початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2151346

СПОСІБ ОДЕРЖАННЯ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ ІЗ ЕЛЕКТРИЧНОЇ
І ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО ЗДІЙСНЕННЯ

Ім'я винахідника: Карзаков В.С.
Ім'я патентовласника: ЗАТ "Росінноватіка"
Адреса для листування: 410007, г.Саратов, а / я 3819, ЗАТ "Росінноватіка", Морозову А.В.
Дата початку дії патенту: 1998.10.16

Винахід відноситься до теплоенергетики і теплообмінної техніці. Спосіб включає розміщення нагрівального елементу в оточенні теплоакумулюючого речовини, ізольованих в своєму обсязі від навколишнього простору теплос'емной поверхнею. Як теплоакумулюючого речовини використовують газоподібна речовина. Збільшення загального робочого теплос'ема досягають за рахунок збільшення поверхні теплос'ема нагрівального елементу і обсягу теплоакумулюючого речовини. Обігрів здійснюють за однакової кількості робочих температур поверхонь нагрівального елементу і теплос'емной поверхні нагрівального пристрою. Пристрій містить корпус, розділений на дві сполучені між собою камери: внутрішню і зовнішню, забезпечені вхідними і вихідними отворами. У внутрішній камері розміщено щонайменше одне нагрівальний пристрій, виконане у вигляді одного ізольованого об'ємного простору, заповненого повітрям. На вхідному отворі корпусу розміщений вентилятор. Пристрій конструктивно поєднує функцію радіатора для конвекційного теплообміну і теплової завіси. Винахід забезпечує підвищення ефективності перетворення одного виду енергії в інший і підвищення ККД.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до теплоенергетики і теплообмінної техніці, а саме до електричним і рідкої, повітряної, твердого середовища, і може бути використано, зокрема, для опалення житлових і виробничих приміщень і автономного створення теплових завіс.

Широке поширення мають способи отримання теплової енергії з електричної на основі електронагрівачів, що представляють собою нагрівальний елемент, голий або ж оточений теплоакумулюючі речовиною, наприклад кварцовим піском, і покритий зовні оболонкою, яка є теплос'емной поверхнею. В цьому випадку для виділення певної кількості тепла необхідно здійснювати певну роботу. Зв'язок між роботою і кількістю тепла встановлюють за законом Джоуля-Ленца:

Q = 0,24 х P xt [Е.В.Кітаев, Н.Ф.Гревцев. Курс загальної електротехніки. М.: Радянська Наука, 1945, стор.26-27],

де P - потужність джерела, Вт;

t - час нагрівання, с;

0,24 - тепловий еквівалент одиниці роботи, кал / Дж.

З точки зору молекулярно-кінетичної теорії внутрішня енергія для складеного твердого речовини (нагрівального елементу, кварцового піску і теплос'емной поверхні у вигляді оболонки) складається з суми кінетичної енергії всіх молекул і потенціальної енергії їх взаємодії

Е _вн. = E _пост. + П, де Е _пост. << П,
пост. - Молекулярно-кінетична енергія твердого речовини;

П - молекулярно-потенційна енергія твердого речовини.

З огляду на велику глибину потенційної ями для твердої речовини прикладають великі потужності для того щоб збільшити середні швидкості руху молекул в межах потенційної ями. Тому для отримання необхідної кількості тепла потрібно здійснювати велику роботу. Перший закон термодинаміки фіксує це твердження в наступному вигляді

Q = E _вн. + A,

де E _вн. - Внутрішня енергія твердого речовини;

A - робота, витрачена на виділення тепла.

Відомий спосіб отримання теплової енергії з електричної для обігріву [Д. А.Лепаев. Довідник слюсаря з ремонту побутових електроприладів і машин. М .: Легпромбитіздат, 1988, стр.51-52], що полягає в тому, що беруть нагрівальний елемент, поміщають його в навколишній простір, підводять електричний струм і доводять нагрівальний елемент до яскравого світіння, включають вентилятор, обдувають поверхню нагрівального елементу і нагрівають повітря приміщення.

Що використовується в цьому аналогу пристрій для обігріву типу електровентилятор серійно випускають вітчизняні і зарубіжні підприємства. Його використовують як додаткову технологію отримання тепла до існуючих на основі водяних радіаторів, які живляться від теплових мереж. Отже, з його допомогою можна автономно економно опалювати приміщення без теплових мереж. Тому цей аналог на основі використання відомих серійно випускаються електровентиляторів потужністю 2 - 10 кВт не отримав широкого поширення для автономного опалювання приміщень з огляду на наступні недоліків:

• високе споживання електроенергії;
• невеликий знімання в одиницю часу через малу теплос'емной поверхні;
• низький ККД способу на основі використання такого пристрою;
• порушення екології приміщень, що обігріваються у зв'язку з високою температурою на поверхні нагрівального елементу, наприклад, ніхрому, що впливає на якісний склад повітря.

Відомий і спосіб отримання теплової енергії з електричної для нагріву [Е. В.Кітаев, Н.Ф.Гревцев. Курс загальної електротехніки. М .: Радянська наука, 1945, стор.27], що полягає в тому, що беруть нагрівальний елемент, оточують його твердим теплоакумулюючі речовиною, наприклад порошкоподібною, кварцовим піском, ізолюють все це від навколишнього середовища теплос'емной поверхнею, наприклад, трубчастого типу і отримують пристрої типу ТЕН, підводять до нього електричний струм і обігрівають виділеним теплом довкілля, наприклад воду.

Області застосування способу на основі використання ТЕНів в залежності від умов експлуатації різноманітні. Вони застосовуються для нагріву води, слабких розчинів кислот при температурі теплос'емной поверхні 100 ^{o C;} для нагріву газового середовища при температурі теплос'емной поверхні до 450 ^{o C;} для прогріву селітри при температурі на теплос'емной поверхні 600 ^{o C} і т.п.

Основні недоліки цього аналога на основі використання ТЕНів:

• високе споживання електроенергії;
• невеликий Теплосила в одиницю часу через малу теплос'емной поверхні;
• низький ККД на основі використання цього пристрою;
• високі значення питомої потужності, Вт / см ^2.

Найбільш близьким до пропонованого є спосіб отримання теплової енергії з електричної (Свідоцтво на корисну модель N 4365, МПК 6 F 24 H 7/00, 19.04.96 р, опубл. 16.06.97 р, бюл. N 6), що полягає в тому, що беруть електронагрівальний елемент, оточують його твердим теплоакумулюючі речовиною, наприклад парафіном ОКП-50, що змінює свій агрегатний стан в діапазоні робочих температур, ізолюють все це від навколишнього середовища теплос'емной поверхнею, наприклад, трубчастого типу діаметром 50 мм. Поміщають все це в камеру, заповнену рідиною, наприклад мінеральним маслом. Камеру постачають теплос'емной поверхнею, яку обдувають повітряними потоками, наприклад, за допомогою вентилятора. Попередньо до електронагрівальних елементів підводять електричний струм. Обігрівають навколишнє середовище повітрям.

Недоліки способу прототипу наступні:

• теплоакумулююче речовина, наприклад рідкий парафін, дозволяє піднімати температуру тільки обмежено, наприклад до 150 ^{o C,} що знижує робочий вихід тепла з теплоносія;
• недостатній знімання в одиницю часу через малу теплос'емной поверхні використовуваного в прототипі пристрою;
• низький ККД способу;
• невеликий коефіцієнт передачі тепла від нагрівального елементу до теплос'емной поверхні через застосування для цього рідкого середовища, де E _пост. = П.

Відомо пристрій для нагріву повітря (а.с.СССР N 1721408, F 24 Н 7/04, 3/04, опубл. 23.03.92, бюл. N 11), що містить корпус, принаймні з одним повітряним каналом, обрамленим стінками , заповненими теплоакумулюючі речовиною, що змінює агрегатний стан в діапазоні робочих температур, і повідомленими по торцях з джерелом і споживачем повітря, а й джерело нагріву. При цьому у верхній частині корпусу виконані вихідні отвори, а джерело нагріву виконаний у вигляді трубчастих електронагрівальних елементів, розташованих в повітряному каналі під кутом 30-60 градусів до горизонтальної площини.

Відоме пристрій має наступні недоліки:

• значні витрати електроенергії, так як по електронагрівальних елементів протікає великий струм, що необхідно для нагрівання до рідкого стану великого обсягу теплоакумулюючого речовини, наприклад, парафіну;
• високі витрати первісної енергії на запуск пристрою, особливо при опаленні великих приміщень.

Відомо і пристрій для нагріву повітря з акумулюванням тепла (а. С. СРСР N 1760258, F 24 H 7/00, 1/20, опубл. 07.09.92, бюл.N 33), що містить корпус, розділений поперечною перегородкою на дві камери - верхню рідинну, забезпечену вхідним і вихідним патрубками, і нижню з теплоакумулюючі речовиною і центральним електронагрівальних елементом, підключеним до джерела живлення. При цьому у верхній частині нижньої камери з охопленням електронагрівального елемента додатково встановлена ​​теплоізольована кільцева камера, повідомлена перепускними патрубками з рідинної камерою відповідно в зонах розташування в останній згаданих вхідного і вихідного патрубків. У нижній камері з охопленням електронагрівального елементу встановлено спіральний теплової шунт з центральної та периферійної частинами, перша з яких скріплена з кільцевої камерою, а друга заведена своєю верхньою частиною під перегородку вище кільцевої камери.

Недоліками відомого пристрою є наступні:

• значні витрати електроенергії, так як для розплавлення до рідкого стану великого обсягу теплоакумулюючого речовини необхідна значна потужність електронагрівального елемента;
• малоефективність як джерела тепла при нагріванні повітря в приміщеннях з великими площами через нерівномірність теплового потоку в приміщення, що обігрівається.

Найбільш близьким за технічною сутністю до пропонованого пристрою є пристрій для нагрівання повітря (Свідоцтво на корисну модель N 4365 6 F 24 H 7/00, опубл. 16.06.97, бюл. N 6), що містить корпус, розділений двома перегородками на камери, забезпечені вхідним і вихідним патрубками, в одній з яких розміщений накопичувач теплової енергії (нагрівальний пристрій), що включає електронагрівальний елемент, наприклад, з ніхрому, підключений до джерела живлення, наприклад, у вигляді групи трансформаторів, і теплоакумулююче речовина типу парафін ОКП-50, що змінює агрегатний стан в діапазоні робочих температур, при цьому перегородки розміщені вертикально і поділяють корпус на три камери - ізольовану центральну, заповнену рідиною типу мінеральне масло, і дві сполучені між собою крайні, заповнені повітрям, причому в одній з крайніх камер встановлено вхідний патрубок, а в іншій - вихідний патрубок, накопичувач теплової енергії (нагрівальний пристрій) виконаний у вигляді принаймні одного порожнього циліндра з заглушених кінцями, розміщеного вертикально в нижній частині центральної камери, всередині якого встановлено електронагрівальний елемент, заповнений теплоакумулюючі речовиною, а поверхні перегородок з боку крайніх камер забезпечені ребрами з утворенням загального повітряного каналу від вхідного до вихідного патрубків, на вхідному патрубку розміщений вентилятор.

Недоліки пристрою-прототипу наступні:

• Низький ККД.
• Малоефективність його як джерела тепла при нагріванні повітря у великих приміщеннях через застосування в якості теплоакумулюючого речовини типу парафіну через те, що робоча поверхня, з якої знімається тепло, мала за величиною і її неможливо збільшити значно через обмежений обсяг парафіну.
• Друге агрегатний стан речовини - рідкий парафін дозволяє піднімати температуру лише до 160 ^o С, що обмежує застосування великих теплос'емних робочих поверхонь і знижує робочий вихід теплоносія (нагрітого повітря), а відповідно і ККД прототипу.
• Неможливо управляти внутрішньою енергією в великих межах, що зменшує ККД установки по прототипу, через застосування в якості теплоакумулюючого речовини твердої речовини з двома фазовими переходами в рідину і газ.

Метою пропонованого винаходу є підвищення ефективності перетворення електричної енергії в теплову і ККД за рахунок використання нагрівального пристрою при малій його питомої потужності з великим коефіцієнтом передачі тепла.

Поставлена ​​мета досягається тим, що в пропонованому способі отримання теплової енергії з електричної, що включає розміщення нагрівального елементу, наприклад, з ніхрому, в оточення теплоакумулюючого речовини, ізольованого разом з нагрівальним елементом в своєму обсязі від навколишнього простору теплос'емной поверхнею з утворенням нагрівального пристрою, підводять до нагрівального елементу електричну енергію, розміщують нагрівальний пристрій в навколишнє обігрівається простір, наприклад в приміщення, омивають його теплос'емную поверхню повітрям з приміщення. Причому в якості теплоакумулюючого речовини використовують тверде всередині поверхні нагрівального елементу і газоподібне поза поверхні нагрівального елементу речовина, яка здійснює перенесення тепла на теплос'емную поверхню нагрівального пристрою. При цьому збільшення загального робочого теплос'ема досягають за рахунок сполученого збільшення площі поверхні теплос'ема нагрівального елементу, розвитку її в теплос'емную поверхню нагрівального пристрою, відстані між ними, обсягу газоподібного теплоакумулюючого речовини в нагрівальному пристрої та інтенсивності омивання теплос'емной поверхні, нагрівального пристрою теплоносієм повітрям. Робочий нагрів нагрівального елементу вибирають в діапазоні вище температури навколишнього середовища, але нижче температури нагрівального елементу, обраної з урахуванням можливості функціонального виходу з ладу підводить струм електропроводки, наприклад, наявної в приміщенні, що обігрівається. В результаті отримують і використовують нагрівальний пристрій у вигляді газомолекулярного перетворювача з малими значеннями питомої потужності і великим коефіцієнтом передачі тепла. Теплообмін здійснюють за умови

Q = Е _вн. , A = 0,

де Е _вн. - Внутрішня енергія газоподібної речовини;

A - робота по перенесенню тепла.

Після омивання теплоносієм теплос'емной поверхні, наприклад, обдування теплос'емной поверхні пристрою потоками повітря з приміщення, що обігрівається простору приміщення, його змішують із середовищем, наприклад повітрям навколишнього простору, що обігрівається.

Теплос'емную поверхню нагрівального пристрою за пропонованим способом для підвищення його ефективності можна збільшити додатково, роблячи її хвилястою, ребристою або гофрованої.

Нагрівальний елемент найкраще нагрівати нижче температури його світіння.

Спосіб найкраще здійснювати при більш-менш рівних температурах поверхні нагрівального елементу і теплос'емной поверхні пристрою. Рівність робочих температур нагрівального елементу і нагрівального пристрою досягають за рахунок обсягу, ступеня розрідженості газоподібного теплоакумулюючого речовини, інтенсивності омивання поверхні повітрям з приміщення.

Поставлена ​​мета досягається і тим, що в одному з пропонованих пристроїв для здійснення способу (електровоздухонагревателе), що містить корпус, розділений на дві камери - зовнішню і внутрішню, забезпечені вхідними і вихідними отворами, у внутрішній камері розміщено нагрівальний пристрій, що включає електронагрівальний елемент, наприклад, з ніхрому, підключений до джерела живлення, і теплоакумулююче речовина, причому нагрівальний пристрій виконано у вигляді принаймні одного ізольованого від поза об'ємного простору. На вхідному отворі внутрішньої камери розміщено пристрій примусової циркуляції повітря по поверхні нагрівального пристрою, наприклад вентилятор. Обидві камери виконані сполученими, причому вихідний отвір внутрішньої камери є вхідним отвором зовнішньої камери. Нагрівальний пристрій заповнений повітрям.

Корпус зручніше і краще виготовляти по формі у вигляді циліндра або паралелепіпеда, а й гофрованого циліндра або паралелепіпеда, або збірного тарельчатого циліндра або паралелепіпеда.

Нагрівальний пристрій може бути виконано у формі циліндра або паралелепіпеда, або кулі, а й гофрованого циліндра або паралелепіпеда, або кулі.

Вихідних отворів для гарячого повітря може бути кілька і їх краще розташовувати внизу корпусу по його периферії.

Джерело живлення, наприклад, на 220 В, 50 Гц, краще постачати випрямним діодом або знижувальним трансформатором, наприклад до 110 В, для стрибкоподібного регулювання сили струму, наприклад, до 5 А, на електронагрівальні елементи.

Пропонований пристрій для здійснення способу (електровоздухонагреватель) може бути додатково забезпечено пристроєм прямого і зворотного зв'язку з навколишнім повітряним середовищем, наприклад, що складається з датчика температури повітря з дистанційним виносом його за межі цього пристрою (електровоздухонагревателя), для автоматичного включення або виключення джерела живлення.

Пропонований пристрій для здійснення способу (електровоздухонагреватель) може бути доповнено опорою, розташованої в нижній частині перед пристроєм для примусової циркуляції повітря і забезпеченою щілинами для всмоктування повітря з приміщення, що обігрівається.

З точки зору молекулярно-кінетичної теорії внутрішня енергія для газоподібної речовини, що використовується в пропонованому способі в якості теплоакумулюючого і теплопередающей речовини, складається з суми кінетичної енергії всіх молекул і потенціальної енергії взаємодії

Е _вн. = E _пост. + П; E _пост. >> П,

де Е _пост. - Молекулярно кінетична енергія молекул;

П - молекулярно-потенційна енергія молекул.

З цієї причини прототип характеризується потенційною ямою, де необхідно витрачати енергію на фазові переходи і роботу для отримання певної кількості тепла, в той час, як пропоноване рішення характеризується потенційною ямою, де молекули не здійснюють роботу з перенесення тепла.

В науці і техніці не виявлено рішень, які мають сукупностями істотних ознак, аналогічних запропонованим в способі і пристрої для його здійснення. Замкнутий в постійному обсязі теплоакумулююче газоподібна речовина не робить зовнішньої і внутрішньої роботи на фазові переходи цієї речовини, виконує тільки функції акумулятора тепла і його перенесення з поверхні нихрома на зовнішню поверхню нагрівального пристрою. Дотичний з нагрівальним пристроєм теплоносій (повітря) в порівнянні з мінеральним маслом в прототипі і є більш ефективним за ККД при подальшій передачі тепла на корпус і зовні електровоздухонагревателя. Крім того, поділ корпусу на дві сполучені камери в порівнянні з прототипом і сприяє інтенсифікації теплообміну з навколишнім середовищем і підвищення ККД. Конвекція по прототипу доповнюється в пропонованому пристрої створенням і більш потужної теплової завіси.

Таким чином, пропоновані технічні рішення відповідають критерію винахідницького рівня.

Пропонований спосіб і пристрій для його здійснення ілюструються фіг. 1-3.

	Фіг. 1 графічно характеризує вибір оптимальної відстані між двома поверхнями: нагрівального елементу і теплос'емного пристрою. На фіг. 2 дан загальний вид пропонованого пристрою (електровоздухонагревателя) в розрізі, а на фіг. 3 - його принципова електрична схема. Спосіб здійснюють наступним чином. Беруть нагрівальний елемент більшої довжини, ніж у ТЕНів, оточують їм тверде теплоакумулююче речовина, маючи в своєму розпорядженні його всередині поверхні нагрівального елементу.

Наприклад, беруть сталеву гофровану поверхню з нанесеним керамічним або емальованим покриттям, що забезпечує електроізоляцію, і намотують на неї ніхромовий дріт зовні. Все це оточують газоподібним речовиною, наприклад атмосферним повітрям або хімічним неактивним газом, для акумуляції тепла і його перенесення на теплос'емную поверхню нагрівального пристрою, замкнуту в своєму контурі від зовнішнього навколишнього простору. Підводять електричний струм до нагрівального елементу і регулюють його параметри для оптимального робочого нагріву нагрівального елементу в діапазоні вище температури навколишнього середовища, але нижче температури нагрівального елементу, обраної з урахуванням можливості функціонального виходу з ладу підводить електропроводки, наприклад, що обігрівається. Отримують тим самим і використовують нагрівальний пристрій у вигляді газомолекулярного перетворювача з малими значеннями питомої потужності і з великим коефіцієнтом передачі тепла. Зміна (збільшення) загального сумарного теплос'ема досягають за рахунок зміни відстані між первинною і вторинною поверхнями нагріву і теплосьема, в порівнянні з площею поверхні нагрівального елементу, обсягу теплоакумулюючого речовини і інтенсивності омивання повітрям. Спосіб здійснюють при більш-менш рівних температурах поверхні нагрівального елементу і теплос'емной поверхні нагрівального пристрою, а рівність температур поверхонь нагрівального елементу і поверхні теплос'ема досягають за рахунок оптимізації зазору (відстані) між ними, площ цих поверхонь, обсягу і ступеня розрідженості газоподібного теплоакумулюючого речовини, інтенсивності омивання поверхні нагрівального пристрою повітрям з відвідування та регулювання параметрів електричного струму на нагрівальний елемент.

Омивають, наприклад, обдувають теплос'емную поверхню пристрою потоками речовини з навколишнього середовища, наприклад повітря, і змішують його із середовищем, наприклад повітрям, що обігрівається.

Теплос'емную поверхню нагрівального пристрою доцільно і збільшувати додатково шляхом виконання її хвилястою, ребристою або гофрованої для підвищення ефективності запропонованого способу.

Нагрівальний елемент найкраще нагрівати нижче температури його світіння.

Приклад конкретного здійснення запропонованого способу в порівнянні зі способом-прототипом.

За способом-прототипу брали нагрівальний елемент у вигляді ніхромового дроту (ніхрому) з наступними параметрами:

d _них. = 1,2 мм; R ₀ = 0,97 Ом; I ₁ = 4,2 А, U ₁ = 110 В;

P ₁ = _U 1x I ₁ = 462 Вт,

де d _них. - Діаметр нихрома, мм;

R ₀ - опір 1 м нихрома, Ом;

I ₁ - проходить струм по ніхром, А;

U ₁ - прикладається напруга, В;

Р ₁ - потужність, Вт.

Брали гофровану сталеву поверхню - основу для розміщення нихрома розмірами 155 мм х 350 мм х 1 мм з кроком гофри h ₁ = 9 мм. Поверхня покривали емаллю в два шари для забезпечення електроізоляції нихрома від сталевої пластини.

Зовнішню теплос'емную поверхню нагрівального пристрою виконували у вигляді паралелепіпеда з розмірами 365 мм х 160 мм х 20 мм. Застосовували матеріал сталь 3.

Довжину і опір ніхрому визначали такою послідовністю дій:

l _них. = L ₁ · n ₁ = 35 см · 11 = 385 см = 3,85 м

де l ₁ - довжина гофрованої поверхні основи для намотування нихрома;

n ₁ - кількість півхвиль, в які вкладається ніхром;

l _них. - Довжина нихрома на одній гофрованої поверхні основи для намотування нихрома;

l _них. = L _них. · N ₂ = 3,85 · 7 = 26,95 = 27 м,

де 4 n ₂ - кількість гофрованих поверхонь, рівне 7;

l _них. - Сумарна довжина нихрома;

R _них. = R ₀ · l _них. = 0,97 Ом · 3,85 м = 3,73 Ом;

R _них. = R _них. · N ₂ = 3,73 Ом · 7 = 26,11 ом = 26,1 Ом, де:

R _них. - Опір ніхрому, розміщеного на одній гофрованої поверхні основи;

R _них. - Загальний опір ніхрому.

Площа поверхні нихрома визначали наступним чином:

L ₁ = · D _них. = 3,14 · 0,12 см = 0,37 см;

S _них. = L ₁ · l _них. = 0,37 см · 2700 см = 999 см ² = 1000 см ^2,

де L ₁ - довжина кола нихрома;

S _них. - Сумарна площа поверхні нихрома.

Площа теплос'емной поверхні, S _т, який стикався з теплоносієм, знаходили в такий спосіб:

a) S ₁ = 16 см · 36,5 см = 584 см ^2; 2S ₁ = 1168 см ^2;

б) S ₂ = 2 см · 36,5 см = 73 см ^2, 2S ₂ = 146 см ^2;

в) S ₃ = 2 см · 16 см = 35 см ^2; 2S ₃ = 64 см ^2;

г) S _т = 2S ₁ + 2S ₂ + 2S ₃ = 1168 см ² + 146 см ² +64 см ² = 1378 см ^2;

S _т = 1 378 см ² · 7 = 9646 см ² = 10000 см ^2,

де S _т - площа поверхні теплопод'ема одного паралелепіпеда;

S _т - площа поверхні теплос'ема семи паралелепіпедів.

Заливали внутрішній обсяг нагрівального пристрою парафіном ОКП-50. Обсяг теплоакумулюючого рідкої речовини, що здійснює акумулювання і перенесення тепла на теплос'емную поверхню нагрівального пристрою, визначали наступним чином:

_V m = _V n -V _гофро. -V _Них. ,

де _V n - внутрішній обсяг паралелепіпеда, см ^3;

V _гофро. - Обсяг гофрованої поверхні, основи для намотування нихрома, см ^3;

V _них. - Обсяг нихрома, см ^3;

a) _V n = 36,5 см · 16 см · 2 см = 11680 см ^3;

б) V _гофро. = 18 см · 35 см · 0,1 см = 63 см ^3;

в) V _них. = 385 см · 0,01 см ² = 3,85 см ^3;

S _них. = · D _них. ^2/4 = 0,01 см ^2;

де S _них. - Площа перерізу нихрома;

d _них. - Діаметр нихрома;

_V m = 11680 см ³ -63 см ³ -3,85 см ³ = 11613 см ^3;

_V m = _V m · n ₂ = 11613 см ³ · 7 = 81291 см ³

де _V m - обсяг теплоакумулюючого рідкої речовини в семи паралелепіпедах.

Питомі потужності по поверхні нихрома, S _них. по теплос'емной поверхні, _S m, визначали наступним чином:

K ₁ = Р / S _них. = 462 Вт / 1000 см ² = 0,46 Вт / см ^2.

До ₂ = Р / _S m = 462 Вт / 10000 ^см2 = 0,046 Вт / см ^2.

Коефіцієнт передачі тепла, К _т, визначали, як відношення питомих потужностей:

До _т = K ₁ / K ₂ = 0,46 Вт / см ₂ / 0,046 Вт / см ² = 10.

Питому електричну енергію E _0, визначали наступним чином:

Е ₀ = P · t = 462 Вт · 1 з = 462 Дж.

Питому теплову енергію Е _то з урахуванням коефіцієнта передачі тепла визначали наступним чином:

Е _то = Е ₀ · До _т = 462 Дж · 10 = 4620 Дж.

Питома теплова енергія залежить від площі теплос'емной поверхні, тому можна регулювати кількістю тепла в великих межах.

Технічні дані роботи способу за прототипом наведені в табл. 1.

Для рідких середовищ (рідкий парафін) необхідно прикладати великі потужності, щоб збільшити середні швидкості руху молекул в межах потенційної ями. Тому для отримання необхідної кількості тепла потрібно здійснювати велику роботу. Перший закон термодинаміки записується в цьому випадку в наступному вигляді: Q = Е _вн. + A. Додатково робота витрачається на фазові переходи парафіну з твердого стану в рідке. У зв'язку з цим ККД пристрою зменшується.

За пропонованим способом брали конкретний нагрівальний елемент у вигляді ніхромового дроту з наступними параметрами: d _них. = 1,2 мм; R ₀ = 0,97 Ом; I ₁ = 4,2 А; U ₁ = 110 В; P ₁ = U ₁ · I ₁ = 462 Вт; де d _них. - Діаметр нихрома, мм; R ₀ - опір 1 м нихрома, Ом; I ₁ - проходить струм по ніхром, А; U ₁ - прикладається напруга, В; P ₁ - потужність; Пн.

Брали гофровану сталеву поверхню - основа для розміщення нихрома розмірами 155 мм х 350 мм х 1 мм з кроком гофри h ₁ = 9 мм. Поверхня покривали емаллю в два шари для забезпечення електроізоляції нихрома від сталевої пластини.

Зовнішню теплос'емную поверхню нагрівального пристрою виконували у вигляді паралелепіпеда з розмірами 365 мм х 160 мм х 20 мм. Застосовували матеріал сталь 3.

Довжину і опір ніхрому визначали такою послідовністю дій:

l _них. = L ₁ · n ₁ = 35 см · 11 = 385 см = 3,85 м,

де l ₁ - довжина гофрованої поверхні основи для ніхрому;

n ₁ - кількість півхвиль, в які вкладається ніхром;

l _них. - Довжина нихрома на одній гофрованої поверхні основи для намотування нихрома.

l _них. = L _них. · N ₂ = 3,85 · 7 = 26,95 = 27 м;

де n ₂ - кількість гофрованих поверхонь, рівне 7;

l _них. - Сумарна довжина нихрома;

R _них. = R ₀ · l _них. = 0,97 Ом · 3,85 м = 3,73 Ом;

R _них. = R _них. · N ₂ = 3,73 Ом · 7 = 26,11 Ом = 26,1 Ом;

де R _них. - Опір ніхрому, розміщеного на одній гофрованої поверхні основи;

R _них. - Загальний опір ніхрому.

Площа поверхні нихрома визначається наступним чином:

L ₁ = · D _них. = 3,14 · 0,12 см = 0,37 см;

S _них. = L ₁ · l _них. = 0,37 см · 2700 см = 999 см ² = 1000 см ^2;

де L ₁ - довжина кола нихрома;

S _них. - Сумарна площа поверхні нихрома

Площа теплос'емной поверхні _S m, який стикався з теплоносієм, знаходили в такий спосіб:

a) S ₁ = 16 см · 36,5 см = 584 см ^2; 2S ₁ = 1168 см ^2;

б) S ₂ = 2 см · 36,5 см = 73 см ^2; 2S ₂ = 146 см ^2;

в) S ₃ = 2 см · 16 см = 32 см ^2; 2S ₃ = 64 см ^2;

г) _S m = 2S ₁ + 2S ₂ + 2S ₃ = 1168 см ² + 146 см ² +64 см ² = 1378 см ^2;

_S m = 1378 см ² · 7 = 9646 см ² ~ 10000 см ^2;

де _S m - площа поверхні теплос'ема одного паралелепіпеда;

_S m - площа поверхні теплос'ема семи паралелепіпедів.

Заповнювали внутрішній обсяг нагрівального пристрою атмосферним повітрям. Обсяг теплоакумулюючого газоподібної речовини (повітря), що здійснює акумулювання і перенесення тепла на теплос'емную поверхню нагрівального пристрою, визначали наступним чином:

_V m = _V n -V _гофро. -V _Них. ,

де _V n - внутрішній обсяг паралелепіпеда, см ^3;

V _гофро. - Обсяг гофрованої площині основи для намотування нихрома, см ^3;

V _них. - Обсяг нихрома, см ^3;

_V n = 36,5 см · 16 см · 2 см = 11680 см ^3;

V _гофро. = 18 см · 35 см · 0,1 см = 63 см ^3;

V _них. = 385 см · 0,01 см ² = 3,85 см ^3;

S _них. = · D _них. / 4 = 0,01 см ^2,

де S _них. - Площа перерізу нихрома;

_V m = 11680 см ³ -63 см ³ -3,85 см ^3;

_V m = _V m · n ₂ = 11613 см ³ · 7 = 81291 см ³

де _V m - обсяг теплоакумулюючого газоподібної речовини в семи паралелепіпедах.

Питомі потужності по поверхні нихрома, S _них. , Визначали наступним чином:

До ₁ = P S _них. = 462 Вт / 1000 см ² = 0,46 Вт / см ^2;

K ₂ = P _S m = 462 Вт / 10000 ^см2 = 0,046 Вт / см ^2.

Коефіцієнт передачі тепла До _т визначали як відношення питомих потужностей.

До _т = K ₁ / К ₂ = 0,46 Вт / см ² / 0,46 Вт / см ² = 10.

Питому електричну енергію визначали наступним чином:

E ₀ = P · t = 462 Вт · 1 з = 462 Дж.

Питому теплову енергію визначали:

E _то = E ₀ · До _т = 462 Дж · 10 = 4620 Дж.

Виконання теплос'емной поверхні хвилястою, оребренной або гофрованої дозволило збільшувати коефіцієнт передачі тепла на величину, що залежить від збільшення цієї поверхні.

Нагрівання елемента до температури світіння і вище викликало непродуктивні світлові втрати в процесі перетворення електроенергії в тепло, що знижувало ККД запропонованого способу на величину, що залежить від інтенсивності світіння, розмірів елемента і т.п.

Для газоподібного теплоакумулюючого речовини найкраще умова теплообміну при Q = E _вн. , A = 0,

де E _вн. - Внутрішня енергія газоподібної речовини;

A - робота по перенесенню тепла.

Збільшення оптимальної різниці теплових питомих потужностей робочих площ поверхонь теплос'ема і нагрівального елементу при їх більш-менш постійної робочої температури досягали, зокрема, кількістю теплоакумулюючого газоподібної речовини і характеризували це технічним параметром - коефіцієнтом передачі тепла, як ставленням їх питомих потужностей. Оскільки питома теплова енергія завжди відрізнялася від питомої електричної енергії, їх абсолютні значення і співвідношення при інших рівних умовах були основними характеристиками пропонованого способу на основі використання газомолекулярного перетворювача в порівнянні з прототипом і іншими аналогами.

Однією з важливих особливостей коефіцієнта передачі тепла (K _т) було те, що він характеризував збільшення масштабу раціональної довжини відстані між робочими поверхнями у стільки разів, у скільки різнилися між собою теплос'емная поверхню пристрою і поверхня нагрівального елементу. Створювалися тим самим умови своєрідною похилій площині, по якій "котилися" молекули газоподібної речовини без здійснення роботи. Тому пропонований газомолекулярний перетворювач був джерелом теплової енергії в діапазоні робочих температур. Дане твердження продемонстровано на фіг. 1, де на графіку дано по осі абсцис - питома потужність K _1, а по осі ординат - питома потужність До _2; До _т визначає раціональну довжину між двома поверхнями - теплос'емной і нагрівальної.

Пропонований спосіб оптимально здійснювали при більш-менш рівних температурах поверхні нагрівального елементу і теплос'емной поверхні пристрою, що досягаються, наприклад, за рахунок сполученого між собою зміни цих параметрів поверхонь, обсягу теплоакумулюючого газоподібної речовини через зазор (відстань) між ними, а й оптимізації ступеня розрідженості теплоакумулюючого речовини, регулювання процесу змивання теплос'емной поверхні пристрою повітрям і параметрів електричного струму на нагрівальний елемент. Спосіб досягав оптимальний режим функціонування, коли

Q = E _вн. , A = 0,

де E _вн. - Внутрішня енергія газоподібної речовини;

A - робота по перенесенню тепла.

Конкретні технічні дані за пропонованим способом на основі газомолекулярного перетворювача зведені в таблицю 2 для діапазону температур від 200 до 300 ^{o C.}

Пропонований пристрій для здійснення способу (електровоздухонагреватель) містить корпус 1 з двома камерами: внутрішня 2 і зовнішня 3. Внутрішня камера 2 містить щонайменше одне нагрівальний пристрій 4. Зовнішня камера 3 заповнена теплоносієм (повітрям) і має, найкраще в нижній частині корпусу 1 по його периферії, вихідна (-і) отвір (ія) 5 для викиду гарячого повітря. На вході у внутрішню камеру 2 перед вхідним (ними) отвором (-ами) 6 розміщено пристрій примусової циркуляції повітря по поверхні нагрівального пристрою, наприклад, вентилятор 7. Камери 2 і 3 виконані сполученими, причому вихідний отвір 8 внутрішньої камери 2 є вхідним отвором 8 зовнішньої камери 3. нагрівальний пристрій 4 виконано у вигляді ізольованого об'ємного (полого) простору 9, наприклад, у формі паралелепіпеда або циліндра або кулі, найкраще з гофрованої поверхнею, і розміщеного вертикально у внутрішній камері 2. Усередині нагрівального пристрою 4 встановлений електронагрівальний елемент 10 , наприклад, з ніхрому, підключений до джерела живлення II. Нагрівальний пристрій 4 з електронагрівальних елементом 10 всередині заповнений хімічно інертним газом або сумішшю таких газів або безпечним газоподібним речовиною 9, наприклад повітрям, призначеним для акумулювання і перенесення тепла з поверхні нихрома 10 на поверхню нагрівального пристрою 4.

Корпус 1 зручніше і краще виготовляти у формі циліндра або паралелепіпеда, а й гофрованого циліндра або паралелепіпеда, або збірного тарельчатого циліндра або паралелепіпеда. Джерело живлення 11, наприклад, на 220 В, 50 Гц, краще постачати випрямним діодом 12 або знижувальним трансформатором 12, наприклад, до 110 В, для стрибкоподібного регулювання сили струму, наприклад, до 5 А, на електронагрівальні елементи 10.

Пропоноване пристрій (електровоздухонагреватель) може бути додатково забезпечений пристроєм прямого і зворотного зв'язку з навколишнім повітряним середовищем, наприклад, що складається з датчика температури повітря з дистанційним виносом його за межі запропонованого пристрою (електровоздухонагревателя), для автоматичного включення або виключення джерела живлення (на фіг. 2 -3 не показані).

Пропоноване пристрій (електровоздухонагреватель) може бути доповнений опорою 13, розташованої в нижній частині перед пристроєм примусової циркуляції повітря 7 і забезпеченою щілинами 14 для всмоктування повітря з приміщення, що обігрівається.

При включенні вентилятора 7, за допомогою якого відбувається забір холодного повітря з приміщення, що обігрівається через камеру 2, де встановлено нагрівальний пристрій 4, відбувається віддача тепла цієї порції холодного повітря. Далі нагріте повітря переміщається по камері 3 до виходу гарячого повітря через вихідні отвори 5 до виходу в приміщення, що обігрівається. Електровоздухонагреватель може працювати періодично в залежності від температури повітря в приміщенні (за допомогою пристрою прямого і зворотного зв'язку автоматично включатися або вимикатися).

Порівняння запропонованого способу на основі газомолекулярного перетворювача і способу по прототипу на основі твердожідкостного перетворювача показує, що продуктивність першого вище за рахунок збільшення розвитку площі теплос'емной поверхні, обсягу і ступеня розрідженості теплоакумулюючого газоподібної речовини, що здійснює теплообмін за умови Q = E _вн. , A = 0, де вся внутрішня енергія за пропонованим способом переходить в тепло, в той час, як по прототипу частина внутрішньої енергії витрачається на фазові переходи і інші види внутрішніх робіт, рідкий парафін обмежує температуру на поверхні теплос'ема в межах 100 - 150 ^{o C} , що знижує вихід кількості теплоносія з оптимальною необхідної заданою температурою в порівнянні з запропонованим способом, де температура на поверхні теплос'ема досягає 200 - 300 ^{o C.}

При однаковій продуктивності вентилятора, 280 м ³ / год, по обом порівнюваним способам температура виходу теплоносія змінюється від 70 до 150 ^{o C} для способу з використанням газомолекулярного перетворювача, а для прототипу з використанням твердожідкостного перетворювача тільки в межах від 50 до 70 ^{o C}

Основні переваги запропонованого способу перед прототипом та іншими відомими аналогами наступні:

• низьке споживання електроенергії;
• високий ККД;
• великий знімання в одиницю часу за рахунок збільшення коефіцієнта передачі тепла (розвитку площі теплос'ема, робочої температури нагріву і теплос'ема);
• низьке значення питомої потужності;
• регульована питома теплова енергія;
• більш висока екологічність і безпеку за рахунок використання замість парафіну атмосферного повітря або, краще за все, хімічно неактивних газів, а й за рахунок створення температури на поверхні нихрома нижче його світіння.

Порівняння пропонованого пристрою з прототипом та іншими аналогічними технічними рішеннями показує, що його сукупність істотних ознак дозволяє досягти наступні технічні результати:

1. Регулювати вихід кількості тепла в одиницю часу за рахунок конструктивного і функціонального зміни площі поверхні нагрівального пристрою при постійній температурі теплоносія і тим самим опалювати не тільки малі, а й великі приміщення і простору.

2. Збільшити термін служби пристрою, так як не відбувається нагрівання електронагрівального елемента до його світіння.

3. Забезпечити можливість перенесення автономного від центрального опалення такого електровоздухонагревателя як джерела тепла в будь-який обігрівається.

4. Забезпечити можливість регулювання температури теплоносія в межах 70-150 ^{o C.}

5. Підвищити експлуатаційну готовність, зручність монтажу, обслуговування і транспортування таких електровоздухонагревателей.

6. Створити екологічно чисте джерело теплової енергії з високим ККД.

7. Підвищити потужність теплопередачі і знизити матеріаломісткість за рахунок інтенсифікації теплообміну з навколишнім середовищем.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Спосіб отримання теплової енергії з електричної, що включає розміщення нагрівального елементу в оточення теплоакумулюючого речовини, ізольованого разом з нагрівальним елементом в своєму обсязі від навколишнього простору теплос'емной поверхнею з утворенням нагрівального пристрою, розміщення отриманого одного або більше нагрівальних пристроїв в навколишнє обігрівається простір, підведення до нагрівального елементу електричної енергії, омивання теплос'емной поверхні пристрою повітрям з приміщення, що відрізняється тим, що в якості теплоакумулюючого речовини використовують тверде всередині поверхні нагрівального елементу і газоподібне поза поверхні нагрівального елементу речовина (повітря), збільшення загального робочого теплос'ема нагрівального пристрою в цілому досягають за рахунок сполученого між собою збільшення (розвитку) вихідної площі поверхні теплос'ема нагрівального елементу, обсягу газоподібного теплоакумулюючого речовини навколо нього, площі самої теплос'емной поверхні нагрівального пристрою, через створення зазору (відстані) між цими робочими поверхнями за рахунок інтенсивності омивання теплос'емной поверхні нагрівального пристрою повітрям з приміщення, а і шляхом регулювання параметрів електричного струму на нагрівальний елемент, оптимальний нагрів нагрівального елементу для заданого обігріву знаходять в діапазоні вище температури навколишнього середовища, але нижче температури нагрівального елементу, обраної з урахуванням можливості функціонального виходу з ладу електропроводки обігрівається простору, отримують тим самим і використовують для обігріву нагрівальний пристрій у вигляді газомолекулярного перетворювача тепла з малими значеннями питомої потужності і великими значеннями коефіцієнта передачі тепла, використовуючи його для перетворення електричної енергії в теплову за умови

Q = E _вн, A = O,

де E _вн - внутрішня енергія газоподібної речовини;

A - робота по перенесенню тепла,

а обігрів здійснюють за однакової кількості робочих температур поверхні нагрівального елементу і теплос'емной поверхні нагрівального пристрою.

2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що теплос'емную поверхню нагрівального пристрою збільшують додатково, роблячи її хвилястою, ребристою або гофрованої.

3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що нагрівальний елемент нагрівають до температури нижче його світіння.

4. Пристрій для отримання теплової енергії їх електричної (електровоздухонагреватель), що містить корпус, розділений на дві камери - зовнішню і внутрішню, забезпечені вхідним і вихідним отворами, у внутрішній камері якого розміщено, щонайменше, одне нагрівальний пристрій, що включає нагрівальний елемент, підключений до джерела живлення, і теплоакумулююче речовина, і всередині виконане у вигляді ізольованого від поза об'ємного простору, при цьому на вхідному отворі корпусу розміщено пристрій примусової циркуляції теплоносія, наприклад, повітря, по поверхні нагрівального пристрою, наприклад, вентилятор, що відрізняється тим, що обидві камери виконані сполученими, вхідний отвір в корпусі розташовано навпроти вхідного отвору під внутрішню камеру, а вихідний отвір внутрішньої камери служить вхідним отвором в зовнішню камеру, теплоакумулююче речовина нагрівального пристрою включає тверде всередині поверхні нагрівального елементу і газоподібне (повітря) поза поверхні нагрівального елементу речовина.

5. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що корпус виконаний за формою циліндра або паралелепіпеда.

6. Пристрій за п. 4 або 5, що відрізняється тим, що корпус виконаний за формою у вигляді гофрованого циліндра або паралелепіпеда.

7. Пристрій за п.4 або 5, що відрізняється тим, що корпус виконаний у вигляді збірного тарельчатого циліндра або паралелепіпеда.

8. Пристрій за кожним з пп.4 - 7, що відрізняється тим, що нагрівальний пристрій має форму паралелепіпеда.

9. Пристрій за кожним з пп.4 - 7, що відрізняється тим, що нагрівальний пристрій має форму циліндра.

10. Пристрій за кожним з пп.4 - 7, що відрізняється тим, що нагрівальний пристрій має форму кулі.

11. Пристрій за кожним з пп.4 - 10, яке відрізняється тим, що поверхня нагрівального пристрою має гофровану форму.

12. Пристрій за кожним з пп.4 - 11, яке відрізняється тим, що вихідних отворів для гарячого теплоносія більш одного і розташовані вони по поверхні корпусу в нижній його частині.

13. Пристрій за кожним з пп.4 - 12, яке відрізняється тим, що джерело живлення забезпечений випрямним пристроєм типу діод або знижувальним трансформатором для стрибкоподібного регулювання сили струму на електронагрівальних елементів.

14. Пристрій за кожним з пп.4 - 13, яке відрізняється тим, що воно додатково забезпечено пристроєм прямого і зворотного зв'язку з навколишнім повітряним середовищем, наприклад, що складається з датчика температури повітря з дистанційним виносом його за межі запропонованого пристрою, для автоматичного включення або виключення джерела живлення.

15. Пристрій за кожним з пп.4 - 14, яке відрізняється тим, що воно доповнено опорою, розташованої в нижній частині перед пристроєм для примусової циркуляції теплоносія і забезпеченою щілинами для всмоктування повітря.

Версія для друку
Дата публікації 21.03.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів