Обогреватель емкости

Предлагаемая полезная модель относится к электротермии, а именно, к конструкциям обогревателей емкостей, предназначенных для подогрева в них застывающих и вязких продуктов в любых отраслях промышленности или для подогрева воды, в частности, в фермерских хозяйствах.
Известны поверхностные электронагреватели для бочек, представляющие собой вмонтированный в ПВХ оболочку гибкий, плоский нагреватель, снабженный с внешней стороны теплоизолирующим и теплоотражающим слоем (см., например, информационные листки «Обогрев емкостей, бочек, еврокубов», 2012 г. фирма «Альфа-мегаполис» и «Новые технологии» Москва. Информационные листки прилагаются).
Известно поверхностное электронагревательное устройство (авт. св. №965027, кл. Н05В 3/06), содержащее жесткий цилиндрический корпус, к которому прикреплены секции электронагревателя, выполненного в виде гибкого резистивного проволочного элемента, снабженного слоем электроизоляции и расположенного петлеобразно с возможностью прилегания к боковой поверхности цилиндрической емкости.
Серьезным недостатком всех вышеприведенных устройств является малая эффективность работы и большие потери тепла в атмосферу. Малая эффективность работы приведенных устройств объясняется тем, что нагрев содержимого емкостей происходит через теплопроводность нагреваемых сред, так как нагреватели расположены со стороны боковых поверхностей емкостей. А так как содержимое емкостей имеет низкую теплопроводность, то разогрев содержимого емкостей происходит долго, а потому присутствуют перегрев пристеночных зон, что сказывается на качестве продукта, и большие потери тепла в атмосферу. В известных устройствах конвективный перенос тепла нагреваемым продуктом отсутствует, так как нагрев продукта происходит не снизу, а сбоку емкости. А еще в учебнике «Физика» за 8-ой класс, автор Перышкин А.В. 2004 стр. 15-16 сказано, что для получения естественной конвекции жидкости и газы следует нагревать снизу.
За прототип авторами принят обогреватель емкости (патент на полезную модель «Обогреватель емкости» № 179355, H05B 3/06 ), содержащий коробчатый корпус, размещаемый под дном емкости, внутри которого размещен нагреватель и верхняя стенка жесткими внутренним и внешним опорными элементами соединена с нижней стенкой. Нагреватель выполнен в виде спирали, от которой происходит нагрев теплоизлучающей верхней стенки обогревателя, контактирующий с дном обогреваемой емкости. Свободная полость обогревателя заполнена диэлектрическим наполнителем.
Недостатками обогревателя по прототипу являются недостаточная эффективность нагрева обогреваемой емкости и достаточно большие потери тепла в атмосферу, что снижает КПД обогревателя. Недостаточная эффективность нагрева обогреваемых емкостей объясняется неравномерностью нагрева верхней теплоизлучающей стенки обогревателя и косвенным способом ее (верхней стенки) нагрева, а повышенные тепловые потери в атмосферу - наличием значительного суммарного зазора между витками спирали нагревателя и верхней теплоизлучающей стенкой и тем, что твердый диэлектрический наполнитель имеет значительный коэффициент теплопроводности.
Задача предлагаемой полезной модели – повысить эффективность нагрева и уменьшить потери тепла в атмосферу.
Поставленная задача в предлагаемом обогревателе емкости, содержащем коробчатый корпус с нагревателем, верхняя теплоизлучающая и нижняя стенки которого скреплены внутренним и внешним опорными элементами, а внутренняя свободная полость заполнена диэлектрическим наполнителем, достигается тем, что соосно с внутренним опорным элементом в корпусе размещен трансформатор на тороидальном магнитопроводе, а нагреватель выполнен в виде короткозамкнутой вторичной обмотки, состоящей из верхней стенки и пластины с конфигурацией сечения в вертикальной плоскости в виде кругового кольца и стакана, причем верхняя стенка и круговое кольцо соединены гальванически по внешнему периметру между собой и соответственно с верхним и через стакан с нижним торцами внутреннего опорного элемента, а между верхней стенкой и круговым кольцом размещен слой электроизоляции.
В результате решения поставленной задачи получен технический результат, заключающийся в увеличении эффективности нагрева обогреваемой емкости. Дело в том, что в известном по прототипу обогревателе нагрев верхней теплоизлучающей стенки происходит через значительный зазор от спирального нагревателя, размещенного внутри коробчатого корпуса. И нагрев верхней стенки происходит косвенно и очень неравномерно, чем дальше от места расположения спирали находится зона верхней стенки, тем меньше ее температура по сравнению с зоной, расположенной над спиралью. Также необходимо отметить, что в известном обогревателе нагреву, несмотря на принятые меры по его уменьшению, подвержена вся конструкция, отсюда большие ненужные тепловые потери и низкий КПД нагревателя. В предлагаемом обогревателе прямому нагреву подвержены верхняя стенка и поджатое к ней круговое кольцо, стакан и внутренний опорный элемент, все другие теплоизлучающие части конструкции обогревателя удачно и в максимальной степени защищены от нагрева и теплоизлучений в окружающее пространство.
На прилагаемом чертеже на фиг. 1 показан пример выполнения предлагаемого обогревателя.
Предлагаемый обогреватель емкости содержит корпус, верхняя теплоизлучающая стенка 1 и нижняя стенка 2 которого скреплены внутренним 3 и внешним 4 опорными элементами, тороидальный магнитопровод 5 с первичной обмоткой 6, нагреватель, выполненный в виде короткозамкнутого витка, состоящего из верхней стенки 1, кругового кольца 7, стакана 8, и внутреннего опорного элемента 3, причем верхняя стенка 1 и круговое кольцо 7 соединены гальванически по внешнему периметру между собой и соответственно с верхним торцом 9 и через стакан 8 с нижним торцом 10 внутреннего опорного элемента 3, а между верхней стенкой 1 и круговым кольцом 7 размещен тонкий слой 11 электроизоляции. Свободная полость обогревателя заполнена наполнителем 12. Выходы 13 обмотки 6 подключаются к клеммам 14 штепсельной вилки 15, жестко установленной во внешнем опорном элементе 4 и наполнителе 12. Гильза 16 из пенополиуретана обеспечивает устойчивость положения магнитопровода 5 с обмоткой 6 в промежутке между верхней 1 и нижней 2 стенками и уменьшает нагрев обмотки от греющегося короткозамкнутыми токами опорного элемента 3. В качестве слоя 11 электроизоляции лучше взять жесткую пластину, например, стеклотекстолит толщиной 0,05 – 0,1 мм. Внутренний опорный элемент 3 может быть выполнен в виде стержня или втулки.
Работает представленный обогреватель следующим образом. При подключении обмотки 6 к источнику питания по ее виткам начинает проходить ток, который создает магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу 5. Этот магнитный поток пронизывает контур короткозамкнутого витка, образованного гальванически связанными между собой по периметру верхней стенки 1 и кругового кольца 7, и, соответственно, с верхним  торцом 9 и через стакан 8 с нижним торцом 10 внутреннего опорного элемента и наводит в нем ЭДС, под действием которой в контуре короткозамкнутого витка возникает большой величины ток, который разогревает вышеперечисленные элементы короткозамкнутого витка.
Но основное тепловыделение будет в верхней стенке 1 и круговом кольце 7, так как выполнены они из более тонкого материала, чем стакан 8 и внутренний опорный элемент 3, и суммарная их поверхность, по сравнению с другими очень велика, а разделены они всего-навсего тонким слоем 11 электроизоляции. И что важно, короткозамкнутый ток непосредственно проходит по всей толще или объему верхней стенки 1 и кругового кольца 7, то есть, здесь присутствует не косвенный нагрев теплоизлучающих элементов, а прямой или непосредственный. Нагреву верхней стенки 1 в значительной степени способствует нагрев кругового кольца 7, через которое происходит тот же самый короткозамкнутый ток. Основной поток тепла с кольца 7 через тонкий слой электроизоляции 8 передается на верхнюю 1 стенку, а с нее к обогреваемой емкости (на чертеже не показано), которая ставится на обогреватель и дно которой контактирует с верхней 1 стенкой. В противоположную сторону теплоизлучение с кольца 7 ограничивает слой 12 пенополиуретана, используемого в качестве наполнителя, коэффициент теплопроводности которого очень мал – 0,03-0,06 Вт/мK°. Чтобы уменьшить нагрев стакана 8, толщину его стенок можно увеличить.
Таким образом, непосредственный (прямой) нагрев верхней теплоизлучающей стенки 1 и примыкающего к ней кольца 7 и опорного стержня 3 короткозамкнутыми токами и уменьшение тепловых потерь с конструктивных элементов обогревателя в атмосферу позволяют обеспечить эффективный нагрев содержимого емкости.