Електричний нагрівник

Реферат: Винахід належить до електротехніки, а саме до електричних радіаторів. Електричний нагрівник містить безрідинний секційний радіатор та нагрівальний елемент, вставлений у кожну секцію радіатора, при цьому нагрівальний елемент кожної секції радіатора складається щонайменше з двох трубчатих електричних нагрівників, на кожну з яких подана різна потужність. Винахід дозволяє покращити процес обігрівання, підвищити надійність при використанні і знизити енергетичні та економічні витрати при експлуатації заявленого технічного рішення. UA 110874 C2 (12) UA 110874 C2 UA 110874 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехнічної промисловості, а саме до електричних опалювальних пристроїв, зокрема радіаторів, і може мати поширене застосування, зокрема при опалюванні жилих, промислових та офісних приміщень. Під час обігрівання технічних, промислових та житлових споруд досить часто використовують опалювальні пристрої типу радіатор. При цьому вказані радіаторні опалювальні пристрої умовно можна поділити на декілька категорій, відповідно до їх конструкцій. Зокрема, перша категорія охоплює радіатори, в яких нагрівають відповідний носій, за допомогою якого передається теплота до оточуючого середовища. До таких носіїв належать: повітря або інша газова суміш, вода, масло або інші рідини, причому вказаний теплоносій розміщено всередині відповідних порожнин радіаторів. Зокрема, до електричних нагрівників такого типу належить опалювальний пристрій, відомий з CN 2013222359 від 07.10.2009 р, в якому нагрівальний елемент нагріває рідину, що протікає по каналах радіатора, в тому числі з циркуляцією по колу. Основним недоліком даного типу радіаторів є те, що нагрівання секцій профілю радіатора іде через "посередника", тобто спочатку нагрівається носій (наприклад, рідина), а вже потім стінки радіатора, які, в свою чергу, передають тепло користувачам, при цьому при використанні електронагрівників такого типу є необхідність доливання теплоносія та можливе протікання радіатору зі швидким виходом його з ладу. Крім того, в залежності від матеріалу профілю застосування рідинних радіаторів має наступні недоліки: при використанні алюмінієвого сплаву для секцій радіатора потрібно враховувати виділення водню в процесі експлуатації, високі вимоги до лужності теплоносія та небезпеку електрохімічної корозії. А також, такий прилад не може працювати посекційно, тобто не може використовувати лише потрібну кількість секцій (профілів) радіатора для необхідного обігріву приміщення, тобто не дозволяє користувачу регулювати номінальну потужність нагрівника в залежності від необхідності та, при цьому, якщо нагрівальний елемент виходить з ладу припиняє свою роботу весь нагрівник. До ще одного типу нагрівників належать радіатори, в процесі нагрівання яких не використовують нагрівання вище вказаних носіїв. Такі опалювальні пристрої називають "безрідинними" нагрівниками, які нагрівають радіаторні секції безпосередньо, а не опосередковано як у нагрівниках, що описані вище. До таких нагрівників можна віднести відомий з рівня техніки низькотемпературний радіаторний електричний нагрівник (див. "Удосконалення, які стосуються електричних нагрівників" патент Великобританії GВ 779520 від 24.07.1957 p.). Вказаний електричний нагрівник виконаний з легкого сплаву та є безрідинним. При цьому, як нагрівник у ньому використано нагрівальний елемент у вигляді дроту, який може бути виконаний як цільним, так і багатодротовим, причому вказаний багатодротовий нагрівальний елемент виконаний з ізоляцією всередині, яка виконана з ниток, що змотані з дрібного скловолокна. Крім того, зазначена ізоляція всередині дроту просочена силіконовим лаком. Недоліком відомого аналога є те, що використання вказаного дротяного нагрівального елемента має невисоку експлуатаційну надійність нагрівника, що підвищує небезпеку при частому користуванні. Крім того, так як дріт проходить по всьому радіатору, при виходу його з ладу потрібно виключати весь електричний нагрівник та виймати дріт з радіатора, що також ускладнює його експлуатацію та не дозволяє виключати або включати радіатор секційно, тобто, використовувати його при різних потреб нагріву, та робить використання вказаного приладу неекономічним для користувача. Крім того, він не є ефективним при різкій зміні температури оточуючого середовища. Також є відомим "Електрорадіатор моделі АЕРГ" (корисна модель України UA 15383 від 15.06.2006 p.). Даний безрідинний електрорадіатор містить корпус, нагрівні елементи, виготовлені із електропровідної текстильної тканини, покритої з обох боків електроізоляційним покриттям, і контактну групу, причому корпус містить плоскі пресовані профілі, виготовлені з алюмінієвих сплавів, при цьому плоскі профілі з'єднані між собою П-подібним пресованим профілем з алюмінієвих сплавів, електропровідна текстильна тканина містить резистивні металічні нитки, а електроізоляційне покриття виготовлено із слюдопласта. При цьому кожний алюмінієвий профіль містить отвір, в який вставлені вказані нагрівальні елементи. Відоме технічне рішення забезпечує зниження витрати електроенергії, зменшення розмірів пристрою при збереженні високої надійності та безпечності експлуатації. Однак незважаючи на більш досконале технічне рішення, ніж у вищевказаних рідинних радіаторів та безрідинних з дротяним нагрівальним елементом, відомий аналог також містить недоліки. Зокрема, головний недолік стосується надійності нагрівального елемента, так як саме надійність є одною з основних експлуатаційних характеристик при локальному нагріванні металевих деталей електричного нагрівача. Крім того, він також не належить до нагрівників з 1 UA 110874 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 високою економічністю за рахунок особливості своєї конструкції, так як у вказаному аналозі непередбачено використання у кожній секції нагрівального елемента, що може споживати різну потужність з відповідним включенням кожної секції, тобто фактично і відповідним кроком, з досяганням необхідної температури нагрівання. При цьому відсутній процес охолодження поверхні радіатора до оптимального значення його температури, що дозволяє використовувати нагрівальний елемент з більшою потужністю. Відповідно до того, що задача будь-якого опалювального пристрою - компенсувати тепловитрати приміщення, тобто подати стільки тепла, скільки потрібно для того, щоб температура піднялась до комфортної та виходячи крізь стіни та вікна вона не знижувалася, все частіше при обігріванні сучасних промислових споруд, житлових будинків, офісів та інших приміщень виникає необхідність локального нагрівання оточуючого середовища. Вирішується дана задача, в тому числі, шляхом використання трубчатих електронагрівників (ТЕНів), наприклад, патронного типу, які часто виконуються з нержавіючої сталі та зарекомендували себе як надійні нагрівні елементи (див., наприклад, UA 58970 від 15.08.2003 p., що описує подібний трубчатий електронагрівник), що є важливим при використанні нагрівальних пристроїв. Відоме технічне рішення, що вибрано за найближчий аналог, описує електричний нагрівник, який містить безрідинний секційний радіатор та нагрівальний елемент, який встановлено у кожну секцію радіатора під час виготовлення вказаних секцій виливанням алюмінієвих сплавів у форму, причому як нагрівальний елемент використовують трубчатий електричний нагрівник (див. "Модульний пристрій нагрівання і відповідним електричним радіатором). FR 2962791 від 20.01.2012 p.). До недоліків найближчого аналога, крім тих, що вже були вище описані при розгляді попередніх аналогів рівня техніки, є те, що ТЕНи фактично замуровані у профільованій секції алюмінієвого радіатора, що призводить до проблем їх використання, ускладненні при заміні їх при виході з ладу, ремонтування та інших експлуатаційних характеристик, зокрема зміни локального нагрівання приміщення, шляхом зміни відповідної необхідної потужності, яка споживається при використанні нагрівальних елементів у відомому нагрівнику, так як відсутнє посекційне включення радіатора з відповідним кроком. Крім того, швидкість нагрівання радіатора у вказаному технічному рішенні є меншою за заявлений винахід, так як відсутнє відповідне продування секцій радіатора газом (повітрям) з видуванням теплого газу (повітря) у оточуюче середовище. Задача, на вирішення якої направлений заявлений винахід, полягає у підвищенні експлуатаційних характеристик електричного радіаторного нагрівника за рахунок зміни конструкції електричного нагрівника та розташуванням ТЕНів у профілях, що дозволяє збільшити швидкість нагрівання приміщення зі зниженням економічних витрат при використанні даного опалювального пристрою. При цьому температура поверхні радіатора може бути запрограмованою користувачем та є оптимальною, тобто не перевищуватиме 80 °C, при постійній зміні потужностей, що подають на ТЕНи, які завжди дорівнюють тепловитратам у конкретний період часу відповідної пори року. Задача вирішується за рахунок запропонованого технічною рішення, яке стосується електричного нагрівника, який містить безрідинний секційний радіатор та нагрівальний елемент, встановлений у кожну секцію радіатора, причому відповідно до винаходу нагрівальний елемент кожної секції радіатора складається з двох трубчатих електричних нагрівників, причому кожний з цих трубчатих електричних нагрівників споживає різну потужність, при цьому радіатор виконаний з можливістю посекційного включення, тобто з відповідним кроком, та в ньому передбачений пристрій для продування повітря через радіатор. Далі описані варіанти виконання винаходу, однак винахід необмежений ними. В одному аспекті виконання винаходу передбачено, що секції радіатора виконано з алюмінієвого сплаву. Крім того, як пристрій для продування повітря через секції радіатора передбачено використання тангенціального вентилятора. В іншому аспекті виконання винаходу електричний нагрівник додатково містить датчик температури приміщення, наприклад радіодатчик. Також, заявлений електричний нагрівник передбачає присутність датчика контролю температури поверхні радіатора. В іншому аспекті виконання винаходу, передбачено пульт управління для керування нагрівником на відстані, при цьому вкачаний пульт управління може являти собою GSMприймач для додаткового керування з мобільною телефону. Переваги винаходу полягають в наступному: 2 UA 110874 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1) Виконання нагрівального елемента щонайменше з двох ТЕНів, встановлених у кожну секцію радіатора, які споживають річну потужність з мережі, призводить до покращення процесу нагрівання, зокрема час, за який прилад досягання необхідної температури нагріву залежить від потужності приладу у співвідношенні до тепловитрат приміщення. При цьому навантаження на мережу дорівнює щосекундним тепловитратам, та у теплу пору року може становити 300 Вт при номінальній 2100 Вт. Таким чином, заявлений прилад є інерційним пристроєм, в якому при покроковому включенні секцій номінальна потужність приладу може фактично регулюватися в залежності від необхідної користувачем та погодних умов, щоб не перевантажувати потужність мереж. При цьому, зазначений процес регулювання покрокового включання проходить за рахунок відповідних засобів-терморегуляторів, якими можна оснастити заявлений радіатор, так як описано, наприклад у RU 2177586 (які загалом не є предметом винаходу), та з використанням відповідних датчиків, описаних у нашому винаході, та докладніше викладені нижче. 2) За допомогою пристрою для продування повітря через секції нагрівника підвищується швидкість нагрівання радіатора з відповідним, подальшим швидким нагрівом приміщення, при цьому повітря, що продувається за рахунок вказаного пристрою, наприклад тангенціального вентилятора, охолоджує поверхню секцій радіатора, що фактично дозволяє видувати підігріте повітря у оточуюче середовище разом з безпосереднім нагріванням приміщення від секцій радіатора. При цьому виконується основна задача - не підвищується температура поверхні радіатора більше ніж 80 °C, що дозволяє не пересушувати повітря та не палити його, та є безпечною температурою експлуатації радіатора, яка не дає можливості для запалення дрібних частинок, що проходить при більш високих температурах. При цьому зниження температур поверхні радіатора дозволяє також встановлювати у секції радіатора нагрівальні елементи більшої потужності, що також впливає на підвищення швидкості обігріву оточуючого середовища. 3) Крім того, за рахунок такого розташування нагрівальних елементів - ТЕНів підвищується надійність експлуатації електричною нагрівача, а саме, при виходу з ладу нагрівального елемента, наприклад, у масляному радіаторі його потрібно замінити, при цьому весь пристрій не буде працездатним, а при виході з ладу одною з ТЕНів у нашому випадку можна замінити вказаний нагрівальний елемент у відповідній секції досить легко, при цьому опалювальний пристрій буде продовжувати свою роботу з необхідною потужністю для нагрівання відповідного приміщення. При цьому заміна вказаного елемента проводиться у відповідному сервісному центрі, причому в економічному плані простіше замінити ТЕН, ніж секцію разом з ТЕНом та може проводити цю заміну у будь-який час, наприклад у теплу пору року. Виконання секцій радіатора з алюмінієвих сплавів дозволяє досягти легкої конструкції. що є актуальним при транспортуванні даного опалювального пристрою, та знизити час теплопередачі між радіатором та навколишнім середовищем, так як алюміній досить швидко нагрівається. Датчик температури приміщення дозволяє визначати температуру приміщення та подавати відповідну Інформацію про температуру на блок управління, який прийнявши відповідні показники вирішує, яку потужність нагрівальних елементів потрібно включити, для того, щоб нагріти приміщення, наприклад, з 15 °C до 22 °C, електричним нагрівником, тобто підвищити якість та економічність роботи вкачаного опалювального приладу. Присутність у електричному нагрівнику датчика контролю температури поверхні радіатора дозволяє контролювати температуру його профілю/ів, і визначати наскільки потрібно підвищити або знизити потужність для оптимальною процесу експлуатації нагрівальних елементів. Керування нагрівником на відстані за рахунок пульту дозволяє підвищити ефективність регулювання та експлуатації приладу. При цьому використання GSM-приймача як вказаного пульта керування на відстані дозволяє змінити програму нагрівання з відповідним керуванням пристрою на відстані, тобто полегшує його експлуатацію, навіть не знаходячись у приміщенні, яке потрібно обігріти, що дозволяє легко його обігріти за короткий час перед приходом в нього користувачів. Далі будуть представлені приклади конкретної реалізації заявленого технічного рішення з посиланням на фігури, на яких зображені приклади реалізації заявленого винаходу, що викладені схематично, однак не обмежені ними. При цьому для кращого розуміння винаходу одні і ті самі елементи на декількох фігурах позначені одними й тими ж цифровими позначеннями. На Фіг. 1 зображений загальний вигляд заявленого електричного нагрівника. На Фіг. 2 зображений вид верхньої частини електричного нагрівника у аксонометрії відповідно до заявленого винаходу. 3 UA 110874 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На Фіг. 3 зображений вид нижньої частини електричного нагрівника у аксонометрії відповідно до заявленого винаходу. На Фіг. 4 зображений боковий вид нижньої частини електричного нагрівника з вставленим тангенціальним вентилятором. На Фіг. 5 зображений приклад тангенціального вентилятора, що використовують у заявленому технічному рішенні. Електричний нагрівник 1, зображений на Фіг. 1, виконаний з декількох секцій (профілів) 2, які загалом виконують з алюмінієвих сплавів. Крім того, у кожний профіль вставлено два ТЕНи один зверху 4', а інший знизу - 4" (Фіг. 2 та 3), при цьому при роботі вказаних ТЕНів кожний з них споживає різну потужність з мережі. Крім того, радіатор містить пристрій для продування повітря через радіатор, зокрема вентилятор 6, який, наприклад, можна розташувати в нижній частині радіатора, де передбачене відповідне посадочне місце 5 (Фіг. 3). При цьому вентилятор 6 регулює подання повітря у секції електричного нагрівника, таким чином як, наприклад, зображено на Фіг. 4. Як вказаний вентилятор можна використовувати тангенціальний вентилятор 6, загальний вид якого відображений на Фіг. 5. Для покращення користування нагрівником він містить блок керування 3, який може виконувати функції датчика температури приміщення, тобто визначати, температуру у приміщенні та автоматично керувати нагрівання приладу. При цьому для енергоефективності приладу важливо автоматичне підтримування заданої температури в приміщенні, крім того, програмування можна виконувати почасово 7 днів на тиждень так, що він може бути запрограмований на включення при відсутності людей у приміщенні, наприклад за 15 хвилин до їх входу. Також передбачено, що вказаний блок керування може містити радіодатчик температури приміщення, який подає відповідний сигнал про температуру у приміщенні на пульт управління у вигляді GSM-приймача для додаткового керування з мобільного телефону. Крім того, для того, щоб контролювати температуру профілю (секції), радіатор може містити датчик контролю температури поверхні секції (не зображено), який розташовують всередині електричного нагрівника. За допомогою вказаних датчиків покращується процес керування радіатору шляхом регулювання необхідної потужності, контролювання температури нагрівання секцій радіатора для запобігання перегріву більше, ніж 80 °C та, відповідно, дозволяє віддалено змінювати настройки. Принцип дії заявленого пристрою, буде розкритий з посилання на приклади реалізації винаходу, зображені на Фіг. 2-4, однак відповідно до суті винаходу не обмежений ними. Електричний нагрівник радіаторного типу 1 виконано з шести профілів 2, при цьому у кожний профіль вставлено по два трубчатих електричних нагрівники - один у нижню частину профілю, а другий - у верхню. При цьому кожна секція включається на обігрів або виключається в залежності від тепловитрат приміщення, які потрібно компенсувати. Після підключення електричного нагрівника до мережі кожний з цих ТЕНів споживає різну потужність. Наприклад, спочатку покроково включається нижній ряд ТЕНів 4", що знаходяться в секціях, потім верхній ряд ТЕНів 4' (також покроково) з одночасним примусовим охолодженням секцій радіатора за допомогою пристрою 6 для продування повітря, що продуває повітря через секції радіатора. Наприклад, як наведено на Фіг. 3, верхні ТЕНи радіатора споживають 150 Вт кожний, тобто загалом всі шість секцій радіатора можуть споживати 900 Вт, а нижні 200 Вт, тобто загалом 1200 Вт (номінальна потужність). При чому, як вказаний продувальний пристрій використовують тангенціальний вентилятор 6 (Фіг. 4), тобто вентилятор діаметрального перерізу, що містить ротор типу "біляче колесо" (ротор порожнистий у центрі та лопатки осьового вентилятора вдовж периферії), робота якого з одночасним включенням ТЕНів є досить ефективною при різкому похолоданні, так як потужність з 900 Вт ми можемо підвищити до 2100 Вт з відповідним кроком 200 Вт. При цьому використання пристрою для продування повітря через радіатор призводить до охолодження секції радіатора, що дозволяє використовувати ТЕНи більшої потужності з підтримуванням оптимальної температури секцій до 80 °C та не опускатися нижче 50 °C, яка не дає можливості для запалення дрібних частинок, що проходить при більш високих температурах. При цьому вентилятор видуває повітря, що підігрівається під час проходження крізь секції радіатора у оточуюче середовище, що також дозволяє підвищувати швидкість нагрівання приміщення. Таким чином, порівнюючи, наприклад з масляним радіатором, в якому присутній нагрівальний елемент з потужністю 350 Вт (тобто біля 2100 Вт на шість секцій), в нашому безрідинному радіаторі на нижні секції подають 200 Вт (1200 Вт), а на верхні 150 Вт (900 Вт), тобто ті ж 2100 Вт. При цьому ефективність самих секцій масляного радіатора низька за рахунок малого оребрення, причому потрібна велика потужність для розігріву масла, так як воно в'язке, а розігрів проходить до температури 140 °C, а по санітарних нормах такі прилади не можуть слугувати стаціонарним опаленням, тому що температура поверхні небезпечна до опіків 4 UA 110874 C2 5 10 15 20 25 30 та спаленню дрібних частинок пилу. Крім чого, у теплу пору року, коли тепловитрати є невеликими, заявлений пристрій буде мати потужність біля 500 Вт, що буде дорівнювати тепловитратам приміщення в поточний час, а масляний радіатор буде працювати з потужністю 1000/2000 Вт. Виходить, що у випадку з масляним радіатором, будуть присутні перевитрати електроенергії та суттєве підвищення температури в приміщенні. Виходить, що заявлений пристрій є досить універсальним, зокрема за рахунок "розумного" керування та швидкості нагрівання ми можемо при виході на роботу в 9.00 при Т=22 °C, програмуємо на період з 9.30 до 16.00 Т=10 °C. Тобто, можна припустити, що з 9.30 до 16.00 температура знизиться, наприклад до 12 °C, тобто радіатор не включався, а з 16.00 до 18,00 програмуємо температуру рівну 22 °C, яка досягається за дві години за рахунок вищевказаних елементів заявленого пристрою. Таким чином, очевидним є те, що заявлений радіатор не буде перевищувати споживання потужності, що необхідна для компенсування тепловитрат приміщення, тобто електричні мережі не будуть перевантажені. Крім того, за рахунок регулювання номінальної потужності, що складається з суми потужностей нагрівальних елементів включених електронікою (вказаних вище датчиків), вибирають оптимальний для користувача режим обігріву приміщення, в залежності від погодних умов та зі зменшення перевантажень мережі. При цьому виникаючий подвійний ефект, тобто тепло передасться у оточуюче середовище від секцій радіатора та теплого повітря, яке видувають з радіатора за допомогою тангенціального вентилятора, що підвищує експлуатаційні властивості пристрою. Крім того, за допомогою відповідних зазначених вище допоміжних пристроїв можна запрограмувати роботу радіатора так, що при відсутності споживачів, він буде працювати при більш низький температурі, а при їх появі радіатор на всій потужності зможе швидко збільшити температуру приміщення до комфортної. Тобто, заявлений нами опалювальний пристрій є інерційним, що суттєво зменшує витрати. Таким чином, використання заявленого опалювального приладу дозволить підвищити ефективність нагрівання, зменшити енергетичні витрати, при цьому підібрати відповідний режим нагрівання, застосовуючи лише ту кількість трубчатих електричних нагрівників та, відповідну кількість секцій радіатора, яка є необхідною та достатньою для нагрівання відповідного приміщення і збільшити швидкість нагрівання, в тому числі шляхом подання підігрітого повітря у оточуюче середовище. Спеціалістам у даній галузі техніки, до якої належить даний винахід, буде зрозуміло, що різноманітні зміни, варіації та модифікації можуть бути виконані без відходження від обсягу заявленого винаходу, що відповідає формулі винаходу. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 1. Електричний нагрівник, який містить безрідинний секційний радіатор та нагрівальний елемент, встановлений у кожній секції радіатора, який відрізняється тим, що нагрівальний елемент кожної секції радіатора складається з двох трубчатих електричних нагрівників, причому кожний з цих трубчатих електричних нагрівників споживає річну потужність, при цьому радіатор виконаний з можливістю посекційного включення, та він містить пристрій для продування повітря через радіатор. 2. Електричний нагрівник за п. 1, який відрізняється тим, що секції радіатора виконано з алюмінієвого сплаву. 3. Електричний нагрівник за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що вказаний пристрій для продування повітря через радіатор є тангенціальним вентилятором. 4. Електричний нагрівник за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що додатково містить датчик температури приміщення. 5. Електричний нагрівник за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що додатково містить датчик контролю температури поверхні радіатора. 6. Електричний нагрівник за будь-яким з пп. 1-5, який відрізняється тим, що він додатково містить пульт управління для керування нагрівником на відстані. 7. Електричний нагрівник за п. 6, який відрізняється тим, що пульт управління являє собою GSM-приймач для додатковою керування, зокрема з мобільного телефону. 5 UA 110874 C2 6 UA 110874 C2 7 UA 110874 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8