ТРУБЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ КОНВЕКТОРА (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей (варианты) относится к электротехнике, в частности, к трубчатым теплоэлектронагревателям (ТЭН), которые являются основными комплектующими изделиями бытовых электрических отопительных приборов, служащих для нагрева в помещении окружающего воздуха путем естественной конвекции - конвекторов.
Теплоэлектронагреватель трубчатого типа (далее - ТЭН, трубчатый электронагреватель), представляющий собой металлическую оболочку, внутри которой находится нагревательный элемент - спираль, известен более 150 лет назад. Первая модель такого электронагревателя была запатентована в 1859 г. в США. Но, не смотря на это, такие ТЭНы в те годы практически не использовались, а получили достаточно широкое распространение только через 50 лет. Именно тогда ТЭНы начали использовать в промышленной сфере. В течение всех последующих лет создавались новые сплавы, которые применялись для изготовления трубчатых ТЭНов, кроме этого менялись конструкции корпуса, но, все же, особых отличий трубчатые ТЭНы, созданные в те времена, и современные трубчатые ТЭНы не имеют.
Современные традиционные трубчатые электронагреватели (стр.98 Журнал «Новый дом» №11, 2008 г.) для конвекторов содержат спираль - нихромовую нить, находящуюся в корпусе - стальной колбе с кварцевой, керамической или магниевой засыпкой, на котором закреплено алюминиевое оребрение (рефлектор или диффузор), конструкция и расположение пластин которого может варьироваться.
Бытовые трубчатые ТЭНы для конвекторов, представлены большим количеством различных моделей, которые отличаются мощностью, материалом изготовления, формой, размером и другими параметрами.
Известен (RU Патент №2076463, С1) трубчатый электронагреватель, содержащий расположенную в корпусе - металлической (сталь, медь) трубке с электроизоляционным наполнителем, одну нагревательную спираль.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является принятый за прототип для обоих вариантов полезной модели трубчатый электронагреватель известного (http://www.timberk.ru/adsfiles/2464_anons_heating_elements.pdf??f=2464) конвектора. В корпусе известного ТЭНа расположены две нагревательные спирали одинаковой мощности, что позволяет выбрать один из двух режимов мощности, используя один конвектор. Недостаток данного трубчатого электронагревателя вследствие присущих ему конструктивных особенностей (две одинаковые спирали одинаковой мощности) - возможность регулирования мощности только в двух и не более режимах мощности.
Задачей, на решение которой направлена группа полезных моделей (варианты), является энергосбережение за счет экономного расходования потребляемой электроэнергии
Технический результат, который может быть получен при осуществлении настоящей полезной модели по каждому из двух заявляемых вариантов, заключается в повышении эффективности электротехнического устройства (ТЭН) за счет улучшения его эксплуатационных характеристик - увеличения количества уровней рабочих мощностей (от трех и более).
Указанный технический результат по первому варианту полезной модели достигается за счет того, что расположенные в металлическом корпусе с электроизоляционным наполнителем известного трубчатого электронагревателя для конвектора две нагревательные спирали имеют разную мощность, при этом имеется возможность выбора различных вариантов их подключения (коммутации спиралей).
Указанный технический результат по второму варианту полезной модели достигается за счет того, что в известном трубчатом электронагревателе для конвектора, содержащем расположенные в металлическом корпусе с электроизоляционным наполнителем две нагревательные спирали, внутри корпуса установлена, по крайней мере, еще одна дополнительная спираль, при этом имеется возможность выбора различных вариантов подключения (коммутации) спиралей.
Коммутация спиралей обеспечивается за счет работы устройства управления конвектором и зависит от функций и возможностей этого устройства (от его настроек).
Наличие в корпусе трубчатого электронагревателя для конвектора двух спиралей разной мощности (первый вариант) или, по крайней мере, одной дополнительной спирали к двум имеющимся (второй вариант) в зависимости от вариантов их подключения (в рабочее положение может быть включена каждая из нагревательных спиралей по отдельности или одновременно несколько нагревательных спиралей, параллельно и/или последовательно) обеспечивает создание многоступенчатого режима мощности устройства. Это позволяет потребителю самостоятельно выбирать необходимый уровень мощности и, как следствие - скорость нагрева отопительного прибора (электрического конвектора), содержащего заявленный трубчатый электронагреватель, что служит экономичному режиму работы и дифференцированному отоплению помещений - в зависимости от реальной потребности в тепле.
Для герметизации корпуса трубчатого электронагревателя на его торцах могут быть расположены герметизирующие заглушки с выводными контактами от нагревательных спиралей. Выводные контакты спиралей могут находиться с любого из торцов корпуса.
В качестве электроизоляционного наполнителя может использоваться диэлектрическая засыпка (магнезиевая, кварцевая или керамическая).
Корпус ТЭНа изготавливают, как правило, с оребрением (рефлектор или диффузор), при этом в оребрении могут быть выполнены отверстия специальной формы для увеличения эффективности процесса конвекции. Развитое оребрение обеспечивает более интенсивную теплопередачу от нагревателя к воздуху, что усиливает конвекцию. Нихромовая нить в составе нагревательного элемента раскаляется до значительных температур (600-800 градусов), однако в результате теплопотерь в толще диэлектрической засыпки и благодаря интенсивному теплообмену температура алюминиевого оребрения существенно ниже. Такое конструктивное решение обеспечивает должную безопасность и комфорт
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид трубчатого электронагревателя с двумя спиралями;
фиг.2 - трубчатый электронагреватель с двумя спиралями в разрезе;
фиг.3 - сечение трубчатого электронагревателя с двумя спиралями;
фиг.4 - электрическая принципиальная схема трубчатого ТЭНа с двумя спиралями различной мощности (общий вид).
фиг.5 - электрические принципиальные схемы трубчатого ТЭНа с тремя спиралями различной мощности:
а) общий вид
б) попарное подключение 2-х параллельно соединенных спиралей;
в) подключение 3-х параллельно соединенных спиралей;
г) попарное подключение 2-х последовательно соединенных спиралей;
д) подключение 3-х последовательно соединенных спиралей;
е) последовательное и параллельное соединение.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата раскрываются ниже на примере конкретной конструкции используемого в электрическом конвекторе бытового ТЭНа с двумя спиралями различной мощности.
ТЭН состоит (фиг.1-3) из металлического трубчатого корпуса 1 с расположенными внутри него двумя геометрически параллельными нагревательными спиралями 2, выполненными из нихромовой нити (сплав с высокой термической стойкостью) и изолированными от корпуса спрессованной магнезиевой засыпкой 3. На торцах корпуса для предотвращения попадания в корпус влаги устанавливаются герметизационные заглушки 4 из диэлектрического изолятора с выводными контактами: 5 - от нагревательной спирали А, 6 - от нагревательной спирали В, 7 - общий вывод С.
Цельнолитой корпус нагревательного элемента, выполненный из сплава Al-Mg-Si, который обладает повышенной прочностью, увеличенным тепловым порогом, теплопроводностью, повышенной износостойкостью и низким уровнем теплового расширения, оснащен штампованными ребрами (оребрение) 8 и обладает увеличенной жесткостью. Такая форма корпуса с развитым оребрением и отверстиями 9 обеспечивает более интенсивную теплопередачу от нагревательного элемента к воздуху, что усиливает конвекцию, позволяя распределять поток горячего воздуха с большой скоростью и равномерностью, благодаря чему после включения прибора происходит быстрый обогрев помещения.
Работа ТЭНа заключается в выделении тепла в результате прохождения электрического тока по нагревательным спиралям. В рабочее положение может быть включена каждая из нагревательных спиралей по отдельности (см. фиг.4), обеспечивая работу нагревательного элемента с мощностью, соответствующей подключенной спирали, или двух спиралей вместе, соединенных последовательно или параллельно.
I режим: при включении в работу одной спирали трубчатый нагревательный элемент будет работать с мощностью Р1, соответствующей мощности подключенной спирали.
II режим: при включении в работу другой спирали, трубчатый нагревательный элемент будет работать с мощностью Р2, соответствующей мощности подключенной спирали.
III режим: в рабочее положение могут быть включены одновременно параллельно соединенные спирали, обеспечивающие работу нагревательного элемента с суммарной мощностью (Р1+Р2).
IV режим: включение в работу 2-х последовательно соединенных спиралей. Для подтверждения промышленной применимости группы полезных моделей приводятся электрические принципиальные схемы ТЭНа с двумя (фиг.4) спиралями разной мощности и тремя спиралями (фиг.5) с различными вариациями подключения спиралей.
Пример 1 (фиг.4): расчет мощности устройства с двумя спиралями разной мощности
Р1 (мощность первой спирали) = 500 Вт
Р2 (мощность второй спирали) = 1000 Вт
Варианты подключения спиралей:
1) Подключение отдельно каждой из спиралей:
P=P1=500 Вт - подключение отдельно первой спирали
Р=Р2=1000 Вт - подключение отдельно второй спирали
2) Последовательное соединение 2-х спиралей:
Р=Р1×Р2/Р1+Р2=333,3 Вт
3) Параллельное соединение спиралей: Р=Р1+Р2=500+1000=1500 Вт
ИТОГО: получение 4-х режимов мощности при трех вариантах подключения спиралей.
Пример 2 (фиг.5а-е): расчет мощности устройства с тремя спиралями
Р1 (мощность первой спирали)=500 Вт
Р2 (мощность второй спирали)=1000 Вт
Р3 (мощность третьей спирали)=1500 Вт
Варианты подключения спиралей:
1) Параллельное соединение 1 (три режима мощности) см. фиг.56:
Р=Р1+Р2=1500 Вт
P=P1+P3=2000 Вт
Р=Р2+Р3=2500 Вт
2) Параллельное соединение 2 (один режим мощности) см. фиг.5в:
Р=Р1+Р2+Р3=3000 Вт
3) Последовательное соединение 1 (3 режима мощности) см. фиг.5 г:
Р=Р1×Р2/Р1+Р2=333,3 Вт
Р=Р1×Р3/Р1+Р3=375 Вт
Р=Р2×Р3/Р2+Р3=600 Вт
4) Последовательное соединение 2 (один режим мощности) см. фиг.5д:
2
P=U/R1+R2=273 Вт
ИТОГО: получение 10-и режимов мощности при 4-х вариантах подключения спиралей.
5) Параллельно-последовательное соединение (см. фиг.5е).
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при осуществлении заявленной группы полезных моделей следующих условий:
- полезная модель предназначена для использования в электротехнике;
- для полезной модели в том виде, как она охарактеризована в независимых пунктах формулы, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета заявки средств и методов;
- полезная модель при любом из заявленных вариантов осуществлении, способна обеспечить достижение вышеуказанного заявителем технического результата.