RU147180U1

RU147180U1 - TUBULAR ELECTRIC HEATER

Info

Publication number: RU147180U1
Application number: RU2014123743/07U
Authority: RU
Inventors: Евгений Сергеевич Ляховский; Юрий Евгеньевич Ляховский
Original assignee: Евгений Сергеевич Ляховский; Юрий Евгеньевич Ляховский
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2014-10-27

Abstract

1. Трубчатый электронагреватель, содержащий нагревательный элемент в виде намотанной на сердечник проволочной спирали из сплава с высоким удельным сопротивлением с изолирующей оксидной пленкой на поверхности, помещенный в герметичный корпус из металла с высокой теплопроводностью, при этом пространство между нагревательным элементом и корпусом заполнено изолирующим материалом с высокой теплопроводностью, концы спирали связаны с герметичными изолированными токоподводами, выведенными через торцы трубчатого корпуса, отличающийся тем, что проволочная спираль намотана на снабженный электроизолирующим покрытием ферромагнитный сердечник, один конец которого имеет точечный электрический контакт со спиралью и непосредственно связан с одним из токоподводов, а другой изолирован от соответствующего токоподвода, связанного с концом спирали, при этом изолированные токоподводы выполнены медными либо омедненными.2. Трубчатый электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что ферромагнитный сердечник выполнен в виде цилиндрического стержня из нелегированной магнитной стали.3. Трубчатый электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что его корпус выполнен из нелегированной магнитной стали.4. Трубчатый электронагреватель по п. 1, отличающийся тем, что ферромагнитный сердечник выполнен с силикатным покрытием либо покрытием из оксидной керамики.1. A tubular heater containing a heating element in the form of a wire coil of a high resistivity alloy wound on a core with an insulating oxide film on the surface, placed in a sealed metal housing with high thermal conductivity, while the space between the heating element and the housing is filled with an insulating material with high thermal conductivity, the ends of the spiral are connected with sealed insulated current leads brought out through the ends of the tubular body, characterized in that the wire spiral is wound on a ferromagnetic core equipped with an electrically insulating coating, one end of which has point electrical contact with the spiral and is directly connected to one of the current leads, and the other is isolated from the corresponding current lead connected to the end of the spiral, while the isolated current leads are made of copper or copper-plated. 2 . Tubular electric heater according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic core is made in the form of a cylindrical rod of unalloyed magnetic steel. 3. Tubular electric heater according to claim 1, characterized in that its body is made of unalloyed magnetic steel. 4. Tubular electric heater according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic core is made with a silicate coating or a coating of oxide ceramic.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам для преобразования электрической энергии в тепловую, предназначенным для комплектации установок, осуществляющих низко- и среднетемпературный нагрев различных сред, и может найти применение в устройствах автономного отопления в жилых домах и производственных помещениях, для обогрева салонов автомобильного транспорта и железнодорожных вагонов.The proposed utility model relates to electrical engineering, in particular, to devices for converting electrical energy into thermal energy, designed to equip installations that carry out low- and medium-temperature heating of various environments, and can be used in autonomous heating devices in residential buildings and industrial premises, for heating salons road transport and rail cars.

Известен классический двухконцевой трубчатый нагреватель круглого сечения, содержащий нагревательный элемент в виде проводящей ток спирали, выполненной из металлического сплава с высоким удельным сопротивлением, снабженный на концах металлическими контактными стержнями для подключения к источнику питания, герметично запрессованными вместе с наполнителем в виде уплотненного изолирующего материала в металлическую оболочку (действующий ГОСТ 13268-88 «Трубчатые электронагреватели»). Значительный градиент температуры от спирали к внешней части металлической оболочки и потери тепла в известном нагревателе обусловливают его невысокую эффективность при сравнительно высоком энергопотреблении.A well-known classic double-end tubular heater of circular cross section, containing a heating element in the form of a current-conducting spiral made of a metal alloy with high resistivity, equipped at the ends with metal contact rods for connection to a power source, hermetically pressed together with a filler in the form of a sealed insulating material in a metal shell (current GOST 13268-88 "Tubular electric heaters"). A significant temperature gradient from the spiral to the outer part of the metal shell and heat loss in the known heater cause its low efficiency with a relatively high energy consumption.

Для улучшения эксплуатационных характеристик трубчатых нагревателей в известных технических решениях используют различные конструктивные приемы, способствующие повышению теплоотдачи без увеличения затрат энергии: корпус нагревателя специальной формы либо с внешним оребрением, например, металлической лентой, ребрами, спиралью, пластинами, корпус с двойными стенками, промежуток между которыми заполнен веществом, обеспечивающим поддержание заданной температуры, нагревательные элементы различной формы (двойная спираль, плоская спираль), выполненные из различных материалов с высоким удельным сопротивлением, помещенные в различную среду.To improve the operational characteristics of tubular heaters, various technical methods are used in the known technical solutions that contribute to increasing heat transfer without increasing energy costs: a heater body of a special shape or with external fins, for example, metal tape, ribs, spirals, plates, a case with double walls, the gap between which are filled with a substance that maintains a given temperature, heating elements of various shapes (double spiral, flat spiral e) made of various materials with high resistivity, placed in a different environment.

Известен трубчатый электронагреватель, обеспечивающий снижение энергопотребления и поддержание постоянной температуры (пат. РФ №2286653, опубл. 2006.10.27), содержащий оболочку, внутри которой смонтированы нагревательный элемент в виде спирали, контактные стержни, электроизолирующий наполнитель и узел герметизации контактных стержней с изоляторами и герметизирующим веществом, дополнительно снабженный герметичной гильзой, внутри которой расположена оболочка трубчатого электронагревателя, при этом пространство между стенками оболочки и герметичной гильзы заполнено солью, например, солью нитрозония ([NO]₂ S₂O₇). Фазовые переходы этой соли при изменении температуры дают возможность поддерживать последнюю в заданном интервале, за счет чего известный электронагреватель обеспечивает более рациональное использование электроэнергии. Однако потери тепла значительно превышают достигаемую экономию электроэнергии, что является причиной недостаточной эффективности известного электронагревателя.Known tubular electric heater, which reduces energy consumption and maintains a constant temperature (US Pat. RF №2286653, publ. 2006.10.27), containing a shell, inside which are mounted a heating element in the form of a spiral, contact rods, an electrically insulating filler and a unit for sealing contact rods with insulators and a sealing substance, additionally equipped with a sealed sleeve, inside which there is a shell of a tubular electric heater, while the space between the walls of the shell and metichnoy sleeve filled with salt, e.g., nitrosonium salt ([NO] ₂ S ₂ O _7). The phase transitions of this salt when the temperature changes make it possible to maintain the latter in a given interval, due to which the known electric heater provides a more rational use of electricity. However, the heat loss significantly exceeds the achieved energy savings, which is the reason for the insufficient efficiency of the known electric heater.

Известен трубчатый электронагреватель, обеспечивающий повышение эффективности теплопередачи (з. Японии №2002132950, опубл. 2007.03.31), содержащий нагревательный элемент в виде спирали из нихромовой проволоки, помещенной в металлическую трубку, заполненную изолирующим материалом, порошком оксида магния, при этом трубка выполнена гофрированной с помощью прессования, а изолирующий материал уплотнен путем нагревания. Гофрированная поверхность трубчатого корпуса увеличивает теплоотдачу известного нагревателя за счет относительного увеличения площади, отдающей тепло, но не уменьшает потерь тепла при его передаче от нагревательного элемента к нагреваемой среде и не позволяет в значительной мере повысить эффективность нагревателя.Known tubular electric heater, which provides increased heat transfer efficiency (z. Japan No. 20022132950, publ. 2007.03.31), containing a heating element in the form of a spiral of nichrome wire, placed in a metal tube filled with an insulating material, magnesium oxide powder, the tube is made corrugated by pressing, and the insulating material is sealed by heating. The corrugated surface of the tubular body increases the heat transfer of the known heater due to the relative increase in the area that transfers heat, but does not reduce heat loss during its transfer from the heating element to the heated medium and does not significantly increase the efficiency of the heater.

Наиболее близким к заявляемому является устойчивый к воздействию высоких температур двухконцевой трубчатый нагреватель классической конструкции (пат. США №7019269, опубл. 2008.03.28), в одном из вариантов осуществления включающий нагревательный элемент в виде намотанной на керамический сердечник проволочной спирали, выполненной из содержащего хром и алюминий металла с высоким удельным сопротивлением с изолирующей пленкой оксида алюминия на поверхности, помещенный в трубчатый герметичный корпус из металла с высокой теплопроводностью, содержащего никель и хром, с изолирующей оксидной пленкой на поверхности, через изолирующие герметичные торцы которого пропущены токоподводы, при этом пространство между нагревательным элементом и корпусом заполнено уплотненным оксидом магния.Closest to the claimed is a high-temperature resistant double-end tubular heater of a classical design (US Pat. No. 7019269, publ. 2008.03.28), in one embodiment comprising a heating element in the form of a wire coil wound on a ceramic core made of chromium and high resistivity metal aluminum with an aluminum oxide insulating film on the surface, placed in a tubular sealed metal housing with high thermal conductivity, contains aschego nickel and chrome, with an insulating oxide film on the surface through the insulating sealed ends of current conductors which are missing, wherein the space between the heating element and the housing is filled with compacted magnesium oxide.

Потери тепла, которые наблюдаются в известном нагревателе, несмотря на высокую удельную теплопроводность кристаллического оксида магния и отдачу тепла, накопленного керамическим сердечником, отрицательно влияют на отношение количества выделяемого тепла к понесенным энергозатратам, т.е. снижают его эффективность. Таким образом, коэффициент полезного действия известного нагревателя является недостаточно высоким, что особенно проявляется при использовании низковольтных источников тока.The heat losses that are observed in the known heater, despite the high thermal conductivity of crystalline magnesium oxide and the transfer of heat accumulated by the ceramic core, negatively affect the ratio of the amount of heat generated to the energy consumed, i.e. reduce its effectiveness. Thus, the efficiency of the known heater is not high enough, which is especially evident when using low voltage current sources.

Задачей полезной модели является создание экономичного электронагревательного устройства, эффективного при использовании низковольтных источников тока.The objective of the utility model is to create an economical electric heating device that is effective when using low-voltage current sources.

Техническим результатом полезной модели является повышение коэффициента полезного действия нагревателя путем увеличения теплоотдачи при неизменном энергопотреблении.The technical result of the utility model is to increase the efficiency of the heater by increasing heat transfer with constant energy consumption.

Указанный технический результат обеспечивается трубчатым электронагревателем, содержащим нагревательный элемент в виде намотанной на сердечник проволочной спирали из сплава с высоким удельным сопротивлением с изолирующей оксидной пленкой на поверхности, помещенный в герметичный корпус из металла с высокой теплопроводностью, при этом пространство между нагревательным элементом и корпусом заполнено изолирующим материалом с высокой теплопроводностью, концы спирали связаны с изолированными токоподводами, выведенными через герметичную изолирующую торцевую часть трубчатого корпуса, в котором, в отличие от известного, проволочная спираль намотана на снабженный электроизолирующим покрытием ферромагнитный сердечник, один конец которого имеет точечный электрический контакт со спиралью и непосредственно связан с одним из токоподводов, а другой изолирован от соответствующего токоподвода, связанного с концом спирали, при этом изолированные токоподводы выполнены медными либо омедненными.The indicated technical result is provided by a tubular electric heater containing a heating element in the form of a wire coil of an alloy with a high specific resistance with an insulating oxide film on the surface, placed in a sealed metal housing with high thermal conductivity, while the space between the heating element and the housing is filled with an insulating material with high thermal conductivity, the ends of the spiral are connected with insulated current leads, brought out through sealed the insulating end part of the tubular body, in which, in contrast to the known one, a wire spiral is wound on a ferromagnetic core provided with an electrically insulating coating, one end of which has point electrical contact with the spiral and is directly connected to one of the current leads, and the other is isolated from the corresponding current lead connected with the end of the spiral, while the isolated current leads are made of copper or copper-plated.

В преимущественном варианте осуществления полезной модели ферромагнитный сердечник выполнен в виде цилиндрического стержня из нелегированной магнитной стали.In an advantageous embodiment of the utility model, the ferromagnetic core is made in the form of a cylindrical rod of unalloyed magnetic steel.

Также в преимущественном варианте осуществления полезной модели корпус электронагревателя выполнен из нелегированной магнитной стали с защитным покрытием.Also in an advantageous embodiment of the utility model, the electric heater body is made of unalloyed magnetic steel with a protective coating.

В одном из возможных вариантов осуществления полезной модели ферромагнитный сердечник выполнен с силикатным электроизолирующим покрытием.In one possible embodiment of the utility model, the ferromagnetic core is made with a silicate electrically insulating coating.

В другом варианте осуществления полезной модели ферромагнитный сердечник выполнен с электроизолирующим покрытием из оксидной керамики.In another embodiment of the utility model, the ferromagnetic core is made with an electrically insulating oxide ceramic coating.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлен общий вид трубчатого электронагревателя в сечении.The essence of the utility model is illustrated in the drawing, which shows a General view of a tubular electric heater in cross section.

Предлагаемый электронагреватель содержит тонкостенный герметичный корпус 1 цилиндрической формы, выполненный из металла с высокой теплопроводностью, преимущественно из нелегированной магнитной стали с защитным покрытием (никелированной, луженой), внутри которого размещен нагревательный элемент, выполненный в виде спирали 2 из металла с высоким электросопротивлением (нихром, константан), намотанной на проводящий сердечник 3, представляющий собой цилиндрический стержень из ферромагнитного материала, преимущественно нелегированной магнитной (ферритной) стали, с электроизолирующим покрытием, при этом пространство между корпусом 1 и сердечником 3 со спиралью 2 заполнено сыпучим изолирующим наполнителем 4 с высоким коэффициентом теплопроводности (корунд, кварцевый песок). Преимущественно таким наполнителем служит измельченный плавленый оксид магния (периклаз), который одновременно обладает высокими диэлектрическими свойствами и высоким показателем теплопроводности.The proposed electric heater contains a thin-walled sealed housing 1 of a cylindrical shape made of metal with high thermal conductivity, mainly of unalloyed magnetic steel with a protective coating (nickel-plated, tinned), inside of which there is a heating element made in the form of a spiral 2 made of metal with high electrical resistance (nichrome, constantan) wound on a conductive core 3, which is a cylindrical rod of ferromagnetic material, mainly undoped gnitnogo (ferritic) steel, with an electrically insulating coating, while the space between the housing 1 and the core 3 with a spiral 2 is filled with a loose insulating filler 4 with a high coefficient of thermal conductivity (corundum, quartz sand). Mostly such a filler is ground fused magnesium oxide (periclase), which simultaneously has high dielectric properties and a high thermal conductivity.

Каждый конец нагревательного элемента находится в электрическом контакте с одним из выполненных из меди либо омедненных токоподводов 5, закрытых герметизирующим и изолирующим слоем 6 и выведенных наружу через торцевые стороны корпуса 1, снабженные оконцовочной арматурой 7, также включающей несколько слоев герметика и изолятора. С одним из токоподводов 5 контактирует непосредственно конец ферромагнитного сердечника 3, изолированного от спирали 2 на всем протяжении нагревательного элемента, кроме единственного точечного электрического контакта 8 со спиралью непосредственно перед его соединением с токоподводом 5. В месте указанного точечного контакта спираль 2 неразъемно соединена с ферромагнитным сердечником 3 с помощью одного из известных способов (пайка, сварка), обеспечивающих электропроводность соединения. Таким образом, ферромагнитный сердечник одним концом, контактирующим со спиралью 2 (в месте контакта 8), связан с токоподводом, с которым вместе запрессован в герметизирующий изолирующий слой 6, при этом другой его конец изолирован от соответствующего токоподвода слоем изолирующего сыпучего материала 4 достаточной толщины.Each end of the heating element is in electrical contact with one of copper or copper-plated current leads 5, closed by a sealing and insulating layer 6 and brought out through the end sides of the housing 1, equipped with terminal fittings 7, which also includes several layers of sealant and insulator. The end of the ferromagnetic core 3, which is isolated from the spiral 2 along the entire length of the heating element, is in direct contact with one of the current leads 5, except for a single point electrical contact 8 with the spiral just before it is connected to the current lead 5. At the point of this point contact, the spiral 2 is inseparably connected to the ferromagnetic core 3 using one of the known methods (soldering, welding), providing electrical conductivity of the connection. Thus, the ferromagnetic core at one end in contact with the spiral 2 (at the point of contact 8) is connected to a current lead, with which it is pressed together into a sealing insulating layer 6, while its other end is isolated from the corresponding current lead by a layer of insulating bulk material 4 of sufficient thickness.

С другим токоподводом контактирует соответствующий конец спирали 2.With the other current supply contacts the corresponding end of the spiral 2.

Ферромагнитный сердечник 3 может быть выполнен с любым известным изолирующим покрытием. В одном из преимущественных вариантов осуществления изобретения стержень 3 выполнен с силикатным покрытием, в другом с покрытием из оксидной керамики, нанесенными плазменно-химическим способом.The ferromagnetic core 3 can be made with any known insulating coating. In one of the preferred embodiments of the invention, the rod 3 is made with a silicate coating, in another with a coating of oxide ceramic, deposited by a plasma-chemical method.

Корпус электронагревателя может быть снабжен крепежной арматурой, в частности, фланцами с резьбовым и болтовым креплением (на чертеже не показана) для его соединения с источником тока, например, с солнечными батареями.The housing of the electric heater can be equipped with fastening fittings, in particular, flanges with threaded and bolt fastening (not shown in the drawing) for its connection with a current source, for example, solar panels.

При прохождении электрического тока по спирали 2 она нагревается, тепло распространяется от спирали через наполнитель 4 и трубчатую металлическую оболочку 1 к нагреваемой среде.When the electric current passes through the spiral 2, it heats up, heat spreads from the spiral through the filler 4 and the tubular metal shell 1 to the heated medium.

Электромагнитное поле, образующееся вокруг спирали 2, индуцирует в сердечнике 3 вихревые токи, которые при незначительном электрическом сопротивлении сердечника являются достаточно высокими, результате чего он нагревается, увеличивая общее количество генерируемого тепла, при этом действующий по типу электромагнитного экрана корпус 1 также нагревается.The electromagnetic field generated around the spiral 2 induces eddy currents in the core 3, which, with a slight electrical resistance of the core, are quite high, as a result of which it heats up, increasing the total amount of heat generated, while the case 1 acting as an electromagnetic screen also heats up.

Кроме того, тепловое излучение спирали не рассеивается и не приводит к перегреву спирали, а поглощается сравнительно массивным ферромагнитным стержнем 3, при этом снижение температуры в зоне спирали уменьшает непроизводительные потери тепла на ее перегрев.In addition, the thermal radiation of the spiral does not dissipate and does not lead to overheating of the spiral, but is absorbed by a relatively massive ferromagnetic rod 3, while lowering the temperature in the spiral zone reduces unproductive heat losses due to its overheating.

Потери тепла при теплопередаче к нагреваемой среде за счет высокой теплопроводности сердечника 3, наполнителя 4 и корпуса 1 являются незначительными.Heat loss during heat transfer to the heated medium due to the high thermal conductivity of the core 3, the filler 4 and the housing 1 are negligible.

Высокая электропроводность медных или омедненных токоподводов практически исключает расход электроэнергии на их нагрев.High electrical conductivity of copper or copper-plated current leads virtually eliminates the consumption of electricity for their heating.

Таким образом, предлагаемый электронагреватель обеспечивает повышение теплоотдачи при неизменном потреблении электроэнергии, причем при использовании различных (высоковольтных, низковольтных) источников тока.Thus, the proposed electric heater provides increased heat transfer with constant power consumption, moreover, when using various (high-voltage, low-voltage) current sources.

Как показали испытания предлагаемого электронагревателя, связанного через аккумулятор и инвертер с солнечными батареями, повышение его эффективности в сравнении с известными трубчатыми электронагревателями, в том числе с прототипом, максимально проявляется при использовании низковольтных (~30 В) источников тока со слабыми токами. В комплекте с солнечными батареями он может найти самое широкое применение для обогрева (непосредственно либо путем нагрева воды) различных помещений как в качестве основного источника тепла при умеренно низких температурах, так и для дополнительного обогрева при недостаточном отоплении.As shown by tests of the proposed electric heater, connected through a battery and an inverter to solar panels, an increase in its efficiency in comparison with the known tubular electric heaters, including the prototype, is most evident when using low-voltage (~ 30 V) current sources with low currents. Complete with solar panels, it can find the widest application for heating (directly or by heating water) various rooms both as a main source of heat at moderately low temperatures, and for additional heating with insufficient heating.

Claims

1. A tubular heater containing a heating element in the form of a wire coil of a high resistivity alloy wound on a core with an insulating oxide film on the surface, placed in a sealed metal housing with high thermal conductivity, while the space between the heating element and the housing is filled with an insulating material with high thermal conductivity, the ends of the spiral are connected with sealed insulated current leads brought out through the ends of the tubular body, characterized in that the wire spiral is wound on a ferromagnetic core equipped with an electrically insulating coating, one end of which has point electrical contact with the spiral and is directly connected to one of the current leads, and the other is isolated from the corresponding current lead connected to the end of the spiral, while the isolated current leads are made of copper or copper-plated.

2. A tubular electric heater according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic core is made in the form of a cylindrical rod of unalloyed magnetic steel.

3. The tubular heater according to claim 1, characterized in that its housing is made of unalloyed magnetic steel.

4. A tubular electric heater according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic core is made with a silicate coating or an oxide ceramic coating.