ТЕПЛООБМЕННИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОДЯНОГО КОТЛА С ГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПЛОСКИМИ ТЕРМИСТОРНЫМИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F24H1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Предполагаемое изобретение относится к электронагревательным устройствам, основанным на нагревательных резисторах, и может быть использовано в качестве генератора тепловой энергии для водяных систем теплоснабжения индивидуальных, промышленных и коммерческих объектов.

Уровень техники

Известен проволочный электрический нагреватель в виде ТЭНа, содержащий проволочный нагревательный резистор, изолирующую засыпку, трубчатый корпус. Нагревательный элемент помещен в сосуд, по которому протекает вода. При контакте воды с трубчатым корпусом нагревательного элемента происходит ее нагрев (см. патент RU №965, МПК F24H 09/20, опубликован 16.10.1995).

Основные недостатки рассматриваемого проточного электрического водонагревателя: большие габариты блока ТЭНов, недостаточно надежная работа ТЭНов, перегорающих при появлении на их стенках накипи, невозможность плавной регулировки мощности, помехи в сети при коммутации большой мощности при включении и выключении ТЭНов. В связи с высокой температурой поверхности нагревательных элементов данного типа, равной 300-350 градусов Цельсия, в зоне контакта с водой возникает поверхностное кипение, вызывающие разложение воды на газы с последующим их удалением из отопительного контура. Для компенсации объема теплоносителя в контуре отопления требуется организация подпитки необходимого объема воды (см. Учебное пособие «Автономные системы теплоснабжения малой мощности. Настенные газовые котлы и тепловые аккумуляторы», Торопов А.Л., Москва, Издательство МИСИ-МГСУ, 2022 г.). При использовании антифризов в качестве теплоносителей в системах теплоснабжения в зоне контакта теплоносителя с поверхностью нагревательного элемента также происходит закипание антифризов с последующим разложением их на кислоты и твердые осадки, разрушающие систему теплоснабжения (см. Торопов А.Л., «Особенности применения антифризов в автономных системах теплоснабжения с настенными газовыми котлами», журнал СОК №1, 2022. С. 48-50).

Нагрев теплоносителя в генераторах тепловой энергии систем отопления не должен превышать их температуру кипения. При кипении на поверхности нагревательного элемента возникает отложение солей жесткости, находящихся в воде, что приводит к значительному снижению эффективности нагрева воды и любого другого теплоносителя.

Изолирующая засыпка между нагревательным резистором и корпусом нагревательного элемента имеет большое тепловое сопротивление. Это приводит к снижению энергетической эффективности и перерасходу энергии в процессе работы систем теплоснабжения.

Надежность работы данных устройств низкая в связи с возможностью замыкания нагревательного резистора и корпуса нагревательного элемента и ограниченным сроком его службы.

Известен позисторный (термисторный) нагреватель карбюратора, содержащий тепловод в виде пластинки, на конце которого с хорошим тепловым и электрическим контактом закреплен позистор (см. патентна изобретение RU 2020254, МПК F02M 31/12 от 27.07.1992).

Позистор - это резистор в виде тела простой формы из полупроводниковой керамики с электродами, имеющий ненормально большой положительный ТКС (температурный коэффициент сопротивления) в очень узкой температурной области (области обратимого фазового превращения в вещества позистора), где сопротивление растет на 3…4 порядка, поэтому при включении течет большой ток, быстро нагревая позистор, но его сопротивление даже несколько уменьшается, но при температуре фазового превращения сопротивление резко возрастает, ток резко падает до значения, которое обеспечивает лишь возмещение рассеиваемого тепла, поэтому позистор не может перегреться, т.е. позистор способен самоподдерживать температуру, как будто его питает автоматическая система поддержания температуры. Поэтому позисторный нагреватель не имеет недостатков ТЭНа или они существенно уменьшены. Недостатком аналога является недостаточно быстрое нагревание. Тепло рассеивается с наружной грани позистора и с поверхности тепловода. Происходит перерасход электроэнергии из-за потерь тепла, рассеиваемого вне конструкции.

В качестве прототипа выбран Позисторный нагреватель частей трубопроводной системы и емкостей для жидкостей и газов (см. патент на изобретение RU 2154232, МПК F17D 1/18, F02M 31/12 от 01.04.1999). Позисторный нагреватель частей трубопроводной системы и емкостей для жидкостей и газов, содержащий, по меньшей мере, один позистор и средство для его соединения с цепью питания, включающее надпозисторную контактную пластинку, снабжен корпусом с крышкой, выполненным с возможностью нагрева его теплоотдающей поверхности позистором и установки его на часть системы, подлежащую нагреванию, позистор и средства для его соединения с цепью питания размещены в корпусе, средство снабжено электрическим, предпочтительно также тепловым, изолятором надпозисторной контактной пластинки и прижимной пружиной, расположенной предпочтительно между крышкой корпуса и изолятором, дополнительно снабжен подпозисторным средством для соединения с цепью питания, в которое введена подпозисторная контактная пластинка с выводом. Недостатком прототипа является то, что при значительной тепловой мощности, требуемой для систем теплоснабжения зданий и коммерческих объектив, необходимо последовательное соединение нагревательных элементов на трубопроводах, которое, при относительно небольшой мощности отдельного позистора, приобретает очень большие размеры, влияющие на конечную стоимость теплового генератора. Также велико рассеивание тепловой энергии вне тела трубопроводов, что влияет на показатели энергетической эффективности генерации тепла.

Раскрытие сущности изобретения

Преимущества позисторного (термисторного) нагревателя в системах теплоснабжения зданий по сравнению с тепловыми нагревательными элементами традиционного типа заключается:

- в пожарной безопасности, поскольку исключен перегрев элементов системы выше температуры нагрева термистора, составляющего для систем теплоснабжения не более 100 градусов Цельсия;

- в возможности конструктивного исключения процесса образования накипи и разложения незамерзающих теплоносителей, связанных с возникновением процесса кипения теплоносителя;

- в отсутствии необходимости электронных устройств термостатирования;

- в высокой энергетической эффективности.

Преимущество конструкции теплообменника с термисторной генерацией тепловой энергии заключается в более высокой плотности теплового потока на единицу длины трубопровода по сравнению с трубами круглого сечения за счет применения плоских термисторных элементов и многогранного сечения труб теплообменника, возможности объединения многогранных труб в компактную сотовую конструкцию с расположением плоских термисторных нагревательных элементов по образующим граням элементов сотовой конструкции.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка теплообменника для водяных систем теплоснабжения с использованием электрической энергии и преобразования ее в тепловую энергию, позволяющего осуществить процесс нагрева теплоносителя с принципиальным отсутствием возможности нагрева выше температуры кипения теплоносителя, с высокой плотностью поверхности нагрева по отношению к сечению каналов движения теплоносителя в теплообменнике при плоском исполнении нагревательных элементов.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 представлена схема базового трубчатого нагревательного элемента теплообменника. Конструкция базового трубчатого элемента состоит из треугольной трубы 1, выполненной из материала с высокой теплопроводностью с сечением в виде треугольника. На всех сторонах, образующих грани треугольной трубы 1, расположены и прижаты к поверхности трубы плоские термисторные нагревательные элементы 2. На фигуре 2 представлена схема соединения базовых трубчатых нагревательных элементов в произвольный блок. Соединение происходит по плоскостям базовых элементов.

На фигуре 3 представлена схема теплообменника для водяных систем теплоснабжения с преобразованием электрической энергии в тепловую термисторными плоскими нагревательными элементами 2. Теплоноситель поступает в теплообменник через патрубок входа 3 во внутреннюю камеру 4 входного коллектора 5. Движение теплоносителя из внутренней камеры 4 происходит через треугольные трубки 1, поверхность которых нагрета термисторными нагревательными элементами 2, теплоноситель поступает во внутреннюю камеру 6 выходного коллектора 7. Подключение к системе теплоснабжения происходит через выходной патрубок 8.

Осуществление изобретения.

Конструкция теплообменника состоит из базового (первичного) нагревательного термисторного элемента и коллекторов соединения базовых элементов. Теплоноситель системы теплоснабжения находится под избыточным давлением. Движения теплоносителя по контурам циркуляции системы теплоснабжения обеспечивается циркуляционными насосами.

Базовый (первичный) элемент состоит из трубы с сечением треугольной формы, на всех поверхностях которой размещен плоский термисторный нагревательный элемент. Базовый элемента представлен на фигуре 1. Треугольная форма трубы позволяет достичь максимального значения соотношения длина образующей поверхности трубы к площади ее сечения. Конструкция треугольного сечения позволяет соединить между собой другие базовые нагревательные элементы по всем образующим граням, создав конструкцию сотового типа с максимальной плотностью генерации тепловой энергии при использовании термисторов пластинчатого типа. Объединение фрагмента базовых нагревательных элементов в сотовую конструкцию представлено на фигуре 2. По краям конструкции из базовых термисторных нагревательных элементов расположены коллекторы, определяющие путь движения и нагрева теплоносителя, протекающего внутри труб базовых нагревательных элементов от входного патрубка коллектора теплообменника до выходного патрубка коллектора.

Конструкция теплообменника снабжена внешним теплоизоляционным корпусом (на фигурах не показан), снижающим рассеивание тепловой энергии при работе базовых термисторных нагревательных элементов, находящихся на внешней поверхности сотовой конструкции, образующей форму теплообменника.

Термисторные нагревательные элементы нагревают теплоноситель до температуры не выше 85 градусов Цельсия, при использовании в качестве теплоносителя воды. Данная температура исключает возможность закипания воды и образования накипи на внутренней поверхности трубок базовых элементов. Невозможность нагрева поверхности нагревательных термисторных элементов выше указанной температуры определяется физическими свойствами термисторов.

Способ изготовления теплообменника водяного котла с генерацией тепловой энергии плоскими термисторными нагревательными элементами состоит из последовательного выполнения операций:

- формирование базовых нагревательных элементов, состоящих их линейного отрезка трубы из теплопроводного материала с сечением треугольной формы и линейных плоских термисторных элементов, прикрепленных к граням треугольной трубы;

- формирования произвольной формы блока из базовых нагревательных элементов, причем соединение отдельных элементов в блок происходит по граням треугольных труб базовых нагревательных элементов, между гранями соседних треугольных элементов расположен один термисторный нагревательный элемент;

- торцы треугольных труб базовых элементов входят в грани входных и выходных коллекторов теплообменника, места контакта герметизируются.

Технический результат изобретения достигается использованием труб треугольной формы базовых нагревательных элементов с расположением на гранях плоских термисторных нагревательных элементов с ограничением максимальной температуры нагрева термисторных элементов, определенной их теплофизическими свойствами и не допускающих нагрев температуры поверхности треугольных труб выше температуры кипения теплоносителя. Использование элементов треугольной формы позволяет объединить элементы в произвольную сотовую конструкцию, имеющую максимальные значения плотности нагрева для плоских нагревательных элементов.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- в пожарной безопасности, поскольку исключен перегрев элементов системы выше температуры нагрева термистора, составляющего для систем теплоснабжения не более 100 градусов Цельсия;

- в возможности конструктивного исключения процесса образования накипи и разложения незамерзающих теплоносителей, связанных с возникновением процесса кипения теплоносителя;

- в отсутствии необходимости электронных устройств термостатирования;

- в высокой энергетической эффективности;

- более высокой плотности теплового потока на единицу длины трубопровода по сравнению с трубами круглого сечения;

- возможности объединения многогранных труб в компактную сотовую конструкцию;

- принципиальным отсутствием возможности нагрева выше температуры кипения теплоносителя.

Поскольку заявленное изобретение отличается от наиболее близкого аналога рядом существенных признаков, оно соответствует условию патентоспособности «новизна». В основу заявленного изобретения положены известные законы материального мира, что позволяет утверждать о соответствии изобретения условию «промышленная применимость».

Поскольку из уровня техники не известен теплообменник электрического водяного котла с генерацией тепловой энергии плоскими термисторными нагревательными элементами и не известен способ его изготовления, то можно сделать вывод о соответствии заявленного устройства и способа условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение относится к электронагревательным устройствам, основанным на нагревательных резисторах, и может быть использовано в качестве генератора тепловой энергии для водяных систем теплоснабжения индивидуальных, промышленных и коммерческих объектов. Теплообменник электрического водяного котла состоит из патрубков входа и выхода теплоносителя, входного и выходного коллекторов, промежуточных элементов трубчатой формы из теплопроводного материала с присоединенными к поверхности плоскими нагревательными элементами термисторного типа. Промежуточные трубчатые элементы выполнены с сечением в виде треугольника, к каждой из трех сторон которого по всей ее длине прикреплен плоский термисторный нагревательный элемент, обеспечивающий нагрев стенок трубчатого элемента и косвенный нагрев движущегося по трубе теплоносителя до заданной температуры не выше 85 градусов Цельсия. С помощью каналов входного и выходного коллекторов производится распределение потоков теплоносителя по трубчатым элементам треугольной формы. Соединенные трубчатые элементы треугольной формы контактируют между собой по всей боковой площади через нагревательные термисторные элементы, образуя пространственную конструкцию типа «соты». 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник электрического водяного котла с генерацией тепловой энергии плоскими термисторными нагревательными элементами, состоящий из патрубков входа и выхода теплоносителя, входного и выходного коллекторов, промежуточных элементов трубчатой формы из теплопроводного материала с присоединенными к поверхности плоскими нагревательными элементами термисторного типа, при этом промежуточные трубчатые элементы выполнены с сечением в виде треугольника, к каждой из трех сторон которого по всей ее длине прикреплен плоский термисторный нагревательный элемент, обеспечивающий нагрев стенок трубчатого элемента и косвенный нагрев движущегося по трубе теплоносителя до заданной температуры не выше 85 градусов Цельсия, с помощью каналов входного и выходного коллекторов производится распределение потоков теплоносителя по трубчатым элементам треугольной формы, причем соединенные трубчатые элементы треугольной формы контактируют между собой по всей боковой площади через нагревательные термисторные элементы, образуя пространственную конструкцию типа «соты».

2. Способ изготовления теплообменника электрического водяного котла с генерацией тепловой энергии плоскими термисторными нагревательными элементами, включающий следующие этапы: формируются базовые нагревательные элементы, состоящие из линейного отрезка трубы из теплопроводного материала с сечением треугольной формы и линейных плоских термисторных элементов, прикрепленных к граням треугольной трубы; формируются блоки произвольной формы из базовых нагревательных элементов, причем соединение отдельных элементов в блок происходит по граням треугольных труб базовых нагревательных элементов таким образом, что между гранями соседних треугольных элементов расположен один термисторный нагревательный элемент; торцы треугольных труб базовых элементов вставляются в грани входных и выходных коллекторов теплообменника, места контакта герметизируются.