БЛОК НАГРЕВА ВОЗДУХА ДЛЯ ЭЛЕКТРОКАЛОРИФЕРА

Полезная модель относится к области электроотопительной техники для электротранспорта: троллейбусов, трамваев, электрических поездов. Заявляемое техническое решение может быть использовано для повышения эффективности нагрева салонов названных транспортных средств, кабин водителей и других пространств внутри электротранспорта.
Известны нагревательные узлы электрокалориферов из патентов РФ:
[№39192] «Электрокалорифер» патентообладателя ООО «РуссСпарта»;
[№44374] «Электрокалорифер» патентообладателя ООО «Стигр-вагрем»;
[№70565] «Электрокалорифер» патентообладателя ООО «Новые Технологии»,
используемые в отоплении вагонов железнодорожного транспорта. Их объединяет использование трубчатых электронагревательных элементов, объединенных крепежной арматурой в тепловыделяющие секции.
В электрокалорифере патента РФ №39192 каждая тепловыделяющая секция выполнена в виде несущей стержневой конструкции, образованной группой трубчатых электронагревателей, связанных друг с другом креплением их контактных стержней на опорных элементах.
В электрокалорифере патента РФ №44374 трубчатые электронагревательные элементы каждой секции выполнены прямолинейными и расположены параллельно друг другу, электроизолированы от корпуса. Крепление трубчатых электронагревательных элементов в панелях выполнено с помощью электроизоляционных муфт.
В электрокалорифере патента РФ №70565 тепловыделяющие секции образованы рядами трубчатых W-образных электронагревательных элементов, плоскости которых расположены в проточном тракте перпендикулярно воздушному потоку. Трубчатые W-образные электронагревательные элементы закреплены с одной стороны на съемной стенке внутреннего корпуса без электроизоляционных муфт и электрически связаны между собой. Трубчатые W-образные электронагревательные элементы соседних рядов расположены со сдвигом относительно друг друга.
Описанные выше устройства имеют один общий недостаток. Они построены на основе трубчатых электронагревательных элементов (ТЭНов), характеризующихся высокой тепловой инерционностью. Время их выхода в рабочий тепловой режим при подаче на них высокого напряжения и время их остывания достигают зачастую 10÷15 минут.
В то же время скорость разогрева воздуха, оперативность срабатывания элементов электрокалориферов при переключении ступеней мощности нагрева, скорость выполнения ими команд системы управления климата является одной из важнейших характеристик электронагревательных устройств для общественного электротранспорта, в том числе для электропоездов.
Принципиально задача многократного увеличения скорости выхода в рабочий режим, снижения в десятки раз длительности переходных процессов при переходе из одного в другой режимы нагрева решается путем перехода от инерционных нагревательных устройств на ТЭНах к практически безынерционным нагревательным устройствам на основе открытых спиралей.
Известны электронагреватели для электрокалорифера [патент РФ №1477994] в виде открытых спиралей, размещенных одна относительно другой в соседних рядах и пропущенных через сквозные каналы изоляторов, установленных в корпусе параллельными рядами. Такая конструкция электронагревателей имеет ряд недостатков, главным из которых выступает локальный перегрев частей спиралей, находящихся внутри каналов изоляторов. Остальными недостатками являются сложность сборки, низкий уровень ремонтопригодности и электробезопасности.
Известны также нагревательные блоки обогревателей воздуха салона электротранспорта [патенты РФ №2343364, 2343365, 2345908, 2376156] патентообладателей фирм «Этна» и «Этна-Т».
Нагревательные блоки обогревателей воздуха салона электротранспорта, описанные в патентах РФ №2343364, 2343365, помещены в электрически изолированный от корпуса кожух и выполнены в виде ряда электрически соединенных спиральных нагревательных элементов, закрепленных через изоляторы на держателях.
В блоках нагрева воздухоподогревателей салона [патент РФ №2345908] и кабины водителя [патент РФ №2376156] электротранспорта тех же фирм используется нагревательный элемент, собранный и уложенный в виде спиралеобразного элемента на опоре вдоль корпуса воздухоподогревателя электротранспорта. Элемент образован из сориентированных параллельно друг другу между соседними пластинами и электрически соединенных последовательно участков спиралей, концы которых закреплены на паре изоляторов, установленных в отверстиях пластин, выполненных вдоль их протяженности.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является блок нагрева, описанный в патенте РФ на изобретение №2342605. Нагревательный блок заявленного устройства для нагрева воздуха выполнен из ряда соединенных нагревательных элементов, собранных через керамические изоляторы на металлических держателях в виде прямоугольных рамок. Фиксаторы, крепящие нагревательные элементы, представляют собой выходящие из углов, образованных смежными сторонами прямоугольных рамок, металлические пластины, повторяющие направления стенок корпуса и ориентированные свободными концами в направлении к центру прямоугольных рамок, оставляя свободным пространство внутри последних для размещения электродвигателя. Нагревательные элементы представляют собой отдельные участки спиралей, концы которых закреплены по длине на двух противолежащих керамических изоляторах. Участки спиралей нагревательного блока пространственно разнесены внутри каждой из прямоугольных рамок и компактно уложены по периферии внутреннего пространства - у стенок корпуса, оставляя свободным от спиралей центральную его часть для размещения электродвигателя в зоне нагревательного блока. Крайние спирали соединены с вводами электропитания нагревательного блока. Компактная укладка участков спиралей осуществлена пространственным разнесением их на фиксаторах со смещением соседних участков в направлениях, параллельных сторонам прямоугольных рамок. Работа этих устройств осуществляется с использованием блоков подачи и нагрева воздуха, в которых применение спиральных нагревательных элементов дополнено включением в конструкцию вентилятора, включающего крыльчатку. Задача уменьшения габаритов изделия решалась путем размещения электродвигателя вентилятора в центральной части блока нагрева, что привело к размещению спиралеобразного нагревательного элемента вокруг центральной области на оставшихся местах внутри него, практически периферийных, вдоль стенок корпуса вокруг электродвигателя.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение мощности блока нагрева воздуха, его эффективности без снижения срока службы и надежности устройства.
Сущность заявляемой полезной модели характеризуется тем, что блок нагрева воздуха для электрокалорифера содержит помещенную в корпусе и зафиксированную с помощью крепящей арматуры внутри него, по крайней мере, одну рамку с расположенными внутри спиральными нагревательными элементами; рамка имеет горизонтально ориентированные крепежные пластины: краевые - верхнюю и нижнюю, являющиеся одновременно верхней и нижней сторонами рамки, и промежуточные между ними, делящие внутреннее пространство рамки на помещенные друг под другом секции; крепежные пластины выполнены из толстостенного высокопрочного материала и имеют, по крайней мере, по одному ряду отверстий для электрически изолированного соединения спиральных нагревательных элементов, причем отверстия в рядах разнесены относительно друг друга, обеспечивая равномерное заполнение спиральными нагревательными элементами пространства внутри каждой секции как в центральной части, так влево и вправо от нее.
Заявляется также усовершенствование блока нагрева воздуха для электрокалорифера, у которого спиральные нагревательные элементы соединены в области краевых верхней и нижней крепежных пластин перемычками.
Кроме того заявляется также блок нагрева воздуха для электрокалорифера, в каждой из рамок которого установлена вертикально ориентированная спица, проходящая сквозь крепежные пластины.
Заявляется также оптимальное отношение расстояния между соседними отверстиями вдоль крепежных пластин h к диаметру отверстий d:
.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в организации эффективного нагрева с помощью заявляемого блока нагрева воздуха для помещений и пространств в электротранспорте, обусловленного расстановкой и компоновкой спиральных нагревательных элементов, их количеством и возможностями материалов. Для этого внутри каждой рамки пространство поделено рационально на секции горизонтально протяженными пластинами из высокопрочного материала. Таким образом поделенное на секции пространство организует размещение спиральных нагревательных элементов как в горизонтальном направлении в виде рядов с размещением спиральных нагревательных элементов на пластинах, так и в вертикальном направлении - расположением одной секции под другой. Разделение функций в заявляемых нагревательных устройствах, максимально возможное освобождение внутреннего пространства электрообогревателей от элементов, не осуществляющих функцию непосредственно нагрева, вынесение из внутреннего пространства электродвигателя и устройства для нагнетания воздушного потока для возможности рациональной организации спиральных нагревательных элементов, позволяет увеличить количество последних на освободившейся территории, что обеспечивает значительное повышение мощности нагревательных устройств. При этом одновременно с главной задачей, сформулированной выше - превращением нагревательного устройства в высокомощное устройство необходимо решать вопрос повышения надежности устройства, его защиты, изоляции и, по крайней мере, сохранения срока службы без увеличения веса, сохранения, а по возможности уменьшения металлоемкости.
В целях лучшего естественного охлаждения рекомендуется размещать спиральные нагревательные элементы на пластине с обеспечением сдвига отверстий в соседних рядах. Как правило, на пластинах по два ряда отверстий. В заявляемой полезной модели в краевых верхней и нижней крепежных пластинах, которые одновременно служат горизонтальными верхней и нижней сторонами рамки, размещен один ряд отверстий.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг. На Фиг. показан вид спереди блока нагрева воздуха для электрокалорифера. Позициями на Фиг. обозначены:
1 - рамка;
2 - боковые стороны рамки;
3 - верхняя краевая крепежная пластина;
4 - нижняя краевая крепежная пластина;
5 - промежуточные крепежные пластины;
6 - спиральные нагревательные элементы;
7 - отверстия для соединения спиральных нагревательных элементов;
8 - крепящие элементы для соединения спиральных нагревательных элементов;
9 - перемычки;
10 - вертикально ориентированная спица.
Блок нагрева воздуха для электрокалорифера содержит помещенную в корпусе с датчиками и зафиксированную с помощью крепящей арматуры внутри корпуса, по крайней мере, одну рамку 1. Каждая из рамок 1 имеет боковые стороны 2 и горизонтально ориентированные крепежные пластины: краевые - верхнюю 3, нижнюю 4 и промежуточные 5 между ними. Верхняя 3 и нижняя 4 крепежные пластины являются одновременно верхней и нижней сторонами рамки 1. Промежуточные крепежные пластины 5 делят внутреннее пространство каждой из рамок 1 на помещенные друг под другом секции. Внутри рамок 1 расположены спиральные нагревательные элементы 6.
Крепежные пластины 3, 4, 5 выполнены из толстостенного высокопрочного материала и имеют, по крайней мере, по одному ряду отверстий 7 для электрически изолированного соединения спиральных нагревательных элементов 6. Отверстия 7 в рядах разнесены относительно друг друга, обеспечивая равномерное заполнение спиральными нагревательными элементами 6 пространства внутри каждой секции как в центральной части, так влево и вправо от нее к боковым сторонам 2 рамок 1.
Соединение концов спиральных нагревательных элементов осуществлено посредством отверстий 7 в крепежных пластинах 3, 4, 5 через изоляторы болтами, винтами, шпильками и любыми прочими крепящими элементами 8 в зависимости от размеров блока нагрева воздуха и специфики его применения. Изоляторы могут быть выполнены как традиционным образом для каждого конца отдельно из керамики, так и иначе, например, в виде выполнения крепежных пластин или их покрытия из термостойкого диэлектрического материала. Электрическое соединение спиральных нагревательных элементов 6 в области верхней 3 и нижней 4 краевых крепежных пластин может быть осуществлено с помощью перемычек 9. В целях дополнительного укрепления конструкции и снижения вибрационных резонансов в блок нагрева воздуха в каждую из рамок целесообразно установить вертикально ориентированную спицу 10, проходящую сквозь крепежные пластины 3, 4, 5. На режимы работы заявляемых блоков нагрева воздуха ощутимо влияют его геометрические размеры, в частности, отношение расстояния между соседними отверстиями вдоль крепежных пластин h к диаметру отверстий d, которое должно быть подчинено соотношению:
.Блок нагрева воздуха для электрокалорифера работает следующим образом. При включении блока нагрева воздуха в схему электропитания транспортного средства, например, электропоезда, на высоковольтные вводы питания блока нагрева воздуха подается напряжение 3000 В или 628 В в зависимости от типа напряжения контактной сети, питающей электротранспортное средство, в котором установлен электрокалорифер. Подача напряжения на контакты блока нагрева воздуха для электрокалорифера осуществляется одновременно при работающей автономно штатной вентиляционной установке электротранспортного средства, создающей необходимый воздушный поток. Приточный воздух, проходя через эту установку, направляется на равномерно расположенные спиральные нагревательные элементы 6 установленных фронтально одна за одной рамок 1 блока нагрева воздуха. Далее нагретый спиральными нагревательными элементами 6 воздушный поток поступает внутрь электротранспортного средства. Работа блока нагрева воздуха для электрокалорифера осуществляется при наличии в составе последнего датчиков температуры в виде реле, которые настроены на контроль превышения как температуры выходящего воздушного потока, так и температуры поверхности его корпуса. При достижении критического значения температуры каждый из датчиков размыкает цепь нагревательных элементов.
В электропоездах блок нагрева воздуха для электрокалорифера располагается в надпотолочном пространстве вагона. Нагретый воздушный поток поступает в вагон электропоезда через отверстия, выполненные в потолочной перегородке.
Заявляемый блок нагрева воздуха характеризуется мощным и равномерным тепловым потоком, хорошей согласованностью с большинством штатных вентиляционных систем электротранспортных средств, высокой надежностью, долговечностью, сроком службы.
Пример. Заявляемое устройство в виде блока нагрева воздуха для высоковольтного электрокалорифера проходит испытания на одном из предприятий г.Саратова на выполнение требований надежности, срока службы, безотказности, в том числе на воздействие внешних механических факторов, включая вибрацию, стойкость к воздействию условий транспортирования и к воздействию климатических факторов. Испытания показали соответствие заданным параметрам. В электрокалорифере используется безынерционный блок нагрева воздуха на открытых спиралях в полном соответствии с описанием данной полезной модели. В блоке нагрева воздуха установлено 6 прямоугольных рамок, выполненных из высокопрочного металла и имеющих отверстия 7 для установки отрезков спиральных нагревательных элементов 6 из высокоомного жаропрочного материала с использованием керамических изоляторов. Пространство внутри каждой из рамок 1 равномерно заполнено двумя рядами отрезков спиральных нагревательных элементов 6, установленных со сдвигом друг относительно друга. Плотность тока в спиральных нагревательных элементах 6 примерно в 15 раз ниже, чем в спиралях ТЭНов, используемых другими производителями климатического оборудования для электропоездов. Для повышения надежности и электробезопасности блока нагрева воздуха в нем установлены виброгасящие элементы в виде вертикально ориентированной спицы 10, проходящей сквозь крепежные пластины 3, 4, 5, в центральной части каждой из рамок 1. На корпусе электрокалорифера установлены в значимых местах датчики в виде реле для контроля температуры выходящего потока и контроля температуры корпуса. Для возможности варьирования режимами блок нагрева воздуха был изготовлен состоящим из 2 модулей мощностью соответственно 8 и 16 кВт, что обеспечивало 3 режима мощности электрокалорифера: 8, 16, 24 кВт.Обеспечена гарантированная номинальная мощность 24 кВт.Блок нагрева воздуха для электрокалорифера имеет запасы по всем основным параметрам.