщины - меньшей с одной стороны и большей с противоположной.

Самая периферическая область вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда имеет близкую к минимальной толщину.

Минимальную толщину дна выбирают и устанавливают по конструктивным, технологическим, соображениям или исходя из конкретных условий эксплуатации, свойств материала, ряда других факторов. В случае использования листового материала минимальная толщина получается равной толщине используемого листа. В случае изготовления литьем, минимальная толщина задается литьевыми и прочностными свойствами материала.

Центральная область выполнена выгнутой вверх сферической или сферической формы, переходящей в конусообразную.

Область нагрева с наибольшей толщиной дна за счет толщины возвышается вверх, так что нижняя поверхность остается вровень с соседними областями, а выступающая часть и большая часть теплоизлучающей поверхности находится в жидкости.

Область между центральной и областью с наибольшей толщиной (область дна имеет выгнутую вниз форму.

Периферическая область вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда имеет близкую к плоской форму, но может быть конусообразной, сферической, цилиндрической или их комбинацией в зависимости от конкретной реализации устройства.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В процессе подогревания воды (водосодержащих растворов или смесей), в центрах парообразования зоны интенсивного теплообмена, из-за пониженного давления и повышенной температуры, возникают квитационные пузырьки содержащие разряженный пар. Отрываясь от поверхности и теряя источник тепловой энергии в виде нагревательного элемента, квитанционные пузырьки попадают в более плотные и холодные слои жидкости в которых резко схлопываются, излучая ударную волну, вызывающую резонанс в нагревательном элементе. Этот процесс приводит к шуму при закипании. При этом чем меньше площадь интенсивного теплообмена, тем выше в ней температура, плотнее и быстрее формируются пузырьки и громче шум. Впоследствии, после формирования интенсивного конвекционного потока, разогревающего жидкость более равномерно, скорость отделения пузырьков становится меньше, их размер увеличивается, а разница давлений внутри пузырька и в верхних слоях жидкости перестает быть критической. Отделившиеся пузырьки достигаю поверхности без охлопывания. Шум уменьшается. Начинается процесс кипения.

Таким образом достижение заявленного технического результата сводится к выбору параметров корпуса и формы дна нагревательной емкости, в которое вмонтирован нагревательный элемент, увеличивающих площадь зоны интенсивного теплообмена и ускоряющих формирование конвекционного потока, выравнивающего температуру жидкости.

Заявляемый технический результат достигнут в устройстве нагревательного элемента, являющегося дном емкости для нагревания преимущественно жидкостей. Нагревательный элемент включает металлическое дно переменной толщины с прикрепленным к нему снизу или вмонтированным в тело дна линейным нагревателем, преимущественно, электрическим.

Особенность заявленного нагревательного элемента состоит в том, что в месте прохождения нагревателя и в ближайшей окрестности дно выполнено увеличенной толщины по сравнению с остальной поверхностью дна.

При этом линейный нагревательный элемент может быть выполнен любой формы - кольцевой круглый, кольцевой овальный, кольцевой прямоугольный или квадратный, или треугольный, змеевидный, или другой формы. Замкнутый или незамкнутый. Важно только, чтобы в месте прохождения нагревателя (в том числе крепления нагревателя) и в ближайшей окрестности дно было бы выполнено увеличенной толщины по сравнению с остальной поверхностью дна.

Для дополнительного увеличения эффекта форма поверхности дна может повторять предполагаемую траекторию конвективного движения жидкости при нагревании и кипении.

Заявляемый технический результат достигнут в устройстве нагревательного элемента, являющегося дном емкости для нагревания преимущественно жидкостей. Устройство включает металлическое дно переменной толщины с прикрепленным к нему или вмонтированным в тело дна линейным нагревателем, преимущественно, электрическим, в форме замкнутого кольца.

Особенности устройства следующие.

Дно 1 в радиальном направлении включает несколько различных по характеристикам концентрических областей.

Центральная область 1.1 имеет наименьшую толщину дна и округлую форму.

Далее следует область 1.2 переменной толщины дна от минимальной, примыкающей к центральной части до максимальной, примыкающей к области 1.3 нагрева - крепления кольцевого линейного нагревателя.

Область 1.3 в месте крепления кольцевого линейного нагревателя имеет наибольшую толщину, и за счет толщины возвышается вверх, так что бОльшая часть теплопередающей поверхности находится в жидкости. Толщина области 1.3 над нагревателем может превышать до 20 и более раз толщину центральной области.

Форма поверхности дна может повторять предполагаемую траекторию конвективного движения жидкости при нагревании и кипении.

Линейный нагреватель часто выполнен в виде неполного кольца с разрывом. На концах кольца сделаны электрические выводы нагревающей спирали. При нагревании таким кольцевым нагревателем дна, например, чайника часть дна между выводами не прогревается.

Поэтому для улучшения конвекции предлагается область крепления кольцевого нагревателя и в его ближайшей окрестности выполнять переменной толщины. Место, где находится разрыв кольца нагревателя, выполняют меньшей толщины. А противоположный край, где находится середина нагревательного элемента, выполняют бОльшей толщины.

Центральную область (выполняемую с меньшей толщиной дна), вследствие этого, выполняют несколько смещенной в сторону от геометрического центра круглого дна в сторону разрыва кругового нагревателя.

В зависимости от мощности нагревателя, ширины и формы его теплопередающей поверхности, других характеристик, величина требуемого (необходимого) утолщения области 1.3 может изменяться. Вследствие этого смещение центральной области в сторону от геометрического центра круглого дна в сторону разрыва кругового нагревателя также может изменяться.

Вследствие смещения центральной области от центра к краю в некоторых случаях центральная область, имеющая округлую форму, из почти окружности может превратиться в овал или эллипс. При значительном смещении область с большей толщиной дна может стать незамкнутой, т.е. с разрывом. Разрыв приходится на место, где находится разрыв кольца линейного электрического нагревателя.

Переход от малой толщины до большой области над нагревателем может быть выполнен плавным.

Периферическая область 1.4 от кольцевого нагревателя вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда (если таковая имеется) имеет близкую к минимальной толщину дна - примерно или точно такую же, как и центральная область 1.1.

Центральная область 1.1 может иметь выгнутую вверх сферическую или сферическую, переходящую в конусообразную форму для следования направлениям движения конвектирующей жидкости.

Область 1.2 между центральной и областью крепления нагревателя имеет выгнутую вниз форму.

Толщина центральной области в проведенных экспериментах составляла 1.2-2.5 мм.

Толщина области 1.3 вдоль крепления нагревателя может превышать до 20 раз толщину центральной области.

Толщина дна периферической области в проведенных экспериментах составляла 1.2-2.5 мм.

Переходы между областями могут быть выполнены плавными.

На поверхности области над кольцевым нагревателем могут быть дополнительно выполнены радиально направленные ребра. Высота ребер в проведенных экспериментах составляла 1.2-2.5 мм.

Для предотвращения окисления поверхности и формирования накипи, которые также влияют на уменьшение количества центров парообразования, а значит и на достижение технического результата, на поверхность может быть дополнительно нанесено водоотталкивающее, противопригарное или другое подходящее покрытие.

Форма поверхности дна может повторять предполагаемую траекторию конвективного движения жидкости при нагревании и кипении.

Если дополнительно имеется периферическая область дальше (от центра) кольцевого нагревателя вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда, то она может иметь близкую к плоской или конусообразную, или сферическую форму.

Толщина дна указанной периферической области в проведенных экспериментах составляла 1.2-2.5 мм.

Заявляемый технический результат достигнут в устройстве дна емкости для нагревания преимущественно жидкостей. Особенности устройства металлического дна переменной толщины следующие.

Дно в радиальном направлении включает несколько различных по характеристикам концентрических областей.

Центральная область имеет наименьшую толщину дна. Это область нисходящего потока.

Далее следует область переменной толщины дна от минимальной, примыкающей к центральной части до максимальной.

Нагреватель, в том числе линейный кольцевой или другой источник тепла, возможно, электрический, или работающий на другом принципе, подведен, присоединен или вмонтирован в тело области нагрева - с наибольшей толщиной дна.

Предполагается, что эта область является областью нагрева, и что нагрев будет выполняться любым, в том числе кольцевым линейным источником тепла, в том числе составляющим полное или незамкнутое кольцо.

Поэтому область нагрева в зависимости от этого выполнена постоянной или переменной толщины - минимальной с одной стороны и наибольшей с противоположной.

Переход от малой толщины до большой области нагрева может быть выполнен по линейному, экспоненциальному, степенному или любому другому закону на усмотрение разработчика, технолога производства.

В зависимости от того, замкнутым или незамкнутым будет траектория нагревательного элемента, центральная область с наименьшей толщиной дна может быть смещена несколько в сторону от геометрического центра круглого дна в сторону разрыва линии нагрева. При некоторых значениях параметров смещение центральной области может стать значительным, а область нагрева может стать незамкнутой, с разрывом.

Периферическая область от области с максимальной толщиной дна вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда имеет близкую к минимальной толщину дна.

Центральная область может иметь выгнутую вверх сферическую форму.

Область над источником нагрева имеет наибольшую толщину дна, и за счет толщины возвышается вверх, так что большая часть теплоизлучающей поверхности находится в жидкости.

Область между центральной и областью над нагревателем может иметь выгнутую вниз форму.

Периферическая область дальше (от центра) от области с максимальной толщиной дна (от источника нагрева) вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда может иметь сферическую, цилиндрическую, конусообразную или близкую к плоской форму.

Толщина дна центральной области в проведенных экспериментах составляла 1.2-2.5 мм.

Толщина дна области с наибольшей толщиной может до 20 раз превышать толщину центральной области. В экспериментальных исследованиях она составляла до 8 мм.

Толщина дна периферической области в проведенных экспериментах составляла 1.2-2.5 мм.

Переходы между областями могут быть выполнены плавными.

На поверхности области над кольцевым нагревателем могут быть выполнены радиально направленные ребра. В проведенных исследованиях их высота составляла 1.2-2.5 мм.

Для предотвращения окисления поверхности и формирования накипи, на поверхность может быть нанесено водоотталкивающее, антипригарное и/или другое покрытие.

Форма поверхности может повторять предполагаемую траекторию конвективного движения жидкости при нагревании и кипении.

Если дополнительно имеется периферическая область дальше (от центра) области с наибольшей толщиной вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда, то она может иметь близкую к плоской форму.

Толщина дна такой периферической области может быть минимальной, а в проведенных исследованиях она составляла 1.2-2.5 мм.

Устройство работает следующим образом.

В процессе подогревания воды (водосодержащих растворов или смесей), в центрах парообразования зоны интенсивного теплообмена, из-за пониженного давления и повышенной температуры, возникают квитанционные пузырьки, содержащие разряженный пар. Отрываясь от поверхности и теряя источник тепловой энергии в виде нагревательного элемента, квитанционные пузырьки попадают в более плотные и холодные слои жидкости, в которых резко схлопываются. Этот процесс приводит к шуму при закипании. При этом чем меньше площадь интенсивного теплообмена, тем выше в ней температура, плотнее и быстрее формируются пузырьки и громче шум. Впоследствии, после формирования интенсивного конвекционного потока, разогревающего жидкость более равномерно, скорость отделения пузырьков становится меньше, их размер увеличивается, а разница давлений внутри пузырька и в верхних слоях жидкости перестает быть критической. Отделившиеся пузырьки достигаю поверхности без охлопывания. Шум уменьшается. Начинается процесс кипения. Таким образом достижение заявленного технического результата сводится к выбору параметров корпуса и формы дна нагревательной емкости, в которое вмонтирован нагревательный элемент, увеличивающего площадь зоны интенсивного теплообмена и ускоряющего формирование конвекционного потока, выравнивающего температуру жидкости.

Таким образом достижение заявленного технического результата сводится к выбору параметров корпуса и формы дна нагревательной емкости, в которое вмонтирован нагревательный элемент, увеличивающих площадь зоны интенсивного теплообмена и ускоряющих формирование конвекционного потока, выравнивающего температуру жидкости, и организации необходимого свойства поверхности, например, нанесения водоотталкивающего, антипригарного или другого покрытия, которые в данном случае работают как защитный слой, предотвращающий окисление поверхности и формирования загрязнений которые закрывают и таким образом снижают число источников парообразования.

Заявляемый нагревательный элемент, являющийся дном 1 емкости для нагревания преимущественно жидкостей, работает следующим образом.

Устройство включает металлическое дно 1 переменной толщины с присоединенным, прикрепленным к нему или вмонтированным в него кольцевым линейным нагревателем, преимущественно, электрическим.

Для усиления конвекции дно спрофилировано указанным образом и содержит области нагрева, формирующие восходящий поток, и области исключающие нагрев, в которых формируется нисходящий поток.

При включении нагрева 2 в области 1.3 с наибольшей толщиной дна повышается температура и создается местный нагрев жидкости. Над этой областью жидкость начинает двигаться вверх.

Центральная область 1.1 имеет наименьшую толщину дна и отдалена от нагревателя, за счет чего над этой зоной жидкость движется вниз.

Траектория движения жидкости показана на фиг. 4.

Для повышения эффективности процесса конвекции область 1.3 с наибольшей толщиной дна возвышается вверх, так что большая часть теплоизлучающей поверхности находится в жидкости.

Область 1.3 над разрывом линии прохождения нагревателя выполнена наименьшей толщины. Далее вдоль линии нагрева области 1.3 толщина постепенно возрастает. Часть области 1.3 противоположная области над разрывом линейного нагревателя выполнена с наибольшей толщиной. Далее по области 1.2 толщина постепенно убывает вплоть до минимальной над местом разрыва линейного нагревателя.

При креплении нагревателя снизу, тепло от электронагревателя 2 передается на утолщенную часть дна 1.3 через нижнюю поверхность. Если нагреватель вмонтирован в тело утолщенной области 1.3, то тепло передается непосредственно.

Если имеется периферическая область 1.4 от утолщенной части дна 1.3 вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда, вследствие малой толщины дна там также создается нисходящий поток, также увеличивающий конвекцию.

Для лучшей теплопередачи центральная область 1.1 может быть выполнена выгнутой вверх сферической или сферической, переходящей в конусообразную формы.

Переходы между областями могут быть выполнены плавными. На улучшения теплопередачи на поверхности нагретой области над кольцевым нагревателем могут быть выполнены радиально направленные ребра 3.

Для предотвращения окисления поверхности и формирования накипи, на нагревательный элемент 1 может быть дополнительно нанесено покрытие составом, имеющим антипригарные, антифрикционные и гидрофобные свойства. Такое покрытие эффективно препятствует окислению корпуса нагревательного элемента и дает существенное увеличение и равномерное распределение центров парообразования.

Форма поверхности дна может повторять предполагаемую траекторию конвективного движения жидкости при нагревании и кипении.

Заявляемый технический результат может быть также достигнут в устройстве дна емкости для нагревания преимущественно жидкостей. Особенности устройства с использованием металлического дна переменной толщины, кроме того, состоит в том, что нагрев должен осуществляться только в области с наибольшей толщиной дна.

Пример сравнительного испытания классического и заявляемого нагревательных элементов, вмонтированных в дно емкости.

Вводные параметры.

Диаметр дна - 138 мм (см. фиг. 11).

Мощность ТЭН - 1800-2200 Вт.

Температура воды: 60 градусов

Температура воздуха: 30 градусов.

Мощность ТЭН: 2000 Вт

Нижняя часть нагревательного элемента соприкасается с воздухом.

Верхняя часть соприкасается с водой.

Коэффициенты конвекции воздуха - 5, воды - 3600 Вт/(м²*С) (что соответствует коэффициенту воды при температуре 60 град. С.

Кавитация возникает ориентировочно при 60 град. С, усиливается при 70 град. С и исчезает при 80 град. С.

Результаты.

Учитывая, что мощность нагревателя одинаковая и разница температур одинаковая, количество передаваемой энергии за единицу времени тоже будет одинаковым. Вода за единицу времени получит одинаковое количество энергии. Только в первом случае она будет передаваться воде через небольшую площадь, равную площади контакта нагревательного элемента с дном, во втором случае энергия распределяется через большую поверхность утолщенной части корпуса. Очевидно, что передача одинакового количества энергии через меньшую площадь происходит с большим нагревом.

Тепловая кавитация возникает в моменте сильного перепада температур. Соответственно, чем меньше перепад - тем меньше кавитация.

Представляется, что данном случае предпочтительной формой будет волнообразный толстостенный, предпочтительно, алюминиевый нагревательный элемент.

Также напомним, что дополнительной задачей, решаемой заявляемым устройством, является использование существующих ТЭН.

Устройство промышленно применимо, поскольку каждая деталь может быть изготовлена на промышленном оборудовании в условиях крупносерийного и массового производства.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОЯСНЕНИЯ

В процессе подогревания воды (водосодержащих растворов или смесей), в центрах парообразования зоны интенсивного теплообмена, из-за пониженного давления и повышенной температуры, возникают квитанционные пузырьки, содержащие разряженный пар. Отрываясь от поверхности и теряя источник тепловой энергии в виде нагревательного элемента, квитанционные пузырьки попадают в более плотные и холодные слои жидкости в которых резко схлопываются, излучая гидравлическую ударную волну. Этот процесс приводит к шуму при закипании. При этом, чем мощнее нагревательный элемент и меньше площадь интенсивного теплообмена, тем плотнее и быстрее формируются кавитационные пузырьки и громче шум. Впоследствии, после формирования интенсивного конвекционного потока, разогревающего жидкость более равномерно, скорость отделения пузырьков становится меньше, их размер увеличивается, а разница давлений внутри пузырька и в верхних слоях жидкости перестает быть критической. Отделившиеся пузырьки достигаю поверхности без охлопывания. Шум уменьшается. Начинается процесс кипения.

Таким образом достижение заявленного технического результата сводится к выбору параметров корпуса и формы дна нагревательной емкости, в которое вмонтирован нагревательный элемент, увеличивающих площадь и снижающего температуру зоны интенсивного теплообмена и ускоряющего формирование конвекционного потока, более интенсивно выравнивающего температуру жидкости.

Устройство включает металлическое дно переменной толщины 1, с прикрепленным к нему кольцевым нагревателем 2, преимущественно, электрическим. Для усиления конвекции дно спрофилировано указанным образом и имеет область нисходящего конвекционного потока 1.1., область предварительного нагрева 1.2. и область восходящего конвекционного потока в виде гребня 1.3. Для увеличения площади теплообмена на поверхности гребня 1.3. над кольцевым нагревателем 2. могут быть выполнены радиально направленные ребра 3. Если имеется периферическая область 1.4 от утолщенной части дна 1.3. вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда, вследствие малой толщины дна там также создается нисходящий поток, также увеличивающий конвекцию.

При включении нагревателя 2 в области 1.3. с наибольшей толщиной дна повышается температура и создается зона теплообмена, частично повышается температура в зоне предварительного нагрева 1.2., увеличивая площадь эффективного теплообмена. Над областью восходящего конвективного потока 1.3. жидкость начинает двигаться вверх. Из-за утолщения корпуса нагревательного элемента, большой теплоемкости и высокой теплопроводности его материала, тепло распределяется более равномерно по областям 1.3 и 1.2, снижая риски возникновения зон интенсивного теплообмена, а соответственно и зон интенсивного образования кавитационных пузырьков.

Область нисходящего конвекционного потока 1.1. имеет наименьшую толщину дна и не подвержена нагреву от нагревателя 2., за счет этого в этой зоне формируется эффективный нисходящий поток жидкости. Жидкость, проходя через вогнутую область предварительного нагрева 1.2. разогревается и направляется вверх к области восходящего конвекционного потока 1.3, где попадая в зону интенсивного теплообмена разогревается и поднимается наверх. Таким образом формируется замкнутый конвекционный поток, приводящий к быстрому перемешиванию и равномерному разогреву жидкости.

Для предотвращения окисления, уменьшения трения и формирования однородной поверхности, нагревательный элемент 1 в верхней части, соприкасающейся с жидкостью, может быть дополнительно покрыт составом, имеющим антипригарные, антифрикционные и гидрофобные свойства. Данное покрытие эффективно препятствует окислению корпуса нагревательного элемента и дает существенное увеличение и равномерное распределение центров парообразования.

Устройство включает металлическое дно переменной толщины 1, с прикрепленным к нему кольцевым нагревателем 2, преимущественно, электрическим. Для усиления конвекции дно спрофилировано указанным образом и имеет область нисходящего конвекционного потока 1.1, область предварительного нагрева 1.2. и область восходящего конвекционного потока в виде гребня 1.3. Для увеличения площади теплообмена на поверхности гребня 1.3. над кольцевым нагревателем 2 могут быть выполнены радиально направленные ребра 3. Если имеется периферическая область 1.4 от утолщенной части дна 1.3 вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда, вследствие малой толщины дна там также создается нисходящий поток, также увеличивающий конвекцию.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в нагревательных элементах для нагрева воды или иных жидкостей в бытовых или промышленных нагревательных приборах. Нагревательный элемент, являющийся дном емкости для нагревания преимущественно жидкостей, включает металлическое дно переменной толщины с прикрепленным к нему снизу или вмонтированным в тело дна линейным нагревателем, преимущественно, электрическим, причем вдоль линии присоединения или прохождения нагревателя и в ближайшей окрестности дно выполнено увеличенной толщины по сравнению с остальной поверхностью дна. Линейный нагреватель может быть выполнен в виде замкнутого или разомкнутого кольца. Изобретение так же относится к устройству дна емкости переменной толщины. Технический результат - повышение эффективности нагревательного элемента закрытого типа с увеличенной интенсивностью конвекции и пониженным уровнем шума. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Нагревательный элемент, являющийся дном емкости для нагревания преимущественно жидкостей, включает металлическое дно переменной толщины с прикрепленным к нему снизу или вмонтированным в тело дна линейным нагревателем, преимущественно, электрическим,

отличающийся тем, что

- вдоль линии присоединения или прохождения нагревателя и в ближайшей окрестности дно выполнено увеличенной толщины по сравнению с остальной поверхностью дна.

2. Нагревательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что форма верхней поверхности дна повторяет траекторию конвективного движения жидкости при нагревании и кипении.

3. Нагревательный элемент по п. 1, отличающийся тем, что переходы между областями выполнены плавными.

4. Нагревательный элемент, являющийся дном емкости для нагревания преимущественно жидкостей, включает металлическое дно переменной толщины с прикрепленным к нему снизу или вмонтированным в тело дна линейным нагревателем, преимущественно, электрическим, представляющим собой замкнутое кольцо,

отличающийся тем, что

- в месте присоединения или прохождения нагревателя и в ближайшей окрестности дно выполнено увеличенной толщины по сравнению с остальной поверхностью дна;

- вдоль линии прохождения линейного нагревателя дно выполнено повышенной толщины;

- дно в радиальном направлении включает несколько различных по характеристикам областей, причем:

- центральная область имеет наименьшую толщину, по форме близка к круглой,

- область над линейным кольцевым нагревателем имеет наибольшую толщину, и возвышается вверх, так что большая часть теплоизлучающей поверхности находится в жидкости,

- область между центральной и областью над нагревателем имеет переменную толщину плавно переходящую, от толщины центральной части до толщины области над нагревателем.

5. Нагревательный элемент по п. 4, отличающийся тем, что дополнительно имеется периферическая область дальше от центра кольцевого нагревателя вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда, имеющая близкую к плоской форму и близкую к минимальной толщину.

6. Нагревательный элемент по п. 5, отличающийся тем, что толщина дна периферической области составляет 1.2-2.5 мм.

7. Нагревательный элемент по п. 4, отличающийся тем, что толщина дна центральной области составляет 1.2-2.5 мм.

8. Нагревательный элемент по п. 4, отличающийся тем, что толщина дна области над нагревателем приблизительно в 8 -20 раз превышает толщину центральной области.

9. Нагревательный элемент по п. 4, отличающийся тем, что переходы между областями выполнены плавными.

10. Нагревательный элемент по п. 4, отличающийся тем, что на поверхности области над кольцевым нагревателем выполнены радиально направленные ребра.

11. Нагревательный элемент, являющийся дном емкости для нагревания преимущественно жидкостей, включает металлическое дно переменной толщины с прикрепленным к нему снизу или вмонтированным в тело дна кольцевым линейным нагревателем, преимущественно, электрическим, представляющим собой разомкнутое кольцо,

отличающийся тем, что

- в месте присоединения или прохождения нагревателя и в ближайшей окрестности дно выполнено увеличенной толщины по сравнению с остальной поверхностью дна;

- дно в радиальном направлении включает несколько различных по характеристикам областей, причем:

- центральная область имеет наименьшую толщину, по форме близка к круглой и смещена от геометрического центра в сторону разомкнутой части кольцевого электронагревателя,

- область над кольцевым нагревателем имеет наибольшую толщину и возвышается вверх, так что большая часть излучающей поверхности находится в жидкости,

- область над кольцевым нагревателем имеет переменную толщину,

- область между центральной и областью над нагревателем имеет переменную толщину.

12. Нагревательный элемент по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на поверхность нанесено водоотталкивающее покрытие.

13. Нагревательный элемент по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на поверхность нанесено противопригарное покрытие.

14. Нагревательный элемент по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что форма поверхности повторяет траекторию конвективного движения жидкости при нагревании и кипении.

15. Нагревательный элемент по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что центральная область имеет выгнутую вверх сферическую форму, область между центральной и областью над нагревателем имеет выгнутую вниз форму.

16. Устройство дна емкости для нагревания преимущественно жидкостей, нагреваемое кольцевым линейным нагревателем или другим аналогичным источником тепла, включает металлическое дно переменной толщины,

отличающийся тем, что

- дно в радиальном направлении включает несколько различных по характеристикам областей, причем:

- центральная область имеет наименьшую толщину, по форме близка к круглой,

- область, подвергаемая нагреву, имеет наибольшую толщину, и возвышается вверх, так что большая часть ее теплоизлучающей поверхности находится в жидкости,

- область между центральной и областью над нагревателем имеет переменную толщину от минимальной, примыкающей к центральной части до максимальной, примыкающей к области над кольцевым нагревателем.

17. Устройство дна емкости по п. 16, отличающийся тем, что область, подвергаемая нагреву, представляет собой незамкнутое кольцо.

18. Устройство дна емкости по п. 16, отличающийся тем, что периферическая область от области, подвергаемой нагреву, вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда имеет близкую к минимальной толщину.

19. Устройство дна емкости по любому из пп. 16 - 18, отличающийся тем, что форма поверхности повторяет траекторию конвективного движения жидкости при нагревании и кипении.

20. Устройство дна емкости по п. 16, отличающийся тем, что толщина дна центральной области составляет 1.2 - 2.5 мм.

21. Устройство дна емкости по п. 16, отличающийся тем, что толщина области с наибольшей толщиной дна составляет 10 – 50 мм.

22. Устройство дна емкости по п. 16, отличающийся тем, что дополнительно имеется периферическая область от области с наибольшей толщиной дна вплоть до зоны примыкания к стенке сосуда, имеющая близкую к плоской форму.

23. Устройство дна емкости по п. 22, отличающийся тем, что толщина дна периферической области составляет 1.2-2.5 мм.

24. Устройство дна емкости по п. 16, отличающийся тем, что переходы между областями выполнены плавными.

25. Устройство дна емкости по п. 16, отличающийся тем, что на поверхности области с наибольшей толщиной дна выполнены радиально направленные ребра.

26. Устройство дна емкости по п. 16, отличающийся тем, что на поверхность нанесено водоотталкивающее покрытие.

27. Устройство дна емкости по п. 16, отличающийся тем, что на поверхность нанесено противопригарное покрытие.

28. Устройство дна емкости по п. 16, отличающийся тем, что центральная область имеет выгнутую вверх сферическую форму, область между центральной и областью над нагревателем имеет выгнутую вниз форму.