КОНВЕКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР
FLUID CONVECTIVE HEATER

Изобретение относится к электронагревателям конвекционного типа для жидкости, в частности к бытовым электронагревательным приборам, нагревателям воды, таким как чайники, водонагреватели накопительного или проточного типа, нагреватели жидкости до заданной температуры в промышленных целях, отопительные системы циркуляционного типа для жилых помещений, не имеющим централизованного теплоснабжения, например частных жилых домов, теплиц и т.д.
2
Известно устройство для нагревания воздуха в помещении путем естественной конвекции, патент на изобретение RU №2149519 С1, Н05В 03/20, F24H 3/04, в котором с целью достижения максимального повышения производительности теплого воздуха в единицу времени, повышения эффективности естественных конвекционных потоков плоские тепловые элементы ориентированы под углом друг к другу так, что расстояния между нижними краями элементов меньше, чем между верхними, образуя сотовую систему вертикальных каналов с переменным поперечным сечением каждого канала в направлении движения конвекционного потока воздуха. Эффективность данного прибора более чем на 30% выше известных аналогов. В качестве нагревательных элементов в приборе использованы нагреватели на основе композитных материалов с удельной мощностью менее 1 Вт/см, а температура нагревательного элемента не превышает 100°С. Однако данный прибор не может быть использован для нагревания жидкости.
2
В конвекционных приборах, в которых в качестве теплоносителя используется жидкость, теплоемкость которой, примерно, в 200 раз выше теплоемкости воздуха, для ускорения нагревания жидкости применяются нагреватели с удельной мощностью до 50 Вт/см, которая остается постоянной до завершения процесса ее нагревания. Наиболее эффективными нагревателями жидкости являются нагреватели в виде трубки, внутри которой находится жидкость, на наружной ее поверхности - тепловыделяющее устройство.
Известно устройство для нагрева текущей жидкости в системах обогрева жилых помещений и промышленных зданий с использованием прямого электролиза жидкости, через которую пропускается ток (полезная модель №36493, F24H 1/20, публикация от 10.03.2004 г.). Недостатком известного устройств являются значительные габариты, сложность конструкции и, наконец, в приборе необходимо использовать специальную электропроводящую жидкость.
Известен также проточный нагреватель текущей жидкости по патенту на изобретение RU №2269211 С2 в виде трубы с ленточным нагревателем, нанесенным на его поверхность через изолирующий слой, отделяющий электронагревательный элемент от нагреваемой среды.
Известный нагреватель компактен, позволяет нагревать любые текущие жидкости. Недостатком данного устройства являются большие толщины изолирующих покрытий, которые обладают большой инерционностью, что снижает коэффициент полезного действия прибора. Кроме того, известный нагреватель не имеет систем контроля температуры рабочей поверхности нагревателя, которая в процессе нагревания жидкости перегревается, образуя парогазовую прослойку, обладающую плохой теплопроводностью, что приводит к перерасходу электроэнергии, образованию накипи и изменению химического состава жидкости.
Известно также техническое решение с использованием трубчатого нагревателя, с изолирующим слоем на наружной поверхности, на котором размещен нагревательный элемент. Указанные слои наносятся методом напыления (заявка на выдачу патента РФ №2002101177, Н05В 3/40 от 20.10.2003 г.). Устройство позволяет осуществлять нагрев любых текущих жидкостей. Недостатком данного технического решения является необходимость применения демпфирующего слоя, что усложняет устройство, а температура поверхности нагревателя также не контролируется.
2
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является патент на полезную модель РФ №68658, F24D 13/04 с использованием трубчатого корпуса с изолирующим стеклокерамическим покрытием на наружной поверхности, нагревательный элемент выполнен в виде металлокерамического резистора, выполненного методом трафаретной печати с последующим вжиганием и нанесением на него возженным стеклосодержащим защитным слоем. Стеклосодержащий защитный слой, нанесенный на металокерамический резистор, уменьшает токи утечки, что повышает электробезопасность и надежность прибора. Указанная конструкция прибора обеспечивает высокую (до 3000 В) электрическую прочность прибора и позволяет в широких пределах варьировать его мощностью (до 50 Вт/см).
Однако данное устройство не лишено недостатков, т.к. не исключает перегрев рабочей поверхности нагревателя, поэтому нагревание жидкости сопровождается значительным шумом, образованием накипи на поверхности нагревателя, что приводит к уменьшению КПД прибора, перерасходу электроэнергии и изменению химического состава нагреваемой жидкости.
Известно, что при использовании эффекта естественной конвекции, которая обеспечивает перенос тепла при движение жидкости в поле силы тяжести и определяется разностью плотности жидкости в неравномерном поле температур, когда более нагретая жидкость перемещается относительно менее нагретой в направлении, противоположном действию силе тяжести.
При этом вблизи горячей поверхности образуется зона разогретой жидкости, температура которой уменьшается с увеличением расстояния от поверхности нагревателя. Ширина этой зоны зависит от температуры стенки нагревателя и увеличивается, практически, по линейному закону в диапазоне температур до начала зарождения центров кипения. Скорость конвекционных потоков в условиях естественной конвекции зависит от теплопроводности жидкости и в случае нагревателя в виде трубки от ее внутреннего диаметра. Если пограничные слои от диаметрально-противоположных частей поверхности нагревателя перекроются, то скорость конвекционного потока уменьшится, что приведет к перегреву поверхности нагревателя из-за ухудшения отвода тепла и жидкость на его поверхности закипит, образуя парогазовый слой. Это приведет к появлению шума в нагревателе, появлению накипи и изменению химического состава жидкости, что в некоторых случаях является нежелательным. Все вместе приведет к перерасходу электроэнергии и постепенному относительному увеличению времени нагревания жидкости и уменьшению коэффициента полезного действия прибора. Указанное обстоятельство характерно для нагревателей с высокой удельной мощностью. Такие нагреватели будут неэффективными водонагревателями без принудительной конвекции (применения насоса).
Предлагаемое устройство отличается от всех известных тем, что для нагревания жидкости оно использует только столько энергии, сколько необходимо для ее нагревания без образования парогазового слоя, обеспечивая постепенное нагревание жидкости, максимально используя свойства теплопередачи и конвекции. Для этого в устройстве обеспечены условия для максимального использования явления естественной конвекции, при которой жидкость, участвуя в переносе тепла, не имеет других ограничителей, кроме внутреннего трения и трения с поверхностью нагревателя.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в снижении энергопотребления электронагревательного элемента, увеличении срока его службы, повышении коэффициента полезного действия прибора, устранении шума при нагревании жидкости, сохранении ее химического состава при нагревании и устранении условий для образования накипи.
Поставленная задача решается в конвекционном нагревательном приборе для жидкости, который содержит кожух, внутри которого размещен трубчатый корпус с изолирующим стеклокерамическим слоем на наружной поверхности, на котором размещен нагревательный элемент в виде металлокерамического резистора, на поверхность которого нанесен стеклоизолирующий защитный слой, причем трубчатый корпус нагревательного элемента выполнен с увеличивающимся сечением в направлении конвекционного потока жидкости, пропорциональным объемному расширению жидкости, а в электрическую схему нагревательного элемента включен автоматический регулятор мощности, который управляется датчиком температуры, размещенным на наружной поверхности нагревательного элемента.
Таким образом, отличительными признаками изобретения являются:
1. Наличие трубчатого корпуса нагревательного элемента, который выполнен с увеличивающемся сечением в направлении конвекционного потока жидкости, пропорционально объемному расширению нагреваемой жидкости.
2. В электрическую схему нагревательного элемента прибора включен автоматический регулятор мощности, который поддерживает постоянную температуру на поверхности нагревательного элемента.
3. На поверхности нагревательного элемента прибора закреплен датчик температуры, электрически связанный с автоматическим регулятором мощности.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достигнуть технического результата, заключающегося в экономии электрической энергии, повышении коэффициента полезного действия прибора, увеличении срока его службы, устранении шума при нагревании жидкости, сохранении ее химического состава и исключении образования накипи при нагревании жидкости.
Изобретение поясняется чертежами:
На фиг.1 приведена схема конвекционного прибора для жидкости, где
1 - кожух нагревательного прибора;
2 - наружная поверхность нагревательного элемента, содержащая изолирующий стеклокерамический слой и металлокерамический резистор с защитным стеклосодержащим слоем;
3 - автоматический регулятор мощности;
4 - датчик температуры;
5 - трубчатый корпус нагревательного элемента, сечение которого увеличивается в направлении конвекционного потока жидкости;
6 - объем с нагреваемой жидкостью;
7 - направление конвекционного потока жидкости;
8 - разъем источника питания нагревателя (вилка).
На фиг.2 приведены результаты математического моделирования работы конвекционного прибора.
В таблице 1 приведены обобщенные результаты эксперимента.
Анализ результатов математического моделирования показывает, что при поддержании температуры нагревательного элемента на уровне 100°С один литр воды с начальной температурой 10°С нагреется до той же температуры, примерно, за 500 секунд.
Пример реализации предложения.
2
С использованием нагревательного элемента в виде трубки было изготовлено устройство с сосудом объемом один литр. Нагревательный элемент расположен вертикально, параллельно сосуду и имеет увеличивающееся сечение в вертикальном направлении. Длина нагревателя 250 мм, диаметр трубки на входе жидкости 12 мм - на выходе 12,5 мм. На поверхность нагревателя по описанной технологии нанесен металлокерамический резистор, способный выделить мощность 850 Вт (удельная мощность около 10 Вт/см). Расчетная скорость конвекционного потока воды при температуре поверхности нагревателя, не превышающей температуру кипения нагреваемой жидкости и температуре жидкости в начале испытаний 10°С, составляет около 8 см/с. За один цикл жидкость разогревается до 30°С.
При экспериментальной проверке результатов моделирования было выявлено следующее:
1 - для нагревания воды до температуры 100°С потребовалось около 8 минут.
2 - мощность нагревательного элемента составила 850 Вт.
3 - для нагревания одного литра воды потребовалось 113 Вт·час электрической энергии.
При нагревании одного литра воды в бытовом чайнике, мощность которого составляла 2000 Вт, потребовалось 5 минут и было затрачено 166 Вт·час электрической энергии.
2
Из таблицы 1 видно, что для нагревания одного литра воды до температуры 100°С с применением нагревателя в виде трубки с регулятором мощности требуется энергии на 53 Вт·час меньше, чем при использовании традиционного плоского нагревателя, который применяется в электрическом чайнике. При этом удельная мощность в предлагаемом нагревательном приборе не превышала 10 Вт/см.
Время нагревания жидкости до заданной температуры может быть уменьшено, если параллельно нагревательному элементу поставить еще дополнительный элемент или несколько таковых.
Объяснить эти результаты можно следующим образом.
Конвекционная скорость жидкости будет уменьшаться по мере нагревания всего объема жидкости во всем сосуде, т.е. по мере повышения средней температуры жидкости на входе нагревателя. Если мощность, выделяемая на нагревательном элементе, будет постоянной, то температура нагревательного элемента будет повышаться и он будет перегреваться. Вблизи поверхности будет образовываться парогазовая прослойка, которая будет затруднять процесс нагревания жидкости и приводить к перерасходу энергии, жидкость на поверхности элемента будет кипеть, создавая шум, а на поверхности нагревателя будет образовываться накипь, в результате чего будет меняться химический состав нагреваемой жидкости.
Предлагаемое устройство обеспечивает температуру нагревательного элемента не выше температуры кипения нагреваемой жидкости и исключает образование парогазовой прослойки вблизи поверхности нагревателя, а значит обеспечивает оптимальные условия для конвекционного теплоотвода, при этом мощность, выделяемая на нагревательном элементе, будет уменьшаться по мере нагревания жидкости. Это и будет основным условием обеспечения заявленного технического результата.