ДВУХФАЗНЫЙ ГИБРИДНЫЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР

Полезная модель касается конструкции вакуумного трубчатого гидроэлектронагревателя, который может быть использован для обогрева помещений любого назначения, а также для нагрева различных сред и веществ.
Известно большое количество жидкостных радиаторов, которые используются для обогрева помещений. Принцип действия жидкостных радиаторов основан на том, что нагретая жидкость (теплоноситель) системы отопления циркулирует внутри такого радиатора, нагревая его поверхность и воздух в помещении (приложение1).
Радиаторы, которые используются в таких системах отопления, могут быть чугунными (приложение 2), биметаллическим (приложение 3) и т.д.
Недостатком указанных радиаторов является то, что теплоотдача последних происходит только в случае циркуляции теплоносителя с температурой выше окружающей среды. Кроме того, объем теплоносителя в радиаторах на несколько порядков превышают объем теплоносителя в подводящих и отводящих трубах.
Также известно большое разнообразие трубчатых электронагревателей (ТЭН), которые в последнее время получили широкое распространение. Они имеют разную конструкцию, форму и размеры.
Известен ТЭН, который содержит 2 кожуха: внутренний кожух выполнен кварцевым, а наружный металлическим. Пространство между кварцевым и металлическим кожухами заполнено графитовым порошком или смесью кристаллической и аморфной двуокиси кремния (свидетельство на полезную модель ФРГ N9017596, кл. H05B 3/44, 1991 г.). Указанные ТЭНы имеют низкие теплопроводность и долговечность, т.к. графитовый наполнитель при высокой теплопроводности имеет низкую электрическую прочность, что приводит к пробоям наполнителя. А из-за низкой теплопроводности кристаллического и аморфного оксида кремния снижается теплопроводность ТЭНа.
Известен ТЭН с контактными стержнями на торцах трубчатого кожуха, в центре которого сформирована зона нагрева из смеси окиси кремния и графита (патент ГДР N233902, кл. H05B 3/10,1986). Долговечность этого ТЭНа невысока из-за того, что его контактные стержни выполнены конусными и напряженность электрического поля на вершинах конуса увеличена, что является причиной пробоя. Теплопроводность его невысока, т.к. графит отделен от стержней слоем бесцветного оксида кремния, что исключает использование способности графита поглощать тепловое излучение стержней.
ТЭН по патенту на изобретение №2128893, опубл. 10.04.1999, представляет собой трубчатый электронагреватель, содержащий расположенный в кварцевом кожухе нагревательный элемент, при этом кварцевый кожух установлен в металлическом кожухе, а пространство между ними заполнено наполнителем с низкой поглощательной способностью теплового излучения нагревательного элемента, например электротехническим периклазовым порошком с добавлением порошка с высокой поглощательной способностью теплового излучения нагревательного элемента, например графитового порошка и/или сажи.
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, низкая мощность теплопроводности, высокое потребление электроэнергии.
Также известны тепловые трубки, информация о которых приведена в Интернете на сайте по адресу: http://www.trizminsk.Org/e/21102100.htm#tt03.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому ТЭНу можно считать вакуумный трубчатый электронагреватель по патенту РФ на полезную модель №120306 от 02.04.2012 г., содержащий корпус в виде вакуумной трубки, в которой залита рабочая жидкость и размещен фитиль из капиллярно-пористого материала. Трубка имеет сужение в средней части, внутри трубки, в месте наименьшего сечения, установлен нагреватель, а снаружи, в месте сужения корпуса, размещены диэлектрическая трубка и электрический нагревательный элемент. В качестве рабочей жидкости может быть использована вода и другие жидкие среды.
Как показала практика, эффективность работы ТЭНа по патенту №120306 может быть усовершенствована.
Техническим эффектом предлагаемого решения является повышение эффективности трубчатого электронагревателя за счет возможности использования как теплоносителя, так и электрической энергии, снижения затрат электроэнергии и повышения мощности теплопередачи.
Для решения поставленной задачи двухфазный гибридный теплогенератор, содержащий защитный корпус и внутренний герметичный корпус, вакуумную трубку, в которой залита рабочая жидкость и размещен фитиль из капиллярно-пористого материала, а также электронагреватель, дополнен трубопроводом для циркуляции теплоносителя, который смонтирован внутри герметичного корпуса и контактирует с одним торцом вакуумной трубки, а электронагреватель смонтирован на другом торце вакуумной трубки, размещенном вне герметичного корпуса.
При этом подводящая и отводящая трубы трубопровода выведены из герметичного корпуса посредством фитингов с прокладками.
Электронагревательный элемент выполнен в виде намотанного на диэлектрик металлического проводника из сплава с высоким удельным сопротивление, например, слюдяной бумаги.
Использование двух источников нагрева рабочей жидкости в вакуумной трубке позволяет повысить мощность теплопередачи, снизить затраты электроэнергии, а также дублировать возможность нагрева помещения при отключении одного из источников нагрева.
Предлагаемый ТЭН представлен на фиг. 1.
Двухфазный гибридный теплогенератор содержит защитный корпус 1 и внутренний герметичный корпус 2, вакуумную трубку 3, в которой залита рабочая жидкость и размещен фитиль из капиллярно-пористого материала, а также электронагреватель 4. Один торец трубки размещен внутри герметичного корпуса 2, а оставшаяся часть через герметичный ввод 5 выведена из корпуса 2 в защитный корпус 1. Электронагреватель смонтирован на втором торце трубки 3. Торец трубки, находящийся внутри герметичного корпуса 2, контактирует с установленным в этом корпусе трубопроводом е, предназначенным для циркуляции теплоносителя. Подводящая 6 и отводящая 7 трубы этого трубопровода выведены из герметичного корпуса 2 и включены в систему циркуляции теплоносителя. На корпусе 2 трубы 6 и 7 зафиксированы с помощью фитингов 8 с прокладками.
Электронагревательный элемент 4 выполнен, например, в виде металлического проводника из сплава с высоким удельным сопротивлением намотанного на диэлектрик 9 (например слюдяная бумага). Концы электронагревательного элемента 4 подключены к электрической сети. Вакуумный ТЭН внутрь герметичного корпуса 2 вводится через герметичный ввод 5.
Двухфазный гибридный теплогенератор работает следующим образом. При нагревании электронагревательного элемента 4 рабочая жидкость внутри вакуумной трубки 3 переходит в пар (первый фазовый переход), давление насыщения паров в этой зоне резко повышается, пар начинает перемещаться в зону с меньшим давлением, т.е. к холодному торцу трубки. На холодном торце трубки пар конденсируется (второй фазовый переход), оседает в виде капель на капиллярно-пористом материале фитиля. Благодаря наличию в капиллярно-пористом материале проводящих канальцев, осевшие капли по канальцам капиллярно-пористого материала, как по фитилю, снова перетекают в зону нагрева. Процесс испарения, конденсации и перетекания жидкости повторяется. В результате от постоянно перетекаемой и подогреваемой жидкости нагревается корпус трубки 3, тепло от которого излучается в окружающую среду.
Кроме того, когда в герметичный корпус 2 поступает нагретый теплоноситель, то торец вакуумной трубки 3 также нагревается. В этом случае внутри вакуумной трубки 3 могут происходить описанные выше процессы, но уже без электрического нагревателя.
Предлагаемый двухфазный теплогенератор имеет простую конструкцию. Однако удалось существенно повысить эффективность ТЭНа, т.к. его в нем можно использовать в качестве источника тепла как электрический нагреватель, так и теплоноситель. Причем в этом случае существенно сокращается общий объем теплоносителя, циркулирующего в системах отопления. Так если в чугунном радиаторе может быть до 50 литров теплоносителя, то в подводящих и отводящих трубах 0.25 литра (на одну комнату). Таким образом, объем теплоносителя может быть снижен более чем в 50 раз. Соответственно и количество энергии, которая затрачивается на нагрев данного теплоносителя, может быть снижена в десятки раз, что приведет к существенной экономии энергоносителей (уголь, газ, электричество и т.д.), которые расходуются на нагрев теплоносителя.
Кроме того, в случае когда температура теплоносителя не высока, и радиаторы отдают недостаточное количество тепла в помещении, возможно повысить мощность теплоотдачи в результате «догрева» электрическим нагревателем.
Также, при отсутствии нагретого теплоносителя в системе отопления возможно отопление с использованием электрического нагревателя с малым энергопотреблением.