ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к теплотехнике, а именно к устройствам для получения и использования тепла, образующегося иначе, чем в процессах горения.
Известны устройства для превращения электрической энергии в тепловую энергию (RU 2252369 С2, 20.7.05.2005; RU 2269071 C1, 27.01.2006; RU 67373 U1, 10.10.2007; RU 93508 U1, 27.04.2010). В известных устройствах тепловыделяющие элементы выполнены в виде трубчатых электронагревательных элементов, т.е. проводников с большим электрическим сопротивлением. Однако при резистивном нагреве какой-либо среды с помощью таких тепловыделяющих элементов количество потребляемой электрической энергии примерно в 1,3 больше, чем используемой тепловой.
Известен также тепловыделяющий элемент, содержащий, как и заявленный, металлические электроды, подключенные к источнику электрического тока (RU 2273807 C1, 10.04.2006 - прототип).
Однако конструкция устройства для получения тепла по патенту RU 2273807 имеет низкие эксплуатационные характеристики, поскольку не обеспечивает значительное снижение потребляемой электрической энергии, содержит емкость с жидким электролитом с погруженными в него электродами, имеет большие габариты и сложную технологическую схему получения тепла. Наряду с этим затруднено использование этой конструкции для нагревания различных сред (жидкой, газообразной, твердых тел и т.д.). Кроме того, приведенные выше известные устройства для получения тепловой энергии имеют показатели энергетической эффективности меньше единицы.
Задача полезной модели состояла в разработке конструкции тепловыделяющего элемента с высокими эксплуатационными характеристиками, главными показателями которых в данном случае являются высокое совершенство преобразования затрачиваемой энергии в полезную энергию (высокий коэффициент энергетической эффективности устройства), быстрый запуск (выход на эксплуатационный режим), устойчивость протекания теплового (плазменного) процесса, уменьшение габаритов устройства, уменьшение количества различных рабочих элементов, участвующих в технологическом процессе получения тепла, возможность использования для нагревания различных сред (жидкой, газообразной, твердых тел), высокая механическая прочность и надежность.
Таким образом, технический результат заключается в повышении эксплуатационных характеристик тепловыделяющего элемента.
Указанный технический результат достигается тем, что в тепловыделяющем элементе, содержащем металлические электроды, подключенные к источнику электрического тока, согласно полезной модели, электроды выполнены в форме дисков большего и меньшего диаметров, которые установлены соосно с примыканием торцевой поверхности к друг другу и с чередованием большего и меньшего диаметра. На торцевые поверхности каждого электрода нанесен состоящий из измельченной смеси поликристаллических веществ слой, покрытый электроизолирующей оксидной пленкой. При этом смесь поликристаллических веществ состоит из хлорида рубидия, хлорида цезия, оксида магния, оксидов железа и гранита.
Кроме того, тепловыделяющий элемент может быть заключен в герметичный корпус, выполненный из жаропрочного и непроводящего электрический ток материала.
Рекомендуется, чтобы корпус был выполнен из кварцевого стекла.
Предусмотрено, что на каждый диск меньшего диаметра может быть установлено центрирующее кольцо, внешний диаметр которого равен диаметру большего диска.
Наряду с этим предусмотрено, что центрирующее кольцо может быть выполнено из кварцевого стекла.
Также рекомендуется, чтобы в состав слоя, состоящего из измельченной смеси поликристаллических веществ, были включены радионуклиды и частицы с электретными свойствами.
На чертеже показан общий вид тепловыделяющего элемента в разрезе.
Тепловыделяющий элемент содержит металлические электроды (1), подключенные к источнику электрического тока через электроклеммы (2). Электроды выполнены в форме дисков большего и меньшего диаметров, которые установлены соосно с примыканием торцевой поверхности друг к другу и с чередованием большего и меньшего диаметра. Такое конструктивное выполнение электродов (дисков) позволяет увеличить плотность теплового потока (количество тепла), отводимого от элемента. Для формирования электроплазменных зон (газоразрядной плазмы) в районе примыкания электродов, на торцевые поверхности каждого электрода с двух сторон нанесен слой (3), состоящий из измельченной смеси поликристаллических веществ, покрытый электроизолирующей оксидной пленкой. При этом смесь поликристаллических веществ состоит из хлорида рубидия, хлорида цезия, оксида магния, оксидов железа и гранита. Как показали лабораторные испытания, наиболее интенсивно плазменный процесс развивается и протекает при указанных выше веществах, присутствующих в слое, наносимом на торцевые поверхности электродов, входящих в конструкцию устройства. В то же время возникновение стабильного и интенсивного плазменного процесса обуславливает получение наиболее высокого коэффициента энергетической эффективности теплогенерирующего устройства, определяемого как отношение полученной энергии к затраченной.
Электроизолирующая оксидная пленка может быть образована путем обработки слоя пламенем пропан-бутановой газовой горелки.
Практически использовалось сочетание чередующихся электродов с диаметрами 30 и 40 мм и толщинами 15 мм. Конкретные значения диаметров и толщин электродов (дисков) выбираются по технологическим соображениям - удобства последующего монтажа в составе более сложных устройств и нагреваемых сред. При этом испытывались модели длиной от 300 до 1800 мм.
Тепловыделяющий элемент может быть заключен в герметичный корпус, выполненный из жаропрочного и непроводящего электрический ток материала. Рекомендуется, чтобы корпус был выполнен из кварцевого стекла.
Предусмотрено, что на каждый диск меньшего диаметра может быть установлено центрирующее кольцо, внешний диаметр которого равен диаметру большего диска. Наряду с этим предусмотрено, что центрирующее кольцо может быть выполнено из кварцевого стекла. Использование корпуса и центрирующего кольца из кварцевого стекла позволяет в наибольшей степени использовать тепло, передающееся от тепловыделяющего элемента посредством излучения. Таким образом, тепловыделяющий элемент, заключенный в корпус из кварцевого стекла, и с центрирующим кольцом, также выполненным из кварцевого стекла, представляет собой инфракрасный нагреватель для обогрева производственных помещений. Такая конструкция тепловыделяющего элемента может использоваться в составе более сложных устройств, требующих наличия вертикально расположенных нагревательных инфракрасных элементов. Тепловыделяющий элемент (в том числе без корпуса) может размещаться на горизонтальной нагреваемой поверхности. В этом случае он может быть использован в конструкции устройств типа муфельных печей и внешних нагревателей любых устройств.
Рекомендуется, чтобы в состав слоя, состоящего из измельченной смеси поликристаллических веществ, были включены радионуклиды и частицы с электретными свойствами. Эти вещества способствуют быстрому формированию электроплазменных высокотемпературных зон в тепловыделяющем элементе.
Для компенсации термоудлинения тепловыделяющего элемента (до нескольких миллиметров на метр длины сборки электродов) могут использоваться пружины, установленные с одного из торцов.
Тепловыделяющий элемент работает следующим образом.
При подаче напряжения от источника электрического тока через электроклеммы (2) на металлические электроды (1), в зоне примыкания электродов - где нанесен слой (3), состоящий из измельченной смеси поликристаллических веществ, покрытый электроизолирующей оксидной пленкой, создается разряд и возникает газоразрядная плазма, сопровождаемая высокой температурой и выделением большого количества тепловой энергии.
В процессе лабораторных исследований тепловыделяющего элемента использовался переменный ток частотой 50 Гц, который может быть получен от устройств типа сварочных трансформаторов. При этом величина сила тока находилась в диапазоне 120-150 ампер при напряжении, зависящем от количества электродов в сборке.
При работе тепловыделяющего элемента, расположенного в ложе из огнеупорного кирпича, среднее значение яркостной температуры, измеренной пирометром «Кельвин компакт 1600», составляет:
- на цилиндрической боковой поверхности «малых» дисков около 770 градусов Цельсия и;
- на цилиндрической боковой поверхности «больших» дисков около 700 градусов Цельсия.
При этом разброс температур составляет для «больших» дисков от 670 до 720, а для «малых» дисков от 750 до 800 градусов.
В результате проведенных лабораторных исследований подтверждено, что показатель энергетической эффективности предложенного тепловыделяющего элемента существенно больше единицы, т.е. подводимая (затраченная) электрическая энергия меньше выработанной тепловой.
Улучшение эксплуатационных характеристик предлагаемого тепловыделяющего элемента обусловлено повышением коэффициента энергетической эффективности предлагаемого устройства (сокращением энергозатрат), быстрым выходом на эксплуатационный режим работы за счет устойчивости протекания плазменного процесса, высокой механической прочностью и эксплуатационной надежностью, уменьшением габаритов устройства в широком диапазоне мощностей, уменьшением количества рабочих элементов, участвующих в технологическом процессе получения тепла, и возможностью использования предлагаемого тепловыделяющего элемента для нагревания окружающей среды, находящейся в различном физическом состоянии - в жидком, газообразном и твердом).
Таким образом, технический результат, заключающейся в улучшении эксплуатационных характеристик, обеспечивается совокупностью существенных признаков, приведенных в независимом пункте формулы полезной модели.