Модуль водонагревателя с бойлером косвенного нагрева для электрического нагрева жидкостных сред (варианты)

Полезная модель относится к средствам и технологиям энергосберегающего отопления и нагрева жидкостных сред и предназначена для отопления жилых, производственных и других помещений с принудительной циркуляцией теплоносителя в отопительной системе и горячего водоснабжения, а также может устанавливаться в действующие системы отопления параллельно с котлами, работающими на других видах топлива. Модуль (варианты 1, 2) имеет корпус, нагревательный элемент в виде инфракрасного кварцевого излучателя с каркасом для спирали и подводом напряжения с одного торца, расположенного в центре модуля, выполненного коаксиальным. В модуле (вариант 1) дополнительно установлен теплообменник по всей длине излучателя, по крайней мере, с одним зазором относительно излучателя и корпуса для циркуляции жидкостной среды. Теплообменник выполнен в виде цилиндра или двух полуцилиндров, снабженных по всей длине на внутренней и/или наружной поверхности ребрами жесткости и/или цилиндрическими или спиралевидными канавками. В модуле (вариант 2) корпус установлен с зазором по всей длине излучателя, а внутренняя стенка корпуса снабжена экраном из алюминиевой фольги, покрытой полиэтилентерефталатной пленкой, что позволяет сделать его зеркальным. Полезная модель позволяет упростить конструкцию, уменьшить вес и габариты, повысить эффективность, экономичность и срок службы модулей для электрического котла. При этом обеспечивается модульность котла (можно собрать тепловой узел 30-50 и более кВт), упрощается монтаж и эксплуатация. Кроме того, по сравнению с электродными котлами предлагаемые модули для нагрева не требовательны к химическому составу воды в системе отопления, в сравнении с ТЭНовыми котлами - не образуют накипи, в отличие от индукционных котлов - не имеют повышенных электромагнитных излучений. 12 п. формулы 2 иллюстрация

Полезная модель относится к средствам и технологиям энергосберегающего отопления и нагрева жидкостных сред и предназначено для отопления жилых, производственных и других помещений с принудительной циркуляцией теплоносителя (воды) в отопительной системе и горячего водоснабжения, а также может устанавливаться в действующие системы отопления параллельно с котлами, работающими на других видах топлива.

Аналогом является водогрейный модуль для электродного котла, который имеет металлический корпус из цельнотянутой трубы, покрытой толстым слоем диэлектрика из полиамида. Перпендикулярно к оси трубы вварены входной и выходной патрубки для подвода теплоносителя. С одного торца трубы через изолятор вкручен по резьбе электрод из специального сплава, а с другого торца труба заглушена специальной гайкой из полиамида с металлизированной резьбой. Посредине трубы перпендикулярно к ее оси через дополнительный толстый слой полиамида приварены клеммы ноль и заземления.

(Сайт. Интернет. http:/teplodoma.com.ua/magazin.php?t=14, стр.1, от 07.03.2013 г.).

Недостатком аналога является сложность конструкции, значительная трудоемкость в изготовлении, материалоемкость и высокая стоимость. Кроме того, возникает необходимость замены электродов, которые постепенно растворяются, что приводит к снижению эффективности, есть токи утечки, которые могут достигать 25% номинального тока. Требует обслуживания высокой квалификации.

Прототипом является трубчатый электронагреватель (ТЭН), который выполнен в виде металлической трубки, заполненной теплопроводящим изолирующим материалом - периклазом (минерал, оксид магния). Точно по центру изолятора проходит токопроводящая спираль из проволоки высокого сопротивления, например, нихрома, для передачи необходимой мощности на поверхность ТЭНа. Трубки для ТЭНов изготавливают из стали, нержавеющей стали и меди. (Сайт. Интернет. http:/teplodoma.com.ua/magazin.php?t=14, стр.1, от 07.03.2013 г.).

К недостаткам ТЭНов следует отнести высокую металлоемкость и стоимость из-за использования дорогостоящих материалов (нихром, нержавеющая сталь, медь), не очень высокий срок службы (коррозионное нарушение оболочки, разрыв спирали из-за перегрева), образование слоя накипи на поверхности трубки, невозможность ремонта при перегорании спирали.

В основу настоящей полезной модели поставлена задача создать такой модуль для электрического нагрева жидкостных сред, в котором использование новых конструктивных элементов, новое их сочетание и расположение, новый подвод жидкостной среды позволил бы обеспечить малую инерционность, высокую термостойкость, возможность длительных перегрузок и стойкость к воздействию различных сред (вода, пыль и т.д.), упрощение конструкции и большой срок службы.

Поставленная задача по модулю (вариант 1) решается тем, что модуль для электрического нагрева жидкостных сред, включающий, корпус, нагревательный элемент, согласно полезной модели дополнительно снабжен теплообменником, нагревательный элемент выполнен в виде инфракрасного излучателя, расположенного в центре модуля, который выполнен коаксиальным, при этом теплообменник установлен по всей длине излучателя, по крайней мере, с одним зазором относительно излучателя и корпуса для циркуляции жидкостной среды.

Поставленная задача по модулю (вариант 2) решается тем, что модуль для электрического нагрева жидкостных сред, включающий, корпус, нагревательный элемент, согласно полезной модели нагревательный элемент выполнен в виде инфракрасного излучателя, расположенного в центре модуля, который выполнен коаксиальным, а корпус установлен с зазором по всей длине излучателя.

Благодаря тому, что по полезной модели (по модулю (варианты 1, 2) в качестве нагревательного элемента используют инфракрасный излучатель, который располагают в центре модуля, и передают выделяемое тепло, преимущественно, инфракрасного излучения коротковолнового и/или средневолнового диапазонов, в радиальном направлении в жидкостную среду, в теплообменник достигается целый ряд преимуществ по сравнению с аналогом и прототипом:

- малая инерционность, так как нагрев инфракрасным излучением бесконтактный и передача энергии от излучателя к объекту происходит очень быстро (со скоростью света), что позволяет использовать его в цикличных процессах;

- большой срок службы и сохранение в течение всего периода работы стабильного лучистого потока;

- высокая эффективность, экономичность;

- высокая термостойкость, возможность длительных перегрузок и стойкость к воздействию различных сред (вода, пыль и т.д.);

- упрощение конструкции, уменьшение веса и габаритов;

- модульность. Можно собрать тепловой узел 30-50 и более кВт;

- упрощение монтажа и эксплуатации.

Кроме того, по сравнению с электродными модулями предлагаемые модули для нагрева менее требовательны к химическому составу воды в системе отопления, в сравнении с ТЭНами - не образуют накипи, в отличие от индукционных нагревателей - не имеют повышенных электромагнитных излучений, имеют меньшую стоимость.

Инфракрасные лучи - это электромагнитное излучение, подчиняющееся законам оптики. В зависимости от длины волны инфракрасную область спектра условно разделяют на коротковолновую (0,74-2,5 мкм), средневолновую (2,5-50 мкм) и длинноволновую (50-2000 мкм) части. Коротковолновые излучатели с максимальной температурой (выше 800°C), у средневолновых излучателей температура поверхности ниже (до 600°C).

Спектральный состав излучения кварцевой лампы определяется температурой кварцевой трубки. К примеру: при температуре кварцевой трубки порядка 500°C, основная часть лучистого потока тела накала, лежит в области спектра с длиной волны 3-4 мкм. Известно, что слой воды толщиной 1 см практически не прозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны более 1 мкм. Поэтому вода толщиной в несколько сантиметров используется как теплозащитный фильтр.

Поскольку жидкостной среде обеспечивают принудительную циркуляцию в осевом направлении модуля (варианты 1, 2) по поверхности инфракрасного излучателя, по внутренней и внешней поверхности теплообменника, достигается мощный теплосъем с большой поверхности, что позволяет производить более быстрый нагрев воды или другого теплоносителя.

Инфракрасный излучатель модуля (варианты 1, 2) может быть выполнен в виде кварцевой трубки, в которой расположена спираль, дополнительно снабженная каркасом в виде полосы или трубки, причем каркас выполнен из прозрачного для инфракрасного излучения материала, что позволяет подводить напряжение с одного конца модуля, повысить его надежность и возможность использовать в вертикальном положении, что значительно расширяет сферу применения.

Теплообменник модуля (вариант 1) может быть выполнен в виде цилиндра, снабженного по всей длине на внутренней и/или наружной поверхности ребрами жесткости и/или цилиндрическими или спиралевидными канавками, что значительно увеличивает его поверхность, а значит и теплосъем.

Теплообменник модуля (вариант 1) может быть выполнен в виде двух полуцилиндров, снабженных по всей длине на внутренней и/или наружной поверхности ребрами жесткости и/или цилиндрическими или спиралевидными канавками, что значительно увеличивает его поверхность и упрощает технологию изготовления.

По модулю (варианты 1, 2) поверх излучателя может быть дополнительно установлена трубка из прозрачного для инфракрасного излучения материала, чтобы усилить излучатель.

По модулю (вариант 2) внутренняя стенка корпуса дополнительно может быть снабжена экраном, который выполнен из алюминиевой фольги, покрытой полиэти-лентерефталатной пленкой, что позволяет сделать его зеркальным и защитить от повреждений (рабочая температура пленки 135°C).

По модулю (вариант 2) может быть дополнительно снабжен пассивным активатором жидкостной среды для турбулизации и лучшего нагрева жидкостной среды.

По модулю (варианты 1, 2) корпус дополнительно может быть снабжен теплоизоляцией и внешним экраном, что исключает тепловые потери.

Предлагаемая полезная модель схематично представлена на фиг.1, 2. На фиг.1 показан модуль для нагрева (вариант 1), где 1 - инфракрасный излучатель, 2 - корпус в виде трубы, 3 - теплообменник, 4 - жидкостная среда.

На фиг.2 показан модуль для нагрева (вариант 2), где 1 - инфракрасный излучатель, 2 - корпус в виде трубы, 4 - жидкостная среда.

Модуль для электрического нагрева жидкостных сред (вариант 1) включает корпус 2, нагревательный элемент 1. Модуль (корпус в виде трубы) 2 (см. фиг.1) дополнительно снабжен теплообменником 3, нагревательный элемент выполнен в виде инфракрасного излучателя 1, расположенного в центре модуля (корпуса в виде трубы) 2, который выполнен коаксиальным, при этом теплообменник 3 установлен по всей длине излучателя 1, по крайней мере, с одним зазором относительно излучателя 1 и корпуса 2 для циркуляции жидкостной среды 4.

Модуль для электрического нагрева жидкостных сред (вариант 2) включает корпус 2, нагревательный элемент 1. В модуле (корпус в виде трубы) 2 (см. фиг.2) нагревательный элемент выполнен в виде инфракрасного излучателя 1, расположенного в центре модуля (корпуса в виде трубы) 2, который выполнен коаксиальным, а корпус 2 установлен с зазором по всей длине излучателя 1.

В модуле внутренняя стенка корпуса 2 может быть снабжена экраном (на фигуре условно не показан).

Работа модуля (вариант 1) заключается в следующем. Кварцевый излучатель 1 (фиг.1) испускает поток лучистой энергии, преимущественно, инфракрасного излучения коротковолнового и/или средневолнового диапазонов, то есть передает выделяемое тепло в радиальном направлении в жидкостную среду 4 и в теплообменник 3, который используют дополнительно, размещая вокруг излучателя 1 по всей длине, причем жидкостной среде 4 обеспечивают циркуляцию в осевом направлении модуля (корпуса в виде трубы) 2 по поверхности кварцевого излучателя 1 и, по меньшей мере, по внутренней поверхности теплообменника 3. При этом вся энергия инфракрасного излучения беспрепятственно проходит кварцевую трубку, частично поглощается жидкостной средой 4, а основная часть энергии проходит через жидкостную среду 4, так как толщина слоя небольшая (несколько миллиметров), и поглощается теплообменником 3, который нагревается.

Таким образом, слой жидкостной среды 4, который циркулирует по поверхности инфракрасного излучателя 1, получает тепло: 1 - теплопередачей от кварцевой трубки, нагреваемой конвекцией нагретых газов внутри трубки; 2 - от частичного поглощения инфракрасного излучения; 3 - теплопередачей от внутренней поверхности теплообменника 3, нагретого инфракрасным излучением.

По модулю (вариант 1) (фиг.1) дополнительно обеспечивают жидкостной среде 4 циркуляцию в осевом направлении модуля (корпуса в виде трубы) 2 по внешней поверхности теплообменника 3, то есть этот второй слой жидкостной среды 4 получает тепло теплопередачей от теплообменника 3, нагретого инфракрасным излучением. Для этого должна быть достаточной мощность кварцевого излучателя 1, чтобы нагреть второй дополнительный слой жидкостной среды 4.

Благодаря тому, что модуль (вариант 1) дополнительно снабжен теплообменником 3, который установлен по всей длине излучателя 1, по крайней мере, с одним зазором относительно излучателя 1 и корпуса 2 в виде трубы для циркуляции жидкостной среды 4, происходит более быстрый нагрев воды (теплоносителя), улучшаются условия эксплуатации и монтажа (излучатель 1 легко извлекать из теплообменника 3 и корпуса 2) и даже можно использовать в качестве проточного электроводонагревателя.

Работа по модулю (вариант 2) (фиг.2) заключается в следующем. Выделяемое тепло, преимущественно, инфракрасного излучения коротковолнового и/или средневолнового диапазонов, передается в радиальном направлении в жидкостную среду 4 достаточной толщины (на величину зазора между корпусом 2 и излучателем 1), которая поглощает энергию инфракрасного излучения и быстро нагревается, так как жидкостной среде 4 обеспечивают циркуляцию в осевом направлении модуля (корпуса в виде трубы) 2 по поверхности кварцевого излучателя 1. При этом упрощается конструкция, так как отсутствует теплообменник. Внутренняя стенка корпуса 2 может быть снабжена экраном в виде тонкой алюминиевой фольги (на фиг.2 условно не показан), который отражает ту небольшую часть излучения, которая могла бы пройти через слой жидкостной среды 4 и бесполезно нагревать корпус 2 модуля, то есть позволяет избежать потери.

1. Модуль для электрического нагрева жидкостных сред, включающий корпус, нагревательный элемент, отличающийся тем, что дополнительно снабжен теплообменником, нагревательный элемент выполнен в виде инфракрасного излучателя, расположенного в центре модуля, который выполнен коаксиальным, при этом теплообменник установлен по всей длине излучателя, по крайней мере, с одним зазором относительно излучателя и корпуса для циркуляции жидкостной среды.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что инфракрасный излучатель выполнен в виде кварцевой трубки, в которой расположена спираль, дополнительно снабженная каркасом в виде полосы или трубки, причем каркас выполнен из прозрачного для инфракрасного излучения материала.

3. Модуль по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительно поверх излучателя установлена трубка из прозрачного для инфракрасного излучения материала.

4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что теплообменник выполнен в виде цилиндра, снабженного по всей длине на внутренней и/или наружной поверхности ребрами жесткости и/или цилиндрическими или спиралевидными канавками.

5. Модуль по п.1, отличающийся тем, что теплообменник выполнен в виде двух полуцилиндров, снабженных по всей длине на внутренней и/или наружной поверхности ребрами жесткости и/или цилиндрическими или спиралевидными канавками.

6. Модуль по п.1, отличающийся тем, что корпус дополнительно снабжен теплоизоляцией и внешним экраном.

7. Модуль для электрического нагрева жидкостных сред, включающий корпус, нагревательный элемент, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде инфракрасного излучателя, расположенного в центре модуля, который выполнен коаксиальным, а корпус установлен с зазором по всей длине излучателя.

8. Модуль по п.7, отличающийся тем, что инфракрасный излучатель выполнен в виде кварцевой трубки, в которой расположена спираль, дополнительно снабженная каркасом в виде полосы или трубки, причем каркас выполнен из прозрачного для инфракрасного излучения материала.

9. Модуль по пп.7 и 8, отличающийся тем, что поверх излучателя дополнительно установлена трубка из прозрачного для инфракрасного излучения материала.

10. Модуль по п.7, отличающийся тем, что внутренняя стенка корпуса дополнительно снабжена экраном, который выполнен из алюминиевой фольги, покрытой полиэтилентерефталатной пленкой.

11. Модуль по п.7, отличающийся тем, что дополнительно снабжен пассивным активатором жидкостной среды.

12. Модуль по п.7, отличающийся тем, что корпус дополнительно снабжен теплоизоляцией и внешним экраном.