СПОСОБ НАГРЕВА СНИЗУ СНАРУЖИ ТОНКОСТЕННОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ, УСТАНОВЛЕННОЙ ВЕРТИКАЛЬНО
METHOD FOR EXTERNAL HEATING OF VERTICAL CYLINDRICAL THIN-WALL VESSEL FROM BELOW

Предлагаемое изобретение относится к области теплотехники, непосредственно к технологии нагрева жидких, полужидких или твердых субстанций, размещенных внутри цилиндрических неподвижных емкостей с плоским днищем, посредством их нагрева снизу, со стороны днища, снаружи.
Изобретение может быть использовано, например, для разогрева пищи или приготовления горячей пищи в емкостях типа сковорода, чаша, чайник или кастрюля, а также для разогрева термопластичных смол до жидкого состояния, например, битума.
Уровень техники
Известны способы нагрева цилиндрических вращающихся емкостей изнутри путем непрерывной подачи в их внутреннюю полость перегретого пара с одновременным сливом конденсата [1, 2, 3, 4]. Главным их недостатком является высокая энергоемкость из-за малого коэффициента теплопередачи между паром и внутренней поверхностью при конвективном теплообмене.
Известны способы нагрева цилиндрических вращающихся емкостей изнутри путем подачи в их внутреннюю полость продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива, в том числе, сжигая газовые смеси внутри емкостей [5, 6, 7, 8, 9, 10]. Основные недостатки: высокая энергоемкость из-за малого коэффициента теплопередачи между газом и внутренней поверхностью СЦ (СБ) при конвективном теплообмене; большая трудоемкость в реализации из-за необходимости установки и обслуживания дымоотводов.
Известен способ нагрева аналогичных емкостей встроенным внутрь и вращающимся трансформатором [11]. Недостатками данного способа являются низкая энергоемкость из-за больших трансформаторных потерь электроэнергии и сложность реализации.
Известны способы нагрева вращающихся цилиндрических емкостей изнутри токами высокой частоты [12, 13, 14, 15]. Основными недостатками являются чрезмерная энергоемкость, сложность реализации и ограниченные функциональные возможности.
Известны способы контактного электрического нагрева цилиндрической стенки вращающейся цилиндрической емкости [16, 17]. Основные недостатки: сложность реализации (изготовления, монтажа и замены электрического нагревателя) и высокая энергоемкость.
Известны способы нагрева цилиндрической стенки вращающейся емкости изнутри посредством направленного электромагнитного излучения (ЭМИ) инфракрасного спектра (далее по тексту - ИКИ (инфракрасное излучение) линейными излучателями ограниченной длины [18, 19, 20, 21]. Основными недостатками является сложность реализации из-за необходимости изготовления, монтажа и настройки отдельных отражателей на каждый отдельный излучатель, для создания ИКИ, направленного на внутреннюю цилиндрическую поверхность.
Известен способ нагрева цилиндрической стенки вращающейся емкости изнутри точечными, по сравнению с размерами самой емкости, источниками направленного ИКИ (НИКИ) [22]. Этими излучателями являются электрические, зеркальные, инфракрасные лампы накаливания, которые выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью. Внутренняя поверхность колбы такой лампы снабжена зеркальным отражателем, направляющим всю энергию ИКИ спирали вдоль оси лампы, в направлении, противоположном ее цоколю. В данном способе, эти лампы посредством термостойких керамических патронов неподвижно закрепляют на плоских гранях неподвижного короба, а короб устанавливают неподвижно внутри емкости, коаксиально ее внутренней цилиндрической поверхности. Причем так, что НИКИ каждого точечного источника направлено радиально к внутренней поверхности емкости. Данный способ позволяет устранить большинство недостатков конвективного нагрева, трансформаторного нагрева и нагрева посредством НИКИ от линейных излучателей ограниченной длины.
Недостатками данного способа является высокая конструктивная и технологическая сложность реализации, недостаточная надежность и долговечность работы электрической системы (электропроводка, патроны и большое число электрических контактов) внутри емкости, а так же избыточная энергоемкость.
Главным недостатком всех вышеперечисленных способов нагрева является то, что их реализация функционально не позволяет обеспечить нагрев плоского круглого днища неподвижной цилиндрической емкости.
Известен способ нагрева плоского днища емкости прилегающей к нему одной стороной плоской поверхностью нагревателя, выполненного в форме плоского кольцевого ТЭНа [23].
В данном способе плоский кольцевой ТЭН размещают горизонтально и неподвижно в фокальной плоскости неподвижного сферического отражателя. На верхнюю поверхность (плоскость) ТЭНа устанавливают плоскую поверхность днища нагреваемой емкости. При подключении кольцевого ТЭНа к электросети его нагревающий элемент (спираль) раскаляется, нагревая весь его плоский корпус вместе с электроизоляционным материалом внутри посредством теплопроводности. Передача тепловой энергии от верхней плоскости (поверхности) этого нагревателя прилегающей к ней поверхности емкости осуществляется посредством теплопроводности и тепловой конвекции по всей площади их контакта.
Тепловое излучение нагретой нижней поверхности кольцевого ТЭНа отражается сферическим отражателем и фокусируется им на плоскую поверхность емкости по центру круглого отверстия кольцевого ТЭНа. Это излучение, по сути, является высокочастотным электромагнитным излучением нагретой поверхности, поскольку наружные поверхности ТЭНов нагреваются до 600-700°С.
Данное техническое решение функционально может быть использовано для нагрева поверхности круглого плоского днища неподвижной тонкостенной цилиндрической емкости, установленной вертикально.
Основными недостатками данного технического решения являются:
1. Высокая энергоемкость способа нагрева (прототипа) обусловлена большими потерями энергии на нагрев днища емкости.
2. Конструктивно-технологическая сложность реализации способа нагрева (прототипа) обусловлена большим числом неунифицированных деталей, нужных для устройства нагрева снаружи поверхности круглого плоского днища неподвижной цилиндрической емкости.
3. Низкая надежность и долговечность способа нагрева (прототипа) обусловлена, с одной стороны, наличием большого числа неунифицированных элементов в реализующем его устройстве, необходимостью их тщательной подгонки и проверки.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому предлагаемому изобретению (прототипом) является способ нагрева снаружи поверхности круглого плоского днища неподвижной тонкостенной цилиндрической емкости, установленной вертикально по заявке 2010106750/07(009474), по которой получено решение ФИПС о выдаче патента 28 сентября 2010 года [24].
В данном техническом решении излучение, нагревающее днище снаружи, задают спектром теплового излучения, в основном максимальными частотами инфракрасного излучения. Для этого используется электрическая инфракрасная зеркальная лампа накаливания, модели ИКЗ, в которой отражатель внутри колбы направленно фокусирует всю плотность излучения раскаленной спирали вдоль оси лампы [25]. Лампу располагают под днищем коаксиально емкости колбой к нагреваемой поверхности днища. Отраженное от этой поверхности излучение возвращают на нее по всему ее периметру посредством кольцевого конического отражателя, неподвижно установленного вокруг колбы лампы с охватом днища емкости с равномерным зазором относительно днища, при этом всю емкость или ее днище выполняют из нержавеющей стали, содержащей хром и никель. Лампу подключают к электрической сети посредством внешнего, относительно нагревателя, устройства изменения напряжения питания лампы.
Преимуществами прототипа перед аналогами являются меньший расход электрической энергии на нагрев днища по сравнению с аналогами, экологическая чистота и возможность управления нагревом посредством изменения напряжения питания лампы.
Из патентно-информационных исследований известно также, что максимальной мощностью теплового излучения из типового ряда ламп ИКЗ (ИКЗ-175-1, ИКЗ-250 и ИКЗ-500) обладают электролампы ИКЗ-500 с номинальной электрической мощностью 500 Вт [25].
В основные цели предлагаемого изобретения (по сравнению с прототипом) входит получение следующих технических результатов:
1. Снижение энергоемкости нагрева.
2. Уменьшение габаритов устройства, реализующего способ.
3. Повышение надежности и долговечности операций, реализующих способ.
3. Причины, препятствующие получению технических результатов.
Основными причинами, препятствующими эффективному использованию известного способа (прототипа), являются следующие обстоятельства.
Повышенный расход энергии на нагрев в прототипе обусловлен тем, что на нагрев днища используется только энергия теплового излучения в максимально близкой инфракрасной области (в интервале длин волн 0,75-1,8 мкм) от спирали электролампы.
Энергия теплового излучения в диапазоне длин волн видимого света (0,6-0,75 мкм, см. Приложение 1 к данному описанию) полностью отражается от поверхности днища из нержавеющей стали и от полированной поверхности конического отражателя. Это взаимное отражение нагревает воздух между днищем емкости и колбой лампы. Нагретый воздух, благодаря летучести, уходит через кольцевой зазор между емкостью и отражателем, не совершая полезной работы по нагреву днища и емкости.
При этом не используется тепловая энергия нагретого отражателя, тепловая энергия нагретого воздуха в пространстве между днищем и колбой лампы и энергия излучения электролампой видимого света (в интервале длин волн 0,6-0,75 мкм), которая составляет 13% всей излучаемой энергии [25 и Приложение 1].
Поглощение видимого света и нагрев поверхности не зависят от свойств материала поверхности и зависят только от ее цвета. Энергию видимого света максимально поглощает (и нагревает) черный цвет поверхности. С другой стороны, поглощение энергии инфракрасного излучения не зависит от цвета поверхности, а зависит от свойств материала поверхности. Хром, содержащийся в нержавеющей стали днища (в прототипе), поглощает до 60% энергии инфракрасного излучения, тогда как кремний и углерод - до 90% [26].
Из информационных исследований известна кремнийорганическая термостойкая (до 600°С) краска черного цвета [27]. После высыхания слой этой краски содержит 80% кремния в виде кремниевой органики и 20% углерода в виде сажи, равномерно смешанной с кремниевой органикой.
Большие габариты устройства, реализующего способ в прототипе, обусловлены наличием ножек у нагреваемой емкости, обеспечивающих ее перемещение относительно нагревающего устройства и внешним, по отношению к нагревающему устройству, регулятором напряжения питания электролампы. Электрический патрон для крепления лампы, размещенный на диэлектрическом основании нагревающего устройства, существенно увеличивает его высоту, уменьшая вертикальную устойчивость устройства, реализующего способ вместе с емкостью.
3.3. Низкая надежность и долговечность операций, реализующих способ в прототипе, связана с размещением зеркальной инфракрасной лампы в электрическом патроне. Керамический корпус патрона обладает малой теплопроводностью и по мере работы лампы, окруженной корпусом отражателя, ее цоколь нагревается выше 160°С. Согласно ТУ на эксплуатацию электроламп типа ИКЗ [25] их эксплуатация при температурах цоколя выше 150°С приводит к разрушению соединения металлического цоколя со стеклянной колбой. Это соединение осуществляется смесью эпоксидной смолы с мраморной крошкой и эпоксидная составляющая разрушается при высокой температуре, происходит разгерметизация колбы лампы и выгорание спирали.
Признаки прототипа, совпадающие с заявляемым предлагаемым изобретением.
Способ нагрева снизу снаружи тонкостенной цилиндрической емкости, установленной вертикально, в котором емкость выполняют из нержавеющей стали, содержащей хром, а на поверхность днища направляют электромагнитное излучение спирали инфракрасной зеркальной электролампы и отраженное от днища, а также, от конического отражателя, коаксиального днищу емкости, с возможностью управления мощностью излучения лампы посредством регулятора напряжения ее питания,
Задачами предлагаемого изобретения являются следующие технические результаты:
5.1. Снижение энергоемкости нагрева.
5.2. Уменьшение габаритов устройства, реализующего способ.
5.3. Повышение надежности и долговечности операций, реализующих способ.
Эти технические результаты в заявляемом способе нагрева достигаются тем, что днище емкости снаружи покрывают слоем кремнийорганической термостойкой краски черного цвета и дополнительно нагревают его конвекцией от нагретого между колбой лампы и днищем воздуха, а цилиндрическую часть емкости на высоте 10-15 мм от днища дополнительно нагревают теплопроводностью от нагретого отражателя, который выполняют, на высоте 10-15 мм от максимального диаметра, цилиндрическим с беззазорным охватом емкости снизу, причем высоту емкости от днища выполняют большей, чем 15 мм, электронную плату регулятора напряжения размещают внутри корпуса нагревающего устройства под лампой, при этом цоколь лампы устанавливают вертикально в электропроводных и теплопроводных дисках внутри корпуса нагревающего устройства под лампой, электрически подключая диски параллельно к выходу регулятора напряжения, а конический участок отражателя дополняют цилиндрическим, на высоту 10-15 мм от максимального диаметра конического участка, с охватом наружной поверхности нижней части емкости без зазоров, причем конический участок отражателя и цилиндрический над ним покрывают снаружи слоем теплоизоляции, а источником теплового излучения устанавливают инфракрасную зеркальную лампу ИКЗ-500 мощностью 500 Вт.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез схемы устройства, реализующего заявляемый способ. На фиг.2 представлен поперечный разрез А-А, показывающий схему компоновки элементов устройства в неподвижном его основании. На фиг.3 показана схема элементов фиксации цоколя инфракрасной зеркальной электролампы ИКЗ-500 (вид сверху), а на фиг.4 - то же, вид снизу, внутри основания устройства. На фиг.5 показана схема подвода электропитания к регулятору напряжения от промышленной электросети. На фиг.6 представлена схема теплообмена между днищем емкости и тепловым излучением, между днищем емкости и нагретым под днищем воздухом, между цилиндрической емкостью снизу и отражателем в увеличенном виде. На фиг.7 показан общий вид устройства, реализующего заявляемый способ.
На фиг.1-7 буквами обозначены:
С - спираль инфракрасной зеркальной лампы ИКЗ-500 (фиг.1);
ВЛ - элекгрическая однофазная вилка (разъем), фиг.5;
ТИ - тепловое излучение (фиг.6);
ТК - теплопередача конвекцией нагретого воздуха (фиг.6);
ТТ - теплопередача теплопроводностью от нагретого отражателя (фиг.6);
Устройство, показывающее сущность реализации способа, включает в себя следующие функциональные элементы:
1 - диэлектрический корпус устройства, например из текстолита, выполненный из двух тонких цилиндрических, соединенных между собой коаксиально дисков, верхнего 1В и нижнего 1Н (фиг.1, 2, 5, 7). Диски 1В и 1Н корпуса 1 соединены между собой по периферии разъемным соединением, например шурупами или саморезами 1В.1
(фиг.2). Оба диска 1В и 1Н имеют круглые внутренние выточки (на чертежах не обозначены) на большей части внутреннего диаметра, а шурупы (саморезы) 1В.1 соединяют диски 1В и 1Н буртами, обращенными навстречу друг другу так, что цилиндрические выточки образуют внутреннюю цилиндрическую полость (на чертежах не обозначена) внутри корпуса 1 (фиг.1). Верхний диск 1В корпуса 1 снабжен сквозным осевым отверстием 1В.2 (фиг.1), а сбоку, в плоскости соединения дисков 1В и 1Н, в обоих дисках выполнены полукруглые сквозные канавки, соединяющие наружную цилиндрическую поверхность дисков 1В и 1Н с внутренней цилиндрической полостью корпуса 1 (фиг.1). В собранном виде эти канавки (на чертежах не обозначены) образуют сквозное, боковое, круглое отверстие 1.O (фиг.5) в корпусе 1.
Диаметр отверстия 1В.2 существенно больше внутреннего диаметра резьбы Е40, а верхний диск 1В снаружи дополнительно снабжен неглубокой цилиндрической кольцевой канавкой 1В.3 (фиг.1), глубиной, например, 5 мм и шириной 5 мм, с внутренним диаметром, существенно большим, чем сквозное отверстие 1В.2. Канавка 1В.3 коаксиальна дискам 1В, 1Н и отверстию 1В.2.
2 - монтажная плата однофазного регулятора напряжения (например, транзисторного, тиристорного, динисторного или симисторного), выполненная в форме кольцевого диска, неподвижно размещенного по краю внутренней цилиндрической полости корпуса 1 и поджатого диском 1В сверху к диску 1Н (фиг.1).
Через сквозное боковое отверстие 1.O (фиг.1, 5) вход регулятора 2 электропроводкой 10 электрически соединен с электрической вилкой ВЛ, с возможностью подключения последней в розетку (на чертежах - не показана) однофазной электрической сети 220 В.
Во внутренней цилиндрической полости корпуса 1 неподвижно смонтировано средство крепления цоколя (Е40) инфракрасной зеркальной электролампы ИКЗ-500 (далее, по тексту - средство), поз.3, 4, 5, Е40, 3.1, 5.1, фиг.1-4. Отдельно, средство - обозначено.
Средство состоит из большего, по диаметру, сплошного диска 3, выполненного из электропроводного и теплопроводного материала, например из дюралюминия Д16, толщиной 3 мм. Коаксиально диску 3, к нему, жестко и параллельно, посредством диэлектрических перегородок 4 (фиг.1-4) прикреплен плоский кольцевой диск 5 меньшего диаметра, из того же материала, что и диск 3, но большей толщины, например, 10 мм. Перегородки 4 соединены радиально с диском 3, например, саморезами или шурупами 3.1 (фиг.1, 3) и, аналогично, с диском 5, например, шурупами или саморезами 5.1 (фиг.1, 4). Диск 5 снабжен сквозным осевым отверстием с резьбой Е40, диск 3 - осевой цилиндрической канавкой диаметром, например, 15 мм и глубиной 1 мм (на чертежах - не обозначена) для осуществления надежного электрического соединения (контакта) диска 3 с нижним контактом цоколя 11.1 лампы 11 ИКЗ-500 (фиг.1-4).
Диск 3 по периферии прочно прикреплен во внутренней цилиндрической полости корпуса 1 к диску 1Н так, что диски 1Н, 1В, 3 и 5, с отверстием Е40 - коаксиальны (фиг.1-4). Контактными проводами 6 и 7 (фиг.1, 3, 4) диск 3 и диск 5 электрически подключены к выходу регулятора 2 (фиг.1), а ось 8 с ручкой 9 потенциометра (на чертежах - не показан) регулятора 2 выведена наружу корпуса 1 через сквозное отверстие (на чертежах не обозначено) в диске 1В.
В средство (поз.3, 4, 5), через отверстие 1В.2, в резьбовое отверстие Е40 ввернут боковой контакт цоколя 11.1 (до упора нижнего контакта цоколя 11.1 в диск 3) инфракрасной зеркальной лампы 11 ИКЗ-500, мощностью 500 Вт. Лампа 11 ввернута так, что боковой контакт ее цоколя 11.1 взаимодействует с охватывающей его внутренней поверхностью отверстия Е40 диска 5, а нижний контакт цоколя 11.1 плотно упирается в осевую цилиндрическую канавку (на чертежах не обозначена) диска 3 (фиг.1). Сама лампа 11 с зеркальным отражателем 11.2 (и ее ось) перпендикулярна корпусу 1 (фиг.1, 7).
Корпус 1 устанавливают на плоскую горизонтальную поверхность, например на поверхность кухонного стола (на чертежах не показан), при этом цоколь 11.1 лампы 11 с зеркальным отражателем 11.2 расположен вертикально.
В кольцевую канавку 1В.3 диска 1В, соосно лампе 11, свободно установлен цилиндрический корпус 12 конического отражателя 12.1 (фиг.1, 6, 7). Цилиндрический корпус 12 с коническим отражателем 12.2 и цилиндрическим участком 12.2 конического отражателя 12.1 выполнены, например, из дюралюминия толщиной 3 мм. Внутреннюю поверхность конического отражателя 12.1 выполняют полированной. Внутренний диаметр цилиндрического корпуса 12 больше наружного диаметра колбы лампы 11 на величину зазора, например 5 мм по окружности. Конический отражатель 12.1 выполняют в форме расширяющейся, например, под углом 45°, от цилиндрического корпуса 12 вверх, конической воронки на высоту, превышающую высоту колбы лампы на 5 мм. Выше этой высоты конический отражатель 12.1 выполнен в виде тонкостенного цилиндра на высоту 10-15 мм от максимального диаметра конического отражателя 12.1. Высоту цилиндрического корпуса 12 конического отражателя 12.1 устанавливают на 5-10 мм больше, чем высота зеркального отражателя 11.2 инфракрасной зеркальной лампы ИКЗ-500 (фиг.1).
Цилиндрический участок 12.2 и конический участок 12.1 отражателя снаружи покрывают слоем теплоизоляции 13 (фиг.1, 6, 7) толщиной, например, 5 мм, используя, например, пенобетон, строительный пенопласт или стекловату. В цилиндрическом корпусе 12 конического отражателя 12.1 на уровне выше верхней плоскости верхнего диска 1В корпуса 1 равномерно по длине наружной окружности цилиндрического корпуса 12 изготовлены сквозные, например, круглые отверстия 12.3 (фиг.7), например, в количестве 12 штук диаметром 10 мм каждое.
Внутрь цилиндрического участка 12.2 отражателя 12.1 устанавливают вертикально днищем 14.1 вниз цилиндрическую тонкостенную емкость 14, снабженную ручкой или ручками 14.2 (фиг.1, 6, 7), например кастрюлю, сковороду, чашу, кофейник и т.д. Предварительно, днище 14.1 емкости 14 снаружи покрывают слоем 15 кремнийорганической термостойкой краски черного цвета «ЦЕРТА».
Высоту емкости 14 устанавливают большей, чем 15 мм, а в процессе создания емкости ее наружный диаметр задают таким, что нижняя ее часть с днищем 14.1 входит внутрь цилиндрического участка 12.2 конического отражателя 12.1 без зазоров, например, по плотной посадке.
Заявляемый как изобретение способ нагрева реализуется следующим образом.
При подключении вилки ВЛ (фиг.7) в розетку электросети (на чертежах не показана) переменное электрическое напряжение подается по электропроводке 10 на вход регулятора 2 (фиг.1, 7). С выхода (на чертежах не выделен) регулятора 2 электрическое напряжение по контактным проводам 6 и 7 подается на, соответственно, сплошной диск 3 и кольцевой диск 5, разделенные диэлектрическими перегородками 4 (фиг.1-4). Боковой контакт цоколя 11.1 лампы 11 в контакте с диском 5 по резьбе Е40 посредством спирали С лампы 11 и нижний контакт цоколя 11.1 лампы 11, в плотном контакте с диском 3, образуют замкнутую электрическую цепь, в которой под воздействием электрического напряжения между дисками 3 и 5 протекает электрический ток, нагревающий спираль С инфракрасной зеркальной (ИКЗ-500) электролампы 11 (фиг.1).
В номинальном режиме (при повороте ручкой 9 оси 8 потенциометра регулятора 2 по часовой стрелке до упора) на спираль С лампы 11 подается номинальное напряжение сети 220 В. Спираль С лампы 11 нагревается до температуры 2500 K и испускает поток теплового излучения ТИ в диапазоне длин волн 0,6-1,8 мкм (в соответствии с относительной спектральной плотностью Приложения 1), в котором на длинах волн 0,6-0,75 мкм излучается видимый свет, а на длинах волн 0,75-1,8 излучение в максимально близкой инфракрасной области. Спираль С лампы 11 преобразует 90% электрической мощности лампы 11 в мощность теплового излучения ТИ спирали С, а зеркальный отражатель 11.2 лампы 11 направленно фокусирует ТИ вдоль оси лампы 11 на покрытое слоем 15 днище 14.1 емкости 14 (фиг.1, 6).
Большая часть (85-90%) ТИ поглощается слоем 15 за счет того, что видимый свет полностью поглощается черной поверхностью покрытия, а инфракрасная составляющая энергии излучения максимально поглощается кремниевой и углеродной составляющей кремнийорганической термостойкой краски черного цвета «ЦЕРТА». При поглощении ТИ покрытие 15 и вместе с ним днище 14.1 емкости 14 интенсивно разогреваются.
Меньшая часть (10-15%) ТИ отражается от слоя 15 днища 14.1 на внутреннюю поверхность конического отражателя 14.1, а от нее вновь на слой 15 днищ 14.1. При этом часть энергии ТИ падающего на конический отражатель 12.1 поглощается материалом отражателя 12.1 и он также нагревается, нагревая массу цилиндрического участка 12.2 конического отражателя 12.1. Слой теплоизоляции 13, охватывающий снаружи участки 12.1 и 12.2 отражателя, препятствует оттоку тепла от этих участков в окружающий воздух и масса участков 12.1 и 12.2 отражателя нагревается аналогично днищу 14.1.
2
2
2
Весь процесс воздействия теплового излучения ТИ на поверхность слоя 13 днища 14.1 емкости 14, а также процесс воздействия ТИ отраженного слоем 13 на конический отражатель 12.1, а также процесс воздействия отраженного ТИ от конического отражателя вновь на слой 13 днища 14.1 осуществляется в воздушном пространстве между днищем 14.1 емкости 14 и колбой лампы 11, под днищем 14.1 (фиг.1, 6). Энергия ТИ в этом пространстве частично, но непрерывно поглощается многоатомными газами, составляющими воздух, поэтому воздух в этом пространстве непрерывно нагревается. (Известно, что одноатомные и двухатомные газы энергию теплового излучения не поглощают [26]). Многоатомными газами в составе воздуха являются окись углерода (CO), окись азота (NO), пары воды HO, метан и аммиак.
Нагретый воздух посредством тепловой конвекции ТК добавляет теплоты и днищу 14.1 со слоем 15 и массе конического отражателя 12.1, который, в свою очередь, посредством теплопередачи теплопроводностью ТТ (фиг.6) дополнительно нагревает массу цилиндрическою участка 12.2. За счет беззазорного (плотного) контакта наружной цилиндрической поверхности емкости 14 снизу, на высоте 10-15 мм от днища 14.1 с внутренней цилиндрической поверхностью нагретого цилиндрического участка 12.2 конического отражателя 12.1 происходит нагрев не только днища 14.1 со слоем 15, но и нижней части цилиндрической емкости вблизи днища по площади цилиндрической наружной поверхности с длиной, образующей 10-15 мм.
При отсутствии зазора между цилиндрическим участком 12.2 и емкостью 14 воздух, нагреваясь между днищем 14.1 и колбой лампы 11 тепловым излучением ТИ, непрерывно и дополнительно к ТИ нагревает днище 14.1 емкости 14, а также конический отражатель 12.1 тепловой конвекцией ТК. Конический отражатель 12.1 посредством теплопередачи теплопроводностью ТТ непрерывно нагревает цилиндрический участок 12.2. Слой теплоизоляции 13 способствует увеличению степени нагрева и конического 12.1 и цилиндрического 12.2 участков отражателя. Цилиндрический участок 12.2 конического отражателя 12.1 интенсивно и дополнительно, посредством теплопередачи теплопроводностью, нагревает цилиндрическую поверхность емкости снизу на высоте 10-15 мм от днища.
В заявляемом техническом решении новые операции позволяют преобразовать полость, состоящую из днища 14.1 со слоем 15 и из внутренней поверхности конического отражателя 12.1, в абсолютно черное тело (АЧТ), где вся энергия (99%) теплового излучения ТИ расходуется на нагрев тонкостенной цилиндрической емкости. В результате расход электрической энергии при нагреве до одних и тех же температур емкости уменьшается на 45-50% по сравнению с прототипом. В этом заключается достижение первого положительного результата предлагаемого изобретения, а именно - существенное уменьшение энергоемкости нагрева тонкостенной цилиндрической емкости за счет повышения коэффициента полезного теплового излучения инфракрасной зеркальной электролампы ИКЗ-500.
Второй положительный результат - уменьшение габаритов устройства, реализующего заявляемые операции способа, достигается тем, что нагреваемая емкость 14 со слоем 15 и само нагревающее устройство (поз.1-13, фиг.1-7) являются одним неразделимым целым устройством в ходе реализации способа нагрева и соединены коаксиально друг другу. Емкость 14 устанавливается днищем 14.1 непосредственно внутрь цилиндрического участка 12.2 конического отражателя 12.1 (фиг.1, 7). При этом уменьшается общая высота устройства, реализующего способ, по сравнению с прототипом.
Установка монтажной платы регулятора 2 внутрь корпуса 1 (фиг.1) позволяет дополнительно уменьшить площадь устройства, реализующего заявляемый способ.
Из этого вытекает дополнительный результат реализации заявляемого способа, а именно - упрощение реализации способа и повышение удобства обслуживания его реализации. Повышение удобства обслуживания способа при нагреве емкости 14 со слоем 15 на днище 14.1 и с ручками 14.2 заключается в наличии сквозных отверстий 12.3 в нижней части цилиндрического корпуса 12 конического отражателя 12.1. При включении лампы 11 ее световой поток частично проникает вниз, слабо (но, визуально заметно) освещая эти отверстия 12.3. Снаружи через отверстия 12.3 визуально заметно, включена лампа 11 или нет, а по степени освещенности этих отверстий 12.3 заметна полная мощность накаливания спирали С лампы 11 и установлена ручкой 9 потенциометра регулятора 2 или нет. Поэтому посредством ручки 9 потенциометра регулятора 2 можно уменьшать или увеличивать мощность теплового излучения ТИ спирали С до максимума, визуально наблюдая за степенью освещенности в отверстиях 12.3 (фиг.1, 7).
Третий положительный результат - повышение надежности и долговечности операций, реализующих способ, достигается тем, что в ходе реализации способа максимальная температура нагрева цоколя 11.1 лампы 11 не превышает 100-105°С, в отличие от прототипа, в котором эта температура составляет 160°С и более из-за малой теплопроводности керамических электрических патронов. На самом деле, в заявляемом способе цоколь 11.1 лампы 11 находится в плотном контакте с парой электропроводных и теплопроводных (из дюралюминия) дисков 3 и 5, суммарная площадь поверхностей которых, отводящих тепло от цоколя 11.1 в воздух, существенно больше площади наружной поверхности цоколя 11.1. Поэтому диски 3 и 5 являются не только источниками напряжения питания лампы 11, но и охлаждающими цоколь 11.1 лампы 11 радиаторами.
Дополнительным препятствием проникновению нагретого воздуха изнутри цилиндрического корпуса 12 конического отражателя 12.1 к цоколю 11.1 лампы 11 являются и отверстия 12.3 в нижней части этого корпуса 12. При нагреве воздуха между лампой 11 и днищем 14.1 со слоем 15 давление воздуха повышается и он стремится заполнить больший объем, перемещаясь вниз. Однако при достижении уровня отверстий 12.3 избыточное давление воздуха свободно стравливается сквозь них наружу из корпуса 12, не достигая уровня плоскости корпуса 1.
Немаловажен еще один, дополнительный положительный результат реализации способа, заключающийся в максимально быстром нагреве емкости 14. Этот положительный результат достигается тем, что в качестве источника теплового излучения ТИ (лампа 11) реализована инфракрасная зеркальная электролампа.
2
2
ИКЗ-500 с максимально возможной электрической мощностью 500 Вт. Мощность теплового излучения этой лампы (90% от номинальной электрической мощности) составляет 450 Вт. Излучение спирали С из лампы 11 осуществляется сквозь прозрачную головку колбы лампы диаметром 134 мм (13,4 см), через круглую площадку площадью 138 см и плотность излучения лампы ИКЗ-500 на слой 15 днища 14.1 емкости 14 составляет 3,3 Вт/см. Это достаточно большая величина.
Источники информации
1. Живетин В.В., Брут-Бруляко А.Б. Устройство и обслуживание шлихтовальных машин, Москва: Легпромбытиздат, 1988. С. - 240.
2. Патент RU №2037588, кл. D06B 21/00, опубл. 19.06.95.
3. Патент США №4944975, кл. F26B 13/16, 21.08.90.
4. Патент GB №1238757, кл. F26B 13/14.
5. А.С. СССР №1605085, кл. F26B 13/06, опубл. 1991.
6. А.С. №579689, кл. F26B 13/16, опубл. 1971.
7. Патент США №4683015, Кл. F26B 3/24, 1987.
8. А.С. №118224, кл. F26B 13/14, 1972.
9. Патент RU №2027131, кл. F26B 13/14, опубл. 20.01.95.
10. Патент RU №2137996, кл. F26B 13/14.
11. А.С. №905517, кл. F26B 13/14, опубл. 1959.
12. А.С. №220744, кл. F26B 5/02, 1952.
13. Патент GB №2227823, кл. F26B 13/14.
14. А.С. №731234, кл. F26B 13/18, опубл. 30.04.80.
15. Патент RU №22177129, кл. F26B 13/18, опубл. 20.12.2001.
16. А.С. №514177, кл. F26B 13/18, опубл. 15.05.76.
17. Патент DM №1226287, НКИ 39az 7/14, 1966.
18. A.C. №596795, кл. F26B 13/18, опубл. 05.03.78.
19. Патент RU A1 №1781523, кл. F26B 13/14, опубл. 15.12.1992.
20. Патент RU №2263730, МПК D06B 15/00, F26B 13/00, 2005.
21. Патент RU №2300589, МПК D06B 15/00, F26B 13/00, 2007.
22. Патент RU №2269730, МПК F26B 13/18, 2006.
23. Патент RU №2291595 С2, МПК Н05В 3/20, 10.01.2007, Бюл. №1.
24. Заявка на изобретение №2010106750 (009474), «Способ нагрева снаружи поверхности круглого плоского днища неподвижной, тонкостенной, цилиндрической емкости установленной вертикально», 24.02.2010.
25. www.LISMA-GUPRM.RU.
26. Нащекин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 1980. С. - 469.
27. www.церта.