НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С УПРАВЛЕНИЕМ МОЩНОСТЬЮ ДЛЯ ЖИДКОСТИ
HEATING ELEMENT WITH POWER CONTROL FOR LIQUIDS

Изобретение относится к электронагревателям непроточного типа для жидкости, использующим эффект естественной конвекции, например: чайники, или нагреватели накопительного типа.
Известно устройство для нагревания жидкости чайник модель Эч 2,0/1,0 - 220 ГОСТ 7400-81 или BF 26 фирмы TEFAL, нагревательный элемент в нем является дном сосуда чайника, а в качестве нагревателя используется ТЭН (трубчатый нагревательный элемент), припаянный к металлическому дну чайника с наружной его стороны. Такое использование ТЭНа повышает его эффективность при нагревании жидкости за счет увеличения площади контакта нагревающей поверхности и жидкости.
Недостатком теплового элемента такого типа остается неравномерное распределение мощности по поверхности дна чайника, высокая удельная мощность, что приводит к перегреву нагревателя, который служит дном чайника, образованию парогазовой прослойки вблизи его поверхности, ухудшению за счет этого отвода тепла от поверхности нагревателя, перерасходу электроэнергии, появлению шума и накипи на его поверхности.
Перерасход электроэнергии происходит также из-за того, что конвекционный поток нагретой жидкости, поднимающийся вверх от горячего дна чайника, встречается с потоком "холодной" жидкости, опускающейся вниз к тепловому элементу, затрудняя конвекцию и ухудшая теплоотвод.
Известно также техническое решение, в котором применяется плоский нагревательный элемент, являющийся также дном чайника. Отличительной особенностью данного прибора (чайника) является то, что в качестве нагревателя в данном приборе используется толстопленочный металлокерамический резистор, который с помощью трафаретной печати нанесен на электроизолирующую стекловидную толстую пленку, которая покрывает всю наружную поверхность дна электрочайника ("Финансовая газета" №83 (317) от 28.08.96). Прибор имеет ряд преимуществ перед известными аналогами, так как обеспечивает более равномерное распределение тепла по поверхности теплового элемента и меньшую удельную мощность. Однако и данный аналог не лишен указанных выше недостатков, так как не исключает перегрева поверхности теплового элемента, появления шума, накипи и встречных потоков горячей и "холодной" жидкостей, затрудняющих равномерное нагревание жидкости во всем объеме, а значит приводящих к перерасходу электроэнергии.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является техническое решение патент РФ №4955069, Н05В 001/02, содержащее корпус, отключающее устройство, соединенное с датчиком температуры и электрической сетью, в котором с целью повышения эффективности нагревания жидкости, экономии электроэнергии введен дополнительный теплопровод, находящийся в концевой части теплового элемента снаружи корпуса электрочайника и выполненный в виде теплопроводящей пластины, часть которой изогнута и охватывает датчик температуры. Однако данное техническое решение не исключает перегрева теплового элемента, появления шума при нагревании жидкости, накипи на поверхности нагревателя и образования встречных конвекционных потоков нагретой жидкости, поднимающейся вверх, и "холодной" жидкости, опускающейся вниз, все это приводит к перерасходу электрической энергии.
Предлагаемое устройство отличается от всех известных аналогов тем, что при нагревании жидкости температура теплового элемента в любой момент времени имеет температуру, исключающую закипание жидкости на поверхности теплового элемента, появление шума и накипи. Конструкция устройства исключает также пересечение встречных потоков горячей и "холодной" жидкости, это позволяет улучшить отвод тепла от поверхности теплового элемента, сократить время нагревания жидкости. Все это способствует экономии электроэнергии и сохранению химического состава нагреваемой жидкости.
Особенностью данного устройства является то, что в электрическую схему нагревательного элемента включено устройство, позволяющее управлять мощностью, которая выделяется на тепловом элементе, по сигналу датчика температуры, который установлен на рабочей поверхности теплового элемента.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в рациональном использовании электрической энергии при нагревании жидкости за счет максимального использования явления естественной конвекции, путем разделения потоков горячей и "холодной" жидкости по отношению к тепловому элементу, обеспечения более эффективного съема тепла с поверхности теплового элемента, путем исключения возможности закипания жидкости на поверхности теплового элемента, исключения шума и накипи на поверхности нагревателя.
Поставленная задача в нагревательном элементе с управляемой мощностью для жидкости решается путем выполнения корпуса теплового элемента из нержавеющей стали, являющегося дном сосуда, в форме усеченного конуса или части сферы, установленного вершиной вниз, на наружной поверхности которого размещен изолирующий стеклокерамический слой, на котором, кроме нижнего сечения конуса или вершинной части сферы, размещен металлокерамический резистор с датчиком температуры, причем диаметр части корпуса, на котором отсутствует металлокерамический резистор, составляет не более 20% от большого диаметра основания корпуса нагревательного элемента, внутри усеченного конуса или части сферы, с зазором не менее 3 мм, установлен экран, выполненный из листового материала, способного выдержать температуру кипения жидкости, который обеспечивает постоянный зазор между поверхностью нагревательного элемента, контактирующей с жидкостью, и экраном, причем в вершинной части экрана имеется отверстие, диаметр которого совпадает с диаметром той части нагревательного элемента, на которой отсутствует резистивный слой, а в электрическую схему нагревательного элемента включено устройство, управляющее мощностью, выделяемой на тепловом элементе, в зависимости от температуры нагреваемой жидкости, которое управляется датчиком температуры, расположенным на поверхности металлокерамического резистора.
Таким образом, отличительными признаками изобретения являются:
1. Корпус теплового элемента, который выполнен из нержавеющей стали и является дном сосуда, имеет форму усеченного конуса или части сферы, на наружной поверхности которого размещен стеклокерамический изолирующий слой, на котором, кроме нижнего сечения конуса или вершинной части сферы с диаметром сечения не более 20% большого диаметра основания корпуса нагревательного элемента, размещен металлокерамический резистор и датчик температуры.
2. Металлокерамический резистор отсутствует на вершинной части нагревательного элемента.
3. Внутри теплового элемента установлен экран, выполненный из листового материала, способного выдержать температуру нагреваемой жидкости, который обеспечивает постоянный зазор между дном сосуда, которым является корпус теплового элемента и экраном не менее 3 мм, причем в вершинной части экрана имеется отверстие, диаметр которого совпадает с размером той части нагревательного элемента, на которой отсутствует резистивный слой.
4. В электрическую схему нагревательного элемента включено устройство, управляющее мощностью, выделяемой на нагревательном элементе в зависимости от температуры жидкости, которое управляется датчиком температуры, расположенным на поверхности металлокерамического резистора.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата:
1. Максимально использовать явление естественной конвекции,
2. Повысить эффективность съема тепла с поверхности теплового элемента.
3. Исключить закипание жидкости на поверхности теплового элемента и шум в процессе ее нагревания.
4. Исключить пересечение встречных потоков горячей и «холодной» жидкости в нагревательном приборе.
5. Повысить скорость нагревания жидкости.
6. Экономить электрическую энергии при нагревании жидкости.
7. Устранить шум и образование накипи на поверхности теплового элемента при нагревании жидкости
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 приведен внешний вид и сечение нагревательного элемента для жидкости с корпусом в виде усеченного конуса, где:
1 - резистивный слой нагревательного элемента;
2 - корпус сосуда;
3 - экран;
4 - отверстие в экране;
5 - вершина теплового элемента, свободная от резистивного слоя;
6 - направление потока жидкости при нагревании.
На фиг.2 приведена электрическая схема питания нагревательного элемента, где:
7 - металлокерамический резистор;
8 - датчик температуры;
9 - регулятор мощности;
10 - источник питания нагревательного элемента.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Жидкость, находящаяся в контакте с горячей поверхностью (2) теплового элемента, нагревается и в результате естественной конвекции поднимается вверх (6) по зазору вдоль поверхности теплового элемента (2). В нижней части канала на границе отверстия (4) в экране (3) создается разрежение, за счет которого в канал (6) всасывается новая порция холодной жидкости. Зазор, таким образом, выполняет функцию теплового насоса, обеспечивая постоянное протекание по нему жидкости до тех пор, пока будет обеспечиваться разность температур на входе и на выходе канала.
В верхней части сосуда будет образовываться слой теплой жидкости, который будет расширяться по мере прокачки жидкости через зазор между поверхностью теплового элемента и экраном. При расширении слоя теплой жидкости до дна теплового элемента (5) и попадании ее в зазор (6) теплоотвод от стенки теплового элемента (2) ухудшится, уменьшится скорость протекания жидкости (6) по зазору, что приведет к повышению температуры теплового элемента (1). Если не управлять температурой нагревательного элемента, то по мере повышения средней температуры жидкости температура теплового элемента (1) будет повышаться. Вода на его поверхности закипит, вблизи поверхности образуется парогазовый слой, теплопроводность которого в 200 (двести) раз хуже теплопроводности воды. Это приведет к еще большему перегреву теплового элемента (1), температура которого может достигать 200°С и более, как происходит в известных приборах. Это и будет главной причиной нерационального использования электроэнергии, которая расходуется на преодоление большого теплового сопротивления парогазового слоя.
Регулятор мощности (9), включенный в электрическую схему нагревательного элемента, будет корректировать мощность источника питания (10) и уменьшать температуру нагревательного элемента (7) до заданного уровня, например до температуры кипения жидкости. Управление регулятором мощности (9) осуществляется с помощью датчика температуры (8), который размещается на поверхности теплового элемента (7). Наши эксперименты показали, что закипания жидкости, текущей вдоль поверхности теплового элемента (б), и шум, который сопровождает процесс закипания, не наблюдается до температуры теплового элемента, равной 110-115°С. Это условие и будет определять допустимую точность регулировки температуры теплового элемента.
Таким образом, мощность, выделяемая на тепловом элементе (7), по мере нагревания жидкости будет уменьшаться до минимального значения (до нуля), когда температура жидкости в сосуде достигнет температуры 100°С. Уменьшение мощности, выделяемой на тепловом элементе (7), при поддержании его температуры на уровне 100°С обеспечит не менее 30% экономии электрической энергии. При достижении равенства температур жидкости и нагревательного элемента протекание жидкости (6) по зазору прекратится. Мощность, выделяемая на тепловом элементе (1), будет равна нулю. Регулятор мощности (9) в данном случае будет играть роль отключателя. При остывании жидкости в сосуде регулятор мощности (9) подаст напряжение на тепловой элемент (7), это опять приведет к нагреванию жидкости до температуры нагревательного элемента и появлению конвекционного потока, то есть прибор будет поддерживать постоянную температуру жидкости и выполнять роль электротермоса.
Пример моделирования предлагаемого устройства приведен на фиг.3, где приведена зависимость нагревания воды от времени в водонагревателе, схема которого приведена на фиг.1.