Электротеплоаккумулирующий нагреватель

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для отопления и терморегулирования. Изобретение позволит снизить энергетические потери и повысить эффективность регулирования мощности нагрева. Электротеплоаккумулирующий нагреватель содержит корпус, теплоаккумулирующее вещество и электронагреватель, подключенный к источнику питания. Новым является выполнение электронагревателя в виде взаимодействующего с подвижным электродом электропроводящего слоя, содержащего углеродный наноматериал, над которым располагается теплоаккумулирующий диэлектрический слой. Устройство характеризуется высокоэффективным теплоаккумулированием и возможностью изменения мощности с шагом 2 Вт и широким диапазоном регулирования от 10 Вт до 20 кВт. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для отопления и терморегулирования помещений.

Известен свободноконвективный электрический аккумулятор тепла, содержащий теплоизолированный корпус, снабженный в нижней части отверстием для входа воздуха и регулирующим органом, теплоаккумулирующей насадкой с нагревателями и с вертикальными каналами в ней для прохода нагреваемого воздуха, а также дополнительным теплонеизолированным необогреваемым вертикальным каналом для опускного движения воздуха, размещенным снаружи корпуса и подключенным в верхней части к каналам для нагреваемого воздуха в насадке, а в нижней снабженным выходным патрубком. Аккумулятор снабжен выходным проемом, размещенным в верхней части дополнительного канала, и установленной в нем дополнительной регулирующей заслонкой с оребрением, регулирующий орган на входе нагреваемого воздуха выполнен в виде заслонок, размещенных перед каждым каналом в насадке, при этом дополнительный канал выполнен с оребрением, В корпусе перед дополнительным вертикальным каналом установлена регулирующая заслонка (Патент РФ №2063585, МПК F24H 7/02,. 1996 г.).

Недостатком представленного устройства является сложность регулирования.

Известен также электроводонагреватель накопительного типа, содержащий накопитель тепловой энергии, включающий электронагревательный элемент, размещенный в основном сосуде, полость которого целиком заполнена жидкостью и паром этой жидкости, вспомогательный сосуд, нижняя точка полости которого гидравлически связана с нижней точкой основного сосуда, а верхняя сообщена с атмосферой, а также теплообменный элемент, контактирующий с накопителем тепловой энергии, и подключенные к нему трубопроводы холодной и горячей воды. Накопитель тепловой энергии дополнительно включает в себя аккумулятор тепла, в котором размещены электронагревательный элемент и датчик температуры, сигнал которого через логическое устройство управляет работой электронагревательного элемента, и смеситель, к которому подключены через регуляторы расхода трубопроводы холодной и горячей воды и выходной водопровод, а теплообменный элемент выполнен в виде рекуперативного теплообменника (Патент РФ №2135904, МПК F24H 1/20, F24H 7/02, 1999 г.).

Недостатком представленного устройства является сложность конструкции и системы управления.

Известен электрический нагреватель, содержащий корпус, внутри которого размещена капсула, заполненная на 95% объема теплоаккумулирующим веществом с фазовым переходом в зоне рабочих температур, и электронагревательные элементы, подключенные к источнику питания, в качестве теплоаккумулирующего вещества используют эвтектическую смесь хлоридных солей натрия и кальция. В этой конструкции на капсуле установлен предохранительный клапан, соединенный с воздушным объемом капсулы, вокруг которой размещены один или несколько электрических нагревателей (Патент РФ №2103618 F24H 7/02, F24D 15/02, 1998).

Недостатком устройства является сложность конструкции и необходимость использования предохранительных элементов, которые сами могут быть причиной аварийной ситуации при попадании расплава солей в предохранительной клапан - при пуске холодного устройства сброс давления станет невозможным. Такое устройство требует введения дополнительной системы регулирования для поддержания рационального температурного режима и исключения перегрева ТЭНов.

Задачей изобретения является снижение энергетических потерь и повышение эффективности регулирования мощности нагрева.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в электротеплоаккумулирующем нагревателе, содержащем корпус, теплоаккумулирующее вещество и электронагреватель, подключенный к источнику питания, электронагреватель выполнен из взаимодействующего с подвижным электродом электропроводящего слоя, содержащего углеродный наноматериал, над которым располагается теплоаккумулирующий диэлектрический слой.

Подвижный электрод выполнен в виде конуса, закрепленного на подпружиненном поршне, снабженном полым штоком с регулировочной гайкой.

Между электропроводящим слоем, содержащим углеродный наноматериал, и теплоаккумулирующим диэлектрическим слоем помещена прослойка из силикона.

Корпус заключен в рубашку, снабженную патрубками подвода и отвода среды и теплоизоляцией.

Выполнение электронагревателя из взаимодействующего с подвижным электродом электропроводящего слоя, содержащего углеродный наноматериал, над которым располагается теплоаккумулирующий диэлектрический слой, обеспечивает снижение энергетических потерь и повышение эффективности регулирования мощности нагрева за счет использования омических свойств электропроводящего слоя и упрощения и повышения надежности процесса регулирования мощности нагрева. При этом обеспечивается расширение функциональных возможностей устройства, так как мощность нагрева зависит от поверхности контакта подвижного электрода и электропроводящего слоя, что обеспечивается конической формой подвижного электрода. При достижении заданной температуры происходит автоматическое отведение подвижного электрода силами объемного расширения электропроводящего и теплоаккумулирующего материалов и повторное включение при их охлаждении до заданной температуры.

Выполнение подвижного электрода в виде конуса, закрепленного на подпружиненном поршне, снабженном полым штоком с регулировочной гайкой, позволяет упростить применение устройства за счет исключения сложных регулирующих устройств, что обеспечивает повышение эффективности регулирования мощности нагрева

Помещение между электропроводящим слоем, содержащим углеродный наноматериал, и теплоаккумулирующим диэлектрическим слоем прослойки из силикона обеспечивает удобство применения устройства - его работоспособность сохраняется при любом пространственном положении.

Заключение корпуса в рубашку, снабженную патрубками подвода и отвода среды и теплоизоляцией, обеспечивает снижение энергетических потерь и повышение удобства применения - так как для решения различных задач достаточно подключиться к патрубкам подвода среды.

Электротеплоаккумулирующий нагреватель обеспечивает адаптивное энергопотребление с такими теплоносителями, как воздух и вода, с возможностью аккумулирования теплоты и поддержания рационального температурного режима.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером конкретного выполнения, где на фиг.1 показан общий вид электроаккумулирующего аппарата.

Перечень позиций, указанных на чертеже:

1 - корпус;

2 - электропроводящий слой;

3 - прослойка;

4 - слой с теплоаккумулирующим диэлектрическим материалом;

5 - электрод;

6 - поршень;

7 - шайба;

8 - шпилька;

9 - шток;

10 - изоляционная трубка;

11 - упругий элемент;

12 - кожух;

13 - патрубок подвода среды;

14 - патрубок отвода среды

15 - теплоизоляция;

16 - втулка;

17 - гайка регулировочная;

18 - контакт электрический;

19 - заземление.

Электротеплоаккумулирующий нагреватель (фиг.1) содержит оребренный корпус 1, в котором помещен электропроводящий слой 2, например углеродным наноматериал, смешанный с парафином, непроницаемая эластичная прослойка 3 из силикона, объемный слой с теплоаккумулирующим диэлектрическим материалом 4 с фазовым переходом, например парафином, электрод 5, выполненный в виде конуса, основание которого закреплено на поршне 6 через шайбу 7, выполненную из диэлектрика, шпилькой 8, помещенной в канале полого штока 9 и заключенной в трубку 10 из диэлектрического материала (стеклопластик, фторопласт Ф-4 и т.д.). Между корпусом 1 и штоком 9 помещен упругий элемент 11, выполненный в виде конической пружины. Корпус 1 заключен в кожух 12 с патрубком подвода среды 13, патрубком отвода среды 14 и теплоизоляцией 15. Верхняя часть корпуса 1 снабжена втулкой 16, в которой установлен шток 9 и с которой взаимодействует гайка регулировочная 17, установленная на резьбовом конце штока 9. Электропитание в нагреватель подается через контакт электрический 18 на конце шпильки 8 и заземление 19 корпуса 1.

Электротеплоаккумулирующий нагреватель работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на контакт электрический 18 напряжение на изолированный от поршня 6 шайбой 7 электрод 5 подается по шпильке 8, изолированной от штока 9 и поршня 6 изоляционной трубкой 10. Электрический ток протекает в объеме между электродом 5 и электропроводящим слоем 2 на корпус 1 с заземлением 19, в результате чего происходит объемное тепловыделение. Теплота передается в окружающую среду через оребрение стенки корпуса 1 и на верхний теплоаккумулирующий слои 4. Тепло отводится из электротеплоаккумулирующего нагревателя путем подачи среды (воздуха или воды) через патрубки подвода и отвода среды 13 и 14 в полость между корпусом 1 и кожухом 12, заключенным в теплоизоляцию 15. При достижении температуры фазового перехода в электропроводящем слое 2 и в слое с теплоаккумулирующим диэлектрическим материалом 4 происходит увеличение объемов, что сопровождается подъемом поршня 6 и перемещением электрода 5 за пределы непроницаемой прослойки 3 в диэлектрические слои 4, что приводит к размыканию питающей цепи. В этом случае прекращается потребление мощности от внешнего источника до тех пор, пока не произойдет остывание слоев 2 и 4, что вызовет уменьшение объема слоев 2 и 4, а упругий элемент 11 вернет электрод 5 в электропроводящий слой 2. Это вызовет повторное протекание тока и тепловыделение. С помощью регулировочной гайки 17 шток 9 может перемещаться относительно втулки 16, при этом изменяется высота погружения электрода 5 в электропроводящий слой 2, что позволяет изменять мощность устройства.

Сравнительные испытания электротеплоаккумулирующего нагревателя с традиционными средствами электронагрева (ТЭНами и нихромовыми спиралями) показали снижение энергетических потерь на 30% при передаче выделяемой теплоты таким теплоносителям, как воздух и вода. Связано это с высокоэффективным теплоаккумулированием и возможностью изменения мощности с шагом 2 Вт и широким диапазоном регулирования от 10 Вт до 20 кВт.

1. Электротеплоаккумулирующий нагреватель, содержащий корпус, теплоаккумулирующее вещество и электронагреватель, подключенный к источнику питания, отличающийся тем, что электронагреватель состоит из взаимодействующего с подвижным электродом электропроводящего слоя, содержащего углеродный наноматериал, над которым располагается теплоаккумулирующий диэлектрический слой.

2. Электротеплоаккумулирующий нагреватель по п.1, отличающийся тем, что подвижный электрод выполнен в виде конуса, закрепленного на подпружиненном поршне, снабженном полым штоком с регулировочной гайкой.

3. Электротеплоаккумулирующий нагреватель по п.1, отличающийся тем, что между электропроводящим слоем, содержащим углеродный наноматериал, и теплоаккумулирующим диэлектрическим слоем помещена прослойка из силикона.

4. Электротеплоаккумулирующий нагреватель по п.1, отличающийся тем, что корпус заключен в рубашку, снабженную патрубками подвода и отвода среды и теплоизоляцией.