НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО ЭЛЕКТРОКАЛОРИФЕРА (ВАРИАНТЫ)
HEATING UNIT FOR VEHICLE ELECTRIC AIR HEATER (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области электроотопительной техники для электротранспорта: троллейбусов, трамваев, электрических поездов. Заявляемые технические решения могут быть использованы для повышения эффективности нагрева салонов названных транспортных средств, кабин водителей и других пространств внутри электротранспорта.
Известны нагревательные узлы электрокалориферов из патентов РФ: [№39192] «Электрокалорифер» патентообладателя ООО «РуссСпарта»; [№44374] «Электрокалорифер» патентообладателя ООО «Стигр-вагрем»; [№70565] «Электрокалорифер» патентообладателя ООО «Новые Технологии», используемые в отоплении вагонов железнодорожного транспорта. Их объединяет использование трубчатых электронагревательных элементов, объединенных крепежной арматурой в тепловыделяющие секции.
В электрокалорифере патента РФ №39192 каждая тепловыделяющая секция выполнена в виде несущей стержневой конструкции, образованной группой трубчатых электронагревателей, связанных друг с другом креплением их контактных стержней на опорных элементах.
В электрокалорифере патента РФ №44374 трубчатые электронагревательные элементы каждой секции выполнены прямолинейными и расположены параллельно друг другу, электроизолированы от корпуса. Крепление трубчатых электронагревательных элементов в панелях выполнено с помощью электроизоляционных муфт.
В электрокалорифере патента РФ №70565 тепловыделяющие секции образованы рядами трубчатых W-образных электронагревательных элементов, плоскости которых расположены в проточном тракте перпендикулярно воздушному потоку. Трубчатые W-образные электронагревательные элементы закреплены с одной стороны на съемной стенке внутреннего корпуса без электроизоляционных муфт и электрически связаны между собой. Трубчатые W-образные электронагревательные элементы соседних рядов расположены со сдвигом относительно друг друга.
Недостатком описанных выше устройств является их низкая эксплуатационная надежность, т.к. в них нагрев воздуха осуществляется с помощью трубчатых электронагревательных элементов, внутри которых находится раскаленная спираль с температурой до 1000°C. Высокое аэродинамическое сопротивление, создаваемое рядами трубчатых электронагревательных элементов, приводит к искажению воздушного потока и перегреву частей ТЭНов и, как следствие, к выходу их из строя.
Основным же их недостатком является то, что трубчатые электронагревательные элементы характеризуются высокой тепловой инерционностью - медленным разогревом и остыванием, что приводит, в частности, к длительному времени разогрева салонов вагонов электропоездов перед началом выхода на маршрут, а также длительными нестационарными процессами при переключении с одного режима нагрева на другой, что приводит к значительным колебаниям температуры воздуха в помещении.
Известны также нагревательные блоки электронагревателей [патент РФ №1477994] в виде открытых спиралей электрокалорифера, размещенных одна относительно другой в соседних рядах и пропущенных через сквозные каналы изоляторов, установленных в корпусе параллельными рядами. Такая конструкция электронагревателей имеет ряд недостатков, главным из которых выступает локальный перегрев частей спиралей, находящихся внутри каналов изоляторов. Остальными недостатками являются сложность сборки, низкий уровень ремонтопригодности и электробезопасности.
Известны также нагревательные блоки обогревателей воздуха электротранспорта салона [патенты РФ №2343364, 2343365, 2345908, 2376156] патентообладателей фирм «Этна» и «Этна-Т».
Нагревательные блоки обогревателей воздуха салона электротранспорта, описанные в патентах РФ №2343364, 2343365, помещены в электрически изолированный от корпуса кожух и выполнены в виде ряда электрически соединенных спиральных нагревательных элементов, закрепленных через изоляторы на держателях.
В блоках нагрева воздухоподогревателей салона [патент РФ №2345908] и кабины водителя [патент РФ №2376156] электротранспорта тех же фирм используется нагревательный элемент, собранный и уложенный в виде спиралеобразного элемента на опоре вдоль корпуса воздухоподогревателя электротранспорта. Элемент образован из сориентированных параллельно друг другу между соседними пластинами и электрически соединенных последовательно участков спиралей, концы которых закреплены на паре изоляторов, установленных в отверстиях пластин, выполненных вдоль их протяженности.
Наиболее близким аналогом для обоих заявляемых изобретений является блок нагрева, описанный в патенте РФ на изобретение №2342605. Нагревательный блок заявленного устройства для нагрева воздуха выполнен из ряда соединенных нагревательных элементов, собранных через керамические изоляторы на металлических держателях в виде прямоугольных рамок. Фиксаторы, крепящие нагревательные элементы, представляют собой выходящие из углов, образованных смежными сторонами прямоугольных рамок, металлические пластины, повторяющие направления стенок корпуса и ориентированные свободными концами в направлении к центру прямоугольных рамок, оставляя свободным пространство внутри последних для размещения электродвигателя. Нагревательные элементы представляют собой отдельные участки спиралей, концы которых закреплены по длине на двух противолежащих керамических изоляторах. Участки спиралей нагревательного блока пространственно разнесены внутри каждой из прямоугольных рамок и компактно уложены по периферии внутреннего пространства - у стенок корпуса, оставляя свободным от спиралей центральную его часть для размещения электродвигателя в зоне нагревательного блока. Крайние спирали соединены с вводами электропитания нагревательного блока. Компактная укладка участков спиралей осуществлена пространственным разнесением их на фиксаторах со смещением соседних участков в направлениях, параллельных сторонам прямоугольных рамок. Работа этих устройств осуществляется с использованием блоков подачи и нагрева воздуха, в которых применение спиральных нагревательных элементов дополнено включением в конструкцию вентилятора, включающего крыльчатку. Задача уменьшения габаритов изделия решалась путем размещения электродвигателя вентилятора в центральной части блока нагрева, что привело к размещению спиралеобразного нагревательного элемента вокруг центральной области на оставшихся местах внутри него, практически периферийных, вдоль стенок корпуса вокруг электродвигателя, в создаваемом при этом вентилятором воздушном потоке с кольцевым сечением.
Задача заявляемой группы изобретений заключается в повышении мощности нагревательного блока, его эффективности без снижения срока службы и надежности устройств.
Сущность изобретения по первому варианту характеризуется тем, что нагревательный блок для транспортного электрокалорифера содержит зафиксированную с помощью крепящей арматуры внутри корпуса по крайней мере одну рамку с расположенными внутри спиральными нагревательными элементами; внутреннее пространство каждой из рамок поделено на две секции - одна под другой горизонтально протяженной промежуточной пластиной, выполненной из высокопрочного материала и имеющей два ряда отверстий для соединения между собой спиральных нагревательных элементов, равномерно заполняя ими пространство в каждой из секций как в центральной части, так влево и вправо от нее в направлениях к боковым сторонам рамки, которые образуют с верхней и нижней краевыми пластинами, являющимися одновременно верхней и нижней сторонами рамки, соединение по типу таврового; верхняя и нижняя краевые пластины имеют по одному ряду отверстий для соединения между собой спиральных нагревательных элементов и развернуты их широкими сторонами под прямым углом к промежуточной пластине; при этом крепление на краевых верхней и нижней пластинах спиральных нагревательных элементов в каждой секции осуществлено парами с образованием Λ-образных фигур, вершины которых находятся на верхней и нижней краевых пластинах с одним рядом отверстий, а их расходящиеся части обращены в сторону промежуточной пластины с обеспечением крепления концов спиральных нагревательных элементов Λ-образных фигур в ней в двух отверстиях; электрические соединения рамок и выход на источник питания осуществлены посредством расположенных у боковых сторон рамки непарных спиральных нагревательных элементов в местах их крепления с краевыми верхней и нижней пластинами.
Сущность изобретения по второму варианту характеризуется тем, что нагревательный блок для транспортного электрокалорифера содержит зафиксированную с помощью крепящей арматуры внутри корпуса по крайней мере одну рамку с расположенными внутри спиральными нагревательными элементами; внутреннее пространство каждой из рамок поделено на расположенные друг под другом секции рядом горизонтально протяженных крепежных пластин, выполненных из высокопрочного материала и имеющих отверстия для соединения между собой спиральных нагревательных элементов, равномерно заполняя ими пространство в каждой из секций как в центральной части, так влево и вправо от нее в направлениях к боковым сторонам рамки, которые образуют с краевыми верхней и нижней пластинами, являющимися одновременно верхней и нижней сторонами рамки, соединение по типу таврового; верхняя и нижняя краевые пластины развернуты их широкими сторонами под прямым углом к промежуточным пластинам; число рядов отверстий для соединения между собой спиральных нагревательных элементов на пластинах неодинаково - в краевых верхней и нижней пластинах отверстия выстроены в один ряд, в остальных промежуточных пластинах - в два ряда; крепление на краевых верхней и нижней пластинах концов спиральных нагревательных элементов в краевых верхних и нижних секциях осуществлено парами с образованием Λ-образных фигур с размещением вершин на краевых пластинах с одним рядом отверстий, а их расходящихся частей - на соседних близлежащих промежуточных пластинах с двумя рядами отверстий, а в промежуточных секциях спиральные нагревательные элементы установлены в виде протяженных параллельных рядов перпендикулярно промежуточным пластинам; электрические соединения рамок и выход на источник питания осуществлены посредством расположенных у боковых сторон рамки непарных спиральных нагревательных элементов в местах их крепления с краевыми верхней и нижней пластинами.
кр
пром
Заявляется также усовершенствование нагревательного блока для транспортного электрокалорифера, у которого верхняя и нижняя краевые пластины укреплены дополнительными ребрами жесткости из высокопрочного материала. При этом ширина каждой из краевых верхней и нижней пластин h и ширина каждой из промежуточных пластин Н подчинены соотношению:
кр
пром
h< Н
Кроме того, заявляется также блок нагрева для электрокалорифера, у которого пары спиральных нагревательных элементов в краевых верхней и нижней секциях сходятся соединяемыми концами в Λ-образной фигуре под углом Ω, величина которого подчинена соотношению:
0,05≤Ω/π≤0,2,
где π≈3,14.
cp
Заявляются также оптимальные соотношения размеров спиралей нагревательного блока для транспортного электрокалорифера, в котором отношение длины спирального нагревательного элемента L к среднему диаметру навивки d подчинено соотношению:
cp
5≤L/d≤25;
сп
пр
внутренний диаметр спирального нагревательного элемента d и диаметр проволоки, из которой он навит, d подчинены соотношению:
сп
пр
7≤d/d≤15;
котангенс угла навивки спирального нагревательного элемента, равный отношению шага спирали к его внутреннему диаметру, составляет
5≤ctgφ≤20.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в организации эффективного нагрева с помощью заявляемого нагревательного блока для помещений и пространств в электротранспорте, обусловленного расстановкой и компоновкой спиральных нагревательных элементов (сокращенно спиралей), их количеством и возможностями материалов. Для этого внутри каждой рамки пространство поделено рационально на секции горизонтально протяженными пластинами из высокопрочного материала. Таким образом поделенное на секции пространство организует размещение спиральных нагревательных элементов как в горизонтальном направлении в виде рядов с размещением спиралей на пластинах, так и в вертикальном направлении - расположением одной секции под другой. Сами горизонтальные пластины фактически являются направляющими воздушного потока, обеспечивая максимально равномерное распределение скоростей воздушного потока внутри каждой секции. Разделение функций в заявляемых нагревательных устройствах, максимально возможное освобождение внутреннего пространства электрообогревателей от элементов, не осуществляющих функцию непосредственно нагрева, вынесение из внутреннего пространства электродвигателя и устройства для нагнетания воздушного потока и возможности рациональной организации спиральных элементов позволяют увеличить их количество в освободившемся объеме (за счет последнего вынесения) и значительно увеличить в заданных внешних габаритах мощность нагревательных устройств. При этом одновременно с главной задачей, сформулированной выше - превращением нагревательного устройства в высокомощное устройство, необходимо решать вопрос повышения надежности устройства, его защиты, изоляции и, по крайней мере, сохранения срока службы без увеличения веса, сохранения, а по возможности уменьшения металлоемкости. Соединение концов спиральных нагревательных элементов осуществлено посредством проходящих через отверстия в пластинах, через изоляторы болтов, винтов, шпилек и любой прочей крепящей арматуры в зависимости от размеров нагревательного блока и специфики применения.
В целях лучшего естественного охлаждения рекомендуется размещать спирали на пластине с обеспечением сдвига отверстий в соседних рядах. Как правило, на пластинах - по два ряда отверстий. В заявляемом изобретении на краевых пластинах сверху и снизу, которые одновременно служат горизонтальными верхней и нижней сторонами рамки, выполнен один ряд отверстий.
В целях обеспечения надежного равномерного размещения элементов в заявляемом нагревательном блоке и снижения по возможности веса конструкции поперечная ширина протяженных крепящих пластин неодинакова - те пластины, на которых выполнены по два ряда отверстий, имеют большую ширину, с одним рядом отверстий - меньшую. Однако для укрепления конструкции в целом, по крайней мере, нижнюю сторону рамки в нужных случаях, руководствуясь расчетом, снабжают еще одним ребром жесткости, совмещая его расположение с нижней стороной рамки.
Верхняя и нижняя крепежные пластины ориентированы по отношению к центральной под углом 90° и установлены по отношению к боковым сторонам рамки по типу таврового соединения.
Это также отличие обоих вариантов изобретения.
Заявляемое устройство поясняется с помощью Фиг.1-4. На Фиг.1 показан общий вид (вариант №1), на Фиг.2 - вид спереди (вариант №1), на Фиг.3. - общий вид (вариант №2), на Фиг.4. - вид спереди (вариант №2). Позициями на Фиг.1-4 обозначены:
1 - рамка;
2 - спиральные нагревательные элементы;
3 - боковые стороны рамки;
4 - краевая верхняя пластина;
5 - краевая нижняя пластина;
6 - промежуточные пластины;
7 - отверстия для спиральных нагревательных элементов;
8 - изоляторы;
9 - непарный спиральный нагревательный элемент;
10 - ребра жесткости.
Первый вариант осуществления заявляемого изобретения. Нагревательный блок для транспортного электрокалорифера содержит зафиксированную с помощью крепящей арматуры внутри корпуса по крайней мере одну рамку 1 с расположенными внутри спиральными нагревательными элементами 2. Боковые стороны рамки 3 с краевыми верхней 4 и нижней 5 пластинами, являющимися одновременно верхней и нижней сторонами рамки, образуют соединение по типу таврового для прочного и надежного крепления. Краевые верхняя 4 и нижняя 5 пластины развернуты их широкими сторонами под прямым углом к крепежной горизонтально протяженной промежуточной пластине 6. Последняя делит внутреннее пространство каждой из рамок 1 на две секции, расположенные одна под другой. Все пластины и боковые стороны рамки выполнены из высокопрочного толстостенного материала, как правило, металла. В краевых верхней 4 и нижней 5, а также промежуточной 6 пластинах выполнены отверстия 8 для закрепления спиральных нагревательных элементов 2. Число рядов отверстий 7 в пластинах неодинаково: в краевых верхней 4 и нижней 5 пластинах - по одному ряду, в промежуточной 6 пластине - два ряда. При этом отверстия 7 в рядах в промежуточной пластине 6 расположены таким образом, чтобы обеспечивалось равномерное заполнение спиральными нагревательными элементами 2 пространства в каждой из секций как в центральной части, так влево и вправо от нее в направлениях к боковым сторонам рамки 3. Например, данный результат может быть достигнут путем разнесения отверстий 7 в рядах в промежуточной пластине 6 относительно друг друга. Крепление концов спиральных нагревательных элементов 2 в каждой секции осуществлено через изоляторы 8 парами с образованием Λ-образных фигур. Вершины фигур находятся на верхней 4 и нижней 5 краевых пластинах с одним рядом отверстий 7. Такое размещение отверстий на пластинах является отличием обоих вариантов изобретения. Расходящиеся части фигур обращены в сторону промежуточной пластины 6 с обеспечением крепления концов спиральных нагревательных элементов 2 в ней в двух отверстиях 7. Изоляторы 8 могут быть выполнены как традиционным образом для каждого конца отдельно, так и иначе, например, в виде диэлектрических пластин.
Электрические соединения рамок 1 и выход на источник питания осуществлены посредством расположенных у боковых сторон 3 рамки 1 непарных спиральных нагревательных элементов 9 в местах их крепления с краевыми верхней 4 и нижней 5 пластинами.
Второй вариант осуществления заявляемого изделия аналогичен первому. Но в отличие от первого варианта пространство внутри каждой из рамок поделено по крайней мере на три секции рядом крепежных горизонтально ориентированных промежуточных пластин 6. При этом в промежуточных секциях спиральные нагревательные элементы 2 установлены в виде протяженных параллельных рядов перпендикулярно промежуточным пластинам 6, на которых имеется по два параллельных ряда отверстий, и, следовательно, спиральные элементы установлены в два ряда.
Отличительные режимы работы заявляемых нагревательных блоков ощутимо зависят от геометрических габаритных размеров спиральных нагревательных элементов и материалов. Связывающие их соотношения являются зависимыми признаками и вынесены в зависимые пункты формулы. Расчетные формулы получены экспериментальным путем за счет значительного числа примеров с разными начальными данными.
кр
пром
Кроме того, и в первом, и во втором варианте выполнения заявляемого блока нагрева для укрепления всей конструкции со стороны краевых верхней 4 и нижней 5 пластин установлены дополнительно ребра жесткости 10 из высокопрочного материала. Одним из дополнительных отличий как 1-го, так и 2-го варианта является выполнение следующего соотношения: ширина краевых верхней 4 и нижней 5 пластин h и ширина промежуточных пластин 6 Н подчинены соотношению:
кр
пром
h< Н
Пары спиральных нагревательных элементов 2 в краевых верхней и нижней секциях должны сходиться соединяемыми концами в Λ-образной фигуре под углом Ω, величина которого подчинена соотношению:
0,05≤Ω/π≤0,2,
где π≈3,14.
cp
Отношение длины L спирального нагревательного элемента 2 к среднему диаметру навивки d подчинено соотношению:
cp
5≤L/d≤25.
сп
пр
Внутренний диаметр d спирального нагревательного элемента 2 и диаметр проволоки d, из которой он навит, подчинены соотношению:
сп
пр
7≤d/d≤15.
Котангенс угла навивки спирального нагревательного элемента 2, равный отношению шага спирали к его внутреннему диаметру, составляет
5≤ctgφ≤20.
Расстояние между рамками 1 не превышает 20% от ширины промежуточных пластин 6.
В целях дополнительного укрепления конструкции и снижения вибрационных резонансов в нагревательный блок целесообразно установить вертикально ориентированный штырь (спицу) в центральную зону наибольшего влияния колебаний в роли виброгасителя.
Нагревательный блок для транспортного электрокалорифера работает следующим образом.
При включении блока нагрева в составе электрокалорифера в схему электропитания транспортного средства, например электропоезда, на высоковольтные вводы питания нагревательного блока подается напряжение 3000 В или 628 В в зависимости от типа напряжения контактной сети, питающей электротранспортное средство, в котором установлен электрокалорифер. Подача напряжения на контакты нагревательного блока электрокалорифера осуществляется одновременно при работающей автономно штатной вентиляционной установке электротранспортного средства, создающей необходимый воздушный поток. Приточный воздух, проходя через эту установку, направляется на равномерно расположенные спиральные нагревательные элементы установленных фронтально одна за одной рамок нагревательного блока. Далее нагретый спиральными нагревательными элементами воздушный поток поступает внутрь электротранспортного средства. Работа нагревательного блока воздуха в составе электрокалорифера осуществляется при наличии в составе последнего датчиков температуры в виде реле, которые настроены на контроль превышения как температуры выходящего воздушного потока, так и температуры поверхности его корпуса. При достижении критического значения температуры каждый из датчиков размыкает цепь нагревательных элементов.
В электропоездах нагревательный блок в составе электрокалорифера располагается в надпотолочном пространстве вагона. Нагретый воздушный поток поступает в вагон электропоезда через отверстия, выполненные в потолочной перегородке.
Заявляемый нагревательный блок характеризуется мощным и равномерным тепловым потоком, хорошей согласованностью с большинством штатных вентиляционных систем электротранспортных средств, высокой надежностью, долговечностью, сроком службы.
Примеры. Заявляемые устройства в виде высоковольтных электрокалориферов по вариантам I и II проходят испытания на одном из предприятий г.Саратова на выполнение требований надежности, срока службы, безотказности, в том числе на воздействие внешних механических факторов (включая вибрацию), стойкость к воздействию условий транспортирования и к воздействию климатических факторов. Испытания показали соответствие заданным параметрам. В обоих электрокалориферах используются безынерционные нагревательные блоки на открытых спиралях в полном соответствии с описанием данной заявки. В нагревательном блоке в примерах установлено по 6 прямоугольных рамок (в варианте №1) и 5 прямоугольных рамок (в варианте №2), выполненных из высокопрочного металла и имеющих отверстия для установки отрезков спиралей из высокоомного жаропрочного материала с использованием керамических изоляторов. Плотность тока в спиральных нагревательных элементах примерно в 15 раз ниже, чем в спиралях ТЭНов, используемых другими производителями климатического оборудования для электропоездов. При этом температура открытых спиралей в рабочем режиме не превышала 150°C, в то время как температура спиралей в составе ТЭНов достигает 1000°C и более. Для повышения надежности и электробезопасности нагревательного блока в нем в примерах установлены виброгасящие элементы в центральной части каждой из рамок. Внутри корпусов обоих электрокалориферов установлены в значимых местах датчики в виде реле, обеспечивающие сохранение температуры выходящего потока и корпуса в заданном диапазоне значений. Для возможности варьирования режимами нагревательный блок был изготовлен состоящим из 2 нагревательных модулей мощностью соответственно 8 и 16 кВт, что обеспечивало 3 режима мощности калорифера: 8, 16, 24 кВт. Обеспечена гарантированная номинальная мощность 24 кВт. Электрокалорифер имеет запасы по всем основным параметрам. Вариант №1. Отличия конструкций по вариантам в описываемых примерах заключаются в том, что крепление спиралей в варианте I в двух краевых секциях, которыми и ограничивается конструкция первого варианта, осуществлено с образованием Λ-образной фигуры в верхней секции и фигуры, обратной ей по форме (V-образной) в нижней секции. На каждой краевой пластине только по одному ряду отверстий. Других секций в каждой из рамок по варианту №1 нет.
Вариант №2 включает целиком в себя вариант №1 и дополнен рядом промежуточных секций иной модификации - с параллельно ориентированными спиральными нагревательными элементами. Отличие примера в устройстве по второму варианту в том, что выполнено три промежуточные пластины (а может быть и больше, такой пример в данной заявке не приводится) и, следовательно, добавлено две промежуточные секции с двумя протяженными рядами параллельно ориентированных спиральных нагревательных элементов. Данный нагревательный блок мощнее, чем по варианту №1.