УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR LIQUID HEATING

Изобретение относится к устройствам для нагрева жидкости как в промышленных, так и в бытовых условиях, например для нагрева или кипячения воды, молока и других жидкостей.
Известно устройство в виде емкости [1, стр. 3] постоянного диаметра с плоским дном для нагрева жидкости, куда наливается жидкость и емкость, в свою очередь, устанавливается над источником тепла, например, над пламенем газовой горелки или над источником тепла от электрического тока (электроплитки). Недостатком такого устройства является длительность времени нагрева или кипячения жидкости, так как тепло подводится к жидкости только с одной стороны (как правило - снизу) и на ограниченном участке. При этом, значительная часть тепловой энергии рассеивается в окружающем пространстве. Поэтому, на нагрев или кипячение единицы объема жидкости тратится много времени и энергии источника тепла.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для нагрева или кипячения жидкости [2], состоящее из пластины, имеющей форму дна емкости с закрепленными на ней сменными вертикальными центральным и периферийными стержнями. Верхние концы стержней изготовлены в виде перевернутого усеченного конуса, нижнее основание которого имеет диаметр, равный диаметру стержня, а свободные торцы нижних концов располагаются на одной плоскости с нижней поверхностью пластины. Материал пластины и стержней имеет теплопроводность большую, чем материал емкости, и обладает дезинфицирующими свойствами, а шероховатость поверхностей пластины и стержней имеет меньшее значение, чем шероховатость внутренней поверхности емкости. Достоинством данного устройства является то, что тепло для нагрева жидкости подводится не только с одной (нижней) стороны, а через стержни одновременно подводится в внутренние слои жидкости, что позволяет ускорить процесс нагрева или кипячения, но и экономить энергию. В то же время данное устройство имеет недостаток, который заключается в следующем: пластина устройства, имеющая форму дна емкости, просто устанавливается (кладется) на днище емкости. Проблема в том, что днище емкости, контактирующее с нижней поверхностью пластины, представляет собой неровную поверхность и имеет определенную шероховатость. Поверхность пластины, контактирующая с поверхностью днища, также представляет неровную поверхность и имеет определенную шероховатость. Таким образом, между поверхностью пластины и поверхностью днища емкости всегда имеется зазор (фиг. 1), обладающий значительным термическим сопротивлением, что существенно затрудняет передачу тепла от днища емкости к пластине. Это первый и серьезный недостаток известного устройства. Вторым и серьезным недостатком известного устройства является то, что стержни, устанавливаемые на пластину, выполнены сменными. Это означает, что стержни на пластину устанавливаются с помощью резьбы или путем образования посадки с зазором. То есть в сопряжениях стержней с отверстиями в пластине также образуется зазор, обладающий также значительным термическим сопротивлением, что препятствует передаче тепла от пластины к стержням. Третьим существенным недостатком известного устройства является то, что в процессе нагрева или кипячения жидкости на контактирующих поверхностях материалов пластины и емкости появляется контактная разность потенциалов, которая приводит к разрушению материала пластины в зоне контакта и снижению ее срока службы.
Перечисленные выше недостатки существенно снижают эффективность известного устройства для нагрева жидкости.
Задача заключается в том, чтобы исключить (или хотя бы уменьшить) перечисленные зазоры (уменьшить термическое сопротивление) и тем самым улучшить передачу тепла от днища емкости к пластине и дальше через стержни во внутренние слои нагреваемой жидкости. Таким образом, недостатком существующих устройств, для нагрева жидкости в емкости, установленной над источником тепла, является длительность процесса и большая затрата энергии на нагрев единицы объема жидкости, а также малый срок службы. Причиной этого является подвод тепла только через крайние нижние слои жидкости, теплопроводность которой находится в пределах 0,1…0,7 Вт/(м·K) через ограниченный участок дна емкости и имеющиеся зазоры.
Целью изобретения является разработка устройства, позволяющего повысить коэффициент полезного использования тепловой энергии за счет повышения площади теплообмена теплопередающего элемента, и как следствие экономия времени и энергии, подводимой для нагрева или кипячения жидкости и повышение срока службы устройства. Источником тепловой энергии может быть бытовой газ, электричество или любой другой источник.
Сущность изобретения заключается в том, что в днище устройства (под устройством понимается любая емкость для нагрева жидкости, например чайник, кастрюля, или другая посуда для нагрева жидкости различной формы и высоты) соосно и герметично установлена пластина, имеющая форму дна емкости с центральным и периферийными стержнями для увеличения площади теплосъема, т.к. чем больше площадь теплосъема, тем большее количество теплоты проходит через нее и рассеется в нагреваемой жидкости. Причем пластина непосредственно контактирует источником тепловой энергии. Пластина и стержни изготовлены как одно целое и представляют собой монолитную конструкцию. Материал пластины имеет теплопроводность и коэффициент теплового расширения большие, чем материал емкости, что позволяет увеличить скорость передачи тепла от нижних слоев жидкости к внутренним и верхним слоям, а также обеспечивать герметичность емкости и надежность устройства в целом. Это достигается за счет исключения зазоров, препятствующих теплообмену между днищем, пластиной и стержнями, которые присутствуют в известных конструкциях. Таким образом, при такой конструкции устройства для нагрева жидкости, источник тепла непосредственно контактирует с пластиной и тепло быстро и эффективно передается через стержни во внутренние и верхние слои жидкости. Обычное устройство быстро выходит из строя по причине прямого контакта с источником тепла ее днища малой толщины, так как основной причиной выхода из строя обычных емкостей типа чайников, кастрюлей и т.п. является быстрое разрушение (в виде трещин и других повреждений) их днищ из-за прямого контакта с источником тепла. Поэтому сама пластина изготовлена большей толщины, чем толщина дна емкости, что позволяет повысить срок службы устройства. При нагреве жидкости, применяемой в пищевой отрасли, пластина должна быть изготовлена из дезинфицирующего материала. Шероховатость внутренней поверхности пластины должна быть меньшей, чем шероховатость внутренней поверхности емкости, что улучшает теплопередачу от поверхности самой пластины и от стержней к нагреваемой жидкости. Выполнение шероховатости наружной поверхности пластины большей, чем шероховатость наружной поверхности емкости, позволяет увеличивать площадь контакта с источником тепла и повысить эффективность передачи тепла от источника к пластине. Использование для изготовления пластины материала коэффициентом теплового расширения большим, чем материал емкости, позволяет обеспечивать герметичность в сопряжении пластины с днищем емкости. При нынешней технологии, обеспечение герметичности в сопряжении пластина - материал емкости больших затруднений не представляет, так как при нагреве материал пластины увеличивается в размере и давит на материал днища емкости, поэтому материал днища емкости должен обладать достаточным запасом прочности при максимальной температуре нагреваемой жидкости, например, для воды при 100°С.
Таким образом, основными элементами предложенного устройства для нагрева жидкости являются емкость и пластина со стержнями, которая установлена герметично в днище емкости. Эффективность повышается за счет выполнения пластины монолитной, то есть пластина и стержни выполнены как одна целая деталь, что позволяет исключить вредные зазоры и снизить термическое сопротивление, которые присутствуют в известных устройствах для нагрева жидкости. Также за счет непосредственного контакта пластины с источником тепла, что намного повышает эффективность теплопередачи. Повышение срока службы устройства достигается за счет выполнения толщины пластины большей, чем толщина днища емкости. Форма и соединительные размеры пластины зависят от формы днища емкости, например, если днище емкости имеет прямоугольную форму, то и пластина должна иметь прямоугольную форму, если круглой формы, то и пластина должна иметь круглую форму, если другую - произвольную форму, то и пластина должна иметь другую - произвольную форму. По-другому, форма пластины должна копировать форму днища емкости. Это связано с необходимостью охватывать как можно большую площадь и объем емкости с помощью пластины и стержней. Минимальное количество стержней может быть равно единице, а максимальное количество должно быть пропорционально площади днища емкости, а также зависит от конкретных условий применения устройства и конкретной поставленной задачи.
Для примера, ниже приведены сведения о теплопроводности различных материалов порядке убывания теплопроводности [3].
Из таблицы видно, что воздух обладает очень низким теплопроводным свойством (практически изолятором), и поэтому зазоры в конструкции устройства для нагрева жидкости оказывают сильное отрицательное влияние на процесс нагрева жидкости и их, по возможности, необходимо устранить. Сама жидкость, например вода, также обладает низким теплопроводным свойством, поэтому, при обычной технологии нагрева, из-за низкой ее теплопроводной способности, передача тепла из крайних слоев во внутренние или верхние слои, идет очень медленно, что также приводит к большим затратам энергии на нагрев единицы объема жидкости. Предложенное устройство позволяет устранить, во всяком случае сводить к минимуму, вышеуказанные недостатки и уменьшить затраты энергии на нагрев или кипячение единицы объема жидкости. Кроме того, предложенная конструкция устройства обладает большим сроком службы, чем конструкции известных устройств, для нагрева или кипячения жидкости.
Из закона Фурье [3, стр. 7, формула (I.2)] следует, что чем больше поверхность площади теплосъема, тем большее количество теплоты пройдет через нее и рассеивается в окружающей среде. Поверхность теплосъема увеличивается с помощью ребер, например, прямых и кольцевых произвольных профилей. Наиболее эффективное оребрение определяется формой, размерами, стоимостью и т.п. каждой конкретной установки и выбирается индивидуально. Поэтому в предложенном устройстве для увеличения интенсивности теплосъема стержни выполнены ребристыми в виде кольцевых произвольных профилей.
На фиг. 1 показан зазор в сопряжении нижней поверхности пластины 8 и дном емкости 9, который снижает эффективность теплопередачи в известных устройствах для нагрева жидкости.
На фиг. 2 (вид спереди, в сечении А-А) показано предлагаемое устройство для нагрева жидкости, где приняты следующие обозначения: 1 - емкость; 2 - пластина со стержнями; 3, 5 - периферийные стержни; 4 - центральный стержень; Н - высота столба жидкости в емкости; h - высота стержней, должна быть таким, чтобы не выступать за верхний уровень жидкости; L - толщина днища емкости; l - толщина пластины; D - диаметр пластины. На фиг. 1 (чтобы не затенять) ребра на стержнях не обозначены отдельными выносными линиями, они и так понятны из рисунка.
На фиг. 3 приведен вид сверху устройства и приведены следующие обозначения: 1 - емкость; 2 - пластина со стержнями; 6 - центральный стержень; 3, 4, 5, 7 - периферийные стержни.
Устройство применяется следующим образом. В емкость 1 заливается жидкость до уровня - Н. Высота стержней - h, и стержни не выступают за верхний уровень жидкости. Если стержни будут выступать за верхний уровень жидкости, например уровень жидкости представляет половину высоты емкости, то в этом случае эффективность применения устройства несколько снижается. Емкость устанавливают над источником тепла и процесс нагревания начинается. При этом источник тепла непосредственно соприкасается с пластиной и тепло через пластину, центральный и периферийный стержни быстро распространяется во внутренние и верхние слои жидкости. Нагрев можно осуществить до определенной температуры или довести жидкость до кипения, затем источник тепла выключается.
Технический эффект достигается за счет увеличения количества передаваемого тепла от источника во внутренние и верхние слои нагреваемой жидкости через пластину с ребристыми стрежнями. Сокращается время нагрева и тем самым достигается уменьшение удельного расхода тепловой энергии на нагрев единицы объема жидкости. Увеличивается срок службы устройства за счет выполнения толщины пластины большей, чем толщина днища емкости.
Источники информации
1. Фэйт Суит. Кухни. Практические советы по дизайну и оформление вашего дома. Перевод с английского С. Кормашовой. / Издательский дом «Кристина», 1997 г., 64 с.
2. Патент РФ №2489073, A47J 27/00 «Способ нагрева жидкости и устройство для его осуществления».
3. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др.; Под ред. А.И. Леонтьева - М.: Высшая школа, 1979. - 495 с.