Інфрачервоний нагрівач води

Реферат: Винахід належить до теплообмінної техніки, зокрема до пристроїв для нагрівання рідкого середовища та може бути застосована в електричних обігрівальних котлах, бойлерах, а також комбінованих системах нагрівання води та опалення приміщень. Інфрачервоний нагрівач води містить щонайменше два нагрівальних елементи, які підключені до джерела живлення і розміщені в корпусі, при цьому простір між нагрівальними елементами і стінками корпуса заповнений вакуумом. Всі стінки всередині нагрівача покриті сажею, а всередині корпуса розміщено тепловивідний канал для проходження води у формі конуса, причому вздовж одної із стінок корпуса є отвори для проходження води до тепловивідного каналу. Нагрівальні елементи, що розміщенні по обидва боки тепловивідного каналу, являють собою скляну або керамічну колбу, яку піддано термічній обробці та герметизовано від впливу зовнішнього середовища, в яких розміщена вуглеводна нитка у формі спіралі, що сплетена косичкою та знаходиться у вакуумі. Пристрій, що заявляється, має високу надійність, не має магнітних наводок, компактність, зручність виконання, тривалий термін служби та експлуатаційну безпеку. UA 115918 C2 (12) UA 115918 C2 UA 115918 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до теплообмінної техніки, зокрема до пристроїв для нагрівання рідкого середовища та може бути застосована в електричних обігрівальних котлах, бойлерах, а також комбінованих системах нагрівання води та опалення приміщень. Використання електричної енергії в системах життєзабезпечення є не тільки доцільним, але й часто і єдиним можливим. В свою чергу, нагрівачі води потребують значних витрат електроенергії. Надійність та ефективність роботи нагрівачів води на базі споживання електричної енергії визначаються конструктивними особливостями самих приладів та особливо їх нагрівальних елементів. Під час тривалої експлуатації характеристики нагрівачів води в системах погіршуються, що призводить, наприклад, до зміни мікроклімату в приміщенні або до необхідності більш значних витрат електроенергії, до скорочення терміну їх служби і т.д. У зв'язку із вказаними вище особливостями постійно проводяться відповідні технічні розробки, які дозволяють шляхом конструктивних вдосконалень нагрівачів води досягти покращання їх споживчих властивостей, в тому числі енергозбереження. Відомо багато різноманітних електротеплових нагрівачів води, які відрізняються як своїм призначенням, так і принципом їх роботи. Найбільш розповсюдженим аналогом - електротепловим нагрівачем води, наприклад, для проточного водонагрівача або для проточно-накопичувальних водонагрівачів є такі, в яких нагрівальний елемент, так званий ТЕН, являє собою мідну трубку з запресованою в ній ніхромовою нагрівальною спіраллю. Принцип роботи відомого нагрівача полягає в тому, що електричний струм, проходячи по нагрівальній спіралі, нагріває трубку, при цьому тепло передається воді (ГОСТ 13268-88 на стандартний ніхромовий ТЕН). Переваги вказаних вище ТЕНів визначені, в основному, ніхромовою спіраллю. Ніхромові спіралі мають гарні механічні властивості за низьких та високих температур, гарні технологічні властивості - пластичність та зварюваність, не старіють та немагнітні. Недоліком вказаних пристроїв-аналогів з використанням ніхромової спіралі є нерівномірне розподілення теплової енергії, високе енергоспоживання, виділення шкідливих мікрочасток металів, а також утворення шкідливих електромагнітних полів. Відома ще одна група винаходів-аналогів, призначених для перетворення електричної енергії в теплову, а саме електродні нагрівачі рідини (див., наприклад, патенти RU 2151967 або RU 2156410). Відомим аналогом є пристрій трифазного нагрівача з співвісно встановленими та електрично-ізольованими фазними та пасивними електродами описаний в патенті RU 2156410, що утворюють кільцеві камери, які сполучені з нижньою частиною порожнини корпусу, також введені пристрої, які гідравлічно з'єднують кільцеві камери з відвідним патрубком в кришці, патрубки у верхній частині пасивних електродів, ізолюючі втулки, що з'єднують кільцеві камери через патрубки э камерою в кришці, і трубопровід, що з'єднує камеру в кришці 3 відвідним патрубком через регулюючий клапан. Заявлений пристрій має рад переваг, зокрема дозволяє достатньо точно регулювати потужність в залежності від заданої температури, збільшувати номінальну потужність електричного нагрівача, не змінюючи його габаритів, тобто розширювати область робочих параметрів. Недоліком аналога є його конструктивна складність, не введені елементи пристрою, які дозволили б знизити електровитрату. Відомий аналог представлений в патенті RU 2151967, особливий акцент робиться на вирішенні проблеми попередньої водопідготовки залежно від провідності води, що значно відрізняється залежно від регіону землі. Додатково введено електроізолюючий матеріал у вигляді пружини. В результаті вдосконалення відомого пристрою розширено функціональні можливості нагрівача за рахунок нагрівання рідини з різною електричною провідністю. Недоліком аналога є те, що в ньому не вжиті заходи до зниження енерговитрат, що є дуже актуальним. В цей час замість стандартних ТЕНів, що використовуються як нагрівальні елементи для бойлерів, водонагрівальних котлів та ін. активно входять на ринок нагрівачі нового покоління, принцип дії яких полягає у використанні теплового потоку, який складається з двох складових: 01 - теплопередача, 02 - теплове інфрачервоне випромінювання. Саме таке поєднання дозволяє знизити до мінімуму використання електроенергії. Відомим аналогом є пристрій, що описується в патенті на корисну модель UA 18157, суть якого полягає в наступному: на діелектричну підкладку зі скла або кераміки, або кварцу, фарфору, фаянсу наносять резистивний шар, виконаний з пасти для товстоплівкових резисторів, що містять провідну фазу на основі боридів, оксидів металів та склозв'язуючого, 1 UA 115918 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 захисний шар-пасту на основі кварцового піску, керамічного наповнювача та скла, що кристалізується. Відомим аналогом є нагрівач води, в основі якого лежить принцип генерування інфрачервоного випромінювання, яке у вигляді тепла передається до води, що нагрівається, є винахід, описаний у патенті RU 2455579. Пристрій містить, щонайменше один резистивний електронагрівальний елемент, підключений до джерела живлення, термоакумулюючу речовину - керамічний матеріал, споживає в 5,5 разу менше електроенергії, ніж пристрої з ніхромовими спіралями. Незважаючи на досягнуту в результаті застосування інфрачервоного випромінювання нагрівального елемента економію електроенергії, аналог має деякі недоліки. Ці недоліки визначені, в першу чергу, недосконалістю конструктивних елементів нагрівача, що не дозволило досягти більш високих значень енергозбереження. Крім того, практичне використання даного приладу ускладнено у зв'язку з відсутністю доступних технологій його виготовлення. До недоліків відомого нагрівача належить низька експлуатаційна небезпека. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення інфрачервоного нагрівача для води шляхом використання такої сукупності конструкційних елементів та матеріалів, з яких вони виконані, в результаті чого досягається максимально висока ступінь енергозбереження в поєднанні з високими споживчими властивостями. Поставлена задача вирішується тим, що інфрачервоний нагрівач води, згідно з винаходом, містить щонайменше два нагрівальних елементи, підключених до джерела живлення і розміщених в корпусі, при цьому простір між нагрівальними елементами і стінкою корпуса заповнений вакуумом, крім того стінки в середині нагрівача покриті сажею, крім того всередині корпуса проходить тепловивідний канал у формі конуса, призначений для проходження води, причому вздовж одної із стінок корпуса є отвори, а нагрівальний елемент, який розміщений по обидва боки тепловивідного каналу, являє собою високотемпературну скляну або високотемпературну керамічну колбу, в якій розміщена вуглеводна нитка у формі спіралі, яка сплетена косичкою, яка знаходиться в вакуумі, які піддано термічній обробці та герметизовані від впливу зовнішнього середовища. Сукупність конструктивних особливостей інфрачервоного нагрівача води, що заявляється, і вибір матеріалів для його виготовлення дозволяють досягти технічного результату, вираженого в економії електричної енергії на 35-90 % порівняно із відомими. В основі винаходу, лежать процеси, які обумовлені дією ІЧ-складової, спеціальною конструкцією корпусу і матеріалом наповнювача, що заповнює вільний простір між нагрівальними елементами, стінкою корпуса та спеціальним матеріалом яким покриті стінки з середині. ІЧ-складова теплопередача, являє собою вуглеводу нитку сплетену косичкою в формі спіралі, які герметично захищають її від впливу зовнішньої середи, закритим чохлом який виконай з високотемпературної кераміки або високотемпературного скла. Доказано, що саме така конструкція ІЧ-випромінювача забезпечує максимальний внесок у тепловіддачу та відповідний нагрів води, наприклад, в бойлері, бойлері-акумуляторі або в котлі. Суттєвим внеском в досягнення технічного рішення, що заявляється, є спеціальна конструкція корпусу інфрачервоного нагрівача води. Особливістю конструкції корпусу є наявність в ньому каналу в формі конусу для проходження води, призначеного для більш повного нагнітання циркуляції та знімання теплової енергії інфрачервоного випромінювання від поверхні нагрівача до води. Вказана 750 °С, що, в свою чергу, збільшує тепловий потік інфрачервоним випромінюванням до 2,5-3 рази. Додатковому збільшенню теплового потоку сприяє розміщення всередині корпусу спеціального покриття або наповнювача з високим коефіцієнтом чорноти, за який запропоновано сажу або крупнодисперсний кварцовий пісок (0,8-1,2 мм). В процесі теплової обробки інфрачервоного нагрівального елемента, складеного з наведених вище нагрівачів, що мають певне функціональне призначення, виникає витискання повітря з утворенням в тепловій системі вакууму до 1 атм. В процесі вказаних дій відбувається фіксація параметрів нагрівача, яка необхідна для збільшення надійності нагрівальних елементів і збільшення робочої температури. Потім виконують герметизацію корпуса за температури в межах 350-380 °С, після чого інфрачервоний нагрівач води придатний до роботи. Його занурюють у водне середовище і закріплюють на фланці, який підходить до відповідного бойлера або котла. Винахід пояснюється кресленнями, де 2 UA 115918 C2 5 10 15 Фіг. 1 схематичне зображення інфрачервоного нагрівача води з розрізом, що заявляється, на яких: 1 - корпус нагрівача, 2 - простір між нагрівальними елементами і стінкою корпусу, 3 нагрівальні елементи з інфрачервоним випромінювачем в колбі, 4 - підключення нагрівальних елементів до джерела живлення, 5 - заповнення спеціальною сумішшю або вакуумом, 6 тепловивідний конусний канал, 7 - внутрішня стінка вкрита сажею, 8 - шар сажі, 9 - отвори. Фіг. 2 - зображення нагрівача води вигляд знизу, що заявляється. Приклад При порівнянні економічних показників стандартного спірального ТЕНа з потужністю 4 кВт з пристроєм, що заявляється, такого ж призначення і такою ж потужністю (наприклад, нагріву води в бойлері), виявилось, що витрати енергії за добу роботи бойлера із стандартним ТЕНом склав 96 кВт, а для пристрою, що заявляється з 14 нагрівачами - 44 кВт. Економія склала 50 %. Таким чином, спеціальна конструкція інфрачервоного нагрівача, що заявляється, дозволяє досягати економії електричної енергії до 90 %, а стійка економія складає 50 %. Пристрій, що заявляється, має високу надійність, не має магнітних наводок, компактність, зручність виконання, тривалий термін служби та експлуатаційну безпеку. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Інфрачервоний нагрівач води, який відрізняється тим, що містить щонайменше два нагрівальних елементи, які підключені до джерела живлення і розміщені в корпусі, при цьому простір між нагрівальними елементами і стінками корпуса заповнений вакуумом, крім того всі стінки всередині нагрівача покриті сажею, а всередині корпуса розміщено тепловивідний канал у формі конуса для проходження води, причому вздовж одної із стінок корпуса є отвори для проходження води до тепловивідного каналу, а нагрівальні елементи розміщені по обидва боки тепловивідного каналу та являють собою скляну або керамічну колбу, яку піддано термічній обробці і герметизовано від впливу зовнішнього середовища, при цьому в колбах розміщена вуглеводна нитка у формі спіралі, що сплетена косичкою та знаходиться у вакуумі. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3