БЛОК НАГНЕТАНИЯ И НАГРЕВА ВОЗДУХА

Заявляемая полезная модель относится к области электроотопительной техники, в основном вагонов электротранспорта, вагонов-домов и т.п., а также к составной части оборудования воздушно-тепловых завес дверных проемов салонов и тамбуров вагонов и других аналогичных помещений.
Известны конструкции устройств для нагрева воздуха, использующие в своем составе нагреватели и центробежные вентиляторы. Это одна группа нагревателей воздуха.
В авторском свидетельстве СССР №750133 описан центробежный вентилятор, содержащий корпус, разделенный перегородкой на две половины, каждая из которых содержит всасывающий и нагнетательный патрубки; установленные в корпусе с радиальным зазором рабочее колесо двустороннего всасывания и тепловые трубки. Последние в результате усовершенствования авторов изобретения располагаются на специальных кольцевых ребрах, которые установлены в этом же радиальном зазоре коаксиально рабочему колесу.
Для использования в тепловых завесах, в которых необходим мощный, хорошо сформированный воздушный поток с высоким избыточным давлением, это устройство малопригодно. Установленные на выходе воздуха из вентилятора тепловые трубки и радиаторы, в которых они установлены, создают высокое аэродинамическое сопротивление и существенно ухудшают напорные характеристики выходящего из вентилятора воздушного потока.
В патенте РФ на изобретение №2050473 - центробежный вентилятор содержит корпус с нагнетательным патрубком, установленные в корпусе рабочее колесо и электронагревательные элементы, а также выходной воздуховод. При этом электронагревательные элементы выполнены в виде пластин, установленных пакетами вдоль потока в воздуховоде.
Здесь также формированию воздушного потока мешают создающие большое аэродинамическое сопротивление на выходе воздуха из вентилятора электронагревательные пластины.
Кроме того, недостаток этой группы аналогов заключается в инерционности устройств из-за использования в качестве нагревателей пакетов пластин или тепловых трубок, что не позволяет применять такие нагреватели там, где безынерционность в качестве характеристики крайне важна, например, в быстром включении и отключении воздушно-тепловых завес вагонов электротранспорта, поскольку время разогрева и время остывания описанных нагревателей существенно больше времени, на которое открываются двери вагона во время остановки электротранспортного средства.
Известны также технические решения, в которых представлены конструкции нагревателей воздуха салонов электротранспорта со спиральными нагревательными элементами. Это другая группа устройств нагрева воздуха: авторское свидетельство СССР №544840 «Электрокалорифер для нагрева воздуха», патенты РФ на изобретения №1477994, №2008574 и полезную модель №56988.
Особый интерес представляют нагреватели, разработанные НПФ «Этна», описанные в патентах РФ на изобретения №2343364, №2376156.
Во всех решениях второй группы современных нагревателей с присутствием спиральных нагревательных элементов использован вентилятор осевого типа, входной порт для подачи напряжения, опорно-крепящие и изолирующие элементы. Названные аналоги предназначены для обогрева салона электротранспорта, за исключением технического решения в патенте №2343364, в котором описано устройство для обогрева кабины водителя с аналогичными признаками.
Недостатки самых последних указанных аналогов заключаются в том, что, обеспечивая эффективный нагрев объемов внутри помещений, в том числе электротранспорта, некоторые другие близкие практические задачи» возникающие в этих же вагонах электротранспорта, также эффективно решать они пока не могли, например, по причине не достижения высокого показателя продавливания высоконапорного потока нагретого воздуха, т.к. формируемый ими поток воздуха имеет относительно малую скорость и малое избыточное давление.
В качестве наиболее близкого аналога было выбрано устройство нагрева воздуха, разработанное НПФ «Этна» (патент РФ на изобретение №2345908). Оно содержит полый корпус с входом и выходом воздушного потока и помещенные в нем с помощью крепящей арматуры нагревательный элемент и вентилятор. Нагревательный элемент, как правило, представляет собой собранный и уложенный на опоре вдоль корпуса спиралеобразный элемент. Вентилятор осевого типа включает помещенный в свою обечайку электродвигатель и вынесенную за нее крыльчатку. Устройство нагрева воздуха содержит помещенный между корпусом и обечайкой электродвигателя, установленный коаксиально обечайке металлический цилиндрический разъемный кожух. В устройстве расположены вытянутые в корпусе пластины с отверстиями вдоль их протяженности. Спиралеобразный нагревательный элемент образован из сориентированных параллельно друг другу между соседними пластинами и электрически соединенных последовательно участков спиралей, концы которых закреплены на стягивающих изоляторы винтах.
Недостаток наиболее близкого аналога заключаются в том, что несмотря на высокие показатели устройства по габаритам - компактность и сниженный вес, а также его безынерционность, применение устройства ограничивается эффективным нагревом помещений, в первую очередь, салонов электротранспорта и не позволяет его также эффективно использовать для решения других близких задач в этих же вагонах, где требуется высокий показатель продавливания высоконапорного потока нагретого воздуха, например, в виде составных частей в воздушных завесах, где требуется, в том числе, и подогрев. Это также связано с тем, что воздух на выходе этих устройств имеет относительно малую скорость и небольшое избыточное давление.
Задача заявляемого заключается в расширении функциональных возможностей блока нагнетания и нагрева воздуха (БННВ) за счет получения высокого показателя продавливания высоконапорного потока нагретого воздуха с сохранением компактности и безынерционности устройства.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что БННВ, содержащий корпус с входом и выходом для воздушного потока, размещенные в корпусе с помощью опорно-крепящей арматуры вентилятор и нагревательный узел, включающий электрически соединенные последовательно участки спиральных элементов, концы которых закреплены на винтах, стягивающих изоляторы, размещенные на аксиально протяженных опорных пластинах, представляет собой установленные один за другим на одной оси нагревательный узел и вентилятор центробежного типа, имеющий кожух в форме «улитки» и входное отверстие в виде конфузора, соответствующее выходному отверстию нагревательного узла, которым служит торцевая часть обечайки нагревательного узла, вплотную по горизонтали расположенная к кожуху вентилятора, в которую помещен крепящийся к ней с помощью держателей внутренний узел из аксиально протяженных опорных пластин с воздушными окнами в месте нахождения центральной части каждого из участков спирального элемента.
Заявляется также БННВ, в котором внутренний узел из аксиально протяженных опорных пластин сформирован в фигуру типа многогранник.
Кроме того патентуется БННВ, в котором входная и выходная части внутреннего узла по пути следования воздушного потока на торцах по его периферии выполнены цельными, неразделенными, в виде полых уплощенных колец и служат опорой для держателей внутреннего узла к обечайке нагревательного узла.
Заявляется также БННВ, в котором у выходного отверстия обечайки нагревательного узла по ходу воздушного потока размещена диэлектрическая пластина, электрически разделяющая нагреватель и вентилятор и крепящаяся на опорной каркасной пластине, прочно установленной и протяженной в продольном, а также поперечном направлениях внутри корпуса, с отверстием, совпадающим с плотно прилегающими к ней выходным отверстием обечайки нагревателя и конфузора вентилятора.
Кроме того заявляется БННВ, в котором участки спиральных элементов выложены в виде многоугольников последовательно во фронтальной плоскости по азимуту, а в аксиальном направлении следуют параллельными рядами друг за другом.
Технический результат заявляемой полезной модели не ограничивается получением одновременно безынерционного и компактного нагревателя, габариты которого позволяют поместить его в любое самое незначительное свободное пространство в припотолочной зоне вагона электротранспорта, вблизи дверного проема и над ним, вписав его месторасположение в пространство рядом с механизмом открывания дверей. Это решает проблему размещения данных блоков в отличие от аналогичных по эксплуатационным параметрам устройств нагрева воздуха, обладающих существенно большими габаритами, других организаций - изготовителей. Малые же габариты достигнуты выбором типа вентилятора и его ориентацией относительно нагревательного узла в корпусе заявляемого устройства, а также установкой вентилятора в выбранное место.
Заявляемая конструкция блока нагнетания и нагрева обладает высоким показателем продавливания высоконапорного потока нагретого воздуха, что расширяет возможность его использования, в первую очередь в качестве источника нагретого воздуха с высоким избыточным давлением, в частности для тепловых завес дверных проемов электрических транспортных средств.
Заявляемое техническое решение поясняется с помощью чертежей фиг. 1-фиг. 5, на которых представлены:
фиг. 1 - общий вид заявляемого устройства,
фиг. 2 - вид со стороны вентилятора - заявляемое устройство без корпуса,
фиг. 3 - часть заявляемого устройства, без нагревательного узла, вид в попе речном сечении;
фиг. 4 - заявляемое устройство в поперечном сечении;
фиг. 5 - модификация внутреннего узла нагревательного узла;
фиг. 6 - модификация нагревательного узла заявляемого устройства.
На всех фиг. позициями 1-30 обозначены:
1 - корпус;
2 - вход воздушного потока;
3 - выход воздушного потока;
4 - защитная сетка;
5 - выходной патрубок;
6 - нагревательный узел;
7 - вентилятор;
8 - кожух вентилятора;
9 - электродвигатель;
10 - рабочее колесо с лопатками;
11 - конфузор вентилятора;
12 - выходное отверстие вентилятора;
13 - аксиально протяженная опорная пластина;
14 - отверстие;
15 - обечайка нагревательного узла;
16 - крепежный элемент по типу «лапки»;
17 - отверстие в «лапке»;
18 - участок спирального элемента;
19 - изолятор;
20 - винт;
21 - держатель;
22 - термопредохранитель;
23 - шпилька (стержень);
24 - опорный каркасный элемент;
25 - диэлектрическая пластина;
26 - входной порт для подачи напряжения;
27 - защитная крышка входного порта;
28 - болт заземления;
29 - фиксатор;
30 - профилированный держатель.
Заявляемое устройство нагрева воздуха (фиг. 1, 2) включает ряд элементов и узлов, помещенных в корпус 1 с входом 2 и выходом 3 воздушного потока, ряд изолирующих деталей и опорно-крепящую арматуру в виде винтов, пластин и других элементов крепежа. Со стороны входа 2 корпуса 1 установлена защитная сетка 4, со стороны выхода 3 корпуса 1 - выходной патрубок 5. Основные элементы заявляемого устройства - установленные со стороны входа 2 корпуса 1 нагревательный узел 6 и со стороны выхода 3 корпуса 1 вентилятор 7, помещенный к выходной стенке корпуса 1. Последний (фиг. 3) выбран центробежного типа и содержит помещенные в спиральный - в форме «улитки» кожух 8 электродвигатель 9 и рабочее колесо с лопатками 10. Вентилятор 7 имеет входное отверстие в виде конфузора 11 - конструкции, обратной диффузору, которая представляет собой часть канала в виде усеченного конуса. В зоне нахождения конфузора 11 динамическое давление в направлении движения воздушного потока увеличивается, статическое - уменьшается, за счет чего осуществляется плавное сужение и ускорение воздушного потока, засасываемого вентилятором 7. В последнем имеется выходное отверстие 12, соответствующее отверстию в стенке - выходу 3 корпуса 1 и сопряженное с ним. Вентилятор 7 расположен после нагревательного узла 6 на одной оси с ним. При этом конфузор 11 вентилятора 7 соответствует выходному отверстию нагревательного узла 6.
Конструктивные отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога влияют на особенное формирование воздушного потока вдоль всего пути его в корпусе 1 и, в частности, на участках нагревательного узла 6, особенно внутри зоны, образующейся из аксиально протяженных опорных пластин 13 с отверстиями 14. Внешний элемент для формирования воздушного потока на участке нагревательного узла 6 представляет собой обечайку 15 нагревательного узла 6, выполненную неразъемной и имеющую на внешней стороне крепежные элементы по типу «лапок» 16 с отверстиями 17 для закрепления обечайки 15 нагревательного узла 6 внутри корпуса 1 и термопредохранители 22, обеспечивающие отключение питания нагревательного узла 6 в режиме максимального нагрева во избежание перегрева.
Выходным отверстием нагревательного узла 6 служит выходное отверстие обечайки 15 нагревательного узла 6, которое плотно и непосредственно соединено с конфузором 11 вентилятора 7. В обечайку 15 нагревательного узла 6 помещена внутренняя часть нагревательного узла 6, выполненная в виде электрически соединенных последовательно участков спиральных элементов 18, концы которых закреплены на винтах 20, стягивающих изоляторы 19. Соединенные по окружности (по азимуту) во фронтальной плоскости участки спиральных нагревательных элементов 18 образуют многоугольники, которые в аксиальном направлении внутри корпуса 1 расположены друг за другом параллельными рядами. Изоляторы керамического типа расположены на аксиально протяженных опорных пластинах 13. Практически весь создаваемый вентилятором 7 воздушный поток направляется на съем тепла с участков спиральных элементов 18 (см. фиг. 4).
Аксиально протяженные опорные пластины 13 образуют в нагревательном узле 6 внутренний узел. При этом аксиально протяженные опорные пластины 13 уложены с возможностью образования между ними воздушных окон в месте нахождения центральной части каждого из участков спирального элемента 18. Крепление внутреннего узла к обечайке 15 нагревательного узла 6 осуществляется при помощи держателей 21. В частном случае, как представлено на фиг. 5, внутренний узел сформирован в фигуру по типу вытянутого многогранника. Держатели 21 внутреннего узла представляют толстостенные отходящие от многогранника в стороны металлические прямоугольные пластины, которые могут составлять технологически одно целое с; группой аксиально протяженных опорных пластин 13, поскольку так (заодно) с ними технологически изготовлены. В другом частном случае (см. фиг. 6) держатели 21 представляют цельные, неразделенные полые уплощенные кольца, расположенные во входной и выходной частях многогранника по пути следования воздушного потока на торцах по его периферии, выполненные из толстостенного металла, и на которых внутренний узел зафиксирован с помощью элементов крепежа, например, стержней или шпилек 23, выполненных из толстостенного металла и размещенных в радиальном направлении от внешней поверхности уплощенных кольцеобразных держателей до внутренней поверхности обечайки 15 нагревательного узла 6 с возможностью выхода их насквозь.
Важным элементом конструкции (фиг. 4) является каркас, состоящий из стенок корпуса 1 и опорного каркасного элемент 24, который может быть выполнен, как правило, в виде прочной пластины, практически перекрывающей корпус 1 заявляемого устройства в продольном и поперечном направлении, или в виде поддерживающих стоек, опирающихся на дно корпуса 1, с отверстием в центральной части под обечайку 15 нагревательного узла 6. На опорном каркасном элементе 24 закреплена диэлектрическая пластина 25, расположенная у выходного отверстия обечайки 15 нагревательного узла 6 по ходу воздушного потока.
В этом случае достигается наиболее целесообразное размещение нагревательного узла 6 и вентилятора 7, позволяющее достичь максимальной концентрации выделяемой тепловой мощности в предлагаемом устройстве л обеспечить и тепловую защиту дверных проемов за счет продавливания высоконапорного потока нагретого воздуха.
На корпусе 1 с внешней стороны на стенке размещены: входной порт для подачи напряжения 26, защитная крышка для него 27 и болт заземления 28. Для фиксации стенок корпуса 1 по всему периметру имеются заклепки 29 (фиг. 1). В частном случае, на корпусе 1, с внешней стороны верхней стенки могут быть размещены профилированные держатели 30 для крепления внутри вагона в припотолочной зоне на предусмотренной опоре с возможностью взаимного соответствия форм профилированного держателя 30 и предусмотренной опоры (фиг. 3). у Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.
При включении устройства указанной конструкции в схему электропитания транспортного средства (трамвая, троллейбуса, вагонов электропоезда и т.п.) по сигналу открывания двери через входной порт для подачи напряжения 26 на вводы питания вентилятора 7 подается переменное напряжение 220 или 380 В. В зимнее время (при температурах окружающей среды ниже минус 15°С) напряжение (постоянное, либо переменное для разных типов электротранспорта) подается также на вводы питания нагревательного узла 6. Воздух на вход 2 устройства попадает из помещения вагона в корпус 1 устройства через отверстие с защитной сеткой 4.
Вращая рабочее колесо с лопатками 10 вентилятора 7, электродвигатель 9 обеспечивает создание разряжения воздуха в нагревательном узле 6, в связи с чем воздушный поток поступает из зоны с большим давлением вне корпуса 1 в зону с меньшим давлением через вход 2 корпуса 1. Далее воздушный поток, прошедший сквозь участки спирального элемента 18, нагревается и поступает в вентилятор 7 через конфузор 11, после прохождения которого становится более плотным. Под действием рабочего колеса с лопатками 10 вентилятора 7 воздушный поток изменяет направление своего движения на 90° и через выходное отверстие 12 вентилятора 7, сопряженное с выходом 3 в стенке корпуса 1 поступает далее за пределы заявляемого устройства, например, в распределительный воздуховод. По сигналу закрытия дверей транспортного средства происходит одновременное отключение вентилятора 7 и нагревательного узла 6 (прекращается подача напряжения на входной порт 26). Отсутствие задержки по времени отключения, используемой в аналогичных устройствах с инерционными нагревательными узлами, необходимо для предотвращения возможности перегрева участков нагревательного узла 6 и позволяет не усложнять схему управления этими устройствами.
Термопредохранители 22 включаются через низковольтные выводы устройства в цепь пусковой обмотки контактора транспортного средства, подающего напряжение на участки спиральных нагревательных элементов 18. При отключении напряжения электродвигателя 9, либо при выходе его из строя, температура термопредохранителя 22 поднимается выше критического значения, контакты термопредохранителя 22 размыкаются, цепь пусковой обмотки контактора размыкается и подача напряжения на нагревательный узел 6 прекращается.
Пример
Оба частных варианта выполнения заявляемого устройства апробируются на промышленном предприятии г. Саратова. Устройство имеет запасы по эксплуатационным параметрам при весе в 15 кг и может быть рекомендовано в качестве составной части в воздушно-тепловую завесу.
Конструкции устройства по частным вариантам соответствуют приложенным к заявке чертежам общего вида, поскольку чертежи взяты из набора рабочей документации.
Используемые материалы для изготовления узлов:
суперфехраль GSSY (проволока диаметром 0,8-1,0 мм, навитая на керн диаметром 8-10 мм) - участки спиральных нагревательных элементов, длиной порядка 60 мм;
углеродистая конструктивная сталь марки 20 с качеством поверхности группы Б - детали внутреннего узла нагревательного узла;
углеродистая сталь по ГОСТ 16523-97 - корпус.