Электронагревательное устройство

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управляемому электротехническому оборудованию, и может быть использовано для обеспечения заданного теплового режима в различных промышленных, жилых и служебных помещениях, а также в банях и саунах. Достигаемый технический результат - обеспечение эффективного нагрева c возможностью регулировки температуры. Сущность изобретения: электронагревательная лента, навитая на каркас, обеспечивает нагрев воздуха, поступающего через регулируемый зазор. Устройство предусматривает управление тепловым и временным режимами с помощью блока управления режимами работы, а также аварийное отключение. 8 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управляемому электротехническому оборудованию, и может быть использовано для обеспечения заданного теплового режима в различных промышленных, жилых и служебных помещениях, а также в банях или саунах.

Известен воздухонагреватель, в котором используется нагревательная лента, намотанная на каркас с изоляторами в несколько слоев, в зазорах между слоями ленты установлены диэлектрические пластины, выполняющие роль вторичных излучателей [1].

Однако при такой конструкции каркаса и намотке нагревательной ленты образуются концентрические вертикальные контуры нагрева с дополнительными пластинами, что значительно затрудняет прохождение потока воздуха через щелевые каналы. В результате снижается эффективность съема тепла с поверхности нагревательной ленты. Кроме того, при температурном удлинении нагревательной ленты, навитой в несколько слоев, происходит провисание ленты, что может привести к короткому замыканию и обрыву ленты.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электроконвектор, содержащий нагревательные секции, вертикально установленные в защитном кожухе с зазором между ними и выполненные из каркаса в виде упругой пластины с наложенным на нее электроизолятором из мягкого и объемного материала и навитой с натягом поверх изоляционного материала нагревательной лентой [2].

Однако такая конструкция обладает невысокой теплоотдачей нагревательной ленты, поскольку тепло снимется только с одной стороны ленты. Вторая сторона ленты плотно намотана на пластину поверх мягкого изоляционного материала, что уменьшает поверхность теплоотдачи ленты и может привести к перегреву и разрушению ленты. Намотка ленты с натягом создает внутреннее напряжение ленты, что увеличивает вероятность ее обрыва. Упругая пластина из-за резкого постоянного перепада температур со временем теряет упругость и перестает компенсировать линейное тепловое расширение ленты, что приводит к провису ленты и возможному замыканию витков. Кроме того, в материалах описания указанной конструкции не приведено технического решения пластины. Если это тонкая пластина, то электроизоляционный материал может со временем порваться на торцах пластины из-за плотного прижатия лентой, а сама лента получает сильный перегиб, что может привести к ее надлому. Если пластина толстая, то такая конструкция громоздка и тяжела. В обеих случаях требуется большое количество электроизоляционного материала для покрытия всей поверхности пластины. Нагревательные секции сверху открыты, что создает опасность попадания воды на нагревательную ленту, особенно при использовании электроконвектора в бане и сауне. Попадание воды может привести к замыканию нагревательной ленты и увеличивает опасность эксплуатации конвектора. Кроме того, конструкция не обеспечивает достаточно высокой направленности теплового излучения, что особенно важно при использовании ее в сауне с теплоаккумулирующей загрузкой.

Для повышения эффективности, надежности, безопасности эксплуатации и для расширения функциональных возможностей в электронагревательном устройстве, содержащем нагревательные секции, вертикально установленные в защитном кожухе с зазором между ними и состоящие из каркаса с наложенным на него электроизоляционным материалом, поверх которого навита с зазорами между витками нагревательная лента, электрически связанная с электросетью, каркас каждой нагревательной секции выполнен из горизонтальных стержней, расположенных параллельно друг к другу на определенном расстоянии и соединенных между собой с торцов вертикальными стойками каркаса. При этом верхний горизонтальный стержень закреплен в стойках жестко, а нижний горизонтальный стержень имеет возможность перемещения вдоль вертикальных стоек каркаса под действием силы тяжести. Длина вертикального перемещения определяется из условия компенсации линейного теплового расширения нагревательной ленты и выбирается больше максимального провиса ленты. Изоляционный материал расположен на горизонтальных стержнях и поверх изоляционного материала навита нагревательная лента, которая плотно прижимает нижний стержень к верхней кромке пазов стоек. В нерабочем состоянии (например, при транспортировке) нижний стержень фиксируется на стойках. При тепловом удлинении ленты нижний стержень каркаса под действием силы тяжести опускается, компенсируя провис ленты. Под нагревательными секциями установлен нижний отражающий экран, укрепленный на защитном кожухе с возможностью регулирования расстояния до нагревательных секций из условия обеспечения максимальной тяги воздуха и направления теплового излучения вверх. Между нагревательными секциями и защитным кожухом по его периметру вертикально установлен боковой отражающий экран, предохраняющий защитный кожух от нагрева, а над нагревательными секциями расположены ступенчато с небольшим наклоном поддоны для наложения теплоаккумулирующей загрузки. Поддоны между собой имеют зазоры в вертикальной плоскости и размещены с взаимным наложением по горизонтали. При этом обеспечивается свободный проход нагретого воздуха к теплоаккумулирующей загрузке и предотвращается попадание воды на нагреватель. На защитном кожухе сверху над поддонами может быть установлена защитная декоративная сетка.

Для компенсации теплового расширения ленты и устранения ее провиса на нижний стержень может быть свободно одет трубчатый электроизолятор, внутренний диаметр которого больше внешнего диаметра стержня на величину, достаточную для устранения провиса ленты за счет собственного веса изолятора. При намотке ленты изолятор плотно прижимается к нижнему стержню.

Для уменьшения размеров конструкции нагревательной секции при одновременном сохранении достаточной площади теплоотдачи нагревательная лента может быть выполнена гофрированной и с нанесением на ее поверхность теплопроводящего покрытия черного цвета, увеличивающего эффективность теплового излучения. Кроме того, для уменьшения расхода электроэнергии и расширения функциональных возможностей в цепи связи электронагревательного устройства с электросетью включен блок управления режимами работы, задающий тепловой и временной режимы работы электронагревательного устройства и автоматически отключающий часть нагревательных секций при приближении температуры (T₂) в нагреваемом помещении к заданной температуре (T_зад) и полностью отключающий нагрев при достижении заданной температуры. Блок управления имеет таймер, задающий временной режим работы электронагревательного устройства. Блок управления состоит из электронной платы управления, связанной с датчиком температуры, и исполнительного устройства, соединенного с платой управления и включенного между нагревательными секциями и электросетью. Электронная плата управления может быть выполнена, например, на интегральных микросхемах, которые обрабатывают сигнал с датчика температуры, и может иметь в своем составе компараторы, сравнивающие сигнал с датчика температуры с пороговым значением, соответствующим заданной температуре, и выдающие команду на включение или выключение исполнительного устройства блока управления в зависимости от температуры в нагреваемом помещении, и сигнал на включение звуковой сигнализации при выходе на заданный тепловой режим. Кроме того, в состав электронной платы входят генератор и счетчик импульсов, образующие таймер, управляющий временем включения и выключения нагрева. Исполнительное устройство блока управления может быть выполнено, например, на электромагнитных контакторах и состоит из двух или нескольких групп, соединенных на выходе с соответствующими группами нагревательных секций, а по входу - с питающей электросетью. В зависимости от температуры в нагреваемом помещении электронная плата выдает сигнал на включение всех или части электромагнитных контакторов, т.е. на включение всех или части нагревательных секций.

Таким образом происходит управление мощностью электронагревательного устройства в зависимости от температуры. Исполнительное устройство может быть выполнено также и на мощных полупроводниковых приборах, например симисторах. Звуковой сигнализатор выхода на заданный тепловой режим может быть выполнен также на интегральных микросхемах - генераторах звука и усилителях и электромагнитном или пьезокерамическом громкоговорителе.

Для увеличения безопасности эксплуатации и предотвращения перегрева в случае выхода из строя электронной платы управления или датчика температуры между электронной платой управления и исполнительным устройством блока управления включен аварийный механический термовыключатель, настроенный на температуру, несколько превышающую максимальную температуру нагрева, задаваемую с блока управления. В качестве аварийного термовыключателя может быть использован, например, биметаллический термодатчик.

Для обеспечения возможности вертикального перемещения нижнего горизонтального стержня вдоль вертикальных стоек в них могут быть выполнены вертикальные пазы, в которых расположен нижний горизонтальный стержень. Если собственного веса нижнего горизонтального стержня недостаточно для компенсации провиса ленты, на него могут быть одеты дополнительно грузы.

В предложенной конструкции электронагревательного устройства нагревательная лента открыта для съема тепла как с внешней, так и с внутренней сторон намотки, что значительно уменьшает вероятность ее перегрева. Лента наматывается на каркас без дополнительного натяга, что предотвращает внутреннее напряжение ленты. Все это увеличивает ресурс работы электронагревательного устройства. Использование теплоотражающих экранов снизу и между защитным кожухом и нагревательными секциями увеличивает естественную конвекцию нагреваемого воздуха и создает направленное тепловое излучение. Обеспечение возможности вертикального перемещения нижнего горизонтального каркаса упрощает компенсацию линейного теплового расширения нагревательной ленты и устранение ее провиса при нагреве за счет силы тяги, создаваемой собственным весом нижнего стержня или трубчатого изолятора. Кроме того, изоляционный материал наложен только на горизонтальные стержни каркаса, что значительно уменьшает его расход.

Включение в электросеть блока управления с таймером, регулятором возможности электронагревательного устройства позволяет снизить потребление электроэнергии, повышает его безопасность и удобство эксплуатации.

На фиг. 1 изображен общий вид электронагревательного устройства, где 1 - защитный кожух, 2 - нижний отражающий экран, 3 - боковой отражающий экран, 4 - нагревательные секции, 5 - поддоны, 6 - блок управления, 7 - датчик температуры, 8 - аварийный механический термовыключатель. На фиг. 2а и 2б - варианты выполнения каркаса нагревательных секций с пазами, где 9 - вертикальные стойки каркаса, 10 - верхний горизонтальный стержень, 11 - нижний горизонтальный стержень, 12 - вертикальные пазы. На фиг. 2в - вариант выполнения каркаса нагревательной секции с трубчатым изолятором, надетым на нижний горизонтальный стержень каркаса, где 13 - трубчатый электроизолятор. На фиг. 3 приведена электрическая схема включения электронагревательного устройства в электросеть, где 6 - блок управления, 14 - электронная плата блока управления, 15 - исполнительное устройство блока управления, 7 - датчик температуры, 8 - аварийный механический термовыключатель, 16 - первая группа нагревательных секций, 17 - вторая группа нагревательных секций.

Электронагревательное устройство работает следующим образом.

Блок управления (6) подсоединяется к электросети, выставляется необходимая температура нагрева (T_зад) и задается временной режим работы (время включения нагрева и время выключения электронагревателя). По достижении заданного времени включения, если температура в помещении ниже T₂, плата управления (14) выдает сигнал на включение всех контакторов исполнительного устройства (15). При этом автоматически включаются все нагревательные секции (16 и 17) и нагревается лента, отдавая тепло воздушному потоку, поднимающемуся за счет конвекции и отражения от нижнего (2) и бокового (3) отражающих экранов. Регулировкой расстояния между нагревательными секциями (4) и нижним отражающим экраном (2) добиваются обеспечения максимальной тяги воздушного потока. Восходящий воздушный поток омывает нагревательную ленту со всех сторон, за счет чего увеличивается эффективность нагрева. На смену нагретому воздуху снизу поступает холодный воздух. Таким образом создается мощный естественный конвекционный поток воздуха, который нагревает расположенную на поддонах (5) теплоаккумулирующую загрузку (на фиг. 1 не показана) и через зазоры между поддонами (5) - воздух в помещении. При достижении температуры воздуха значения T₂ плата управления (4) выдает сигнал на отключение части исполнительного устройства (15) и сигнал на включение звуковой сигнализации оповещения о выходе на заданный тепловой режим. При этом отключается часть нагревательных секций (например, 17) и дальнейший нагрев и поддержание температуры в помещении, близкой к T_зад, осуществляется оставшимися включенными нагревательными секциями (16). При достижении заданной температуры T_зад отключаются все нагревательные секции. При остывании воздуха до температуры T₂ < T₁ < T_зад включается часть нагревателей (16). Поскольку помещение прогрелось, поддерживать заданную температуру в диапазоне от T₁ до T_зад можно частью нагревательных секций (16) при меньшем потреблении электроэнергии. Конкретное количество нагревательных секций (16), т.е. мощность электронагревательного устройства для поддержания заданного температурного режима в прогретом помещении может быть определено экспериментально. Таким образом, при низкой температуре воздуха (ниже T₂) обеспечивается форсированный нагрев воздуха при максимальной мощности, а при достижении заданной температуры она автоматически поддерживается частью нагревательных секций при меньшем расходе электроэнергии. В случае выхода из строя датчика температуры (7) или электронной платы управления (14) при нагреве до температуры, на которую настроен механический аварийный термовыключатель (8) T_кр > T_{зад.макс}, он отключает исполнительное устройство (15), а следовательно и нагрев, предотвращая возникновение пожароопасной ситуации. По истечении заданного времени работы электронагревательное устройство автоматически отключается. При необходимости можно задать режим постоянной работы электронагревательного устройства.

Источники информации: 1. Авторское свидетельство СССР N 731212, H 05 B 3/64.

2. Патент РФ N 2070692, 20.12.96.

Формула изобретения

1. Электронагревательное устройство, содержащее нагревательные секции, вертикально установленные в защитном кожухе с зазором между собой и состоящие из каркаса с наложенным на него электроизоляционным материалом, поверх которого с зазорами между витками навита нагревательная лента, электрически связанная с электросетью, отличающееся тем, что каркас каждой нагревательной секции выполнен из горизонтальных стержней, расположенных параллельно друг другу и соединенных между собой с торцов вертикальными стойками каркаса так, что нижний стержень имеет возможность перемещения вдоль вертикальных стоек каркаса под действием силы тяжести, под нагревательными секциями установлен нижний отражающий экран, укрепленный на защитном кожухе с возможностью регулирования расстояния между ним и нагревательными секциями, между нагревательными секциями и защитным кожухом по его периметру вертикально установлен боковой отражающий экран, а в электросеть включен блок управления режимами работы электронагревателя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на нижний горизонтальный стержень каркаса свободно надет трубчатый изолятор с внутренним диаметром, большим диаметра нижнего горизонтального стержня на величину, компенсирующую тепловой провис нагревательной ленты.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что над нагревательными секциями расположены ступенчато поддоны с зазорами между собой в вертикальной плоскости и с взаимным наложением по горизонтали.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на нагревательную ленту нанесено теплопроводящее покрытие черного цвета.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагревательная лента выполнена гофрированной.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления режимами работы содержит таймер включения и выключения электронагревательного устройства.

7. Устройство по п.1 или 5, отличающееся тем, что оно снабжено аварийным механическим термовыключателем, установленным в цепи связи электронагревательного устройства с электросетью и соединенным с блоком управления режимами работы.

8. Устройство по п.1 или 5, отличающееся тем, что блок управления режимами работы снабжен сигнализатором выхода на заданный тепловой режим.

9. Устройство по п.1 или 5, отличающееся тем, что блок управления режимами работы содержит регулятор мощности электронагревательного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3