СПОСОБ РАБОТЫ ЭЛЕКТРООТОПИТЕЛЬНОГО РАДИАТОРА
METHOD OF ELECTRIC HEATING RADIATOR OPERATION

Изобретение относится к электронагревательным приборам, а точнее к вакуумно-герметичным электроотопительным радиаторам с промежуточным теплоносителем, и может быть использовано для отопления бытовых, служебных и производственных помещений.
В качестве электронагревательных приборов наибольшей известностью в мире пользуются маслонаполненные радиаторы. В этом ряду наиболее известны маслонаполненные радиаторы массового производства панельного ЭРМПА (П) и европейского секционного RF25128 типов [1, 2, 3], последний выбран в качестве прототипа.
Способ работы замкнутых маслонаполненных электронагревательных радиаторов заключается в однофазной конвективной циркуляции промежуточного теплоносителя - масла, за счет нагрева его на поверхности теплоотдачи нагревательного элемента - тена - и охлаждения его на внутренней поверхности корпуса радиатора из-за теплоотдачи с наружной поверхности корпуса в окружающую среду - воздух. Выделяющаяся на поверхности теплоотдачи нагревательного элемента - тена, расположенного в нижней части радиатора, теплота передается ко всей внутренней поверхности корпуса за счет конвективных потоков промежуточного теплоносителя - масла [2].
Конвективное движение промежуточного теплоносителя - масла - происходит за счет перепада температуры между поверхностью теплоподвода нагревательного элемента и корпусом радиатора. Интенсивность процесса теплопереноса в этих типах радиаторов зависит от величины перепада температур. Процесс конвекции замедляется с уменьшением перепада температур и ростом вязкости теплоносителя. При отсутствии перепада температур, между поверхностью теплоподвода тена и поверхностью радиатора конвективное движение промежуточного теплоносителя прекращается. Регулировка температуры в помещении осуществляется системой автоматического управления радиатора по температуре в точке установки датчика температуры [2, 3].
Недостатками данного способа работы электронагревательного радиатора являются:
большое значение времени выхода в режим (45-50 мин), большая масса (12-25 кг), обусловленная количеством теплоносителя во всем объеме корпуса, низкий уровень точности регулировки температуры в помещении, так как регулировка температуры в известном способе осуществляется по температуре в точке установки датчика, большой разброс температур (15-18 К) по поверхности радиатора, взрыво-пожароопасность за счет использования масла в качестве теплоносителя и нанесение материального ущерба потребителю за счет заливки домашнего имущества маслом, обладающим неприятным запахом.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.
Указанная цель достигается при реализации способа работы электроотопительного радиатора, заключающегося в заправке герметичного корпуса с нагревательным элементом, соединенным с автоматическим регулятором температуры объекта - помещения, теплоносителем определенного количества, циркулирующим за счет естественной конвекции, путем нагревания на поверхности теплоотдачи ТЭНа и охлаждения его на внутренней поверхности корпуса, при этом радиатор снабжают автоматическим регулятором давления паров по средней температуре всего корпуса и заправляют экологически чистым пожаро-взрывобезопасным обезгаженным теплоносителем в количестве, достаточном для утопления всего нагревательного элемента - ТЭНа - в рабочем режиме и температурой кипения, заключенной в интервале 348÷373 К, естественно, конвективная циркуляция которого осуществляется за счет его испарения на поверхности теплоподвода нагревательного элемента - ТЭНа - и конденсации на всей внутренней поверхности корпуса. Другими словами, указанная цель достигается путем естественной циркуляции определенного количества реактивного к материалам корпуса и ТЭНа обезгаженного, взрыво-пожаробезопасного теплоносителя в вакуумно-герметичном обезгаженном корпусе, с температурой кипения, близкой к 373 К, за счет реализации режимов его испарения на поверхности теплоподвода нагревательного элемента - ТЭНа - и конденсации его паровой фазы на внутренней поверхности корпуса радиатора и возврата его жидкой фазы в зону испарения под действием гравитационных сил, при отсутствии неконденсирующихся газов, а регулировку температуры помещения осуществляют по средней температуре всего корпуса радиатора по давлению паров теплоносителя. Причем количество теплоносителя определяется объемом корпуса нагревательного элемента - ТЭНа - и всего радиатора, так чтобы оно было достаточно для обволакивания всей поверхности теплоотдачи нагревательного элемента - ТЭНа - в рабочем режиме радиатора и заполнения всего корпуса радиатора паровой фазой, при заданном верхнем предельном температурном режиме работы.
Для пояснения сути предлагаемого изобретения служит схематический рисунок 1.
Корпус электроотопительного радиатора 1 снабжен вертикальными каналами 2, сообщающимися между собой верхним и нижним коллекторами 3. Нижний коллектор выполняет функцию зоны испарения 4. В зоне испарения расположен нагревательный элемент - ТЭН 5 - с выводными электродами 6. В зоне испарения 4 находится теплоноситель 7, находящийся в жидкой фазе. Теплоноситель обволакивает весь корпус нагревательного элемента - ТЭНа 5.
В корпус радиатора заливают количество теплоносителя, необходимое для утопления нагревательного элемента - тена, находящегося в зоне испарения. После этого объем радиатора и теплоноситель обезгаживают для удаления неконденсирующихся газов.
При включении электроотопительного радиатора нагревательный элемент - ТЭН - нагревается за счет токоподвода к электродам 6. За счет теплоподвода от поверхности нагревательного элемента - ТЭН, теплоноситель испаряется, поглощая при этом теплоту парообразования. Паровая фаза теплоносителя перемещается по вертикальным каналам 2 корпуса 1 радиатора и равномерно распределяется по всему объему. За счет теплоотдачи к внутренней поверхности корпуса пар теплоносителя конденсируется, выделяя при этом теплоту фазового перехода. Пар теплоносителя с наибольшей интенсивностью конденсируется на участках поверхности корпуса с наименьшей температурой, обеспечивая тем самым минимум перепада температур по всей поверхности корпуса радиатора. Конденсат по стенкам стекает вниз в зону испарения под действием гравитационной силы.
3
4
2
2
2
При испарении теплоносителя коэффициент теплоотдачи поверхности теплоподвода ТЭНа достигает 10÷10 Вт/м К. Значение коэффициента теплоотдачи при однофазной конвективной циркуляции теплоносителя в известных маслонаполненных радиаторах не превышает 10 Вт/м К. При испарении теплоносителя перепад температур между поверхностью теплоподвода и паровой фазой составляет величину, заключенную в интервале 0,1÷0,5 К, а при конденсации пара величина перепада температур тоже не превышает 0,5 К [4]. Таким образом, средний перепад температур по поверхности радиатора, работающего по предлагаемому способу, составляет не более 1-1,5 К, тогда как в известных системах эта величина достигает 15 К, что приводит к снижению термодинамической эффективности известных радиаторов.
В предлагаемом способе работы электронагревательного радиатора в качестве теплоносителя используется взрывобезопасное экологически чистое инертное по отношении к конструкционным материалам вещество с температурой кипения около 373 К в определенном количестве, которое полностью выпаривается, переходя в парообразное состояние при превышении средней температуры корпуса выше допустимого значения, обеспечивая тем самым дополнительную степень защиты. Так как теплоноситель в предлагаемом способе подбирается с учетом его температуры кипения около (373±3÷5) К, то давление внутри системы в рабочем режиме не превышает 0,1 МПа. Таким образом, внутреннее давление в радиаторе практически будет равно внешнему давлению, т.е. давлению окружающего воздуха. При этом корпус радиатора не испытывает действие разрывных напряжений, пока температура поверхности теплоотдачи не превысит (385÷390) К. Даже при этих температурах избыточное давление внутри корпуса ничтожно мало. При повышении средней температуры корпуса, выше допустимого значения, весь теплоноситель переходит в паровую фазу, исключая тем самым возможность возникновения аварийного режима работы радиатора. Верхний предел допустимой температуры корпуса задается количеством теплоносителя, заливаемым в радиатор. Это обеспечивает дополнительную степень защиты радиатора, работающего по предлагаемому способу. По мере снижения средней температуры поверхности теплоотдачи корпуса при некотором нижнем пределе система автоматического управления включает нагревательный элемент. Рабочий интервал температур срабатывания регулятора может быть смещен по желанию потребителя в большую или меньшую сторону путем установления желаемой температуры в помещении.
Как известно, давление паров теплоносителя внутри корпуса радиатора однозначно определяется усредненной температурой поверхности теплоотдачи корпуса. В известные системах электроотопительных радиаторов регулировка температуры помещения осуществляется по температуре в точке установки датчика температуры, как правило, биметаллической пластины или термистора. На практике чаще всего температура в точке установки датчика сильно отличается от средней температуры помещения и корпуса радиатора.
Наличие не конденсирующихся газов внутри корпуса радиатора способствует росту перепада температур по поверхности теплоотдачи корпуса, ухудшая тем самым термодинамическую эффективность электроотопительного радиатора за счет увеличения перепада температур по корпусу выше допустимого значения. При случайной или аварийной разгерметизации корпуса радиатора и затекании неконденсирующихся газов внутрь корпуса регулятор температуры не включает нагревательный элемент и сигнализирует о разгерметизации радиатора. Это состояние радиатора автоматический регулятор идентифицирует как аварийный режим работы радиатора, и потребитель не может его включить, пока не будут устранены неполадки. Этот режим работы регулятора температуры обеспечивает следующую (вторую) степень защиты от возможной попытки потребителя эксплуатировать радиатор в запрещенных режимах. Кроме всего этого, предлагаемый способ работы электроотопительного радиатора имеет дополнительную степень защиты на случай несрабатывания двух первых. Таким образом, поставленные цели в предлагаемом способе работы радиатора с промежуточным теплоносителем достигаются путем реализации естественной конвекции небольшого количества теплоносителя в вакуумно-герметичном корпусе за счет его испарения и конденсации в отсутствие неконденсирующихся газов и регулировки температуры помещения по средней температуре всего корпуса радиатора.
Таким образом, в предлагаемом способе работы радиатора его корпус должен быть вакуумно герметичным и не содержит неконденсирующихся газов. В этих условиях жидкая фаза теплоносителя внутри корпуса находится в состоянии подвижного термодинамического равновесия с насыщенным паром.
0
т
к
т
Из корпуса радиатора удаляют неконденсирующиеся газы и заправляют обезгаженным теплоносителем в количестве, определяемом объемом ТЭНа и свободным объемом корпуса. ТЭН должен быть полностью погружен в жидкую фазу теплоносителя. После этого в радиаторе устанавливают давление Р - атмосферное давление - путем регулировки его параметров и герметизируют - закрывают заправочный штуцер. Радиатор готов к эксплуатации. В рабочем режиме внутреннее давление Р будет определяться усредненной по всей поверхности корпуса температурой Т и температурой кипения Т теплоносителя при атмосферном давлении. Рабочее внутреннее давление радиатора Р в первом приближении определяется из соотношения:
При этом предполагается, что расчетная мощность радиатора больше теплопроходмости отапливаемого помещения.
При включении радиатора, находящегося в помещении, жидкая фаза теплоносителя, контактирующая с поверхностью нагревательного элемента - ТЭНа, нагревается и термодинамическое равновесие в системе жидкость - насыщенный пар нарушается. Это приводит к интенсивному испарению теплоносителя, повышая тем самым давление в радиаторе и, следовательно, температуру корпуса. Давление в радиаторе и, следовательно, температура корпуса повышается до тех пор, пока не наступит режим равенства усредненного во времени тепловыделения нагревательного элемента теплопроходимости отапливаемого помещения.
Если тепловая мощность радиатора будет меньше теплопроходимости помещения, то радиатор будет работать в непрерывном режиме, если теплопроходимость помещения будет меньше установленной максимальной тепловой мощности радиатора, то он будет работать в циклическом режиме включен-выключен. Таким образом, точность поддержания температуры помещения на заданном автоматическим регулятором уровне будет зависеть от соответствия мощности радиатора W теплопроходимости помещения. Как следует из соотношения
окр
Т - температура помещения - растет незначительно в пределах 291÷298 К, тогда как температура корпуса радиатора изменяется в интервале 348÷373 К. При этом система жидкая фаза теплоносителя - пар находится в подвижном равновесии при всех установившихся усредненных по всему корпусу температурах.
окр
В соотношении (2) α, S, Т и Т - соответственно коэффициент теплоотдачи, площадь поверхности, усредненная по всей поверхности температура радиатора и температура помещения - окружающей среды. Верхний предел регулировки температуры радиатора 373 К определяется эксплуатационными характеристиками радиатора и техникой безопасности.
Результаты испытаний макетного образца радиатора по предлагаемому способу показали, что радиатор отключается от сети, если: корпус не вакуумно-герметичен, радиатор накрыт теплоизолирующим материалом, радиатор установлен в помещении с температурой на 10 К выше, чем верхнее предельное значение интервала регулировки температуры. Точность регулировки температуры в помещении - не хуже 2 К при максимальном перепаде температуры по поверхности корпуса, заключенном в интервале от 1,5 до 2 К. Масса радиатора, работающего по предлагаемому способу, на 5÷10 кг, в зависимости от габаритных характеристик и потребляемой мощности, меньше, чем у маслонаполненных радиаторов, работающих по известному способу. Время выхода в стационарный режим работы в 2-3 раза меньше, чем в известных системах, так как количество теплоносителя в 5-10 раз меньше, чем в известных системах. Предлагаемый способ работы электроотопительных радиаторов обеспечивает 3 степени защиты в отличие от известных систем, обладающих одной степенью защиты. Таким образом, результаты испытания радиатора, работающего по предложенному способу, подтвердили достижение поставленных целей и технического результата: снижение времени выхода в стационарный режим, уменьшение перепада температур по поверхности корпуса и, следовательно, повышение термодинамической эффективности, исключение пожаро-взрывоопасности, загрязнение окружающей среды и повышение степени защиты за счет использования регулятора давления паров, определяемой средней температурой всего корпуса.
-3
3
В качестве теплоносителей нами были экспериментально исследованы метиловый спирт - метанол - с температурой кипения 337 К, этиловый спирт - этанол - с температурой кипения 351 К и дистиллированная вода в объеме 1,5*10 м. Результаты исследований показали, что максимальный разброс температуры по поверхности радиатора достигал до 2 К, тогда как в известных маслонаполненных радиаторах эта величина достигает до 20 К. Время выхода радиатора на рабочий режим составил около 15 минут для спиртов и 20 минут для воды. В известных радиаторах всех фирм эта величина больше 45 минут. Таким образом, результаты исследований подтверждают достижение поставленной цели.
Источники информации
1. Федотов Т.Г. Проблемное исследование «Состояния и перспективы развития технического уровня и рынка электробытовых приборов». М.: Информэлектроника, 1992.
2. Техническое описание и паспорт электробытового маслонаполненного радиатора типа ЭРМПА (П). Псков, 1988.
3. Рекламный проспект секционного электробытового маслонаполненного радиатора 2RF2512. Италия, 1994.
4. Вердиев М.Г. К расчету испарительных тепловых сифонов, применяющихся в термоэлектрическом приборостроении. Гелиотехника №2, 1977, с.17-24.