КОМБИНИРОВАННЫЙ ТЕПЛОАККУМУЛЯЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРООТОПИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР СО СТУПЕНЧАТЫМ НАГРЕВОМ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕГО СЕРДЕЧНИКА
COMBINED THERMAL STORAGE ELECTRIC HEATER WITH STAGE HEATING OF HEAT-STORING CORE

Изобретение относится к области электрооборудования для отопления помещений сельскохозяйственного назначения, в частности для животноводческих и производственных помещений ферм.
Использование вечернего или ночного льготных тарифов на электроэнергию позволяет эффективно применять теплоаккумулирующие устройства (ТАУ), которые включают в сеть только в часы «провалов» графиков суточных нагрузок энергосистемы. За время включения к электрической сети тепловой аккумулятор, входящий в конструкцию теплоаккумулирующего устройства, сердечник которого выполнен, как правило, из шамота (керамики, чугана), заряжается (накапливает тепло), а в часы максимальной нагрузки в энергосистеме - разряжается (отдает накопленное тепло в нужное помещение).
Известны электрические теплоаккумулирующие устройства сельскохозяйственного назначения для подогрева приточного холодного воздуха в системах вентиляции и обеспечения микроклимата коровников, выполненные из жаропрочного бетона с магнезитовой крошкой или магнезитовых кирпичей (Каган Н.Б., Кауфман В.Г., Пронько М.Г. «Электротермическое оборудование для сельскохозяйственного производства». М.: Энергия, 1980).
Недостатками данных теплоаккумулирующих устройств являются большая мощность и воздухопроизводительность.
Известны электрообогревательные панели и блоки, изготовленные из бетона с магнезитовым (шамотным) наполнением с встроенным электрическим нагревательным элементом (Ерошенко Г.П., Спиридонов А.А., Глубокий Ю.П. «Теплоаккумуляционные электрообогреватели». Ж-л «Техника в сельском хозяйстве», 1981 г., №2, стр. 28-29). В таких конструкциях теплоотдача осуществляется от наружных поверхностей прибора путем излучения и естественной конвекции.
Недостатком таких теплоаккумулирующих устройств является то, что «разрядка» теплоаккумулирующего устройства происходит статически без регулирования по мере естественного остывания сердечника. Тепловые потребности помещения не увязаны с подобной нерегулируемой теплоотдачей и не всегда эффективно поддерживается требуемая температура в помещении.
Известен электроотопительный прибор с аккумуляцией тепла, у которого «разрядка» теплового аккумулятора статическая, а теплоотдача - регулируемая (Ерошенко Г.П., Спиридонов А.А., Глубокий Ю.П.«Результаты эксплуатации распределенных аккумулирующих электроотопителей». - Труды Саратовского института механизации сельского хозяйства, 1979 г., вып. 124, с. 18…28). Теплоотдача электроотопительного прибора осуществляется за счет вертикальных каналов в массиве сердечника теплоаккумулятора, выполненного из керамики (магнезита), через которые проходит нагреваемый воздух. Кроме этого, электроотопительный прибор с аккумуляцией тепла имеет защитный теплоизолированный кожух, в котором имеется два отверстия: внизу входное и вверху выходное. В выходном отверстии имеется регулируемая вручную или автоматически заслонка, с помощью которой осуществляется регулирование потока нагреваемого воздуха и, соответственно, теплоотдачи электроотопительного прибора с аккумуляцией тепла.
Недостатками данного прибора являются ограниченные возможности по аккумулированию тепловой энергии и качеству регулирования температурного режима помещения, неудовлетворительные аэродинамические характеристики электроотопительного прибора с аккумуляцией тепла, поскольку центр нагрева и центр охлаждения в данной конструкции практически совпадают. Кроме того, в этом приборе нет нагревательных элементов, работающих на обогрев помещений во время «зарядки» сердечника, что делает его пригодным только для отопления помещений с периодическим использованием.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электроотопительный прибор с аккумуляцией тепла, содержащий корпус, две камеры, соединенные между собой воздушным каналом, в одной из камер расположен теплоаккумулирующий сердечник с электрическими нагревательными элементами, а в другой камере, имеющей входное отверстие для подачи холодного воздуха и выходное отверстие для выхода заданного воздушного потока нужной температуры для отапливаемого помещения, установлен электроконвектор прямого нагрева с электрическими нагревательными элементами, в камере с теплоаккумулирующим сердечником входное отверстие содержит регулируемую воздушную заслонку, а в воздушном канале установлена регулируемая заслонка, регулирование которой зависит от температуры воздуха в отапливаемом помещении (патент РФ №151036, опубл. 20.03.2015 г.).
Недостатком известного электроотопительного прибора является отсутствие возможности задавания и контроля температуры электрических нагревательных элементов, установленных внутри теплоаккумулирующего сердечника, что исключает возможность их ступенчатого нагрева, приводит к превышению их максимально допустимой температуры и значительно уменьшает их срок службы, ухудшает тепловой КПД прибора. Отсутствие смесительной камеры не позволяет смешивать потоки холодного и горячего воздуха на выходе из прибора до однородного состояния. Наличие однослойной теплоизоляции и отсутствие экрана внутри камеры теплоаккумулирующего сердечника приводит к нагреву корпуса прибора свыше допустимой температуры и также ухудшает тепловой КПД прибора. Теплоизолированные стенки в камере электроконвектора прямого нагрева приводят к дополнительным экономическим затратам на изготовление прибора, к увеличению его массы и габаритов. Отсутствие воздушного зазора между нижней стенкой прибора и полом приводит к дополнительным тепловым потерям прибора, требуемым на нагрев пола.
Задачей предлагаемого изобретения является создание комбинированного теплоаккумуляционного электроотопительного прибора со ступенчатым нагревом теплоаккумулирующего сердечника с улучшенными параметрами и режимом работы, обладающим более высоким тепловым КПД, с возможностью задавать и контролировать нужную температуру электрических нагревательных элементов, установленных внутри теплоаккумулирующего сердечника, смешивать потоки холодного и горячего воздуха на выходе из прибора до однородного состояния.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность задавать и контролировать температуру электрических нагревательных элементов, установленных внутри теплоаккумулирующего сердечника, нагревая их по принципу ступенчатого нагрева и исключая превышение их максимально допустимой температуры с помощью установленного на одном из электрических нагревательных элементов термодатчика. Наличие смесительной камеры позволяет смешивать потоки холодного и горячего воздуха на выходе из прибора до однородного состояния. Двухслойная теплоизоляция с экраном между слоями теплоизоляции внутри камеры теплоаккумулирующего сердечника не приводит к нагреву корпуса прибора свыше допустимой температуры и улучшает тепловой КПД прибора. Отсутствие теплоизолированных стенок в камере электроконвектора прямого нагрева не приводит к дополнительным экономическим затратам на изготовление прибора, к увеличению его массы и габаритов. Наличие воздушного зазора между нижней стенкой прибора и полом исключает дополнительные тепловые потери прибора, требуемые на нагрев пола.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом комбинированном теплоаккумуляционном электроотопительном приборе со ступенчатым нагревом теплоаккумулирующего сердечника, содержащем корпус, две камеры, соединенные между собой воздушным каналом, в одной из камер расположен теплоаккумулирующий сердечник с электрическими нагревательными элементами, а в другой камере, имеющей входное отверстие для подачи холодного воздуха и выходное отверстие для выхода заданного воздушного потока нужной температуры для отапливаемого помещения, установлен электроконвектор прямого нагрева с электрическими нагревательными элементами, в камере с теплоаккумулирующим сердечником входное отверстие содержит регулируемую воздушную заслонку, а в воздушном канале установлена регулируемая заслонка, регулирование которой зависит от температуры воздуха в отапливаемом помещении, в теплоаккумулирующем сердечнике на одном из электрических нагревательных элементов установлен термодатчик, позволяющий задавать и контролировать температуру электрических нагревательных элементов, нагревая их по принципу ступенчатого нагрева и не превышая их максимально допустимой температуры, а внутри камеры с теплоаккумулирующим сердечником выполнена двухслойная теплоизоляция с экраном между слоями теплоизоляции, при этом в камере с электроконвектором установлена смесительная камера, позволяющая смешивать потоки холодного и горячего воздуха на выходе из прибора до однородного состояния, причем между нижней стенкой корпуса прибора и полом имеется воздушный зазор.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема комбинированного теплоаккумуляционного электроотопительного прибора со ступенчатым нагревом теплоаккумулирующего сердечника.
Комбинированный теплоаккумуляционный электроотопительный прибора со ступенчатым нагревом теплоаккумулирующего сердечника содержит корпус 1 с двойной теплоизоляцией 2 и 3 и экраном 4, три камеры 5, 6 и 7, камеры 5 и 6 соединены между собой воздушным каналом 8, в воздушном канале 8 имеется регулируемая воздушная заслонка 9 в зависимости от температуры воздуха в отапливаемом помещении, в камере 5 установлен теплоаккумулирующий сердечник 10, с электрическими нагревательными элементами 11, причем высота h теплоаккумулирующего сердечника 10 не превышает высоту Н корпуса 1, в теплоаккумулирующем сердечнике 10 на одном из электрических нагревательных элементов 11 установлен термодатчик 12, позволяющий задавать и контролировать нужную температуру электрических нагревательных элементов 11, для циркуляции воздуха в камере 5 имеется входное отверстие 13 с регулируемой воздушной заслонкой 14, в камере 6 установлен электроконвектор прямого нагрева 15 с электрическими нагревательными элементами 16, также в камере 6 имеется входное отверстие 17 и выходное отверстие 18, также в камере 6 установлена смесительная камера 7.
Принцип действия комбинированного теплоаккумуляционного электроотопительного прибора со ступенчатым нагревом теплоаккумулирующего сердечника основан на совместной работе теплоаккумулирующего сердечника 10, термодатчика 12, электроконвектора прямого нагрева 13 и смесительной камеры 7.
Установленный термодатчик 12 на одном из электрических нагревательных элементах 11, установленных в теплоаккумулирующем сердечнике 10, позволяет осуществлять ступенчатый нагрев электрических нагревательных элементов 11, не превышая их максимально допустимую температуру нагрева, при превышении температуры на электрических нагревательных элементах 11, близкой к максимально допустимой, от установленного термодатчика 12 поступает сигнал на кратковременное отключение электрических нагревательных элементов 11, при этом процесс зарядки не прекращается, после понижения температуры на электрических нагревательных элементах 11 до установленной рабочей температуры и выравнивания температуры между электрическими нагревательными 11 и теплоаккумулирующим сердечником 10 электрические нагревательные элементы 11 снова включаются в работу до следующего превышения температуры, близкой к максимально допустимой. Ступенчатый нагрев теплоаккумулирующего сердечника 10 позволяет работать теплоаккумулирующему сердечнику 10 и электрическим нагревательным элементам 11 в близком по значению температурном диапазоне и исключает выход из строя электрических нагревательных элементов 11 раньше установленного срока службы.
Работает комбинированный теплоаккумуляционный электроотопительный прибор следующим образом.
При включении электрических нагревательных элементов 11 в период действия льготного ночного тарифа на электроэнергию нагревается теплоаккумулирующий сердечник 10, в котором происходит накопление тепловой энергии (зарядка). При этом воздушная заслонка 14 закрывает входное отверстие 13, а воздушная заслонка 9 закрывает воздушный канал 8, прекращая циркуляцию воздуха в камере 5. Нагрев воздуха в помещении происходит за счет электроконвектора прямого нагрева 15 путем включения электрических нагревательных элементов 16 в период действия льготного ночного тарифа, циркуляция воздуха в камере 6 происходит через входное отверстие 17 и выходное отверстие 18 за счет естественной тяги. При этом температура на электрических нагревательных элементах 11 контролируется и регулируется в зависимости от температуры на установленном в электрических нагревательных элементах 11 термодатчике 12, который позволяет ступенчатым способом нагревать электрические нагревательные элементы 11, не превышая максимально допустимой температуры электрических нагревательных элементов 11.
По окончании льготного ночного тарифа на электроэнергию электрические нагревательные элементы 11 и электрические нагревательные элементы 16 отключаются от питающей сети. Начинается процесс остывания (разрядки) теплоаккумулирующего сердечника 10, регулируемая воздушная заслонка 14 полностью открывается, а регулируемая заслонка 9 открывается на нужный угол, требуемый для создания нужного потока горячего воздуха, смешивание горячего потока воздуха, выходящего из воздушного канала 8, с холодным потоком воздуха, поступающего из входного отверстия 17, происходит в смесительной камере 7, выходящий из камеры 7 через выходное отверстие 18 камеры 6 поток воздуха имеет заданную температуру.
По мере отдачи тепла теплоаккумулирующим сердечником 10 регулируемая заслонка 9 автоматически приоткрывается на больший угол и в камеру 6 из камеры 5 через воздушный канал 8 подается большее количество горячего воздуха, но нагретого до более низкой температуры, смешивание с холодным воздухом, поступающим через входное отверстие 15, происходит в смесительной камере 7. При этом объем воздуха, циркулируемого через комбинированный теплоаккумуляционный электроотопительный прибор, практически не меняется. Такой принцип смешивания потоков горячего и холодного воздуха в смесительной камере 7 делает более равномерным процесс охлаждения теплоаккумулирующего сердечника 10 и поддерживает заданный воздушный поток определенной температуры из выходного отверстия 18 комбинированного теплоаккумуляционного электроотопительного прибора со ступенчатым нагревом теплоаккумулирующего сердечника.
В таком режиме комбинированный теплоаккумуляционный электроотопительный прибор со ступенчатым нагревом теплоаккумулирующего сердечника работает до начала следующего цикла зарядки теплоаккумулирующего сердечника, т.е. когда начнет действовать льготный ночной тариф на электроэнергию.
Комбинированный теплоаккумуляционный электроотопительный прибор со ступенчатым нагревом теплоаккумулирующего сердечника имеет хорошую аэродинамику, поскольку центры нагрева теплоаккумулирующего сердечника 10 и электроконвектора прямого нагрева 15 расположены ниже центра охлаждения. Это является важным фактором, поскольку улучшается естественная тяга, что способствует лучшему обдуву аккумулирующего сердечника и электроконвектора прямого нагрева.