УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ
LIQUID HEATING DEVICE

Данное изобретение касается трубопровода для циркуляции жидкости. В частности, оно применимо к нагревательным устройствам электробытовых приборов. К таким устройствам относятся машины по приготовлению напитков путем заваривания основного вещества, например молотого кофе или измельченных чайных листьев, или путем растворения гранулированного вещества. Распространенным способом применения являются эспрессо кофе-машины.
В последнем случае жидкость, а именно вода, должна нагреваться на уровнях, которые обеспечивают оптимальную вытяжку ароматических веществ из молотого кофе. Для этой цели предусмотрены устройства - бойлеры, снабженные обычно системой подачи нагреваемой воды и нагревательными элементами, например, в виде электрических сопротивлений. Температуры воды может подниматься, например, от 20°С на входе до 70-100°С на выходе.
Одним из недостатков традиционных бойлеров является время, необходимое для разогрева воды, которая передается по системе. В самом деле из-за инерции классические бойлеры потребляют большое количество электрической энергии, что особенно ощутимо на электробытовых приборах, подверженных частому включению и выключению. В частности, это наблюдается при использовании кофе-машин, поскольку пользователи несколько раз в день выключают и включают устройства. Помимо проблем с потреблением электроэнергии традиционные бойлеры, отличающиеся медлительностью при разогреве, инициируют определенный период ожидания, что также может вызывать затруднения для потребителя.
Недавно появились бойлеры улучшенного типа, оснащенные более быстрыми нагревательными элементами, способными обеспечить подъем температуры за период менее 10 секунд. В частности, практически мгновенный ответ нагревательных устройств бойлера обеспечивается технологиями использования печатных резисторов. Однако мы констатировали технические ограничения, в частности ограничения пределов задаваемых температур.
Таким образом, существует необходимость повысить нагревательную способность жидкости, циркулирующей в трубопроводе, с целью получить оптимальное соотношение времени нагрева/температуры на выходе.
Данное изобретение отвечает вышеуказанной цели и предлагает улучшенный трубопровод для циркуляции жидкости, включающий в себя завихрители циркулирующей жидкости по всему внутреннему объему трубопровода.
Действительно, даже на самых современных бойлерах проявляются ограничения по мере увеличения скорости потока жидкости, что в сочетании с быстродействующими нагревательными устройствами приводит к образованию многослойности потока жидкости и значительному повышению температурного градиента между частью жидкости вблизи зоны нагрева и самой удаленной частью жидкости.
Для нейтрализации этой тенденции изобретение обеспечивает завихрение, по крайней мере на некоторых участках трубы, в которой циркулирует жидкость. Так образуется смесь, стремящаяся унифицировать температуру внутри трубы.
В случае использования таких устройств, как бойлер для машин по приготовлению напитков путем заваривания, системы циркуляции жидкости (обычно это вода) имеют небольшое сечение, и вряд ли завихрение в таких масштабах может представлять интерес, так как проблемы ламинарного потока обычно считаются неприменимыми к таким размерам.
Заявитель отмечает, что изобретение предоставляет возможность достичь гораздо более высоких заданных температур.
В ходе нижеприведенного описания появятся другие цели и преимущества, в описании также представлены различные варианты изготовления труб согласно изобретению, перечень которых не носит ограничительного характера.
Перед тем как приступить к подробному описанию, следует напомнить, что изобретение касается трубопровода для циркуляции жидкости, используемого в нагревательных устройствах электробытовых приборов, который характеризуется наличием в нем завихрителей жидкости, циркулирующей во внутреннем объеме трубопровода.
В зависимости от рекомендуемых (но не носящих ограничительного характера) вариантов, трубопровод отличается следующим:
- в завихрителях имеются рельефные поверхности на внутренней стенке трубы,
- на рельефных поверхностях имеются выступающие поверхности, направленные к внутреннему объему трубы,
- на выступающих поверхностях имеются штифты,
- форма штифтов выбирается из цилиндрических, пирамидальных форм и формы усеченного конуса,
- на рельефных поверхностях имеются впадины (впалые поверхности) во внутренней стенке трубы,
- сечение трубы на рельефных поверхностях неоднородно,
- изменение сечения подразумевает варьирование по ширине и/или глубине,
- изменение сечения подразумевает последовательность сечений различных форм,
- в трубе имеется как минимум два участка, один из которых шире и мельче по глубине, чем другой,
- участки имеют прямоугольное сечение,
- оба участка связаны переходным участком: переходным по ширине и глубине,
- переходный участок по ширине - зона перехода по ширине и зона перехода по глубине,
- рельефные поверхности расположены на равном расстоянии друг от друга по всей трубе,
- рельефные поверхности содержат наклонные грани,
- наклонные грани имеют угол наклона между 20 и 60°,
- на внутренней стенке находится участок теплообмена, способный работать сообща с нагревательными устройствами, рельефные поверхности формируются за пределами участка теплообмена,
- как минимум один участок рельефных поверхностей сконфигурирован так, чтобы отклонять жидкость в сторону теплообмена,
- участок теплообмена представляет собой пластину, оснащенную печатным резистором на ее внешней стороне,
- труба образуется комплексом собранных деталей, к которым относится базовая деталь на впалом участке трубы и покрывающая деталь, образованная пластиной,
- труба целиком имеет форму змеевика с виражами,
- устройство представляет собой нагревательное устройство для машины по приготовлению напитков путем заваривания,
2
- сечение трубы менее 10 мм,
2
- сечение трубы в пределах от 3 до 6 мм.
Изобретение применимо к любому устройству нагрева жидкости для бытовых электроприборов, в котором присутствует хотя бы один трубопровод в соответствии с изобретением.
Прилагаемые чертежи представлены в качестве примера и не носят ограничительного характера в отношении изобретения. Они иллюстрируют исключительно способ реализации изобретения и позволяют без труда его понять.
На фиг. 1 схематично представлен поток жидкости в традиционной системе.
На фиг. 2 схематично представлено, как разработанное изобретение обеспечивает технологический прыжок в отношении температурного уровня в случае применения на бойлере эспрессо кофе-машины.
На фиг. 3 и 4 представлена первая возможность реализации изобретения.
На фиг. 5 и 6 проиллюстрирован другой вариант изобретения, а на фиг. 7 показана небольшая модификация.
На фиг. 8 и 9 представлен еще один способ реализации.
На фиг. 10-12 показан еще один вариант, оснащенный трубой, сечение которой меняется в зависимости от длины.
На фиг. 13 и 14 представлен еще один вариант.
На фиг. 15 показан бойлер в разрезе с двумя трубами, выполненными согласно изобретению.
На фиг. 16 показан (в продольном сечении) еще один вариант образования трубы, а на фиг. 17 показан вид сверху впалого участка трубы.
На фиг. 18 проиллюстрирована перспективная проекция участка бойлера, на котором находится труба.
На фиг. 1 представлен традиционный трубопровод со стенками, ограничивающими внутренний объем, в котором жидкость, а именно вода, циркулирует на этапе нагрева. Нагрев обеспечивается переносом тепловой энергии через одну из стенок трубы. В представленном случае эту функцию выполняет верхняя стенка, а теплообмен схематично представлен слегка изогнутыми стрелками.
На этом чертеже также схематично представлен тип потока жидкости, отмеченный теперь градиентом скорости в зависимости от высоты трубы на участке от крайних слоев (слоев, расположенных на уровне контакта с краями трубы) до центра трубы, где скорость становится максимальной. Заявитель констатировал, что, несмотря на скорость потока и конвекционные эффекты, которые можно ожидать из-за резкого нагрева, происходит стратификация жидкости. В частности, отмечена разница температур порядка 40°С между слоями жидкости вблизи зоны нагрева и самыми удаленными слоями. Следовательно, средняя температура нагретой жидкости подвержена серьезным ограничениям.
На фиг. 2 показаны кривые «температура-время», характеризующие нагревание жидкости, которые наблюдаются в трубопроводах традиционной конфигурации (кривые L1, L2, L3) и при применении изобретения (кривая L4). Мы можем однозначно отметить, что классические трубопроводы достигают технического предела 65°С, тогда как изобретение позволило достигнуть средней температуры 95°С. Эти данные получены путем замеров температуры воды, циркулирующей в бойлере эспрессо кофе-машины при давлении 16 бар, при этом температурный датчик расположен посередине высоты трубы с прямоугольным сечением.
2
К тому же кривые получены на трубах с одинаковым сечением (6 мм) и одинаковой длиной (750 миллиметров). Кривая L1 соответствует трубе с прямоугольным сечением S1, имеющей самую большую высоту и самую маленькую ширину. И наоборот, кривая L3 соответствует трубе с прямоугольным сечением S3, имеющей самую маленькую высоту и самую большую ширину. Кривая L2 относится к промежуточному случаю по соотношению ширины/высоты. Кривая L4 соответствует трубе общего типа L3 (сечение S3), но она оснащена завихрителями потока. Если уменьшать высоту трубы, мы добиваемся улучшения температуры на выходе, как это видно на примере кривых L1, L2 и L3, но все равно мы достигаем предела около 65°C. По скачку температуры между L3 и L4 можно однозначно констатировать, что инициированные изобретением завихрения вызывают прерывание стратификации и приводят к тому, что жидкость лучше накапливает тепловую энергию.
В рамках изобретения под термином «труба/трубопровод» подразумевается один участок системы циркуляции жидкости. Труба может составлять единое целое с системой или же являться одним или несколькими участками системы. Например, она может располагаться на участке максимального нагрева жидкости и отсутствовать в зонах на входе и выходе жидкости из системы. В разных местах системы могут располагаться различные трубы, выполненные согласно изобретению. В рамки изобретения входят и вышеуказанные варианты, и прочие модификации.
К тому же ни внутренняя, ни внешняя формы, ни конструкция трубы не носят ограничительного характера в рамках изобретения. Среди возможных вариантов можно указать следующие варианты:
- труба с прямоугольным или круглым внутренним сечением;
- труба, образованная комплексом соединенных деталей, например, с:
- базовой деталью на впалом отрезке трубы и покрывающей деталью, например, пластиной, через которую может происходить теплообмен, в частности, посредством печатного резистора, расположенного на противоположной относительно трубы стороне пластины;
- более чем двумя деталями, каждая из которых является стенкой трубы. Например, четыре детали могут образовать четыре грани прямоугольной трубы;
- труба обычной формы, обеспечивающая прямолинейное течение жидкости, или змеевидной формы с виражами, а также винтообразной или спиралевидной формы.
Эти примеры не носят ограничительного характера в рамках изобретения.
Получение таких удовлетворительных результатов нагревания обеспечивается завихрениями потока согласно изобретению. Цель заключается в том, чтобы прервать стратификацию, отмеченную заявителем на существующих устройствах.
В рамках настоящего описания выражение «рельефная поверхность» подразумевает в самом широком смысле любую вариацию формы на внутренних стенках трубы 1, способную вызвать нарушение геометрической сплошности.
Распространенный способ выполнения трубы состоит в использовании в качестве завихрителей рельефных поверхностей на внутренней стенке трубы.
Первый вариант представлен на фиг. 3 и 4, на которых видно, что в трубе имеется участок теплообмена 4, который может представлять собой, например, пластину, оснащенную печатным резистором на внешней стороне, поток 3, циркулирующий во внутреннем объеме 2 трубы 1. В рамках этой варианта завихрителями являются рельефные поверхности, в частности поверхности, выступающие в сторону внутренней части объема 2. Речь идет об элементах треугольного сечения (форма не носит ограничительного характера), способных образовывать наклонные грани 9, сконфигурированные для отклонения потока 3. Полученное отклонение иллюстрируется стрелками на фиг. 3. Завихрение схематично показано формой стрелок. Удачным вариантом является формирование граней 9 так, чтобы поток 3 отклонился в направлении участка теплообмена 4. Такая конфигурация может усилить прерывание стратификации потока 3, в частности, на уровне предельного слоя. Наклонные грани могут обеспечивать угол наклона в пределах между 20 и 60°, хотя такая конфигурация носит исключительно индикативный характер.
Еще один вариант выступающей поверхности 5 проиллюстрирован на фиг. 5 и 6 в форме штифтов, вытянутых по направлению к внутреннему объему 2 трубы от стенки объема, противоположного участку теплообмена 4. В этом случае штифты также обеспечивают завихрение, способное разбить стратификацию потока. В представленном случае штифты имеют цилиндрическую форму, но возможны варианты, например, в виде полуконической бобышки, представленной на фиг. 7. Можно предусмотреть такую конструкцию, чтобы штифты были расположены как минимум на половине высоты трубы.
На фиг. 8 и 9 показана модификация с выступающими поверхностями 5 пирамидальной формы.
В прочих случаях впалые поверхности 6 образуются, по меньшей мере, на одном участке стенок трубы 1, пример чего показан на фиг. 10. На этом чертеже показано чередование впалых участков 6 и выступающих участков 5 так, чтобы происходили резкие расширения участка трубы 1. На фиг. 11 показан участок длины, на котором наблюдается максимальное сечение, на фиг. 12 показан участок длины с узким сечением. Следует отметить, что изменение сечения обеспечено разрывом геометрической сплошности так, что расширение или сужение носит внезапный характер, способствуя завихрению. Можно, в частности, предусмотреть прямые углы на участках изменения сечения.
На фиг. 13 и 14 показан предыдущий вариант с чередующимися расширениями конической формы и наклонными переходными гранями между широкими сечениями и суженными сечениями. Такая конфигурация способствует спиралеобразному движению потока внутри трубы.
Следует отметить, что изменение сечения представлено здесь на трубах с прямоугольным сечением, но это не носит ограничительного характера. К тому же сечение может изменяться по ширине, по высоте (что далее по тексту называется глубиной) или же по обоим параметрам. Изменение сечения включает в себя последовательность сечений различных форм.
В зависимости от варианта можно попытаться сохранить определенную сплошность размеров сечения трубы. Это оказывается полезным во избежание зон сужения или слишком сильных вариаций давления по всей длине трубы. Следует отметить, что размер сечения на участках, оснащенных завихрителями, сохраняется. Факт сохранения означает, что изменения формы не вызывают изменения размера сечения или что сечение меняется в пределах от -20% до +20% относительно срединного значения.
2
2
2
2
В нагревательных элементах типа бойлер для электробытовых приборов, в частности в бойлерах машин для приготовления напитков путем заваривания, оптимальным считается сечение трубы в пределах от 3 мм до 10 мм. Мы рекомендуем сечение порядка 4-6 мм, а именно 4,5 мм. Эти последние значения являются выборкой размера, при которых наблюдается оптимальный подъем температуры нагреваемой жидкости, как правило, воды.
Вышеуказанные размеры согласованы с расходом воды, которая проходит через бойлер эспрессо кофе-машины. Объем воды, проходящей по каналу, соответствует объему заваренной жидкости, которая находится в чашке, а именно в пределах от 10 мл до 150 мл. Время приготовления такого объема жидкости не более минуты. Расход устанавливается между 100 и 200 мл в минуту, а именно на уровне 150 мл/минуту.
На фиг. 15-18 представлена конфигурация трубы в контексте нагревательного устройства.
В частности, на фиг. 15 представлено устройство типа бойлер с корпусом, оснащенным двумя фланцами 11 на соединительных элементах 12, которые ограничивают промежуточный объем. В этот объем вставлена центральная сплюснутая деталь 23, а фланцы 11 окружают эту деталь по сторонам.
В центральной детали 23 в представленном случае, не носящем ограничительного характера, на каждой стороне находится упрочнение для встраивания пластины 13. Внешняя грань 15 каждой пластины 13 ориентирована на фронтальную грань центральной детали 23. Внутренняя грань 14 каждой пластины ориентирована в обратную сторону. Именно на этом уровне выполнен ранее описанный участок теплообмена 4.
Самый удачный способ - оснастить пластину 13 печатным резистором на внешней грани 15. Теплопроводность осуществляется через пластину 13, обеспечивая нагрев внутреннего объема трубы 1.
Объем трубы 1 принимает вид впадины в соответствующем фланце. Показанные на фиг. 15 комплектующие установлены симметрично относительно медиальной плоскости центральной детали 23, при этом такое положение не носит ограничительного характера.
На фиг. 16 и 17 более детально показана впалая форма трубы 1. Тогда как внутренняя грань 14 пластины 13 представляет собой, в основном, гладкую поверхность, на остальных стенках трубы 1 присутствуют геометрические вариации, способные образовывать завихрения.
В продолжение нашего описания мы подразумеваем под глубиной размер трубы 1, направленный перпендикулярно внутренней грани 14. Длина или продольное направление являются размером, ориентированным по направлению течения потока нагреваемой жидкости. Ширина соответствует оставшемуся размеру. Очевидно, что ширина и глубина определяют сечение трубы 1 на данном участке ее длины.
Вышеуказанные изменения сечения и другие способы реализации могут, в общем, обеспечиваться изменением ширины и/или глубины трубы 1.
Способ выполнения трубы, показанный на фиг. 15-18, представляет пример, на котором совмещены вариации по ширине и глубине. Помимо того, что мы можем играть на этих двух размерах для оптимизации изменения режима потока жидкости, можно воспользоваться такой двойной вариацией, чтобы ограниченно менять или вовсе не менять размер сечения по всей длине трубы 1.
На фиг. 16 и 17 широкие участки 17 и глубокие участки 18 чередуются по длине трубы 1. К тому же широкие участки 17 имеют меньшую глубину, чем глубокие участки 18, и, наоборот, в отношении ширины. Таким образом, можно выполнить близкие или идентичные размеры сечения, несмотря на вариации формы.
В зависимости от варианта переход между участками 17 и 18 носит резкий характер.
Однако в случае, проиллюстрированном фиг. 15-18, переход носит более мягкий характер благодаря наличию переходных участков 19, 20. Более точно: начиная от широкого участка 17, жидкость встречает сначала переходный по ширине участок 19, обычно в виде наклонной плоскости, входящей в трубу. Далее располагается переходный по глубине участок 20, который также обычно представлен в виде наклонной плоскости, выводящей на глубокий участок 18. Мы заявляем, что такая последовательность вариаций хорошо сопротивляется жидкости, создавая завихрения, не приводя при этом к уменьшению напора или к тепловым потерям.
Уникальный переходный участок, сочетающий вариацию по ширине и по глубине, также входит в рамки изобретения.
Ниже представлен пример оптимального размера трубы 1 согласно фиг. 16 и 17.
<mrow><munder accentunder="true"><mo>+</mo><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
P1: 1,5 мм
20%
<mrow><munder accentunder="true"><mo>+</mo><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
P2: 2,4 мм
20%
<mrow><munder accentunder="true"><mo>+</mo><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
l1: 1,8 мм
20%
<mrow><munder accentunder="true"><mo>+</mo><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
l2: 3 мм
20%
<mrow><munder accentunder="true"><mo>+</mo><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
L1: 3 мм
20%
<mrow><munder accentunder="true"><mo>+</mo><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
L2: 5 мм
20%
t
<mrow><munder accentunder="true"><mo>+</mo><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow>
L: 0,9 мм
20%
Труба 1 такого вида может быть встроена (см. фиг. 15) в змеевидную систему, впалый участок которой выполнен во фланце 11 и показан на фигуре 18. Фланец 11 состоит из соединительного контура, ограничивающего внутренний участок, из которого образована труба 1. Герметичность обеспечивается соединительной прокладкой 16 (см. фиг. 15).
Для ограничения тепловых потерь участки трубы 1, оснащенные завихрителями, могут быть привязаны к определенным сечениям по длине трубы. Можно также разместить завихрители на равном расстоянии друг от друга внутри трубы.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
1. Труба
2. Внутренний объем
3. Поток
4. Участок теплообмена
5. Выступающая поверхность
6. Впалая поверхность
7. Широкое сечение
8. Узкое сечение
9. Наклонная грань
10. Корпус
11. Фланец
12. Сборочные элементы
13. Пластина
14. Внутренняя грань
15. Внешняя грань
16. Прокладка
17. Широкий участок
18. Глубокий участок
19. Переходный участок по ширине
20. Переходный участок по глубине
21. Вираж
22. Край
23. Центральный участок