ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ ВОДЫ
ELECTRIC WATER HEATER

Изобретение относится к электронагревателям воды с трубчатыми нагревательными элементами, в которых резистивные проводники заделаны в изоляционный материал.
Известен нагревательный элемент (US 4112410), который содержит спираль из круглого резистивного проводника, запрессованную вместе с электроизоляционным наполнителем в круглую трубчатую оболочку.
Однако такой трубчатый электронагреватель имеет следующие существенные недостатки:
• Тепло-излучающая способность нагревателя недостаточна, так как тепло-излучающая поверхность трубчатой оболочки находится только с внешней стороны спирали;
• Круглое сечение резистивного проводника создает дефицит тепло-излучающей поверхности, которая находится только на периферии круга. Поэтому значительная часть энергии расходуется на перегрев центральной части проводника (до температуры 700-800°С);
• Тепло-эффективность нагревателя недостаточна, так как перегрев центральной части спирали увеличивает инерционность нагревателя и ухудшает условия теплопередачи;
• Нагреватель имеет значительные тепловые потери, вследствие ухудшения теплопроводности и повышения инерционности нагревателя, при высокой температуре спирали.
Известно также устройство для нагрева воды (NL 8602495), в котором нагревательный элемент содержит спираль из круглого резистивного проводника, которая запрессована вместе с электроизоляционным наполнителем между двумя цилиндрическими поверхностями. Эти поверхности образуют внешнюю и внутреннюю тепло-излучающие поверхности трубчатой оболочки. В таком нагревателе лучше используется тепло-излучающая поверхность круглого резистивного проводника, и этот нагреватель является наиболее близким к изобретению.
Однако и такой трубчатый электронагреватель имеет следующие существенные недостатки:
• Тепло-эффективность нагревателя недостаточна, так как круглое сечение резистивного проводника создает дефицит тепло-излучающей поверхности, которая находится только на периферии круга. Поэтому значительная часть энергии расходуется на перегрев центральной части проводника. Кроме того, половина тепло-излучающей поверхности витков спирали обращена друг к другу, доводя перегрев спирали до высокой температуры;
• Тепло-излучающая способность поверхности трубчатой оболочки нагревателя недостаточна, так как только половина тепло-излучающей поверхности витков спирали обращена в сторону трубчатой оболочки. Часть энергии излучения спирали рассеивается в изоляционном наполнителе, вызывая потери тепла и перегрев трубчатой оболочки;
• Нагреватель имеет значительные тепловые потери при высокой температуре спирали, вследствие повышения инерционности и образования накипи на наружной поверхности трубчатой оболочки, а также вследствие ухудшения теплопроводности из-за кавитации на границе между водой и трубчатой поверхностью нагревателя.
В основу изобретения поставлена задача создания такого электронагревателя, в котором трубчатая оболочка нагревательного элемента и резистивный проводник были бы выполнены так, и расположены относительно друг друга таким образом, чтобы была бы увеличена тепло-излучающая поверхность, эффективность и отдаваемая мощность нагревательного элемента, а также минимизированы тепловые потери и оптимизирована рабочая температура нагревателя.
Поставленная задача решается тем, что резистивный проводник нагревательного элемента выполнен из тонкой резистивной ленты, периметр сечения которой превышает, преимущественно, более чем вдвое периметр сечения круглого провода равной площади сечения. Оболочка нагревательного элемента выполнена из спирально изогнутой сплюснутой трубки, с образованием паза между сплюснутыми сторонами трубки, сечение которого имеет форму, близкую к прямоугольной форме сечения резистивной ленты. Резистивная лента размещена в образованном пазу трубчатой оболочки так, что ее широкие стороны параллельны сплюснутым сторонам трубчатой оболочки и образуют, соответственно, внешнюю и внутреннюю тепло-излучающие поверхности. Такая конструкция значительно увеличивает тепло-излучающую поверхность, снижает температуру и минимизирует тепловые потери нагревательного элемента.
Эти признаки и их сочетание обеспечивают заявленному устройству высокие теплоэнергетические качества, недостижимые для аналогов.
Тонкая резистивная лента в несколько раз увеличивает периметр сечения и тепло-излучающую поверхность резистивного проводника, в сравнении с круглым проводом равной площади сечения. Соответственно увеличивается тепло-излучающая поверхность сплюснутой трубчатой оболочки, которая покрывает резистивную ленту. При этом снижается рабочая температура и инерционность нагревателя, так как отсутствует перегрев центральной части тонкой резистивной ленты и вся полученная тепловая энергия передается через ее тепло-излучающую поверхность. Пониженная температура оптимизирует работу нагревателя и минимизирует тепловые потери, так как уменьшается кавитация и процесс образования накипи.
Сплющенная форма сечения трубчатой оболочки позволяет изготовлять компактные нагревательные элементы необходимых размеров, как в виде объемных (цилиндрических) спиралей, так и в виде плоских (дисковых) спиралей. Пониженная температура нагревателя позволяет применять в качестве электроизоляционного наполнителя дешевые материалы (например, стеклоткань) и упрощает технологию изготовления нагревателей. Это удешевляет изготовление таких нагревателей и расширяет сферу их применения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - изображает вариант погружного электронагревателя с объемным (цилиндрическим) спиральным нагревательным элементом, вертикальный разрез;
Фиг. 2 - изображает вариант проточного электронагревателя с двумя концентрично установленными объемными (цилиндрическими) спиральными нагревательными элементами, вертикальный разрез;
Фиг. 3 - изображает вариант проточного электронагревателя с двумя плоскими (дисковыми) спиральными нагревательными элементами, горизонтальный разрез;
Фиг. 4 - разрез IV-IV на фиг. 3.
Преимущественный вариант электронагревателя (фиг. 1) содержит нагревательный элемент 1, оболочка которого образована сплюснутой трубкой 2, изогнутой в форме объемной (цилиндрической) спирали. В продольном пазу между сплюснутыми сторонами оболочки 2, вместе с изоляционным наполнителем 3, запрессована спираль 4 из тонкого ленточного проводника. Витки спиральной оболочки 2 прижаты другу к другу своими короткими сторонами, а противоположные широкие стороны сплюснутой спиральной оболочки 2 образуют, соответственно, внешнюю и внутреннюю тепло-излучающие поверхности нагревателя. Сечение паза между сплюснутыми сторонами оболочки 2 имеет форму, близкую к прямоугольной форме сечения резистивной ленты 4. Широкая внешняя и внутренняя сторона ленты 4 параллельны сторонам трубчатого паза, и образует, соответственно, внешнюю и внутреннюю тепло-излучающие поверхности резистивной ленты. Нижний и верхний концы спирали соединены с соответствующими контактными шпильками 5, которые, посредством изолирующих втулок 6, выведены за пределы оболочки. Для присоединения к источнику электропитания служит, соответственно, контактная арматура 7. Для крепления концов трубчатой оболочки 2 к нижнему торцу корпуса 8 нагревательного устройства служат трубчатые оконцеватели 9. Трубчатая оболочка 2 установлена таким образом, что между ее нижним витком и нижним торцом корпуса 8 образован зазор. Связь верхнего конца трубчатой оболочки 1 со своим оконцевателем 9 выполнена посредством трубчатой перемычки 10. Сверху корпуса 8 находится крышка 11.
Резистивный проводник спирали 4 выполнен из тонкой резистивной ленты. Периметр сечения ленты более чем вдвое превышает периметр сечения круглого провода равной площади сечения. Например, нагреватель мощностью 3 кВт может быть снабжен лентой с площадью сечения 7×0.06 мм, в которой соотношение ширины к толщине более, чем 100:1. Это обеспечивает шестикратное увеличение тепло-излучающей поверхности такой ленты, по сравнению с круглым проводником равной площади поперечного сечения.
На фигуре 2 представлен вариант проточного электронагревателя с двумя концентрично установленными объемными (цилиндрическими) спиральными нагревательными элементами 21а и 21 в, оболочки которых образованы из сплюснутых трубок 22а и 22в. Витки в каждой трубчатой спирали 22а и 22в примыкают друг к другу своими короткими сторонами, образуя два цилиндра. Внешняя трубчатая спираль 22а, и внутренняя трубчатая спираль 22в, установлена в корпусе 23 с образованием цилиндрических зазоров между ними, а также между внешней трубчатой спиралью 22а и корпусом 23. Внутри трубчатых спиралей 22а и 22в помещены соответственно ленточные спирали 4а и 4в. Спирали 4а и 4в соединены между собой и изолированы от нагреваемой среды посредством трубчатой перемычки 24. Внутренняя трубчатая спираль 22в образует зазор с нижним торцом корпуса 23, и прижата без зазора к верхнему торцу корпуса 23. Внешняя трубчатая спираль 22а образует зазор с верхним торцом корпуса 23 и прижата без зазора к нижнему торцу корпуса 23. Для крепления трубчатой оболочки 22а и 22в к верхнему торцу корпуса 23 нагревательного устройства служат трубчатые оконцеватели 9а и 9в. Концы ленточных спиралей 4а и 4в соединены соответственно с контактными шпильками 5а и 5в, которые выведены за пределы корпуса 23. Перед нижним торцом внешней трубчатой спирали 22а размещен патрубок 25 для входа воды. В центре внутренней трубчатой спирали 22в размещена трубка 26. Нижний конец трубки 26 соединен с патрубком 27 для выхода нагретой воды. Верхний конец трубки 26 образует зазор с верхним торцом корпуса 23. Верхний торец корпуса 23 выполнен в виде съемной крышки 28, которая фиксируется на корпусе 23 посредством стопорного кольца 29.
На фигурах 3 и 4 представлен вариант электронагревателя с двумя плоскими (дисковыми) нагревательными элементами 31а и 31в, изогнутых в форме двойной спирали Архимеда. Оболочки нагревательных элементов 31а и 31в образованы из сплюснутых трубок 32а и 32в, а внутри трубок 32а и 32в помещены, соответственно, спирали 4а и 4в из тонкого ленточного проводника. Витки трубок 32а и 32в прижаты к торцам корпуса 33 нагревателя своими короткими сторонами Витки нагревательных элементов 31а и 31 в чередуются между собой, а между смежными витками нагревательных элементов 31а и 31 в образован спиральный паз для потока воды. Концы спиралей 4а и 4в соединены с контактными шпильками 5, которые, посредством соответствующих изолирующих втулок 6, выведены за пределы оболочки. Для присоединения к источнику электропитания служит контактная арматура 7, а для крепления к верхнему торцу корпуса 33 служат трубчатые оконцеватели 9. Внешние концы нагревательных элементов 31а и 31 в закреплены на противоположных сторонах дискового корпуса 33 нагревателя. Внутренние концы нагревательных элементов 31а и 31 в закреплены в центре корпуса 33 нагревателя с образованием между ними паза для текучей среды. В корпусе 33 нагревателя, перед внешним витком спирального нагревательного элемента 31а, размещен патрубок 34 для входа воды, а перед внешним витком спирального нагревательного элемента 31 в, размещен патрубок 35 для выхода воды. Верхний торец корпуса 33 выполнен в виде съемной крышки 36, которая фиксируется на корпусе 33 посредством стопорного кольца 37.
Электронагреватель работает следующим образом.
Вариант, представленный на фигуре 1, может быть эффективно использован во многих погружных электронагревательных устройствах, в частности таких как, например, кипятильник и накопительный водонагреватель. Перед включением корпус 8 заполняется водой и закрывается крышкой 11. Затем от источника тока, через контактные шпильки 5, подается напряжение на спиральную ленту 4 нагревательного элемента. Электрический ток вызывает ее нагрев. Вследствие наличия увеличенных тепло-излучающих поверхностей с двух сторон от ленты 4, происходит интенсивный отвод тепла от нее. Это предотвращает перегрев ленты и позволяет, в случае необходимости, увеличить мощность, отдаваемую нагревательным элементом 1. Одновременно происходит интенсивный разогрев воды (или иной нагреваемой жидкости), благодаря максимальному отбору тепла от увеличенной площади внешней и внутренней тепло-излучающих поверхностей нагревательного элемента 1. При этом жидкость, находящаяся в центре нагревательного элемента 1, оказывается окруженной со всех сторон внутренней тепло-излучающей поверхностью и нагревается сильнее. Это вызывает конвективное движение и циркуляцию жидкости в корпусе 8, что еще больше интенсифицирует ее нагрев. Циркуляцию жидкости между корпусом 8 и торцами нагревательного элемента 1 обеспечивают образованные зазоры. Цилиндрический нагревательный элемент может быть образован спиралью из резистивной ленты, помещенной в цилиндрический паз оболочки, образованный между двумя концентрично установленными трубами. Это расширяет технологические возможности и сферу применения таких цилиндрических нагревательных элементов.
Вариант, представленный на фигуре 2, может быть эффективно использован в любых проточных электронагревателях жидкости, находящейся под давлением. Напряжение от источника тока подается на спиральные ленты 4а и 4в нагревательных элементов 1а и 1в только после срабатывания реле протока (не показано). Электрический ток вызывает нагрев спиралей 4а и 4в. Вследствие зазоров, образованных между корпусом 23 и соответствующими торцами нагревательного элемента 21а и нагревательного элемента 21в, жидкость последовательно обтекает все их внешние и внутренние тепло-излучающие поверхности. Благодаря этому увеличивается время контакта потока жидкости с нагревателем. При этом происходит более интенсивный отбор тепла от всей площади внешних и внутренних тепло-излучающих поверхностей, что еще более повышает тепло-эффективность нагревателя. Причем, в цилиндрическом зазоре между нагревательными элементами 21а и 21в жидкость оказывается окруженной со всех сторон тепло-излучающими поверхностями и нагревается еще сильнее.
Такая конструкция может быть использована также в качестве погружного нагревателя. В этом случае между торцами нагревательных элементов 21а и 21в и корпусом нагревателя сохраняются зазоры, обеспечивающие конвективное движение и циркуляцию жидкости для интенсификации ее нагрева.
Вариант, представленный на фигурах 3 и 4, может быть эффективно использован во многих электронагревателях для жидкости, в частности в проточном водонагревателе. Его использование аналогично описанному выше варианту на фигуре 2, что расширяет возможности применения предлагаемых нагревательных элементов, в зависимости от имеющихся технологических возможностей. Напряжение от источника тока подается на спиральные ленты 4 нагревательных элементов 31а и 31в только после срабатывания реле протока (не показано). Электрический ток вызывает нагрев спиралей 4. Посредством контактных шпилек 5 можно менять соединение спиралей 4 и, при необходимости, изменять мощность, отдаваемую нагревательными элементами 31а и 31в. Нагреваемая жидкость поступает через патрубок 34, нагревается в спиральных пазах, образованных между смежными витками нагревательных элементов 31а и 31в, и выходит через патрубок 35. При этом струя жидкости, протекая вдоль паза между витками спиральных элементов 31а и 31 в, производит последовательный, интенсивный и одновременный отбор тепла от всей площади тепло-излучающих поверхностей двух нагревательных спиральных элементов 31а и 31в. Причем, почти на всем протяжении контакта с нагревательными элементами 31а и 31 в, жидкость оказывается окруженной с двух сторон тепло-излучающими поверхностями. Это обеспечивает значительное снижение тепловых потерь, увеличение времени контакта потока жидкости с нагревателем и более сильный нагрев жидкости.
Такой вариант электронагревателя может быть также использован в отопительной системе. В этом случае, для циркуляции нагреваемой жидкости, патрубки входа 34 и выхода 35 должны быть соединены с емкостью замкнутого объема, например с радиатором (не показано). При замыкании электрической цепи, вода, содержащаяся в корпусе 33, нагревается с образованием пароводяной смеси. Нагретая пароводяная смесь движется в спиральном пазу, выходит через патрубок 35 и заполняет радиатор, отдавая тепло окружающей среде. После остывания пароводяная смесь снова поступает в корпус 33 через патрубок 34. Таким образом, обеспечивается естественная циркуляция пароводяной смеси и воды в отопительной системе.
Могут быть разработаны варианты проточных 2-х ярусных дисковых нагревателей, в которых спиральные пазы двух спиральных нагревательных элементов сообщаются между собой только в одном месте (например, в центре корпуса нагревателя). При этом поток жидкости производит последовательный и интенсивный отбор тепла сначала от одной нагревательной спирали, а затем от другой. Это обеспечивает большую компактность нагревателю.
Могут быть разработаны погружные дисковые нагревательные элементы, например, для чайников и стиральных машин. В этом случае между торцами нагревательных элементов и корпусами указанных нагревателей сохраняются зазоры, обеспечивающие конвективное движение и циркуляцию жидкости между витками нагревательных спиралей.
Нагреватели из сплющенных трубок могут быть разработаны также с иным количеством спиральных нагревательных элементов, без существенного увеличения габаритов и потребляемой мощности нагревателя. Причем могут быть выполнены как плоские (дисковые) спиральные нагревательные элементы, так и объемные (цилиндрические) спиральные нагревательные элементы. Это позволит нагревать жидкость практически до любой необходимой температуры и обеспечивать при этом самые разнообразные технологические требования.
Таким образом, предлагаемые электронагреватели с цилиндрическими и дисковыми нагревательными элементами, из тонкой резистивной ленты, могут быть использованы в самых разнообразных нагревательных устройствах для воды. При этом такие нагревательные элементы, по сравнению с аналогами, имеют большую тепло-излучающую поверхность, обеспечивают большую тепло-эффективность и отдаваемую мощность, а также оптимизируют рабочую температуру и минимизируют тепловые потери нагревателя.