ТРУБЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ
TUBULAR ELECTRIC HEATER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для преобразования электрической энергии в тепловую, предназначенным для комплектации установок, осуществляющих низко- и среднетемпературный нагрев различных сред, и может найти применение в устройствах автономного отопления в жилых домах и производственных помещениях, для обогрева салонов автомобильного транспорта и железнодорожных вагонов.
Известен классический двухконцевой трубчатый нагреватель круглого сечения, содержащий нагревательный элемент в виде проводящей ток спирали, выполненной из металлического сплава с высоким удельным сопротивлением, снабженный на концах металлическими контактными стержнями для подключения к источнику питания, герметично запрессованными вместе с наполнителем в виде уплотненного изолирующего материала в металлическую оболочку (действующий ГОСТ 13268-88 «Трубчатые электронагреватели»). Значительный градиент температуры от спирали к внешней части металлической оболочки и потери тепла в известном нагревателе обусловливают его невысокую эффективность при сравнительно высоком энергопотреблении.
Для улучшения эксплуатационных характеристик трубчатых нагревателей в известных технических решениях используют различные конструктивные приемы, способствующие повышению теплоотдачи без увеличения затрат энергии: корпус нагревателя специальной формы либо с внешним оребрением, например, металлической лентой, ребрами, спиралью, пластинами, корпус с двойными стенками, промежуток между которыми заполнен веществом, обеспечивающим поддержание заданной температуры, нагревательные элементы различной формы (двойная спираль, плоская спираль), выполненные из различных материалов с высоким удельным сопротивлением, помещенные в различную среду.
2
2
7
Известен трубчатый электронагреватель, обеспечивающий снижение энергопотребления и поддержание постоянной температуры (пат. РФ №2286653, опубл. 2006.10.27), содержащий оболочку, внутри которой смонтированы нагревательный элемент в виде спирали, контактные стержни, электроизолирующий наполнитель и узел герметизации контактных стержней с изоляторами и герметизирующим веществом, дополнительно снабженный герметичной гильзой, внутри которой расположена оболочка трубчатого электронагревателя, при этом пространство между стенками оболочки и герметичной гильзы заполнено солью, например солью нитрозония ([NO] SO). Фазовые переходы этой соли при изменении температуры дают возможность поддерживать последнюю в заданном интервале, за счет чего известный электронагреватель обеспечивает более рациональное использование электроэнергии. Однако потери тепла значительно превышают достигаемую экономию электроэнергии, что является причиной недостаточной эффективности известного электронагревателя.
Известен трубчатый электронагреватель, обеспечивающий повышение эффективности теплопередачи (заявка Японии №2002132950, опубл. 2007.03.31), содержащий нагревательный элемент в виде спирали из нихромовой проволоки, помещенной в металлическую трубку, заполненную изолирующим материалом, порошком оксида магния, при этом трубка выполнена гофрированной с помощью прессования, а изолирующий материал уплотнен путем нагревания. Гофрированная поверхность трубчатого корпуса увеличивает теплоотдачу известного нагревателя за счет относительного увеличения площади, отдающей тепло, но не уменьшает потерь тепла при его передаче от нагревательного элемента к нагреваемой среде и не позволяет в значительной мере повысить эффективность нагревателя.
Наиболее близким к заявляемому является устойчивый к воздействию высоких температур двухконцевой трубчатый нагреватель классической конструкции (пат. США №7019269, опубл. 2008.03.28), в одном из вариантов осуществления включающий нагревательный элемент в виде намотанной на керамический сердечник проволочной спирали, выполненной из содержащего хром и алюминий металла с высоким удельным сопротивлением с изолирующей пленкой оксида алюминия на поверхности, помещенный в трубчатый герметичный корпус из металла с высокой теплопроводностью, содержащего никель и хром, с изолирующей оксидной пленкой на поверхности, через изолирующие герметичные торцы которого пропущены токоподводы, при этом пространство между нагревательным элементом и корпусом заполнено уплотненным оксидом магния.
Потери тепла, которые наблюдаются в известном нагревателе, несмотря на высокую удельную теплопроводность кристаллического оксида магния и отдачу тепла, накопленного керамическим сердечником, отрицательно сказываются на отношении количества выделяемого тепла к понесенным энергозатратам, т.е. снижают эффективность его работы. Таким образом, коэффициент полезного действия известного нагревателя является недостаточно высоким, что особенно проявляется при использовании низковольтных источников тока со слабыми токами.
Задачей изобретения является создание экономичного электронагревательного устройства, эффективного при использовании низковольтных источников тока.
Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента полезного действия нагревателя путем увеличения теплоотдачи при неизменном энергопотреблении.
Указанный технический результат обеспечивается трубчатым электронагревателем, содержащим нагревательный элемент в виде намотанной на сердечник проволочной спирали из сплава с высоким удельным сопротивлением с изолирующей оксидной пленкой на поверхности, помещенный в герметичный корпус из металла с высокой теплопроводностью, при этом концы нагревательного элемента связаны с изолированными и герметизированными токоподводами, выведенными через герметичную изолирующую торцевую часть трубчатого корпуса, а пространство между нагревательным элементом и корпусом заполнено изолирующим материалом с высокой теплопроводностью, в котором, в отличие от известного, проволочная спираль намотана на снабженный электроизолирующим покрытием ферромагнитный сердечник, один конец которого имеет точечный электрический контакт со спиралью и непосредственно связан с одним из токоподводов, а другой изолирован от соответствующего токоподвода, связанного с концом спирали, при этом изолированные токоподводы выполнены медными либо омедненными.
В преимущественном варианте осуществления изобретения ферромагнитный сердечник выполнен в виде цилиндрического стержня из нелегированной магнитной стали.
Также в преимущественном варианте осуществления изобретения корпус электронагревателя выполнен из нелегированной магнитной стали с защитным покрытием.
В одном из возможных вариантов осуществления изобретения ферромагнитный сердечник выполнен с силикатным электроизолирующим покрытием.
В другом варианте осуществления изобретения ферромагнитный сердечник выполнен с электроизолирующим покрытием из оксидной керамики.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлен общий вид трубчатого электронагревателя в сечении.
Предлагаемый электронагреватель содержит тонкостенный герметичный корпус 1 цилиндрической формы, выполненный из металла с высокой теплопроводностью, преимущественно из нелегированной магнитной стали с защитным покрытием (никелированной, луженой), внутри которого размещен нагревательный элемент, выполненный в виде спирали 2 из металла с высоким электросопротивлением (нихром, константан), намотанной на проводящий сердечник 3, представляющий собой цилиндрический стержень из ферромагнитного материала, преимущественно нелегированной магнитной (ферритной) стали, с электроизолирующим покрытием, при этом пространство между корпусом 1 и сердечником 3 со спиралью 2 заполнено сыпучим изолирующим наполнителем 4 с высоким коэффициентом теплопроводности (корунд, кварцевый песок). Преимущественно таким наполнителем служит измельченный плавленый оксид магния (периклаз), который одновременно обладает высокими диэлектрическими свойствами и высоким показателем теплопроводности.
Каждый конец нагревательного элемента находится в электрическом контакте с одним из выполненных из меди либо омедненных токоподводов 5, закрытых герметизирующим и изолирующим слоем 6 и выведенных наружу через торцевые стороны корпуса 1, снабженные оконцовочной арматурой 7, также включающей несколько слоев герметика и изолятора. С одним из токоподводов 5 контактирует непосредственно конец ферромагнитного сердечника 3, изолированного от спирали 2 на всем протяжении нагревательного элемента, кроме единственного точечного электрического контакта 8 со спиралью непосредственно перед его соединением с токоподводом 5. В месте указанного точечного контакта спираль 2 неразъемно соединена с ферромагнитным сердечником 3 с помощью одного из известных способов (пайка, сварка), обеспечивающих электропроводность соединения. Таким образом, ферромагнитный сердечник одним концом, контактирующим со спиралью 2 (в месте контакта 8), связан с токоподводом, с которым вместе запрессован в герметизирующий изолирующий слой 6, при этом другой его конец изолирован от соответствующего токоподвода слоем изолирующего сыпучего материала 4 достаточной толщины.
С другим токоподводом контактирует соответствующий конец спирали 2.
Ферромагнитный сердечник 3 может быть выполнен с любым известным изолирующим покрытием. В одном из преимущественных вариантов осуществления изобретения стержень 3 выполнен с силикатным покрытием, в другом - с покрытием из оксидной керамики, нанесенными плазменно-химическим способом.
Корпус электронагревателя может быть снабжен крепежной арматурой, в частности фланцами с резьбовым и болтовым креплением (не показана) для его соединения с источником тока, например с солнечными батареями.
При прохождении электрического тока по спирали 2 она нагревается, тепло распространяется от спирали через наполнитель 4 и трубчатую металлическую оболочку 1 к нагреваемой среде.
Электромагнитное поле, образующееся вокруг спирали 2, индуцирует в сердечнике 3 вихревые токи, которые при незначительном электрическом сопротивлении сердечника являются достаточно высокими, в результате чего он нагревается, увеличивая общее количество генерируемого тепла, при этом действующий по типу электромагнитного экрана корпус 1 также нагревается.
Кроме того, тепловое излучение спирали не рассеивается и не приводит к перегреву спирали, а поглощается сравнительно массивным ферромагнитным стержнем 3, при этом снижение температуры в зоне спирали уменьшает непроизводительные потери тепла на ее перегрев.
Потери тепла при теплопередаче к нагреваемой среде за счет высокой теплопроводности сердечника 3, наполнителя 4 и корпуса 1 являются незначительными.
Высокая электропроводность медных или омедненных токоподводов практически исключает расход электроэнергии на их нагрев.
Таким образом, предлагаемый электронагреватель обеспечивает повышение теплоотдачи при неизменном потреблении электроэнергии, причем при использовании различных (высоковольтных, низковольтных) источников тока.
Как показали испытания предлагаемого электронагревателя, связанного через аккумулятор и инвертер с солнечными батареями, повышение его эффективности в сравнении с известными трубчатыми электронагревателями, в том числе с прототипом, максимально проявляется при использовании низковольтных (~30 В) источников тока со слабыми токами. В комплекте с солнечными батареями он может найти самое широкое применение для обогрева (непосредственно либо путем нагрева воды) различных помещений как в качестве основного источника тепла при умеренно низких температурах, так и для дополнительного обогрева при недостаточном отоплении.