УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, теплотехники, а именно к конструкции нагревательных элементов для теплообменных устройств и устройств теплопередачи различного назначения, и может быть широко использована в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и в быту в качестве нагревателей для обогрева помещений любой влажности, подогрева жидкостей, например воды, газа, например воздуха, и др.
Известны трубчатые электрические нагреватели, состоящие из корпуса в виде металлической трубки, нагревательной спирали, наполнителя, двух контактных стержней с контактными гайками и двух герметичных пробок. В качестве наполнителя используют кварцевый песок (см. Лепаев Д.А. Электрические приборы бытового назначения. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с.7-8).
Известен также трубчатый нагреватель, состоящий из металлической трубки, внутри которой запрессована биспираль, изолированная от стенок трубки электроизоляционным материалом. Биспираль соединена с выводными стержнями и с источником электрического напряжения (см. авт. свид. СССР на изобретение №253961, МПК Н 05 В 03/48, 1969).
Недостатком описанных трубчатых нагревателей является низкий коэффициент полезного действия (КПД) из-за малой площади нагревательного элемента, выполненного в виде спирали или биспирали, являющейся проволочным резистором, а также высокое потребление электроэнергии, что снижает эксплуатационные удобства нагревателей..
Известен трубчатый электронагреватель, содержащий корпус в виде трубки с наполнителем, токоввод для питания и нагревательный элемент, выполненный в виде толстопленочного резистора на металлодиэлектрической подложке, а наполнителем является трансформаторное масло (см. патент РФ на изобретение №2120199, МПК Н 05 В 03/48, опубл. 10.10.1998 г.).
Недостатками известного трубчатого электронагревателя являются низкий КПД, высокая теплоемкость, повышенные требования к герметичности, что также ухудшает эксплуатационные удобства известного электронагревателя.
Известен электронагреватель текущей среды в теплоизолирующем кожухе с проволочными нагревательными элементами, проходящими внутри электроизолирующих
втулок, спирально уложенных в межтрубном пространстве вокруг труб. При этом нагревательные элементы уложены, по крайней мере, двумя участками с разными шагами, причем больший шаг обеспечивается прокладкой между витками проволочного нагревательного элемента одного или двух витков пассивной проволоки, проходящей внутри таких же электроизолирующих втулок (см. патент РФ на изобретение №2173943, МПК Н 05 В 03/32, F 24 H 01/14, опубл. 20.09.2001 г.).
Недостатками известного электронагревателя текущей среды являются возможность нагрева жидкости только через внешнюю поверхность трубы или емкости, в которой находится жидкость (текущая среда), невозможность нагрева воздуха, сложность конструкции и, как следствие, ее удорожание, а также малый срок эксплуатации ввиду воздействия высоких температур на элементы конструкции.
Наиболее близким техническим решением является известное устройство для нагрева текучей среды, содержащее электропроводный резистивный нагревательный элемент, имеющий два свободных конца, соединенных с двумя концевыми контактными площадками, при этом электропроводный резистивный нагревательный элемент изолирован полимерным материалом, находящимся в контакте с нагреваемой текучей средой, и выполнен в виде винтовой спиральной обмотки, размещенной в канавках, образованных в наружной поверхности полого стержня из полимерного материала, и герметично инкапсулированной посредством покрытия из высокотемпературного полимерного материала. Полый стержень из полимерного материала изготовлен посредством литья под давлением и имеет, по меньшей мере, одно отверстие, предназначенное для пропускания через него текучей нагреваемой среды. Кроме этого полый стержень из полимерного материала с отверстием на одном из его концов имеет ступенчатую втулку с фланцем на ее наружном конце, при этом упомянутый электропроводный резистивный нагревательный элемент, выполненный в виде винтовой спиральной обмотки, расположен на упомянутом стержне из полимерного материала, а покрытие из высокотемпературного полимерного материала нанесено поверх упомянутой винтовой спиральной обмотки. Полый полимерный стержень выполнен из термопластичного материала, имеющего температуру плавления более 93,3°С (см. патент РФ на изобретение №2171550, МПК Н 05 В 3/40, Н 05 В 3/82, Н 05 В 3/78, Н 05 В 1/02, опубл. 27.07.2001 г.).
Недостатками известного устройства для нагрева являются сложность конструкции и технология изготовления, ограниченность в длине резистивного нагревательного элемента, низкий КПД из-за малой площади теплосъемной поверхности, невозможность
прямого нагрева им воздушной среды, а также малый срок эксплуатации. Это ухудшает эксплуатационные свойства известного устройства.
Кроме этого, всем вышеперечисленным известным устройствам для нагрева присущ быстрый выход из строя при отсутствии или вытекании жидкости вокруг нагревательных элементов.
Задачей, на выполнение которой направлена полезная модель, является повышение эксплуатационных удобств устройства для нагрева и снижение стоимости его изготовления.
Технический результат заключается в повышении интенсификации потоков нагретой среды непосредственно вокруг устройства для нагрева, повышении срока эксплуатации, а также в оптимизации геометрических размеров наружной поверхности элементов, составляющих заявленное устройство для нагрева.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для нагрева, содержащем полый стержень, на наружной поверхности которого образована, по крайней мере, одна канавка, электропроводный резистивный нагревательный элемент, согласно полезной модели, полость стержня образована, по крайней мере, двумя сквозными отверстиями, одно из которых проходит вдоль центральной продольной оси стержня, при этом отношение площадей центрального отверстия и каждого из отверстий, смещенных от центральной продольной оси стержня, лежит в диапазоне от 0,4 до 225.
При этом, по крайней мере, одна канавка может быть выполнена спиральной или проходить параллельно центральной продольной оси стержня.
Поперечное сечение стержня может представлять собой окружность, наружный диаметр которой лежит в диапазоне от 65 до 130 мм, или овал, или многоугольник.
Профиль отверстий в стержне может представлять собой окружность, при этом диаметр отверстий может находиться в диапазоне от 4 до 60 мм. Профиль отверстий в стержне может представлять собой многоугольник.
Целесообразно, чтобы число отверстий в стержне не превышало 30.
Предпочтительно, чтобы длина стержня не превышала 1000 мм, при этом стержень может быть выполнен состоящим из идентичных частей, длина которых может лежать в диапазоне от 15 до 40 мм.
Профиль ребер, образованных канавкой на стержне, может представлять собой многоугольник и быть Λ-образной формы или П-образной формы. Вершина ребер канавки на стержне может быть выполнена закругленной, а боковые стенки ребер канавки на стержне могут быть выполнены изогнутыми.
Ребра канавки на стержне могут быть выполнены сужающимися к основанию.
Целесообразно, чтобы высота ребер канавки на стержне лежала в диапазоне от 4 до 12 мм, их толщина - в диапазоне от 3 до 12 мм, а шаг выполнения ребер - в диапазоне от 8 до 15 мм.
Предпочтительно, чтобы в качестве материала для стержня была выбрана электроизоляционная керамика, либо фарфор, либо стеклокерамика, либо термостойкое стекло.
Эксплуатационные свойства заявленного устройства для нагрева улучшены по сравнению с аналогами за счет выполнения нескольких, возможно различных по диаметру, сквозных отверстий в стержне, внутри которых может размещаться резистивный нагревательный элемент, например, нихромовая проволока, и беспрепятственно распространяться потоки нагретой среды, например, жидкости или газа, чем повышается динамика и интенсификация распространения конвективных потоков жидкости, например воды, или газа, например воздуха, вдоль стержня, и, соответственно, резистивного нагревательного элемента, находящегося на стержне или внутри стержня. Соотношение диаметров отверстий выбирается из соображений оптимального распространения тепла по всему телу стержня. При этом за счет наличия полостей уменьшается масса стержня и количество используемого для его изготовления материала, что снижает его стоимость и стоимость устройства для нагрева в целом. Кроме того, наличие ребер, образованных, по крайней мере, одной канавкой, также приводит к повышению эксплуатационных свойств устройства для нагрева, поскольку ребра, образованные канавкой, кроме функции возможного размещения резистивного нагревательного элемента, одновременно играют роль элемента крепления устройства для нагрева на стороннем теле.
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг.1 представлен пример выполнения стержня устройства для нагрева с профилем поперечного сечения в виде окружности, резьбовой канавкой и симметрично расположенными сквозными отверстиями; на фиг.2 - то же, вид сбоку, разрез; на фиг.3 представлен пример выполнения стержня устройства для нагрева с профилем поперечного сечения в виде многоугольника, продольными канавками с ребрами в виде многоугольника и симметрично расположенными сквозными отверстиями; на фиг.4 - то же, вид сбоку, разрез; на фиг.5 представлен пример выполнения стержня устройства для нагрева с профилем поперечного сечения в виде многоугольника, продольными канавками с ребрами, стенки которых изогнуты, и ассиметрично расположенными сквозными отверстиями; на фиг.6 - то же, вид сбоку, разрез; на фиг.7 показаны примеры выполнения профилей ребер канавки на стержне.
Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - полый стержень; 2 - канавка на наружной поверхности стержня 1; 3 - центральное отверстие в стержне 1; 4 - отверстие, смещенное от центральной продольной оси стержня 1; 5 - ребра канавки 2 на наружной поверхности стержня 1.
Устройство для нагрева содержит полый стержень 1, на наружной поверхности которого образована, по крайней мере, одна канавка 2, а также электропроводный резистивный нагревательный элемент. Полость стержня 1 образована, по крайней мере, двумя сквозными отверстиями, одно из которых проходит вдоль центральной продольной оси стержня 1. Отношение площадей центрального отверстия 3 и каждого из отверстий 4, смещенных от центральной продольной оси стержня 1, лежит в диапазоне от 0,4 до 225 (фиг.1-6). При этом резистивный нагревательный элемент может располагаться как на наружной поверхности стержня 1 в канавках 2, так и внутри стержня 1 - в сквозных отверстиях 3 и 4.
Канавка 2 на наружной поверхности стержня 1 может быть выполнена спиральной (фиг.2) или проходить параллельно центральной продольной оси стержня 1 (фиг.4 и 6).
Поперечное сечение стержня 1 может представлять собой окружность (фиг.1), наружный диаметр которой лежит в диапазоне от 65 до 130 мм, или овал, или многоугольник (фиг.3 и 5).
Профиль отверстий 3 и 4 в стержне 1 представляет собой окружность (фиг.1 и 6), при этом число отверстий 3 и 4 в стержне 1 не превышает 30. Отверстия 3 и 4 в стержне 1 выполнены различных диаметров в диапазоне от 4 до 60 мм. Кроме того, профиль отверстий 3 и 4 может представлять собой многоугольник, например, квадрат или правильный шестиугольник (на чертеже не показано).
Длина стержня 1 не превышает 1000 мм, при этом стержень 1 может быть выполнен состоящим из идентичных частей, длина которых лежит в диапазоне от 15 до 40 мм.
Профиль ребер 5 канавки 2 на стержне 1 представляет собой многоугольник (фиг.7). Так, например, профиль ребра может быть выполнен Λ-образной или П-образной формы.
Вершина ребер 5 канавки 2 на стержне 1 может быть выполнена закругленной, а боковые стенки ребер 5 канавки 2 на стержне 1 могут быть выполнены изогнутыми. Ребра 5 канавки 2 на стержне 1 также могут быть выполнены сужающимися к основанию (фиг.7).
Высота ребер 5 канавки 2 на стержне 1 лежит в диапазоне от 4 до 12 мм, при этом толщина ребер 5 канавки 2 на стержне 1 лежит в диапазоне от 3 до 12 мм.
Шаг выполнения ребер 5 канавки 2 на стержне 1 лежит в диапазоне от 8 до 15 мм.
В качестве материала для стержня 1 может быть выбрана, например, электроизоляционная керамика, или фарфор, или стеклокерамика, или термостойкое стекло.
Принцип использования устройства для нагрева следующий.
Устройство для нагрева содержит полый стержень 1 и резистивный нагревательный элемент, например, нихромовую проволоку, который располагается либо в канавке 2 на наружной поверхности стержня 1, либо внутри сквозных отверстий 3 и 4, которые образуют полость стержня 1. При пропускании по нагревательному элементу электрического тока, последний выделяет тепло, которое передается непосредственно от нагревательного элемента, распространяется через полости внутри стержня 1, а также через внутреннюю и наружную поверхности стержня 1. Кроме того, дополнительным теплоносителем в данном случае является среда, в которой находится устройство для нагрева, например, жидкость (вода) или газообразная текучая среда (воздух). Ребра 5, выполненные вследствие наличия канавки 2 на наружной поверхности стержня 1, кроме образования возможного места для размещения резистивного нагревательного элемента, являются также элементом крепления устройства для нагрева в стороннем теле.
Таким образом, предложенное устройство для нагрева обладает повышенными эксплуатационных удобствами, сниженными затратами на его изготовление, при этом характеризуется в работе более интенсивным распространением потоков нагретой среды непосредственно вокруг устройства для нагрева, а также оптимизацией геометрических размеров наружной поверхности элементов, составляющих заявленное устройство для нагрева.