Інфрачервоний радіатор

Реферат: Винахід належить до теплообмінної техніки, а саме до електронагрівальних приладів, які перетворюють електричну енергію у теплову, та можуть бути використані для автономного обігріву побутових та виробничих приміщень як локальний опалювальний пристрій, зокрема радіатор. Задачею цього винаходу є вдосконалення інфрачервоного радіатора шляхом використання такої сукупності конструкційних елементів та матеріалів, з яких вони виготовлені, в результаті чого досягається максимальна тепловіддача в поєднанні з високими споживчими властивостями та високий рівень енергозбереження. Інфрачервоний радіатор складається з пустотілого каркаса, виконаного з високотеплопровідних металів або їх сплавів, та являє собою набір секцій з каналами, причому канали призначені для циркуляції в них теплоносія та мають форму зрізаного конуса, зверненого більшою основою до наскрізної труби верхньої частини каркаса, яка об'єднує вказані канали, а меншою основою конуса канали звернені до нижньої труби і об'єднані нею, при цьому в нижній трубі встановлено кожух з високотемпературного матеріалу з розміщеним в ньому інфрачервоним нагрівальним елементом, виконаним з вуглецевої ниті, сплетеної у вигляді "косички", та розміщеним з можливістю підключення до джерела напруги, вказаний кожух виконаний трубоподібним, і в ньому попередньо створений вакуум, а простір між кожухом та внутрішньою поверхнею нижньої труби заповнений теплоносієм, що являє собою низькокиплячу рідину, в наскрізній трубі верхньої частини каркаса встановлено клапан для відкачки повітря з каналів та наступної подачі теплоносія. UA 114050 C2 (12) UA 114050 C2 UA 114050 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до теплообмінної техніки, а саме до електронагрівальних приладів, які перетворюють електричну енергію у теплову, та можуть бути використані для автономного обігріву побутових та виробничих приміщень як локальний опалювальний пристрій, зокрема радіатор. В цей час для опалення повітря побутових та промислових приміщень достатньо широко застосовуються радіатори, які являють собою конвективно-радіаційні опалювальні пристрої, що складаються із окремих, зазвичай колончастих елементів (секцій) з каналами, всередині яких циркулює теплоносій. Тепло від радіатора відводиться випромінюванням, конвенцією та теплопровідністю. Радіатори можуть бути чавунними, алюмінієвими, сталевими та біметалічними. Кожний з них має певні переваги, які залежать, в першу чергу, від теплопровідності матеріалу, з якого вони виготовлені, та їх потужності, довговічності. Всі вони призначені для систем центрального опалення і не можуть бути використані в автономному режимі, що на сьогоднішній день є дуже актуальним. Ще одним різновидом радіаторів є масляні. Вони являють собою герметичний корпус, заповнений мінеральним маслом, в якому розміщено електронагрівач. Тепло від електронагрівача передається маслу, потім корпусу, температура якого не перевищує 60-70 °C, а від нього - навколишньому повітрю. Радіатори такого типу призначені для автономного використання, але вони мають ряд недоліків, серед яких пожежонебезпека, причиною якої є вихід з ладу терморегулятора. Загальним недоліком відомих радіаторів є значні енерговитрати та висока їх вартість. Обігрівачами нового покоління є інфрачервоні радіатори. Переваги інфрачервоних радіаторів обумовлені принципом передачі тепла. В інфрачервоних обігрівачах використовується два види передачі тепла: довгохвильовий інфрачервоний та конвекційний. Таке поєднання видів передачі тепла надає можливість ефективного використання електроенергії, що значно підвищує продуктивність обігрівачів і, відповідно, знижує їх вартість. Сучасні технічні розробки інфрачервоних радіаторів основані на оптимальному поєднанні конструктивних особливостей нагрівального елемента і конструкції самого радіатора. Відомий електричний променистий опалювальний пристрій, що складається з корпусу, в якому розташована тепловипромінююча панель (патент РФ № 2168115, МПК F24D 13/00, опубл. 27.05.2001, бюл. №15) із закріпленими на ній трубчастими електронагрівачами, які в процесі роботи передають тепло через тримач на тепловипромінюючу алюмінієву панель. Звернена до підлоги нижня поверхня панелі нагрівається до температури 200 °C, випромінює променисту енергію у вигляді інфрачервоного випромінювання. Вказаний обігрівач також забезпечений теплоізоляційним і відбивним елементами, розташованими над тепловипромінюючою панеллю. Значним недоліком обігрівача є те, що джерелом випромінювання тепла є алюмінієва панель, яка розігрівається трубчастим нагрівальним елементом, але він не забезпечує рівномірний нагрів панелі та не передає повною мірою теплову енергію на тепловипромінюючу поверхню, в результаті чого ККД обігрівача не перевищує 70 %. Інерційність нагріву панелі також збільшує втрати і знижує ККД. Слід зауважити, що такі електронагрівальні пристрої мають досить вузький спектр застосування. Для таких пристроїв характерна низька потужність та недостатні споживчі характеристики. Відомий електронагрівальний пристрій (інфрачервоний радіатор, патент РФ № 2304367 Н05В 3/34, опубл. 10.08.2009) містить два шари електроізоляційної основи, між якими розміщений електропровідний резистивний шар, виконаний на основі вуглецевих волокон, і електрично пов'язані з ним струмопідведення, що виконані у вигляді гнучкого струмопідвідного ланцюга з м'якого дроту. Електропровідний резистивний шар виконаний у вигляді зигзагоподібних секцій резистивного ланцюга з вуглецевих волокон. Кінці кожної секції резистивного ланцюга металізовані міддю та намотані на струмопідведення, причому всі секції резистивного ланцюга виконані з безперервних односпрямованих вуглецевих волокон, що складаються з елементарних волокон, апретованих спеціальною сумішшю. Але недоліком цього пристрою внаслідок наявності контакту вуглецевих волокон з поверхнею електроізоляційної основи є недостатньо ефективний нагрів і невеликий термін експлуатації вуглецевого волокна. Відомо також конвекційна обігрівальна панель (патент України № 47962, НО5В 3/00, опубл. 25.02.2010). Вона містить передній та задній тепловипромінювальні елементи, між якими розташований елемент у вигляді вуглецевої ниті. Нагрівальний елемент виконаний з можливістю підключення до електричної мережі. 1 UA 114050 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Але недоліком вказаного опалювального пристрою є відносно низька ефективність використання нагрівального елемента, що викликана зниженням його температури через наявність значної контактної площі з тепловипромінювальними елементами. Відомо обігрівальний пристрій (РФ № 2455579, МПК F24Н 1/10, опубл. 10.07.2012) для одержання теплової енергії з електричної, що містить щонайменше один резистивний електронагрівальний елемент, підключений до джерела живлення, термоакумулюючу речовину - керамічний матеріал. Нагрівальний елемент виконано з керамічної труби із захисним шаром, яка містить вуглецеву нить із захисним покриттям та нульовим водопоглинанням монолітного керамічного циліндра з отворами для збільшення поверхні теплообміну і каналу для укладки нагрівального елемента Недоліком вказаного пристрою є тривалий період первинного нагріву (68-75 хвилин) а також більш складна, порівняно зі стандартними радіаторами, технологія виготовлення. Найбільш близьким за технічною суттю до винаходу, що заявляється, є корисна модель UA №103052 (F24H 7/06, Н05 В3/00, опубл. 25.11.2015, бюл. № 20). Відоме рішення належить до інфрачервоного опалювального пристрою і містить дві тепловипромінювальні панелі, які сполучені між собою з утворенням щонайменше одного каналу. В каналі розміщений інфрачервоний нагрівальний елемент у вигляді вуглецевих нитей, які складені в шнур плетінням типу "косичка", вказаний елемент з'єднаний з джерелом напруги. Стики каналу чи каналів та шнура з вуглецевих нитей для посилення інфрачервоного випромінювання додатково оброблені відповідною речовиною, наприклад сажею. Крім того, в каналі, в якому розміщений нагрівальний елемент, створено вакуум. У відомому опалювальному пристрої використані сучасні підходи до забезпечення енергозбереження, безпеки, надійності та інших споживчих показників. Але сфера використання заявленого пристрою обмежена, зокрема, формою у вигляді сполучених між собою панелей. Крім того, не передбачені додаткові конструктивні елементи, що підсилюють теплопередачу без втрати енергії, що використовується. Задачею цього винаходу є вдосконалення інфрачервоного опалювального пристрою (радіатора) шляхом використання такої сукупності конструкційних елементів та матеріалів, з яких вони виготовлені, в результаті чого досягається максимальна тепловіддача в поєднанні з високими споживчими властивостями та високий рівень енергозбереження. Поставлена задача вирішується тим, що інфрачервоний радіатор, згідно з винаходом, складається з пустотілого каркаса, виконаного з високотеплопровідних металів або їх сплавів, та являє собою набір секцій з каналами, причому канали призначені для циркуляції в них теплоносія та мають форму зрізаного конуса, зверненого більшою основою до наскрізної труби верхньої частини каркаса, яка об'єднує вказані канали, а меншою основою конуса канали звернені до нижньої труби і об'єднані нею, при цьому в нижній трубі встановлено кожух з високотемпературного матеріалу з розміщеним в ньому інфрачервоним нагрівальним елементом, виконаним з вуглецевої ниті, сплетеної у вигляді "косички", та розміщеним з можливістю підключення до джерела напруги, вказаний інфрачервоний нагрівальний елемент, встановлений у трубоподібному кожусі, виготовленому з високотемпературного матеріалу, з попередньо створеним в ньому вакуумом, а простір між кожухом та внутрішньою поверхнею нижньої труби заповнена теплоносієм, що являє собою низькокиплячу рідину, в наскрізній трубі верхньої частини каркаса встановлено клапан для відкачки повітря з каналів та наступної подачі теплоносія. Сукупність конструктивних особливостей опалювального пристрою (радіатора), що заявляється, належить як до нагрівального елемента, так і до корпусу пристрою, а також до матеріалів, з яких вони виготовлені, дозволяє досягти технічного результату, а саме - високої теплопередачі та економії електричної енергії на рівні інших споживчих властивостей. В основі винаходу лежать процеси, які сформовані дією інфрачервоної складової передачі тепла, яку забезпечує відповідний нагрівальний елемент, з'єднаний з джерелом живлення. Інфрачервоний нагрівальний елемент, що діє у пропонованому радіаторі, виконаний з вуглецевої ниті, сплетеної в "косичку", що дозволяє значно підсилити інфрачервоне випромінювання і тим самим внести додатковий вклад у теплопередачу, що одержують. Тепловий потік, що випромінюється інфрачервоним нагрівальним елементом, характеризується довжиною хвилі 8-15 мкм. Розміщення інфрачервоного нагрівального елемента у вакуумі сприяє створенню таких умов, при яких відсутні втрати тепла елемента, що випромінює, як це відбувається у повітряному середовищі. Розміщення інфрачервоного нагрівального елемента в трубоподібному кожусі, виконаного з високотемпературного матеріалу, тобто такого, який не руйнується від впливу теплового 2 UA 114050 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 випромінювання, сприяє рівномірному розподіленню теплової енергії в теплоносії. Високотемпературним матеріалом, з якого виконаний кожух, може бути, наприклад, спеціальне скло або кераміка. Теплоносієм в цьому технічному рішенні є низькокипляча рідина (35-45 °C), така вимога обумовлена максимальним поглинанням інфрачервоного випромінювання, з одного боку, а, з іншого боку, її особливою властивістю підвищувати теплопередачу на поверхню корпусу радіатора. Одною з можливих рідин є, наприклад, фреон, або бромолітієва рідина. У випадках, коли рідина, що використовується для теплоносія, не містить води, її треба додавати в незначних кількостях, що буде сприяти виключенню утворення надлишкового тиску, а отже, конденсація теплоносія буде відбуватися рівномірно та ефективно. У міру дії інфрачервоного випромінювання на рідину - теплоносій починає випаровуватись, утворюючи газорідинне середовище всередині каналів корпусу, при цьому створюються умови для розриву міжмолекулярних зв'язків речовин рідини, що використовується. Вказаний процес призводить до збільшення в декілька разів часток, які переносять додаткову теплову енергію на внутрішні поверхні радіатора. Досягнувши верхньої частини радіатора, газорідинне середовище переходить у рідинну фазу і повертається у вихідний стан, кількість таких циклів коливається від 45 до 60 на хвилину. Ще одною ознакою пристрою, що заявляється, є виконання каналу для циркуляції рідинитеплоносія у формі зрізаного конуса, меншою основою, зверненого до труби, в якій розміщений нагрівальний елемент. В результаті використання такої форми і розміщення каналів при надходженні до них газорідинного середовища створюється підсилений тиск, який, в свою чергу, активує теплообмінні процеси. Що стосується матеріалу, з якого виготовлено корпус радіатора і від якого також залежить теплопередача до повітря, то він повинен мати високу теплопровідність. З усіх можливих варіантів вказаного матеріалу слід виділити алюміній та його сплав та залізо і його сплави. Крім того, внутрішня поверхня нижньої труби покрита шаром сажі, що має коефіцієнт поглинання ІЧ-випромінювання близько до 1, що забезпечує максимальну інтенсивність та рівномірність її нагріву. Конструкція радіатора, що запропонована автором, передбачає оснащення обладнання автоматикою, що відповідає високим технічним вимогам. Для додаткового зняття тепла інфрачервоний радіатор може бути обладнаний накладками. Суть технічного рішення, що заявляється, пояснюється наступними кресленнями, де фіг. 1 - принципова схема радіатора, фіг. 2 - схема радіатора в розрізі: 1 - пустотілий каркас, 2 - канали, 3 - теплоносій, 4 - пустотіла труба , 5 - нижня труба, 6 - нагрівальний елемент, 7 - джерело напруги, 8 - клапан, 9 - заглушка. Радіатор, що заявляється, працює наступним чином: пристрій підключають через інфрачервоний нагрівальний елемент до джерела напруги 220 В. Нагрівальним елементом проводять нагрів спеціальної рідини, яка при нагріванні утворює парорідинну суміш. Одержаний пар конденсується і віддає тепло через стінки корпуса радіатора оточуючому середовищу. Цикл пap-рідина багаторазово повторюється. Інфрачервоний нагрівальний елемент при напрузі 220 В споживає 280 Вт/год. Робочий електричний тік складає 1,1 А. Маса радіатора складає 10,1 кг, а габаритні розміри 735×540×48 мм. Робоча температура на поверхні радіатора дорівнює 55 °C. Теплова потужність при вказаних параметрах складає в середньому 1 000 Вт. Такий радіатор призначений для обігріву приміщення площею 10-12 м при висоті 2,5 м. Розігрів до оптимальних параметрів відбувається протягом 10 хвилин. Таким чином, спеціальна конструкція радіатора, що заявляється, забезпечує досягнення технічного результату. При співставленні з відомим рівнем техніки - це самий дешевий за експлуатаційними витратами апарат у світі: на виділення 1 кВт теплової енергії в середньому витрачається 200 Вт електричної енергії. Пристрій для обігріву приміщень, що заявляється, працює автономно - не утворює шкідливих випромінювань, надійний і безпечний при експлуатації. 60 3 UA 114050 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Інфрачервоний радіатор, який відрізняється тим, що складається з пустотілого каркаса, виконаного з високотеплопровідних металів або їх сплавів, та являє собою набір секцій з каналами, причому канали призначені для циркуляції в них теплоносія та мають форму зрізаного конуса, зверненого більшою основою до наскрізної труби верхньої частини каркаса, яка об'єднує вказані канали, а меншою основою конуса канали звернені до нижньої труби і об'єднані нею, при цьому в нижній трубі встановлено кожух з високотемпературного матеріалу з розміщеним в ньому інфрачервоним нагрівальним елементом, виконаним з вуглецевої ниті, сплетеної у вигляді "косички", та розміщеним з можливістю підключення до джерела напруги, при цьому кожух виконаний трубоподібним, і в ньому попередньо створено вакуум, а простір між кожухом та внутрішньою поверхнею нижньої труби заповнений теплоносієм, що являє собою низькокиплячу рідину, в наскрізній трубі верхньої частини каркаса встановлено клапан для відкачки повітря з каналів та наступної подачі теплоносія. 2. Інфрачервоний радіатор за п. 1, який відрізняється тим, що додатково оснащений накладками додаткового знімання тепла. 3. Інфрачервоний радіатор за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що каркас виконано з алюмінію або його сплавів. 4. Інфрачервоний радіатор за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що каркас виконано із заліза або його сплавів. 5. Інфрачервоний радіатор за п. 1 або 2, або 3, або 4, який відрізняється тим, що внутрішня поверхня нижньої труби покрита сажею. Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 4