электронагреватель текучих и сыпучих сред

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ И СЫПУЧИХ СРЕД, содержащий трансформатор, нагревательный элемент, подключенный к вторичной обмотке трансформатора с образованием замкнутой электрической цепи и выполненный в виде электропроводящей трубы, в которой перемещается нагреваемая среда, при этом концы трубы электрически соединены между собой перемычкой и герметично соединены с подводящим и отводящим патрубками, отличающийся тем, что вторичная обмотка трансформтаора выполнена в виде нескольких витков электрического провода, концы обмотки соединены с трубой, причем на участке трубы между точками соединения концов обмотки трансформатора с трубой установлена неэлектропроводящая герметичная вставка, длина L трубы определяется из выражения



где T T требуемое увеличение температуры нагреваемой среды;

M масса нагреваемой среды;

t время, необходимое для нагрева;

C удельная теплоемкость вещества;

удельное электрическое сопротивление трубы;

S площадь сечения металлической части трубы;

K коэффициент, учитывающий потери;

U напряжение во вторичной обмотке трансформатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве и бытовой сфере для нагрева воды, воздуха, песка, масла, антифриза и т.п.

Известен электронагреватель, содержащий разъемный корпус с электронагревательным элементом и лабиринтный канал для воды, причем электронагреватель выполнен в виде электродных пластин.

Недостатком устройства является ограниченный срок службы электронагревателя из-за окисления и разрушения электродов.

Наиболее близким по технической сущности является электронагреватель, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику переменного напряжения, нагревательный элемент выполнен в виде электропроводящей трубы, внутри которой перемещается нагреваемая среда, причем труба является вторичной обмоткой трансформатора, и ее концы герметично соединены с подводящим и отводящим патрубками, а между собой концы трубы электрически соединены перемычкой.

Недостатком устройства является низкая надежность нагревательных элементов. Это объясняется малой площадью соприкосновения нагревателя с жидкостью и необходимостью устанавливать высокую температуру элемента. Такой режим вызывает перегорание нити нагревателя.

Целью изобретения является повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде нескольких витков электрического провода, концы обмотки электрически соединены с трубой длиной L, причем на участке трубы между местами электрического соединения концов обмотки трансформатор с трубой введена неэлектропроводящая герметичная вставка.

Длина трубы определяется из выражения

L где Т требуемое приращение температуры нагреваемой среды; М масса нагреваемой среды; t время, необходимое для нагрева С удельная теплоемкость вещества; - удельное электрическое сопротивление трубы; S площадь сечения металлической части трубы; К коэффициент, учитывающий потери; U напряжение во вторичной обмотке трансформатора.

На фиг. 1 показана конструкция электронагревателя, выполненного по п.1 формулы изобретения; на фиг.2 конструкция устройства, реализованного в соответствии с п. 2 формулы изобретения; на фиг.3 эквивалентная электрическая схема трансформатора.

Электронагреватель по п.1 формулы изобретения состоит из металлического трубопровода 1, электрической перемычки 2, трансформатора 3 с первичной сетевой обмоткой 4. 5 подводящий патрубок, 6 отводящий патрубок.

Электронагреватель по п.2 формулы изобретения состоит из трубопровода 1, перемычки 2, трансформатора 3 с первичной обмоткой 4, подводящего патрубка 5, отводящего патрубка 6, неэлектропроводящей вставки 7, вторичной обмотки 8.

Подводящий 5 и отводящий 6 патрубки являются продолжением трубопровода 1 и служат для подключения потребителя нагретой среды и источника (фиг.1). Трубопровод 1 является вторичной обмоткой трансформатора 3. Трубопровод образует два-три витка, причем "витки" трубопровода должны быть электрически изолированы друг от друга, а также от сердечника трансформатора. Вторичная обмотка 4 трансформатора подключается к источнику электрической энергии. Перемычка 2 обеспечивает электрическое соединение трубопровода с целью создания замкнутого электрического контура, в которой циркулирует ток вторичной обмотки трансформатора 3.

Отличительной особенностью конструкции на фиг.2 является то, что в разрыв трубопровода 1 введена диэлектрическая вставка 7, которая герметично соединяет отрезки трубопровода 1 и исключает протекание тока вторичной обмотки 8 в месте разрыва трубопровода. Обмотка 8 выполнена толстым проводом с малым электрическим сопротивлением. Места соединения вторичной обмотки 8 с трубопроводом 1 располагаются вблизи концов диэлектрической вставки 7.

Электронагреватель работает следующим образом.

При подведении напряжения к первичной обмотке трансформатора 3 в контуре трубопровода 1, имеющего большую проводимость устанавливается большой ток при малой электродвижущей силе.

Это условие предопределяет эффективное рассеивание электрической мощности в виде тепла в теле трубопровода.

Отличительной и положительной стороной предлагаемого электронагревателя является снижение эффекта локализованного (сосредоточенного в малом объеме) нагрева среды, поскольку в предлагаемом устройстве нагревательный элемент имеет относительно большую площадь для теплообмена с подогреваемой средой. При этом нагревательный элемент дополнительно выполняет функцию рубашки, отделяющей подогреваемую среду от внешней среды.

Следствием увеличения активной площади нагревателя является снижение изменения физических свойств среды и повышение надежности за счет уменьшения эрозии металла нагревателя, уменьшения числа термических трещин, возникающих при больших перепадах температуры.

С целью упрощения конструкции электронагревателя возможен вариант его выполнения, отличающийся тем, что обмотка трансформатора из трубопровода заменена проводом с большой проводимостью (фиг.2). Таким образом, устраняется более сложный в изготовлении узел из свернутого в виде витков отрезка трубопровода. При этом, как показано на фиг.2, трубопровод может иметь U-образную форму. Герметичность канала для текучих сред обеспечивается введением в место разрыва патрубка из диэлектрического материала.

Коэффициент полезного действия (КПД) электронагревателя при наличии теплоизоляции трубопровода определяется, в основном, КПД трансформатора. При этом КПД второго варианта электронагревателя очевидно меньше, чем первого варианта из-за потерь во вторичной обмотке трансформатора.

Оценку КПД можно дать с помощью эквивалентной схемы (фиг.3) и конкретного числового примера, параметры для которого взяты из конкретной конструкции электронагревателя, выполненного по п.2 формулы изобретения.

На фиг. 3 резисторы R₁, R₂, R₃ отображают соответственно активные сопротивления первичной, вторичной обмоток и сопротивление трубопровода.

Если задать, например, (в соответствии с реальной конструкцией душа) электрическую мощность, рассеиваемую на трубопроводе 4 кВт, то при 4-х метровой длине трубы с сопротивлением R₃ 0,004 Ом необходим ток

I_н= 1000 A.

Напряжение на концах трубы

UR₃ P₃/I_н 4000/1000= 4 В.

Для вторичной обмотки использовался многожильный провод толщиной 14 мм. Эта обмотка наматывалась одновременно в три провода и имела 2 витка с общим сопротивлением R₂ 0,00017 Ом.

Ток, потребляемой от сети 220 В, составил

I_c I_нU_н/U_c 10004/220 18,2 А.

Первичная обмотка наматывалась медным проводом сечением 4 мм. Ее сопротивление составило 0,65 Ом. КПД электронагревателя

= P₃/(P₁ + P₂ + P₃) P₃/(_Ic² R₁ + I_н² x xR₂ + P₃) 4000/(1,820,651000²0,00017+ + 4000) 0,91, где Р₁, Р₂ мощности потерь соответственно на первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Из расчетов видно, что даже для устройства по п.2 формулы изобретения КПД достаточно велик.

Для того, чтобы получить детальное представление о всех параметрах электронагревателя проведем его расчет.

Предположим, что с помощью устройства требуется нагреть за 5 мин 10 кг воды, изменив ее температуру на 30^о.

Для нагрева воды необходимо совершить работу

Q TCM 1200 кДж, где С удельная теплоемкость воды; М масса; Т необходимое приращение температуры.

Мощность, отдаваемая системой (без учета энергии, необходимой для однократного нагревания трубы), должна составлять

P Q/t 1200/(560) 4 кВт, где t время нагревания воды.

Учитывая, что число витков в первичной обмотке трансформатора W₁ 110 а во вторичной W₂ 2, напряжение во вторичной обмотке

U 220W₂/W₁ 4 В.

Для изготовления электронагревателя используем трубу, у которой сечение металлической части составляет 0,0001 м².

Найдем необходимую длину трубы по формуле

L 4 M где - удельное электрическое сопротивление стали.

Последняя формула получена на основании следующих соотношений.

Для нагрева вещества массой М и теплоемкостью С на Т^о тепла требуется совершить работу

Q TCM.

С другой стороны, мощность электрической энергии, выделяемой в резисторе сопротивлением R, составляет

P I² R U²/R, где I ток, протекающий через резистор; U напряжение, приложенное к резистору.

За время t нагревания вещества потребуется энергия, равная А P t, учтем тепловые и электрические потери, введя коэффициент К

Q K A K U² t/R.

Отсюда электрическое сопротивление трубопровода должно составлять

R K U₂ t/Q. (1)

Электрическое сопротивление проводника длиной L, сечением S и с удельным сопротивлением находится из соотношения

RL/S.

Для обеспечения необходимого сопротивления длина трубопровода должна составлять

L

Подставляя в (1), получим

L

Технико-экономические преимущества.

1. Повышена надежность устройства за счет уменьшения вероятности выхода из строя нагревателя, который представляет собой трубу с большой внутренней поверхностью, при соприкосновении с которой происходит нагрев. Увеличение активной площади нагревателя приводит к уменьшению эрозии металла, уменьшению вероятности возникновения термических трещин, механических напряжений, интенсивности коррозии.

2. Безопасность применения достигается посредством снижения электрического напряжения во вторичной обмотке.

3. Данное устройство может дать толчок для создания новых конструкций электронагревателей, принцип действия которых основан на использовании короткозамкнутого витка во вторичной обмотке трансформатора.