НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Область техники
Полезная модель относится к теплотехнике, а именно к устройствам для получения и использования тепла, образующегося иначе, чем в процессах горения и преобразования электрической энергии в тепловую при резистивном нагреве.
Уровень техники
Известны устройства для превращения электрической энергии в тепловую энергию - RU 2252369 С2, 20.7.05.2005; RU 93508 U1, 27.04.2010; RU 2258873 C1, 20.08.2005. В известных устройствах тепловыделяющие элементы выполнены из резистивного материала, т.е. из проводников с большим электрическим сопротивлением. Однако при резистивном нагреве какой-либо среды с помощью таких тепловыделяющих элементов количество потребляемой электрической энергии примерно в 1,3-1,5 больше, чем используемой тепловой, т.е. известные устройства для получения тепловой энергии имеют показатели энергетической эффективности меньше единицы. Кроме того, недостатками многих электронагревателей является неравномерность распределения теплового потока по поверхности нагревательного устройства. Вследствие этого приходится использовать принудительную циркуляцию теплоносителя, что связано с дополнительным расходом энергии.
Известно нагревательное устройство, содержащее, как и заявленное, цилиндрический корпус со съемной крышкой, аксиально установленный в корпусе по меньшей мере один тепловыделяющий элемент, подключенный к источнику электрического тока токопроводами, и узел закрепления тепловыделяющего элемента в корпусе (RU 2373669 C1, 20.11.2009 - прототип).
Однако конструкция устройства для получения тепла по патенту RU 2373669 имеет низкие эксплуатационные характеристики, поскольку не обеспечивает значительное снижение потребляемой энергии, быстрый выход на эксплуатационный режим, устойчивость протекания теплового процесса, равномерность распределения выделяемого теплового потока по поверхности устройства, уменьшение габаритов устройства и т.д. Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели состояла в разработке конструкции нагревательного устройства с высокими эксплуатационными характеристиками, главными показателями которых в данном случае являются: высокий коэффициент энергетической эффективности, который представляет собой отношение полезно используемой (отведенной) тепловой энергии к затраченной (подведенной), быстрый выход на эксплуатационный режим, устойчивость протекания теплового процесса, равномерность распределения выделяемого теплового потока по поверхности устройства, высокая механическая прочность и эксплуатационная надежность, уменьшение габаритов устройства в широком диапазоне мощностей и возможность использования устройства для нагревания различных сред.
Таким образом, технический результат заключается в повышении эксплуатационных характеристик нагревательного устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в нагревательном устройстве, содержащем цилиндрический корпус со съемной крышкой, аксиально установленный в корпусе по меньшей мере один тепловыделяющий элемент, подключенный к источнику электрического тока проводами, и узел закрепления тепловыделяющего элемента в корпусе, согласно полезной модели, тепловыделяющий элемент состоит из двух фиксирующих стаканов, выполненных из жаропрочного и не проводящего электрический ток материала, двух металлических пластинчатых электродов, каждый из которых установлен во внутренней полости соответствующего фиксирующего стакана с примыканием поверхности пластины ко дну стакана, и цилиндрического стержня-электрода, каждый конец которого соосно установлен в соответствующем фиксирующем стакане с примыканием торцевой поверхности стержня-электрода к поверхности пластинчатого электрода. При этом на поверхность каждого пластинчатого электрода, примыкающую к торцевой поверхности стержня-электрода, нанесен состоящий из измельченной смеси поликристаллических веществ слой, покрытый электроизолирующей оксидной пленкой.
Кроме того, измельченная смесь поликристаллических веществ может состоять из хлорида рубидия, хлорида цезия, оксида магния, оксидов железа и гранита.
Наряду с этим в состав измельченной смеси поликристаллических веществ могут быть включены радионуклиды и частицы с электретными свойствами.
Рекомендуется, чтобы узел закрепления тепловыделяющего элемента в корпусе, был выполнен в форме цилиндрической трубы, один конец которой прикреплен к крышке корпуса, а другой конец закреплен на торце стакана, обращенного торцом к крышке корпуса.
Также рекомендуется, чтобы труба была изготовлена из материала с низким коэффициентом теплопроводности.
Предусмотрено, что стержень-электрод может быть выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.
Кроме того, внутренняя полость корпуса может быть заполнена теплоаккумулирующим материалом.
Предусмотрено также, что в качестве теплоаккумулирующего материала может быть применена перлитно-песочная смесь.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг.1 показан общий вид нагревательного устройства в разрезе.
На фиг.2 показана установка пластинчатого электрода и стржня-электрода в фиксирующем стакане. Осуществление полезной модели
Нагревательное устройство содержит цилиндрический корпус (1) со съемной крышкой (2), аксиально установленный в корпусе по меньшей мере один тепловыделяющий элемент (3), подключенный к источнику электрического тока проводами (4), и узел закрепления тепловыделяющего элемента в корпусе устройства. Тепловыделяющий элемент состоит из двух фиксирующих стаканов (5), выполненных из жаропрочного и не проводящего электрический ток материала, двух металлических пластинчатых электродов (6), каждый из которых установлен во внутренней полости соответствующего фиксирующего стакана с примыканием поверхности пластины ко дну стакана (5), и цилиндрического стержня-электрода (7), т.е. электрода, выполненного в форме стержня. Каждый конец стержня-электрода соосно установлен в соответствующем фиксирующем стакане (5) с примыканием торцевой поверхности стержня-электрода к поверхности пластинчатого электрода (6). Для формирования электроплазменных зон (газоразрядной плазмы) в районе примыкания электродов на поверхность каждого пластинчатого электрода, примыкающую к торцевой поверхности стержня-электрода, нанесен слой (8), состоящий из измельченной смеси поликристаллических веществ и покрытый электроизолирующей оксидной пленкой (9), образованной из материала этого нанесенного слоя. Электроизолирующая оксидная пленка может быть получена путем обработки слоя (8) пламенем пропан-бутановой газовой горелки.
Измельченная смесь поликристаллических веществ может состоять из хлорида рубидия, хлорида цезия, оксида магния, оксидов железа и гранита.
Как показали лабораторные испытания, наиболее интенсивно плазменный процесс развивается и протекает при указанных выше веществах, присутствующих в слое (8), наносимом на поверхность пластинчатых электродов (6). Возникновение стабильного и интенсивного плазменного процесса и обуславливает получение наиболее высокого коэффициента энергетической эффективности нагревательного устройства, определяемого как отношение полученной энергии к затраченной. Наряду с этим в состав измельченной смеси поликристаллических веществ могут быть включены радионуклиды и частицы с электретными свойствами. Эти вещества способствуют более быстрому формированию электроплазменных высокотемпературных зон в тепловыделяющем элементе.
Узел закрепления тепловыделяющего элемента (3) в корпусе устройства может быть выполнен в форме цилиндрической трубы (10), один конец которой прикреплен к крышке (2) корпуса, а другой конец закреплен на торце фиксирующего стакана (5), обращенного торцом к крышке корпуса. Для уменьшения тепловых потерь рекомендуется, чтобы труба была изготовлена из материала с низким коэффициентом теплопроводности. Для обеспечения равномерности распределения теплового потока по длине нагревательного устройства предусмотрено, чтобы стержень-электрод был выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности. Кроме того, для обеспечения равномерности распределения теплового потока по поверхности нагревательного устройства внутренняя полость корпуса может быть заполнена теплоаккумулирующим материалом (11). Предусмотрено также, что в качестве теплоаккумулирующего материала может быть применена перлитно-песочная смесь.
Нагревательное устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения от источника электрического тока через электроклеммы и токопроводы (4) на пластинчатые электроды (6) и стержень-электрод (7), в зоне примыкания электродов, а именно где нанесен слой (8), состоящий из измельченной смеси поликристаллических веществ, покрытый электроизолирующей оксидной пленкой (9), создается разряд и возникает газоразрядная плазма, сопровождаемая высокой температурой (700-800 градусов Цельсия) и выделением большого количества тепловой энергии. Тепловой поток из зон образования плазмы распространяется за счет высокой теплопроводности материала по стержню-электроду (7), увеличивая поверхность теплообмена и обеспечивая равномерность распределения теплового потока по длине тепловыделяющего элемента, и, следовательно, по всей поверхности нагревательного устройства.
В процессе лабораторных исследований нагревательного устройства использовался переменный ток частотой 50 Гц, который может быть получен от устройств типа сварочных трансформаторов. При этом величина сила тока находилась в диапазоне 100-150 ампер при напряжении до 220 вольт. В результате проведенных лабораторных испытаний подтверждено, что показатель энергетической эффективности предложенного тепловыделяющего элемента больше единицы, т.е. подводимая (затраченная) электрическая энергия меньше выработанной тепловой.
Улучшение эксплуатационных характеристик предлагаемого тепловыделяющего элемента обусловлено повышением коэффициента энергетической эффективности предлагаемого устройства (сокращением энергозатрат), быстрым выходом на эксплуатационный режим работы за счет устойчивости протекания плазменного процесса, равномерностью распределения выделяемого теплового потока по поверхности устройства, высокой механической прочностью, эксплуатационной надежностью, уменьшением габаритов устройства в широком диапазоне мощностей и возможностью использования предлагаемого тепловыделяющего элемента для нагревания окружающей среды, находящейся в различном физическом состоянии.
Таким образом, технический результат, заключающейся в улучшении эксплуатационных характеристик, обеспечивается совокупностью существенных признаков, приведенных в независимом пункте формулы полезной модели.