ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОБОГРЕВАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно к системам электрического отопления помещений.
Уровень техники
Из уровня техники известен электронагреватель по патенту на полезную модель №173514 (Заявка: 2016126932 МПК H05B 3/10. Опубликовано 30.08.2017) [1], содержащий встроенный в отражатель тепла нагревательный элемент, оборудованный автоматическим датчиком регулирования температуры, блоком соединения с источником тока и оснащенный отражателем с изоляционным слоем, при этом отражатель выполнен в виде теплонакопительного слоя, в состав которого входит талькомагнезит, а отражатель тепла выполнен из материалов на основе кварца и расположен перед нагревательным элементом.
Недостатком указанного устройства является слабое отведение тепла от тыльной поверхности электронагревателя, а также слабая защищенность кромки отражателя тепла, что приводит к лёгкому повреждению кромки отражателя тепла в случае минимальных механических воздействий, например, к образованию сколов.
Известен электрический обогреватель с увеличенной теплоотдачей (см. патент на полезную модель № 201123. Заявка: 2019129557. МПК H05B 3/10. Опубликовано: 27.11.2020) [2]. Известный электрический обогреватель состоит из теплорассеивающего элемента, нагревательного элемента, изоляционного слоя, кожуха и защитного профиля, при этом защитный профиль выполнен П-образным и расположен по периметру электрического обогревателя, а в упомянутом кожухе выполнены выступающие элементы с отверстиями. При этом полочки упомянутого П-образного профиля имеют различную ширину. Нагревательный элемент выполнен из проволоки сплава Х20Н80. Известный электронагреватель не решает задачу регулирования электропотребления и теплоотдачи.
Известен электрообогреватель по патенту на полезную модель №194690 (Заявка № 2019122387, МПК H05B 3/10. Опубликовано 19.12.2019) [3]. Электрообогреватель содержит встроенный в отражатель тепла нагревательный элемент, соединенный с источником тока, оснащен отражателем с изоляционным слоем, при этом отражатель выполнен в виде теплонакопительного слоя, а отражатель тепла расположен перед нагревательным элементом. Нагревательный элемент выполнен из нихромовой нити. Электрообогреватель оборудован автоматическим терморегулятором (АТ), содержащим блок управления (БУ), датчик температуры воздуха (ДТВ) и датчик температуры поверхности нагревательного элемента (ДТН), соединенные с блоком управления (БУ) автоматического терморегулятора, при этом БУ соединен с линией фазы источника переменного тока и линией «0», а нагревательный элемент только с линией «0», причем БУ и нагревательный элемент соединены с линией заземления. Известный электрообогреватель с автоматическим терморегулятором (АТ) работает с перепадами температур в период времени от момента включения терморегулятора до момента выключения и не имеет функции выравнивания колебаний температур, что приводит к неравномерному излучению тепла и ухудшает эксплуатационные характеристики электрического обогревателя.
Известен электрический обогреватель по заявке №2022113910 (МПК H05B 3/10. заявитель Черняев С.Ю., дата подачи 24.05.2022) [4], содержащий теплоизлучающий элемент, нагреватель, изоляционный слой, заднюю стенку и защитный профиль, причем электрический обогреватель соединен с теплоизлучающим элементом посредством термостойкого клеевого раствора, а нагреватель выполнен из нихромовой проволоки, закреплен на тыльной поверхности теплоизлучающего элемента змейкой по всей площади тыльной стороны теплоизлучающего элемента, причем прямолинейные участки нагревателя расположены горизонтально с переменным шагом; при этом расстояние между прямолинейными участками нагревателя в нижней части теплоизлучающего элемента минимально, а в направлении вверх расстояние между прямолинейными участками выполнено с увеличением, достигая максимума в верхней части теплоизлучающего элемента; причем концы нихромового нагревателя подключены к медным проводникам сетевого кабеля сети 220 В с помощью соединительных медных гильз, закрепляемых опрессовкой, с использованием высокотемпературной электропроводящей смазки.
По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемой полезной модели принят электрический обогреватель по заявке №2022113910 [4].
Заявляемый электрический обогреватель является усовершенствованием конструкции электрического обогревателя по заявке №2022113910[4].
Технической проблемой полезной модели является улучшение эксплуатационных характеристик электрического обогревателя.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является создание электрического обогревателя с повышенной теплоотдачей.
Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков заявленной полезной модели.
Раскрытие полезной модели.
Заявленный технический результат достигается тем, что электрический обогреватель, содержащий теплоизлучающий элемент, нагреватель, изоляционный слой, заднюю стенку и защитный профиль, причем электрический обогреватель соединен с теплоизлучающим элементом посредством термостойкого клеевого раствора, а нагреватель выполнен из нихромовой проволоки, закреплен на тыльной поверхности теплоизлучающего элемента змейкой по всей площади тыльной стороны теплоизлучающего элемента, причем прямолинейные участки нагревателя расположены горизонтально с переменным шагом; при этом расстояние между прямолинейными участками нагревателя в нижней части теплоизлучающего элемента минимально, а в направлении вверх расстояние между прямолинейными участками выполнено с увеличением, достигая максимума в верхней части теплоизлучающего элемента; причем концы нихромового нагревателя подключены к медным проводникам сетевого кабеля сети 220 В с помощью соединительных медных гильз, закрепляемых опрессовкой, с использованием высокотемпературной электропроводящей смазки, согласно полезной модели, дополнительно содержит второй нагревательный элемент, причем нихромовые проволоки первого и второго нагревательных элементов расположены рядом друг с другом на всем своем протяжении; нормально-замкнутое термореле, обеспечивающее отключение одного из нагревательных элементов при достижении теплоизлучателем первой заданной температуры и включении указанного нагревательного элемента при снижении температуры теплоизлучателя, ниже второй заданной температуры, при этом другой нагревательный элемент остаётся всегда включённым, обеспечивающим постоянный прогрев устройства при отключении первого нагревательного элемента.
При этом защитный профиль выполнен П-образным и расположен по периметру электрического обогревателя, а в задней стенке вдоль верхней и нижней сторон выполнены выступающие элементы с отверстиями, при этом выступающие элементы, расположенные вдоль верхней стороны, направлены отверстиями вверх, а выступающие элементы, расположенные вдоль нижней стороны, направлены отверстиями вниз.
При этом в качестве теплоизлучающего элемента использована кварцевая или керамическая плита
При этом защитный профиль выполнен из металла.
При этом нагревательный элемент выполнен из проволоки сплава Х20Н80.
При этом на задней стенке электрического обогревателя расположены элементы для крепления упомянутого обогревателя на стене обогреваемого помещения, выполненные в виде мостиков, сочленяемых с кронштейнами, закрепленными на стене.
При этом полочки упомянутого П-образного профиля имеют различную ширину.
При этом нагреватель содержит первую, вторую, третью и четвертую соединительные медные гильзы под опрессовку, первый, второй и третий силовые гибкие выводы, при этом нижние концы первого и второго нагревательных элементов подключены к первому концу третьего силового гибкого вывода с помощью четвертой соединительной медной гильзы под опрессовку, верхний конец первого нагревательного элемента подключен к выходу термореле с помощью второй соединительной медной гильзы под опрессовку, при этом вход термореле подключен к первому концу второго силового гибкого вывода с помощью третьей соединительной медной гильзы под опрессовку, а верхний конец второго нагревательного элемента подключен к первому концу первого силового гибкого вывода с помощью первой соединительной медной гильзы под опрессовку.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Общий вид электрического обогревателя.
Фиг. 2. Вид А на фиг. 1.
Фиг. 3. Вид Б на фиг. 1.
Фиг. 4 Разрез А-А на фиг. 2.
Фиг. 5. Схема электрическая обогревателя.
Фиг. 6. Крепежный элемент. Вид В на фиг. 3.
Фиг. 7. Разрез Б-Б на фиг. 6.
Фиг. 8. Кронштейн.
Фиг. 9. График работы электрического обогревателя.
Перечень позиций.
1. Электрический обогреватель.
2. Теплоизлучающий элемент.
3. Нагреватель.
4. Первый нагревательный элемент.
5. Второй нагревательный элемент.
6. Термореле.
7.1. Первая соединительная медная гильза под опрессовку.
7.2. Вторая соединительная медная гильза под опрессовку.
7.3. Третья соединительная медная гильза под опрессовку.
7.4. Четвертая соединительная медная гильза под опрессовку.
8.1. Первая гильза соединительная изолированная в ПВХ корпусе.
8.2. Вторая гильза соединительная изолированная в ПВХ корпусе.
9. Прямолинейные участки проводников первого 4 и второго 5 нагревательных элементов.
10. Слой термостойкого клея.
11. Покрытие из натриевого стекла.
12. Профиль защитный.
13. Задняя стенка.
14. Верхние конвенционные отверстия.
15. Нижние конвенционные отверстия.
16. Конвенционный поток воздуха внутри обогревателя 1.
17. Конвенционный поток воздуха перед обогревателем 1.
18. Первая жила кабеля 28.
19. Вторая жила кабеля 28.
20. Инфракрасное излучение от передней поверхности теплоизлучающего элемента 2.
21. График значений температуры теплоизлучающего элемента 2 для заявляемого обогревателя 1.
21.1. Участок графика значений температуры теплоизлучающего элемента 2 после выключения термореле 6.
21.2. Участок графика значений температуры теплоизлучающего элемента 2 после включения термореле 6.
21.3. Участок графика значений температуры теплоизлучающего элемента 2 при постоянно включенном термореле 6.
21.4. Участок графика значений температуры теплоизлучающего элемента 2 при постоянно выключенном термореле 6 после его выключения.
22. График значений температуры теплоизлучающего элемента для прототипа.
23. Крепежный элемент.
24. Крепежный кронштейн.
25. Крючок на крепежном кронштейне 24.
26. Стена.
27. Конвекционный поток воздуха между обогревателем 1 и стеной 26.
28. Силовой кабель.
29. Третья жила силового кабеля 28.
30.1. Первый силовой гибкий вывод.
30.2. Второй силовой гибкий вывод.
30.3. Третий силовой гибкий вывод.
31. Инфракрасное излучение от проводников первого 4 и второго 5 нагревательных элементов.
Осуществление полезной модели.
На фиг. 1 изображен примерный вариант осуществления заявляемого электрического обогревателя 1 (в дальнейшем может упоминаться как обогреватель). Электрический обогреватель 1 состоит из теплоизлучающего элемента 2 (фиг. 2), с помощью которого идет обмен тепловой энергией обогревателя 1 с окружающим пространством. В качестве теплоизлучающего элемента 2 может быть использована, например, кварцевая или керамическая плита толщиной от 9 до 11 мм. Такая плита имеет высокую теплопроводность, большую теплоемкость и коэффициент излучения близкий к 1 (https://r-i.moscow/articles/koeffitsiyenty-izlucheniya. Опубликовано 09.01.‎2018‎ г.), что позволяет повысить теплоотдачу заявляемого обогревателя 1. Кроме этого, такая плита имеет большую механическую устойчивость при повторении большого количества циклов нагрев/охлаждение, что снижает вероятность её разрушения во время эксплуатации, приводящего к снижению теплоотдачи обогревателя.
По периметру теплоизлучающий элемент 2 закрыт защитным П-образным профилем 12 (фиг. 1, 2, 3, 4), выполненным из металла, например, из алюминия. Использование профиля 12 позволяет защитить периметр электрического обогревателя 1 от механических повреждений, в частности, защитить теплоизлучающий элемент 2 от сколов, которые ухудшали бы теплоотдачу обогревателя.
Защитный профиль 12 с одной стороны механически соединен с теплоизлучающим элементом 2 (фиг. 4) посредством термостойкого клея (на схеме не показан), а с другой стороны указанный профиль соединен с задней стенкой 13, например, посредством заклепок или термостойкого клея (на схеме не показаны).
При этом полки упомянутого профиля могут иметь различную ширину, например, полка с лицевой стороны обогревателя 1 может быть выполнена более узкой для снижения экранирования профилем теплового потока от теплоизлучающего элемента 2 в окружающее пространство, а полка на задней стороне обогревателя 1, более широкая, предназначена для обеспечения жесткости крепления к ней задней стенки 13.
Задняя стенка 13 выполнена в виде металлической пластины, при этом вдоль ее верхней стороны выполнены выступающие элементы с верхними конвекционными отверстиями 14, а вдоль ее нижней стороны выполнены выступающие элементы с нижними конвекционными отверстиями 15. При этом верхний ряд отверстий 14 направлен вверх, а нижний ряд отверстий 15 направлен вниз. Пример выполнения верхних 14 и нижних 15 отверстий показан на фиг. 4. Такое выполнение и расположение конвекционных отверстий 14 и 15 позволяет обеспечить устойчивый конвекционный поток 16 воздуха внутри обогревателя 1 благодаря естественной конвекции и, соответственно, увеличить теплоотдачу обогревателя.
На задней стенке 13 расположены крепежные элементы 23, предназначенные для крепления обогревателя на стене 26 помещения. Указанные крепежные элементы 23 могут быть выполнены, например, в виде мостиков (фиг. 6 и 7), изготовленных прессованием, с помощью которых обогреватель 1 крепится на кронштейнах 24, установленных на стене 26 (фиг. 8), обеспечивающих крепление указанного обогревателя 1 с отступом L от стены 26. Такое крепление обогревателя 1 позволяет вместо простого нагрева им стены помещения, на которой закреплен обогреватель 1, организовать между нагревателем 1 и стеной 26 конвекционные потоки 27, увеличивающие теплоотдачу тыльной стороны нагревателя 1, что в свою очередь повышает теплоотдачу обогревателя 1 в целом.
i
1
(n-1)
i
(i+1)
1
i
(n-1),
Первый 4 и второй 5 нагревательные элементы расположены в одном формируемом ими тепловом поле. Это достигается тем, что их нихромовые проволоки расположены рядом друг с другом на всем своем протяжении (фиг. 5). При этом указанные проволоки закреплены «змейкой» по всей площади тыльной стороны теплоизлучающего элемента 2, причем указанная «змейка» содержит прямолинейные участки 9, уложенные горизонтально с переменной длиной шага укладки равной ∆h (фиг. 5). Здесь i номер шага, причем 1 ≤ i ≤ (n-1), где n это количество прямолинейных участков 9 в нагревателе 3, зависящее от длины проволок первого 4 и второго 5 нагревательных элементов, которая в свою очередь зависит как от физических размеров обогревателя 1, так и от его электрической мощности P. Шаг с номером 1 длиной ∆h находится в нижней части теплоизлучающего элемента 2, а шаг с номером (n-1) длиной ∆h находится в верхней его части. При этом всегда ∆h < ∆h, т. е. длина шага ∆h минимальна, а в направлении вверх, с увеличением i, длина шага ∆h между прямолинейными участками 9 выполнена с увеличением для каждого последующего шага i, достигая максимума при i = (n-1), равного ∆h в верхней части нагревателя 3 (фиг. 5). Благодаря такой конструкции первого 4 и второго 5 нагревательных элементов устраняется неравномерность нагрева теплоизлучающего элемента 2 по высоте, что повышает его теплоотдачу и устраняет вероятность его разрушения из-за разности температур в верхней и нижней его частях.
Для осуществления подачи в обогреватель 1 электрической энергии из промышленной сети переменного тока 220 В и его заземления использован силовой кабель 28. Напряжение 220 В поступает в обогреватель 1 по первой 18 и второй 19 жилам силового кабеля 28. Заземление обогревателя 1 осуществляется с помощью третьей 29 жилы силового кабеля 28, подключенной, например, посредством вытяжной заклепки 3,2х6 мм, к задней стенке 13 (фиг. 5).
Тепловая энергия, излучаемая теплоизлучающим элементом 2, генерируется обогревателем 1 посредством преобразования электрической энергии в тепловую в нагревателе 3, который расположен на тыльной поверхности теплоизлучающего элемента 2 (фиг. 4). В примере осуществления, приведенном на фиг. 4, нагреватель 3 состоит из первого 4 и второго 5 нагревательных элементов, термореле 6, первой 7.1, второй 7.2, третьей 7.3 и четвертой 7.4 соединительных медных гильз под опрессовку, первого 30.1, второго 30.2 и третьего 30.3 силовых гибких выводов. (фиг. 5). Здесь первый 4 и второй 5 нагревательные элементы предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую, термореле 6 предназначено для коммутации электроэнергии, поступающей на второй 5 нагревательный элемент, первая 7.1, вторая 7.2, третья 7.3 и четвертая 7.4 соединительные медные гильзы под опрессовку предназначены для надежного электрического соединения первого 4 и второго 5 нагревательных элементов и термореле 6 с первым 30.1, вторым 30.2 и третьим 30.3 силовыми гибкими выводами, предназначенными для обеспечения электрического соединения нагревателя 3 с электрической схемой обогревателя 1 для подачи на нагреватель 3 электрической энергии. Причем нижние концы первого 4 и второго 5 нагревательных элементов подключены к первому концу третьего 30.3 силового гибкого вывода с помощью четвертой 7.4 соединительной медной гильзы под опрессовку, верхний конец первого 4 нагревательного элемента подключен к выходу термореле 6 с помощью второй 7.2 соединительной медной гильзы под опрессовку, при этом вход термореле 6 подключен к первому концу второго 30.2 силового гибкого вывода с помощью третьей 7.3 соединительной медной гильзы под опрессовку, а верхний конец второго 5 нагревательного элемента подключен к первому концу первого 30.1 силового гибкого вывода с помощью первой 7.1 соединительной медной гильзы под опрессовку. Первый 4 и второй 5 нагревательные элементы нагревателя 3 жестко закреплены к тыльной поверхности теплоизлучающего элемента 2 с помощью слоя 10 термостойкого клея. Все элементы нагревателя 3, кроме вторых концов первого 30.1, второго 30.2 и третьего 30.3 силовых гибких выводов, расположены под защитным покрытием 11, благодаря чему обеспечивается их жесткое крепление к тыльной поверхности теплоизлучающего элемента 2 с помощью этого защитного покрытия 11. При этом, не закрытые защитным покрытием 11 вторые концы первого 30.1, второго 30.2 и третьего 30.3 силовых гибких выводов, обеспечивают подключение нагревателя 3 к электрической схеме обогревателя 1.
Первый 4 и второй 5 нагревательные элементы нагревателя 3 предназначенные для преобразования электрической энергии в тепловую и выполнены из нихромовой проволоки (ГОСТ 12766.1-90 Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением), например, из сплава Х20Н80, обладающего высоким электрическим сопротивлением, не подвержен воздействию высоких температур и не изменяет своих физико-химических характеристик в агрессивных средах.
В качестве термореле 6, предназначенного для подключения и отключения первого 4 нагревательного элемента от сети переменного тока с целью поддержания в заданном диапазоне температуры теплоизлучающего элемента 3, может быть использовано, например термореле типа KSD9700 (https://dim565.ru/ksd9700/. Опубликовано 04.04.2017).
В качестве первой 7.1, второй 7.2, третьей 7.3 и четвертой 7.4 соединительных медных гильз под опрессовку, предназначенных для электрического соединения элементов нагревателя 3 в соответствии с электрической схемой (фиг. 5), могут быть применены, например, гильзы типа ГМЛ-1.5 (ГОСТ 23469.3-79 Гильзы кабельные соединительные медные, закрепляемые опрессовкой) с использованием высокотемпературной электропроводящей смазки, например, ЭПС-98.
Первый 30.1, второй 30.2 и третий 30.3 силовые гибкие выводы, предназначенные для подключения электрической схемы нагревателя 3 к сети переменного тока, могут быть выполнены, например из отрезков провода монтажного гибкого типа МГТФ 0.75 (ТУ-16-505.185-71) (https://www.chipdip.ru/product/mgtf-0.75-kv.mm. Опубликовано 25.01.2017 г).
Слой 10 термостойкого клея предназначен жесткого крепления проволок первого 4 и второго 5 нагревательных элементов по всей своей длине, за исключением концов, к тыльной поверхности теплоизлучающего элемента 2. При этом толщина слоя от 4 до 7 мм.
Защитное покрытие 11 предназначено для защиты от влаги и укрепления поверхности слоя 10 клеевого раствора, а также для механической фиксации, электрической изоляции всех элементов нагревателя 3. При этом защитное покрытие 11 выполнено из материала, который не препятствует тепловому потоку от теплоизлучающего элемента 2 и нагревателя 3, направленному во внутреннее пространство обогревателя 1, а также имеющего высокую адгезию к материалу теплоизлучающего элемента 2 и высокую теплопроводность (фиг. 4). В качестве защитного покрытия 11 может быть использовано, например натриевое стекло, преимущественно матовое, или мастика.
Работа
В основе работы электрического обогревателя 1 лежит принцип преобразования электрической энергии в тепловую в нагревателе 3 методом нагрев сопротивлением.
При подключении электрического обогревателя 1 к промышленной сети переменного тока 220 В с помощью кабеля 28 по нихромовым проволокам первого 4 и второго 5 нагревательных элементов нагревателя 3 начинает протекать ток. При этом указанные нихромовые проволоки разогреваются и, благодаря наличию теплового контакта нагревателя 3 с теплоизлучающим элементом 2, тепло от нагревателя 3 будет нагревать теплоизлучающий элемент 2, и его температура начнет повышаться. Тепловая мощность от обогревателя 1 начнет поступать в окружающее пространство. С ростом температуры теплоизлучающего элемента 2 будет расти тепловая мощность, поступающая от обогревателя 1 в окружающее пространство.
1
2
max
max
1
2
Электрическая мощность первого нагревательного элемента 4 равна P, а второго нагревательного элемента, равна P, поэтому, максимальная электрическая мощность P заявляемого электрического обогревателя 1 равна P=P+P. Первый 4 и второй 5 нагревательные элементы расположены в одном формируемом ими тепловом поле. Благодаря расположению первого 4 и второго 5 нагревательных элементов (фиг. 5) устраняется неравномерность нагрева теплоизлучающего элемента 2 по высоте, что повышает его теплоотдачу и устраняет вероятность его разрушения из-за разности температур в верхней и нижней его частях.
1
1
2
1
2
1
2
1
1
2
При этом один из нагревательных элементов, например, первый нагревательный элемент 4, постоянно подключен к сети переменного тока 220 В, от которой питается обогреватель 1, а второй 5 нагревательный элемент подключен к указанной сети через нормально-замкнутое термореле 6 (фиг. 5), например, типа KSD9700(T°C), отключающее нагревательный элемент 5 от сети при достижении температурой значения T°C (которая указывается в скобках обозначения типа реле), в точке расположения термореле 6, и подключающее нагревательный элемент 5 к сети при достижении температурой значения T, в точке расположения термореле 6. Здесь: T, - температура выключения термореле 6, а T, - температура включения термореле 6. Причем T> T. T, выбирается производителем обогревателя 1 в зависимости от его электрической мощности из ряда значений: 80°C, 85°C, 90°C и 95°C. Причем, для этого ряда значений разность температур выключения и включения всегда равна 25°C, т.е. T- T = 25°C. Повышению теплоотдачи способствует то, что первый нагревательный элемент 4, постоянно подключен к сети переменного тока 220 В, даже когда второй 5 нагревательный элемент отключен посредством термореле 6.
Проводники первого 30.1, второго 30.2 и третьего 30.3 силовых гибких выводов и проводники входа и выхода термореле 6 выполнены из медного провода. Подключение нихромовых проволок первого 4 и второго 5 нагревательных элементов к медным проводникам в соответствии с электрической схемой нагревателя 3 (фиг. 5) выполнено с помощью соединительных медных гильз 7.1, 7.2, и 7.4 под опрессовку потому, что в этом случае, участки нихромовых проволок внутри соединительных гильз, после их опрессовки, на всем своем протяжении, замкнуты участками медных проводников электрической схемы нагревателя 3 (участки внутри гильз 7.1, 7.2, 7.3 и 7.4 условно показаны на фиг. 5 пунтирными линиями внутри этих гильз) и проводящим слоем меди самих соединительных гильз, что уменьшает переходное контактное сопротивление соединений нихромовых концов проволок первого 4 и второго 5 нагревательных элементов с медными проводниками электрической схемы, и что предотвращает локальный разогрев участков нихромовых концов проволок внутри гильз, проходящим через такие соединения током. Благодаря уменьшенному переходному контактному сопротивлению таких соединений исключается их локальный разогрев и перегрев, что повышает теплоотдачу обогревателя 1 за счет снижения потерь электрической энергии в указанных соединениях, т.к. такие потери снижают (уменьшают) количество электрической энергии, поступающей в нагреватель 3 из сети 220 В через первый 30.1, второй 30.2 и третий 30.3 силовые гибкие выводы. При этом первый 30.1 и второй 30.2 силовые гибкие выводы нагревателя 3 подключены ко второй 19 жиле силового кабеля 28 с помощью первой гильзы 8.1 соединительной изолированной в ПВХ корпусе (ТУ 3424-001-59861269-2004), а третий 30.3 силовой гибкий вывод нагревателя 3 подключен к первой 19 жиле силового кабеля 28 с помощью второй 8.2 гильзы соединительной изолированной в ПВХ корпусе.
Временные диаграммы 21 работы электрического обогревателя 1, и 22 работы прототипа показаны на фиг. 8, где:
t
по горизонтальной оси отображено время  (сек);
на вертикальной оси графика отображена температура T (°C) теплоизлучающего элемента 2;
1
Т– темпераура, при которой размыкаются контакты термореле 6;
2
1
Т– температура, при которой замыкаются контакты термореле 6 после их размыкания при Т;
3
ПР
Т– температура теплоизлучающего элемента прототипа, при которой тепловая мощность, излучаемая прототипом в окружающее пространство, равна электрической мощности P, потребляемой прототипом от электрической сети, условно равна средней температуре теплоизлучающего элемента 2 заявляемого устройства;
4
max
1
2
4
Т– температура теплоизлучающего элемента 2, при которой мощность теплового излучения обогревателя 1 равна P=P+P; (Т– гипотетическая температура теплоизлучающего элемента 2, которая могла бы быть достигнута им при постоянно включенном термореле 6, см. участок 21.3 графика 21 на фиг. 6);
5
2
5
1
Т– температура теплоизлучающего элемента 2, при которой мощность теплового излучения обогревателя 1 равна P (Т– гипотетическая температура теплоизлучающего элемента 2, которая могла бы быть достигнута им при постоянно выключенном термореле 6 после его выключения при достижении Т, см. участок 21.4 графика 21 на фиг. 6);
ов
T– температура окружающего воздуха.
i
ов
Термореле 6 расположено на тыльной стороне теплоизлучающего элемента 2 в точке, находящейся в непосредственной близости от проводников первого 4 и второго 5 нагревательных элементов. За счет высокой теплопроводности теплоизлучающего элемента 2 и благодаря тому, что прямолинейные участки 9 проводников первого 4 и второго 5 нагревательных элементов уложены горизонтально и с переменной длиной шага укладки равной ∆h (фиг. 5), изменяющейся от нижней части теплоизлучающего элемента 2 до его верхней части, температура в указанной выше точке с незначительными отклонениями будет равна температуре в любой точке передней поверхности теплоизлучающего элемента 2. Поэтому температуру в точке, где расположено термореле 6, будем называть температурой теплоизлучающего элемента 2. В исходном состоянии температура теплоизлучающего элемента 2 равна температуре окружающего воздуха T. На диаграмме (фиг. 9) показаны два графика: 21 – график значений температуры теплоизлучающего элемента 2 для заявляемого обогревателя 1; 22 – график значений температуры теплоизлучающего элемента для прототипа.
t
0
При подключении в момент времени  электрического обогревателя 1 к промышленной сети переменного тока 220 В с помощью кабеля 28, по нихромовым проволокам первого 4, т.к. контакты термореле 6 замкнуты, и второго 5 нагревательных элементов начинает протекать ток. При этом проволоки первого 4 и второго 5 нагревательных элементов будут разогреваться и благодаря наличию теплового контакта указанных проводников с теплоизлучающим элементом 2 тепло от этих проводников будет нагревать теплоизлучающий элемент 2 (график 21, фиг. 6).
1
2
max
max
1
2
max
4,
1,
4
1
Указанные нагревательные элементы 4 и 5 могут иметь как одинаковую, так и разную мощность PиP, соответственно, а мощность P, потребляемая электрическим обогревателем 1, будет равна P=P+P. Причем мощность P подобрана таким образом, чтобы температура Тбыла бы выше Т т.е. T> T.
1
1
1
1
1
2
2
1
t
При достижении теплоизлучающим элементом 2 температуры выключения термореле 6, равной T, в момент времени , контакты этого термореле 6 разомкнутся и первый нагревательный элемент 4 будет отключен от сети. При применении термореле типа KSD9700-85°C температура T равна 85°C. Однако, в зависимости от электрической мощности нагревателя возможно применение таких реле с температурой T равной: 80°C, 90°C или 95°C. При этом разность между температурой T выключения термореле 6 и температурой T его включения всегда равна 25°C, т.е.: T = T - 25°C.
2
ов
1,
2
5
2,
2
5.
При отключении от сети 220 В первого нагревательного элемента 4 мощность, потребляемая от сети электрическим обогревателем 1, снизится до величины P. При этом, за счет теплообмена с окружающей средой, температура T которой ниже T температура теплоизлучающего элемента 2 начнет снижаться (участок 21.1 охлаждения на диаграмме фиг. 9). Причем мощность P подобрана таким образом, чтобы температура Тбыла бы ниже Т т.е. T> T
2
2
1
3
,
=
3
1
3
t
t
t
t
Гистерезис термореле 6 равен 25°C, таким образом, при достижении теплоизлучающим элементом 2 температуры T = 85-25°C= 55°C (при применении термореле типа KSD9700-85°C), в момент времени , контакты термореле 6 замкнутся, первый нагревательный элемент 4 будет снова подключен от сети 220 В, что приведет к его разогреву, а, следовательно, и к разогреву теплоизлучающего элемента 2 (участок 21.2 нагрева на диаграмме фиг. 9). После достижения им температуры T в момент времени , первый нагревательный элемент 4 будет отключен от сети термореле 6 (участок 21.1 охлаждения на диаграмме фиг. 9). Далее процесс подключения/отключения от сети первого нагревательного элемента 4 с помощью термореле 6 будет повторяться с периодом τравным τ  - . При этом период τбудет расти с увеличением температуры окружающего воздуха в связи с его прогревом обогревателем 1, т.к. длительность участков 21.1 охлаждения на диаграмме будут увеличиваться, из-за того, что охлаждение теплоизлучающего элемента 2 более теплым окружающим воздухом будет происходить медленней. Период τбудет так же изменяться с изменением напряжения в сети 220 В из-за ее нестабильности. Таким образом, средняя температура T теплоизлучающего элемента 2 у заявляемого устройства поддерживается постоянной как при изменении температуры окружающего воздуха, так и при изменении в допустимых пределах напряжения сети 220 В, к которой подключено заявляемое устройство.
t
t
t
t
4
0
)
5
0
ПР
max
Стабильное значение средней температуры является одной из эксплуатационных характеристик, улучшенных по сравнению с прототипом, в котором не обеспечивается такая стабильность, т.к. температура теплоизлучающего элемента прототипа зависит как от напряжения питания в сети 220 В, так и от температуры окружающего воздуха. Из графиков на фиг. 9 видно также, что другая эксплуатационная характеристика – время достижения средней температуры после включения (время разогрева), у заявляемого устройства ( -  меньше, чем у прототипа ( - .), т.к. P для прототипа меньше P, что так же улучшает эксплуатационные свойства заявляемого обогревателя.
Нагрев окружающего воздуха нагревателем 1 осуществляется за счет:
1. прохождения через этот воздух инфракрасного излучения 20 и 31 (фиг. 4), излучаемого нагретой передней поверхностью теплоизлучающего элемента 2, и первым 4 и вторым 5 нагревательными элементами, с последующим многократным отражением и поглощением этих излучений окружающими предметами в помещении. Поэтому для улучшения теплоотдачи через излучение надо увеличить коэффициент излучения поверхности теплоизлучающего элемента 2 и его прозрачность для инфракрасного излучения, для этого предпочтительно, чтобы она была выполнена матовой.
Инфракрасным излучением 20 и 31 во внешнюю среду передается 15-20 процентов всей тепловой энергии нагревателя 1;
2. физического контакта этой поверхности с окружающим воздухом;
3. физического контакта поверхности покрытия 11 из натриевого стекла с воздухом внутри нагревателя 1;
4. физического контакта внешней поверхности задней стенки 13 с окружающим воздухом.
i
Во втором и третьем случаях происходит прямая передача тепловой энергии от теплоизлучающего элемента 2 воздуху, что приводит к его нагреву. Т.к. нагретый воздух легче ненагретого, то после нагрева возле поверхности теплоизлучающего элемента 2 или возле поверхности покрытия 11 из натриевого стекла он поднимается вверх, выталкиваясь холодным. Это приводит к возникновению естественных конвекционных потоков 16 и 17. Причем конвекционный поток 17 расположен спереди нагревателя 1, а конвекционный поток 16 расположен внутри нагревателя 1 (фиг. 4). Спереди нагревателя, снизу поступает холодный воздух, он соприкасается с теплоизлучающим элементом 2, нагревается и поднимается вверх вдоль его поверхности, прогреваясь все больше. Постепенно, при движении воздуха вверх, разница между температурой воздуха и температурой теплоизлучающего элемента 2 уменьшается, и отбор тепла воздухом от теплоизлучающего элемента 2 падает, что при одинаковом значении шага ∆h между прямолинейными участками 9 нагревателя 3 по всей его высоте приводило бы к тому, что температура теплоизлучающего элемента 2 в нижней его части была бы значительно меньше, чем температура в верхней его части, что уменьшало бы теплоотдачу обогревателя 1. Для увеличения теплоотдачи прямолинейные участки 9 нагревателя 3 внизу расположены чаще, с постепенным увеличением шага вверху (фиг. 5). Причем изменения шага подобраны таким образом, чтобы температура теплоизлучающего элемента 2 не зависела от высоты точки измерения на его поверхности. Этим достигнута максимальная теплоотдача обогревателя 1 в конвекционный поток 17, с помощью которого во внешнюю среду передается 70-75 процентов всей тепловой энергии электрического обогревателя 1.
Конструкция электрического обогревателя 1 позволяет создать внутри него естественные конвекционные потоки 16 воздуха нагретого тыльной стороной излучателя 3 и покрытия 11, при этом воздух входит во внутрь электрического обогревателя 1 через отверстия 15 в нижней части стенки 13, а выходит через отверстия 14 в верхней части стенки 13.
В четвертом случае происходит прямая передача тепловой энергии от внешней поверхности задней стенки 13 воздуху, находящемуся между обогревателем 1 и стеной 26 помещения, на которой он закреплен, что приводит к нагреву указанного воздуха и к возникновению между нагревателем 1 и стеной 26 конвекционных потоков 27 (фиг. 4), увеличивающих теплоотдачу тыльной стороны нагревателя 1, что в свою очередь повышает теплоотдачу обогревателя 1 в целом.
1
2
При этом нормально-замкнутое термореле 6 обеспечивает отключение одного из нагревательных элементов, например, 4, при достижении теплоизлучателем 2 первой заданной температуры T и включение указанного нагревательного элемента при снижении температуры теплоизлучателя до второй заданной T, а второй нагревательный элемент, например, 5, при этом остаётся всегда включённым, благодаря чему инфракрасное излучение 31 не прерывается, что повышает теплоотдачу обогревателя 1.
Все указанные признаки позволяют достичь заявленный технический результат - увеличение тепловой отдачи электрического обогревателя.
Из вышесказанного видно, что задача повышения теплоотдачи заявляемым электрическим обогревателем 1 решается.
Промышленная применимость
Заявляемое устройство может быть изготовлено промышленным способом из известных материалов с использованием известных технологий и технических средств, что обусловливает его соответствие критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Источники информации.
1. Патент на полезную модель № 173514. Электронагреватель. Заявка: 2016126932 МПК H05B 3/10. Опубликовано 30.08.2017.
2. Патент на полезную модель № 201123. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОБОГРЕВАТЕЛЬ. Заявка: 2019129557. МПКH05B 3/10. Патентообладатель(и): Черняев Станислав Юрьевич. Опубликовано: 27.11.2020.
3. Патент на полезную модель №194690 Электрообогреватель. Заявка № 2019122387, МПК H05B 3/10. Опубликовано 19.12.2019.
4. Заявка на полезную модель №2022113910 Электрический (МПК H05B 3/10; заявитель Черняев С.Ю., дата подачи 24.05.2022) - наиболее близкий аналог.