RU2151346C1 - Method and device for producing heat from electrical energy - Google Patents
Method and device for producing heat from electrical energy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2151346C1 RU2151346C1 RU98118866A RU98118866A RU2151346C1 RU 2151346 C1 RU2151346 C1 RU 2151346C1 RU 98118866 A RU98118866 A RU 98118866A RU 98118866 A RU98118866 A RU 98118866A RU 2151346 C1 RU2151346 C1 RU 2151346C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- heating
- heating element
- air
- substance
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Resistance Heating (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике и теплообменной технике, а именно к электронагреву жидкой, воздушной, твердой среды, и может быть использовано, в частности, для отопления жилых и производственных помещений и автономного создания тепловых завес. The invention relates to a power system and heat exchange technology, in particular to electric heating of a liquid, air, solid medium, and can be used, in particular, for heating residential and industrial premises and autonomous creation of thermal curtains.
Широкое распространение имеют способы получения тепловой энергии из электрической на основе электронагревателей, представляющих собой нагревательный элемент, голый или же окруженный теплоаккумулирующим веществом, например кварцевым песком, и покрытый снаружи оболочкой, являющейся теплосъемной поверхностью. В этом случае для выделения определенного количества тепла необходимо совершать определенную работу. Связь между работой и количеством тепла устанавливают по закону Джоуля-Ленца:
Q = 0,24 х P x t [Е.В.Китаев, Н.Ф.Гревцев. Курс общей электротехники. М. : Советская Наука, 1945, стр.26-27],
где P - мощность источника, Вт;
t - время нагрева, с;
0,24 - тепловой эквивалент единицы работы, кал/Дж.Widespread are methods of generating thermal energy from electrical energy based on electric heaters, which are a heating element that is bare or surrounded by a heat-accumulating substance, such as quartz sand, and coated on the outside with a shell that is a heat-removing surface. In this case, to release a certain amount of heat, it is necessary to perform a certain work. The relationship between work and the amount of heat is established according to the Joule-Lenz law:
Q = 0.24 x P xt [E.V. Kitaev, N.F. Grevtsev. General electrical engineering course. M.: Soviet Science, 1945, pp. 26-27],
where P is the power of the source, W;
t is the heating time, s;
0.24 - thermal equivalent of a unit of work, cal / J.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия для составного твердого вещества (нагревательного элемента, кварцевого песка и теплосъемной поверхности в виде оболочки) складывается из суммы кинетической энергии всех молекул и потенциальной энергии их взаимодействия
Евн.=Eпост.+П, где Епост.<<П,
где Епост. - молекулярно-кинетическая энергия твердого вещества;
П - молекулярно-потенциальная энергия твердого вещества.From the point of view of the molecular-kinetic theory, the internal energy for a composite solid (a heating element, quartz sand and a heat-removing surface in the form of a shell) is the sum of the kinetic energy of all molecules and the potential energy of their interaction
E int. = E post. + P, where E post. << P,
where is E post. - molecular kinetic energy of a solid;
P is the molecular potential energy of a solid.
Ввиду большой глубины потенциальной ямы для твердого вещества прикладывают большие мощности для того чтобы увеличить средние скорости движения молекул в пределах потенциальной ямы. Поэтому для получения необходимого количества тепла требуется совершать большую работу. Первый закон термодинамики фиксирует это утверждение в следующем виде
Q=Eвн.+A,
где Eвн. - внутренняя энергия твердого вещества;
A - работа, затраченная на выделение тепла.Due to the great depth of the potential well for a solid, large powers are applied to increase the average speeds of the molecules within the potential well. Therefore, to obtain the required amount of heat requires a lot of work. The first law of thermodynamics fixes this statement in the following form
Q = E ext. + A,
where E ext. - internal energy of a solid substance;
A - work spent on heat.
Известен способ получения тепловой энергии из электрической для обогрева [Д. А.Лепаев. Справочник слесаря по ремонту бытовых электроприборов и машин. М.: Легпромбытиздат, 1988, стр.51-52], заключающийся в том, что берут нагревательный элемент, помещают его в окружающее пространство, подводят электрический ток и доводят нагревательный элемент до яркого свечения, включают вентилятор, обдувают поверхность нагревательного элемента и нагревают воздух помещения. A known method of producing thermal energy from electrical energy for heating [D. A. Lepaev. Handbook for repair of household electrical appliances and machines. M .: Legprombytizdat, 1988, pp. 51-52], which consists in taking a heating element, placing it in the surrounding space, applying electric current and bringing the heating element to a bright glow, turn on the fan, blow the surface of the heating element and heat the air premises.
Используемое в этом аналоге устройство для обогрева типа электровентилятор серийно выпускают отечественные и зарубежные предприятия. Его используют как дополнительную технологию получения тепла к существующим на основе водяных радиаторов, питающихся от тепловых сетей. Следовательно, с его помощью нельзя автономно экономно отапливать помещения без тепловых сетей. Поэтому этот аналог на основе использования известных серийно выпускаемых электровентиляторов мощностью 2 - 10 кВт не получил широкого распространения для автономного отапливания помещений ввиду следующих недостатков:
высокое потребление электроэнергии;
небольшой теплосъем в единицу времени ввиду малой теплосъемной поверхности;
низкий КПД способа на основе использования такого устройства;
нарушение экологии обогреваемых помещений в связи с высокой температурой на поверхности нагревательного элемента, например, нихрома, влияющей на качественный состав воздуха.The device for heating the electric fan type used in this analogue is serially produced by domestic and foreign enterprises. It is used as an additional technology for generating heat to existing ones based on water radiators powered by heating networks. Therefore, with its help it is impossible to autonomously economically heat rooms without heating networks. Therefore, this analogue, based on the use of well-known commercially available electric fans with a power of 2-10 kW, is not widely used for autonomous heating of rooms due to the following disadvantages:
high power consumption;
small heat removal per unit time due to the small heat removal surface;
low efficiency of the method based on the use of such a device;
violation of the ecology of heated rooms due to the high temperature on the surface of the heating element, for example, nichrome, affecting the quality of the air.
Известен также способ получения тепловой энергии из электрической для нагрева [Е. В.Китаев, Н.Ф.Гревцев. Курс общей электротехники. М.: Советская наука, 1945, стр.27], заключающийся в том, что берут нагревательный элемент, окружают его твердым теплоаккумулирующим веществом, например порошкообразным, кварцевым песком, изолируют все это от окружающей среды теплосъемной поверхностью, например, трубчатого типа и получают устройства типа ТЭН, подводят к нему электрический ток и обогревают выделяемым теплом окружающую среду, например воду. There is also a method of producing thermal energy from electrical energy for heating [E. V.Kitaev, N.F. Grevtsev. General electrical engineering course. M .: Soviet Science, 1945, p. 27], which consists in taking a heating element, surrounding it with a solid heat-accumulating substance, for example, powdery, quartz sand, isolating all this from the environment with a heat-removing surface, for example, of a tubular type, and obtaining devices type TEN, an electric current is supplied to it and the environment, such as water, is heated by the heat generated.
Области применения способа на основе использования ТЭНов в зависимости от условий эксплуатации разнообразны. Они применяются для нагрева воды, слабых растворов кислот при температуре теплосъемной поверхности 100oC; для нагрева газовой среды при температуре теплосъемной поверхности до 450oC; для прогрева селитры при температуре на теплосъемной поверхности 600oC и т.п.The fields of application of the method based on the use of heating elements are various depending on the operating conditions. They are used to heat water, weak acid solutions at a temperature of the heat-removing surface of 100 o C; for heating a gaseous medium at a temperature of a heat-removing surface up to 450 o C; for heating nitrate at a temperature on a heat-removing surface of 600 o C, etc.
Основные недостатки этого аналога на основе использования ТЭНов:
высокое потребление электроэнергии;
небольшой теплосьем в единицу времени из-за малой теплосъемной поверхности;
низкий КПД на основе использования этого устройства;
высокие значения удельной мощности, Вт/см2.The main disadvantages of this analogue based on the use of heating elements:
high power consumption;
a small heat per unit time due to the small heat removal surface;
low efficiency based on the use of this device;
high values of specific power, W / cm 2 .
Наиболее близким к предлагаемому является способ получения тепловой энергии из электрической (Свидетельство на полезную модель N 4365, МПК 6 F 24 H 7/00, 19.04.96 г., опубл. 16.06.97 г., бюл. N 6), заключающийся в том, что берут электронагревательный элемент, окружают его твердым теплоаккумулирующим веществом, например парафином ОКП-50, изменяющим свое агрегатное состояние в диапазоне рабочих температур, изолируют все это от окружающей среды теплосъемной поверхностью, например, трубчатого типа диаметром 50 мм. Помещают все это в камеру, заполненную жидкостью, например минеральным маслом. Камеру снабжают теплосъемной поверхностью, которую обдувают воздушными потоками, например, с помощью вентилятора. Предварительно к электронагревательному элементу подводят электрический ток. Обогревают окружающую среду воздухом. Closest to the proposed is a method of producing thermal energy from electrical energy (Utility Model Certificate N 4365, IPC 6 F 24 H 7/00, 04/19/96, publ. 06/16/97, bull. N 6), which consists in that they take the electric heating element, surround it with a solid heat-accumulating substance, for example, OKP-50 paraffin, which changes its state of aggregation in the range of operating temperatures, isolate all this from the environment with a heat-removing surface, for example, of a tubular type with a diameter of 50 mm. Put it all in a chamber filled with liquid, such as mineral oil. The chamber is provided with a heat-removing surface, which is blown by air currents, for example, by means of a fan. Previously, an electric current is supplied to the electric heating element. Heats the environment with air.
Недостатки способа прототипа следующие:
теплоаккумулирующее вещество, например жидкий парафин, позволяет поднимать температуру только ограниченно, например до 150oC, что снижает рабочий выход тепла с теплоносителя;
недостаточный теплосъем в единицу времени ввиду малой теплосъемной поверхности используемого в прототипе устройства;
низкий КПД способа;
небольшой коэффициент передачи тепла от нагревательного элемента к теплосъемной поверхности из-за применения для этого жидкой среды, где Eпост.=П.The disadvantages of the prototype method are as follows:
heat-accumulating substance, for example liquid paraffin, allows you to raise the temperature only to a limited extent, for example up to 150 o C, which reduces the working heat output from the coolant;
insufficient heat removal per unit time due to the small heat removal surface used in the prototype device;
low efficiency of the method;
low coefficient of heat transfer from the heating element to the heat-removing surface due to the use of a liquid medium for this, where E post. = N.
Известно устройство для нагрева воздуха (а.с.СССР N 1721408, F 24 Н 7/04, 3/04, опубл. 23.03.92, бюл. N 11), содержащее корпус, по крайней мере с одним воздушным каналом, обрамленным стенками, заполненными теплоаккумулирующим веществом, изменяющим агрегатное состояние в диапазоне рабочих температур, и сообщенным по торцам с источником и потребителем воздуха, а также источник нагрева. При этом в верхней части корпуса выполнены выходные отверстия, а источник нагрева выполнен в виде трубчатых электронагревательных элементов, расположенных в воздушном канале под углом 30-60 градусов к горизонтальной плоскости. A device for heating air (a.s.SSSR N 1721408, F 24 H 7/04, 3/04, publ. 23.03.92, bull. N 11), containing a housing with at least one air channel framed by the walls filled with heat-accumulating substance that changes the state of aggregation in the range of operating temperatures, and communicated at the ends with the air source and consumer, as well as the heating source. At the same time, outlet openings are made in the upper part of the housing, and the heating source is made in the form of tubular electric heating elements located in the air channel at an angle of 30-60 degrees to the horizontal plane.
Известное устройство имеет следующие недостатки:
значительный расход электроэнергии, так как по электронагревательным элементам протекает большой ток, что необходимо для нагревания до жидкого состояния большого объема теплоаккумулирующего вещества, например, парафина;
высокие затраты первоначальной энергии на запуск устройства, особенно при отоплении больших помещений.The known device has the following disadvantages:
significant energy consumption, since a large current flows through the electric heating elements, which is necessary for heating a large volume of heat-accumulating substance, for example, paraffin, to a liquid state;
high initial energy costs for starting the device, especially when heating large rooms.
Известно также устройство для нагрева воздуха с аккумулированием тепла (а. с. СССР N 1760258, F 24 H 7/00, 1/20, опубл. 07.09.92, бюл.N 33), содержащее корпус, разделенный поперечной перегородкой на две камеры - верхнюю жидкостную, снабженную входным и выходным патрубками, и нижнюю с теплоаккумулирующим веществом и центральным электронагревательным элементом, подключенным к источнику питания. При этом в верхней части нижней камеры с охватом электронагревательного элемента дополнительно установлена теплоизолированная кольцевая камера, сообщенная перепускными патрубками с жидкостной камерой соответственно в зонах расположения в последней упомянутых входного и выходного патрубков. В нижней камере с охватом электронагревательного элемента установлен спиральный тепловой шунт с центральной и периферийной частями, первая из которых скреплена с кольцевой камерой, а вторая заведена своей верхней частью под перегородку выше кольцевой камеры. It is also known a device for heating air with heat storage (a.a. USSR N 1760258, F 24 H 7/00, 1/20, publ. 09/07/92, bull.N 33), containing a housing divided by a transverse partition into two chambers - the upper liquid, equipped with inlet and outlet pipes, and the lower one with a heat storage substance and a central electric heating element connected to a power source. Moreover, in the upper part of the lower chamber with the coverage of the electric heating element, an insulated annular chamber is additionally installed, communicated by bypass pipes with a liquid chamber, respectively, in the locations in the last mentioned inlet and outlet pipes. In the lower chamber with the coverage of the electric heating element, a spiral thermal shunt is installed with the central and peripheral parts, the first of which is attached to the annular chamber, and the second is wound with its upper part under the partition above the annular chamber.
Недостатками известного устройства являются следующие:
значительный расход электроэнергии, так как для расплавления до жидкого состояния большого объема теплоаккумулирующего вещества необходима значительная мощность электронагревательного элемента;
малоэффективность как источника тепла при нагревании воздуха в помещениях с большими площадями из-за неравномерности теплового потока в обогреваемое помещение.The disadvantages of the known device are the following:
significant energy consumption, since a large capacity of an electric heating element is required to melt a large volume of heat-accumulating substance to a liquid state;
inefficiency as a heat source when heating air in rooms with large areas due to the unevenness of the heat flow into the heated room.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для нагревания воздуха (Свидетельство на полезную модель N 4365 6 F 24 H 7/00, опубл. 16.06.97, бюл. N 6), содержащее корпус, разделенный двумя перегородками на камеры, снабженные входным и выходным патрубками, в одной из которых размещен накопитель тепловой энергии (нагревательное устройство), включающий электронагревательный элемент, например, из нихрома, подключенный к источнику питания, например, в виде группы трансформаторов, и теплоаккумулирующее вещество типа парафин ОКП-50, изменяющее агрегатное состояние в диапазоне рабочих температур, при этом перегородки размещены вертикально и разделяют корпус на три камеры - изолированную центральную, заполненную жидкостью типа минеральное масло, и две сообщающиеся между собой крайние, заполненные воздухом, причем в одной из крайних камер установлен входной патрубок, а в другой - выходной патрубок, накопитель тепловой энергии (нагревательное устройство) выполнен в виде по крайне мере одного полого цилиндра с заглушенными концами, размещенного вертикально в нижней части центральной камеры, внутри которого установлен электронагревательный элемент, заполненный теплоаккумулирующим веществом, а поверхности перегородок со стороны крайних камер снабжены ребрами с образованием общего воздушного канала от входного до выходного патрубков, на входном патрубке размещен вентилятор. The closest in technical essence to the proposed device is a device for heating air (Certificate for utility model N 4365 6 F 24 H 7/00, publ. 16.06.97, bull. N 6), containing a housing, divided by two partitions into chambers equipped inlet and outlet pipes, in one of which a thermal energy storage device (heating device) is placed, including an electric heating element, for example, of nichrome, connected to a power source, for example, in the form of a group of transformers, and a heat storage substance Pa OKP-50 paraffin, which changes the state of aggregation in the operating temperature range, while the partitions are placed vertically and divide the case into three chambers - an isolated central one, filled with a liquid such as mineral oil, and two communicating extreme, filled with air, and in one of the extreme the inlet pipe is installed in the chambers, and the outlet pipe is installed in the other, the heat energy storage device (heating device) is made in the form of at least one hollow cylinder with muffled ends, placed vertically flax in the lower part of the central chamber, inside which an electric heating element is installed, filled with heat-accumulating substance, and the surface of the partitions from the side of the outer chambers are provided with ribs with the formation of a common air channel from the inlet to the outlet pipes, a fan is placed on the inlet pipe.
Недостатки устройства-прототипа следующие. The disadvantages of the prototype device are as follows.
Низкий КПД. Low efficiency.
Малоэффективность его как источника тепла при нагревании воздуха в больших помещениях из-за применения в качестве теплоаккумулирующего вещества типа парафина из-за того, что рабочая поверхность, с которой снимается тепло, мала по величине и ее невозможно увеличить значительно из-за ограниченного объема парафина. Its inefficiency as a heat source when heating air in large rooms due to the use of paraffin as a heat storage substance, because the working surface from which heat is removed is small in size and it cannot be increased significantly due to the limited volume of paraffin.
Второе агрегатное состояние вещества - жидкий парафин позволяет поднимать температуру лишь до 160o С, что ограничивает применение больших теплосъемных рабочих поверхностей и снижает рабочий выход теплоносителя (нагретого воздуха), а соответственно и КПД прототипа.The second aggregate state of the substance - liquid paraffin allows you to raise the temperature only to 160 o C, which limits the use of large heat-removing work surfaces and reduces the working output of the coolant (heated air), and, accordingly, the efficiency of the prototype.
Невозможно управлять внутренней энергией в больших пределах, что уменьшает КПД установки по прототипу, из-за применения в качестве теплоаккумулирующего вещества твердого вещества с двумя фазовыми переходами в жидкость и газ. It is impossible to control internal energy within large limits, which reduces the efficiency of the installation according to the prototype, due to the use of a solid substance with two phase transitions into liquid and gas as a heat storage substance.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования электрической энергии в тепловую и КПД за счет использования нагревательного устройства при малой его удельной мощности с большим коэффициентом передачи тепла. The aim of the invention is to increase the efficiency of conversion of electrical energy into heat and efficiency through the use of a heating device with its low specific power with a large heat transfer coefficient.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе получения тепловой энергии из электрической, включающем размещение нагревательного элемента, например, из нихрома, в окружение теплоаккумулирующего вещества, изолированного вместе с нагревательным элементом в своем объеме от окружающего пространства теплосъемной поверхностью с образованием нагревательного устройства, подводят к нагревательному элементу электрическую энергию, размещают нагревательное устройство в окружающее обогреваемое пространство, например в помещение, омывают его теплосъемную поверхность воздухом из помещения. Причем в качестве теплоаккумулирующего вещества используют твердое внутри поверхности нагревательного элемента и газообразное вне поверхности нагревательного элемента вещество, осуществляющее перенос тепла на теплосъемную поверхность нагревательного устройства. При этом увеличение общего рабочего теплосъема достигают за счет сопряженного увеличения площади поверхности теплосъема нагревательного элемента, развития ее в теплосъемную поверхность нагревательного устройства, расстояния между ними, объема газообразного теплоаккумулирующего вещества в нагревательном устройстве и интенсивности омывания теплосъемной поверхности, нагревательного устройства теплоносителем воздухом. Рабочий нагрев нагревательного элемента выбирают в диапазоне выше температуры окружающей среды, но ниже температуры нагревательного элемента, выбранной с учетом возможности функционального выхода из строя подводящей ток электропроводки, например, имеющейся в обогреваемом помещении. В результате получают и используют нагревательное устройство в виде газомолекулярного преобразователя с малыми значениями удельной мощности и большим коэффициентом передачи тепла. Теплообмен осуществляют при условии
Q=Евн., A=0,
где Евн. - внутренняя энергия газообразного вещества;
A - работа по переносу тепла.This goal is achieved by the fact that in the proposed method for generating thermal energy from electrical energy, including placing a heating element, for example, from nichrome, surrounded by a heat-accumulating substance, isolated together with the heating element in its volume from the surrounding space with a heat-removing surface to form a heating device, electric energy to the heating element, the heating device is placed in the surrounding heated space, for example in set, it is washed teplosemnuyu surface of the room air. Moreover, as a heat-storage substance, solid inside the surface of the heating element and gaseous outside the surface of the heating element are used, which transfer heat to the heat-removing surface of the heating device. At the same time, an increase in the total working heat removal is achieved due to the conjugate increase in the surface area of the heat removal of the heating element, its development into the heat-removing surface of the heating device, the distance between them, the volume of gaseous heat-accumulating substance in the heating device and the intensity of washing the heat-removing surface, the heating device with heat transfer air. The working heating of the heating element is selected in the range above the ambient temperature, but lower than the temperature of the heating element, selected taking into account the possibility of a functional failure of the power supply wiring, for example, available in a heated room. As a result, a heating device in the form of a gas-molecular converter with small values of specific power and a large heat transfer coefficient is obtained and used. Heat transfer is subject to
Q = E int. , A = 0,
where E ext. - internal energy of a gaseous substance;
A - heat transfer work.
После омывания теплоносителем теплосъемной поверхности, например, обдува теплосъемной поверхности устройства потоками воздуха из обогреваемого пространства помещения, его смешивают со средой, например воздухом окружающего пространства обогреваемого помещения. After washing the heat-removing surface with a coolant, for example, blowing the heat-removing surface of the device with air flows from the heated space of the room, it is mixed with the medium, for example, the air of the surrounding space of the heated room.
Теплосъемную поверхность нагревательного устройства по предлагаемому способу для повышения его эффективности можно увеличить дополнительно, делая ее волнистой, ребристой или гофрированной. The heat-removing surface of the heating device according to the proposed method to increase its efficiency can be increased additionally, making it wavy, ribbed or corrugated.
Нагревательный элемент лучше всего нагревать ниже температуры его свечения. A heating element is best heated below its glow temperature.
Способ лучше всего осуществлять при более-менее равных температурах поверхности нагревательного элемента и теплосъемной поверхности устройства. Равенство рабочих температур нагревательного элемента и нагревательного устройства достигают за счет объема, степени разреженности газообразного теплоаккумулирующего вещества, интенсивности омывания поверхности воздухом из помещения. The method is best carried out at more or less equal temperatures of the surface of the heating element and the heat-removing surface of the device. The equality of the operating temperatures of the heating element and the heating device is achieved due to the volume, the degree of rarefaction of the gaseous heat-accumulating substance, the intensity of washing the surface with air from the room.
Поставленная цель достигается и тем, что в одном из предлагаемых устройств для осуществления способа (электровоздухонагревателе), содержащем корпус, разделенный на две камеры - внешнюю и внутреннюю, снабженные входными и выходными отверстиями, во внутренней камере размещено нагревательное устройство, включающее электронагревательный элемент, например, из нихрома, подключенный к источнику питания, и теплоаккумулирующее вещество, причем нагревательное устройство выполнено в виде по крайней мере одного изолированного от вне объемного пространства. На входном отверстии внутренней камеры размещено устройство принудительной циркуляции воздуха по поверхности нагревательного устройства, например вентилятор. Обе камеры выполнены сообщающимися, причем выходное отверстие внутренней камеры является входным отверстием внешней камеры. Нагревательное устройство заполнено воздухом. This goal is achieved by the fact that in one of the proposed devices for implementing the method (electric air heater), comprising a housing divided into two chambers - an external and an internal one, equipped with inlet and outlet openings, a heating device is placed in the inner chamber, including an electric heating element, for example, of nichrome, connected to a power source, and a heat storage substance, and the heating device is made in the form of at least one volumetric a nd. At the inlet of the inner chamber, a forced air circulation device is arranged over the surface of the heating device, for example a fan. Both cameras are made communicating, and the outlet of the inner chamber is the inlet of the outer chamber. The heating device is filled with air.
Корпус удобнее и лучше изготавливать по форме в виде цилиндра или параллелепипеда, а также гофрированного цилиндра или параллелепипеда, либо сборного тарельчатого цилиндра или параллелепипеда. The housing is more convenient and better to produce in the form of a cylinder or parallelepiped, as well as a corrugated cylinder or parallelepiped, or a prefabricated disk cylinder or parallelepiped.
Нагревательное устройство может быть выполнено в форме цилиндра или параллелепипеда, либо шара, а также гофрированного цилиндра или параллелепипеда, либо шара. The heating device may be in the form of a cylinder or parallelepiped, or a ball, as well as a corrugated cylinder or parallelepiped, or a ball.
Выходных отверстий для горячего воздуха может быть несколько и их лучше располагать внизу корпуса по его периферии. There may be several outlets for hot air and it is better to place them at the bottom of the case along its periphery.
Источник питания, например, на 220 В, 50 Гц, лучше снабжать выпрямительным диодом или понижающим трансформатором, например до 110 В, для скачкообразного регулирования силы тока, например, до 5 А, на электронагревательном элементе. The power source, for example, at 220 V, 50 Hz, it is better to provide a rectifying diode or step-down transformer, for example up to 110 V, for stepwise regulation of the current, for example, up to 5 A, on the electric heating element.
Предлагаемое устройство для осуществление способа (электровоздухонагреватель) может быть дополнительно снабжено устройством прямой и обратной связи с окружающей воздушной средой, например, состоящим из датчика температуры воздуха с дистанционным выносом его за пределы этого устройства (электровоздухонагревателя), для автоматического включения или выключения источника питания. The proposed device for implementing the method (electric air heater) can be additionally equipped with a direct and feedback device with the surrounding air environment, for example, consisting of an air temperature sensor with remote removal of this device (electric air heater) to automatically turn on or off the power source.
Предлагаемое устройство для осуществление способа (электровоздухонагреватель) может быть дополнено опорой, расположенной в нижней части перед устройством для принудительной циркуляции воздуха и снабженной щелями для всасывания воздуха из обогреваемого помещения. The proposed device for implementing the method (electric air heater) can be supplemented with a support located in the lower part in front of the device for forced air circulation and provided with slots for sucking air from the heated room.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия для газообразного вещества, используемого в предлагаемом способе в качестве теплоаккумулирующего и теплопередающего вещества, состоит из суммы кинетической энергии всех молекул и потенциальной энергии взаимодействия
Евн.=Eпост.+П; Eпост.>>П,
где Епост. - молекулярно кинетическая энергия молекул;
П - молекулярно-потенциальная энергия молекул.From the point of view of the molecular kinetic theory, the internal energy for a gaseous substance used in the proposed method as a heat storage and heat transfer substance consists of the sum of the kinetic energy of all molecules and the potential interaction energy
E int. = E post. + P; E post >> P,
where is E post. - molecular kinetic energy of molecules;
P is the molecular potential energy of the molecules.
По этой причине прототип характеризуется потенциальной ямой, где необходимо затрачивать энергию на фазовые переходы и работу для получения определенного количества тепла, в то время, как предлагаемое решение характеризуется потенциальной ямой, где молекулы не совершают работу по переносу тепла. For this reason, the prototype is characterized by a potential well, where it is necessary to expend energy on phase transitions and work to obtain a certain amount of heat, while the proposed solution is characterized by a potential well, where the molecules do not perform heat transfer work.
В науке и технике не обнаружено решений, обладающих совокупностями существенных признаков, аналогичных предлагаемым в способе и устройстве для его осуществления. Замкнутое в постоянном объеме теплоаккумулирующее газообразное вещество не совершает внешней и внутренней работы на фазовые переходы этого вещества, выполняет только функции аккумулятора тепла и его переноса с поверхности нихрома на внешнюю поверхность нагревательного устройства. Соприкасающийся с нагревательным устройством теплоноситель (воздух) по сравнению с минеральным маслом в прототипе также является более эффективным по КПД при последующей передаче тепла на корпус и во вне электровоздухонагревателя. Кроме того, разделение корпуса на две сообщающиеся камеры по сравнению с прототипом также способствует интенсификации теплообмена с окружающей средой и повышению КПД. Конвекция по прототипу дополняется в предлагаемом устройстве созданием и более мощной тепловой завесы. In science and technology, no solutions have been found that have sets of essential features similar to those proposed in the method and device for its implementation. A heat-accumulating gaseous substance closed in a constant volume does not perform external and internal work on the phase transitions of this substance, it only performs the functions of a heat accumulator and its transfer from the surface of nichrome to the outer surface of the heating device. The coolant (air) in contact with the heating device in comparison with the mineral oil in the prototype is also more efficient in terms of efficiency in the subsequent transfer of heat to the housing and outside the electric air heater. In addition, the separation of the housing into two interconnected chambers in comparison with the prototype also contributes to the intensification of heat transfer with the environment and increase efficiency. Convection of the prototype is supplemented in the proposed device by the creation of a more powerful thermal curtain.
Таким образом, предлагаемые технические решения отвечают критерию изобретательского уровня. Thus, the proposed technical solutions meet the criteria of inventive step.
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления иллюстрируются фиг. 1-3. The proposed method and device for its implementation are illustrated in FIG. 1-3.
Фиг. 1 графически характеризует выбор оптимального расстояния между двумя поверхностями: нагревательного элемента и теплосъемного устройства. На фиг. 2 дан общий вид предлагаемого устройства (электровоздухонагревателя) в разрезе, а на фиг. 3 - его принципиальная электрическая схема. FIG. 1 graphically characterizes the choice of the optimal distance between two surfaces: a heating element and a heat removal device. In FIG. 2 shows a General view of the proposed device (electric air heater) in section, and in FIG. 3 is his circuit diagram.
Способ осуществляют следующим образом. Берут нагревательный элемент большей длины, чем у ТЭНов, окружают им твердое теплоаккумулирующее вещество, располагая его внутри поверхности нагревательного элемента. The method is as follows. They take a heating element of a greater length than that of the heating elements, surround them with a solid heat-accumulating substance, placing it inside the surface of the heating element.
Например, берут стальную гофрированную поверхность с нанесенным керамическим либо эмалированным покрытием, обеспечивающим электроизоляцию, и наматывают на нее нихромовую проволоку снаружи. Все это окружают газообразным веществом, например атмосферным воздухом или химическим неактивным газом, для аккумуляции тепла и его переноса на теплосъемную поверхность нагревательного устройства, замкнутую в своем контуре от внешнего окружающего пространства. Подводят электрический ток к нагревательному элементу и регулируют его параметры для оптимального рабочего нагрева нагревательного элемента в диапазоне выше температуры окружающей среды, но ниже температуры нагревательного элемента, выбранной с учетом возможности функционального выхода из строя подводящей электропроводки, например, обогреваемого помещения. Получают тем самым и используют нагревательное устройство в виде газомолекулярного преобразователя с малыми значениями удельной мощности и с большим коэффициентом передачи тепла. Изменение (увеличение) общего суммарного теплосъема достигают за счет изменения расстояния между первичной и вторичной поверхностями нагрева и теплосьема, по сравнению с площадью поверхности нагревательного элемента, объема теплоаккумулирующего вещества и интенсивности омывания воздухом. Способ осуществляют при более-менее равных температурах поверхности нагревательного элемента и теплосъемной поверхности нагревательного устройства, а равенство температур поверхностей нагревательного элемента и поверхности теплосъема достигают за счет оптимизации зазора (расстояния) между ними, площадей этих поверхностей, объема и степени разреженности газообразного теплоаккумулирующего вещества, интенсивности омывания поверхности нагревательного устройства воздухом из посещения и регулирования параметров электрического тока на нагревательном элементе. For example, they take a steel corrugated surface with a ceramic or enamel coating that provides electrical insulation, and wrap a nichrome wire on it from the outside. All this is surrounded by a gaseous substance, for example atmospheric air or a chemical inactive gas, to accumulate heat and transfer it to the heat-removing surface of the heating device, which is closed in its circuit from the external surrounding space. The electric current is supplied to the heating element and its parameters are adjusted for optimal working heating of the heating element in the range above the ambient temperature, but lower than the temperature of the heating element selected taking into account the possibility of a functional failure of the supply wiring, for example, a heated room. Thereby, a heating device in the form of a gas-molecular converter with small values of specific power and with a large coefficient of heat transfer is used. A change (increase) in the total heat removal is achieved due to a change in the distance between the primary and secondary heating and heat surfaces, in comparison with the surface area of the heating element, the volume of the heat-accumulating substance and the intensity of washing with air. The method is carried out at more or less equal temperatures of the surface of the heating element and the heat-removing surface of the heating device, and the equality of the temperatures of the surfaces of the heating element and the heat-removing surface is achieved by optimizing the gap (distance) between them, the areas of these surfaces, the volume and degree of rarefaction of the gaseous heat-accumulating substance, the intensity washing the surface of the heating device with air from visiting and adjusting the parameters of the electric current on the heating element.
Омывают, например, обдувают теплосъемную поверхность устройства потоками вещества из окружающей среды, например воздуха, и смешивают его со средой, например воздухом обогреваемого помещения. Wash, for example, blow off the heat-removing surface of the device with streams of substance from the environment, such as air, and mix it with a medium, such as air of a heated room.
Теплосъемную поверхность нагревательного устройства целесообразно также увеличивать дополнительно путем выполнения ее волнистой, ребристой или гофрированной для повышения эффективности предлагаемого способа. The heat removal surface of the heating device, it is also advisable to increase additionally by performing it wavy, ribbed or corrugated to increase the efficiency of the proposed method.
Нагревательный элемент лучше всего нагревать ниже температуры его свечения. A heating element is best heated below its glow temperature.
Пример конкретного осуществления предлагаемого способа в сравнении со способом-прототипом. An example of a specific implementation of the proposed method in comparison with the prototype method.
По способу-прототипу брали нагревательный элемент в виде нихромовой проволоки (нихрома) со следующими параметрами:
dних.=1,2 мм; R0=0,97 Ом; I1= 4,2 А, U1=110 В;
P1=U1xI1=462 Вт,
где dних. - диаметр нихрома, мм;
R0 - сопротивление 1 м нихрома, Ом;
I1 - проходящий ток по нихрому, А;
U1 - прикладываемое напряжение, В;
Р1 - мощность, Вт.According to the prototype method, a heating element was taken in the form of a nichrome wire (nichrome) with the following parameters:
d them. = 1.2 mm; R 0 = 0.97 Ohms; I 1 = 4.2 A; U 1 = 110 V;
P 1 = U 1x I 1 = 462 W,
where d them. - diameter of nichrome, mm;
R 0 - resistance 1 m nichrome, Ohm;
I 1 - passing current along nichrome, A;
U 1 - applied voltage, V;
P 1 - power, watts.
Брали гофрированную стальную поверхность - основу для размещения нихрома размерами 155 мм х 350 мм х 1 мм с шагом гофры h1=9 мм. Поверхность покрывали эмалью в два слоя для обеспечения электроизоляции нихрома от стальной пластины.They took a corrugated steel surface - the basis for placing nichrome with dimensions of 155 mm x 350 mm x 1 mm with a corrugation pitch h 1 = 9 mm. The surface was coated with enamel in two layers to ensure electrical isolation of nichrome from the steel plate.
Внешнюю теплосъемную поверхность нагревательного устройства выполняли в виде параллелепипеда с размерами 365 мм х 160 мм х 20 мм. Применяли материал сталь 3. The external heat-removing surface of the heating device was made in the form of a parallelepiped with dimensions 365 mm x 160 mm x 20 mm. Used material steel 3.
Длину и сопротивление нихрома определяли следующей последовательностью действий:
lних.= l1•n1=35 см•11=385 см=3,85м
где l1 - длина гофрированной поверхности основы для намотки нихрома;
n1 - количество полуволн, в которые укладывается нихром;
lних. - длина нихрома на одной гофрированной поверхности основы для намотки нихрома;
Σ lних.= lних.•n2=3,85•7=26,95=27 м,
где 4 n2 - количество гофрированных поверхностей, равное 7;
Σ lних. - суммарная длина нихрома;
Rних.=R0•lних.=0,97 Ом•3,85 м=3,73 Ом;
ΣRних. = Rних.•n2=3,73 Ом•7=26,11 ом = 26,1 Ом, где:
Rних. - сопротивление нихрома, размещенного на одной гофрированной поверхности основы;
ΣRних. - общее сопротивление нихрома.The length and resistance of nichrome was determined by the following sequence of actions:
l them. = l 1 • n 1 = 35 cm • 11 = 385 cm = 3.85 m
where l 1 is the length of the corrugated surface of the base for winding nichrome;
n 1 is the number of half-waves into which nichrome fits;
l them. - the length of nichrome on one corrugated surface of the base for winding nichrome;
Σ l them. = l of them. • n 2 = 3.85 • 7 = 26.95 = 27 m,
where 4 n 2 - the number of corrugated surfaces equal to 7;
Σ l them. - total length of nichrome;
R them. = R 0 • l of them. = 0.97 Ohm • 3.85 m = 3.73 Ohm;
ΣR them. = R them. • n 2 = 3.73 Ohms • 7 = 26.11 ohms = 26.1 Ohms, where:
R them. - the resistance of nichrome, placed on one corrugated surface of the base;
ΣR them. - the total resistance of nichrome.
Площадь поверхности нихрома определяли следующим образом:
L1= π •dних.=3,14•0,12 см=0,37 см;
ΣSних.=L1•lних.=0,37 см •2700 см=999 см2=1000 см2,
где L1 - длина окружности нихрома;
ΣSних. - суммарная площадь поверхности нихрома.The surface area of nichrome was determined as follows:
L 1 = π • d of them. = 3.14 • 0.12 cm = 0.37 cm;
ΣS them. = L 1 • l of them. = 0.37 cm • 2700 cm = 999 cm 2 = 1000 cm 2 ,
where L 1 is the circumference of nichrome;
ΣS them. - total surface area of nichrome.
Площадь теплосъемной поверхности, ΣSт, которая соприкасалась с теплоносителем, находили следующим образом:
a) S1=16 см•36,5 см=584 см2; 2S1=1168 см2;
б) S2=2 см•36,5 см=73 см2, 2S2=146 см2;
в) S3=2 см•16 см=35 см2; 2S3=64 см2;
г) Sт=2S1+2S2+2S3=1168 см2+ 146 см2+64 см2=1378 см2;
ΣSт=1378 см2•7=9646 см2=10000 см2,
где Sт - площадь поверхности теплоподъема одного параллелепипеда;
ΣSт - площадь поверхности теплосъема семи параллелепипедов.The heat-removal surface area, ΣS t , which was in contact with the coolant, was found as follows:
a) S 1 = 16 cm • 36.5 cm = 584 cm 2 ; 2S 1 = 1168 cm 2 ;
b) S 2 = 2 cm • 36.5 cm = 73 cm 2 , 2S 2 = 146 cm 2 ;
c) S 3 = 2 cm • 16 cm = 35 cm 2 ; 2S 3 = 64 cm 2 ;
d) S t = 2S 1 + 2S 2 + 2S 3 = 1168 cm 2 + 146 cm 2 +64 cm 2 = 1378 cm 2 ;
ΣS t = 1378 cm 2 • 7 = 9646 cm 2 = 10000 cm 2 ,
where S t is the surface area of the heat rise of one parallelepiped;
ΣS t is the surface area of the heat removal of seven parallelepipeds.
Заливали внутренний объем нагревательного устройства парафином ОКП-50. Объем теплоаккумулирующего жидкого вещества, осуществляющего аккумулирование и перенос тепла на теплосъемную поверхность нагревательного устройства, определяли следующим образом:
Vm=Vn-Vгоф.-Vних.,
где Vn - внутренний объем параллелепипеда, см3;
Vгоф. - объем гофрированной поверхности, основы для намотки нихрома, см3;
Vних. - объем нихрома, см3;
a) Vn=36,5 см •16 см •2 см=11680 см3;
б) Vгоф.=18 см •35 см•0,1 см=63 см3;
в) Vних.=385 см•0,01 см2=3,85 см3;
Sних.= π •dних. 2/4=0,01 см2;
где Sних. - площадь сечения нихрома;
dних. - диаметр нихрома;
Vm=11680 см3-63 см3-3,85 см3=11613 см3;
Σ Vm=Vm•n2=11613 см3•7= 81291 см3
где ΣVm - объем теплоаккумулирующего жидкого вещества в семи параллелепипедах.The internal volume of the heating device was poured with OKP-50 paraffin. The volume of the heat-accumulating liquid substance that accumulates and transfers heat to the heat-removing surface of the heating device was determined as follows:
V m = V n -V corrugation. -V them. ,
where V n is the internal volume of the parallelepiped, cm 3 ;
V corrugation. - the volume of the corrugated surface, the basis for winding nichrome, cm 3 ;
V them. - the volume of nichrome, cm 3 ;
a) V n = 36.5 cm • 16 cm • 2 cm = 11680 cm 3 ;
b) V corrugation. = 18 cm • 35 cm • 0.1 cm = 63 cm 3 ;
c) V them. = 385 cm • 0.01 cm 2 = 3.85 cm 3 ;
S them. = π • d of them. 2/4 = 0.01 cm 2;
where s them. - cross-sectional area of nichrome;
d them. - diameter of nichrome;
V m = 11680 cm 3 -63 cm 3 -3.85 cm 3 = 11613 cm 3 ;
Σ V m = V m • n 2 = 11613 cm 3 • 7 = 81291 cm 3
where ΣV m is the volume of heat-accumulating liquid substance in seven parallelepipeds.
Удельные мощности по поверхности нихрома, ΣSних. по теплосъемной поверхности, ΣSm, определяли следующим образом:
K1=Р/ ΣSних.=462 Вт/1000 см2=0,46 Вт/см2.Specific power on the surface of nichrome, ΣS of them. the heat-removing surface, ΣS m , was determined as follows:
K 1 = P / ΣS of them. = 462 W / 1000 cm 2 = 0.46 W / cm 2 .
К2=Р/ ΣSm=462 Вт/10000 см2=0,046 Вт/см2.K 2 = P / ΣS m = 462 W / 10000 cm 2 = 0.046 W / cm 2 .
Коэффициент передачи тепла, Кт, определяли, как отношение удельных мощностей:
Кт=K1/K2=0,46 Вт/см2/0,046 Вт/см2=10.The heat transfer coefficient, K t , was determined as the ratio of specific capacities:
K t = K 1 / K 2 = 0.46 W / cm 2 / 0.046 W / cm 2 = 10.
Удельную электрическую энергию E0, определяли следующим образом:
Е0=P•t=462 Вт•1 с=462 Дж.The specific electric energy E 0 was determined as follows:
E 0 = P • t = 462 W • 1 s = 462 J.
Удельную тепловую энергию Ето с учетом коэффициента передачи тепла определяли следующим образом:
Ето=Е0•Кт=462 Дж•10=4620 Дж.The specific thermal energy E then , taking into account the heat transfer coefficient, was determined as follows:
E then = E 0 • K t = 462 J • 10 = 4620 J.
Удельная тепловая энергия зависит от площади теплосъемной поверхности, поэтому можно регулировать количеством тепла в больших пределах. The specific thermal energy depends on the area of the heat-removing surface, therefore, it is possible to control the amount of heat over a wide range.
Технические данные работы способа по прототипу приведены в табл. 1. Technical data of the prototype method are given in table. 1.
Для жидких сред (жидкий парафин) необходимо прикладывать большие мощности, чтобы увеличить средние скорости движения молекул в пределах потенциальной ямы. Поэтому для получения необходимого количества тепла требуется совершать большую работу. Первый закон термодинамики записывается в этом случае в следующем виде: Q=Евн.+A. Дополнительно работа затрачивается на фазовые переходы парафина из твердого состояния в жидкое. В связи с этим КПД устройства уменьшается.For liquid media (liquid paraffin) it is necessary to apply large powers in order to increase the average velocities of the molecules within the potential well. Therefore, to obtain the required amount of heat requires a lot of work. The first law of thermodynamics is written in this case in the following form: Q = E ext. + A. Additionally, the work is spent on the phase transitions of paraffin from solid to liquid. In this regard, the efficiency of the device is reduced.
По предлагаемому способу брали конкретный нагревательный элемент в виде нихромовой проволоки со следующими параметрами: dних.=1,2 мм; R0=0,97 Ом; I1= 4,2 А; U1= 110 В; P1=U1•I1=462 Вт; где dних. - диаметр нихрома, мм; R0 - сопротивление 1 м нихрома, Ом; I1 - проходящий ток по нихрому, А; U1 - прикладываемое напряжение, В; P1 - мощность; Вт.The proposed method took a specific heating element in the form of a nichrome wire with the following parameters: d of them. = 1.2 mm; R 0 = 0.97 Ohms; I 1 = 4.2 A; U 1 = 110 V; P 1 = U 1 • I 1 = 462 W; where d them. - diameter of nichrome, mm; R 0 - resistance 1 m nichrome, Ohm; I 1 - passing current along nichrome, A; U 1 - applied voltage, V; P 1 - power; Tue
Брали гофрированную стальную поверхность - основа для размещения нихрома размерами 155 мм х 350 мм х 1 мм с шагом гофры h1 = 9 мм. Поверхность покрывали эмалью в два слоя для обеспечения электроизоляции нихрома от стальной пластины.They took a corrugated steel surface - the basis for placing nichrome with dimensions of 155 mm x 350 mm x 1 mm with a corrugation pitch h 1 = 9 mm. The surface was coated with enamel in two layers to ensure electrical isolation of nichrome from the steel plate.
Внешнюю теплосъемную поверхность нагревательного устройства выполняли в виде параллелепипеда с размерами 365 мм х 160 мм х 20 мм. Применяли материал сталь 3. The external heat-removing surface of the heating device was made in the form of a parallelepiped with dimensions 365 mm x 160 mm x 20 mm. Used material steel 3.
Длину и сопротивление нихрома определяли следующей последовательностью действий:
lних.= l1•n1=35 см•11=385 см = 3,85 м,
где l1 - длина гофрированной поверхности основы для нихрома;
n1 - количество полуволн, в которые укладывается нихром;
lних. - длина нихрома на одной гофрированной поверхности основы для намотки нихрома.The length and resistance of nichrome was determined by the following sequence of actions:
l them. = l 1 • n 1 = 35 cm • 11 = 385 cm = 3.85 m,
where l 1 is the length of the corrugated surface of the base for nichrome;
n 1 is the number of half-waves into which nichrome fits;
l them. - the length of nichrome on one corrugated surface of the base for winding nichrome.
Σlних.= lних.•n2=3,85•7=26,95=27 м;
где n2 - количество гофрированных поверхностей, равное 7;
Σlних. - суммарная длина нихрома;
Rних.=R0•lних.=0,97 Ом•3,85 м = 3,73 Ом;
ΣRних.=Rних.•n2=3,73 Ом•7= 26,11 Ом=26,1 Ом;
где Rних. - сопротивление нихрома, размещенного на одной гофрированной поверхности основы;
Σ Rних. - общее сопротивление нихрома.Σl them. = l of them. • n 2 = 3.85 • 7 = 26.95 = 27 m;
where n 2 is the number of corrugated surfaces equal to 7;
Σl them. - total length of nichrome;
R them. = R 0 • l of them. = 0.97 Ohm • 3.85 m = 3.73 Ohm;
ΣR them. = R them. • n 2 = 3.73 Ohms • 7 = 26.11 Ohms = 26.1 Ohms;
where r them. - the resistance of nichrome, placed on one corrugated surface of the base;
Σ R them. - the total resistance of nichrome.
Площадь поверхности нихрома определяется следующим образом:
L1= π •dних.=3,14•0,12 см=0,37 см;
ΣSних.=L1•lних.=0,37 см•2700 см=999 см2=1000 см2;
где L1 - длина окружности нихрома;
ΣSних. - суммарная площадь поверхности нихрома
Площадь теплосъемной поверхности Σ Sm, которая соприкасалась с теплоносителем, находили следующим образом:
a) S1=16 см•36,5 см=584 см2; 2S1=1168 см2;
б) S2=2 см•36,5 см=73 см2; 2S2=146 см2;
в) S3=2 см•16 см=32 см2; 2S3=64 см2;
г) Sm=2S1+2S2+2S3=1168 см2+ 146 см2+64 см2=1378 см2;
Σ Sm=1378 см2•7=9646 см2 ≈10000 см2;
где Sm - площадь поверхности теплосъема одного параллелепипеда;
Σ Sm - площадь поверхности теплосъема семи параллелепипедов.The surface area of nichrome is determined as follows:
L 1 = π • d of them. = 3.14 • 0.12 cm = 0.37 cm;
ΣS them. = L 1 • l of them. = 0.37 cm • 2700 cm = 999 cm 2 = 1000 cm 2 ;
where L 1 is the circumference of nichrome;
ΣS them. - total surface area of nichrome
The heat-removing surface area Σ S m that was in contact with the coolant was found as follows:
a) S 1 = 16 cm • 36.5 cm = 584 cm 2 ; 2S 1 = 1168 cm 2 ;
b) S 2 = 2 cm • 36.5 cm = 73 cm 2 ; 2S 2 = 146 cm 2 ;
c) S 3 = 2 cm • 16 cm = 32 cm 2 ; 2S 3 = 64 cm 2 ;
d) S m = 2S 1 + 2S 2 + 2S 3 = 1168 cm 2 + 146 cm 2 +64 cm 2 = 1378 cm 2 ;
Σ S m = 1378 cm 2 • 7 = 9646 cm 2 ≈10000 cm 2 ;
where S m is the surface area of the heat removal of one parallelepiped;
Σ S m is the surface area of the heat removal of seven parallelepipeds.
Заполняли внутренний объем нагревательного устройства атмосферным воздухом. Объем теплоаккумулирующего газообразного вещества (воздуха), осуществляющего аккумулирование и перенос тепла на теплосъемную поверхность нагревательного устройства, определяли следующим образом:
Vm=Vn-Vгоф.-Vних.,
где Vn - внутренний объем параллелепипеда, см3;
Vгоф. - объем гофрированной плоскости основы для намотки нихрома, см3;
Vних. - объем нихрома, см3;
Vn=36,5 см•16 см•2 см=11680 см3;
Vгоф.=18 см•35 см•0,1 см=63 см3;
Vних.=385 см•0,01 см2=3,85 см3;
Sних.= π•dних./4=0,01 см2,
где Sних. - площадь сечения нихрома;
Vm=11680 см3-63 см3-3,85 см3;
Σ Vm=Vm•n2=11613 см3• 7=81291 см3
где ΣVm - объем теплоаккумулирующего газообразного вещества в семи параллелепипедах.The internal volume of the heating device was filled with atmospheric air. The volume of heat-accumulating gaseous substance (air), which accumulates and transfers heat to the heat-removing surface of the heating device, was determined as follows:
V m = V n -V corrugation. -V them. ,
where V n is the internal volume of the parallelepiped, cm 3 ;
V corrugation. - the volume of the corrugated plane of the base for winding nichrome, cm 3 ;
V them. - the volume of nichrome, cm 3 ;
V n = 36.5 cm • 16 cm • 2 cm = 11680 cm 3 ;
V corrugation. = 18 cm • 35 cm • 0.1 cm = 63 cm 3 ;
V them. = 385 cm • 0.01 cm 2 = 3.85 cm 3 ;
S them. = π • d of them. / 4 = 0.01 cm 2 ,
where s them. - cross-sectional area of nichrome;
V m = 11680 cm 3 -63 cm 3 -3.85 cm 3 ;
Σ V m = V m • n 2 = 11613 cm 3 • 7 = 81291 cm 3
where ΣV m is the volume of the heat-accumulating gaseous substance in seven parallelepipeds.
Удельные мощности по поверхности нихрома, ΣSних., определяли следующим образом:
К1=PΣSних.=462 Вт/1000 см2=0,46 Вт/см2;
K2=P Σ Sm=462 Вт/10000 см2=0,046 Вт/см2.Specific power on the surface of nichrome, ΣS of them. were determined as follows:
To 1 = PΣS them. = 462 W / 1000 cm 2 = 0.46 W / cm 2 ;
K 2 = P Σ S m = 462 W / 10000 cm 2 = 0.046 W / cm 2 .
Коэффициент передачи тепла Кт определяли как отношение удельных мощностей.The heat transfer coefficient K t was determined as the ratio of specific capacities.
Кт=K1/К2=0,46 Вт/см2/0,46 Вт/см2=10.K t = K 1 / K 2 = 0.46 W / cm 2 / 0.46 W / cm 2 = 10.
Удельную электрическую энергию определяли следующим образом:
E0=P•t=462 Вт•1 с=462 Дж.Specific electrical energy was determined as follows:
E 0 = P • t = 462 W • 1 s = 462 J.
Удельную тепловую энергию определяли:
Eто=E0•Кт=462 Дж•10=4620 Дж.Specific thermal energy was determined:
E then = E 0 • K t = 462 J • 10 = 4620 J.
Выполнение теплосъемной поверхности волнистой, оребренной или гофрированной позволило увеличивать коэффициент передачи тепла на величину, зависящую от увеличения этой поверхности. The implementation of the heat-removing surface wavy, ribbed or corrugated allowed to increase the heat transfer coefficient by an amount depending on the increase in this surface.
Нагревание элемента до температуры свечения и выше вызывало непроизводительные световые потери в процессе преобразования электроэнергии в тепло, что снижало КПД предлагаемого способа на величину, зависящую от интенсивности свечения, размеров элемента и т.п. Heating the element to a glow temperature and above caused unproductive light losses during the conversion of electricity to heat, which reduced the efficiency of the proposed method by an amount that depends on the intensity of the glow, the size of the element, etc.
Для газообразного теплоаккумулирующего вещества наилучшее условие теплообмена при Q = Eвн., A = 0,
где Eвн. - внутренняя энергия газообразного вещества;
A - работа по переносу тепла.For a gaseous heat storage substance, the best heat transfer condition is at Q = E ext. , A = 0,
where E ext. - internal energy of a gaseous substance;
A - heat transfer work.
Увеличение оптимальной разности тепловых удельных мощностей рабочих площадей поверхностей теплосъема и нагревательного элемента при их более-менее постоянной рабочей температуре достигали, в частности, количеством теплоаккумулирующего газообразного вещества и характеризовали это техническим параметром - коэффициентом передачи тепла, как отношением их удельных мощностей. Поскольку удельная тепловая энергия всегда отличалась от удельной электрической энергии, их абсолютные значения и соотношения при прочих равных условиях являлись основными характеристиками предлагаемого способа на основе использования газомолекулярного преобразователя в сравнении с прототипом и другими аналогами. An increase in the optimum difference in the thermal specific powers of the working areas of the surfaces of the heat sink and the heating element at their more or less constant working temperature was achieved, in particular, by the amount of heat-accumulating gaseous substance and was characterized by a technical parameter - heat transfer coefficient, as the ratio of their specific powers. Since the specific thermal energy always differed from the specific electric energy, their absolute values and ratios, all other things being equal, were the main characteristics of the proposed method based on the use of a gas-molecular converter in comparison with the prototype and other analogues.
Одной из важных особенностей коэффициента передачи тепла (Kт) являлось то, что он характеризовал увеличение масштаба рациональной длины расстояния между рабочими поверхностями во столько раз, во сколько разнились между собой теплосъемная поверхность устройства и поверхность нагревательного элемента. Создавались тем самым условия своеобразной наклонной плоскости, по которой "катились" молекулы газообразного вещества без совершения работы. Поэтому предлагаемый газомолекулярный преобразователь являлся источником тепловой энергии в диапазоне рабочих температур. Данное утверждение продемонстрировано на фиг. 1, где на графике дано по оси абсцисс - удельная мощность K1, а по оси ординат - удельная мощность К2; Кт определяет рациональную длину между двумя поверхностями - теплосъемной и нагревательной.One of the important features of the heat transfer coefficient (K t ) was that it characterized the increase in the scale of the rational length of the distance between the working surfaces by so many times how much the heat-removing surface of the device and the surface of the heating element were different. Thus, conditions were created for a kind of inclined plane along which molecules of a gaseous substance “rolled” without doing work. Therefore, the proposed gas-molecular converter was a source of thermal energy in the range of operating temperatures. This statement is illustrated in FIG. 1, where the graph is given on the abscissa - the specific power K 1, and the ordinate axis - K 2 power density; K t determines the rational length between two surfaces - heat removal and heating.
Предлагаемый способ оптимально осуществляли при более или менее равных температурах поверхности нагревательного элемента и теплосъемной поверхности устройства, достигаемых, например, за счет сопряженного между собой изменения этих параметров поверхностей, объема теплоаккумулирующего газообразного вещества через зазор (расстояние) между ними, а также оптимизации степени разреженности теплоаккумулирующего вещества, регулирования процесса смывания теплосъемной поверхности устройства воздухом и параметров электрического тока на нагревательном элементе. Способ достигал оптимальный режим функционирования, когда
Q=Eвн., A = 0,
где Eвн. - внутренняя энергия газообразного вещества;
A - работа по переносу тепла.The proposed method was optimally carried out at more or less equal temperatures of the surface of the heating element and the heat-removing surface of the device, achieved, for example, due to a conjugate change in these surface parameters, the volume of the heat-accumulating gaseous substance through the gap (distance) between them, and also optimization of the degree of rarefaction of the heat-accumulating substances regulating the washing process of the heat-removing surface of the device with air and the parameters of the electric current on heating element. The method reached an optimal mode of operation when
Q = E ext. , A = 0,
where E ext. - internal energy of a gaseous substance;
A - heat transfer work.
Конкретные технические данные по предлагаемому способу на основе газомолекулярного преобразователя сведены в таблицу 2 для диапазона температур от 200 до 300oC.Specific technical data on the proposed method based on a gas-molecular transducer are summarized in table 2 for the temperature range from 200 to 300 o C.
Предлагаемое устройство для осуществления способа (электровоздухонагреватель) содержит корпус 1 с двумя камерами: внутренняя 2 и внешняя 3. Внутренняя камера 2 содержит по меньшей мере одно нагревательное устройство 4. Внешняя камера 3 заполнена теплоносителем (воздухом) и имеет, лучше всего в нижней части корпуса 1 по его периферии, выходное (-ные) отверстие (-ия) 5 для выброса горячего воздуха. На входе во внутреннюю камеру 2 перед входным (ными) отверстием (-ями) 6 размещено устройство принудительной циркуляции воздуха по поверхности нагревательного устройства, например, вентилятор 7. Камеры 2 и 3 выполнены сообщающимися, причем выходное отверстие 8 внутренней камеры 2 является входным отверстием 8 внешней камеры 3. Нагревательное устройство 4 выполнено в виде изолированного объемного (полого) пространства 9, например, в форме параллелепипеда или цилиндра либо шара, лучше всего с гофрированной поверхностью, и размещенного вертикально во внутренней камере 2. Внутри нагревательного устройства 4 установлен электронагревательный элемент 10, например, из нихрома, подключенный к источнику питания II. Нагревательное устройство 4 с электронагревательным элементом 10 внутри заполнен химически инертным газом или смесью таких газов либо безопасным газообразным веществом 9, например воздухом, предназначенным для аккумулирования и переноса тепла с поверхности нихрома 10 на поверхность нагревательного устройства 4. The proposed device for implementing the method (electric air heater) comprises a housing 1 with two chambers: inner 2 and outer 3. The inner chamber 2 contains at least one
Корпус 1 удобнее и лучше изготавливать в форме цилиндра или параллелепипеда, а также гофрированного цилиндра или параллелепипеда, либо сборного тарельчатого цилиндра или параллелепипеда. Источник питания 11, например, на 220 В, 50 Гц, лучше снабжать выпрямительным диодом 12 или понижающим трансформатором 12, например, до 110 В, для скачкообразного регулирования силы тока, например, до 5 А, на электронагревательном элементе 10. The housing 1 is more convenient and better made in the form of a cylinder or parallelepiped, as well as a corrugated cylinder or parallelepiped, or a prefabricated disk cylinder or parallelepiped. The
Предлагаемое устройство (электровоздухонагреватель) может быть дополнительно снабжен устройством прямой и обратной связи с окружающей воздушной средой, например, состоящим из датчика температуры воздуха с дистанционным выносом его за пределы предлагаемого устройства (электровоздухонагревателя), для автоматического включения или выключения источника питания (на фиг. 2-3 не показаны). The proposed device (electric air heater) can be additionally equipped with a direct and feedback device with the surrounding air environment, for example, consisting of an air temperature sensor with remote removal of it outside the proposed device (electric air heater) to automatically turn the power source on or off (in Fig. 2 -3 not shown).
Предлагаемое устройство (электровоздухонагреватель) может быть дополнен опорой 13, расположенной в нижней части перед устройством принудительной циркуляции воздуха 7 и снабженной щелями 14 для всасывания воздуха из обогреваемого помещения. The proposed device (electric air heater) can be supplemented with a support 13 located in the lower part in front of the forced air circulation device 7 and provided with slots 14 for sucking air from the heated room.
При включении вентилятора 7, с помощью которого происходит забор холодного воздуха из обогреваемого помещения через камеру 2, где установлено нагревательное устройство 4, происходит отдача тепла этой порции холодному воздуху. Далее нагретый воздух перемещается по камере 3 до выхода горячего воздуха через выходные отверстия 5 до выхода в обогреваемое помещение. Электровоздухонагреватель может работать периодически в зависимости от температуры воздуха в помещении (с помощью устройства прямой и обратной связи автоматически включаться или выключаться). When the fan 7 is turned on, with the help of which cold air is taken from the heated room through the chamber 2, where the
Сравнение предлагаемого способа на основе газомолекулярного преобразователя и способа по прототипу на основе твердожидкостного преобразователя показывает, что производительность первого выше за счет увеличения развития площади теплосъемной поверхности, объема и степени разреженности теплоаккумулирующего газообразного вещества, осуществляющего теплообмен при условии Q = Eвн., A = 0, где вся внутренняя энергия по предлагаемому способу переходит в тепло, в то время, как по прототипу часть внутренней энергии тратится на фазовые переходы и другие виды внутренних работ, жидкий парафин ограничивает температуру на поверхности теплосъема в пределах 100 - 150oC , что снижает выход количества теплоносителя с оптимальной требуемой заданной температурой по сравнению с предлагаемым способом, где температура на поверхности теплосъема достигает 200 - 300oC.A comparison of the proposed method based on a gas-molecular transducer and the prototype method based on a solid-liquid transducer shows that the performance of the first is higher due to an increase in the development of the heat-removable surface area, volume and degree of rarefaction of the heat-accumulating gaseous substance carrying out heat exchange under the condition Q = E ext. , A = 0, where all the internal energy according to the proposed method goes into heat, while according to the prototype part of the internal energy is spent on phase transitions and other types of internal work, liquid paraffin limits the temperature on the surface of the heat removal within 100 - 150 o C , which reduces the output of the amount of coolant with the optimal desired set temperature in comparison with the proposed method, where the temperature on the surface of the heat sink reaches 200 - 300 o C.
При одинаковой производительности вентилятора, 280 м3/ ч, по обоим сравниваемым способам температура выхода теплоносителя изменяется от 70 до 150oC для способа с использованием газомолекулярного преобразователя, а для прототипа с использованием твердожидкостного преобразователя только в пределах от 50 до 70oC
Основные преимущества предлагаемого способа перед прототипом и другими известными аналогами следующие:
низкое потребление электроэнергии;
высокий КПД;
большой теплосъем в единицу времени за счет увеличения коэффициента передачи тепла (развития площади теплосъема, рабочей температуры нагрева и теплосъема);
низкое значение удельной мощности;
регулируемая удельная тепловая энергия;
более высокая экологичность и безопасность за счет использования вместо парафина атмосферного воздуха или, лучше всего, химически неактивных газов, а также за счет создания температуры на поверхности нихрома ниже его свечения.With the same fan capacity, 280 m 3 / h, in both compared methods the temperature of the coolant outlet varies from 70 to 150 o C for the method using a gas-molecular converter, and for the prototype using a solid-liquid converter only in the range from 50 to 70 o C
The main advantages of the proposed method over the prototype and other known analogues are as follows:
low power consumption;
high efficiency;
large heat removal per unit time due to an increase in the heat transfer coefficient (development of the heat removal area, working temperature of heating and heat removal);
low specific power;
adjustable specific thermal energy;
higher environmental friendliness and safety due to the use of atmospheric air instead of paraffin or, best of all, chemically inactive gases, and also due to the creation of a temperature on the surface of nichrome below its glow.
Сравнение предлагаемого устройства с прототипом и другими аналогичными техническими решениями показывает, что его совокупность существенных признаков позволяет достичь следующие технические результаты:
1. Регулировать выход количества тепла в единицу времени за счет конструктивного и функционального изменения площади поверхности нагревательного устройства при постоянной температуре теплоносителя и тем самым отапливать не только малые, но и большие помещения и пространства.Comparison of the proposed device with the prototype and other similar technical solutions shows that its combination of essential features allows to achieve the following technical results:
1. To regulate the output of the amount of heat per unit time due to the constructive and functional change in the surface area of the heating device at a constant temperature of the coolant and thereby heat not only small, but also large rooms and spaces.
2. Увеличить срок службы устройства, так как не происходит нагрева электронагревательного элемента до его свечения. 2. To increase the service life of the device, since there is no heating of the electric heating element until it glows.
3. Обеспечить возможность переноса автономного от центрального отопления такого электровоздухонагревателя как источника тепла в любое обогреваемое помещение. 3. To provide the possibility of transferring such an electric air heater as a heat source, autonomous from central heating, to any heated room.
4. Обеспечить возможность регулирования температуры теплоносителя в пределах 70-150 oC.4. To provide the ability to control the temperature of the coolant in the range of 70-150 o C.
5. Повысить эксплуатационную готовность, удобство монтажа, обслуживания и транспортировки таких электровоздухонагревателей. 5. Improve the availability, ease of installation, maintenance and transportation of such electric air heaters.
6. Создать экологически чистый источник тепловой энергии с высоким КПД. 6. Create an environmentally friendly source of thermal energy with high efficiency.
7. Повысить мощность теплопередачи и снизить материалоемкость за счет интенсификации теплообмена с окружающей средой. 7. Increase heat transfer capacity and reduce material consumption due to the intensification of heat transfer with the environment.
Claims (15)
Q = Eвн, A = O,
где Eвн - внутренняя энергия газообразного вещества;
A - работа по переносу тепла,
а обогрев осуществляют при равенстве рабочих температур поверхности нагревательного элемента и теплосъемной поверхности нагревательного устройства.1. A method of generating thermal energy from electrical energy, comprising placing a heating element in the environment of a heat-accumulating substance, isolated together with the heating element in its volume from the surrounding space with a heat-removing surface to form a heating device, placing the received one or more heating devices in an environment of a heated space, supplying heating element of electric energy, washing the heat-removing surface of the device with air from characterized in that as a heat storage substance, solid (inside) the surface of the heating element and gaseous outside the surface of the heating element (air) substance are used, an increase in the total working heat removal of the heating device as a whole is achieved due to the interconnected increase (development) of the initial surface area of the heat removal of the heating element, the volume of the gaseous heat-accumulating substance around it, the area of the heat-removing surface of the heating unit devices, by creating a gap (distance) between these working surfaces due to the intensity of washing the heat-removing surface of the heating device with air from the room, as well as by adjusting the parameters of the electric current on the heating element, the optimal heating of the heating element for a given heating is found in the range above ambient temperature, but below the temperature of the heating element, selected taking into account the possibility of a functional failure of the electrical wiring of the heated spaces, thereby obtained and used for heating a heating device in the form of a gas-molecular heat converter with small values of specific power and large values of the heat transfer coefficient, using it to convert electric energy into heat, provided
Q = E int , A = O,
where E VN is the internal energy of a gaseous substance;
A - heat transfer work,
and heating is carried out with equal working temperatures of the surface of the heating element and the heat-removable surface of the heating device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98118866A RU2151346C1 (en) | 1998-10-16 | 1998-10-16 | Method and device for producing heat from electrical energy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98118866A RU2151346C1 (en) | 1998-10-16 | 1998-10-16 | Method and device for producing heat from electrical energy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2151346C1 true RU2151346C1 (en) | 2000-06-20 |
Family
ID=20211368
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98118866A RU2151346C1 (en) | 1998-10-16 | 1998-10-16 | Method and device for producing heat from electrical energy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2151346C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2455579C2 (en) * | 2010-09-21 | 2012-07-10 | Рифат Хатыпович Хайруллин | Method for obtaining heat energy from electrical energy, and cooter-petrov device for its implementation |
| WO2013019094A1 (en) * | 2011-08-03 | 2013-02-07 | Kimolaev Tleubek Sarsembaevich | Method for producing heat energy from electric energy and device for carrying out said method |
| RU206284U1 (en) * | 2021-04-18 | 2021-09-03 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭНЕРГОРЕСУРС-Т" (ООО "ЭНЕРГОРЕСУРС-Т") | HEAT ACCUMULATOR |
-
1998
- 1998-10-16 RU RU98118866A patent/RU2151346C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 4. Лепаев Д.А. Справочник слесаря по ремонту бытовых электроприборов и машин. - М.: Легпромбытиздат, 1988, с. 51 - 52. 5. Китаев Е.В., Гревцев Н.Ф. Курс общей электротехники. - М.: Советская наука, 1945, с. 26 - 27. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2455579C2 (en) * | 2010-09-21 | 2012-07-10 | Рифат Хатыпович Хайруллин | Method for obtaining heat energy from electrical energy, and cooter-petrov device for its implementation |
| WO2013019094A1 (en) * | 2011-08-03 | 2013-02-07 | Kimolaev Tleubek Sarsembaevich | Method for producing heat energy from electric energy and device for carrying out said method |
| RU206284U1 (en) * | 2021-04-18 | 2021-09-03 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭНЕРГОРЕСУРС-Т" (ООО "ЭНЕРГОРЕСУРС-Т") | HEAT ACCUMULATOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU567032B2 (en) | Heat exchanger | |
| RU101163U1 (en) | THERMOELECTRIC GENERATOR | |
| CN205843051U (en) | 900 volts of electricity store heat energy apparatus | |
| TW522211B (en) | Continuous flow type heating apparatus | |
| CN106766237A (en) | All-weather light thermal photovoltaic integration automatically controls water-both with hot pipe | |
| RU2151346C1 (en) | Method and device for producing heat from electrical energy | |
| KR20150028468A (en) | Instantaneous heating apparatus for electricity | |
| JP6150305B2 (en) | System and method for thermoelectric power generation | |
| CN107769617A (en) | Thermo-electric generation system and gas-cooker | |
| CN101581499A (en) | Electric heating tube thermal storage electric heater for automatically controlling heat producing and radiating time | |
| CN113242623B (en) | Pipeline type fluid temperature rising device for metal electromagnetic induction heating-phase change heat storage | |
| RU2455579C2 (en) | Method for obtaining heat energy from electrical energy, and cooter-petrov device for its implementation | |
| CN210740689U (en) | Directly-heated electromagnetic energy heating water heater | |
| RU2201556C2 (en) | Method and device for producing heat from electrical energy | |
| RU2537661C1 (en) | Periodic acting thermal energy storage | |
| CN111219882A (en) | Solid heat storage device | |
| RU2170394C2 (en) | Electric heater | |
| RU35495U1 (en) | Electric gas heater | |
| KR100343874B1 (en) | Boiler | |
| CN101303168A (en) | Vertical powder thermal storage type hot pipe electric heater | |
| CN214536412U (en) | Indoor heating system based on capillary wall | |
| CN210669227U (en) | Box-type substation convenient to heat dissipation | |
| RU2027116C1 (en) | Heating appliance | |
| WO2013019094A1 (en) | Method for producing heat energy from electric energy and device for carrying out said method | |
| CN207751175U (en) | Direct fired-air heating system |