ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИЙ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР
HEAT-ACCUMULATING HEATING DEVICE

Теплоаккумулирующий отопительный прибор
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к устройствам отопительных систем, и может быть использовано для отопления помещений общественных, жилых, административно-бытовых, торговых и производственных зданий.
Известны варианты моделей стационарного теплоаккумулятора, которые содержат рабочее тело с встроенным электронагревательным элементом (вставка теплоаккумулирующая), при этом рабочее тело выполнено из природного твердого материала, аккумулирующего вырабатываемую теплоту в приборе за счет дешевого ночного тарифа на электроэнергию. Тепловая энергия, накопленная в рабочем теле, передается в отапливаемое помещение как за счет естественной конвекции, так и вынужденной, организуемой системой вентиляционных каналов для протока нагреваемого воздушного потока между рабочим телом и изоляцией работой вентилятора [1] (Патент РФ №40757, Е04В 1/74).
К недостаткам известных моделей относятся низкая эффективность теплоотдачи накопленного в аккумуляторе тепла в рабочий носитель тепла - воздух, а также ограниченность применения в силу сложности монтажа. Кроме этого прибор инерционен и требует продолжительного промежутка времени для разогрева и времени выхода на рабочий режим теплоотдачи.
Наиболее близким к заявленному изобретению является теплоаккумулирующий отопительный прибор, состоящий из корпуса, выполненного из тонколистовых стенок, воздушных полостей с конвективными каналами, теплоемкого заполнителя и установленными с наклоном воздушными ТЭНами с электрокабелем [2] (Заявка РФ №99122715, МПК7 F24D 15/02).
Недостатками данного прибора является низкая эффективность процесса накопления и отдачи тепла, в результате происходит перерасход тепловой и электрической энергии. Помимо этого воздушные ТЭНы имеют высокую температуру, что вызывает повышенную температуру не только теплонакопительного элемента и как следствие теплоносителя (воздуха), но и локальное повышение температуры теплоотдающей поверхности прибора. Это увеличивает пожароопасность и вероятность получения ожогов. Электронагревательные элементы (ТЭНы), имеющие повышенную температуру, ухудшают качество воздуха отапливаемого помещения, а следовательно и общее самочувствие людей.
Известно, что повышенная температура электронагревательных элементов вызывает явление разложения и сухой возгонки органической пыли, сопровождающееся выделением вредных веществ, в частности оксида углерода [3]. В результате при непосредственном контакте воздуха отапливаемого помещения с поверхностями высокотемпературных нагревательных элементов ухудшаются его санитарно-гигиенические показатели.
К недостатку следует отнести низкую конвективную составляющую теплоотдачи вследствие отсутствия элементов, организующих направленные конвективные тепловые потоки воздуха при естественной конвекции, что снижает теплоотдачу прибора и увеличивает его инерционность.
При повышенной инертности прибора увеличивается продолжительность разогрева всей теплоотдающей поверхности прибора и воздуха отапливаемого помещения, при этом его высокая инертность замедляет процесс выхода прибора на рабочий режим.
Известно, что приборы только конвективного или радиационного типа не могут обеспечить благоприятных условий во всем отапливаемом помещении. Для создания таких условий необходимо сочетание температуры воздуха и поверхности отопительного прибора, которая не вызывала бы у человека ни перегрева ни переохлаждения. В связи с чем наилучшим результатом обладают приборы совмещенного действия, но в них отсутствует организация движения конвективных потоков, что значительно уменьшает конвективную составляющую в общем теплопереносе, а также снижает теплоотдачу прибора [4].
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является эффективное аккумулирование и передача тепловой энергии в отапливаемое помещение путем оптимального сочетания тепловых потоков, создаваемых конвекцией и радиационным излучением, создания динамики конвективного потока для интенсификации процесса теплоотдачи, обеспечение быстрого и равномерного нагрева всей поверхности прибора, отдающей тепловую энергию в отапливаемое помещение, при повышении безопасности прибора.
Поставленная задача решается тем, что известный теплоаккумулирующий отопительный прибор, состоящий из корпуса, воздушных полостей с конвективными каналами, теплоемкого заполнителя и электронагревателей, дополнительно снабжен центрами аккумулирования тепловой энергии, заключенными в замкнутый воздушный контур циркуляции в виде металлического короба, которые представляют собой твердый теплонакопительный элемент и жидкостные циркуляционные контуры в виде кольцевых каналов, заполненных теплоемким теплоносителем и объединенных центральной трубой, а жидкостные циркуляционные контуры со стороны воздействия лучистого потока от теплонакопительного элемента имеют тепловоспринимающие экраны, ветви жидкостных циркуляционных контуров и внешняя часть короба оснащены пластинами оребрения, создающими в коробе и щелевом канале пространства, обеспечивающие динамику конвективных потоков.
Предлагаемый теплоаккумулирующий отопительный прибор изображен на фигуре.
Прибор для отопления помещений содержит корпус 1, внутри которого расположен металлический короб 2, заполненный воздухом, представляющий собой замкнутый воздушный контур циркуляции, содержащий твердый теплонакопительный элемент 3, выполненный, например, из магнезита, в теле которого размещены электронагреватели 4 в виде спирали. При этом внешняя часть короба, оребренная пластинами 5, и внутренняя полость корпуса образуют щелевой канал 6, а верхняя и нижняя часть корпуса имеют перфорацию 7. Нижняя позволяет воздуху из отапливаемого помещения проникать в тело прибора, а верхняя - нагретому удаляться в помещение.
В середине короба размещены жидкостные циркуляционные контуры 8, выполненные в виде кольцевых каналов, объединенные центральной трубой 9, заполненные теплоемким теплоносителем 10, например водой, и оребренные пластинами 11.
В верхней части центральной трубы циркуляционного контура предусматривается сильфонный расширительный клапан 12.
Для восприятия лучистого потока от электронагревателей и теплонакопительного элемента предусмотрены тепловоспринимающие экраны 13, выполненные в виде пластин. Твердый теплонакопительный элемент и тепловоспринимающие экраны создают каналы 14 для восходящего конвективного потока, создаваемого этими элементами. Пластины жидкостных циркуляционных контуров и внутренние стенки короба создают каналы нисходящего конвективного потока 15.
Прибор питается энергией от внешней электрической сети и оснащается автоматической системой регулирования тепловой мощности теплоаккумулирующего прибора, которая на фиг. не проиллюстрирована.
Работает предлагаемый теплоаккумулирующий отопительный прибор следующим образом.
На электронагреватели 4, расположенные на внешней части твердого теплоаккумулирующего элемента 3, подается электроэнергия, которая преобразуется в тепловую. Теплота в свою очередь частично за счет теплопроводности передается теплонакопительному элементу 3 и аккумулируется в нем, а в большей степени преобразуется в лучистый тепловой поток, передаваемый тепловоспринимающим экраном 13. Под действием лучистого потока тепловоспринимающие экраны начинают нагреваться, вследствие чего вдоль них формируется восходящий конвективный поток, который устремляется в верхнюю часть короба, омывая при этом верхние участки кольцевых каналов и передавая через их стенки часть теплоты теплоемкому теплоносителю 10, при этом тепловоспринимающие экраны сами становятся излучателями тепловой энергии. Теплоноситель кольцевых каналов начинает разогреваться и накапливать тепловую энергию, и под действием естественной конвекции начнет перемещаться по жидкостным циркуляционным контурам 8. Теплоноситель с одной стороны выполняет роль аккумулятора тепловой энергии, а с другой начинает перемещать теплоту от центра ее выработки у поверхности теплонакопительного элемента к периферийной части прибора, а именно к пластинам оребрения контура 11, что приводит к их быстрому разогреву.
С течением времени вдоль пластин оребрения жидкостных циркуляционных контуров, нагретых теплопроводностью от теплоемкого теплоносителя и вторичным излучением от тепловоспринимающих экранов, установятся восходящие и нисходящие конвективные потоки, теплота от которых будет передаваться коробу прибора 2. При этом пластины оребрения совместно с внутренней поверхностью короба выполняют роль направляющих каналов для конвективных потоков. Направляющие каналы создают упорядоченные тепловые воздушные потоки и позволяют увеличить скорость их движения, тем самым увеличивая интенсивность теплопередачи. Кроме этого пластины оребрения и короб прибора создают направляющие каналы с различной температурой поверхностей пластин. Это приводит к тому, что в результате разности плотностей воздуха у поверхностей и в объеме замкнутого циркуляционного контура возникающие архимедовы силы также усиливают движение воздуха вдоль пластин оребрения, что приводит к увеличению скорости и конвективного коэффициента теплоотдачи.
Таким образом, совмещение радиационного способа разогрева тепловоспринимающих экранов и организованной естественной конвекции вдоль пластин оребрения позволяет достичь быстрого переноса теплоты воздухом замкнутого контура (короба) от центра ее выработки до периферийной части прибора, тем самым обеспечить быстрый нагрев всей теплоотдающей поверхности прибора.
При этом одновременно часть тепловой энергии от нагревательных элементов, накопленной в теплонакопительном элементе, передается теплопроводностью центральной трубе 9 и через стенку трубы теплоемкому теплоносителю 10. Это ускоряет разогрев прибора и накопление теплоты в теплоносителе жидкостных циркуляционных контуров. Оребрение трубок жидкостных циркуляционных контуров выполняет не только роль каналов 15 для конвективных потоков, но и увеличивает теплоотдающую площадь, что позволяет интенсифицировать процесс теплоотдачи.
Холодный воздух помещения поступает через нижнюю перфорацию 7 в щелевые каналы 6 корпуса прибора. Тепловая энергия от короба прибора, разогретого до определенных температур, и пластин оребрения 5 теплопроводностью, конвекцией и излучением передается как холодному воздуху, так и корпусу прибора 1. Вдоль нагретых пластин оребрения устанавливаются восходящие конвективные потоки. Пластины оребрения короба и корпус прибора выполняют роль направляющих каналов. Они позволяют упорядочить и организовать естественные конвективные потоки и увеличить скорость движения воздуха помещения внутри прибора, тем самым создавая динамику конвективных воздушных потоков в пространстве между коробом прибора и корпусом, что также позволяет интенсифицировать процесс теплоотдачи вследствие увеличения коэффициента теплообмена. Оребрение внешней части короба пластинами также увеличивает теплоотдающую площадь. Воздух помещения проходит через щелевые каналы и далее через верхнюю перфорацию 7 в корпусе прибора поступает обратно в отапливаемое помещение.
В процессе работы прибора внутренний воздух помещения не соприкасается с теплонакопительным элементом и воздухом замкнутого циркуляционного контура короба, а также с нагревательными элементами, что позволяет поддерживать качество воздуха помещения и повысить безопасность прибора при эксплуатации.
Помимо разогрева прибора часть тепловой энергии от поверхности короба и от пластин оребрения короба излучением передается корпусу прибора 1. Нагретая поверхность корпуса прибора начинает излучать тепловую энергию в отапливаемое помещение. При этом на всей внешней части отопительного прибора устанавливается температурное поле в пределах санитарно-гигиенических требований, в виду того, что излучение, предаваемое корпусу прибора непрямое. Это также повышает безопасность прибора при эксплуатации.
У внешней поверхности корпуса формируются конвективные восходящие потоки. Холодный воздух помещения нагревается около нее и поднимается вверх, вытесняемый снизу подтекающим потоком. Таким образом устанавливаются организованные конвективные потоки в теле прибора и с внешней части его корпуса. Восходящие тепловые потоки перемешиваются и поступают в помещение, тем самым передавая тепловую энергию в помещение и повышая температуру воздуха. Сочетанием организованной конвекции в щелевых каналах, образуемых пластинами оребрения и корпусом и создающих динамику конвективных потоков, и естественной конвекцией у внешней части корпуса прибора обеспечивается быстрое равномерное распределение температуры по поверхности прибора.
По мере накопления теплоты в центрах ее аккумулирования и при достижении заданного уровня температуры теплоемкого теплоносителя и температуры короба прибора электронагреватели отключаются.
Теплота, накопленная в центрах аккумулирования энергии, постепенно расходуется на поддержание требуемой температуры отапливаемого помещения. При понижении температуры теплоносителя жидкостных циркуляционных контуров до нижних предельных значений вновь включаются электронагреватели. Таким образом, процесс повторяется в зависимости от тепловых потребностей отапливаемого помещения.
Существенным отличием предлагаемого теплоаккумулирующего отопительного прибора является наличие трех центров аккумулирования тепловой энергии: твердый теплоаккумулирующий элемент, жидкостные циркуляционные контуры, в виде кольцевых каналов, объединенных центральной трубой и заполненных теплоемким теплоносителем, которые заключены в воздушный замкнутый контур циркуляции, выполненный из металла. Конструктивное сочетание центров аккумулирования позволяет совмещать накопление теплоты с быстрым переносом тепловой энергии по всему объему к теплоотдающей поверхности прибора: накопленная энергия переносится от ядра к периферийному контуру и далее передается воздуху отапливаемого помещения. Наличие замкнутого воздушного циркуляционного контура, в котором размещены нагреватели и твердый теплонакопительный элемент, позволяет защитить корпус прибора от перегрева, что повышает его безопасность, а также исключает контакт воздуха отапливаемого помещения с электронагревательными элементами прибора, что не ухудшает качество воздуха отапливаемого помещения при использовании лучистого теплового потока. Кроме этого тепловоспринимающие экраны циркуляционного контура короба позволяют эффективно использовать тепловые конвективные и радиационные тепловые потоки. Для формирования конвективных потоков, придания им динамики с целью интенсифицирования теплоотдачи устанавливаются пластины оребрения трубок жидкостных циркуляционных контуров и внешней части короба прибора. Установка пластин оребрения способствует созданию направленных организованных конвективных тепловых восходящих и нисходящих потоков воздуха при естественной конвекции, тем самым увеличивается доля конвективной оставляющей в общей теплопередаче прибора, что способствует эффективному аккумулированию и передаче теплоты в отапливаемое помещение путем сочетания тепловых потоков, создаваемых конвекцией и радиационным излучением.
Заявляемое изобретение позволяет для обогрева помещений использовать большую тепловую мощность в маленьком объеме, а также создавать благоприятные условия в отапливаемом помещении в независимости от его назначения.
Библиографический список
1. Патент РФ №40757, E04B 1/74;
2. Заявка РФ №99122715, МПК7 F24D 15/02;
3. Сканави А.Н. Отопление: Учеб. для техникумов. 2-e изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1988, 416 с., ил. с. 15;
4. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1991. - 735 с., с. 483.