способ получения тепловой энергии из электрической и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения тепловой энергии из электрической, включающий размещение нагревательного элемента в окружение теплоаккумулирующего вещества, изолированного вместе с нагревательным элементом в своем объеме от окружающего пространства теплосъемной поверхностью с образованием нагревательного устройства, размещение полученного одного или более нагревательных устройств в окружающее обогреваемое пространство, подвод к нагревательному элементу электрической энергии, омывание теплосъемной поверхности устройства воздухом из помещения, отличающийся тем, что в качестве теплоаккумулирующего вещества используют твердое внутри поверхности нагревательного элемента и газообразное вне поверхности нагревательного элемента вещество (воздух), увеличение общего рабочего теплосъема нагревательного устройства в целом достигают за счет сопряженного между собой увеличения (развития) исходной площади поверхности теплосъема нагревательного элемента, объема газообразного теплоаккумулирующего вещества вокруг него, площади самой теплосъемной поверхности нагревательного устройства, через создание зазора (расстояния) между этими рабочими поверхностями за счет интенсивности омывания теплосъемной поверхности нагревательного устройства воздухом из помещения, а также путем регулирования параметров электрического тока на нагревательном элементе, оптимальный нагрев нагревательного элемента для заданного обогрева находят в диапазоне выше температуры окружающей среды, но ниже температуры нагревательного элемента, выбранной с учетом возможности функционального выхода из строя электропроводки обогреваемого пространства, получают тем самым и используют для обогрева нагревательное устройство в виде газомолекулярного преобразователя тепла с малыми значениями удельной мощности и большими значениями коэффициента передачи тепла, используя его для преобразования электрической энергии в тепловую при условии

Q = E_вн, A = O,

где E_вн - внутренняя энергия газообразного вещества;

A - работа по переносу тепла,

а обогрев осуществляют при равенстве рабочих температур поверхности нагревательного элемента и теплосъемной поверхности нагревательного устройства.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что теплосъемную поверхность нагревательного устройства увеличивают дополнительно, делая ее волнистой, ребристой или гофрированной.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что нагревательный элемент нагревают до температуры ниже его свечения.

4. Устройство для получения тепловой энергии их электрической (электровоздухонагреватель), содержащее корпус, разделенный на две камеры - внешнюю и внутреннюю, снабженные входным и выходным отверстиями, во внутренней камере которого размещено, по меньшей мере, одно нагревательное устройство, включающее нагревательный элемент, подключенный к источнику питания, и теплоаккумулирующее вещество, и внутри выполненное в виде изолированного от вне объемного пространства, при этом на входном отверстии корпуса размещено устройство принудительной циркуляции теплоносителя, например, воздуха, по поверхности нагревательного устройства, например, вентилятор, отличающееся тем, что обе камеры выполнены сообщающимися, входное отверстие в корпусе расположено напротив входного отверстия во внутреннюю камеру, а выходное отверстие внутренней камеры служит входным отверстием во внешнюю камеру, теплоаккумулирующее вещество нагревательного устройства включает твердое внутри поверхности нагревательного элемента и газообразное (воздух) вне поверхности нагревательного элемента вещество.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что корпус выполнен по форме цилиндра или параллелепипеда.

6. Устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что корпус выполнен по форме в виде гофрированного цилиндра или параллелепипеда.

7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде сборного тарельчатого цилиндра или параллелепипеда.

8. Устройство по каждому из пп.4 - 7, отличающееся тем, что нагревательное устройство имеет форму параллелепипеда.

9. Устройство по каждому из пп.4 - 7, отличающееся тем, что нагревательное устройство имеет форму цилиндра.

10. Устройство по каждому из пп.4 - 7, отличающееся тем, что нагревательное устройство имеет форму шара.

11. Устройство по каждому из пп.4 - 10, отличающееся тем, что поверхность нагревательного устройства имеет гофрированную форму.

12. Устройство по каждому из пп.4 - 11, отличающееся тем, что выходных отверстий для горячего теплоносителя более одного и расположены они по поверхности корпуса в нижней его части.

13. Устройство по каждому из пп.4 - 12, отличающееся тем, что источник питания снабжен выпрямительным устройством типа диод или понижающим трансформатором для скачкообразного регулирования силы тока на электронагревательном элементе.

14. Устройство по каждому из пп.4 - 13, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено устройством прямой и обратной связи с окружающей воздушной средой, например, состоящим из датчика температуры воздуха с дистанционным выносом его за пределы предлагаемого устройства, для автоматического включения или выключения источника питания.

15. Устройство по каждому из пп.4 - 14, отличающееся тем, что оно дополнено опорой, расположенной в нижней части перед устройством для принудительной циркуляции теплоносителя и снабженной щелями для всасывания воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и теплообменной технике, а именно к электронагреву жидкой, воздушной, твердой среды, и может быть использовано, в частности, для отопления жилых и производственных помещений и автономного создания тепловых завес.

Широкое распространение имеют способы получения тепловой энергии из электрической на основе электронагревателей, представляющих собой нагревательный элемент, голый или же окруженный теплоаккумулирующим веществом, например кварцевым песком, и покрытый снаружи оболочкой, являющейся теплосъемной поверхностью. В этом случае для выделения определенного количества тепла необходимо совершать определенную работу. Связь между работой и количеством тепла устанавливают по закону Джоуля-Ленца:

Q = 0,24 х P x t [Е.В.Китаев, Н.Ф.Гревцев. Курс общей электротехники. М. : Советская Наука, 1945, стр.26-27],

где P - мощность источника, Вт;

t - время нагрева, с;

0,24 - тепловой эквивалент единицы работы, кал/Дж.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия для составного твердого вещества (нагревательного элемента, кварцевого песка и теплосъемной поверхности в виде оболочки) складывается из суммы кинетической энергии всех молекул и потенциальной энергии их взаимодействия

Е_вн.=E_пост.+П, где Е_пост.<<П,пост. - молекулярно-кинетическая энергия твердого вещества;

П - молекулярно-потенциальная энергия твердого вещества.

Ввиду большой глубины потенциальной ямы для твердого вещества прикладывают большие мощности для того чтобы увеличить средние скорости движения молекул в пределах потенциальной ямы. Поэтому для получения необходимого количества тепла требуется совершать большую работу. Первый закон термодинамики фиксирует это утверждение в следующем виде

Q=E_вн.+A,

где E_вн. - внутренняя энергия твердого вещества;

A - работа, затраченная на выделение тепла.

Известен способ получения тепловой энергии из электрической для обогрева [Д. А.Лепаев. Справочник слесаря по ремонту бытовых электроприборов и машин. М.: Легпромбытиздат, 1988, стр.51-52], заключающийся в том, что берут нагревательный элемент, помещают его в окружающее пространство, подводят электрический ток и доводят нагревательный элемент до яркого свечения, включают вентилятор, обдувают поверхность нагревательного элемента и нагревают воздух помещения.

Используемое в этом аналоге устройство для обогрева типа электровентилятор серийно выпускают отечественные и зарубежные предприятия. Его используют как дополнительную технологию получения тепла к существующим на основе водяных радиаторов, питающихся от тепловых сетей. Следовательно, с его помощью нельзя автономно экономно отапливать помещения без тепловых сетей. Поэтому этот аналог на основе использования известных серийно выпускаемых электровентиляторов мощностью 2 - 10 кВт не получил широкого распространения для автономного отапливания помещений ввиду следующих недостатков:

высокое потребление электроэнергии;

небольшой теплосъем в единицу времени ввиду малой теплосъемной поверхности;

низкий КПД способа на основе использования такого устройства;

нарушение экологии обогреваемых помещений в связи с высокой температурой на поверхности нагревательного элемента, например, нихрома, влияющей на качественный состав воздуха.

Известен также способ получения тепловой энергии из электрической для нагрева [Е. В.Китаев, Н.Ф.Гревцев. Курс общей электротехники. М.: Советская наука, 1945, стр.27], заключающийся в том, что берут нагревательный элемент, окружают его твердым теплоаккумулирующим веществом, например порошкообразным, кварцевым песком, изолируют все это от окружающей среды теплосъемной поверхностью, например, трубчатого типа и получают устройства типа ТЭН, подводят к нему электрический ток и обогревают выделяемым теплом окружающую среду, например воду.

Области применения способа на основе использования ТЭНов в зависимости от условий эксплуатации разнообразны. Они применяются для нагрева воды, слабых растворов кислот при температуре теплосъемной поверхности 100^oC; для нагрева газовой среды при температуре теплосъемной поверхности до 450^oC; для прогрева селитры при температуре на теплосъемной поверхности 600^oC и т.п.

Основные недостатки этого аналога на основе использования ТЭНов:

высокое потребление электроэнергии;

небольшой теплосьем в единицу времени из-за малой теплосъемной поверхности;

низкий КПД на основе использования этого устройства;

высокие значения удельной мощности, Вт/см².

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения тепловой энергии из электрической (Свидетельство на полезную модель N 4365, МПК 6 F 24 H 7/00, 19.04.96 г., опубл. 16.06.97 г., бюл. N 6), заключающийся в том, что берут электронагревательный элемент, окружают его твердым теплоаккумулирующим веществом, например парафином ОКП-50, изменяющим свое агрегатное состояние в диапазоне рабочих температур, изолируют все это от окружающей среды теплосъемной поверхностью, например, трубчатого типа диаметром 50 мм. Помещают все это в камеру, заполненную жидкостью, например минеральным маслом. Камеру снабжают теплосъемной поверхностью, которую обдувают воздушными потоками, например, с помощью вентилятора. Предварительно к электронагревательному элементу подводят электрический ток. Обогревают окружающую среду воздухом.

Недостатки способа прототипа следующие:

теплоаккумулирующее вещество, например жидкий парафин, позволяет поднимать температуру только ограниченно, например до 150^oC, что снижает рабочий выход тепла с теплоносителя;

недостаточный теплосъем в единицу времени ввиду малой теплосъемной поверхности используемого в прототипе устройства;

низкий КПД способа;

небольшой коэффициент передачи тепла от нагревательного элемента к теплосъемной поверхности из-за применения для этого жидкой среды, где E_пост.=П.

Известно устройство для нагрева воздуха (а.с.СССР N 1721408, F 24 Н 7/04, 3/04, опубл. 23.03.92, бюл. N 11), содержащее корпус, по крайней мере с одним воздушным каналом, обрамленным стенками, заполненными теплоаккумулирующим веществом, изменяющим агрегатное состояние в диапазоне рабочих температур, и сообщенным по торцам с источником и потребителем воздуха, а также источник нагрева. При этом в верхней части корпуса выполнены выходные отверстия, а источник нагрева выполнен в виде трубчатых электронагревательных элементов, расположенных в воздушном канале под углом 30-60 градусов к горизонтальной плоскости.

Известное устройство имеет следующие недостатки:

значительный расход электроэнергии, так как по электронагревательным элементам протекает большой ток, что необходимо для нагревания до жидкого состояния большого объема теплоаккумулирующего вещества, например, парафина;

высокие затраты первоначальной энергии на запуск устройства, особенно при отоплении больших помещений.

Известно также устройство для нагрева воздуха с аккумулированием тепла (а. с. СССР N 1760258, F 24 H 7/00, 1/20, опубл. 07.09.92, бюл.N 33), содержащее корпус, разделенный поперечной перегородкой на две камеры - верхнюю жидкостную, снабженную входным и выходным патрубками, и нижнюю с теплоаккумулирующим веществом и центральным электронагревательным элементом, подключенным к источнику питания. При этом в верхней части нижней камеры с охватом электронагревательного элемента дополнительно установлена теплоизолированная кольцевая камера, сообщенная перепускными патрубками с жидкостной камерой соответственно в зонах расположения в последней упомянутых входного и выходного патрубков. В нижней камере с охватом электронагревательного элемента установлен спиральный тепловой шунт с центральной и периферийной частями, первая из которых скреплена с кольцевой камерой, а вторая заведена своей верхней частью под перегородку выше кольцевой камеры.

Недостатками известного устройства являются следующие:

значительный расход электроэнергии, так как для расплавления до жидкого состояния большого объема теплоаккумулирующего вещества необходима значительная мощность электронагревательного элемента;

малоэффективность как источника тепла при нагревании воздуха в помещениях с большими площадями из-за неравномерности теплового потока в обогреваемое помещение.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для нагревания воздуха (Свидетельство на полезную модель N 4365 6 F 24 H 7/00, опубл. 16.06.97, бюл. N 6), содержащее корпус, разделенный двумя перегородками на камеры, снабженные входным и выходным патрубками, в одной из которых размещен накопитель тепловой энергии (нагревательное устройство), включающий электронагревательный элемент, например, из нихрома, подключенный к источнику питания, например, в виде группы трансформаторов, и теплоаккумулирующее вещество типа парафин ОКП-50, изменяющее агрегатное состояние в диапазоне рабочих температур, при этом перегородки размещены вертикально и разделяют корпус на три камеры - изолированную центральную, заполненную жидкостью типа минеральное масло, и две сообщающиеся между собой крайние, заполненные воздухом, причем в одной из крайних камер установлен входной патрубок, а в другой - выходной патрубок, накопитель тепловой энергии (нагревательное устройство) выполнен в виде по крайне мере одного полого цилиндра с заглушенными концами, размещенного вертикально в нижней части центральной камеры, внутри которого установлен электронагревательный элемент, заполненный теплоаккумулирующим веществом, а поверхности перегородок со стороны крайних камер снабжены ребрами с образованием общего воздушного канала от входного до выходного патрубков, на входном патрубке размещен вентилятор.

Недостатки устройства-прототипа следующие.

Низкий КПД.

Малоэффективность его как источника тепла при нагревании воздуха в больших помещениях из-за применения в качестве теплоаккумулирующего вещества типа парафина из-за того, что рабочая поверхность, с которой снимается тепло, мала по величине и ее невозможно увеличить значительно из-за ограниченного объема парафина.

Второе агрегатное состояние вещества - жидкий парафин позволяет поднимать температуру лишь до 160^o С, что ограничивает применение больших теплосъемных рабочих поверхностей и снижает рабочий выход теплоносителя (нагретого воздуха), а соответственно и КПД прототипа.

Невозможно управлять внутренней энергией в больших пределах, что уменьшает КПД установки по прототипу, из-за применения в качестве теплоаккумулирующего вещества твердого вещества с двумя фазовыми переходами в жидкость и газ.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования электрической энергии в тепловую и КПД за счет использования нагревательного устройства при малой его удельной мощности с большим коэффициентом передачи тепла.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе получения тепловой энергии из электрической, включающем размещение нагревательного элемента, например, из нихрома, в окружение теплоаккумулирующего вещества, изолированного вместе с нагревательным элементом в своем объеме от окружающего пространства теплосъемной поверхностью с образованием нагревательного устройства, подводят к нагревательному элементу электрическую энергию, размещают нагревательное устройство в окружающее обогреваемое пространство, например в помещение, омывают его теплосъемную поверхность воздухом из помещения. Причем в качестве теплоаккумулирующего вещества используют твердое внутри поверхности нагревательного элемента и газообразное вне поверхности нагревательного элемента вещество, осуществляющее перенос тепла на теплосъемную поверхность нагревательного устройства. При этом увеличение общего рабочего теплосъема достигают за счет сопряженного увеличения площади поверхности теплосъема нагревательного элемента, развития ее в теплосъемную поверхность нагревательного устройства, расстояния между ними, объема газообразного теплоаккумулирующего вещества в нагревательном устройстве и интенсивности омывания теплосъемной поверхности, нагревательного устройства теплоносителем воздухом. Рабочий нагрев нагревательного элемента выбирают в диапазоне выше температуры окружающей среды, но ниже температуры нагревательного элемента, выбранной с учетом возможности функционального выхода из строя подводящей ток электропроводки, например, имеющейся в обогреваемом помещении. В результате получают и используют нагревательное устройство в виде газомолекулярного преобразователя с малыми значениями удельной мощности и большим коэффициентом передачи тепла. Теплообмен осуществляют при условии

Q=Е_вн., A=0,

где Е_вн. - внутренняя энергия газообразного вещества;

A - работа по переносу тепла.

После омывания теплоносителем теплосъемной поверхности, например, обдува теплосъемной поверхности устройства потоками воздуха из обогреваемого пространства помещения, его смешивают со средой, например воздухом окружающего пространства обогреваемого помещения.

Теплосъемную поверхность нагревательного устройства по предлагаемому способу для повышения его эффективности можно увеличить дополнительно, делая ее волнистой, ребристой или гофрированной.

Нагревательный элемент лучше всего нагревать ниже температуры его свечения.

Способ лучше всего осуществлять при более-менее равных температурах поверхности нагревательного элемента и теплосъемной поверхности устройства. Равенство рабочих температур нагревательного элемента и нагревательного устройства достигают за счет объема, степени разреженности газообразного теплоаккумулирующего вещества, интенсивности омывания поверхности воздухом из помещения.

Поставленная цель достигается и тем, что в одном из предлагаемых устройств для осуществления способа (электровоздухонагревателе), содержащем корпус, разделенный на две камеры - внешнюю и внутреннюю, снабженные входными и выходными отверстиями, во внутренней камере размещено нагревательное устройство, включающее электронагревательный элемент, например, из нихрома, подключенный к источнику питания, и теплоаккумулирующее вещество, причем нагревательное устройство выполнено в виде по крайней мере одного изолированного от вне объемного пространства. На входном отверстии внутренней камеры размещено устройство принудительной циркуляции воздуха по поверхности нагревательного устройства, например вентилятор. Обе камеры выполнены сообщающимися, причем выходное отверстие внутренней камеры является входным отверстием внешней камеры. Нагревательное устройство заполнено воздухом.

Корпус удобнее и лучше изготавливать по форме в виде цилиндра или параллелепипеда, а также гофрированного цилиндра или параллелепипеда, либо сборного тарельчатого цилиндра или параллелепипеда.

Нагревательное устройство может быть выполнено в форме цилиндра или параллелепипеда, либо шара, а также гофрированного цилиндра или параллелепипеда, либо шара.

Выходных отверстий для горячего воздуха может быть несколько и их лучше располагать внизу корпуса по его периферии.

Источник питания, например, на 220 В, 50 Гц, лучше снабжать выпрямительным диодом или понижающим трансформатором, например до 110 В, для скачкообразного регулирования силы тока, например, до 5 А, на электронагревательном элементе.

Предлагаемое устройство для осуществление способа (электровоздухонагреватель) может быть дополнительно снабжено устройством прямой и обратной связи с окружающей воздушной средой, например, состоящим из датчика температуры воздуха с дистанционным выносом его за пределы этого устройства (электровоздухонагревателя), для автоматического включения или выключения источника питания.

Предлагаемое устройство для осуществление способа (электровоздухонагреватель) может быть дополнено опорой, расположенной в нижней части перед устройством для принудительной циркуляции воздуха и снабженной щелями для всасывания воздуха из обогреваемого помещения.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия для газообразного вещества, используемого в предлагаемом способе в качестве теплоаккумулирующего и теплопередающего вещества, состоит из суммы кинетической энергии всех молекул и потенциальной энергии взаимодействия

Е_вн.=E_пост.+П; E_пост.>>П,

где Е_пост. - молекулярно кинетическая энергия молекул;

П - молекулярно-потенциальная энергия молекул.

По этой причине прототип характеризуется потенциальной ямой, где необходимо затрачивать энергию на фазовые переходы и работу для получения определенного количества тепла, в то время, как предлагаемое решение характеризуется потенциальной ямой, где молекулы не совершают работу по переносу тепла.

В науке и технике не обнаружено решений, обладающих совокупностями существенных признаков, аналогичных предлагаемым в способе и устройстве для его осуществления. Замкнутое в постоянном объеме теплоаккумулирующее газообразное вещество не совершает внешней и внутренней работы на фазовые переходы этого вещества, выполняет только функции аккумулятора тепла и его переноса с поверхности нихрома на внешнюю поверхность нагревательного устройства. Соприкасающийся с нагревательным устройством теплоноситель (воздух) по сравнению с минеральным маслом в прототипе также является более эффективным по КПД при последующей передаче тепла на корпус и во вне электровоздухонагревателя. Кроме того, разделение корпуса на две сообщающиеся камеры по сравнению с прототипом также способствует интенсификации теплообмена с окружающей средой и повышению КПД. Конвекция по прототипу дополняется в предлагаемом устройстве созданием и более мощной тепловой завесы.

Таким образом, предлагаемые технические решения отвечают критерию изобретательского уровня.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления иллюстрируются фиг. 1-3.

Фиг. 1 графически характеризует выбор оптимального расстояния между двумя поверхностями: нагревательного элемента и теплосъемного устройства. На фиг. 2 дан общий вид предлагаемого устройства (электровоздухонагревателя) в разрезе, а на фиг. 3 - его принципиальная электрическая схема.

Способ осуществляют следующим образом. Берут нагревательный элемент большей длины, чем у ТЭНов, окружают им твердое теплоаккумулирующее вещество, располагая его внутри поверхности нагревательного элемента.

Например, берут стальную гофрированную поверхность с нанесенным керамическим либо эмалированным покрытием, обеспечивающим электроизоляцию, и наматывают на нее нихромовую проволоку снаружи. Все это окружают газообразным веществом, например атмосферным воздухом или химическим неактивным газом, для аккумуляции тепла и его переноса на теплосъемную поверхность нагревательного устройства, замкнутую в своем контуре от внешнего окружающего пространства. Подводят электрический ток к нагревательному элементу и регулируют его параметры для оптимального рабочего нагрева нагревательного элемента в диапазоне выше температуры окружающей среды, но ниже температуры нагревательного элемента, выбранной с учетом возможности функционального выхода из строя подводящей электропроводки, например, обогреваемого помещения. Получают тем самым и используют нагревательное устройство в виде газомолекулярного преобразователя с малыми значениями удельной мощности и с большим коэффициентом передачи тепла. Изменение (увеличение) общего суммарного теплосъема достигают за счет изменения расстояния между первичной и вторичной поверхностями нагрева и теплосьема, по сравнению с площадью поверхности нагревательного элемента, объема теплоаккумулирующего вещества и интенсивности омывания воздухом. Способ осуществляют при более-менее равных температурах поверхности нагревательного элемента и теплосъемной поверхности нагревательного устройства, а равенство температур поверхностей нагревательного элемента и поверхности теплосъема достигают за счет оптимизации зазора (расстояния) между ними, площадей этих поверхностей, объема и степени разреженности газообразного теплоаккумулирующего вещества, интенсивности омывания поверхности нагревательного устройства воздухом из посещения и регулирования параметров электрического тока на нагревательном элементе.

Омывают, например, обдувают теплосъемную поверхность устройства потоками вещества из окружающей среды, например воздуха, и смешивают его со средой, например воздухом обогреваемого помещения.

Теплосъемную поверхность нагревательного устройства целесообразно также увеличивать дополнительно путем выполнения ее волнистой, ребристой или гофрированной для повышения эффективности предлагаемого способа.

Нагревательный элемент лучше всего нагревать ниже температуры его свечения.

Пример конкретного осуществления предлагаемого способа в сравнении со способом-прототипом.

По способу-прототипу брали нагревательный элемент в виде нихромовой проволоки (нихрома) со следующими параметрами:

d_них.=1,2 мм; R₀=0,97 Ом; I₁= 4,2 А, U₁=110 В;

P₁=U_1xI₁=462 Вт,

где d_них. - диаметр нихрома, мм;

R₀ - сопротивление 1 м нихрома, Ом;

I₁ - проходящий ток по нихрому, А;

U₁ - прикладываемое напряжение, В;

Р₁ - мощность, Вт.

Брали гофрированную стальную поверхность - основу для размещения нихрома размерами 155 мм х 350 мм х 1 мм с шагом гофры h₁=9 мм. Поверхность покрывали эмалью в два слоя для обеспечения электроизоляции нихрома от стальной пластины.

Внешнюю теплосъемную поверхность нагревательного устройства выполняли в виде параллелепипеда с размерами 365 мм х 160 мм х 20 мм. Применяли материал сталь 3.

Длину и сопротивление нихрома определяли следующей последовательностью действий:

l_них.= l₁n₁=35 см11=385 см=3,85м

где l₁ - длина гофрированной поверхности основы для намотки нихрома;

n₁ - количество полуволн, в которые укладывается нихром;

l_них. - длина нихрома на одной гофрированной поверхности основы для намотки нихрома;

l_них.= l_них.n₂=3,857=26,95=27 м,

где 4 n₂ - количество гофрированных поверхностей, равное 7;

l_них. - суммарная длина нихрома;

R_них.=R₀l_них.=0,97 Ом3,85 м=3,73 Ом;

R_них. = R_них.n₂=3,73 Ом7=26,11 ом = 26,1 Ом, где:

R_них. - сопротивление нихрома, размещенного на одной гофрированной поверхности основы;

R_них. - общее сопротивление нихрома.

Площадь поверхности нихрома определяли следующим образом:

L₁= d_них.=3,140,12 см=0,37 см;

S_них.=L₁l_них.=0,37 см 2700 см=999 см²=1000 см²,

где L₁ - длина окружности нихрома;

S_них. - суммарная площадь поверхности нихрома.

Площадь теплосъемной поверхности, S_т, которая соприкасалась с теплоносителем, находили следующим образом:

a) S₁=16 см36,5 см=584 см²; 2S₁=1168 см²;

б) S₂=2 см36,5 см=73 см², 2S₂=146 см²;

в) S₃=2 см16 см=35 см²; 2S₃=64 см²;

г) S_т=2S₁+2S₂+2S₃=1168 см²+ 146 см²+64 см²=1378 см²;

S_т=1378 см²7=9646 см²=10000 см²,

где S_т - площадь поверхности теплоподъема одного параллелепипеда;

S_т - площадь поверхности теплосъема семи параллелепипедов.

Заливали внутренний объем нагревательного устройства парафином ОКП-50. Объем теплоаккумулирующего жидкого вещества, осуществляющего аккумулирование и перенос тепла на теплосъемную поверхность нагревательного устройства, определяли следующим образом:

V_m=V_n-V_гоф.-V_них.,

где V_n - внутренний объем параллелепипеда, см³;

V_гоф. - объем гофрированной поверхности, основы для намотки нихрома, см³;

V_них. - объем нихрома, см³;

a) V_n=36,5 см 16 см 2 см=11680 см³;

б) V_гоф.=18 см 35 см0,1 см=63 см³;

в) V_них.=385 см0,01 см²=3,85 см³;

S_них.= d_них.²/4=0,01 см²;

где S_них. - площадь сечения нихрома;

d_них. - диаметр нихрома;

V_m=11680 см³-63 см³-3,85 см³=11613 см³;

V_m=V_mn₂=11613 см³7= 81291 см³

где V_m - объем теплоаккумулирующего жидкого вещества в семи параллелепипедах.

Удельные мощности по поверхности нихрома, S_них. по теплосъемной поверхности, S_m, определяли следующим образом:

K₁=Р/ S_них.=462 Вт/1000 см²=0,46 Вт/см².

К₂=Р/ S_m=462 Вт/10000 см²=0,046 Вт/см².

Коэффициент передачи тепла, К_т, определяли, как отношение удельных мощностей:

К_т=K₁/K₂=0,46 Вт/см₂/0,046 Вт/см²=10.

Удельную электрическую энергию E₀, определяли следующим образом:

Е₀=Pt=462 Вт1 с=462 Дж.

Удельную тепловую энергию Е_то с учетом коэффициента передачи тепла определяли следующим образом:

Е_то=Е₀К_т=462 Дж10=4620 Дж.

Удельная тепловая энергия зависит от площади теплосъемной поверхности, поэтому можно регулировать количеством тепла в больших пределах.

Технические данные работы способа по прототипу приведены в табл. 1.

Для жидких сред (жидкий парафин) необходимо прикладывать большие мощности, чтобы увеличить средние скорости движения молекул в пределах потенциальной ямы. Поэтому для получения необходимого количества тепла требуется совершать большую работу. Первый закон термодинамики записывается в этом случае в следующем виде: Q=Е_вн.+A. Дополнительно работа затрачивается на фазовые переходы парафина из твердого состояния в жидкое. В связи с этим КПД устройства уменьшается.

По предлагаемому способу брали конкретный нагревательный элемент в виде нихромовой проволоки со следующими параметрами: d_них.=1,2 мм; R₀=0,97 Ом; I₁= 4,2 А; U₁= 110 В; P₁=U₁I₁=462 Вт; где d_них. - диаметр нихрома, мм; R₀ - сопротивление 1 м нихрома, Ом; I₁ - проходящий ток по нихрому, А; U₁ - прикладываемое напряжение, В; P₁ - мощность; Вт.

Брали гофрированную стальную поверхность - основа для размещения нихрома размерами 155 мм х 350 мм х 1 мм с шагом гофры h₁ = 9 мм. Поверхность покрывали эмалью в два слоя для обеспечения электроизоляции нихрома от стальной пластины.

Внешнюю теплосъемную поверхность нагревательного устройства выполняли в виде параллелепипеда с размерами 365 мм х 160 мм х 20 мм. Применяли материал сталь 3.

Длину и сопротивление нихрома определяли следующей последовательностью действий:

l_них.= l₁n₁=35 см11=385 см = 3,85 м,

где l₁ - длина гофрированной поверхности основы для нихрома;

n₁ - количество полуволн, в которые укладывается нихром;

l_них. - длина нихрома на одной гофрированной поверхности основы для намотки нихрома.

l_них.= l_них.n₂=3,857=26,95=27 м;

где n₂ - количество гофрированных поверхностей, равное 7;

l_них. - суммарная длина нихрома;

R_них.=R₀l_них.=0,97 Ом3,85 м = 3,73 Ом;

R_них.=R_них.n₂=3,73 Ом7= 26,11 Ом=26,1 Ом;

где R_них. - сопротивление нихрома, размещенного на одной гофрированной поверхности основы;

R_них. - общее сопротивление нихрома.

Площадь поверхности нихрома определяется следующим образом:

L₁= d_них.=3,140,12 см=0,37 см;

S_них.=L₁l_них.=0,37 см2700 см=999 см²=1000 см²;

где L₁ - длина окружности нихрома;

S_них. - суммарная площадь поверхности нихрома

Площадь теплосъемной поверхности S_m, которая соприкасалась с теплоносителем, находили следующим образом:

a) S₁=16 см36,5 см=584 см²; 2S₁=1168 см²;

б) S₂=2 см36,5 см=73 см²; 2S₂=146 см²;

в) S₃=2 см16 см=32 см²; 2S₃=64 см²;

г) S_m=2S₁+2S₂+2S₃=1168 см²+ 146 см²+64 см²=1378 см²;

S_m=1378 см²7=9646 см² 10000 см²;

где S_m - площадь поверхности теплосъема одного параллелепипеда;

S_m - площадь поверхности теплосъема семи параллелепипедов.

Заполняли внутренний объем нагревательного устройства атмосферным воздухом. Объем теплоаккумулирующего газообразного вещества (воздуха), осуществляющего аккумулирование и перенос тепла на теплосъемную поверхность нагревательного устройства, определяли следующим образом:

V_m=V_n-V_гоф.-V_них.,

где V_n - внутренний объем параллелепипеда, см³;

V_гоф. - объем гофрированной плоскости основы для намотки нихрома, см³;

V_них. - объем нихрома, см³;

V_n=36,5 см16 см2 см=11680 см³;

V_гоф.=18 см35 см0,1 см=63 см³;

V_них.=385 см0,01 см²=3,85 см³;

S_них.= d_них./4=0,01 см²,

где S_них. - площадь сечения нихрома;

V_m=11680 см³-63 см³-3,85 см³;

V_m=V_mn₂=11613 см³ 7=81291 см³

где V_m - объем теплоаккумулирующего газообразного вещества в семи параллелепипедах.

Удельные мощности по поверхности нихрома, S_них., определяли следующим образом:

К₁=PS_них.=462 Вт/1000 см²=0,46 Вт/см²;

K₂=P S_m=462 Вт/10000 см²=0,046 Вт/см².

Коэффициент передачи тепла К_т определяли как отношение удельных мощностей.

К_т=K₁/К₂=0,46 Вт/см²/0,46 Вт/см²=10.

Удельную электрическую энергию определяли следующим образом:

E₀=Pt=462 Вт1 с=462 Дж.

Удельную тепловую энергию определяли:

E_то=E₀К_т=462 Дж10=4620 Дж.

Выполнение теплосъемной поверхности волнистой, оребренной или гофрированной позволило увеличивать коэффициент передачи тепла на величину, зависящую от увеличения этой поверхности.

Нагревание элемента до температуры свечения и выше вызывало непроизводительные световые потери в процессе преобразования электроэнергии в тепло, что снижало КПД предлагаемого способа на величину, зависящую от интенсивности свечения, размеров элемента и т.п.

Для газообразного теплоаккумулирующего вещества наилучшее условие теплообмена при Q = E_вн., A = 0,

где E_вн. - внутренняя энергия газообразного вещества;

A - работа по переносу тепла.

Увеличение оптимальной разности тепловых удельных мощностей рабочих площадей поверхностей теплосъема и нагревательного элемента при их более-менее постоянной рабочей температуре достигали, в частности, количеством теплоаккумулирующего газообразного вещества и характеризовали это техническим параметром - коэффициентом передачи тепла, как отношением их удельных мощностей. Поскольку удельная тепловая энергия всегда отличалась от удельной электрической энергии, их абсолютные значения и соотношения при прочих равных условиях являлись основными характеристиками предлагаемого способа на основе использования газомолекулярного преобразователя в сравнении с прототипом и другими аналогами.

Одной из важных особенностей коэффициента передачи тепла (K_т) являлось то, что он характеризовал увеличение масштаба рациональной длины расстояния между рабочими поверхностями во столько раз, во сколько разнились между собой теплосъемная поверхность устройства и поверхность нагревательного элемента. Создавались тем самым условия своеобразной наклонной плоскости, по которой "катились" молекулы газообразного вещества без совершения работы. Поэтому предлагаемый газомолекулярный преобразователь являлся источником тепловой энергии в диапазоне рабочих температур. Данное утверждение продемонстрировано на фиг. 1, где на графике дано по оси абсцисс - удельная мощность K₁, а по оси ординат - удельная мощность К₂; К_т определяет рациональную длину между двумя поверхностями - теплосъемной и нагревательной.

Предлагаемый способ оптимально осуществляли при более или менее равных температурах поверхности нагревательного элемента и теплосъемной поверхности устройства, достигаемых, например, за счет сопряженного между собой изменения этих параметров поверхностей, объема теплоаккумулирующего газообразного вещества через зазор (расстояние) между ними, а также оптимизации степени разреженности теплоаккумулирующего вещества, регулирования процесса смывания теплосъемной поверхности устройства воздухом и параметров электрического тока на нагревательном элементе. Способ достигал оптимальный режим функционирования, когда

Q=E_вн., A = 0,

где E_вн. - внутренняя энергия газообразного вещества;

A - работа по переносу тепла.

Конкретные технические данные по предлагаемому способу на основе газомолекулярного преобразователя сведены в таблицу 2 для диапазона температур от 200 до 300^oC.

Предлагаемое устройство для осуществления способа (электровоздухонагреватель) содержит корпус 1 с двумя камерами: внутренняя 2 и внешняя 3. Внутренняя камера 2 содержит по меньшей мере одно нагревательное устройство 4. Внешняя камера 3 заполнена теплоносителем (воздухом) и имеет, лучше всего в нижней части корпуса 1 по его периферии, выходное (-ные) отверстие (-ия) 5 для выброса горячего воздуха. На входе во внутреннюю камеру 2 перед входным (ными) отверстием (-ями) 6 размещено устройство принудительной циркуляции воздуха по поверхности нагревательного устройства, например, вентилятор 7. Камеры 2 и 3 выполнены сообщающимися, причем выходное отверстие 8 внутренней камеры 2 является входным отверстием 8 внешней камеры 3. Нагревательное устройство 4 выполнено в виде изолированного объемного (полого) пространства 9, например, в форме параллелепипеда или цилиндра либо шара, лучше всего с гофрированной поверхностью, и размещенного вертикально во внутренней камере 2. Внутри нагревательного устройства 4 установлен электронагревательный элемент 10, например, из нихрома, подключенный к источнику питания II. Нагревательное устройство 4 с электронагревательным элементом 10 внутри заполнен химически инертным газом или смесью таких газов либо безопасным газообразным веществом 9, например воздухом, предназначенным для аккумулирования и переноса тепла с поверхности нихрома 10 на поверхность нагревательного устройства 4.

Корпус 1 удобнее и лучше изготавливать в форме цилиндра или параллелепипеда, а также гофрированного цилиндра или параллелепипеда, либо сборного тарельчатого цилиндра или параллелепипеда. Источник питания 11, например, на 220 В, 50 Гц, лучше снабжать выпрямительным диодом 12 или понижающим трансформатором 12, например, до 110 В, для скачкообразного регулирования силы тока, например, до 5 А, на электронагревательном элементе 10.

Предлагаемое устройство (электровоздухонагреватель) может быть дополнительно снабжен устройством прямой и обратной связи с окружающей воздушной средой, например, состоящим из датчика температуры воздуха с дистанционным выносом его за пределы предлагаемого устройства (электровоздухонагревателя), для автоматического включения или выключения источника питания (на фиг. 2-3 не показаны).

Предлагаемое устройство (электровоздухонагреватель) может быть дополнен опорой 13, расположенной в нижней части перед устройством принудительной циркуляции воздуха 7 и снабженной щелями 14 для всасывания воздуха из обогреваемого помещения.

При включении вентилятора 7, с помощью которого происходит забор холодного воздуха из обогреваемого помещения через камеру 2, где установлено нагревательное устройство 4, происходит отдача тепла этой порции холодному воздуху. Далее нагретый воздух перемещается по камере 3 до выхода горячего воздуха через выходные отверстия 5 до выхода в обогреваемое помещение. Электровоздухонагреватель может работать периодически в зависимости от температуры воздуха в помещении (с помощью устройства прямой и обратной связи автоматически включаться или выключаться).

Сравнение предлагаемого способа на основе газомолекулярного преобразователя и способа по прототипу на основе твердожидкостного преобразователя показывает, что производительность первого выше за счет увеличения развития площади теплосъемной поверхности, объема и степени разреженности теплоаккумулирующего газообразного вещества, осуществляющего теплообмен при условии Q = E_вн., A = 0, где вся внутренняя энергия по предлагаемому способу переходит в тепло, в то время, как по прототипу часть внутренней энергии тратится на фазовые переходы и другие виды внутренних работ, жидкий парафин ограничивает температуру на поверхности теплосъема в пределах 100 - 150^oC , что снижает выход количества теплоносителя с оптимальной требуемой заданной температурой по сравнению с предлагаемым способом, где температура на поверхности теплосъема достигает 200 - 300^oC.

При одинаковой производительности вентилятора, 280 м³/ ч, по обоим сравниваемым способам температура выхода теплоносителя изменяется от 70 до 150^oC для способа с использованием газомолекулярного преобразователя, а для прототипа с использованием твердожидкостного преобразователя только в пределах от 50 до 70^oC

Основные преимущества предлагаемого способа перед прототипом и другими известными аналогами следующие:

низкое потребление электроэнергии;

высокий КПД;

большой теплосъем в единицу времени за счет увеличения коэффициента передачи тепла (развития площади теплосъема, рабочей температуры нагрева и теплосъема);

низкое значение удельной мощности;

регулируемая удельная тепловая энергия;

более высокая экологичность и безопасность за счет использования вместо парафина атмосферного воздуха или, лучше всего, химически неактивных газов, а также за счет создания температуры на поверхности нихрома ниже его свечения.

Сравнение предлагаемого устройства с прототипом и другими аналогичными техническими решениями показывает, что его совокупность существенных признаков позволяет достичь следующие технические результаты:

1. Регулировать выход количества тепла в единицу времени за счет конструктивного и функционального изменения площади поверхности нагревательного устройства при постоянной температуре теплоносителя и тем самым отапливать не только малые, но и большие помещения и пространства.

2. Увеличить срок службы устройства, так как не происходит нагрева электронагревательного элемента до его свечения.

3. Обеспечить возможность переноса автономного от центрального отопления такого электровоздухонагревателя как источника тепла в любое обогреваемое помещение.

4. Обеспечить возможность регулирования температуры теплоносителя в пределах 70-150 ^oC.

5. Повысить эксплуатационную готовность, удобство монтажа, обслуживания и транспортировки таких электровоздухонагревателей.

6. Создать экологически чистый источник тепловой энергии с высоким КПД.

7. Повысить мощность теплопередачи и снизить материалоемкость за счет интенсификации теплообмена с окружающей средой.