Электронагреватель

Заявляемое техническое решение относится к электронагревательным устройствам, а именно к устройствам резистивного нагрева, которые могут быть использованы, в частности, для обогрева помещений бытового и промышленного назначения.
Заявляемое техническое решение относится к устройствам, работающим по принципу, так называемого «сухого тепла», в которых не используют жидкие теплоносители, что расширяет сферу их применения, повышает надежность и безопасность, снижает стоимость и трудоемкость при монтаже. Из уровня техники широко известны ТЭНы - электронагреватели «сухого тепла», выполненные в виде металлической трубки, заполненной теплопроводящим электрическим изолятором. По центру изолятора проходит токопроводящая металлическая нить (обычно нихромовая или фехромовая) для передачи необходимой удельной мощности на поверхность ТЭН. Электронагреватели данной конструкции имеют ряд значительных недостатков: неэффективное энергопотребление, низкая теплоотдача, невысокий уровень наработки на отказ данной конструкции и материалов.
Известны также технические решения, в которых в качестве токопроводящего резистивного нагревательного элемента используют углеродные нити, жгуты и ленты. Такие устройства обладают повышенной теплоотдачей, пожаробезопасностью, сниженным энергопотреблением. В патенте РФ на изобретение №2483494 «ЭЛЕКТРОКОНВЕКТОР И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНОГО НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ НЕГО» описан способ изготовления нагревательного элемента, который содержит корпус и угольный резистивный элемент с токоподводами, размещенный внутри корпуса. Угольный резистивный элемент изготовлен в виде полотна из угольных нитей, жгутов или лент с токоподводами, которые размещают и крепят между гибкими слоями электроизоляционных материалов. В качестве электроизоляционного покрытия полотна используют, например, эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые, фенольные, фенолокаучуковые, акрилатные, кремнийорганические, фторорганические полимерные композиции. Из полотна формируют объемный нагревательный элемент, отверждают электроизоляционное покрытие с образованием в результате жесткого объемного нагревательного элемента. При нагреве резистивного элемента холодный воздух, поступающий через отверстия в корпусе конвектора снизу, нагревается в каналах нагревательного элемента, устремляется по каналам вверх, далее нагретый воздух направляется в помещение через отверстия по периметру конвектора.
Общими признаками заявляемого решения и известного аналога являются:
- выполнение электронагревателя, содержащим полый корпус,
- использование углеродного резистивного элемента, расположенного внутри полого корпуса,
- изоляционный слой выполнен из кремнийорганического композита,
Отличительными признаками заявляемого решения являются:
- сердечник, расположенный в полости корпуса и выполненный из отвержденного кремнийорганического композита, в котором размещен углеродный резистивный элемент,
- соотношение объема углеродного резистивного элемента к объему кремнийорганического композита составляет от 1:260 до 1:404.
Недостатком известного решения является неэффективное энергопотребление устройства – слои электроизоляционного покрытия нагревательного элемента выполняют тонкими, не более нескольких миллиметров, для получения большей толщины электроконвектора увеличивают количество нагревательных элементов, располагая их в несколько рядов. При таком исполнении нагревательные элементы очень быстро нагреваются, но также быстро остывают при отключении, для поддержания заданного температурного режима циклы включения-отключения оказываются очень короткими, что увеличивает расход электроэнергии и снижает ресурс работоспособности устройства.
Техническая задача заключается в создании энергоэффективного, экологичного, пожаробезопасного электронагревательного устройства. Технический результат заявляемого технического решения заключается в снижении энергопотребления устройства.
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в электронагревателе, содержащем углеродный резистивный элемент с токоподводами, расположенный внутри полого корпуса, согласно заявляемому решению углеродный резистивный элемент заключен в сердечник, расположенный в полости корпуса и выполненный из отвержденного кремнийорганического композита, а соотношение объема углеродного резистивного элемента к объему кремнийорганического композита составляет от 1:260 до 1:404. Углеродный резистивный элемент может быть выполнен, например, в виде углеродных нитей.
В целях описания заявляемого технического решения под сердечником следует понимать конструктивный элемент устройства, расположенный во внутренней его части. Геометрическая форма исполнения сердечника, как правило, соответствует форме корпуса устройства.
Выполнение электронагревателя в виде полого корпуса, внутри которого расположен углеродный резистивный элемент, заключенный в сердечник, выполненный из отвержденного кремнийорганического композита, именно в указанном соотношении объемов углеродного резистивного элемента к объему кремнийорганического композита от 1:260 до 1:404, позволяет достичь высокой энергоэффективности устройства. При таком выполнении конструкции устройства сердечник из кремнийорганического композита выполняет не только функции электроизоляции, но и, дополнительно, теплоаккумуляции. Углеродный резистивный элемент потребляет значительно меньше электроэнергии в сравнении с известными металлическими резистивными элементами и обладает более высокими показателями теплоотдачи. Кремнийорганический композит, из которого выполнен сердечник электронагревателя, помимо электроизоляционных свойств, обладает высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Отвержденная форма кремнийорганического композита обеспечивает стабильность формы и свойств сердечника в процессе эксплуатации. Он эффективно передает на поверхность корпуса электронагревателя тепло, выделяемое углеродной нитью при подключении электроэнергии через токоподводы, и, благодаря высокой теплоемкости, медленно отдает это тепло корпусу и в окружающую среду после отключения электропитания. Что позволяет увеличить продолжительность цикла включения-выключения для поддержания заданного температурного режима работы электронагревателя, сократить количество включений, и, следовательно, снизить энергопотребление и увеличить ресурс работы устройства. Выбранное соотношение объема углеродного резистивного элемента к объему кремнийорганического композита при изготовлении сердечника позволяет достичь оптимального потребления энергии - быстрый выход на рабочую температуру корпуса и медленное остывание корпуса. Изменение соотношения в сторону уменьшения объема кремнийорганического композита по отношению к объему углеродного резистивного элемента даёт избыточный нагрев корпуса, приводящий к «сжиганию кислорода/ пыли», и снижение теплоемкости, способствующее более быстрому остыванию и сокращению длительности цикла включение-выключение, что приводит к увеличению расхода электроэнергии. При изменении соотношения в сторону увеличения объема кремнийорганического композита удлиняется период выхода на рабочий температурный режим, что также приводит к увеличению потребления электроэнергии.
Далее заявляемое техническое решение поясняется на фигурах, на примере электронагревателя, выполненного в виде многосекционного радиатора отопления. На фигуре 1 представлен поперечный разрез одной из секций электронагревателя, где 1- корпус электронагревателя, 2 – сердечник, 3 - углеродный резистивный элемент. На фигуре 2 представлен продольный разрез сердечника одной из секций электронагревателя при виде сбоку, где 4 – токоподвод.
Далее описан предпочтительный вариант изготовления электронагревателя на примере многосекционного радиатора отопления.
1. В специальной матрице изготавливается сердечник (2), состоящий из углеродного резистивного элемента (3) и кремнийорганического композита;
2. Через технологическое отверстие происходит запрессовка сердечника (2) в полость корпуса (1) колодца/ секции радиатора при определенном давлении - для исключения возникновения прослойки воздуха между сердечником (2) и корпусом (1) колодца/ секции радиатора. Кол-во секций в радиаторе от 4-х до 12-ти, в каждую установлен сердечник;
3. Процесс коммутации углеродного резистивного элемента (3) с токоподводами (4) (токоведущими жилами) производится методом круговой опрессовки;
4. Тип соединения электрической цепи – параллельный (при выходе из строя одного из сердечников/ секции – остальные продолжают работать).
Углеродный резистивный элемент может быть выполнен в виде углеродной нити, жгута или ленты. Корпус электронагревателя может быть выполнен из алюминиевого сплава, стали, стекла, натурального и искусственного (прессованного) камня. Сердечник выполняют из кремнийорганического композита, который представляет собой композицию силиконов с заданными характеристиками теплопроводности и теплоемкости. Представленная фигура, описание конструкции и используемых материалов не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения в объеме заявляемой формулы. Например, корпус секции радиатора может иметь круглое, овальное или иное сечение.
Использование электронагревателя осуществляется следующим образом.
При подаче электроэнергии на углеродный резистивный элемент (3) через токоподвод (4) происходит нагрев самого элемента (3) и сердечника (2). За счет высокой теплопроводности кремнийорганического композита из которого выполнен сердечник, тепло быстро передается на корпус электронагревателя (1).За счёт высокой теплоемкости кремнийорганического композита сердечник (2) выполняет функции теплоаккумулятора и продолжает отдавать накопленное тепло на корпус (1) электронагревателя, даже при прекращении подачи электроэнергии на углеродный резистивный элемент (3), что дает сокращение расхода электроэнергии при работе нагревательного прибора.
Для экономии потребляемой энергии рабочую температуру электронагревателя, по необходимости, можно регулировать, подключив его к источнику питания через терморегулятор.
Проведенные исследования характеристик электронагревателя при различных соотношениях объема углеродного резистивного элемента к объему кремнийорганического композита в сердечнике электронагревателя, позволили выявить следующие закономерности.
Соотношение углеродного резистивного элемента и кремнийорганического композита 1:370: нагрев корпуса электронагревателя в расчетном диапазоне времени, быстрый выход на рабочую температуру корпуса, медленное остывание корпуса. Расход электроэнергии минимальный.
Соотношение углеродного резистивного элемента и кремнийорганического композита 1:260: избыточный нагрев корпуса радиатора, повлекший за собой «сжигание кислорода/ пыли». Уменьшение объема кремнийорганического композита привело к понижению теплоемкости сердечника и к более быстрому его остыванию и, как следствие, вырос расход электроэнергии для обеспечения поддержания заданного рабочего режима.
Соотношение углеродного резистивного элемента и кремнийорганического композита 1:404: увеличился период выхода на рабочий температурный режим, который был достигнут за 40 минут, энергоэффективность прибора минимальная.
Конкретное соотношение из указанного диапазона от 1:260 до 1:404 выбирают в соответствии с требуемым температурным режимом, условиями эксплуатации, формой и объемом электронагревателя и т.д.
Полученное устройство энергоэффективно, экологичного и электро- и пожаробезопасно и может быть использовано для обогрева помещений бытового и промышленного назначения. Кремнийорганический композит в качестве основы сердечника трудно горюч, взрывобезопасен, в отвержденном состоянии не поддерживает горение.