ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОДЯНОГО КОТЛА С ПЛОСКИМИ ТЕРМИСТОРНЫМИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Российский патент 2024 года по МПК F28D9/00 F28F3/00 F28F3/08 H05B3/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электронагревательным устройствам, основанным на использовании термисторных нагревательных элементов 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 на полезную модель «Проточный электрический водонагреватель» RU №965 U1, МПК F24H 09/20, от 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 необходима организации подпитки необходимого объема воды. (см. Торопов А.Л., Учебное пособие «Автономные системы теплоснабжения малой мощности. Настенные газовые котлы и тепловые аккумуляторы», издательство МИСИ-МГСУ, 26.09.2022). 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. статью Торопов А.Л., «Особенности применения антифризов в автономных системах теплоснабжения с настенными газовыми котлами», СОК. 2022. №1. 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 1 в виде пластинки, на конце которого с хорошим тепловым и электрическим контактом закреплен позистор (см. патент «Позисторный нагреватель карбюратора двигателя внутреннего сгорания», RU №2020254, МПК F02M 31/12, от 30.09.1994 г.) Позистор - это резистор в виде тела простой формы из полупроводниковой керамики с электродами, имеющий ненормально большой положительный ТКС - термический 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, однако 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 жидкости и газов (см. патент, RU №22154232, С1, МПК F17D 1/18, опубликован 10.08.2000 г. ).

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;

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

- отсутствует необходимость электронных устройств термостатирования; -высокая энергетическая эффективность.

Преимущество конструкции теплообменника с термисторной генерацией тепловой энергии заключается в более высокой плотности теплового потока на единицу объема теплообменника по сравнению с трубами круглого сечения за счет применения плоских термисторных электрических нагревательных элементов и многослойного канального пластинчатого теплообменника, возможности объединения пластинчатых канальных элементов в компактную конструкцию с расположением плоских термисторных электрических нагревательных элементов между пластинчатыми канальными элементами.

Технической задачей предполагаемого изобретения является разработка компактного 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.

Краткое описание чертежей.

На фигуре 1 представлен плоский сердечник пластинчатого канального элемента (вид сверху).

На фигуре 2 представлен пластинчатый канальный элемент (вид сбоку - разрез).

На фигуре 3 представлен пластинчатый теплообменник с плоскими термисторными электрическими нагревательными элементами (вид сбоку - разрез).

Конструкция пластинчатого канального элемента 1 состоит из плоского сердечника 2 (см. фиг 1) толщиной от 0,5 мм до 10,0 мм, выполненного из твердого материала, в котором вырезан произвольной формы канал для движения теплоносителя (на фигурах 1 и 2 не показан), имеющий зону входа 4 пластинчатого канального элемента и зону выхода 5 пластинчатого канального элемента.

Плоский сердечник 2 пластинчатого канального элемента накрыт с двух сторон пластинами 3 из твердого теплопроводного материала, образуя герметичный пластинчатый канальный элемент. Пластинчатый канальный элемент имеет отверстия 6, не контактирующие с каналами движения теплоносителя, и предназначенные для последующей сборки конструкции теплообменника.

Пластинчатый теплообменник с плоскими термисторными электрическими нагревательными элементами (см. фиг. 3) состоит из патрубка входа 8 теплоносителя, патрубка выхода 9 теплоносителя, нижней опорной пластины 10, верхней опорной пластины 11, пластинчатых канальных элементов 1 движения теплоносителя, резьбовых стяжек 12, плоских термисторных электрических нагревательных элементов 7, уплотнительных вставок 13, расположенных в зонах входа 4 пластинчатых канальных элементов и зонах выхода 5 пластинчатых канальных элементов. Уплотнительные вставки 13 служат для герметизации и выдерживания требуемых расстояний между нижней опорной пластиной 10, плоскими термисторными электрическими нагревательными элементами 7, пластинчатыми канальными элементами 1 движения теплоносителя и верхней опорной пластиной 11.

Осуществление изобретения.

Конструкция пластинчатого теплообменника с плоскими термисторными электрическими нагревательными элементами состоит из параллельно соединенных пластинчатых канальных элементов движения теплоносителя, между которыми размещены плоские термисторные электрические нагревательные элементы, расположенные с высокой плотностью на поверхности пластинчатых канальных элементов. Образованный пакет пластинчатых канальных элементов движения теплоносителя и плоских термисторных электрических нагревательных элементов зажат между нижней и верхней опорными пластинами с помощью резьбовых стяжек с мелким шагом резьбы для дозированной регулировки усилий стягивания. Вход теплоносителя в теплообменник происходит через патрубок входа, а выход теплоносителя из теплообменника происходит из патрубка выхода. Герметизация между элементами обеспечивается уплотнительными вставками.

Принцип работы теплообменника заключается в следующем. Холодный теплоноситель поступает под избыточным давлением в теплообменник через патрубок входа 8 теплоносителя. Пластинчатые канальные элементы 1, соединенные через уплотнительные вставки 13, образуют общий входной канал (на фигуре 3 не показан). С другой стороны теплообменника пластинчатые канальные элементы образуют общий выходной канал (на фигуре 3 не показан). Из общего входного канала до общего выходного канала теплоноситель проходит через ряд пластинчатых канальных элементов 1. Между пластинчатыми канальными элементами 1 расположены с высокой плотностью плоские термисторные электрические нагревательные элементы 7, которые прижаты к поверхности пластинчатых канальных элементов 1 резьбовыми стяжками 12 через верхнюю опорную пластину 11 и нижнюю опорную пластину 10. Высокая плотность размещения плоских термисторных электрических нагревательных элементов 7 по всей поверхности пластинчатого канального элемента обеспечивает большую поверхность нагрева. Нагретый теплоноситель поступает в систему через патрубок выхода 9 теплоносителя.

Плоские термисторные электрические нагревательные элементы нагревают теплоноситель до температуры не выше 85 градусов Цельсия при использовании в качестве теплоносителя воду. Данная температура исключает возможность закипания воды и образования накипи на внутренней поверхности пластинчатых канальных элементов. Невозможность нагрева поверхности плоских термисторных электрических нагревательных элементов выше указанной температуры определяется физическими свойствами термисторов и позволяет исключить использование устройств термостатирования.

Технический результат изобретения достигается созданием компактного пластинчатого теплообменника с плоскими термисторными электрическими нагревательными элементами, расположенных с высокой плотностью по всей поверхности пластинчатого канального элемента, имеющих ограничение максимальной температуры нагрева, определенной теплофизическими свойствами термистора и не допускающих нагрев поверхности пластинчатых канальных элементов электрического теплообменника выше температуры кипения теплоносителя.

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

- пожарная безопасность, поскольку исключен перегрев элементов системы выше температуры нагрева термистора, составляющего для систем теплоснабжения не более 85 градусов Цельсия;

- значительного снижено образование накипи и разложения незамерзающих теплоносителей, связанных с возникновением процесса кипения теплоносителя;

-отсутствие устройств термостатирования;

- компактность конструкции;

- надежность и длительный срок службы.

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 известна конструкция пластинчатого теплообменника с плоскими термисторными электрическими нагревательными элементами, можно сделать вывод о соответствии заявленного устройства условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в электронагревательных устройствах для водяных систем теплоснабжения. Изобретение заключается в создании компактного пластинчатого теплообменника с плоскими термисторными электрическими нагревательными элементами, расположенными с высокой плотностью по всей поверхности пластинчатого канального элемента, имеющими ограничение максимальной температуры нагрева, определенной теплофизическими свойствами термистора, и не допускающими нагрев поверхности пластинчатых канальных элементов электрического теплообменника выше температуры кипения теплоносителя. Технический результат - пожарная безопасность, снижение образования накипи, компактность конструкции, надежность и длительный срок службы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник водяного котла с генерацией тепловой энергии плоскими термисторными электрическими нагревательными элементами, состоящий из патрубков входа и выхода теплоносителя, входного и выходного каналов, образованных параллельным соединением уплотнений и пластинчатых канальных элементов толщиной 0,5-10 миллиметров с произвольной формой каналов, по которым происходит движение теплоносителя из входного канала в выходной канал, с расположением между пластинчатыми канальными элементами плоских термисторных электрических нагревательных элементов, прижатие которых к пластинчатым канальным элементам и обеспечение герметичности теплообменника происходит через верхнюю и нижнюю опорные пластины с помощью резьбовых стяжек.

2. Теплообменник водяного котла по п. 1, отличающийся тем, что заданное усилие прижатия плоских термисторных электрических нагревательных элементов к пластинчатым канальным элементам происходит регулировкой усилия резьбовыми стяжками с мелким шагом резьбы.