ИНФРАКРАСНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к области электрического нагрева текучих сред, в частности воды, и может быть применена в качестве нагревательного элемента накопительного электроводонагревателя.
Уровень техники
Из уровня техники известно инфракрасное нагревательное устройство (см. KR101105541, кл. H05B3/44, публ. 2012 г. [1].
Известное нагревательное устройство [1] содержит основание с установленной на нем полой изоляционной трубкой из диэлектрического материала, через которую проходит обратный электрический проводник, подключенный к спирали, которая намотана на ее внешнюю поверхность и изготовлена из токопроводящего углеродного волокна, испускающего при нагреве инфракрасное излучение, при этом спираль защищена стеклянной внешней колбой, установленной к основанию.
В следствии того, что режим эксплуатации нагревательного устройства [1] сопряжен с непосредственным периодическим соприкосновением с его внешней поверхностью, например, в результате проведения осмотра, планового обслуживания или уборки (удаление пыли с поверхности), существует вероятность механического повреждения внешней защитной колбы, поскольку она выполнена из хрупкого материала, что в свою очередь, при неосторожном обращении, может привести к повреждению кожного покрова пользователя осколками стекла.
Таким образом, основные недостатки известного инфракрасного устройства нагрева проявляются в ненадежности конструкции и опасности получения травмы в процессе эксплуатации.
В качестве дополнительного недостатка данного технического решения можно отметить ограниченные функциональные возможности, препятствующие возможности ее эксплуатации в качестве нагревателя текучей среды, поскольку влагоизоляция основания конструктивно не предусмотрена и собственно электрический контакт с внешним источником электричества производится с помощью контактного резьбового цоколя, а защитная колба установлена не герметично.
Из уровня техники известен инфракрасный отопительный прибор (см. KR100939920, кл. H05B3/14, публ. 2010г. [2]).
Известное инфракрасное отопительное устройство [2] содержит цокольное основание, по меньшей мере, один U-образный спиральный нагревательный элемент из углеродных нитей, помещенный в соответствующую U-образную стеклянную трубку, сверху, которой на цокольном основании установлена дополнительная защитная стеклянная колба.
Выполнение спирального нагревательного элемента из углеродного материала U-образной формы значительно увеличивает габариты цокольного основания и соответственно дополнительной защитной колбы, что затрудняет использование прибора в относительно компактных отопительных системах.
Кроме того, в результате того, что в цокольном основании выполнены отверстия для поддержания невакуумного состояния между внешней защитной стеклянной колбой и внутренней U-образной стеклянной трубкой, не представляется возможным применение данного прибора в качестве нагрева текучей, поскольку попадание воды внутрь контактного цоколя может спровоцировать возникновение короткого замыкания и как следствие пожароопасной ситуации.
Таким образом, недостатком известного технического решения [2] можно считать весьма узкую область его применения, ограниченную использованием инфракрасного нагревателя в относительно крупногабаритных отопительных системах исключительно для локального обогрева участков помещений.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является трубчатый электронагреватель различных сред, в частности воздуха, воды или других жидкостей (см. RU167500, кл. H05B3/48, публ. 2017г. [3]).
Известный электронагреватель жидкой среды содержит влагозащищенное контактное основание с установленным на нем полым изоляционным стержнем, на который навита спираль из нагревающегося за счет электропроводности материала, поверх которой герметично установлена защитная оболочка.
Существенными недостатками данного технического решения [3] является то, что изготовление внешнего защитного корпуса из металлокерамики при длительном нахождении электронагревателя в жидкой среде приводит к риску возникновения коррозии и в результате к последующему выходу из строя прибора, следовательно, для предотвращения преждевременной поломки приборов, в обслуживаемых отопительных системах, необходима регулярная очистка контактирующих с жидкостью поверхностей от накипи, а в необслуживаемых отопительных системах долговечность работы прибора будет напрямую зависеть от минерально-солевого состава воды.
Дополнительно среди недостатков данного водонагревателя можно отметить недостаточный уровень влагозащищенности, поскольку защитный от воды корпус (герметичная оболочка) только один и в случае образования протечки, в следствии, бракованного изделия, появлении трещины или разгерметизации стыков высоковероятно повреждение прибора и возникновения пожароопасной ситуации.
Раскрытие полезной модели
Задачей (технической проблемой) предлагаемой полезной модели является создание надежного инфракрасного электронагревателя, предназначенного для успешной долговременной эксплуатации в текучей среде различного минерально-солевого состава.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели, который объективно проявляется при ее использовании, является предотвращение образования накипи, повреждающей рабочую поверхность устройства и ухудшающей свойства его элементов.
Указанный технический результат, решающий поставленную перед полезной моделью задачу (техническую проблему) достигается в результате того, что  электронагреватель жидкой среды содержит влагозащищенное контактное основание с установленным на нем полым изоляционным стержнем, на который навита спираль из нагревающегося за счет электропроводности материала, поверх которой герметично установлена защитная оболочка, при этом электронагреватель содержит дополнительную герметично установленную защитную оболочку, выполненную с возможностью поддержания геометрической формы спирали и образования вокруг нее вакуума, при этом обе защитные оболочки выполнены стеклянными, а спираль изготовлена из сплетения углеродных волокон, при нагреве, которого испускается инфракрасное излучение.
Наиболее предпочтительно, если сплетение углеродных волокон изготовлено длиной и толщиной, позволяющей при нагреве испускать инфракрасные волны длиной порядка 1800-2400 нм.
По одному из предпочтительных вариантов изготовления полезной модели защитные оболочки центрированы между собой посредством пружины, размещенной между ними в верхней части.
Как правило, основание элетронагревателя жидкой среды снабжено патрубками для погружаемых датчиков термостата и термоограничителя.
В соответствии с решаемой технической проблемой полезной модели успешно реализуется надежный электронагреватель жидкой среды, который имеет защищенное от проникновения жидкости контактное основание с установленным на нем изоляционным стержнем, на который навита спираль (нагревательный элемент), испускающая при нагреве инфракрасное излучение, поверх которой герметично установлена оболочка из кварцевого стекла, защищающая непосредственно спираль и другие элементы и части, в том числе свою же внешнюю поверхность от возникновения накипи, которая провоцирует эрозию поверхностей, а также, позволяющая эффективно проникать через нее инфракрасному излучению и осуществлять нагрев, окружающей жидкости.
Кроме того, непосредственное сплетение углеродных волокон, находящихся в окружении вакуума, созданном посредством дополнительной герметичной оболочки из кварцевого стекла (которая также дополнительно усиливает влагоизоляцию), позволяет испускать эффективное инфракрасное излучение, свободно проходя через обе защитные оболочки и соответственно нагревать жидкость, при практически, отсутствующими иными видами теплообмена, в том числе конвективным.
Таким образом, в результате того, что электронагреватель жидкой среды содержит влагозащищенное контактное основание с установленным на нем полым изоляционным стержнем, на который навита спираль из нагревающегося за счет электропроводности материала, поверх которой герметично установлена защитная оболочка, в результате того, что электронагреватель содержит дополнительную герметично установленную защитную оболочку, выполненную с возможностью поддержания геометрической формы спирали (для стабильного излучения) и образования вокруг нее вакуума, а также в результате того, что спираль изготовлена из сплетения углеродных волокон, при нагреве, которого испускается инфракрасное излучение - создается надежный инфракрасный электронагреватель, который может успешно и долговременно эксплуатироваться в жидкости любого минерально-солевого состава, поскольку он защищен от образования накипи, повреждающей рабочую поверхность устройства и ухудшающей свойства его элементов.
Указанные признаки, предлагаемого электронагревателя жидкой среды образуют совокупность существенных признаков необходимых и достаточных для решения поставленной задачи (технической проблемы), заключающейся в создании надежного инфракрасного нагревателя жидкости, приспособленного для успешной долговременной работы в текучей среде различного минерально-солевого состава и соответственно для достижения технического результата в виде предотвращении образования накипи, которая способна повреждать рабочую поверхность устройства и ухудшать свойства его элементов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен иллюстрирующий вариант предлагаемого инфракрасного электронагревателя жидкой среды.
Осуществление полезной модели
Предлагаемая полезная модель поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядным образом демонстрирует достижение данной совокупностью существенных признаков решение заданной технической проблемы и достижение заданного технического результата.
На фиг. 1 представлены следующие части и элементы предлагаемого электронагревателя жидкой среды:
1 – контакты для электрического подключения нагревателя;
2 – контактное основание;
3 – защитная оболочка в виде внешней колбы из кварцевого стекла;
4 – дополнительная защитная оболочка в виде внутренней колбы из кварцевого стекла;
5 – верхний узел подключения нагревательной спирали;
6 – пружина для центровки защитной оболочки с дополнительной защитной оболочкой;
7 – патрубки для погружных датчиков термостата и термоограничителя;
8 – нагревательная спираль;
9 – полый изоляционный стержень;
10 – нижний узел подключения нагревательной спирали;
11 – обратный электрический проводник.
Предлагаемый инфракрасный электронагреватель жидкой среды, согласно замыслу полезной модели, содержит влагозащищенное контактное основание 2 с установленным на нем полым изоляционным стержнем 9, на который навита нагревательная спираль 8, которая нагревается за счет электропроводности материала.
Поверх нагревательной спирали 8 герметично установлена защитная оболочка 3, выполненная в виде внешней колбы из кварцевого стекла.
Электронагреватель содержит дополнительную герметично установленную защитную оболочку 4, выполненную в виде внутренней колбы также из кварцевого стекла.
Герметичные защитные оболочки 3 и 4, выполненные из кварцевого стекла, полностью предотвращают попадание влаги внутрь устройства и эффективно пропускают через себя инфракрасные волны.
Дополнительная защитная оболочка 4 установлена с возможностью поддержания геометрической формы нагревательной спирали 8 и образования вокруг нее вакуума.
Нагревательная спираль 8 изготовлена из сплетения углеродных волокон, при нагреве, которого  испускается интенсивное инфракрасное излучение.
Герметичные защитные оболочки 3 и 4 центрированы между собой посредством пружины 6, размещенной между ними в концевой части электронагревателя.
Контактное основание 2 снабжено патрубками 7 для погружных датчиков термостата и термоограничителя.
Контакты 1 для электрического подключения электронагревателя проходят через контактное основание 2 и подключаются с помощью нижнего узла подключения 10 к нагревательной спирали 8.
Через полый изоляционный стержень 9 пропущен обратный электрический  проводник 11, подключенный к нагревательной спирали 8 посредством верхнего узла подключения 5.
Предлагаемый электронагреватель жидкой среды работает следующим образом.
Принцип работы предлагаемого электронагревателя жидкой среды основан на эффекте передачи тепла с помощью инфракрасного излучения (лучевой эффект).
В результате подачи переменного тока напряжением 220 В на нагревательную спираль 8, изготовленную из сплетения углеродных волокон, она раскаляется до высоких температур и тем самым сплетение углеродных волокон начинает интенсивно излучать тепловую энергию в инфракрасном диапазоне частот.
Интенсивные инфракрасные лучи беспрепятственно проходят через защитные оболочки 3 и 4, выполненные из кварцевого стекла и передают всю тепловую энергию непрозрачным частицам, находящимся в нагреваемой жидкости, например воде, а также стенкам емкости, в которой эта жидкость налита (стенки внутренней емкости бака водонагревателя), что в свою очередь обеспечивает последующий нагрев жидкости, в частности воды (непрозрачные частицы и стенки емкости передают тепло в жидкость).
Углеродные волокна, из которых изготовлена нагреваемая спираль 8 являются основой предлагаемого электронагревателя, при этом экспериментально установлено, что углеродные волокна плотно переплетенные между собой, образуя своеобразное плетение, закрученное в спираль, позволяют получать интенсивное инфракрасное излучение, которое эффективно нагревает жидкость, например, воду и преобладает при этом над другими видами теплообмена.
Интенсивность инфракрасного излучения, подавляющего другие виды теплообмена, в частности, конвективного теплообмена также зависит от того, что нагревательная спираль 8 как таковая никак не контактирует с нагреваемой жидкой средой, поскольку заключена в вакуум, при этом инфракрасное излучение свободно проникает через кварцевое стекло защитных оболочек 3 и 4, при этом важно отметить, что в связи с  тем, что контакт с нагреваемой средой полностью исключен, то следовательно отсутствуют и другие виды теплообмена, в частности конвективный.
Нагревательная спираль 8, изготовленная из сплетения углеродных волокон и помещенная в вакуумную среду, посредством дополнительной защитной оболочки 4, при нагревании не перегорает и всегда сохраняет свою геометрическую форму. Такая особенность позволяет успешно использовать предлагаемый электронагреватель достаточно длительное время, придерживаясь при этом правил эксплуатации прибора, содержащего нагревательные элементы из углеродного волокна.
На основании изложенного, а также с у четом решаемой технической проблемы полезной модели, создаваемый электронагреватель жидкой среды успешно и надежно реализуется и при этом имеет защищенное от проникновения жидкости контактное основание 2 с установленным на нем полым изоляционным стержнем 9, на который навита нагревательная спираль 8 (нагревательный элемент), испускающая при нагреве инфракрасное излучение, поверх которой герметично установлена защитная  внешняя оболочка 3 из кварцевого стекла, защищающая непосредственно нагревательную спираль 8 и другие элементы и части, в том числе свою же внешнюю поверхность от возникновения накипи, которая провоцирует эрозию поверхностей, а также, позволяющая эффективно проникать через нее инфракрасному излучению и осуществлять нагрев, окружающей жидкости.
Также установлено, что непосредственное сплетение углеродных волокон, находящихся в окружении вакуума, созданном посредством дополнительной герметичной оболочки 4 из кварцевого стекла (которая также дополнительно усиливает влагоизоляцию), позволяет испускать эффективное инфракрасное излучение, свободно проходя через обе защитные оболочки 3 и 4 соответственно нагревать жидкость, при практически отсутствующими иными видами теплообмена, в том числе конвективным.
Таким образом, решаемая техническая проблема (задача) и соответственно заданный технический результат, достигаются благодаря сформулированной совокупности существенных признаков, наглядным образом представленной ниже:
- электронагреватель жидкой среды содержит влагозащищенное контактное основание 2 с установленным на нем полым изоляционным стержнем 9, на который навита нагревательная спираль 8 из нагревающегося за счет электропроводности материала, поверх которой герметично установлена защитная оболочка из кварцевого стекла 3;
- электронагреватель содержит дополнительную установленную защитную оболочку из кварцевого стекла 4, выполненную с возможностью поддержания геометрической формы нагревательной спирали 8 и образования вокруг нее вакуума;
- нагревательная спираль 8 изготовлена из сплетения углеродных волокон, при нагреве которого испускается инфракрасное излучение.
Предлагаемый электронагреватель жидкой среды может найти широкое применение в промышленности, в частности может быть успешно использован для нагрева воды накопительных электронагревателей.