НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК
HEATING UNIT

Изобретение относится к бытовым электроприборам, в частности к проточным электронагревателям, и может быть применено для быстрого нагрева теплоносителя и использоваться как в отопительных системах, так и любых системах, связанных с нагревом теплоносителя.
Из уровня техники известны различные виды электроводонагревателей.
Так, из описания к авторскому свидетельству СССР №1682729, МПК F24H 1/00, опубл. 07.10.1991 известен электроводонагреватель, содержащий корпус, емкость с расположенным в ней нагревателем и подводящим и отводящим патрубками для воды.
Недостатком этого электроводонагревателя является продолжительное время нагревания воды, так как емкость должна быть полностью заполнена независимо от количества потребления воды в данный момент. Если нагретая вода не будет полностью использована, то для последующего подогрева нужно дополнительно заливать емкость и подогревать уже один или несколько раз разогретую воду, на что расходуется дополнительная электроэнергия.
Также из описания к патенту РФ №2269066, МПК F24H 1/20 (2006.01), опубл. 27.01.2006 известен проточный электронагреватель, который содержит корпус, входной и выходной патрубки. В корпусе параллельно его вертикальной оси установлен электронагревательный модуль, состоящий из кожуха, выполненного в виде замкнутой емкости, содержащей сообщающиеся полости. Емкость закреплена в корпусе посредством быстроразъемного соединения. Полости разделены перегородкой, в верхней части которой выполнено отверстие. В каждой из полостей установлены электронагревательные элементы. Одна из полостей связана с входным патрубком, другая - с выходным. Устройство содержит также реле давления, термовыключатель, закрепленные на кожухе, клеммы электропитания, светосигнальную арматуру. Входной и выходной концы каждого электронагревательного элемента герметично связаны с кожухом посредством, например, пайки.
Недостатком известного нагревателя является его сложная конструкция и низкий кпд нагрева жидкости.
Наиболее близким аналогом к заявленному решению является нагревательный блок, содержащий корпус с установленным внутри него теплообменником, нагревательными элементами и подводящим и отводящим патрубками для воды, при этом электронагреватель снабжен теплоизоляцией, расположенной внутри корпуса и охватывающей теплообменник, который выполнен в виде замкнутой емкости с датчиком температуры, внутри которой установлены нагревательные элементы, расположенные со смещением относительно вертикальной оси симметрии замкнутой емкости и в шахматном порядке с зазором относительно друг друга, причем нагревательные элементы прилегают к внутренним поверхностям стенок замкнутой емкости (заявка РФ №93057495, МПК F24H 1/00, опубл. 27.10.1995).
Недостатком известного электроводонагревателя является образование застойных зон в местах прилегания нагревательных элементов к стенкам замкнутой емкости, а также кипение в прилежащих к застойным зонах, что ведет к снижению интенсивности и увеличению времени нагрева жидкости.
Техническим результатом патентуемого решения является уменьшение габаритных размеров, повышение эффективности теплообмена, обеспечение быстрого нагрева теплоносителя в теплообменнике. Также техническим результатом является увеличение кпд нагревательного блока, что приведет к снижению энергопотребления.
Заявленный технический результат достигается за счет использования нагревательного блока, содержащего теплообменник с нагревательными элементами и подводящим и отводящим патрубками, при этом нагревательный блок снабжен теплоизоляцией, охватывающей теплообменник, который выполнен в виде замкнутой емкости с датчиком температуры, внутри которой установлены нагревательные элементы, которые смещены относительно вертикальной оси симметрии замкнутой емкости и расположены с зазором относительно друг друга. Согласно патентуемому решению в емкости расположены, по меньшей мере, два нагревательных элемента, расположенных с зазорами относительно внутренних поверхностей стенок замкнутой емкости, при этом размеры зазоров выбраны как c≤a≤b, где c - зазор между нижним нагревательным элементом и внутренней поверхностью нижней стенки замкнутой емкости, b - зазор между верхним нагревательным элементом и внутренней поверхностью верхней стенки замкнутой емкости, a - зазор между нагревательными элементами.
За счет выполнения зазоров между нагревательными элементами и всеми стенками замкнутой емкости и благодаря расположению нагревательных элементов образуется криволинейный путь движения теплоносителя, приводящий к турбулентности потока, равномерно обтекающего каждый нагревательный элемент, за счет чего исключается образование застойных зон и скопление пузырьков воздуха в этих зонах, а также в них не возникает кипения. В результате увеличивается площадь контакта и, следовательно, возрастает интенсивность нагрева.
Если зазоры между внутренней поверхностью боковой стенки и внешними поверхностями нагревательных элементов отсутствуют и зазоры между нагревательными элементами выбраны таким образом, что в этих зонах возникает пленочное кипение, приток жидкости к поверхности нагревательных элементов затрудняется и, как следствие, будет наблюдаться резкое снижение теплоотдачи и снижение кпд электронагревателя. В связи с этим размеры зазоров между внутренними поверхностями стенок и внешними поверхностями нагревательных элементов должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечивать турбулентное течение жидкости на всем протяжении ее движения в замкнутой емкости. Как было выявлено в результате проведенных исследований, это условие соблюдается, если соотношение размеров зазоров выбраны как c≤a≤b, где c - зазор между нижним нагревательным элементом и внутренней поверхностью нижней стенки замкнутой емкости, b - зазор между верхним нагревательным элементом и внутренней поверхностью верхней стенки замкнутой емкости, a - зазор между двумя нагревательными элементами.
При соблюдении неравенства c≤a≤b обеспечивается оптимальное перемешивание и выравнивание температур по всему объему замкнутой емкости.
В частности, размеры зазоров между внутренними поверхностями стенок и внешними поверхностями нагревательных элементов могут быть выбраны из следующего соотношения a:b:c=(2÷6):(6÷12):(0,5÷6), а наименьший зазор Δ между внутренней поверхностью боковой стенки замкнутой емкости и внешней поверхностью ближайшего к ней нагревательного элемента может быть выбран равным 0,5÷6,0 мм и зависит от вязкости циркулирующей жидкости и скорости ее протекания через нагреватель - чем больше вязкость, тем больше должен быть зазор, что обеспечит оптимальное значение гидравлического сопротивления нагревательного блока.
Нагревательный элемент может быть выполнен в виде корпуса с расположенным внутри него источником ИК-излучения. При этом на внутреннюю поверхность корпуса нагревательного элемента наносят покрытие, обеспечивающее высокий коэффициент поглощения тепловой энергии.
Далее решение поясняется со ссылками на чертежи.
На фиг.1 изображен нагревательный блок в разрезе;
на фиг.2 - нагревательный блок, вид сбоку.
Нагревательный блок содержит теплообменник 1, выполненный в виде замкнутой емкости 2 с подводящим 3 и отводящим 4 патрубками для теплоносителя.
Внутри емкости 2 теплообменника 1 установлены в один ряд три нагревательных элемента 5, расположенные со смещением относительно вертикальной оси симметрии замкнутой емкости 2 в разные стороны с зазором «а» между внешними поверхностями двух ближайших нагревательных элементов, при этом нагревательный элемент 5 расположен относительно ближайшей внутренней стенки замкнутой емкости 2 с оптимальным зазором Δ. Между внешней поверхностью верхнего нагревательного элемента 5 и внутренней поверхностью верхней стенки замкнутой емкости 2 образован зазор «b», а между внешней поверхностью нижнего нагревательного элемента 5 и внутренней поверхностью нижней стенки замкнутой емкости - зазор «c».
На наружной верхней поверхности емкости 2 установлен датчик температуры 6, а вся емкость 2 закрыта теплоизоляцией 7.
Внутри корпуса каждого нагревательного элемента 5 размещен источник ИК-излучения 8, при этом на внутреннюю поверхность корпуса нагревательного элемента нанесено покрытие, обеспечивающее высокий коэффициент поглощения излучения тепловой энергии. Таким покрытием может служить, например, зачернение.
Подводящий и отводящий патрубки 3 и 4 выполнены в виде полусгонов или полубочонков.
Работа патентуемого нагревательного блока осуществляется следующим образом. Жестко соединяют подводящий патрубок 3 с источником подачи тепллоносителя через сантехническую арматуру, при этом отводящий патрубок 4 подсоединяют, например, к отопительной системе. После заполнения емкости 2 теплоносителем включают нагревательные элементы 5 с источниками ИК-излучения 8.
Температура теплоносителя, вытекающего из отводящего патрубка 4, регулируется изменением потока, причем, чем меньше расход, тем выше температура. Кроме этого для предотвращения закипания и образования пара внутри емкости 2 теплообменника, что может произойти вследствие ослабления или отсутствия напора в системе, на теплообменнике установлен датчик температуры 6, который связан с автоматическим выключателем электроэнергии (не показан).
Нагрев теплоносителя в емкости 2 теплообменника осуществляется за счет сложного движения теплоносителя, омывающего нагревательные элементы 5. Зазоры «а», «b» и «с» между нагревательными элементами 5 и стенками замкнутой емкости 2 обеспечивают протекание тонкого слоя теплоносителя между нагревательными элементами, нагретыми до высокой температуры, и практически мгновенное его нагревание.
Таким образом, предлагаемый нагревательный блок, применяемый, например, в замкнутых системах отопления с использованием одного конвектора, при суммарной емкости системы 1,2 л, позволяет менее чем за 30 минут, при мощности 0,7 кВт нагреть конвектор до температуры 80°С и удерживать эту температуру при потребляемой мощности не более 0,5 кВт.