ТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2024 года по МПК F24H1/20 

Область техники

Изобретение относится к области электронагревательных приборов с погруженными нагревательными элементами.

Уровень техники

Известен проточный электрический водонагреватель, содержащий корпус, имеющий в нижней части вход и выход нагреваемой жидкости, по меньшей мере, один электронагревательный элемент (ТЭН), расположенный внутри корпуса (см. RU 965 U1).

Недостатками известного решения являются низкая надежность ТЭНов, перегорающих при появлении на их стенках накипи, опасность замыкания нагревательного резистора и корпуса нагревательного элемента, невозможность плавной регулировки мощности, помехи в сети при коммутации большой мощности при включении и выключении ТЭНов.

Известен электрический котел для нагрева жидких сред, содержащий трансформатор, первичные и вторичные обмотки, коллекторы и трубопроводы для подвода и отвода жидкой среды и перемычку, вторичная обмотка выполнена из электропроводных стержней и U-образного коллектора, на котором выполнены проточки, а перемычка между трубопроводами выполнена полой (см. RU 94039437 А1).

Известен электрический котел, сопряженный с емкостью, заполненной жидкостью, содержащий встроенный трансформатор с первичной обмоткой, подключаемой к сети, и вторичной обмоткой, являющейся нагревательным узлом, нагревательный узел представляет собой одновитковый отрезок трубы из электропроводящего немагнитного материала, причем в стенке отрезка трубы имеется герметичная концентрическая полость для нагреваемой жидкости, нагревательный узел имеет входной и выходной патрубки, соединяющие полость отрезка трубы с указанной емкостью, а отрезок трубы с первичной обмоткой образует бифилярную структуру из эквивалентных по ампер-виткам объемов первичной и вторичной обмоток (см. RU 185 U1).

Известные решения характеризуются избыточной сложностью изготовления, обусловленной выполнением вторичных обмоток полыми, при этом величина КПД известного устройства получается даже ниже резистивного нагревателя с ТЭНом.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом - является электродный водонагреватель, содержащий корпус с напорным и сливным патрубками, токовводы, соединенные с установленными в корпусе перфорированными электродами, и соединенные проводником заземляющий и открытый контакты, электроды установлены на равном расстоянии с образованием сквозных каналов и расположены по электрическим фазам поочередно, (см. RU №95114849 А).

Недостатком известного решения является ограниченный выбор теплоносителя из-за наличия требований к величине его электропроводности.

Другим недостатком известного решения является повышенный износ электродов.

Еще одним недостатком известного решения является необходимость обеспечения специальных мер безопасности, исключающих поражение пользователя электрическим током.

Раскрытие сущности

Техническим результатом является расширение ассортимента устройств нагрева теплоносителя.

Указанный технический результат достигается тем, что в теплогенераторе, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, для ввода и вывода теплоносителя, внутри корпуса размещен тороидальный магнитопровод, имеющий первичную обмотку и N₂ - вторичных одновитковых, биметаллических, короткозамкнутых обмоток, каждая из которых содержит вставку из нихрома, вторичные обмотки образуют ребра теплообмена, взаимодействующие с теплоносителем, при этом масса m₁ первичной обмотки, суммарная масса m₂ вторичных одновитковых обмоток и масса теплоносителя, взаимодействующего с ребрами теплообмена, равны между собой, а количество витков обмоток определяется из следующего условия:

W_n = N₁ × N₂ × i/I × S_м × Y

где: W_п - энергия потребления;

i - ток потребления;

N₁ - кол-во витков первичной обмотки;

N₂ - кол-во вторичных одновитковых обмоток;

I - длина средней магнитной линии магнитопровода (м);

S_м - сечение магнитопровода (м²);

Y - напряженность (потенциал) электромагнитного поля (В/м).

Кроме того, витки вторичных обмоток выполнены одинакового сечения и длины,

- витки вторичных обмоток выполнены медными со вставкой из нихрома, при этом вставка имеет площадь сечения равную площади сечения медной части витка и длину не менее 1/100 от длины витка,

- в качестве теплоносителя использована вода,

- корпус снабжен ограничителем объема теплоносителя, взаимодействующего с ребрами теплообмена, выполненного в форме цилиндра, установленного в центре тороидального магнитопровода.

Теплогенератор поясняется с помощью чертежей, где на Фиг. 1 показан вид сбоку устройства в сечении, на фиг. 2 - вид устройства сверху, без верхней крышки, на Фиг. 3 - схема включения теплогенератора в системе теплоснабжения, на Фиг. 4 - схема взимодействия элементов теплогенератора.

На чертеже сделаны следующие обозначения.

1 - корпус, 2 патрубок вывода теплоносителя, 3 - патрубок ввода теплоносителя, 4 - магнитопровод, 5 - первичная обмотка, 6 - короткозамкнутый виток вторичной обмотки; 7 - вставка из нихрома, 8 - внутреннее пространство тороида, 9 - ограничитель объема теплоносителя, 10 - соединительные провода первичной обмотка, 11 - клеммы для подключения питания, 12 - емкость с теплоносителем, 13 - насос, 14 - источник переменного тока, 15 - теплоноситель, взаимодействующий с ребрами теплообмена, 16 - первый контур, 17 - второй контур, 18 - третий контур, 19 - четвертый контур.

Теплогенератор представляет собой генератор энергии продольной бегущей волны пространства замкнутой среды и содержит корпус или котел для заполнения его теплоносителем, в качестве которого в частном случае осуществления использована вода. В силу отсутствия специальных требований к электропроводности теплоносителя в качестве теплоносителя может быть использована практически любая жидкость, сохраняющая свойства текучести в диапазоне температур работы теплогенератора, например, антифриз на базе пропиленгликоля или на глицериновой основе и др.

Внутри корпуса размещен тороидальный магнитопровод, имеющий изолированную от непосредственного взаимодействия с теплоносителем первичную обмотку и N₂ - вторичных одновитковых, короткозамкнутых обмоток, которые выполнены одинакового сечения и длины и образуют ребра теплообмена.

Вторичные одновитковые обмотки выполнены биметаллическими и представляют собой медный проводник, содержащий вставку из нихрома, имеющую площадь сечения, равную площади сечения медной части витка и длину не менее 1/100 от длины витка. Суммарная масса m₂ вторичных обмоток равна массе m₁ первичной обмотки. Объем V_т теплоносителя, контактирующего с ребрами теплообмена в пределах корпуса, ограничен, и его масса равна суммарной массе m₂ вторичных одновитковых обмоток, а количество витков обмоток определяется из следующего условия:

Wn = N_i × N₂ × i/I × S_м × Y

где:

Wn - энергия потребления для возбуждения теплогенератора;

i - ток потребления;

N₁ - кол-во витков первичной обмотки;

N₂ - кол-во вторичных одновитковых обмоток;

l - длина средней магнитной линии магнитопровода (м);

S_м - сечение магнитопровода (м²);

Y - напряженность (потенциал) электромагнитного поля (В/м).

Ограничитель объема теплоносителя, взаимодействующего с ребрами теплообмена, в частном случае исполнения, выполнен из диэлектрического материала и имеет форму цилиндра, установленного в центре тороидального магнитопровода. Ограничитель объема теплоносителя обеспечивает наличие в корпусе лишь необходимого для эффективного взаимодействия с ребрами теплообмена объема теплоносителя.

В других частных случаях исполнения ограничитель объема теплоносителя имеет форму призмы, шара и пр.

Корпус снабжен входным и выходным патрубками, обеспечивающими циркуляцию теплоносителя в корпусе за счет естественной конвекции.

Входной и выходной патрубки в предпочтительном случае исполнения соединены с емкостью нагреваемого теплоносителя, из которой нагретый теплоноситель принудительно, с помощью насоса отбирается в систему отопления.

В других случаях исполнения емкость нагреваемого теплоносителя отсутствует, а теплоноситель циркулирует в отопительной системе за счет естественной конвекции.

Осуществление изобретения

Теплогенератор работает следующим образом.

Устройство может быть представлено состоящим из четырех взаимодействующих между собой контуров: первый контур, образуемый первичной обмоткой индуктивностью L₁ и источником переменного тока, второй контур, включающий тороидальный магнитопровод габпритной мощности Р_г и пространство в центральной части тороида объемом V_ВН,, третий контур, образуемый биметаллическими вторичными обмотками суммарной массой m₂, взаимодействующими с теплоносителем в пределах корпуса и четвертый контур образуемый взаимодействующими между собой объемом теплоносителя в корпусе с объемом остального теплоносителя.

Первый второй третий и четвертый упомянутые контуры последовательно взаимодействуют между собой.

При подключении источника переменного тока к выводам первичной обмотки, ток, протекающий в первичной обмотке, намотанной на стальном магнитопроводе возбуждает вихревое магнитное поле в теле магнитопровода, которое, в свою очередь, возбуждает вихревое электрическое поле внутри пространства тороида.

Энергия внутри пространства тороида может быть представлена как W_вн=W_э+W_м

где W_э - энергия электрического поля; W_м - энергия магнитного поля.

Мощность, потребляемая первичной обмоткой - обмоткой возбуждения, соответствует габаритной мощности магнитопровода, определяемой с учетом известных допущений следующим выражением: Р_г = 1,9 × S_oк × S_м,

где S_ок - площадь поперечного сечения окна (см²);

S_м - площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода (см²).

Энергии электрического и магнитного полей, создаваемые в результате протекания переменного тока первичной обмотки, равны: W_м=W_э.

Колебания электромагнитного поля являются силой, которая вызывает колебания внутренней среды медной части биметаллического замкнутого вокруг магнитопровода витка, которая приводит к возникновению продольной бегущей механической волны в этом контуре. Результатом работы этой волны является тепловой импульс, возникший на нихромовой части биметаллического замкнутого витка, который излучается во внешнюю среду - теплоноситель.

Генерируемая тепловая энергия не является результатом работы электрического тока или электромагнитного поля, а является результатом работы продольной бегущей механической волны во внутреннем пространстве биметаллического замкнутого витка, который своей медной частью, генерирует тепловой импульс, возникший на нихромовой части и излучает тепловую энергию во внешнюю среду.

При этом возбуждение внутренней энергии в замкнутой системе среды пространства тороида осуществляется протеканием переменного тока в первичной обмотке.

Потребляемая от генератора переменного напряжения энергия используется лишь для возбуждения колебаний электромагнитного поля, вследствие чего начинает вибрировать стальной магнитопровод, который выполняет роль вибратора. При смене полюсов происходит вибрация доменов стали и через внутренний объем тороида, эта вибрация вызывает импульс продольной волны в замкнутых биметаллических витках.

Из молекулярно-кинетической теории газов известно, что в одном литре атмосферы содержится 101,325 Дж. Тогда в объеме замкнутой среды пространства тороида (V_вн) внутренняя энергия может быть рассчитана как:

W_вн = V_вн × 101,325 × Y/t = W_м + W_э,

где V_вн - внутренний объем тороида;

101,325 - кол-во Дж в 1 литре атмосферы;

Y - потенциал электромагнитного поля (В/м);

t - период колебаний (Гц).

Необходимыми условиями для работы теплогенератора являются следующие:

W_n = N₁ × N₂ × i × S_M × Y/l

m₁ = m₂ = m_T;

где W_n - энергия потребления, обеспечивающая возбуждение теплогенератора;

N₁ - кол-во витков соленоидной катушки;

N₂ - кол-во объемных биметаллических контуров;

i - ток потребления.

I - длина магнитной линии магнитопровода (м);

S_м - сечение магнитопровода (м²);

Y - потенциал электромагнитного поля (В/м);

L₁ - индуктивность соленоида;

L₂ - суммарная индуктивность объемных замкнутых биметаллических контуров;

m₁ - масса первичной обмотки;

m₂ - суммарная масса объемных биметаллических витков вторичных обмоток;

m_T - масса теплоносителя, взаимодействующего с ребрами теплообмена.

Внутренняя энергия электромагнитного поля тороида воздействует как внешний фактор на короткозамкнутые биметаллические витки вторичных обмоток, вызывая в них колебательное движение свободных электронов, создавая бегущую продольную электромагнитную волну, скорость распространения которой определяется выражением:

u = λ/t,

где u - скорость (м/сек);

λ - длина волны (м);

t - период колебаний (сек).

Учитывая теорему Умова-Пойтенга: W = В × Н × u, энергия импульса продольной бегущей волны в медном короткозамкнутом витке будет равна

W_{контура} = (p × w² × А²) /2 × u, где

р - плотность меди (м³);

w² - угловая (циклическая) частота (рад);

А - амплитуда (мм);

u - скорость распространения звуковой волны (м/сек).

Ограничитель объема теплоносителя, взаимодействующего с ребрами теплообмена, имеет форму полого цилиндра, установленного в центре тороидального магнитопровода. Ограничитель объема теплоносителя выполнен из деилектрического материала, полым и обеспечивает вытеснение лишнего объема теплоносителя из внутреннего пространства тороида, которое заполняет воздух.

Биметаллический виток вторичной обмотки выполнен короткозамкнцтым представляет собой намотанный на магнитопроводе замкнутый медный проводник с впаянной вставкой из нихрома, той же площадью сечения, что и медный проводник.

При протекании тока через короткозамкнутый виток вторичной обмотки вставка из нихрома обеспечивает возникновение разности потенциалов, благодаря разности физических свойств материалов, в том числе разности удельных сопротивлений нихрома и меди.

Волновое сопротивление внутреннего пространства тороида должно быть равно суммарному активному сопротивлению вторичных витков:

Z = R_a = R_м + R_н,

где Z - волновое сопротивление среды тороида (Ом);

R_a - активное суммарное сопротивление вторичных витков, контура биметаллических вторичных обмоток (Ом);

R_м - сопротивление медной части контура (Ом);

R_н - сопротивление нихромовой части контура (Ом).

Благодаря разности физических свойств меди и нихрома, в том числе их сопротивлений и скоростей распространения волны в медной и нихромовой части контура, на нихромовой вставке, возникает тепловой импульс. Тепловой фронт, возникший на вставке нихрома, распространяется далее по медной части витка, со скоростью, определяемой коэффициентом теплопередачи меди.

Короткозамкнутые витки вторичных обмоток, являющиеся ребрами теплообмена, обеспечивают передачу сгенерированного теплогенератором тепла теплоносителю для дальнейшего использования в бытовых и производственных целях.

Экспериментальный образец теплогенератора имеющего 60 ребер теплообмена с суммарной их массой 5 кг, показал скорость роста температуры на нихромовой вставке 12,8°С/сек, а результирующий КПД теплогенератора составил 98-99%.

Вторичные обмотки выполнены из медных прутьев соответствующего сечения, снабженных впаянными в разрыв вставками из нихрома и просты в изготовлении. При этом теплогенератор конструктивно прост и при этом характеризуется высоким КПД.

Теплогенератор не требователен к величине электропроводности теплоносителя, что расширяет его область использования.

При работе теплогенератора отсутствуют химические реакции, сокращающие ресурс взаимодействующих с теплоносителем ребер теплообмена, что повышает надежность устройства.

Гальваническая развязка взаимодействующих с теплоносителем вторичных витков со входами питания теплогенератора обеспечивает высокую безопасность при работе с теплогенератором, исключая возможность поражения пользователя током.

Теплогенератор может быть изготовлен с использованием листового металла, стандартного трансформаторного железа, медной и нихромовой проволоки.

Таким образом, теплогенератор представляет собой новое устройств, расширяющее ассортимент устройств нагрева теплоносителя.

Изобретение относится к области электронагревательных приборов с погруженными нагревательными элементами. В устройстве внутри корпуса размещён тороидальный магнитопровод, имеющий первичную обмотку и N₂ – вторичных одновитковых, биметаллических, короткозамкнутых обмоток, каждая из которых содержит вставку из нихрома, вторичные обмотки образуют рёбра теплообмена, взаимодействующие с теплоносителем, при этом масса m₁ первичной обмотки, суммарная масса m₂ вторичных одновитковых обмоток и масса теплоносителя, взаимодействующего с рёбрами теплообмена, равны между собой. Техническим результатом является расширение ассортимента устройств нагрева теплоносителя. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Теплогенератор, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, для ввода и вывода теплоносителя, отличающийся тем, что внутри корпуса размещён тороидальный магнитопровод, имеющий первичную обмотку и N₂ – вторичных одновитковых, биметаллических, короткозамкнутых обмоток, каждая из которых содержит вставку из нихрома, вторичные обмотки образуют рёбра теплообмена, взаимодействующие с теплоносителем, при этом масса m₁ первичной обмотки, суммарная масса m₂ вторичных одновитковых обмоток и масса теплоносителя, взаимодействующего с рёбрами теплообмена, равны между собой, а количество витков обмоток определяется из следующего условия:

W_п = N₁ · N₂ · i/I · S_м · Y

где: W_п – энергия потребления для возбуждения теплогенератора;

N₁ – кол-во витков первичной обмотки;

N₂ – кол-во вторичных одновитковых обмоток;

i – ток потребления;

I – длина средней магнитной линии магнитопровода (м);

S_м – сечение магнитопровода (м²);

Y – напряжённость (потенциал) электромагнитного поля (В/м).

2. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что витки вторичных обмоток выполнены одинакового сечения и длины.

3. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что витки вторичных обмоток выполнены медными со вставкой из нихрома, при этом вставка имеет площадь сечения, равную площади сечения медной части витка, и длину не менее 1/100 от длины витка.

4. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя использована вода.

5. Теплогенератор по п. 1, отличающийся тем, что корпус снабжён ограничителем объёма теплоносителя, взаимодействующего с рёбрами теплообмена, выполненного в форме цилиндра, установленного в центре тороидального магнитопровода.