Устройство для нагревания жидкости
Предложены способ и устройство для нагревания жидкости передачей тепла от нагревательного элемента к жидкости, отличающийся тем, что процесс движения нагреваемой жидкости организуют так, что ограниченный объем, жидкости забирают из общей емкости из области с наиболее холодной жидкостью, помещают его к нагревательному элементу и только его и нагревают. Дополнительно обеспечивают отсутствие контакта или смешивания жидкости из ограниченного объема, в процессе нагревания, с остальной жидкостью в общей емкости, находящейся вокруг нагреваемого объема, а нагретую жидкость самотеком направляют в общую емкость в область с более разогретой жидкостью. Устройство для нагревания жидкости, с помощью нагревательного элемента, помещенного в нагреваемую жидкость, отличается тем, что элемент для нагревания жидкости изолируют от основной части жидкости, помещая в вертикальную трубу с открытыми торцами, начинающуюся несколько выше дна емкости и заканчивающуюся несколько ниже поверхности жидкости. Труба может быть выполнена из материала с низкой теплопроводностью или из материала с высокой отражающей способностью. Труба может быть выполнена из материала с низкой теплопроводностью с нанесенным на внутреннюю сторону устройства покрытием с высокой отражающей способностью.
Площадь поперечного сечения выходного отверстия может быть выполнена меньшей, чем площадь поперечного сечения трубы. Верхняя часть может быть выполнена сужающейся. Верхняя часть может быть выполнена в виде деформированной в одном направлении цилиндрической поверхности. Верхняя часть может быть выполнена в виде нескольких сужающихся поверхностей вращения или деформированных в одном направлении, расположенных на одной оси по направлению движения жидкости. Верхняя часть может быть выполнена в виде нескольких сужающихся поверхностей, ориентированных произвольно либо по какой-либо схеме относительно направления движения жидкости. Верхняя часть может быть выполнена в виде нескольких сужающихся поверхностей, деформированных в одном направлении, ориентированных произвольно либо по какой-либо схеме относительно направления движения жидкости. Форма цилиндрической поверхности может повторять очертания нагревательного элемента, образуя зазор между стенками трубы и нагревательным элементом, исключающей образование непрогреваемого объема жидкости между стенками трубы и нагревательным элементом.
Изобретение относится к области организации процесса нагревания жидкости и устройствам для нагрева жидкости, и в частности к способам и устройствам для нагрева жидкости.
Известны способы и устройства для нагревания жидкости, устанавливаемые стационарно в емкости или временно помещаемые туда. При этом нагревательный элемент помещают на дне емкости и/или выполняют его длинномерным и устанавливают вертикально для улучшения конвективного потока нагреваемой жидкости.
К таким устройствам относятся, например, широко известные термоэлементы с электрическим нагревательным элементом или нагревательным элементом на базе другого теплоносителя (например, патент России №2239958).
Известны нагреватели, которые для организации более эффективной теплопередачи выполняют с развитой поверхностью. При этом технические решения идут по пути увеличения поверхности по которой осуществляется теплообмен, например, патент России №2215937.
Известны нагреватели, выполненные в виде самостоятельного устройства, помещаемые вблизи дна емкости, для увеличения теплоотдачи оснащаемые приводом ускоряющим поток нагреваемой жидкости около нагревательного элемента. Примером могут служить патент России №2243459.
В известных устройствах встречные потоки конвектирующей жидкости могут перемешиваться и нарушать движение, что сильно снижает эффективность нагрева.
Также движение жидкости в известных устройствах идет более интенсивно в верхней части устройств и менее интенсивно в нижней части образуя тем самым застойные зоны прогрева, см. Фиг.1а.
Указанные недостатки известных способов и устройств значительно ограничивают возможности их использования для нагрева жидкостей.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности нагрева жидкости, исключение зон застоя в объеме нагреваемой жидкости, повышение скорости конвективного движения нагреваемой жидкости.
Известные способы непригодны для достижения заявленного технического результата.
Указанный технический результат достигают путем использования способа и устройства для организации потоков конвектирующей жидкости, позволяющей исключить взаимодействие встречных потоков и появление областей застоя жидкости, а также организовать ускорение движения жидкости в емкости.
Предлагаемый способ отличается тем, что незначительный объем жидкости, находящийся непосредственно в зоне воздействия теплового излучения нагревательного элемента, изолируют от основного объема жидкости, и организуют процесс
самопроизвольного движения кон век тирующей нагреваемой жидкости таким образом, чтобы увеличить скорость ее движения, исключить появление застойных зон, прогреваемых в процессе нагрева по сравнению с вышерасположенными зонами жидкости менее интенсивно.
Предлагаемое устройство отличается тем, что элемент для нагревания жидкости помещают в цилиндр, продолжающийся от ближайшей окрестности дна емкости (несколько отстоящий от дна) до некоторой окрестности поверхности жидкости (не доходящей до поверхности) (фиг.1б).
Сущность предложения иллюстрируется на фигурах 2-4.
Сущность предложения в части способа иллюстрируется фигуре 2. Около нагревательного элемента (1) изолируют незначительную часть жидкости от основного объема и организуют условия для самопроизвольного движения указанной незначительной части жидкости для ускорения теплопередачи и более быстрого нагрева протекающего ограниченного объема до более высокой температуры, что приводит к повышению скорости течения жидкости вблизи нагревательного элемента. Далее нагретую жидкость направляют в общую емкость. При этом исключают смешивание жидкости из ограниченного объема, проходящей около (омывающей) нагревательного элемента и остальной жидкости, находящейся за пределами изолирующего устройства (2). Кроме того, благодаря организованному таким образом процессу движения жидкости
устраняют потери от образования в основном объеме жидкости застойных зон (3).
Сущность предложения в части устройства иллюстрируется фигурах 2, 3, 4. Элемент для нагревания жидкости (1) помещают в цилиндрическую или другой, в том числе комбинированной формы трубу (2) с открытыми торцами., продолжающуюся от ближайшей окрестности дна общей емкости (но несколько отстоящую от дна) до некоторой окрестности поверхности жидкости (но не доходящую до поверхности.
Стенки трубы (2) отстоят от поверхности нагревательного элемента, так что жидкость нагревают только внутри трубы. Жидкость, нагретая в трубе, самопроизвольно поднимается вверх к поверхности и выходит из трубы в основную (общую) емкость. Снизу в трубу поступает более холодная жидкость. Жидкость в трубе во время нагрева не контактирует и не смешивается с остальной жидкостью в общей емкости, находящейся за пределами устройства.
Для повышения эффективности устройства трубу (2) выполняют из материала с низкой теплопроводностью либо из материалов с высокой отражающей способностью.
Для повышения скорости выхода нагретой жидкости, верхнюю часть трубы выполняют с уменьшением площади поперечного сечения кверху - в виде сужающегося тела вращения или в виде частично деформированной в одном направлении формы (сплющенный цилиндр), либо в виде нескольких сужающихся тел вращения или каких-либо
других форм, имеющих на выходе суммарное поперечное сечение меньшее поперечного сечения на входе трубы.
Для более равномерного нагрева воды в трубе, профиль ее поперечного сечения выполняют повторяющим поперечное сечение нагревательного элемента (1) с назначенным зазором между стенками трубы и нагревательным элементом (фиг.4, позиции а, b, с). Некоторые разновидности формы нагревательного элемента показаны на фиг.1 и 2. Зазор выбирают из условия обеспечения гарантированного прогрева объема жидкости в зоне действия нагревательного элемента и предотвращения образования непрогреваемого объема жидкости внутри трубы и зависит от мощности нагревательного элемента.
Предлагаемое техническое решение можно применить как во вновь изготавливаемых нагревательных приборах (т.е. устанавливать при заводской сборке), так и для модернизации уже имеющихся.
1. Устройство для нагревания жидкости, характеризующееся наличием нагревательного элемента, помещенного в нагреваемую жидкость, отличающееся тем, что элемент для нагревания жидкости изолирован от основной части жидкости, помещен в вертикальную трубу с открытыми торцами, причем нижний торец расположен несколько выше дна емкости, а верхний торец расположен несколько ниже поверхности жидкости.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что труба выполнена из материала с низкой теплопроводностью.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что труба выполнена из материала с высокой отражающей способностью.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что труба выполнена с нанесенным на внутреннюю сторону устройства покрытием с высокой отражающей способностью.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения выходного отверстия выполнена меньшей, чем площадь поперечного сечения трубы.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что верхняя часть трубы выполнена в виде сужающейся поверхности вращения.
7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что верхняя часть трубы выполнена в виде деформированной в одном направлении цилиндрической поверхности.
8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что верхняя часть трубы выполнена в виде нескольких сужающихся поверхностей вращения, расположенных на одной оси по направлению движения жидкости.
9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что верхняя часть трубы выполнена в виде нескольких сужающихся поверхностей, деформированных в одном направлении, расположенных на одной оси по направлению движения жидкости.
10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что верхняя часть трубы выполнена в виде нескольких сужающихся поверхностей, ориентированных произвольно либо по какой-либо схеме относительно направления движения жидкости.
11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что верхняя часть трубы выполнена в виде нескольких сужающихся поверхностей, деформированных в одном направлении, ориентированных произвольно либо по какой-либо схеме относительно направления движения жидкости.
12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что форма трубы повторяет очертания нагревательного элемента на заданном расстоянии от него, образуя зазор между стенками трубы и нагревательным элементом, величиной, обеспечивающей гарантированный прогрев всего объема жидкости и исключающей образование непрогреваемого объема жидкости между стенками трубы и нагревательным элементом.
