Блок нагрева для электрокалорифера (варианты)

Группа полезных моделей относится к области электроотопительной техники для электротранспорта: троллейбусов, трамваев, электрических поездов. Блок нагрева для электрокалорифера содержит, по крайней мере, одну рамку с расположенными внутри спиральными нагревательными элементами. Внутреннее пространство каждой из рамок поделено на две секции промежуточной пластиной. Последняя имеет два ряда отверстий для соединения спиральных нагревательных элементов. Верхняя и нижняя краевые пластины имеют по одному ряду отверстий для закрепления и соединения спиральных нагревательных элементов и развернуты их широкими сторонами под прямым углом к промежуточной пластине. Крепление на краевых верхней и нижней пластинах спиральных нагревательных элементов осуществлено парами и образует -образные фигуры. Вершины этих фигур находятся на верхней и нижней краевых пластинах, а расходящиеся части -образных фигур обращены в сторону промежуточной пластины с креплением концов спиральных нагревательных элементов -образных фигур в ней. Электрические соединения рамок и выход на источник питания осуществлены посредством непарных спиральных нагревательных элементов. По второму варианту нагревательный блок для транспортного электрокалорифера имеющий указанные выше признаки дополнен промежуточными пластин, содержащими по два ряда отверстий каждая. Расходящиеся части -образных фигур закреплены на соседних близлежащих промежуточных пластинах. В промежуточных секциях спиральные нагревательные элементы установлены в виде параллельных рядов перпендикулярно промежуточным пластинам. Технический результат заявляемой группы полезных моделей заключается в повышении мощности устройства и его эффективности без снижения срока службы. 2 незав. п. ф-лы, 2 зап.п. ф-лы, 4 ил., 2 пр.

Группа полезных моделей относится к области электроотопительной техники для электротранспорта: троллейбусов, трамваев, электрических поездов.

Известны нагревательные узлы электрокалориферов из патентов РФ:

[39192] «Электрокалорифер» патентообладателя ООО «РуссСпарта»;

[44374] «Электрокалорифер» патентообладателя ООО «Стигр-вагрем»;

[70565] «Электрокалорифер» патентообладателя ООО «Новые Технологии», используемые в отоплении вагонов железнодорожного транспорта. Их объединяет использование трубчатых электронагревательных элементов, объединенных крепежной арматурой в тепловыделяющие секции.

В электрокалорифере патента РФ 39192 каждая тепловыделяющая секция выполнена в виде несущей стержневой конструкции, образованной группой трубчатых электронагревателей, связанных друг с другом креплением их контактных стержней на опорных элементах.

В электрокалорифере патента РФ 44374 трубчатые электронагревательные элементы каждой секции выполнены прямолинейными и расположены параллельно друг другу, электроизолированы от корпуса. Крепление трубчатых электро-нагревательных элементов в панелях выполнено с помощью электроизоляционных муфт.

В электрокалорифере патента РФ 70565 тепловыделяющие секции образованы рядами трубчатых W-образных электронагревательных элементов, плоскости которых расположены в проточном тракте перпендикулярно воздушному потоку. Трубчатые W-образные электронагревательные элементы закреплены с одной стороны на съемной стенке внутреннего корпуса без электроизоляционных муфт и электрически связаны между собой. Трубчатые W-образные электронагревательные элементы соседних рядов расположены со сдвигом относительно друг друга.

Описанные выше устройства имеют один общий недостаток. Они построены на основе трубчатых электронагревательных элементов (ТЭНов), характеризующихся высокой тепловой инерционностью. Время их выхода в рабочий тепловой режим при подаче на них высокого напряжения и время их остывания достигают зачастую 10-15 минут.

В то же время скорость разогрева воздуха, оперативность срабатывания элементов электрокалориферов при переключении ступеней мощности нагрева, скорость выполнения ими команд системы управления климата является одной из важнейших характеристик электронагревательных устройств для общественного электротранспорта, в том числе для электропоездов.

Принципиально задача многократного увеличения скорости выхода в рабочий режим, снижения в десятки раз длительности переходных процессов при переходе из одного в другой режимы нагрева, решается путем перехода от инерционных нагрева-тельных устройств на ТЭНах к практически безынерционным нагревательным устройствам на основе открытых спиралей.

Известны нагревательные блоки обогревателей воздуха электротранспорта (салона и кабины) [патенты РФ 2343364, 2343365, 2345908, 2376156] патентообладателей фирм «Этна» и «Этна-Т». Нагревательные блоки обогревателя воздуха салона электротранспорта и отопителя электротранспортного [патенты РФ 2343364, 2343365] содержат нагревательный элемент, помещенный в электрически изолированный от корпуса кожух и выполненный в виде ряда электрически соединенных нагревательных элементов, закрепленных через изоляторы на держателях. В блоках нагрева воздухоподогревателей салона и кабины электротранспорта [патенты РФ 2345908, 2376156] тех же фирм «Этна» и «Этна-Т» используется нагревательный элемент, собранный и уложенный в виде спиралеобразного элемента на опоре вдоль корпуса воздухоподогревателя электротранспорта. Элемент образован из сориентированных параллельно друг другу между соседними пластинами и электрически соединенных последовательно участков спиралей, концы которых закреплены на паре изоляторов, установленных в отверстиях пластин, выполненных вдоль их протяженности. Работа этих устройств осуществляется с использованием блоков подачи и нагрева воздуха, в которых применение спиральных нагревательных элементов дополнено включением в конструкцию вентилятора, включающего крыльчатку. Задача уменьшения габаритов изделия решалась путем размещения электродвигателя вентилятора в центральной части блока нагрева, что привело к размещению спиралеобразного нагревательного элемента вокруг центральной области на оставшихся местах внутри него, практически периферийных, вдоль стенок корпуса вокруг электродвигателя.

Наиболее близким аналогом заявляемой группы полезных моделей является блок нагрева, описанный в патенте РФ на изобретение 2342605. Нагревательный блок заявленного устройства для нагрева воздуха выполнен из ряда соединенных нагревательных элементов, собранных через керамические изоляторы на металлических держателях в виде прямоугольных рамок. Фиксаторы, крепящие нагревательные элементы, представляют собой выходящие из углов, образованных смежными сторонами прямоугольных рамок, металлические пластины, повторяющие направления стенок корпуса и ориентированные свободными концами в направлении к центру прямоугольных рамок, оставляя свободным пространство внутри последних для размещения электродвигателя. Нагревательные элементы представляют собой отдельные участки спиралей, концы которых закреплены по длине на двух противолежащих керамических изоляторах. Участки спиралей нагревательного блока пространственно разнесены внутри каждой из прямоугольных рамок и компактно уложены по периферии внутреннего пространства - у стенок корпуса, оставляя свободным от спиралей центральную его часть для размещения электродвигателя в зоне нагревательного блока. Крайние спирали соединены с вводами электропитания нагревательного блока. Компактная укладка участков спиралей осуществлена пространственным разнесением их на фиксаторах со смещением соседних участков в направлениях, параллельных сторонам прямоугольных рамок.

Задача заявляемой группы полезных моделей заключается в повышении мощности и эффективности без снижения срока службы и надежности устройств.

Сущность заявляемой полезной модели по первому варианту характеризуется тем, что блок нагрева для электрокалорифера содержит зафиксированную с помощью крепящей арматуры внутри корпуса, по крайней мере, одну рамку с расположенными внутри спиральными нагревательными элементами; внутреннее пространство рамки поделено на две секции - одна под другой горизонтально протяженной промежуточной пластиной, выполненной из высокопрочного материала и имеющей два ряда отверстий для закрепления спиральных нагревательных элементов, равномерно заполняя ими пространство в каждой из секций, как в центральной части, так влево и вправо от нее в направлениях к боковым сторонам рамки; верхняя и нижняя краевые пластины, являющиеся одновременно верхней и нижней сторонами рамки, имеют по одному ряду отверстий для закрепления спиральных нагревательных элементов и развернуты их широкими сторонами под прямым углом к промежуточной пластине; при этом крепление спиральных нагревательных элементов в каждой секции осуществлено парами с образованием -образных фигур, вершины которых находятся на верхней и нижней краевых пластинах с одним рядом отверстий, а их расходящиеся части обращены в сторону промежуточной пластины с обеспечением крепления концов спиральных нагревательных элементов в ней в двух отверстиях; электрические соединения рамок и выход на источник питания осуществлены посредством расположенных у боковых сторон рамки непарных спиральных нагревательных элементов в местах их крепления с краевыми верхней и нижней пластинами.

Сущность заявляемой полезной модели по второму варианту характеризуется тем, что блок нагрева для электрокалорифера содержит зафиксированную с помощью крепящей арматуры внутри корпуса, по крайней мере, одну рамку с расположенными внутри спиральными нагревательными элементами; внутреннее пространство рамки поделено на расположенные друг под другом секции рядом горизонтально протяженных крепежных пластин, выполненных из высокопрочного материала и имеющих отверстия для закрепления спиральных нагревательных элементов, равномерно заполняя ими пространство в каждой из секций как в центральной части, так влево и вправо от нее в направлениях к боковым сторонам рамки; верхняя и нижняя краевые пластины, являющиеся одновременно верхней и нижней сторонами рамки, развернуты их широкими сторонами под прямым углом к промежуточным пластинам;

число рядов отверстий для закрепления спиральных нагревательных элементов на пластинах неодинаково - в краевых верхней и нижней пластинах отверстия выстроены в один ряд, в остальных промежуточных пластинах - в два ряда; крепление концов спиральных нагревательных элементов в краевых верхних и нижних секциях осуществлено парами с образованием -образных фигур с размещением вершин на краевых пластинах с одним рядом отверстий, а их расходящихся частей - на соседних близлежащих промежуточных пластинах с двумя рядами отверстий, а в промежуточных секциях спиральные нагревательные элементы установлены в виде протяженных параллельных рядов перпендикулярно промежуточным пластинам; электрические соединения рамок и выход на источник питания осуществлены посредством расположенных у боковых сторон рамки непарных спиральных нагревательных элементов в местах их крепления с краевыми верхней и нижней пластинами.

Заявляется также усовершенствование блока нагрева, у которого верхняя и нижняя краевые пластины укреплены дополнительными ребрами жесткости из высокопрочного материала. При этом ширина каждой из краевых верхней и нижней пластин h_кр. и ширина каждой из промежуточных пластин Н_пром подчинены соотношению:

h_кр.<Н_пром.

Технический результат заявляемой группы полезных моделей заключается в организации эффективного нагрева с помощью заявляемого блока нагрева для помещений и пространств в электротранспорте, обусловленного расстановкой и компоновкой спиральных нагревательных элементов (сокращенно спирали), их количеством и возможностями материалов. Для этого внутри рамки рационально пространство поделено на секции горизонтально протяженными пластинами из высокопрочного материала. Таким образом поделенное на секции пространство организует размещение спиральных нагревательных элементов как в горизонтальном направлении в виде рядов с размещением спиралей на пластинах, так и в вертикальном направлении - расположением одной секции под другой. Разделение функций в заявляемых нагревательных устройствах, максимально возможное освобождение внутреннего пространства электрообогревателей от элементов, не осуществляющих функцию непосредственно нагрева, вынесение из внутреннего пространства электродвигателя и устройства для нагнетания воздушного потока для возможности рациональной организации спиральных нагревательных элементов, позволяет увеличить количество последних на освободившейся территории и значительно повысить в заданных внешних габаритах мощность нагревательных устройств. При этом одновременно с главной задачей, сформулированной выше - превращением нагревательного устройства в высокомощное устройство необходимо решать вопрос повышения надежности устройства, его защиты, изоляции и, по крайней мере, сохранения срока службы, неувеличения веса, сохранения, а по возможности уменьшения металлоемкости.

Соединение концов спиральных нагревательных элементов осуществлено посредством отверстий, шайб в пластинах через изоляторы болтами, винтами, шпильками и любой прочей крепящей арматурой в зависимости от размеров блока нагрева и специфики применения.

В целях лучшего естественного охлаждения рекомендуется размещать спирали на пластине с обеспечением сдвига отверстий в соседних рядах. Как правило, на пластинах по два ряда отверстий. В заявляемой группе полезных моделей на краевых пластинах сверху и снизу, которые одновременно служат горизонтальными верхней и нижней сторонами рамки, выполнен один ряд отверстий.

В целях обеспечения надежного размещения элементов в заявляемом блоке нагрева и снижения по возможности веса конструкции поперечная ширина протяженных крепежных пластин неодинакова - те пластины, на которых выполнены по два ряда отверстий, имеют большую ширину, с одним рядом отверстий - меньшую. Однако, для укрепления конструкции в целом, по крайней мере, нижнюю сторону рамки в нужных случаях снабжают еще одним ребром жесткости, совмещая его расположение с нижней стороной рамки.

В целях снижения вибрационных воздействий на блок нагрева целесообразно установить вертикально ориентированный штырь (спицу) в центральную зону наибольшего влияния колебаний в роли виброгасителя. Верхняя и нижняя краевые пластины ориентированы по отношению к промежуточной под прямым углом и установлены по отношению к боковым сторонам рамки по типу таврового соединения.

Заявляемая группа полезных моделей поясняется с помощью Фиг.1-4. На Фиг.1 показан общий вид (вариант 1), на Фиг.2 - вид спереди (вариант 1), на Фиг.3. - общий вид (вариант 2), на Фиг.4. - вид спереди (вариант 2). Позициями на Фиг.1-4 обозначены:

1 - рамка;

2 - спиральные нагревательные элементы;

3 - боковые стороны рамки;

4 - краевая верхняя пластина;

5 - краевая нижняя пластина;

6 - промежуточные пластины;

7 - отверстия для спиральных нагревательных элементов;

8 - изоляторы;

9 - непарный спиральный нагревательный элемент;

10 - ребра жесткости.

Первый вариант осуществления заявляемой полезной модели. Блок нагрева для электрокалорифера содержит зафиксированную с помощью крепящей арматуры внутри корпуса, по крайней мере, одну рамку 1 с расположенными внутри спиральными нагревательными элементами 2. Боковые стороны рамки 3 с краевыми верхней 4 и нижней 5 пластинами, являющимися одновременно верхней и нижней сторонами рамки, образуют соединение по типу таврового для прочного и надежного крепления. Краевые верхняя 4 и нижняя 5 пластины развернуты своими широкими сторонами под прямым углом к крепежной горизонтально протяженной промежуточной пластине 6. Последняя делит внутреннее пространство рамки 1 на две секции, расположенные одна под другой. Все пластины и боковые стороны рамки выполнены из высокопрочного толстостенного материала, как правило, металла. В краевых верхней 4 и нижней 5, а также промежуточной 6 пластинах выполнены отверстия 7 для закрепления спиральных нагревательных элементов 2. Число рядов отверстий 7 в пластинах неодинаково: в краевых верхней 4 и нижней 5 пластинах - по одному ряду, в промежуточной 6 пластине - два ряда. При этом отверстия 7 в рядах в промежуточной пластине 6 расположены таким образом, чтобы обеспечивалось равномерное заполнение спиральными нагревательными элементами 2 пространства в каждой из секций как в центральной части, так влево и вправо от нее в направлениях к боковым сторонам рамки 3. Например, данный результат может быть достигнут путем разнесения отверстий 7 в рядах в промежуточной пластине 6 относительно друг друга. Крепление концов спиральных нагревательных элементов 2 в каждой секции осуществлено через изоляторы 8 парами с образованием -образных фигур. Вершины фигур находятся на верхней 4 и нижней 5 краевых пластинах с одним рядом отверстий 7. Такое размещение отверстий на пластинах является отличием обоих вариантов полезной модели. Расходящиеся части фигур обращены в сторону промежуточной пластины 6 с обеспечением крепления концов спиральных нагревательных элементов 2 в ней в двух отверстиях 7. Изоляторы 8 могут быть выполнены как традиционным образом для каждого конца отдельно из керамики, так и иначе, например, в виде выполнения крепежных пластин или их покрытия из термостойкого диэлектрического материала.

Электрические соединения рамок 1 и выход на источник питания осуществлены посредством расположенных у боковых сторон 3 рамки 1 непарных спиральных нагревательных элементов 9 в местах их крепления с краевыми верхней 4 и нижней 5 пластинами.

Второй вариант осуществления заявляемого изделия аналогичен первому. Но в отличие от первого варианта пространство внутри рамки поделено, по крайней мере, на три секции рядом крепежных горизонтально ориентированных промежуточных пластин б. При этом в промежуточных секциях спиральные нагревательные элементы 2 установлены в виде протяженных параллельных рядов перпендикулярно промежуточным пластинам 6, на которых имеется по два параллельных ряда отверстий и, следовательно, спиральные нагревательные элементы установлены в два ряда.

Кроме того и в первом, и во втором варианте выполнения заявляемого блока нагрева для укрепления всей конструкции краевые верхняя 4 и нижняя 5 пластины имеют дополнительные ребра жесткости 10 из высокопрочного материала. Одним из дополнительных отличий как 1-ого, так и 2-го варианта является выполнение следующего соотношения: ширина краевых верхней 4 и нижней 5 пластин h_кр. и ширина каждой из промежуточных пластин Н_пром подчинены соотношению:

h_кр.<Н_пром.

Блок нагрева для электрокалорифера работает следующим образом.

При включении блока нагрева в схему электропитания транспортного средства, например, электропоезда, на высоковольтные вводы питания блока нагрева подается напряжение 3000 В или 628 В в зависимости от типа напряжения контактной сети, питающей электротранспортное средство, в котором установлен электрокалорифер. Подача напряжения на контакты блока нагрева для электрокалорифера осуществляется одновременно при работающей автономно штатной вентиляционной установке электротранспортного средства, создающей необходимый воздушный поток. Приточный воздух, проходя через эту установку, направляется на равномерно расположенные спиральные нагревательные элементы установленных фронтально одна за одной рамок блока нагрева. Далее нагретый спиральными нагревательными элементами воздушный поток поступает внутрь электротранспортного средства. Работа блока нагрева в составе электрокалорифера осуществляется при наличии в составе последнего датчиков температуры в виде реле, которые настроены на контроль превышения как температуры выходящего воздушного потока, так и температуры поверхности его корпуса. При достижении критического значения температуры каждый из датчиков размыкает цепь спиральных нагревательных элементов.

В электропоездах блок нагрева для электрокалорифера располагается в надпотолочном пространстве вагона. Нагретый воздушный поток поступает в вагон электропоезда через отверстия, выполненные в потолочной перегородке.

Заявляемый блок нагрева характеризуется мощным и равномерным тепловьм потоком, хорошей согласованностью с большинством штатных вентиляционных систем электротранспортных средств, высокой надежностью, долговечностью, сроком службы.

Примеры. Заявляемые устройства в виде высоковольтных электрокалориферов по вариантам I и II проходят испытания на одном из предприятий г.Саратова на выполнение требований надежности, срока службы, безотказности, в том числе на воздействие внешних механических факторов (включая вибрацию), стойкость к воздействию условий транспортирования и к воздействию климатических факторов. Испытания показали соответствие заданным параметрам. В обоих электрокалориферах используются безынерционные блоки нагрева на открытых спиралях в полном соответствии с описанием данной заявки. В блоке нагрева в примерах установлено по 6 прямоугольных рамок (в варианте 1) и 5 прямоугольных рамок (в варианте 2), выполненных из высокопрочного металла и имеющих отверстия для установки отрезков спиралей из высокоомного жаропрочного материала с использованием керамических изоляторов. Плотность тока в спиральных нагревательных элементах примерно в 15 раз ниже, чем в спиралях ТЭНов, используемых другими производителями климатического оборудования для электропоездов. При этом температура открытых спиралей в рабочем режиме не превышали 150°С, в то время как температура спиралей в составе ТЭНов достигает 1000°С и более. Для повышения надежности и электробезопасности блока нагрева в нем установлены виброгасящие элементы в центральной части каждой из рамок. Внутри корпусов обоих электрокалориферов установлены в значимых местах датчики в виде реле, обеспечивающих сохранение температуры выходящего потока и корпуса в заданном диапазоне значений. Для возможности варьирования режимами блок нагрева был изготовлен состоящим из 2 нагревательных модулей мощностью соответственно 8 и 16 кВт, что обеспечивало 3 режима мощности калорифера: 8, 16, 24 кВт. Обеспечена гарантированная номинальная мощность 24 кВт. Электрокалорифер имеет запасы по всем основным параметрам.

Вариант 1. Отличия конструкций по вариантам в описываемых примерах заключаются в том, что крепление спиралей в варианте I в двух краевых секциях, которыми и ограничивается конструкция первого варианта, осуществлено с образованием -образной фигуры в верхней секции и фигуры, обратной ей по форме (V-образной) в нижней секции. На каждой краевой пластине только по одному ряду отверстий. Других секций в каждой из рамок по варианту 1 нет.

Вариант 2 включает целиком в себя вариант 1 и дополнен рядом промежуточных секций иной модификации с параллельно ориентированными спиральными нагревательными элементами. Отличие примера в устройстве по второму варианту - в том, что выполнено три промежуточные пластины (а может быть и больше, такой пример в данной заявке не приводится) и, следовательно, добавлено две промежуточные секции с двумя протяженными рядами параллельно ориентированных спиральных нагревательных элементов. Данный блок нагрева мощнее, чем по варианту 1.

1. Блок нагрева для электрокалорифера, характеризующийся тем, что он содержит зафиксированную с помощью крепящей арматуры внутри корпуса, по крайней мере, одну рамку с расположенными внутри спиральными нагревательными элементами; внутреннее пространство рамки поделено на две секции - одна под другой горизонтально протяженной промежуточной пластиной, выполненной из высокопрочного материала и имеющей два ряда отверстий для закрепления спиральных нагревательных элементов, равномерно заполняя ими пространство в каждой из секций, как в центральной части, так влево и вправо от нее в направлениях к боковым сторонам рамки; верхняя и нижняя краевые пластины, являющиеся одновременно верхней и нижней сторонами рамки, имеют по одному ряду отверстий для закрепления спиральных нагревательных элементов и развернуты их широкими сторонами под прямым углом к промежуточной пластине; при этом крепление спиральных нагревательных элементов в каждой секции осуществлено парами с образованием -образных фигур, вершины которых находятся на верхней и нижней краевых пластинах с одним рядом отверстий, а их расходящиеся части обращены в сторону промежуточной пластины с обеспечением крепления концов спиральных нагревательных элементов в ней в двух отверстиях; электрические соединения рамок и выход на источник питания осуществлены посредством расположенных у боковых сторон рамки непарных спиральных нагревательных элементов в местах их крепления с краевыми верхней и нижней пластинами.

2. Блок нагрева для электрокалорифера, характеризующийся тем, что он содержит зафиксированную с помощью крепящей арматуры внутри корпуса, по крайней мере, одну рамку с расположенными внутри спиральными нагревательными элементами; внутреннее пространство рамки поделено на расположенные друг под другом секции рядом горизонтально протяженных крепежных пластин, выполненных из высокопрочного материала и имеющих отверстия для закрепления спиральных нагревательных элементов, равномерно заполняя ими пространство в каждой из секций как в центральной части, так влево и вправо от нее в направлениях к боковым сторонам рамки; верхняя и нижняя краевые пластины, являющиеся одновременно верхней и нижней сторонами рамки, развернуты их широкими сторонами под прямым углом к промежуточным пластинам; число рядов отверстий для закрепления спиральных нагревательных элементов на пластинах неодинаково - в краевых верхней и нижней пластинах отверстия выстроены в один ряд, в остальных промежуточных пластинах - в два ряда; крепление концов спиральных нагревательных элементов в краевых верхних и нижних секциях осуществлено парами с образованием -образных фигур с размещением вершин на краевых пластинах с одним рядом отверстий, а их расходящихся частей - на соседних близлежащих промежуточных пластинах с двумя рядами отверстий, а в промежуточных секциях спиральные нагревательные элементы установлены в виде протяженных параллельных рядов перпендикулярно промежуточным пластинам; электрические соединения рамок и выход на источник питания осуществлены посредством расположенных у боковых сторон рамки непарных спиральных нагревательных элементов в местах их крепления с краевыми верхней и нижней пластинами.

3. Блок по п.2, характеризующийся тем, что верхняя и нижняя краевые пластины укреплены дополнительными ребрами жесткости из высокопрочного материала.

4. Блок по п.3, характеризующийся тем, что ширина каждой из краевых верхней и нижней пластин h _кр и ширина каждой из промежуточных пластин H_пром подчинены соотношению h_кр<H_пром.