УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДОГРЕВА ВОЗДУХА
AIR HEATING DEVICE

Изобретение относится к бытовой технике и предназначено для подогрева воздуха в помещении.
Известно устройство для подогрева воздуха по патенту РФ на изобретение №2425291, МПК F24C 15/20, опубл. 27.07.2011 г.
Это устройство совмещено с кухонным вытяжным очистителем воздуха.
Недостаток: низкий КПД.
Известно устройство для подогрева воздуха по патенту РФ на полезную модель №73455, МПК F24H 3/04, опубл. 20.05.2008 г.
Это устройство содержит корпус осесимметричной формы, внутри которого размещены теплообменные трубы, соединенный с входным и выходным торцами корпуса, электровентилятор с электродвигателем, закрепленный на входном торце, при этом электродвигатель соединен электрическими проводами с источником электроэнергии.
Недостатки: неавтономность работы устройства (потребность во внешнем источнике электроэнергии), низкий коэффициент полезного действия КПД устройства и большой вес устройства из-за наличия аккумулятора.
Известно устройство для подогрева воздуха по патенту WO 2013046179, МПК, опубл. 04.04.2013 г., прототип.
Это устройство для подогрева воздуха содержит корпус осесимметричной формы, внутри которого размещены теплообменные трубы, вентилятор с электродвигателем, закрепленный на входном торце, при этом электродвигатель соединен электрическими проводами с источником электроэнергии, а в качестве источника электроэнергии использован термоэлектрический генератор, содержащий термоэлектрические элементы зажатые с одной стороны теплоотводящим радиатором.
Недостатки прототипа
1. Сложность конструкции подводящих тепло элементов.
2. Сложность конструкции, отводящих тепло радиаторов
3. Частые случаи обгорания термоэлектрических элементов.
4. Подводящий тепло элемент выступает в тракте горячего газа в виде плохо обтекаемого тела, а это приводит увеличению аэродинамических потерь и снижению КПД устройства.
Задача создания изобретения: уменьшение аэродинамического сопротивления теплоподводящих радиаторов, встроенных в устройство и предотвращение его обгорания.
Достигнутый технический результат: уменьшение аэродинамического сопротивления теплоподводящих радиаторов, встроенных в устройство.
1
0
Решение указанной задачи достигнуто в устройстве для подогрева воздуха, содержащем корпус осесимметричной формы, внутри которого размещены теплообменные трубы, вентилятор с электродвигателем, закрепленный на входном торце, при этом электродвигатель соединен электрическими проводами с источником электроэнергии, а в качестве источника электроэнергии использован термоэлектрический генератор, содержащий термоэлектрические элементы, зажатые между теплоподводящими и теплоотводящим радиаторами, тем, что теплоподводящий радиатор выполнен Т-образной формы, термоэлектрические элементы закреплены под кожухом, в свою очередь, закрепленном на корпусе 1 и зажаты между теплоподводящим и теплоотводящим радиаторами, теплоотводящий радиатор выполнен в форме пластины, оребренной с одной стороны, соотношение площадей рабочей поверхности теплоотводящего радиатора S и площади термоэлектрического элемента в плане S может быть выполнено в диапазоне:
1
0
S/S=2-8, где:
0
0
S - площадь термоэлектрического элемента в плане S,
1
1
S - площадь рабочей поверхности теплоотводящего радиатора S.
В качестве термоэлектрических элементов могут быть использованы элементы Зеебека. Корпус может быть выполнен цилиндрической формы в поперечном сечении. Корпус может быть выполнен прямоугольной формы в поперечном сечении. Корпус и теплообменные трубы могут быть выполнен из стали. Корпус и теплообменные трубы могут быть выполнены из алюминиевого сплава. В полости корпуса перпендикулярно теплообменным трубам могут быть выполнены перегородки для периодического изменения направления потока теплоносителя.
Сущность изобретения поясняется на чертежах (фиг. 1-15), где:
- на фиг. 1 показан вид сбоку,
- на фиг. 2 показан вид сверху,
- на фиг. 3 показан вид устройства с торца,
- на фиг. 4 показан разрез А-А на фиг. 3,
- на фиг. 5 приведена схема движения воздуха, разрез В-В на фиг. 3,
- на фиг. 6 показана электрическая схема устройства,
- на фиг. 7 показана конструкция термоэлектрогенератора,
- на фиг. 8 приведен теплоподводящий радиатор, вид сбоку,
- на фиг. 9 приведен теплоподводящий радиатор, вид с торца,
- на фиг. 10 приведен теплоподводящий радиатор, вид сверху,
- на фиг. 11 приведен теплоотводящий радиатор, вид сбоку,
- на фиг. 12 приведен теплоотводящий радиатор, вид с торца,
- на фиг. 13 схема установки термоэлектрического элемента на теплоподводящий радиатор,
- на фиг. 14 схема установки термоэлектрического элемента на теплоотводящий радиатор,
- на фиг. 15 приведены диаграммы веса и теплового потока, передаваемого радиаторами.
Устройство для подогрева воздуха (фиг. 1-15) содержит корпус 1 осесимметричной формы и расположенный поверх него кожух 2.
Корпус 1 и кожух 2 выполнены из нержавеющей стали и имеет толщину от 0,8 до 2,5 мм. Сборка корпуса и теплообменных труб, может производиться с использованием метода аргонно-дуговой сварки неплавящимся электродом. Корпус 1 и кожух 2 могут быть покрыты термостойкой эмалью. Устройство может быть окрашено черной термостойкой краской, для эстетичности и для повышения теплообмена, за счет увеличения теплового излучения поверхностей.
К корпусу 1 присоединены патрубок подвода продуктов сгорания 3, который может быть выполнен заодно с корпусом 1 и патрубок отвода продуктов сгорания 4. Для отвода дымовых газов из обогреваемого помещения могут использоваться дымоходы из стали и алюминиевых сплавов.
Кроме того, устройство содержит, закрепленный на входном торце 5 при помощи винтов-саморезов 6 электровентилятор 7 с электродвигателем 8. Применен электровентилятор 7 с напряжением питания 5 В для обеспечения безопасности потребителя.
Может быть применен вентилятор с напряжением 12 В, в этом случае между термоэлектрическим элементом 11 и электродвигателем 8 может быть установлен преобразователь напряжения (на фиг. 1…12 не показано).
Электродвигатель 8 соединен электрическими проводами 9 с источником электроэнергии, при этом в качестве источника электроэнергии использован термоэлектрический генератор 10, состоящий из соединенных между собой термоэлектрических элементов 11. Термоэлектрический элемент 11 при нагреве с одной стороны и охлаждении - с другой вырабатывает электродвижущую силу - ЭДС. Термоэлектрические элементы 11 могут быть соединены между собой параллельно, последовательно или последовательно-параллельно.
В качестве термоэлектрического элемента 11 может быть использован элемент Пельтье. В качестве термоэлектрического элемента 11 может быть использован элемент Зеебека.
Термоэлектрические элементы 11 выбираются так, чтобы быть структурно, химически и физически устойчивыми при нормальных условиях эксплуатации. Предполагая, что в центре пламени температура составляет 900°С, температура на горячей стороне термоэлектрического элемента 11 может быть реально оценена как приблизительно 280-300°С. емпература на холодной стороне термоэлектрического элемента может реально оцениваться приблизительно 80-100°С.
Для этих разностей температур модули преобразования 12 могут использоваться на основе сплавов полупроводников в классе Bi2Te3. В качестве альтернативы можно использовать модули преобразования 12 на основе сплавов в классе свинца-теллура (PbTe, которые позволяют достичь более высоких температур на горячей стороне, до примерно 450°С), или в классе силицида магния или марганца (Mg2Si или MnSi, которые позволяют достичь температуры до примерно 500°С на горячей стороне) или силицида германия (SiGe, что позволяет достичь температуры до примерно 750°С на горячей стороне).
Однако, несмотря на сложность подводящих и отводящих тепло радиаторов у прототипа они часто сгорают. Кроме того горячий радиатор выступает в тракте горячего газа в виде плохо обтекаемого тела, а это приводит увеличению аэродинамических потерь и снижению КПД устройства.
Кроме того наличие термического сопротивления в контактах термического элемента 11 с радиаторами снижает их КПД.
Если различные теплопроводящие слои находятся в контакте, на поверхности раздела твердых тел часто возникает термическое сопротивление. Это термическое сопротивление, которое часто называют контактным термическим сопротивлением, возникает, когда поверхности двух материалов недостаточно плотно прижаты друг к другу и между ними остается тонкий слой жидкости или газа.
Контактное термическое сопротивление зависит, прежде всего, от шероховатости поверхностей; давления, прижимающего две поверхности друг к другу; свойств среды в районе контактной поверхности и температуры в зоне контакта. Механизм теплопередачи в зоне контакта довольно сложен. В местах непосредственного контакта твердых поверхностей осуществляется процесс теплопроводности, а перенос тепла через зазоры, заполненные жидкостью или газом, производится конвекцией или излучением контактное термическое сопротивление.
Устройство (фиг. 1) может содержать складывающуюся опору 12, соединенную с корпусом 1 при помощи гайки-барашка 13. Складывающаяся опора 12 имеет П-образную форму и предназначена для устойчивой установки устройства на источнике тепла 14 любых габаритов и конфигурации (газовой горелке, горелке на сжиженном газе, или спиртовке и т.д.) фиг. 1 и 4.
Внутри корпуса 1 (фиг. 2) вдоль ого продольной оси установлены теплообменные трубы 15 (фиг. 2 и 4) и внутренняя перегородка 16 (фиг. 4) для изменения направления потока теплоносителя и обеспечения поперечного обтекания теплообменных труб 15, а следовательно, повышения коэффициента теплоотдачи.
Термоэлектрические элементы 11 (фиг. 3 и 7) закреплены под кожухом 2, в свою очередь, закрепленном на корпусе 1 и зажаты между теплоподводящим и теплоотводящим радиаторами, соответственно 17 и 18 заклепками 19 (фиг. 5 и 7). Теплоподводящий радиатор 17 выполнен Т-образной формы для интенсификации подвода тепла к термоэлектрическому элементу 11. Теплоотводящий радиатор 18 выполнен в форме пластины, оребренной с одной стороны. Теплоотводящий радиатор 18 выполнен из металла с высокой теплопроводностью, предпочтительно из алюминиевого сплава.
Такая конструкция радиаторов 17 и 18 позволяет повысить мощность, снимаемую с термоэлектрических элементов 11.
На фиг. 5 приведена схема движения воздуха, при этом приняты обозначения:
20 - вход нагреваемого воздуха,
21 - камера распределения воздушного потока,
22 - выход нагретого воздуха,
23 - выход воздуха, охлаждающего радиатор.
Теплоотводящий радиатор 18 охлаждается потом воздуха, движущегося в полости 24 между корпусом 1 и кожухом 2.
На фиг. 6 приведена электрическая схема устройства. Термоэлектрический элемент 11 электрическими проводами 9 соединен с электродвигателем 8 для привода электровентилятора 7.
На фиг. 7 показана конструкция термоэлектрогенератора.
На фиг. 8…10 приведен теплоподводящий радиатор 17, который выполнен Т-образной формы, он содержит пластину 25 к которой перпендикулярно присоединено ребро 26. Рабочая поверхность 27 имеет высокую чистоту обработки Ra=2,5…6, 5 мкм.
На фиг. 11 и 12 приведен теплоотводящий радиатор 18, он содержит опору 28, с одной стороны которой выполнено оребрение 29 и опорную поверхность 30, имеющую высокую чистоту обработки Ra=2,5…6, 5 мкм.
0
1
На фиг. 13 схема установки термоэлектрического элемента 11 на теплоподводящий радиатор 17, термоэлектрический элемент 11 имеет в плане площадь S, а пластина 25 площадь S.
0
2
0
1
На фиг. 14 схема установки термоэлектрического элемента 11 на теплоотводящий радиатор 18, термоэлектрический элемент 11 имеет в плане площадь S, а опора 28 площадь S. Термоэлектрический элемент 11 имеет в плане площадь S, а пластина 25 площадь S.
1
0
Оптимальное соотношение (фиг. 15) площадей рабочей поверхности теплоотводящего радиатора S и площади термоэлектрического элемента в плане S
1
0
S/S=2-8.
При соотношении менее 2 эффективность передачи тепла Q1 по сравнению с вариантом, когда S1=S0 и передается Q0 тепла в ед. времени незначительна, а при соотношении более 8 эффективность продолжает увеличиваться, но очень незначительно.
Зато вес теплоподводящего радиатора 17 увеличивается многократно.
То же самое касается выбора площади контакта S2 для теплоотводящего радиатора 18.
Для обеспечения максимальной теплопроводности в месте контакта между термоэлектрическим элементом 11 и радиаторами 17 и 18, может быть использована термопаста.
Высокая степень чистоты поверхностей 27 и 30 и их поджатие к термоэлектрическим элементам 11 обеспечивает относительно низкое контактное термическое сопротивление в стыках, что повышает мощность, снимаемую термоэлектрическими элементами 11.
Устройство может быть снабжено дополнительными термоэлектрогенераторами (сверху, снизу корпуса), для получения дополнительной электрической энергии, с целью использования на различные цели.
Вместо воздушного охлаждения радиаторов термоэлектрогенератора может быть применено водяное.
Устройство может быть снабжено различными преобразователями напряжения, для реализации следующих целей:
1. Расширение модельного ряда используемых вентиляторов.
2. Подключение к выходу преобразователя различной нагрузки (освещение, зарядка мобильных гаджетов).
Наличие только одного ребра на теплоподводящем радиаторе 17 и установка его вдоль оси устройства значительно уменьшает аэродинамические потери в газовом тракте. Высокая степень чистоты поверхностей 27 и 30 и их поджатие к термоэлектрическим элементам 11 обеспечивает относительно низкое контактное термическое сопротивление в стыках, что повышает мощность, снимаемую термоэлектрическими элементами 11.
РАБОТА УСТРОЙСТВА
При работе устанавливают устройство на источник тепла 14 (фиг. 1 и 4). Используя складывающуюся опору 12, имеющую П-образную форму и гайку - барашек 13 и включают его. Теплоноситель проходит через патрубок подвода продуктов сгорания 3 и поступает внутрь корпуса 1, обтекает теплообменные трубы 15 и выходит через патрубок отвода продуктов сгорания 4 в окружающую среду.
Воздух, проходя через теплообменные трубы 15, подогревается внутри и выбрасывается в помещение (фиг. 1).
Термоэлектрические элементы 11 нагреваются с одной стороны посредством теплоподводящих радиаторов 17 и охлаждаются теплоотводящими радиаторами 18.
Теплоотводящий радиатор 18, в свою очередь, охлаждается потоком воздуха, движущегося в полости 24 между корпусом 1 и кожухом 2, тем самым способствуя повышению эффективности работы тепловых элементов 11.
В результате термоэлектрические элементы 11 вырабатывают (электродвижущую силу) ЭДС и ток по электрическим проводам 9 поступает на электродвигатель 8, который приводит во вращение электровентилятор 7.
При этом отпадает необходимость в массивном и малоэнергоемком аккумуляторе.
Применение изобретения позволило:
Уменьшить аэродинамические потери гтеплподводящего радиатора в газовом тракте.
Исключить обгорание термоэлектрических элементов.
Обеспечить автономность работы устройства за счет применения в качестве источника электроэнергии термоэлектрогенератора.
Повысить КПД устройства за счет использования на термоэлектрогенераторах подогревающего и охлаждающего радиаторов и схемы охлаждения охлаждающего радиатора воздухом.
Уменьшить вес устройства в комплекте с источником электроэнергии.
Обеспечить удобство эксплуатации за счет применения складывающейся опоры П-образной формы.