ВИХРЕВОЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ ТРУБЧАТЫЙ РАДИАТОР "ВИХРЬ"

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована для получения и рассеивания тепловой энергии из электрической в любых помещениях, включая индивидуальные дома и квартиры.
Известен радиатор для системы отопления, состоящий из отдельных секций, ниппелей, соединяющих секции, глухих и проходных пробок, труб для подвода и отвода теплоносителя, причем тепло подводящая трубка сообщена с полостью дальней крайней секции радиатора, при этом секции радиатора выполнены с возможностью свободного прохода теплоносителя, при этом трубка для подвода теплоносителя размещена внутри секций радиатора (см. патент RU №2150053, М. Кл.:F24H 3/00, F28F 9/22, опубл. 2000).
Недостатком этого устройства является присутствие жидкостных систем.
Известны чугунные радиаторы, которые собираются из отдельных секций. Число секций в радиаторе может быть в любом количестве, в зависимости от конкретных условий применения (Соснин Ю.П., Бухаркин Е.Н. Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома: Спр. пособие. - М: Стройиздат, 1991, стр. 18). Отдельные секции радиаторов соединяют между собой ниппелями из ковкого чугуна. При этом внутренние полости секций радиатора сообщаются каналом внутри ниппелей, т.е. каждая секция радиатора подключается к подаваемому теплоносителю параллельно. Такой радиатор устанавливается в помещении и подсоединяется к системе подачи теплоносителя трубами для подачи и отвода теплоносителя со стороны стояка теплоносителя.
Недостатком этого устройства является присутствие жидкостных систем.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является коаксиальный нагреватель, состоящий из соосно расположенных внешней и внутренней круглых труб с концевой перфорированной заглушкой, с принудительной подачей воздуха (https://edrid.ru/rid/216.013.3535.htmlКоаксиальный нагреватель (edrid.ru)).
Недостатком этого устройства является то, что нагрев производится только в малом объеме: внутри устройства и в небольшом (30-40 см) расстоянии от него.
Технический результат предлагаемой полезной модели - решение задачи отопления помещений без применения жидкостных систем отопления, использующих для передачи тепла от нагревателя к радиатору жидкостный теплоноситель, а также повышения коэффициента мощности использования сети схожего лишь по конструкции коаксиального нагревателя ("тепловой пушки"), изготовленного из электропроводящих немагнитных материалов и используемого для нагрева воздуха, подаваемого под давлением. Для решения поставленной задачи коаксиальный радиатор собирается из одинаковых секций, состоящих из электроизолированных друг от друга и соосно расположенных внешних и внутренних труб прямоугольного или круглого сечения (по принципу трубка в трубке) из немагнитных токопроводящих материалов (например, сплавы алюминия, меди), которые соединяются между собой электропроводящими перемычками, образуя радиатор. При этом внешняя трубка соединяется с внешней, внутренняя - с внутренней, и только крайняя секция имеет электрический контакт между соосными трубками, который осуществляется посредством перемычки (эл. контактов в виде плоских металлических шин). Количество секций может быть любым. Соответственно, чем больше секций и их суммарная общая (внутренняя + внешняя) площадь поверхности, тем больше рассеиваемая тепловая мощность радиатора.
Другими словами, техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание высокоэффективного устройства для нагревания воздуха за счет увеличения общей площади поверхности радиатора, контактируемой с воздухом, а также иному способу преобразования эл. энергии в тепловую. Нагревание воздуха происходит за счет теплового излучения труб как с внешней, так и внутренней поверхности труб, а также естественной конвекции воздуха внутри соосно расположенных труб, образующих секции радиатора, без принудительной подачи воздуха. Нагревание же труб происходит вследствие создания в металле по всему объему труб вихревых токов (вращательных колебаний электронов), индуцированных переменным магнитным потоком высокой частоты (30-100) кГц, пропускаемого через концы труб с перемычками, вместо переменного эл. тока, поданного на концы труб напрямую (по принципу гальванической развязки элементов электрической цепи). Оптимальная работа вихревого коаксиального трубчатого радиатора лежит на частоте (30-100) кГц (при работе при работе менее 30 кГц возникает шум, увеличение частоты после 60 кГц требуется повышения мощности автогенератора). Изменяя частоту, мы изменяем степень нагрева радиатора.
Как известно, в проводе с переменным напряжением расходуется дополнительная энергия на изменения направлений векторов спинов и магнитных моментов электронов, на периодичность формирования магнитного поля вокруг провода. Далее, резкое изменение направления векторов спинов и магнитных моментов свободных электронов изменяет скорость их вращения относительно своих осей, что приводит к излучению фотонов. При этом надо иметь в виду, что меняющаяся полярность магнитного поля вокруг провода действует не только на свободные электроны, но и на валентные электроны атомов в молекулах и электроны атомов, не имеющие валентных связей. В результате они тоже могут излучать фотоны и увеличивать потери энергии. (Канарев Ф.М. Физхимия микромира. Учебник. Раздел 9.4. Стр. 144; https://www.micro-world.su/index.php/2012-03-08-17-51-29/566-2012-03-09-07-11 -46)
Испытывая внешнее воздействие переменного магнитного потока, как и переменного напряжения при пропускании тока, свободные электроны внутри атомной кристаллической решетки металла совершают колебания (вращательные движения вокруг своих центров масс).Резкое изменение направления векторов спинов и магнитных моментов свободных электронов изменяет скорость их вращения относительно своих осей, что приводит к излучению фотонов, а также оказывает силовое воздействие на ближайшие расположенные к ним валентные электроны ковалентных атомных связей и других связанных электронов в атомах металлов. И те, в свою очередь, стремясь сохранить эти связи, также испускают фотоны, длины волн которых зависят от частоты переменного внешнего магнитного потока. Чем больше частота переменного магнитного потока, тем меньше длина волны излучаемых фотонов и больше их масса. Соответственно, увеличивая или уменьшая частоту переменного магнитного потока, можно увеличивать или уменьшать (регулировать) температуру нагрева металла труб.
Вихревой коаксиальный трубчатый радиатор «ВИХРЬ» (Фиг. 1-5) имеет следующие достоинства:
1. Электрический с коэффициентом мощности использования сети (96 – 98)%.
2. КПД ~ 100% (практически вся потребленная от сети электроэнергия преобразуется в тепло), при этом в процессе преобразования эл. энергии и рассеивания ее в тепловую участвует полная общая поверхность радиатора.
3. Электробезопасность, так как используется гальваническая развязка от сети.
4. Нет потерь эл. энергии на эл. магнитное излучение от радиатора;
4. Отсутствует дополнительное внешнее оборудование в виде вентилятора с эл. Двигателем.
6. Бесшумный.
7. Легче аналогичного по размерам (нагревательным элементом является сам корпус радиатора, дополнительного защитного корпуса не требуется).
8. Частоту внешнего переменного магнитного потока можно регулировать, тем самым поддерживать любую заданную температуру нагрева труб, безопасную для касания.
Недостатками аналогичных коаксиальных нагревателей
(https://edrid.ru/rid/216.013.3535.htmlКоаксиальный нагреватель (edrid.m)) являются
1) низкая эффективность. Для эффективного нагрева воздуха в помещении, необходимо нагреть воздух внутри нагревателя за очень короткий промежуток времени прохождения между трубками ("камеры нагрева"). Общая площадь поверхности нагрева такой камеры равна сумме площадей трех поверхностей: внутренней поверхности внешней трубки, а также внешней и внутренней поверхности внутренней трубки. По этой причине для нагрева соосно расположенных короткозамкнутых труб, необходимо подать очень большой эл. ток, равного десяткам и сотням Ампер. Для этого к нагреваемым трубкам подводится переменное напряжение промышленной частоты не напрямую от сети, а от "посредника" - электрического трансформатора (по типу сварочного трансформатора) с низким коэффициентом мощности использования сети от 60% до 85%;
2) для нагнетания воздуха в камеру нагрева необходимо наличие дополнительного внешнего оборудования - вентилятора с эл. двигателем, который, кроме дополнительного потребления эл. энергии, также производит дополнительный шум;
3) нет гальванической развязки от сети, и, как следствие, низкая электро- и пожаробезопасность;
4) нагрев труб слабоуправляемый, только по принципу вкл./выкл.;
5) повышены его габаритные размеры и вес по совокупности с сопутствующим оборудованием.
На фиг. 1-6 приведены чертежи, схема и наглядная конструкция предлагаемого вихревого коаксиального трубчатого радиатора «ВИХРЬ».
На чертеже фиг. 1 приведена схема вихревого коаксиального нагревателя с соосно расположенными прямоугольными трубами, вид спереди в разрезе на предлагаемый радиатор из 4-х секций труб;
на чертеже фиг. 2 - он же, вид сверху. На чертеже фиг. 1 символически показано пропускание через трубки первой секции радиатора переменного магнитного потока Ф;
на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 представлены соответственно вид спереди, вид сверху и вид снизу наглядной конструкции в материале (опытный образец из 2-х секций алюминиевых труб с медными шинами-перемычками на болтовом соединении и кольцевым магнитным ферритовым сердечником с намотанным медным проводом). Коаксиальный нагреватель состоит из внешней трубы 1, внутренней трубы 2, перемычек 3, создающих электрический контакт между соосными трубами в крайней секции, перемычек 4, создающих электрический контакт между внешними трубами 1, перемычек 5, создающих электрический контакт между внутренними трубами 2, перемычек 8, создающих электрический контакт между соосными трубами 1 и 2 поверх намотки сердечника 9 первой секции. Соосно расположенные трубы 1 и 2, а также перемычки 3, 4, 5, 8 одновременно служат нагревательными элементами и корпусом радиатора;
на фиг. 6 приведена принципиальная схема включения коаксиального нагревателя от внешней сети промышленной частоты. Корпус радиатора - 1, трансформатор (магнитный сердечник с намоткой) - 10, резонансный автогенератор (патент на полезную модель №199438) - 11, электронный трансформатор (патент на полезную модель №203837) - 12.
Предлагаемый вихревой коаксиальный трубчатый радиатор «ВИХРЬ» работает следующим образом: от внешней сети переменного тока промышленной частоты электрический ток подается на схему электронного преобразователя (12);
выпрямленный ток далее подается на схему резонансного автогенератора (11) для генерации синусоидальных колебаний переменного тока на частоте 30-100 кГц;
переменный ток высокой частоты от резонансного автогенератора подается на первичную обмотку магнитного кольцевого сердечника-трансформатора (10);
от сердечника с первичной обмоткой 9 индуцированный переменный магнитный поток высокой частоты синфазно пропускается через внешнюю трубу 1 и внутреннюю трубу 2 с перемычками 8 в начале первой секции, и радиатор по всей длине и объему труб начинает нагреваться. С внешних и внутренних поверхностей соосно расположенных прямоугольных труб происходит тепловое излучение. В коаксиальный радиатор снизу поступает холодный воздух 6 во внутренние трубы 2 и в пространство между внешними трубами 1 и внутренними трубами 2, он начинает нагреваться и двигаться по трубам вверх. При движении по трубам вверх температура воздуха продолжает расти и из радиатора выходит уже теплый воздух 7 (естественная конвекция воздуха).
Вихревой коаксиальный трубчатый радиатор «ВИХРЬ» - по сути это трубчатый проводник, у которого две соосно расположенных проводящих трубки являются прямым и обратным проводниками, представляет собой короткозамкнутый виток, концы которого помещены вокруг и внутри магнитного сердечника с первичной намоткой эл. проводом от схемы управления. На фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 от схемы управления радиатором по первичной обмотке, намотанной на сердечник 9, протекает переменный ток высокой частоты, во вторичной обмотке в виде одного витка из соосно расположенных труб 1 и 2 создаются вихревые токи за счет короткого замыкания перемычкой 3 в крайней секции и перемычкой 8 поверх обмотки сердечника. Таким образом, переменный магнитный поток воздействует на проводники (трубки с перемычками), порождая в них вихревые токи (колебания электронов) внутри атомных кристаллических решеток металла.