Спосіб нагрівання води електричною енергією, за допомогою хоча б одного трубчастого електричного нагрівача

Реферат: Спосіб нагрівання води електричною енергією, за допомогою щонайменше одного трубчастого електричного нагрівача, включає подавання води за допомогою насоса у встановлений об'єм до контакту з поверхнею щонайменше одного трубчастого електричного нагрівача, створення потоку теплової енергії через поверхню трубчастого електричного нагрівача та нагрівання води потоком теплової енергії. Створюють потік води по гвинтовій траєкторії навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача на відстані від поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, не більше 30 мм. Максимальна площа поперечного 2 перерізу потоку води по гвинтовій траєкторії не повинна перевищувати 3000 мм . Мінімальний об'єм води, котрий прокачують за допомогою насоса, через встановлений об'єм не повинен 3 бути меншим від 1,0 м за годину. Результуючий вектор швидкості потоку води по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, V, містить дві складові, одна з яких, V1, лежить в площині, котра перпендикулярна повздовжній осі симетрії трубчастого UA 109518 C2 (12) UA 109518 C2 електричного нагрівача, а інша складова, V2, лежить в площині, котра паралельна повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача. Скалярні значення складових результуючого вектора швидкості потоку води по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V1 та V2, мають між собою залежність V2=k·V1, де k - коефіцієнт пропорційності, котрий лежить в межах від 0,08 до 0,6. UA 109518 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до теплової енергетики, і може бути використаний в електричних водогрійних котлах, в котрих для нагрівання води використовують хоча б один трубчастий електричний нагрівач (ТЕН). Відомий спосіб нагрівання води електричною енергією, котрий включає подавання води, котру потрібно нагріти до встановленої температури, за допомогою насоса, у встановлений об'єм, до контакту з поверхнею електричного нагрівального пристрою, подавання електричної енергії до електричного нагрівального пристрою, створення потоку теплової енергії через поверхню електричного нагрівального пристрою, котра контактує з водою, та нагрівання води потоком теплової енергії [1]. Недоліком цього способу є мала кількість теплової енергії, котру передають з одиниці площі поверхні електричного нагрівального пристрою, котра контактує з водою, воді, котру нагрівають, в одиницю часу. При виконанні цього способу ніяк не зменшують час формування бульбашок водяної пари на поверхні електричного нагрівального пристрою, котра контактує з водою. Водяна пара має значно нижчу теплопровідність, ніж вода (приблизно таку саму як і повітря). Це й зменшує кількість теплової енергії, котру передають з одиниці площі поверхні електричного нагрівального пристрою, котра контактує з водою, воді, котру нагрівають, в одиницю часу. Найбільш близьким є спосіб нагрівання води електричною енергією, за допомогою хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, котрий включає подавання води, котру потрібно нагріти до встановленої температури, за допомогою насоса, у встановлений об'єм, до контакту з поверхнею хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, подавання електричної напруги на нагрівальну деталь хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, створення потоку теплової енергії через поверхню трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, та нагрівання води потоком теплової енергії [2]. Цьому способу властивий такий самий недолік. В основу винаходу поставлена задача, шляхом вдосконалення способу нагрівання води електричною енергією, за допомогою хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, збільшити кількість теплової енергії, котру передають воді, з одиниці площі поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, воді, котру нагрівають, в одиницю часу. Поставлена задача вирішується тим, що у способі нагрівання води електричною енергією, за допомогою хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, котрий включає подавання води, котру потрібно нагріти до встановленої температури, за допомогою насоса, у встановлений об'єм, до контакту з поверхнею хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, подавання електричної напруги на нагрівальну деталь хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, створення потоку теплової енергії через поверхню трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, та нагрівання води потоком теплової енергії, новим є те, що створюють потік води, котру нагрівають у встановленому об'ємі, заповненому водою, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, на відстані від поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, не більше 30 мм, при цьому максимальна площа поперечного перерізу потоку води, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з 2 водою, не повинна перевищувати 3000 мм , а мінімальний об'єм води, котрий прокачують за допомогою насоса, через встановлений об'єм, заповнений водою, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, не повинен бути 3 меншим від 1,0 м за годину, і при цьому результуючий вектор швидкості потоку води по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V, містить дві складові, одна з котрих, V1, лежить в площині, котра перпендикулярна повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, а інша складова, V2, лежить в площині, котра паралельна повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, і скалярні значення складових результуючого вектора швидкості потоку води по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V1 та V2, мають між собою залежність: V2=k·V1, де k - коефіцієнт пропорційності, котрий лежить в межах від 0,08 до 0,6. На кресленні схематично зображено виконання способу нагрівання води електричною енергією, за допомогою хоча б одного трубчастого електричного нагрівача. Суцільними стрілками вказано напрямки рухання потоків води. Літерою L позначена відстань від поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, на якій створюють потік води, котру нагрівають у встановленому об'ємі, заповненому водою, по гвинтовій траєкторії. Літерою N позначена відстань між двома найближчими витками гвинтової деталі. Літерою V позначено 1 UA 109518 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 результуючий вектор швидкості потоку води, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою. Літерою Q позначена вісь симетрії трубчастого електричного нагрівача. Літерою V1 позначено складову вектора швидкості потоку води, по гвинтовій траєкторії, яка лежить в площині, котра перпендикулярна повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача лежить в площині, котра перпендикулярна повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача. Літерою V2 позначено складову вектора швидкості потоку води, по гвинтовій траєкторії, яка лежить в площині, котра паралельна повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача. Спосіб здійснюють наступним чином. Воду, котру потрібно нагріти до встановленої температури, подають у встановлений об'єм 1 (див. креслення), через вхідний патрубок 2, за допомогою насоса (на кресленні не вказано), до контакту з поверхнею хоча б одного трубчастого електричного нагрівача 3. Напрямки рухання потоків води на кресленні вказано суцільними стрілками. На нагрівальну деталь 4, хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, подають електричну напругу, використовуючи клеми 5 та провідники електричного струму 6. Електричним струмом нагрівають нагрівальну деталь 4, і таким чином створюють потік теплової енергії через поверхню трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою. За допомогою потоку теплової енергії, через поверхню трубчастого електричного нагрівача 3, здійснюють нагрівання води у встановленому об'ємі 1. Встановленим об'ємом 1 може бути внутрішнім об'ємом електричного водогрійного котла чи частиною внутрішнього об'єму електричного водогрійного котла. За допомогою гвинтової деталі 7 створюють потік води, котру нагрівають у встановленому об'ємі 1, заповненому водою, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, на відстані від поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, не більше 30 мм. На кресленні ця відстань позначена літерою L. При цьому максимальна площа поперечного перерізу потоку води, по 2 гвинтовій траєкторії, не повинна перевищувати 3000 мм . При використанні гвинтової деталі 7 та циліндричної внутрішньої поверхні електричного водогрійного котла, площу поперечного перерізу потоку води, по гвинтовій траєкторії, S, вираховують із співвідношення: S=L·N, де N відстань між двома найближчими витками гвинтової деталі, a L - відстань від поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, на якій створюють потік води, котру нагрівають у встановленому об'ємі 1, заповненому водою, по гвинтовій траєкторії. Тобто, в цьому випадку, площа S буде площею прямокутника. Однак внутрішня поверхня електричного водогрійного котла, може мати будь-яку поверхню, особливо при штампуванні чи литтю у форму деталей корпуса електричного водогрійного котла, і сам трубчастий електричний нагрівач може мати будь яку форму та конструкцію. Тому площа S може бути площею будь якої геометричної фігури. Мінімальний об'єм води, котрий прокачують за допомогою насоса, через встановлений об'єм 1, заповнений водою, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного 3 нагрівача 3, котра контактує з водою, не повинен бути меншим від 1,0 м за годину. Нагріту воду видаляють з встановленого об'єму 1, через вихідний патрубок 8. Результуючий вектор швидкості потоку води по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, V, містить дві складові. Одна складова, V1, лежить в площині, котра перпендикулярна повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q. Інша складова, V2, лежить в площині, котра паралельна повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q. При цьому скалярні значення складових результуючого вектора швидкості потоку води по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, V1 та V2, мають між собою залежність: V2=k·V1, де k - коефіцієнт пропорційності, котрий лежить в межах від 0,08 до 0,6. Значення коефіцієнта пропорційності k відповідають значенням кута підйому гвинтової траєкторії потоку води, утворений напрямком гвинтової траєкторії потоку води, при її розгортанні, з площиною, яка є перпендикулярною повздовжній осі симетрії Q трубчастого електричного нагрівача. В цьому випадку кут підйому гвинтової траєкторії потоку води, утворений напрямком гвинтової траєкторії потоку води, при її розгортанні, з площиною, яка є перпендикулярною повздовжній осі симетрії Q трубчастого електричного нагрівача, лежить в межах від 4,6 градусів до 31,0 градусів. По суті, значення коефіцієнта пропорційності k є тангенсом кута підйому гвинтової траєкторії потоку води, утворений напрямком гвинтової траєкторії потоку води, при її розгортанні, з площиною, яка є перпендикулярною повздовжній осі 2 UA 109518 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 симетрії Q трубчастого електричного нагрівача. Кут підйому гвинтової траєкторії потоку води, забезпечує гвинтова деталь 7. Гвинтова деталь 7 може бути виготовлена як з металевого так і з неметалевого матеріалу. Можливо також використовувати і інші пристрої, котрі здатні забезпечити потік води, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. Деталі пристроїв, котрі здатні забезпечити потік води, по гвинтовій траєкторії, можуть бути також невідокремленими частинами деталі чи деталей корпусу електричного водогрійного котла, виготовленими шляхом штампування чи литтям металу у форму, разом з деталями чи деталлю корпусу електричного водогрійного котла. Потік теплової енергії через поверхню трубчастого електричного нагрівача 3, забезпечує формування бульбашок водяної пари, на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. Кожна бульбашка водяної пари формується на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, до того часу, поки виштовхуюча з води сила, що діє на бульбашку водяної пари, не перевищить сили взаємодії бульбашки водяної пари з водою. Після того, як виштовхуюча з води сила, що діє на бульбашку водяної пари, перевищить сили взаємодії бульбашки водяної пари з водою, бульбашка водяної пари відділяється від поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. За час формування бульбашки водяної пари, та частина поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, на котрій формується бульбашка водяної пари, є майже теплоізольованою від води, оскільки теплопровідність водяної пари, значно нижча від теплопровідності води. Теплопровідність водяної пари майже така як і теплопровідність повітря. Це значно уповільнює нагрівання води за допомогою трубчастого електричного нагрівача. Щоб прискорити нагрівання води за допомогою трубчастого електричного нагрівача, необхідно зменшити час формування бульбашок водяної пари на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. Зменшують час формування бульбашок водяної пари на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, за допомогою створення потоку води, котру нагрівають у встановленому об'ємі, заповненому водою 1, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою. Зменшенню часу формування бульбашок водяної пари на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, перш за все, сприяє турбулентність водного потоку. Потік води, яку прокачують за допомогою насоса, через встановлений об'єм 1, заповнений водою, завжди має турбулентність, тобто містить вихрові потоки води. Вихрові потоки води взаємодіють з бульбашками водяної пари, котрі формуються на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, і руйнують бульбашки водяної пари, котрі формуються на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. Це відбувається в результаті коливання водяної плівки, котра контактує з водяною парою бульбашки, і з котрою взаємодіють вихрові потоки води. Тобто, в цьому випадку добавляються динамічні навантаження на бульбашку водяної пари, котра формується на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. І також це відбувається при зіткненні бульбашки водяної пари, котра вже відділилась від поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, і рухається в воді, з бульбашкою пари, котра ще формується на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. При зіткненні двох чи більше бульбашок водяної пари, утворюється одна бульбашка водяної пари, котра містить пару з двох чи більше бульбашок водяної пари, що зіткнулися. Але більш значний вплив на зменшення часу формування бульбашок водяної пари, на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, здійснює відцентрова сила, котра діє на кожну бульбашку водяної пари, що формується. Відцентрова сила обумовлена руханням потоку води по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою. Відцентрова сила, по суті відриває бульбашку водяної пари, котра формується, від поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. При цьому відстань L не повинна бути більшою 30 мм, а також площа S не повинна бути 2 більшою 3000 мм , при прокачуванні за допомогою насоса мінімального об'єму води, через встановлений об'єм 1, заповнений водою, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого 3 електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, не менше від 1,0 м за годину. При інших значеннях вказаних параметрів, відбудеться значне зменшення турбулентності потоку води, котру нагрівають, та відбудеться значне зменшення відцентрової сили, котра діє на бульбашки водяної пари, які формуються на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, що збільшить час формування бульбашок водяної пари на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. 3 UA 109518 C2 5 10 15 20 25 Коефіцієнт пропорційності k не повинен бути меншим від 0,08, оскільки це невиправдано збільшить гідродинамічний опір потоку води, і як наслідок, невиправдано збільшить енергоспоживання насоса. Коефіцієнт пропорційності k не повинен бути більшим від 0,6, оскільки це призведе до значного зменшення відцентрової сили, котра діє на бульбашки водяної пари, які формуються на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, що збільшить час формування бульбашок водяної пари на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. Таким чином спосіб нагрівання води електричною енергією, за допомогою хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, дозволяє збільшити кількість теплової енергії, котру передають воді, з одиниці площі поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, воді, котру нагрівають, в одиницю часу. Це, в свою чергу, дозволяє, для опалення однієї й тієї ж площі, використовувати електричний водогрійний котел меншої потужності, та/чи менших габаритних розмірів. Приклад конкретного виконання 2 Спосіб випробуваний в лабораторних умовах, при опалюванні житлової площі в 32 м електричним водогрійним котлом потужністю 3 КВт. При цьому відстань L складала 10 мм, 2 площа S складала 100 мм (діаметр трубчастого електричного нагрівача 12 мм), швидкість 3 прокачування води за допомогою відцентрового насоса складала 1,0 м за годину. Коефіцієнта пропорційності k складав при цьому 0,1, що відповідало значенню кута підйому гвинтової траєкторії потоку води, утвореного напрямком гвинтової траєкторії потоку води, при її розгортанні, з площиною, яка є перпендикулярною повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, 6,0 градусів. Швидкість нагрівання води до 60 °C зростала майже на 20 %, в порівнянні з використанням звичайного електричного водогрійного котла, такої самої потужності. Джерела інформації: 1. Патент України на винахід № 91947, 09 F24H 1/00, опублікований 10.09.2010, бюл. № 17, 2010. 2. Патент України на корисну модель № 34978, 06 F24H 1/00, опублікований 26.08.2008, бюл. № 16, 2008. 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 Спосіб нагрівання води електричною енергією, за допомогою хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, котрий включає подавання води, котру потрібно нагріти до встановленої температури, за допомогою насоса, у встановлений об'єм, до контакту з поверхнею хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, подавання електричної напруги на нагрівальну деталь хоча б одного трубчастого електричного нагрівача, створення потоку теплової енергії через поверхню трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, та нагрівання води потоком теплової енергії, який відрізняється тим, що створюють потік води, котру нагрівають у встановленому об'ємі, заповненому водою, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, на відстані від поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, не більше 30 мм, при цьому максимальна площа поперечного перерізу потоку води, по гвинтовій траєкторії, не повинна 2 перевищувати 3000 мм , а мінімальний об'єм води, котрий прокачують за допомогою насоса, через встановлений об'єм, заповнений водою, по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, не повинен бути меншим від 1,0 3 м за годину, і при цьому результуючий вектор швидкості потоку води по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V, містить дві складові, одна з котрих, V1, лежить в площині, котра перпендикулярна повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, а інша складова, V2, лежить в площині, котра паралельна повздовжній осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, і скалярні значення складових результуючого вектора швидкості потоку води по гвинтовій траєкторії, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V1 та V2, мають між собою залежність: V2=k·V1, де k - коефіцієнт пропорційності, котрий лежить в межах від 0,08 до 0,6. 4 UA 109518 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5