ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИНФРАКРАСНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ

Изобретение относится к электротехнике, более конкретно к инфракрасным нагревательным элементам, применяемым для производственных и бытовых нужд. Изобретение может быть использовано для обогрева производственных и бытовых помещений и создания в них комфортных условий, благоприятных для человека.
Известен инфракрасный излучатель /Патент Российской Федерации №2237946, кл. Н01К 1/04, 2004/, содержащий вакуумированную оптически прозрачную трубчатую колбу, размещенное в ней тело накала из нетканого углеродного волокнистого материала с токовыводами по концам. При подаче на токовыводы напряжения 220 В, потребляемая мощность устройства составляет 1000 Вт и температура тела накала достигает 1000°С. Известное устройство обеспечивает мощный тепловой поток, однако к его недостаткам относится необходимость размещения тела накала в вакуумированном пространстве, а также высокую температуру тела накала, что требует использования огнеупорных и термоизолирующих материалов в его конструкции, а также высокая потребляемая мощность.
Известен панельный инфракрасный нагреватель /Патент США №5028760, кл. Н05В 3/84, 1991/, содержащий электрический нагревательный элемент, размещенный в плоском горизонтально расположенном корпусе и контактирующий с горизонтальной пористой металлической панелью, внешняя поверхность которой покрыта керамикой на основе оксидов алюминия, титана, хрома, магния, циркония и кремния, причем источником инфракрасного излучения является именно керамика. Электрический нагревательный элемент из металлического сплава в процессе работы нагрет до высокой температуры, что снижает его срок службы. Кроме того, конструкция данного нагревателя не обеспечивает возможности внесения заметной конвективной составляющей в процесс теплообмена при его работе.
В качестве прототипа заявленного устройства принят электронагреваемый инфракрасный керамический излучатель /Патент Великобритании №1509148, кл. Н05В 3/00, 1978/, включающий керамический корпус, снабженный множеством сквозных каналов, в которых размещены нагревательные элементы, выполненные в виде металлических нитей накала, соединенных с источником электрического тока, а также средства контроля и регулирования температуры. Известный излучатель предусматривает использование металлических нагревательных элементов, нагретых до высоких температур, что приводит к увеличению потребляемой мощности и снижает срок их службы. Кроме того, инфракрасное излучение высокотемпературных источников по своим характеристикам не позволяет использовать их в течение длительного времени для воздействия на человеческий организм. Известная конструкция излучателя может быть использована, например, для нагрева сауны, но для обогрева жилых помещений пригодность этой конструкции ограничена.
Задачей изобретения является разработка конструкции электрического инфракрасного нагревателя, пригодного для длительного использования в жилых и производственных помещениях и позволяющего создать в них комфортные условия для человека. Техническим результатом изобретения является снижение энергопотребления, повышение срока службы нагревательных элементов, обеспечение возможности санирования помещений, а также обеспечение безопасности использования устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в электрическом инфракрасном нагревателе, включающем керамический корпус, снабженный множеством сквозных каналов, в которых размещены нагревательные элементы, соединенные с источником электрического тока, керамический корпус предложено выполнять в виде толстостенного полого цилиндра, в стенках которого сквозные каналы размещены параллельно продольной оси цилиндрического корпуса, а размещенные в каналах нагревательные элементы предложено выполнять из углеродсодержащего материала в виде гибкой ленты или жгута.
Керамический корпус нагревателя предпочтительно имеет длину в пределах 300-500 мм, внешний диаметр в пределах 60-80 мм, толщину стенок 15-20 мм, диаметр каналов 0,3-0,5 от толщины стенки и расстояние между каналами в пределах 0,5-2,0 от диаметра каналов.
С торцевых сторон корпуса выполнены пазы, соединяющие каналы, кроме того, кольцеобразные торцевые стороны корпуса покрыты защитным покрытием, изолирующим внутреннее пространство каналов от внешней среды.
Частным случаем выполнения устройства является использование нагревательных элементов из композиционного углеродсодержащего материала.
В связи с тем, что заявленное устройство предназначено для использования, в том числе и в жилых помещениях, т.е. имеется возможность контакта человека с нагревателем, важным является обеспечение безопасности использования нагревателя и предотвращение возможности ожогов. В связи с этим температура на поверхности нагревателя не должна превышать 80°С, а преимущественно должна находиться в пределах 60-70°С. Выполнение корпуса нагревателя в виде керамического толстостенного полого цилиндра и размещение нагревательных элементов, выполненных из углеродсодержащего материала, имеющих форму гибкой ленты или жгута с большой поверхностью теплоотдачи, внутри каналов, расположенных в стенках цилиндрического корпуса позволяет иметь небольшой градиент температуры между поверхностью нагревательного элемента и внешней поверхностью нагревателя. Температура нагревательных элементов не превышает 80-85°С, что обеспечивает высокий срок службы нагревателя, поскольку при этой температуре окисление углерода несущественно, а так же обеспечивает безопасность использования нагревателя. Наличие пазов, расположенных на торцевых сторонах корпуса, позволяет утопить гибкую ленту или жгут внутри керамического корпуса, а размещение покрытия на торцевых частях корпуса предназначено для изоляции нагревательных элементов от окисляющего воздействия внешней среды.
Использование металлических нагревательных элементов, например, выполненных из нихрома, не позволяет получить низкую температуру поверхности нагревательного элемента и одновременно снизить потребляемую мощность. При размещении в канале нихромовой нити накаливания требуется разогрев ее до высокой температуры для соответствующего нагрева массивного керамического корпуса и это приводит к возможности быстрого выхода нагревательного элемента из строя. Размещение в канале нихромовой спирали позволяет обеспечить нагрев керамического корпуса до требуемой температуры, однако, это ведет к увеличению мощности нагревателя и, соответственно, к повышению расхода электроэнергии.
Углеродсодержащие нагревательные элементы, в том числе и композиционные углеродсодержащие элементы, могут быть выполнены в широком диапазоне размеров, состава, электрических характеристик (Патент РФ №2124612, №2114942), при этом нагреватель может использовать как последовательное включение нагревательных элементов, так и их параллельное подключение, что расширяет возможности по обеспечению различных режимов его работы.
Заявленные размеры корпуса нагревателя обеспечивают возможность использования нагревателя в жилых помещениях, позволяют получить небольшую разницу температур между нагревательными элементами и внешней поверхностью корпуса, обеспечивают размещение в корпусе нагревательных элементов с размерами, позволяющими получить требуемую мощность нагревателя.
Помимо этого, выполнение корпуса нагревателя в виде полого цилиндра позволяет при его вертикальной ориентации обеспечить теплообмен в помещении не только за счет излучения, но и за счет конвекции.
Инфракрасное излучение от поверхности керамического корпуса при его температуре 60-70°С имеет длину волны 8-9 мкм, что близко к длине волны излучения организма человека и поэтому оно не оказывает на человека вредного воздействия. В то же время это излучение оказывается губительным для патогенных микроорганизмов (см., например. Патент Японии №7274919), поэтому при работе нагревателя происходит санация помещений. Создание благоприятных условий при работе нагревателя обеспечивается и тем, что влажность в помещении поддерживается на уровне, не превышающем 53-55% при более высокой относительной влажности наружного воздуха. Зигзагообразное размещение нагревательных элементов внутри сквозных каналов нейтрализует магнитное поле переменного электрического тока, что создает дополнительный положительный эффект при использовании устройства.
Конструкция нагревателя представлена на чертежах, где на фиг.1 представлен вид сбоку, на Фиг.2 разрез по А-А, на Фиг.3 разрез по В-В.
Нагреватель включает керамический корпус 1, в котором выполнены сквозные каналы 2 с размещенными внутри них нагревательными элементами 3, выводы 7 которых соединены с источником электрического тока (условно не показан). С торцевых сторон корпуса выполнены пазы 4, предназначенные для удобства размещения нагревательных элементов в корпусе 1. Торцевые стороны корпуса закрыты защитным покрытием 5. Внутреннее пространство 6 корпуса 1 соединено с внешней средой.
Устройство работает следующим образом. Нагревательные элементы 3 размещенные в сквозных каналах 2 корпуса 1 подключаются через выводы 7 к источнику электрического тока, в результате чего происходит их нагрев. Подаваемое на выводы 7 напряжение, электрическое сопротивление нагревателей, соединение их в электрической цепи выполняются таким образом, чтобы температура на поверхности корпуса 1 нагревателя была в пределах 60-70°С и не более 80°С. Защитное покрытие 5 предотвращает контакт нагревательных элементов с кислородом воздуха, что способствует увеличению срока их службы. При вертикальном расположении нагревателя теплообмен с внешним пространством обеспечивается как за счет инфракрасного излучения от нагретой поверхности керамического корпуса, так и за счет конвекции от внешней и внутренней поверхности полого цилиндрического корпуса.
Несколько электрических инфракрасных нагревателей, выполненных в соответствии с данным изобретением, могут быть объединены в батарею, при этом батарея снабжается средствами крепления нагревателей и блоком управления, включающим средства контроля и регулирования температуры.
2
Эксплуатация опытного образца подобной батареи, состоящей из шести электрических инфракрасных нагревателей, в помещении площадью 20 м при температуре воздуха за пределами помещения 8-12°С показала следующие результаты.
1. Режим нагрева.
- Потребляемая мощность - 0,3 кВт
- Продолжительность нагрева помещения от +15 до +21°С - 5 час
2. Режим поддержания.
- Потребляемая мощность - 0,15 кВт
- Температура в помещении +21°С
- Относительная влажность воздуха, %
- через 24 часа - 63
- через 48 часов - 60
- через 72 часа - 55
- через 96 часов - 53
- Влияние работающего нагревателя на патогенную микрофлору
Время работы, час;
Общее микробное число в 1 м<sup>3</sup>
Содержание патогенных микроорганизмов в 1 м<sup>3</sup>
Содержание условно-патогенных микроорганизмов в 1м<sup>3</sup>
0
353
42
100
24
196
25
20
48
17
2,5
2,5
72
12
-
-
96
15
-
-