БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЕ НАГРЕВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ ТВЕРДОГО ВЕЩЕСТВА, ЖИДКОСТИ, ГАЗА И ПАРОВ
HIGH-SPEED HEATING DEVICE FOR HEATING SOLID SUBSTANCE, LIQUID, GAS AND VAPORS

Данное изобретение относится к быстродействующему нагревающему устройству для нагревания твердых веществ, жидкостей, газов и паров.
Экономия энергии в любом механизме, бытовом электроприборе, транспортной системе или жилом помещении имеет большое значение, поскольку уменьшает текущие расходы и загрязнение окружающей среды, создаваемое источниками энергии. В частности, во всех областях применения, в которых нагревание элемента, будь то жидкость, твердое вещество, газ или пар, происходит с перерывами, существует большая потеря энергии, так как перед нагреванием элемента необходимо довести нагревательную систему до определенной температуры. Обычно тепловая масса указанной нагревательной системы существенно превышает тепловую массу нагреваемого элемента. Во многих случаях время нагревания слишком велико и нагревательный элемент необходимо постоянно поддерживать при определенной температуре, даже несмотря на то что он используется в течение не очень продолжительных периодов времени.
Значительная тепловая масса нагревателя необходима для поддержания постоянной температуры при изменении ожидаемых рабочих условий. Фактически, как правило, нагреватель снабжен датчиком температуры и системой управления тепловой мощностью. В ходе этапа нагревания подаваемая энергия является максимальной, затем по достижении рабочей температуры нагреватель поддерживает требуемую температуру путем включения и выключения нагревательного элемента, при этом полезный цикл составляет, например, 10%. Когда нагреваемый элемент входит в контакт с нагревателем, происходит поглощение тепловой энергии, которая переходит от нагревателя к нагреваемому элементу. Таким образом, нагреватель начинает охлаждаться, и система регулирования температуры подает большее количество энергии к нагревательной системе. В данном режиме возникает колебание температуры со значительными скачками между значениями, регистрируемыми системой управления и передаваемыми к нагреваемому элементу. Данные колебания в целом поглощаются соответствующей тепловой массой нагревателя (действующее на практике правило заключается в том, что если тепловая масса в 20 раз превышает тепловую массу нагреваемого элемента, указанное колебание не выходит за пределы диапазона в несколько процентов от необходимой температуры нагревания).
В качестве неограничивающего примера сделана ссылка на системы для герметичного запечатывания картонных и/или пластмассовых лотков для пищевых продуктов, применяемые в супермаркетах для запечатывания упаковок со скоропортящимися продуктами.
Указанные машины образованы нижним основанием, содержащим регулируемые держатели лотков, и верхней нагревающей пластиной, типичная мощность которой составляет 1 КВт, а металлическая масса (как правило, алюминия) составляет по меньшей мере 1 кг. Нагреваемый элемент представляет собой край указанных лотков для пищевых продуктов, подлежащих запечатыванию пленкой из пластмассового материала, вес нагреваемой части составляет примерно 5 г. Температура запечатывания, как правило, составляет 180°, так что энергия, необходимая для нагревания пластины, составляет: 880 Дж (удельная теплоемкость алюминия) × 1 кг (вес нагревателя) × (180° - 25°=155°) (температура запечатывания - температура окружающей среды), то есть: 880 × l × 155=136400 Дж, при этом время нагревания пластины составляет: 136400 Дж/1000 Вт тепловой мощности = 136,4 секунды.
Вместе с тем, для запечатывания лотка потребуется:
1200 Дж (средняя удельная теплоемкость картона вместе с пластмассой) × 0,005 кг (вес нагреваемой части) × 155°С (температура запечатывания - температура окружающей среды), то есть:
1200 × 0,005 × 155=930 Дж.
Вычисление процентного соотношения между энергией, используемой для запечатывания лотка, и общей энергией, используемой для нагревания пластины вместе с лотком, дает: 930/(136400+930) × 100=0,68%, то есть на запечатывание лотка уходит менее 1% энергии, используемой для нагревания машины.
В случае, когда машина постоянно находится во включенном состоянии в ожидании выполнения работ, и в предположении, что энергия, рассеиваемая в окружающую среду, составит 1/10 от максимальной энергии, получаем:
100 Вт × 12 часов работы = 1200 Вт/час, полученное значение умножается на 3600 для перевода в Джоули, откуда получаем 1200 × 3600=4320000 Дж, к которым нужно добавить количество энергии (в Джоулях) для первоначального нагревания: 4320000+136400=4456400 Дж. Если предположить, что за одну минуту выполняется запечатывание одного лотка (обычный ритм работы в супермаркете), получаем: (4456400 Дж + 930 Дж × 720) / 720 (1 предмет в минуту в течение 12 часов) = 7119 Дж, а в процентах: 930 × 7119 × 100=13%. В этом случае, как и прежде, хотя и в меньшей степени, основную долю общей энергии составляет неиспользуемая энергия (87%).
Целью данного изобретения является создание нагревающего устройства, обеспечивающего возможность устранения недостатков существующих в настоящее время нагревателей и достижение существенной экономии энергии.
Другие особенности и преимущества данного изобретения станут более понятны из нижеприведенного подробного описания варианта его выполнения, изображенного в виде неограничивающего примера на прилагаемым чертежах, на которых:
фиг. 1 изображает схематический вид первого варианта выполнения нагревающего устройства согласно данному изобретению,
фиг. 2 представляет схематический вид второго варианта выполнения нагревающего устройства согласно данному изобретению,
фиг. 3А, 3В, 4 и 5 изображают другие варианты конструкции нагревающего устройства согласно данному изобретению,
фиг. 6 изображает график качественной зависимости времени и температуры для нагревания устройства согласно данному изобретению,
фиг. 7 изображает вариант выполнения устройства, в котором предусмотрена утилизация рабочего тепла,
фиг. 8А, 8В, 8С, 8D изображают типовые схемы нагревающего устройства согласно данному изобретению, которое в изображенном варианте выполнения получает питание от электросети с напряжением 230 В и мощностью 2 КВт, при этом нагреватель работает при низком напряжении, составляющем примерно 40 В.
Как изображено на фиг. 1, нагревающее устройство согласно данному изобретению содержит источник 1 энергии, который в данном примере может представлять собой батарею или выпрямитель, на выходе которого образуется постоянный ток.
Нагревающее устройство также содержит нагреватель 2, который может быть соответственно выполнен с обеспечением поддержания тепловой массы на очень низком уровне. Нагреватель 2 изготовлен из металлического материала, электрическое сопротивление которого может изменяться в зависимости от температуры, например из меди, латуни, бронзы, стали, алюминия. Для присоединения нагревателя 2 к источнику 1 предусмотрены электрические соединения 8, 9. Таким образом, через нагреватель 2 протекает электрический ток от источника 1. Нагреватель 2 может быть расположен в тесном контакте с нагреваемым элементом 3 для обеспечения эффективной передачи тепловой мощности.
Блок 4 управления при помощи измерительных соединений 6, 7 определяет сопротивление нагревателя 2 путем вычисления соотношения между напряжением на концах нагревателя 2 и током, протекающим через нагреватель 2. Блок 4 управления использует рассчитанное сопротивление в качестве контрольного значения для регулирования температуры. При помощи соединительного устройства 5 блок 4 управления посылает источнику 1 регулировочный сигнал, который изменяет мощность, подаваемую к нагревателю 2, на основании текущих потребностей в тепловой энергии. Соединительное устройство 5 может либо изменять напряжение источника 1 энергии, либо регулировать указанное напряжение с течением времени, используя способ широтно-импульсной модуляции или другой известный способ.
В то время как обычные системы требуют большой тепловой массы для поглощения температурных скачков, вызванных изменением рабочих условий, в данном изобретении в качестве датчика температуры используется собственно нагреватель 2. Это обеспечивает возможность точного текущего контроля температуры нагревателя 2 в любой момент времени, при этом, поскольку нагреватель 2 расположен в тесном тепловом контакте с нагреваемым элементом 3, может быть обеспечен также весьма точный контроль температуры данного элемента.
Кроме того, вследствие низкой тепловой массы нагревателя 1 может быть обеспечена работа блока 4 управления с очень малыми интервалами между циклами управления, порядка нескольких тысяч циклов в секунду, тогда как существующие в настоящее время стандартные технологии регулировки предусматривают работу с выполнением примерно одного цикла в секунду. Это обусловлено тем, что тепловая масса нагревателя является настолько высокой, что требуются десятки секунд или даже минут для достижения заданной температуры, тогда как в нагревающем устройстве согласно данному изобретению время, необходимое для нагревания нагревателя, составляет порядка 0,1-0,2 секунд, что обеспечивает возможность работы блока управления даже с периодичностью тысячи раз в секунду.
На фиг. 2 изображен второй вариант выполнения нагревающего устройства, в котором источник 10 энергии является высокочастотным элементом, например полупроводниковым инвертором.
Инвертор может работать на ультразвуковых частотах, достигающих сотен кГц. При таких условиях вычисление сопротивления нагревателя 2 как соотношения между векторными значениями напряжения и тока является достаточно сложным. Для устранения указанной сложности нагревающее устройство содержит источник 12 тока, предназначенный для подачи заданного тока.
В частности, конденсатор 13 и источник 12 постоянного тока соединены с выходом 11 трансформатора, присоединенным к первичной обмотке источника 10 энергии. Параллельно с нагревателем 2 также присоединен фильтр 14 низких частот, который на выходе образует регулировочный сигнал, посылаемый к блоку 4 управления, в свою очередь, соединенному с источником 10 при помощи соединения 17.
Нагревающее устройство, изображенное на фиг. 2, работает следующим образом.
Мощность источника 10 передается к нагревателю 2 через трансформатор 11 и конденсатор 13. Размеры конденсатора 13 обеспечивают минимальное сопротивление прохождению через него переменного тока. Источник 12 тока, соединенный параллельно с конденсатором 13, посылает заданный постоянный ток к нагревателю 2, через который, таким образом, протекает переменный ток от источника 10 и заданный постоянный ток от источника 12. Соответственно, на концах 8, 9 нагревателя 2 имеется напряжение, равное произведению тока, протекающего через нагреватель 2, и сопротивления указанного нагревателя. Фильтр 14 низких частот обеспечивает удаление переменной составляющей напряжения и оставляет только напряжение постоянного тока, образованное заданным током от источника 12. Поскольку сопротивление нагревателя 2 является функцией температуры, напряжение, выделяемое фильтром 14, также будет представлять собой функцию температуры.
Источник 10 энергии также может быть образован электрической сетью с напряжением 110-230 В и частотой 50 Гц или 60 Гц. В данном случае размеры трансформатора и других контуров будут приведены в соответствие с указанной рабочей частотой.
На фиг. 3А изображен плоский вариант выполнения нагревателя 2. В частности, нагреватель 2 расположен на плоской поверхности 22 из теплоизоляционного и электроизоляционного материала. Электрические соединения 8, 9 предназначены для присоединения к источнику 1, 10 энергии, тогда как измерительные соединения 6, 7 предназначены для присоединения к блоку 4 управления. Такая конфигурация нагревателя 2 особенно подходит для нагревания твердых элементов. Например, как показано на фиг. 3В, нагреватель 2 может быть выполнен так, что он соответствует форме запечатываемого лотка.
На фиг. 4 изображен вариант выполнения нагревательного узла 20, в котором два или более нагревателей 2 соединены с образованием системы для размещения нагреваемого объекта. Нагреватели 2 могут быть электрически соединены последовательно или параллельно в зависимости от требований по подаваемой энергии, при более высоком напряжении в случае элементов, соединенных последовательно, и при более низком напряжении для элементов, соединенных параллельно. Нагревательный узел 20 особенно подходит для нагревания жидкостей, паров и газов.
На фиг. 5 изображен нагреватель 2, изогнутый с образованием трубы, по которой могут передаваться жидкости, газы и пары. Измерительные соединения 6, 7 и электрические соединения 8, 9 предназначены для образования таких же соединений, как описано выше для предыдущих вариантов выполнения.
Идеальный тепловой контакт между нагревателем 2 и нагреваемым элементом обеспечивает возможность значительного повышения эффективности нагревающего устройства согласно данному изобретению.
Тем не менее, при использовании нагревателя 2 для термической сварки лотков или плавки других материалов на нем могут накапливаться нежелательные наслоения, например клеящие вещества, или известковый налет, или остатки твердой смазки и т.д. Очень важно иметь возможность обнаружения любого накопления или наслоения до того, как оно достигнет состояния, при котором сможет привести к нарушению работы системы. В качестве примера, может быть установлено допустимое максимальное снижение передачи тепла между нагревателем 2 и нагреваемым объектом, например снижение на 20%.
Благодаря быстродействию блока управления и возможности измерения сопротивления нагревателя может быть обеспечена индикация уровня чистоты нагревателя. На фиг. 6 изображен график качественной зависимости времени нагревания от температуры для нагревателя, показанного на фиг. 1, используемого для запечатывания лотков для пищевых продуктов.
Время, требуемое для нагревания чистого нагревателя 2 в воздухе, составляет примерно 0,18 секунды (кривая 30), тогда как время для нагревания чистого нагревателя 2, находящегося в контакте с лотком, составляет 1,1 секунды (кривая 32) и может быть рассчитано как результат деления общего тепла на мощность, подаваемую источником 1, 10, то есть: (179+960) Дж/1000 Вт=1,1 секунды.
Когда нагреватель 2 загрязнен или покрыт наслоением и термический контакт с лотком уже не является идеальным, нагреватель достигнет заданной температуры за более короткое время (кривая 31) по сравнению со случаем, когда нагреватель 2 является чистым. Таким образом, измеряя время, необходимое для достижения заданной температуры, можно получить показатель степени чистоты/покрытия наслоениями нагревателя. Все вышеуказанное также применимо к случаю, когда нагреватель 2 предназначен для размещения в нем жидкостей, паров или газов.
С учетом полученного показателя степени чистоты/покрытия наслоениями можно компенсировать низкий перенос тепла от нагревателя к нагреваемому элементу путем увеличения времени контакта между нагревателем 2 и нагревательным элементом 3, или путем уменьшения скорости переноса нагреваемой текучей среды в варианте выполнения, изображенном на фиг. 5А и 5В, или путем повышения рабочей температуры нагревателя 2.
В случае нагревания текучей среды можно рассчитать количество нагреваемого материала (расход) на основании тепла, используемого при нагревании. Например, если для нагревания грамма определенного материала от температуры окружающей среды до заданной температуры требуется 1000 Дж, то, подсчитав количество эффективно использованных Джоулей, например, 10000 Дж, можно узнать вес или объем нагреваемого материала, в данном примере - 10 грамм.
Рабочее тепло, образуемое используемыми компонентами, и в частности тепло, образуемое электрическими/электронными компонентами, может использоваться для нагревания более холодной зоны нагревателя 2. На фиг. 7 изображен пример, в котором нагреватель 2, имеющий трубчатую форму, принимает тепло от элемента 40, поглощающего тепло от силовых электронных частей источника 1, которое в противном случае было бы рассеяно. Теплопоглощающий элемент 40 существенно не увеличивает тепловую массу нагревателя 2, так как расположен в более холодной зоне нагревателя (2), например в секции для впуска нагреваемой текучей среды.
Нагреватель согласно данному изобретению обеспечивает возможность получения значительных преимуществ по сравнению с нагревателями, доступными в настоящее время на рынке.
Фактически, нагреватель согласно данному изобретению обеспечивает возможность уменьшения массы нагревательного элемента до всего лишь 3 грамм меди или другого металла, подходящего для проведения электрического тока.
В этом случае энергия, необходимая для доведения нагревательного элемента до нужной температуры, определяется следующим образом: 385 Дж (удельная теплоемкость меди) × 0,003 кг (вес нагревателя) × 155°С (температура запечатывания - температура окружающей среды)=179 Дж. С учетом энергии для запечатывания лотка, рассмотренной выше, получается следующее процентное значение: 930 Дж/(179 Дж + 930 Дж) × 100=83,8%.
Время нагревания составляет не 136 секунд, как раньше, а 179 Дж/1000 Вт=0,179 секунды.
Соответственно, практически мгновенное нагревание обеспечивает возможность оставления нагревателя в выключенном состоянии в нерабочее время или в то время, когда он не используется, и включать его только в момент эксплуатации. Таким образом, обеспечивается эффективная экономия энергии при любых рабочих условиях как для отдельной операции запечатывания, так в случае непрерывного использования. Во втором случае эффективность увеличивается с 15%, достигаемых в уровне техники, до 83,8% при использовании изобретения.
Представленный вариант выполнения аналогичен конструкции, изображенной на фиг. 2, и подробно показан на фиг. 8А, 8В, 8С и 8D. В частности, на фиг. 8А изображен источник 10 энергии, выполненный с инвертором на полевых МОП-транзисторах, управляемый драйвером IRS2153D и контролируемый оптопарой, соединенной с управляющим соединением 17. На входе питания от однофазной сети с напряжением 230 В установлены фильтры шумов и конденсаторы фильтров для исключения электрического шума, образуемого инвертером. Мощность подается к трансформатору 11, изображенному на фиг. 8В, через два соединения 30 и 31, к выходу инвертера, содержащему два полевых МОП-транзистора IPP65R045C7. Другие рабочие узлы, такие как источник 12 заданного тока и фильтр 14 низких частот, выполняют функции, описанные выше. В данном примере конденсатор 13 образован несколькими элементами, соединенными параллельно. Выход 5 фильтра 14 низких частот ведет к контроллеру 35 узла 16, показанному на фиг. 8С. Другие имеющиеся контуры управления выполняют вспомогательные функции защиты и не являются существенными для описания изобретения. На фиг. 8D изображен дополнительный источник энергии, способный обеспечивать различные напряжения, необходимые для надлежащей работы нагревательной системы.