проточный электронагреватель жидкости

Формула изобретения

1. Проточный электронагреватель жидкости, содержащий герметичный корпус с патрубками подвода и отвода жидкости, установленный в корпусе по крайней мере один нагревательный элемент с токоподводящей лентой и токоподводами, отличающийся тем, что в него введены установленные соосно и симметрично расширитель потока жидкости, конический пустотелый каркас с кольцами-основаниями большего и меньшего диаметров с выступами и элементами турбулизации потока жидкости, натяжной механизм с элементами фиксации положения кольца-основания меньшего диаметра, при этом кольцо-основание большего диаметра закреплено неподвижно на каркасе, а нагревательный элемент выполнен из ленты в виде конической спирали, сужающейся по ходу потока жидкости, с прямолинейными участками, каждый из которых торцевой стороной ленты совпадает с образующей конического пустотелого каркаса, а плоской стороной ленты - с плоскостью его симметрии, при этом лента уложена на выступы большего и меньшего колец-оснований каркаса, при этом кольцо-основание меньшего диаметра соединено с каркасом с помощью ленты и натяжного механизма, причем отношение диаметра большего кольца-основания к диаметру патрубка подвода жидкости выбрано 1,6. . . 2,2, а отношение ширины ленты к ее толщине 25. . . 40.

2. Проточный электронагреватель жидкости по п. 1, отличающийся тем, что элементы турбулизации потока выполнены в виде колец, закрепленных по образующим конуса каркаса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электроэнергетики, к конструкциям электрических приборов для местного горячего водоснабжения, отопления помещения, нагрева жидких сред в экологически чистых исследовательских системах науки и производства, в биологии и океанологии, в особенности когда одновременно требуются их быстродействие и бесшумность.

Известен электронагреватель, содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками и размещенный в нем нагревательный элемент в виде спирали Архимеда из тонкой гофрированной по двум координатным осям электропроводящей ленты с токоподводами [1].

Недостатком такого типа электронагревателя является значительное гидравлическое сопротивление потоку нагреваемой жидкости фильтрующих элементов из сетки, решеток со сквозными отверстиями на входе и выходе нагревателя и расположенных в шахматном порядке на ленте нагревателя гофров.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является проточный электронагреватель жидкости, содержащий корпус, патрубки подвода и отвода жидкости, компактный электронагреватель и расположенные по спирали трубчатые элементы подвода и отвода нагреваемой электронагревателем в общем корпусе жидкости [2].

Выбор проходного сечения трубчатых элементов позволяет влиять на уровень гидравлического сопротивления нагревателя, а изменение мощности нагревательного элемента - на быстродействие устройства.

Однако изменение проходного сечения трубчатых элементов не устраняет основной источник гидравлических потерь - двукратное изменение направления потока нагреваемой жидкости на противоположное, что явно отрицательно сказывается на его быстродействии из-за большого гидравлического сопротивления, являющегося к тому же источником шума. Другим существенным недостатком прототипа является концентрация компактным источником всей тепловой энергии в относительно небольшом пространстве, ограниченном конструкцией непосредственно электронагревательного элемента, что при относительно низкой для подавляющего числа жидкостей теплопроводности ограничивает его эффективность и, как следствие, быстродействие, а также снижает надежность устройства из-за возможного перегрева. Третий недостаток, чисто методологический, связан с последовательностью прохождения потока нагреваемой жидкости: наиболее нагретая жидкость в верхней части нагревателя отбирается спиральным трубчатым элементом отвода и транспортируется вниз через среду с уменьшающейся температурой и в непосредственном соседстве со спиральным трубчатым элементом подвода холодной жидкости, т. е. снова потери в эффективности и быстродействии.

Таким образом, целью нового технического решения является создание такой конструкции проточного электронагревателя жидкости, которая обеспечила бы максимальное быстродействие нагрева потока жидкости с одновременным обеспечением минимума шумов от работы устройства.

Цель достигается тем, что в проточный электронагреватель жидкости, содержащий герметичный корпус с патрубками подвода и отвода жидкости, установленный в корпусе, по крайней мере, один нагревательный элемент с токопроводящей лентой и токоподводами, введены установленные соосно и симметрично расширитель потока жидкости, конический пустотелый каркас с кольцами-основаниями большего и меньшего диаметров с выступами и элементами турбулизации потока жидкости, натяжной механизм с элементами фиксации положения кольца-основания меньшего диаметра. Кольцо-основание большего диаметра закреплено неподвижно на каркасе, а нагревательный элемент выполнен из ленты в виде конической спирали, сужающейся по ходу потока жидкости, с прямолинейными участками, каждый из которых торцевой стороной ленты совпадает с образующей конического пустотелого каркаса, а плоской стороной ленты - с плоскостью его симметрии, при этом лента уложена на выступы большего и меньшего колец-оснований каркаса, при этом кольцо-основание меньшего диаметра соединено с каркасом с помощью ленты и натяжного механизма.

Отношение диаметра большего кольца-основания к диаметру патрубка подвода жидкости выбрано 1,6...2,2, а отношение ширины ленты к ее толщине 25...40.

Введенные элементы турбулизации потока выполнены, например, в виде колец, закрепленных по образующим конуса каркаса нагревательного элемента.

Техническим результатом решения поставленной задачи является достижение максимального быстродействия нагрева потока жидкости с одновременным обеспечением минимума шумов от работы устройства, что достигается введением новых элементов и их новым выполнением, позволяющих минимизировать углы поворота векторов скорости потока нагреваемой жидкости, увеличить активную поверхность нагревательного элемента и равномерно разместить все его части непосредственно в потоке нагреваемой жидкости, разделить поток нагреваемой жидкости при его прохождении сквозь систему прямолинейных участков конической спирали нагревательного элемента на параллельные потоки малой толщины, достаточной для требуемого прогрева за время прохождения зоны нагрева. Эффективность нагрева повышается введением малой турбулизации этих потоков.

Суть предлагаемого решения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 - 5:

на фиг. 1 приведен общий вид проточного электронагревателя жидкости с тремя нагревательными элементами,

на фиг.2 показан нагревательный элемент с поясняющими выносками и видом на нагревательный элемент из ленты в виде конической спирали,

на фиг.3 представлен вариант натяжного механизма,

на фиг.4 показан вариант натяжного механизма с элементами фиксации положения кольца-основания меньшего диаметра относительно оси,

на фиг. 5 представлены сечения потока нагреваемой жидкости в различных зонах проточного нагревателя:

а) в патрубке подвода,

б) в зоне расширителя потока,

в) в зоне нагревательного элемента,

г) в патрубке отвода.

Предлагаемый проточный электронагреватель содержит: корпус 1, патрубок подвода жидкости 2, патрубок отвода жидкости 3, нагревательный элемент 4, токопроводящую ленту 5, токоподвод 6, расширитель потока жидкости 7, конический пустотелый каркас 8, кольцо-основание большего диаметра 9, выступы кольца-основания большего диаметра 10, кольцо-основание меньшего диаметра 11, выступы кольца-основания меньшего диаметра 12, элемент турбулизации 13, натяжной механизм 14, крышку корпуса 15, провода питания 16, электросоединитель 17, сетки защитные 18, винт натяжного механизма 19, венец винта натяжного механизма 20, седло кольца-основания меньшего диаметра 21, фиксатор 22, фиксатор 23.

Сборка нагревательного элемента 4 производится путем размещения непосредственно нагревательного элемента, выполненного из токопроводящей ленты в виде конической спирали 5, на выступах 10 кольца-основания большего диаметра 9, закрепленного неподвижно на коническом пустотелом каркасе 8, и выступах 12 кольца-основания меньшего диаметра 11, опирающегося своим седлом 21 на венец 20 винта натяжного механизма 19, закрепленного неподвижно на коническом пустотелом каркасе 8. Выворачиванием винта натяжного механизма 19 достигается натяжение прямолинейных участков нагревательного элемента 5, обеспечивающее требуемую частоту их вынужденных колебаний при обтекании их нагреваемой жидкостью с заданной скоростью. Концы нагревательного элемента 5 токовыводами 6 и проводами питания 16 соединены с электросоединителем 17, обеспечивающим подачу электропитания.

Устройство работает следующим образом: нагреваемая жидкость, поступая в патрубок подвода 2 сплошным потоком с поперечным сечением в виде, например, круга (фиг.5 а), расширителем потока 7 трансформируется в кольцеобразный поток (фиг. 5 б), который затем в зоне нагревательного элемента 4 разделяется его прямолинейными участками 5 на множество потоков (фиг.5 в), тем самым обеспечивается их равномерный и эффективный прогрев, и в патрубке отвода 3 все потоки объединяются в один общий сплошной поток (фиг.5 г). Чем больше степень деления потока и чем продолжительнее его контакт с поверхностью ленты нагревательного элемента 5, тем выше эффективность электронагревателя. Но и длина и ширина ленты электронагревателя 5 имеют естественные ограничения, поэтому в предлагаемом устройстве оговорены ограничения отношения ширины ленты нагревательного элемента к ее толщине 25...40. Нижний предел ограничен недопустимым ростом гидравлического сопротивления прямолинейных участков ленты 5, особенно в зоне кольца-основания меньшего диаметра 11 (по проливкам коэффициент гидравлического сопротивления увеличивается в ~ 1,5 раза), вызывающим снижение быстродействия, а верхний - опасностью возникновения автоколебаний прямолинейных участков ленты под воздействием напора потока нагреваемой жидкости, сопровождающихся шумами, достигающими 60 дБ, что также выявлено испытаниями. Ограничено и соотношение диаметров большего кольца-основания 9 и входного патрубка 1,6...2,2, нижний предел которого определяется порогом допустимых гидравлических потерь в нагревательном элементе 4, связанным с уменьшением значений конусности спирали ленты нагревательного элемента 5, а верхний - возрастающей разницей в температуре нагрева зон разделенного потока жидкости вблизи кольца-основания меньшего диаметра и вблизи кольца-основания большего из-за возрастающего влияния увеличения зазоров между рабочими участками нагревательного элемента 5, что снижает эффективность нагрева жидкости в зоне большего кольца-основания.

Эффективность нагрева увеличивается дополнительными возмущениями за счет введения конструктивных элементов, повышающих быстродействие устройства за счет введения дополнительных динамических воздействий на поток нагреваемой жидкости. Во-первых, введен ряд колец 13, закрепленных на образующих конического пустотелого каркаса 8 непосредственно перед входом кольцеобразного потока жидкости в зону его разделения прямолинейными участками ленты нагревательного элемента 5, вызывающих местные возмущения в разделенных потоках с векторами скорости, расположенными в основном в плоскостях, параллельных направляющим стенкам, т.е. прямолинейным участкам нагревательного элемента 5. Эти возмущения приводят к перемешиванию слоев потоков жидкости с различной степенью прогрева, тем самым увеличивается теплосъем с поверхности нагревательного элемента 5. Во-вторых, введены фиксаторы 22 и 23 положения кольца-основания меньшего диаметра 11 относительно оси, совмещенные с натяжным механизмом 14, обеспечивающие возможность трансформации прямолинейных участков нагревательного элемента 5 в спирали Мебиуса, которые закручивают разделенные потоки нагреваемой жидкости относительно оси проточного электронагревателя жидкости 4. Это вызывает дополнительное перемешивание слоев потоков жидкости с различной степенью прогрева в основном в плоскостях, перпендикулярных направляющим стенкам, т.е. участкам нагревательного элемента 5, тем самым дополнительно увеличивается теплосъем с поверхности нагревательного элемента. В-третьих, обеспечена возможность ступенчатого нагрева потока жидкости последовательно размещенными нагревательными элементами 4 в едином корпусе 1 без гидродинамических потерь на преобразование потоков нагреваемой жидкости на входе и выходе последовательно установленных проточных электронагревателей жидкости и неизбежных потерь в отдельных корпусах и дополнительных соединительных трубопроводах.

Таким образом, предложенное решение проточного электронагревателя жидкости позволило выполнить поставленную задачу, т.е. обеспечить максимальное быстродействие нагрева потока жидкости при минимальном уровне шума устройства.

Список использованных источников

1. Патент RU 2030125, кл. Н 05 В 3/26, 1991 г.

2. Патент RU 2011318, кл. Н 05 В 3/40, 1991 г.