ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОБОГРЕВАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно, к системам электрического отопления помещений.
Уровень техники.
Из уровня техники известен электронагреватель по патенту на полезную модель №173514 (Заявка: 2016126932 МПК H05B 3/10. Опубликовано 30.08.2017) [1], содержащий встроенный в отражатель тепла нагревательный элемент, оборудованный автоматическим датчиком регулирования температуры, блоком соединения с источником тока и оснащенный отражателем с изоляционным слоем, при этом отражатель выполнен в виде теплонакопительного слоя, в состав которого входит талькомагнезит, а отражатель тепла выполнен из материалов на основе кварца и расположен перед нагревательным элементом.
Недостатком указанного устройства является слабое отведение тепла от тыльной поверхности электронагревателя, а также слабая защищенность кромки отражателя тепла, что приводит к лёгкому повреждению кромки отражателя тепла в случае минимальных механических воздействий, например, к образованию сколов.
Известен электрический обогреватель с увеличенной теплоотдачей (см. патент на полезную модель № 201123. Заявка: 2019129557. МПК H05B 3/10. Опубликовано: 27.11.2020) [2]. Известный электрический обогреватель состоит из теплорассеивающего элемента, нагревательного элемента, изоляционного слоя, кожуха и защитного профиля, при этом защитный профиль выполнен П-образным и расположен по периметру электрического обогревателя, а в упомянутом кожухе выполнены выступающие элементы с отверстиями. При этом полочки упомянутого П-образного профиля имеют различную ширину. Нагревательный элемент выполнен из проволоки сплава Х20Н80.
Известен электрообогреватель по патенту на полезную модель №194690 (Заявка № 2019122387, МПК H05B 3/10. Опубликовано 19.12.2019) [3]. Электрообогреватель содержит встроенный в отражатель тепла нагревательный элемент, соединенный с источником тока, оснащен отражателем с изоляционным слоем, при этом отражатель выполнен в виде теплонакопительного слоя, а отражатель тепла расположен перед нагревательным элементом. Нагревательный элемент выполнен из нихромовой нити. Электрообогреватель оборудован автоматическим терморегулятором (АТ), содержащим блок управления (БУ), датчик температуры воздуха (ДТВ) и датчик температуры поверхности нагревательного элемента (ДТН), соединенные с блоком управления (БУ) автоматического терморегулятора, при этом БУ соединен с линией фазы источника переменного тока и линией «0», а нагревательный элемент только с линией «0», причем БУ и нагревательный элемент соединены с линией заземления. Известный электрообогреватель с автоматическим терморегулятором (АТ) работает с перепадами температур в период времени от момента включения терморегулятора до момента выключения и не имеет функции выравнивания колебаний температур, что приводит к неравномерному излучению тепла и ухудшает эксплуатационные характеристики электрического обогревателя.
По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемой полезной модели принят электрический обогреватель по патенту №201123[2].
Технической проблемой полезной модели является улучшение эксплуатационных характеристик электрического обогревателя.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является создание электрического обогревателя с повышенной теплоотдачей.
Теплоотдача - это теплообмен между поверхностью твердого тела и соприкасающейся с ней средой.
Теплоотдача осуществляется конвекцией, теплопроводностью, лучистым теплообменом.
Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков заявленной полезной модели.
Раскрытие полезной модели
Заявленный технический результат достигается тем, что электрический обогреватель, содержит теплоизлучающий элемент, нагреватель, изоляционный слой, заднюю стенку и защитный профиль, причем электрический обогреватель соединен с теплоизлучающим элементом посредством термостойкого клеевого раствора, а нагреватель выполнен из нихромовой проволоки, согласно полезной модели нагреватель закреплен на тыльной поверхности теплоизлучающего элемента змейкой по всей площади тыльной стороны теплоизлучающего элемента, причем прямолинейные участки нагревателя расположены горизонтально с переменным шагом; при этом расстояние между прямолинейными участками нагревателя в нижней части теплоизлучающего элемента минимально, а в направлении вверх расстояние между прямолинейными участками выполнено с увеличением, достигая максимума в верхней части теплоизлучающего элемента.
При этом упомянутый нагреватель выполнен из проволоки сплава Х20Н80.
При этом защитный профиль выполнен П-образным и расположен по периметру электрического обогревателя.
При этом защитный профиль выполнен из металла.
При этом полочки упомянутого П-образного профиля имеют различную ширину.
При этом вдоль верхней стороны задней стенки выполнены верхние конвекционные отверстия, направленные вверх, а вдоль ее нижней стороны выполнены нижние конвекционные отверстия, направленные вниз.
При этом качестве теплоизлучающего элемента использована кварцевая или керамическая плита
При этом электрический обогреватель выполнен с возможностью закреплении на стене с отступом от нее для создания естественных конвекционных потоков воздуха между обогревателем и стеной.
При этом на задней стенке расположены элементы, выполненные в виде мостиков, для крепления на кронштейнах, установленных на стене помещения.
При этом концы нихромового нагревателя подключены к медным проводникам сетевого кабеля сети 220 В с помощью соединительных медных гильз, закрепляемых опрессовкой, с использованием высокотемпературной электропроводящей смазки.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. - Общий вид обогревателя.
Фиг. 2. - Вид А на фиг.1 обогревателя.
Фиг. 3. - Вид Б на фиг.1 обогревателя.
Фиг. 4 - Разрез А-А на фиг. 2.
Фиг. 5. - Схема электрическая обогревателя.
Фиг. 6. - Вид В на фиг.3.
Фиг. 7. - Разрез Б-Б на фиг. 7.
Фиг. 8. - Кронштейн для установки обогревателя на стене.
Перечень позиций
1. Электрический обогреватель
2. Теплоизлучающий элемент
3. Нагреватель
4. Прямолинейные участки нагревателя 3
5. Слой термостойкого клея
6. Защитное покрытие
7. Кабель сетевой 220 В
8. Первая жила кабеля 7 сетевого
9. Второй жила кабеля 7 сетевого
10. Первая соединительная медная гильза под опрессовку
11. Вторая соединительная медная гильза под опрессовку
12. Профиль защитный
13. Задняя стенка
14. Верхние конвекционные отверстия
15. Нижние конвекционные отверстия
16. Инфракрасное излучение передней поверхности теплоизлучающего элемента 2
17. Конвекционный поток воздуха перед обогревателем 1
18. Конвекционный поток воздуха внутри обогревателя 1
19. Элемент крепления
20. Стена помещения, на которой крепится обогреватель 1
21. Крепежный кронштейн
22. Конвекционный поток между обогревателем 1 и стеной помещения;
23. Крючок на крепежном кронштейне 21.
Осуществление технического решения.
На фиг. 1 изображен примерный вариант осуществления заявляемого электрического обогревателя 1. Электрический обогреватель 1 состоит из теплоизлучающего элемента 2 (фиг. 2), с помощью которого идет обмен тепловой энергией обогревателя 1 с окружающим пространством. В качестве теплоизлучающего элемента 2 может быть использована, например, кварцевая или керамическая плита толщиной от 9 до 11 мм. Такая плита имеет высокую теплопроводность, большую теплоемкость и коэффициент излучения, близкий к 1 (https://r-i.moscow/articles/koeffitsiyenty-izlucheniya. Опубликовано 09.01.‎2018‎ г.), что позволяет повысить теплоотдачу заявляемого обогревателя 1. Кроме этого, такая плита имеет большую механическую устойчивость при повторении большого количества циклов нагрев/охлаждение, что устраняет вероятность её разрушения во время эксплуатации, приводящего к снижению теплоотдачи обогревателя.
Тепловая энергия, излучаемая теплоизлучающим элементом 2, генерируется обогревателем 1 посредством преобразования электрической энергии в тепловую нагревателем 3, расположенным на тыльной поверхности теплоизлучающего элемента 2 (фиг.4). Нагреватель 3 выполнен из нихромовой проволоки (ГОСТ 12766.1-90 Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением), например, из сплава Х20Н80 (ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные. Марки). Сплав Х20Н80 обладает высоким электрическим сопротивлением, не подвержен воздействию высоких температур и не изменяет своих физико-химических характеристик в агрессивных средах.
Проволока нагревателя 3 закреплена «змейкой» по всей площади тыльной стороны теплоизлучающего элемента 2, причем прямолинейные участки 4 нагревателя этой «змейки» расположены горизонтально с переменным шагом Δhi как показано на фиг. 5. Здесь 1≤i≤n, где n это количество прямолинейных участков 4 в нагревателе 3, зависящее как от физических размеров обогревателя 1, так и от его электрической мощности. Причем шаг Δh1, расположен в нижней части нагревателя 3, а шаг Δhn, расположен в верхней части нагревателя 3. При этом всегда Δhi<Δh(i+1), т.е. шаг Δh1 минимален, а в направлении вверх, с увеличением i, расстояние Δhi между прямолинейными участками 4 выполнено с увеличением для каждого последующего шага i, достигая максимума при i=n, равного Δhn, в верхней части нагревателя 3 (фиг. 5).
Благодаря такой конструкции нагревателя 3 устраняется неравномерность нагрева теплоизлучающего элемента 2 по высоте, что повышает его теплоотдачу и устраняет вероятность его разрушения из-за разности температур в верхней и нижней его частях. При этом проволока нагревателя 3 по всей своей длине, за исключением концов, жестко закреплена на тыльной поверхности теплоизлучающего элемента 2 посредством слоя 5 термостойкого клея толщиной от 4 до 7 мм. Поверх слоя 5 нанесено защитное покрытие 6 (фиг. 4), имеющее высокую адгезию к материалу теплоизлучающего элемента 2 и высокую теплопроводность. Защитное покрытие 6 предназначено для защиты от влаги и укрепления поверхностного слоя 5 клеевого раствора, не препятствуя, при этом тепловому потоку от теплоизлучающего элемента 2 и нагревателя 3, направленному во внутреннее пространство обогревателя 1. В качестве защитного покрытия 6 может быть использовано, например натриевое стекло, преимущественно матовое, или мастика.
Нагреватель 3 с помощью кабеля 7 подключен к сети переменного тока 220 В, от которой питается обогреватель 1. Для надежного подключения концов нихромовой проволоки нагревателя 3 к медным жилам 8 и 9 кабеля 7 могут быть использованы первая 10 и вторая 11 соединительные медные гильзы под опрессовку (фиг. 5), с использованием высокотемпературной электропроводящей смазки, например, ЭПС-98. В качестве соединительных медных гильз под опрессовку могут быть применены, например, гильзы типа ГМЛ-1.5 (ГОСТ 23469.3-79 Гильзы кабельные соединительные медные, закрепляемые опрессовкой). При этом первая 8 жила кабеля 7 подключена к первому концу проволоки нагревателя 3 с помощью первой соединительной медной гильзы 10 под опрессовку, а вторая 9 жила кабеля 7 подключена ко второму концу проволоки нагревателя 3 с помощью второй соединительной медной гильзы 11 под опрессовку.
При таком подключении нихромовые концы проволоки нагревателя 3 внутри соединительных опрессованных гильз 10 и 11, на всем их протяжении внутри этих гильз (на фиг. 5 концы показаны условно пунктиром внутри гильз), замкнуты медными проводниками 8 и 9, соответственно (на фиг. 5 показаны условно пунктиром внутри гильз), и проводящими слоями меди самих соединительных гильз 10,11. Это позволяет уменьшить переходное контактное сопротивление соединений нихромовых концов нагревателя 3 с медными жилами кабеля 7, что предотвращает локальный разогрев участков нихромовых концов внутри гильз (на фиг. 5 показаны условно пунктиром внутри гильз) проходящим через соединения током. Благодаря уменьшенному переходному контактному сопротивлению таких соединений исключается их локальный разогрев и перегрев, что повышает теплоотдачу обогревателя 1 за счет снижения потерь электрической энергии в указанных соединениях, т.к такие потери снижают (уменьшают) количество электрической энергии, поступающей в нагреватель 3 из сети 220 В.
По периметру теплоизлучающий элемент 2 закрыт защитным П-образным профилем 12 (фиг. 1, 2, 3, 4), выполненным из металла, например, из алюминия. Использование профиля 12 позволяет защитить периметр электрического обогревателя 1 от механических повреждений, в частности, защитить теплоизлучающий элемент 2 от сколов и образования трещин, которые ухудшали бы теплоотдачу обогревателя.
Защитный профиль 12 с одной стороны механически соединен с теплоизлучающим элементом 2 (фиг. 4) посредством термостойкого клея (на схеме не показан), а с другой стороны указанный профиль соединен с задней стенкой 13, например, посредством заклепок или термостойкого клея (на схеме не показаны).
При этом полки упомянутого профиля могут иметь различную ширину, например, полка с лицевой стороны обогревателя 1 может быть выполнена более узкой для снижения экранирования профилем теплового потока от теплоизлучающего элемента 2 в окружающее пространство, а полка на задней стороне обогревателя 1 более широкая, для обеспечения жесткости крепления к ней задней стенки 13.
Задняя стенка 13 выполнена в виде металлической пластины, при этом вдоль ее верхней стороны выполнены выступающие элементы с верхними конвекционными отверстиями 14, а вдоль ее нижней стороны выполнены выступающие элементы с нижними конвекционными отверстиями 15. При этом верхний ряд отверстий направлен вверх, а нижний ряд отверстий направлен вниз. Пример выполнения верхних 14 и нижних 15 отверстий показан на Фиг. 4. Такое выполнение и расположение конвекционных отверстий 14 и 15 позволяет обеспечить устойчивый конвекционный поток 18 воздуха внутри обогревателя 1 благодаря естественной конвекции и, соответственно, увеличить теплоотдачу обогревателя.
Кроме того, на стенке 13 расположены крепежные элементы 19, предназначенные для крепления обогревателя на стене 20 помещения. Указанные крепежные элементы 19 могут быть выполнены, например, в виде мостиков (фиг. 6 и 7), изготовленных прессованием, с помощью которых обогреватель 1 крепится на кронштейнах 21, установленных на стене 20 (фиг.9), обеспечивающих крепление указанного обогревателя 1 с отступом L от стены 20. Такое крепление обогревателя 1 позволяет вместо простого нагрева им стены 20 помещения, на которой закреплен обогреватель 1, организовать между нагревателем 1 и стеной 20 конвекционные потоки 22, увеличивающие теплоотдачу тыльной стороны нагревателя 1, что в свою очередь повышает теплоотдачу обогревателя 1 в целом.
Работа
В основе работы электрического обогревателя 1 лежит принцип преобразования электрической энергии в тепловую в нагревателе 3 методом нагрев сопротивлением.
При подключении электрического обогревателя 1 к промышленной сети переменного тока 220 В с помощью кабеля 7, по нихромовой проволоке нагревателя 3 начинает протекать ток. При этом нихромовая проволока нагревателя 3 разогревается и, благодаря наличию теплового контакта нагревателя 3 с теплоизлучающим элементом 2, тепло от нагревателя 3 будет нагревать теплоизлучающий элемент 2, и его температура начнет повышаться. Тепловая мощность от обогревателя 1 начнет поступать в окружающее пространство. С ростом температуры теплоизлучающего элемента 2 будет расти тепловая мощность, поступающая от обогревателя 1 в окружающее пространство. Рост температуры теплоизлучающего элемента 2 будет продолжаться до достижения им температуры, равной Т0, при которой электрическая мощность, потребляемая обогревателем 1 от сети 220 В, станет равной тепловой мощности, отдаваемой обогревателем 1 в окружающее пространство. Далее, при неизменных внешних условиях температура теплоизлучающего элемента 2 будет оставаться постоянной и равной Т0.
На практике температура Т0 может находиться в диапазоне 60-90°С. Значение Т0 будет зависеть как от электрической мощности обогревателя 1, чем больше его электрическая мощность, тем больше значение Т0, и от температуры окружающего воздуха, чем выше его температура, тем больше значение Т0, так и от теплоотдачи обогревателя 1. Чем теплоотдача лучше, тем меньше значение Т0.
Нагрев окружающего воздуха нагревателем 1 осуществляется за счет:
1. Прохождения через этот воздух инфракрасного излучения 16 (фиг. 4, где потоки инфракрасного излучения показаны условно), излучаемого нагретой передней поверхностью теплоизлучающего элемента 2, и многократного отражения и поглощения этого излучения окружающими предметами в помещении. Поэтому для улучшения теплоотдачи через излучение надо увеличить коэффициент излучения поверхности теплоизлучающего элемента 2, для этого предпочтительно, чтобы она была выполнена матовой. Инфракрасным излучением 16 во внешнюю среду передается 15-20% всей тепловой энергии нагревателя 1;
2. Физического контакта этой поверхности с окружающим воздухом;
3. Физического контакта поверхности защитиного покрытия 6, например, из натриевого стекла, с воздухом внутри нагревателя 1;
4. Физического контакта внешней поверхности задней стенки 13 с окружающим воздухом.
Во втором и третьем случаях происходит прямая передача тепловой энергии от теплоизлучающего элемента 2 воздуху, что приводит к его нагреву. Т.к. нагретый воздух легче ненагретого, то после нагрева возле лицевой и тыльной поверхности теплоизлучающего элемента 2 он поднимается вверх, выталкиваясь холодным. Это приводит к возникновению естественных конвекционных потоков 17 и 18. Причем конвекционный поток 17 расположен спереди нагревателя 1, а конвекционный поток 18 расположен внутри нагревателя 1 (фиг. 4). Спереди нагревателя, снизу поступает холодный воздух, он соприкасается с теплоизлучающим элементом, нагревается и поднимается вверх вдоль теплоизлучающего элемента 2, прогреваясь все больше. Постепенно, при движении воздуха вверх, разница между температурой воздуха и температурой теплоизлучающего элемента 2 уменьшается, и отбор тепла воздухом от теплоизлучающего элемента 2 падает, что при одинаковом значении шага ∆hi между прямолинейными участками 4 нагревателя 3 по всей его высоте приводило бы к тому, что температура теплоизлучающего элемента 2 в нижней его части была бы значительно меньше, чем температура в верхней его части, что уменьшало бы теплоотдачу обогревателя 1. Для увеличения теплоотдачи прямолинейные участки 4 нагревателя 3 внизу расположены чаще, с постепенным увеличением шага вверху (Фиг. 5). Причем изменения шага подобраны таким образом, чтобы температура теплоизлучающего элемента 2 не зависела от высоты точки измерения на его поверхности. Этим достигнута максимальная теплоотдача обогревателя 1 в конвекционный поток 17, с помощью которого во внешнюю среду передается 70-75% всей тепловой энергии генерируемой электрическим обогревателем 1.
Конструкция электрического обогревателя 1 позволяет создать внутри него естественный конвекционный поток 18 воздуха, нагретого тыльной стороной излучателя 3 и покрытия 6, при этом воздух входит во внутрь электрического обогревателя 1 через отверстия 15, направленные вниз, в нижней части стенки 13, а выходит через отверстия 14, направленные вверх, в верхней части стенки 13. Это позволяет достичь заявленный технический результат - увеличение тепловой отдачи электрического обогревателя.
Конструкция электрического обогревателя 1 позволяет создать в пространстве L между ним и стеной 20 помещения, на которой он закреплен, естественный конвекционный поток 22 воздуха, нагретого тыльной стороной задней стенки 13. У обогревателя 1, закрепленного не вплотную к стене 20 помещения, что приводило бы к потерям за счет передачи некоторой части тепловой энергии, генерируемой обогревателем 1 стене 20 помещения, а на расстоянии L, достаточном для организации указанного выше естественного конвекционного потока 22 воздуха, передающего тепловую энергию от задней стенки 13 в окружающее пространство, повышается теплоотдача. Расстояние L задается крепежными кронштейнами 21 (фиг. 8), закрепленными на стене 20 помещения. При этом крепежные элементы 19 (фиг. 4, 6 и 7) расположенные на задней стенке 13 сочленяются с крючками 23 на крепежных кронштейнах 21. Это позволяет достичь заявленный технический результат - увеличение тепловой отдачи электрического обогревателя 1.
Из вышесказанного видно, что задача повышения теплоотдачи заявляемым электрическим обогревателем 1 решается.
Промышленная применимость
Заявляемое устройство может быть изготовлено промышленным способом из известных материалов с использованием известных технологий и технических средств, что обусловливает его соответствие критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Источники информации
1. Патент на полезную модель № 173514. Электронагреватель. Заявка: 2016126932 МПК H05B 3/10. Опубликовано 30.08.2017.
2. Патент на полезную модель № 201123. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОБОГРЕВАТЕЛЬ. Заявка: 2019129557. МПКH05B 3/10. Патентообладатель(и): Черняев Станислав Юрьевич. Опубликовано: 27.11.2020 - наиболее близкий аналог.
3. Патент на полезную модель №194690 Электрообогреватель. Заявка № 2019122387, МПК H05B 3/10. Опубликовано 19.12.2019.