Спосіб нагрівання води електричною енергією, за допомогою трубчастого електричного нагрівача

Реферат: Спосіб нагрівання води електричною енергією, за допомогою трубчастого електричного нагрівача, котрий включає подавання води за допомогою насоса у встановлений об'єм, до контакту з поверхнею трубчастого електричного нагрівача. Створюють два потоки води, де кожний з потоків води спрямовують по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, на відстані від поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, не більше 20 мм. Результуючий вектор швидкості кожного потоку води по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V1 та V2, містить дві складові. Одна складова VX1, VX2, лежить в площині, котра перпендикулярна одній прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача. Інша складова, VY1,VY2, лежить в площині, котра UA 113815 C2 (12) UA 113815 C2 паралельна одній прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача. Cкалярні значення складових результуючого вектора швидкості потоку води по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, VX1 та VY1, VX2 та VY2, мають між собою залежності: VY1=k·VX1, VY2=k·VX2, де k - коефіцієнт пропорційності, котрий лежить в межах від 0,08 до 0,6. Обидва потоки води, по гвинтових каналах, взаємодіють між собою та мають взаємно протилежний обертовий рух і спільно спрямований, в одному напрямку, поступовий рух, по гвинтових каналах. Максимальна площа 2 поперечного перерізу кожного гвинтового каналу не повинна перевищувати 3000 мм . UA 113815 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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, нагрівання води потоком теплової енергії, та видалення нагрітої води, зі встановленого об'єму [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 трубчастого електричного нагрівача, котрий включає подавання води, котру потрібно нагріти до встановленої температури, за допомогою насоса, у встановлений об'єм, до контакту з поверхнею трубчастого електричного нагрівача, подавання електричної напруги на нагрівальну деталь трубчастого електричного нагрівача, створення потоку теплової енергії через поверхню трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, нагрівання води потоком теплової енергії та видалення нагрітої води зі встановленого об'єму [2]. Цьому способу властивий такий самий недолік. В основу винаходу поставлена задача шляхом вдосконалення способу нагрівання води електричною енергією, за допомогою 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 трубчастого електричного нагрівача, котрий включає подавання води, котру потрібно нагріти до встановленої температури, за допомогою насоса, у встановлений об'єм, до контакту з поверхнею трубчастого електричного нагрівача, подавання електричної напруги на нагрівальну деталь трубчастого електричного нагрівача, створення потоку теплової енергії через поверхню трубчастого електричного нагрівача, котра контактує зі водою, нагрівання води потоком теплової енергії, та видалення нагрітої води, з встановленого об'єму, новим є те, що створюють два потоки води, котру нагрівають, де кожний з потоків води спрямовують по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, на відстані від поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, не більше 20 мм, так що результуючий вектор швидкості одного потоку води по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V1, містить дві складові, одна з котрих, VX1, лежить в площині, котра перпендикулярна одній прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, а інша складова, VY1, лежить в площині, котра паралельна одній прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, а результуючий вектор швидкості другого потоку води по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V2, також містить дві складові, одна з котрих VX2, лежить в площині, котра перпендикулярна другій прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, а інша складова, VY2, лежить в площині, котра паралельна другій прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, і скалярні значення складових результуючого вектора швидкості потоку води по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, VX1 та VY1, мають між собою залежність: VY1=k·VX1, та скалярні значення складових результуючого вектора швидкості потоку води по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, VX2 та VY2, мають між собою залежність: VY2=k·VX2, де k коефіцієнт пропорційності, котрий лежить в межах від 0.08 до 0.6, і обидва потоки води, по гвинтових каналах, взаємодіють між собою, та при цьому мають взаємно протилежний обертовий рух і спільно спрямований, в одному напрямку, поступовий рух, по гвинтових каналах, при цьому максимальна площа поперечного перерізу кожного гвинтового каналу не 2 повинна перевищувати 3000 мм , а мінімальний об'єм води, котрий прокачують за допомогою 1 UA 113815 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 насоса, через два гвинтові канали, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, не повинен бути меншим від одного кубічного метра за годину. На фіг. 1 схематично зображено виконання способу нагрівання води електричною енергією, за допомогою трубчастого електричного нагрівача. Суцільними стрілками вказано напрямки рухання потоків води. Літерою V1 позначено результуючий вектор швидкості потоку води, у одному гвинтовому каналі. Літерою Q1 позначена одна пряма частина осі симетрії трубчастого електричного нагрівача. Літерою VX1 позначено складову вектора швидкості потоку води, у гвинтовому каналі, яка лежить в площині, котра перпендикулярна одній прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q1. Літерою VY1 позначено складову вектора швидкості потоку води, у гвинтовому каналі, яка лежить в площині, котра паралельна одній прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q1. Літерою V2 позначено результуючий вектор швидкості потоку води, у другому гвинтовому каналі. Літерою Q2 позначена друга пряма частина осі симетрії трубчастого електричного нагрівача. Літерою VX1 позначено складову вектора швидкості потоку води, у гвинтовому каналі, яка лежить в площині, котра перпендикулярна другій прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q2. Літерою VY1 позначено складову вектора швидкості потоку води у гвинтовому каналі, яка лежить в площині, котра паралельна другій прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q2. На фіг. 2 зображено переріз А-А, вказаний на фіг. 1, суцільними стрілками вказано напрямки рухання води у гвинтових каналах, в проекції на площину поперечного перерізу А-А. На фіг. 3 схематично зображено виконання способу нагрівання води електричною енергією, за допомогою трубчастого електричного нагрівача. Суцільними стрілками вказані напрямки рухання води у площинах поперечних перерізів гвинтових каналів. Літерою L позначена ширина гвинтового каналу в поперечному перерізі. Літерою N позначена відстань між двома найближчими витками гвинтової деталі. Спосіб здійснюють наступним чином. Воду, котру потрібно нагріти до встановленої температури, подають у встановлений об'єм 1 (фіг. 1), через вхідний патрубок 2, за допомогою насоса (на фіг. 1 не вказано), до контакту з поверхнею хоча б одного трубчастого електричного нагрівача 3. Напрямки рухання потоків води на фіг. 1 вказано суцільними стрілками. На нагрівальну деталь 4 (фіг. 2) 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 внутрішній об'єм електричного водогрійного котла чи частиною внутрішнього об'єму електричного водогрійного котла. За допомогою гвинтових деталей 7 та 8 (фіг. 1) створюють два потоки води, котру нагрівають у встановленому об'ємі 1, заповненому водою, по гвинтових каналах 9 та 10, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, на відстані від поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, не більше 20 мм. На фіг. 3 ця відстань позначена літерою L. Гвинтові канали 9 та 10 також утворені за допомогою внутрішньої поверхні встановленого об'єму 11 та додаткових вставок 12 (фіг. 1-3). При цьому результуючий вектор швидкості одного потоку води по гвинтовому каналу 9, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, V1, містить дві складові, одна з котрих VX1, лежить в площині, котра перпендикулярна одній прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q1. Інша складова VY1, лежить в площині, котра паралельна одній прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q1. Результуючий вектор швидкості другого потоку води по гвинтовому каналу 10, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V2, також містить дві складові, одна з котрих, VX2, лежить в площині, котра перпендикулярна другій прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q2. Інша складова, VY2, лежить в площині, котра паралельна другій прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q2. Скалярні значення складових результуючого вектора швидкості одного потоку води по гвинтовому каналу 9, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, VX1 та VY1, мають між собою залежність: VY1=k·VX1, та скалярні значення складових результуючого вектора швидкості другого потоку води по гвинтовому каналу 10, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, VX2 та VY2, мають між 2 UA 113815 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 собою залежність: VY2=k·VX2, де k - коефіцієнт пропорційності, котрий лежить в межах від 0.08 до 0.6. Значення коефіцієнта пропорційності k відповідають значенням кута підйому гвинтових деталей 7 та 8, при їх розгортанні, з площиною, яка є перпендикулярною прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q1, чи з площиною, яка є перпендикулярною прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q2, котрий лежить в межах від 4,6 градусів до 31,0 градусів. Гвинтові деталі 7 та 8 можуть бути виготовлена як з металевого так і з неметалевого матеріалу. Обидва потоки води, по гвинтових каналах 9 та 10, взаємодіють між собою, та при цьому мають взаємно протилежний обертовий рух, і спільно спрямований, в одному напрямку, поступовий рух. На фіг 2 суцільними стрілками вказано напрямки рухання води у гвинтових каналах 9 та 10, в проекції на площину поперечного перерізу А-А. Взаємодія двох потоків води, що рухаються по гвинтових каналах, створює вихрові потоки води у самих гвинтових каналах 9 та 10. На фіг. 3 суцільними стрілками вказані напрямки рухання води у площинах поперечних перерізів гвинтових каналів. Максимальна площа поперечного перерізу кожного гвинтового каналу 9 та 10 не повинна 2 перевищувати 3000 мм . Площу поперечного перерізу кожного гвинтового каналу 9 та 10-S вираховують із співвідношення: S=L·Ν, де N - відстань між двома найближчими витками гвинтової деталі, a L - ширина гвинтового каналу в поперечному перерізі. В цьому випадку, площа S буде площею прямокутника. Однак внутрішня поверхня електричного водогрійного котла 11 та додаткові вставки 12, можуть мати будь яку поверхню, особливо при штампуванні чи литтю у форму деталей корпусу 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 два гвинтові канали 9 та 10, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, не повинен бути меншим від одного кубічного метра за годину. Нагріту воду видаляють зі встановленого об'єму 1, через вихідний патрубок 13. 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 гвинтовому каналу, 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 водяного 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 3 UA 113815 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 бульбашок водяної пари, утворюється одна бульбашка водяної пари, котра містить пару з двох чи більше бульбашок водяної пари, що зіткнулися. Під дією виштовхуючої сили відбувається відділення бульбашки водяної пари від поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. Значний вплив на зменшення часу формування бульбашок водяної пари, на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, забезпечує потік води біля поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. Поверхня трубчастого електричного нагрівача 3 має певну шорсткість. Рух бульбашок пари по шорсткій поверхні призводить до руйнування парової плівки. Додатково, вихрові потоки води (на фіг. 3 вказано суцільними стрілками), що утворюються в гвинтових каналах, при взаємодії двох потоків води, що рухаються по двох гвинтових каналах, та мають взаємно протилежний обертовий рух навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, також зменшують час формування бульбашок водяної пари на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. Ці вихрові потоки також руйнують бульбашки водяної пари, котрі формуються на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. Однак ці вихрові потоки здатні втягувати бульбашки водяної пари всередину вихрового потоку. Ці вихрові потоки взаємодіють з бульбашками водяної пари, котрі формуються на поверхні трубчастого електричного нагрівача 3. Така взаємодія зменшує тангенціальну швидкість води в шарах вихрового потоку, і вода із зменшеною тангенціальною швидкістю витискається всередину вихрового потоку, втягуючи туди бульбашки пари, з якими вона взаємодіє. Велика турбулентність водяного потоку також сприяє швидкому розчиненню водяної пари у воді. При цьому відстань L не повинна бути більшою 30 мм, а також площа S не повинна бути більшою 3000 мм, при прокачуванні за допомогою насоса мінімального об'єму води, через встановлений об'єм 1, заповнений водою, по гвинтових каналах 9 та 10, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача 3, котра контактує з водою, не менше від одного кубічного метра 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. 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 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 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 прокачування води за допомогою відцентрового насоса складала один кубічний метр за годину. Коефіцієнта пропорційності k складав, при цьому 0.1, що відповідало значенню кута підйому гвинтових деталей 7 та 8, при їх розгортанні, з площиною, яка є перпендикулярною прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q1, чи з площиною, яка є перпендикулярною прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача Q2, 6.0 градусів. Швидкість нагрівання води до 60 °C зростала майже на 25 %, 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. 60 4 UA 113815 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 Спосіб нагрівання води електричною енергією, за допомогою трубчастого електричного нагрівача, котрий включає подавання води, котру потрібно нагріти до встановленої температури, за допомогою насоса, у встановлений об'єм, до контакту з поверхнею трубчастого електричного нагрівача, подавання електричної напруги на нагрівальну деталь трубчастого електричного нагрівача, створення потоку теплової енергії через поверхню трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, нагрівання води потоком теплової енергії та видалення нагрітої води зі встановленого об'єму, який відрізняється тим, що створюють два потоки води, котру нагрівають, де кожний з потоків води спрямовують по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, на відстані від поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, не більше 20 мм, так що результуючий вектор швидкості одного потоку води по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V1, містить дві складові, одна з котрих, VX1, лежить в площині, котра перпендикулярна одній прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, а інша складова, VY1, лежить в площині, котра паралельна одній прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, а результуючий вектор швидкості другого потоку води по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, V2, також містить дві складові, одна з котрих, VX2, лежить в площині, котра перпендикулярна другій прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, а інша складова, VY2, лежить в площині, котра паралельна другій прямій частині осі симетрії трубчастого електричного нагрівача, і скалярні значення складових результуючого вектора швидкості потоку води по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, VX1 та VY1, мають між собою залежність: VY1=k·VX1 та скалярні значення складових результуючого вектора швидкості потоку води по гвинтовому каналу, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, VX2 та VY2, мають між собою залежність: VY2=k·VX2, де k - коефіцієнт пропорційності, котрий лежить в межах від 0,08 до 0,6, і обидва потоки води, по гвинтових каналах, взаємодіють між собою, та при цьому мають взаємно протилежний обертовий рух, і спільно спрямований, в одному напрямку, поступовий рух, по гвинтових каналах, при цьому максимальна площа поперечного перерізу кожного гвинтового каналу не повинна перевищувати 2 3000 мм , а мінімальний об'єм води, котрий прокачують за допомогою насоса, через два гвинтові канали, навколо поверхні трубчастого електричного нагрівача, котра контактує з водою, не повинен бути меншим від одного кубічного метра за годину. 5 UA 113815 C2 6 UA 113815 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7