RU2183053C2

RU2183053C2 - Electric continuous-flow liquid heater

Info

Publication number: RU2183053C2
Application number: RU2000111267/09A
Authority: RU
Inventors: И.П. Куликов; ев В.Ф. Чел; В.Ф. Челяев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2000-05-06
Filing date: 2000-05-06
Publication date: 2002-05-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; electrical appliances. SUBSTANCE: electric heater is designed for local hot-water supply, apartment heating, liquid heating in environmentally clean research systems for science and technology, in biology and oceanology, especially where high speed and low noise are required at a time. Its housing accommodates heating element with current supplies as well as coaxially and symmetrically arranged liquid flow diffuser, hollow conical shell with base rings of larger and smaller diameters provided with lugs and flow swirling members, and tensioning mechanism that functions to lock smalldiameter base ring in position. Larger-diameter base ring is fixed in position on shell; heating element is made of current-conducting strip in the form of conical spiral contracting along liquid flow that has rectilinear sections each aligned with cone generating line on face side of strip and with symmetry plane of cone on its planar side. Spiral is placed on lugs of both base rings. Smaller-diameter base ring is joined with shell by means of strip and tensioning mechanism. Ratio of larger-diameter base ring to liquid feed nozzle diameter is 1.6-1.1 and strip width-to-length ratio is 25-40. Flow swirling members may be made, for instance, in the form of rings; they are secured on heating element shell. Lock holding smallerdiameter base ring in position relative to axis is arranged to function jointly with tensioning mechanism. EFFECT: enhanced speed of liquid heating. 2 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к области электроэнергетики, к конструкциям электрических приборов для местного горячего водоснабжения, отопления помещения, нагрева жидких сред в экологически чистых исследовательских системах науки и производства, в биологии и океанологии, в особенности когда одновременно требуются их быстродействие и бесшумность. The invention relates to the field of electric power industry, to the designs of electrical appliances for local hot water supply, space heating, heating of liquid media in environmentally friendly research systems of science and production, in biology and oceanology, in particular when their speed and noiselessness are simultaneously required.

Известен электронагреватель, содержащий корпус с подводящим и отводящим патрубками и размещенный в нем нагревательный элемент в виде спирали Архимеда из тонкой гофрированной по двум координатным осям электропроводящей ленты с токоподводами [1]. Known electric heater containing a housing with inlet and outlet pipes and a heating element placed in it in the form of an Archimedes spiral made of thin corrugated electrically conductive tape with current leads along two coordinate axes [1].

Недостатком такого типа электронагревателя является значительное гидравлическое сопротивление потоку нагреваемой жидкости фильтрующих элементов из сетки, решеток со сквозными отверстиями на входе и выходе нагревателя и расположенных в шахматном порядке на ленте нагревателя гофров. The disadvantage of this type of electric heater is the significant hydraulic resistance to the flow of the heated fluid of the filtering elements from the grid, gratings with through holes at the inlet and outlet of the heater and staggered on the ribbon of the corrugation heater.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является проточный электронагреватель жидкости, содержащий корпус, патрубки подвода и отвода жидкости, компактный электронагреватель и расположенные по спирали трубчатые элементы подвода и отвода нагреваемой электронагревателем в общем корпусе жидкости [2]. Closest to the technical nature of the proposed device is a flowing electric fluid heater, comprising a housing, nozzles for supplying and discharging liquid, a compact electric heater and spirally arranged tubular elements for supplying and discharging a heated electric heater in a common liquid casing [2].

Выбор проходного сечения трубчатых элементов позволяет влиять на уровень гидравлического сопротивления нагревателя, а изменение мощности нагревательного элемента - на быстродействие устройства. The choice of the bore of the tubular elements allows you to influence the level of hydraulic resistance of the heater, and a change in the power of the heating element - on the speed of the device.

Однако изменение проходного сечения трубчатых элементов не устраняет основной источник гидравлических потерь - двукратное изменение направления потока нагреваемой жидкости на противоположное, что явно отрицательно сказывается на его быстродействии из-за большого гидравлического сопротивления, являющегося к тому же источником шума. Другим существенным недостатком прототипа является концентрация компактным источником всей тепловой энергии в относительно небольшом пространстве, ограниченном конструкцией непосредственно электронагревательного элемента, что при относительно низкой для подавляющего числа жидкостей теплопроводности ограничивает его эффективность и, как следствие, быстродействие, а также снижает надежность устройства из-за возможного перегрева. Третий недостаток, чисто методологический, связан с последовательностью прохождения потока нагреваемой жидкости: наиболее нагретая жидкость в верхней части нагревателя отбирается спиральным трубчатым элементом отвода и транспортируется вниз через среду с уменьшающейся температурой и в непосредственном соседстве со спиральным трубчатым элементом подвода холодной жидкости, т. е. снова потери в эффективности и быстродействии. However, changing the bore of the tubular elements does not eliminate the main source of hydraulic losses - a twofold change in the direction of flow of the heated fluid to the opposite, which obviously negatively affects its speed due to the large hydraulic resistance, which is also a noise source. Another significant disadvantage of the prototype is the concentration of a compact source of all thermal energy in a relatively small space limited by the design of the electric heating element itself, which, when the thermal conductivity is relatively low for the vast majority of liquids, limits its efficiency and, as a result, speed, and also reduces the reliability of the device due to the possible overheating. The third drawback, purely methodological, is associated with the sequence of passage of the heated fluid flow: the most heated fluid in the upper part of the heater is taken away by a spiral tubular outlet element and transported downward through a medium with decreasing temperature and in close proximity to a spiral tubular element for supplying cold liquid, i.e. again losses in efficiency and speed.

Таким образом, целью нового технического решения является создание такой конструкции проточного электронагревателя жидкости, которая обеспечила бы максимальное быстродействие нагрева потока жидкости с одновременным обеспечением минимума шумов от работы устройства. Thus, the goal of the new technical solution is to create such a design of a flowing fluid electric heater, which would ensure maximum speed of heating the fluid flow while ensuring a minimum of noise from the operation of the device.

Цель достигается тем, что в проточный электронагреватель жидкости, содержащий герметичный корпус с патрубками подвода и отвода жидкости, установленный в корпусе, по крайней мере, один нагревательный элемент с токопроводящей лентой и токоподводами, введены установленные соосно и симметрично расширитель потока жидкости, конический пустотелый каркас с кольцами-основаниями большего и меньшего диаметров с выступами и элементами турбулизации потока жидкости, натяжной механизм с элементами фиксации положения кольца-основания меньшего диаметра. Кольцо-основание большего диаметра закреплено неподвижно на каркасе, а нагревательный элемент выполнен из ленты в виде конической спирали, сужающейся по ходу потока жидкости, с прямолинейными участками, каждый из которых торцевой стороной ленты совпадает с образующей конического пустотелого каркаса, а плоской стороной ленты - с плоскостью его симметрии, при этом лента уложена на выступы большего и меньшего колец-оснований каркаса, при этом кольцо-основание меньшего диаметра соединено с каркасом с помощью ленты и натяжного механизма. The goal is achieved in that in a flowing fluid electric heater containing a sealed housing with fluid inlet and outlet pipes installed in the housing, at least one heating element with conductive tape and current leads, coaxially and symmetrically installed fluid flow expander, a conical hollow frame with ring-bases of larger and smaller diameters with protrusions and elements of turbulization of the fluid flow, a tension mechanism with elements for fixing the position of the ring-base of a smaller diameter Etra. The base ring of a larger diameter is fixed motionless on the frame, and the heating element is made of tape in the form of a conical spiral, tapering along the fluid flow, with straight sections, each of which with the end side of the tape coincides with the generatrix of the conical hollow frame, and with the flat side of the tape with plane of its symmetry, while the tape is laid on the protrusions of the larger and smaller rings-base of the frame, while the ring-base of a smaller diameter is connected to the frame using the tape and the tensioning mechanism.

Отношение диаметра большего кольца-основания к диаметру патрубка подвода жидкости выбрано 1,6...2,2, а отношение ширины ленты к ее толщине 25...40. The ratio of the diameter of the larger base ring to the diameter of the fluid supply pipe was chosen 1.6 ... 2.2, and the ratio of the width of the tape to its thickness 25 ... 40.

Введенные элементы турбулизации потока выполнены, например, в виде колец, закрепленных по образующим конуса каркаса нагревательного элемента. The introduced flow turbulization elements are made, for example, in the form of rings fixed along the generatrices of the cone of the frame of the heating element.

Техническим результатом решения поставленной задачи является достижение максимального быстродействия нагрева потока жидкости с одновременным обеспечением минимума шумов от работы устройства, что достигается введением новых элементов и их новым выполнением, позволяющих минимизировать углы поворота векторов скорости потока нагреваемой жидкости, увеличить активную поверхность нагревательного элемента и равномерно разместить все его части непосредственно в потоке нагреваемой жидкости, разделить поток нагреваемой жидкости при его прохождении сквозь систему прямолинейных участков конической спирали нагревательного элемента на параллельные потоки малой толщины, достаточной для требуемого прогрева за время прохождения зоны нагрева. Эффективность нагрева повышается введением малой турбулизации этих потоков. The technical result of the solution of this problem is to achieve maximum speed of heating the fluid flow while ensuring a minimum of noise from the operation of the device, which is achieved by introducing new elements and their new implementation, to minimize the rotation angles of the velocity vectors of the flow of the heated fluid, increase the active surface of the heating element and evenly place all its parts directly in the flow of the heated fluid, to separate the flow of the heated fluid at its passing through the system of straight sections of the conical spiral of the heating element to parallel flows of small thickness, sufficient for the required heating during the passage of the heating zone. The heating efficiency is enhanced by the introduction of small turbulization of these flows.

Суть предлагаемого решения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 - 5:
на фиг. 1 приведен общий вид проточного электронагревателя жидкости с тремя нагревательными элементами,
на фиг.2 показан нагревательный элемент с поясняющими выносками и видом на нагревательный элемент из ленты в виде конической спирали,
на фиг.3 представлен вариант натяжного механизма,
на фиг.4 показан вариант натяжного механизма с элементами фиксации положения кольца-основания меньшего диаметра относительно оси,
на фиг. 5 представлены сечения потока нагреваемой жидкости в различных зонах проточного нагревателя:
а) в патрубке подвода,
б) в зоне расширителя потока,
в) в зоне нагревательного элемента,
г) в патрубке отвода.The essence of the proposed solution is illustrated by the drawings shown in FIG. fifteen:
in FIG. 1 shows a General view of a flowing fluid electric heater with three heating elements,
figure 2 shows a heating element with explanatory callouts and a view of the heating element from a tape in the form of a conical spiral,
figure 3 presents a variant of the tensioning mechanism,
figure 4 shows a variant of the tensioning mechanism with elements for fixing the position of the base ring of a smaller diameter relative to the axis,
in FIG. 5 shows the cross section of the flow of the heated fluid in various zones of the flow heater:
a) in the supply pipe,
b) in the area of the flow expander,
c) in the area of the heating element,
d) in the branch pipe.

Предлагаемый проточный электронагреватель содержит: корпус 1, патрубок подвода жидкости 2, патрубок отвода жидкости 3, нагревательный элемент 4, токопроводящую ленту 5, токоподвод 6, расширитель потока жидкости 7, конический пустотелый каркас 8, кольцо-основание большего диаметра 9, выступы кольца-основания большего диаметра 10, кольцо-основание меньшего диаметра 11, выступы кольца-основания меньшего диаметра 12, элемент турбулизации 13, натяжной механизм 14, крышку корпуса 15, провода питания 16, электросоединитель 17, сетки защитные 18, винт натяжного механизма 19, венец винта натяжного механизма 20, седло кольца-основания меньшего диаметра 21, фиксатор 22, фиксатор 23. The proposed instantaneous electric heater contains: a housing 1, a fluid supply pipe 2, a fluid discharge pipe 3, a heating element 4, a conductive strip 5, a current supply 6, a fluid flow expander 7, a conical hollow frame 8, a larger diameter base ring 9, base ring protrusions a larger diameter 10, a base ring of a smaller diameter 11, protrusions of a base ring of a smaller diameter 12, a turbulization element 13, a tensioning mechanism 14, a housing cover 15, power wires 16, an electrical connector 17, protective nets 18, a tension screw about the mechanism 19, the crown of the screw of the tensioning mechanism 20, the saddle of the base ring of a smaller diameter 21, the retainer 22, the retainer 23.

Сборка нагревательного элемента 4 производится путем размещения непосредственно нагревательного элемента, выполненного из токопроводящей ленты в виде конической спирали 5, на выступах 10 кольца-основания большего диаметра 9, закрепленного неподвижно на коническом пустотелом каркасе 8, и выступах 12 кольца-основания меньшего диаметра 11, опирающегося своим седлом 21 на венец 20 винта натяжного механизма 19, закрепленного неподвижно на коническом пустотелом каркасе 8. Выворачиванием винта натяжного механизма 19 достигается натяжение прямолинейных участков нагревательного элемента 5, обеспечивающее требуемую частоту их вынужденных колебаний при обтекании их нагреваемой жидкостью с заданной скоростью. Концы нагревательного элемента 5 токовыводами 6 и проводами питания 16 соединены с электросоединителем 17, обеспечивающим подачу электропитания. The assembly of the heating element 4 is carried out by placing directly the heating element made of a conductive tape in the form of a conical spiral 5, on the protrusions 10 of the base ring of a larger diameter 9, fixed motionless on the conical hollow frame 8, and the protrusions 12 of the base ring of a smaller diameter 11, supported with its saddle 21 on the crown 20 of the screw of the tension mechanism 19, fixed motionless on the conical hollow frame 8. By unscrewing the screw of the tension mechanism 19, the straightener is tensioned GOVERNMENTAL heating element portions 5 that provides the desired frequency of forced oscillations in the flow of the heated fluid at a predetermined rate. The ends of the heating element 5 by current leads 6 and power wires 16 are connected to an electrical disconnector 17, providing power supply.

Устройство работает следующим образом: нагреваемая жидкость, поступая в патрубок подвода 2 сплошным потоком с поперечным сечением в виде, например, круга (фиг.5 а), расширителем потока 7 трансформируется в кольцеобразный поток (фиг. 5 б), который затем в зоне нагревательного элемента 4 разделяется его прямолинейными участками 5 на множество потоков (фиг.5 в), тем самым обеспечивается их равномерный и эффективный прогрев, и в патрубке отвода 3 все потоки объединяются в один общий сплошной поток (фиг.5 г). Чем больше степень деления потока и чем продолжительнее его контакт с поверхностью ленты нагревательного элемента 5, тем выше эффективность электронагревателя. Но и длина и ширина ленты электронагревателя 5 имеют естественные ограничения, поэтому в предлагаемом устройстве оговорены ограничения отношения ширины ленты нагревательного элемента к ее толщине 25...40. Нижний предел ограничен недопустимым ростом гидравлического сопротивления прямолинейных участков ленты 5, особенно в зоне кольца-основания меньшего диаметра 11 (по проливкам коэффициент гидравлического сопротивления увеличивается в ~ 1,5 раза), вызывающим снижение быстродействия, а верхний - опасностью возникновения автоколебаний прямолинейных участков ленты под воздействием напора потока нагреваемой жидкости, сопровождающихся шумами, достигающими 60 дБ, что также выявлено испытаниями. Ограничено и соотношение диаметров большего кольца-основания 9 и входного патрубка 1,6...2,2, нижний предел которого определяется порогом допустимых гидравлических потерь в нагревательном элементе 4, связанным с уменьшением значений конусности спирали ленты нагревательного элемента 5, а верхний - возрастающей разницей в температуре нагрева зон разделенного потока жидкости вблизи кольца-основания меньшего диаметра и вблизи кольца-основания большего из-за возрастающего влияния увеличения зазоров между рабочими участками нагревательного элемента 5, что снижает эффективность нагрева жидкости в зоне большего кольца-основания. The device operates as follows: the heated fluid entering the inlet pipe 2 in a continuous flow with a cross section in the form, for example, of a circle (Fig. 5 a), the flow expander 7 is transformed into an annular flow (Fig. 5 b), which is then in the heating zone element 4 is divided by its straight sections 5 into many flows (Fig. 5 c), thereby ensuring their uniform and efficient heating, and in the branch pipe 3 all flows are combined into one common continuous flow (Fig. 5 g). The greater the degree of division of the flow and the longer its contact with the surface of the tape of the heating element 5, the higher the efficiency of the electric heater. But the length and width of the tape of the electric heater 5 have natural limitations, therefore, the proposed device stipulates restrictions on the ratio of the width of the tape of the heating element to its thickness 25 ... 40. The lower limit is limited by the unacceptable increase in the hydraulic resistance of the straight sections of the tape 5, especially in the zone of the base ring of a smaller diameter 11 (along the spills, the hydraulic resistance coefficient increases by ~ 1.5 times), causing a decrease in speed, and the upper - by the risk of self-oscillations of the straight sections of the tape under the pressure of the heated fluid flow, accompanied by noise reaching 60 dB, which is also revealed by tests. The ratio of the diameters of the larger base ring 9 and the inlet pipe 1.6 ... 2.2 is also limited, the lower limit of which is determined by the threshold of permissible hydraulic losses in the heating element 4, associated with a decrease in the taper values of the spiral tape of the heating element 5, and the upper one - increasing the difference in the heating temperature of the zones of the separated fluid flow near the base ring of a smaller diameter and near the base ring of a larger one due to the increasing effect of an increase in the gaps between the working sections of the heating element 5, which reduces the heating efficiency of the liquid in the area of the larger base ring.

Эффективность нагрева увеличивается дополнительными возмущениями за счет введения конструктивных элементов, повышающих быстродействие устройства за счет введения дополнительных динамических воздействий на поток нагреваемой жидкости. Во-первых, введен ряд колец 13, закрепленных на образующих конического пустотелого каркаса 8 непосредственно перед входом кольцеобразного потока жидкости в зону его разделения прямолинейными участками ленты нагревательного элемента 5, вызывающих местные возмущения в разделенных потоках с векторами скорости, расположенными в основном в плоскостях, параллельных направляющим стенкам, т.е. прямолинейным участкам нагревательного элемента 5. Эти возмущения приводят к перемешиванию слоев потоков жидкости с различной степенью прогрева, тем самым увеличивается теплосъем с поверхности нагревательного элемента 5. Во-вторых, введены фиксаторы 22 и 23 положения кольца-основания меньшего диаметра 11 относительно оси, совмещенные с натяжным механизмом 14, обеспечивающие возможность трансформации прямолинейных участков нагревательного элемента 5 в спирали Мебиуса, которые закручивают разделенные потоки нагреваемой жидкости относительно оси проточного электронагревателя жидкости 4. Это вызывает дополнительное перемешивание слоев потоков жидкости с различной степенью прогрева в основном в плоскостях, перпендикулярных направляющим стенкам, т.е. участкам нагревательного элемента 5, тем самым дополнительно увеличивается теплосъем с поверхности нагревательного элемента. В-третьих, обеспечена возможность ступенчатого нагрева потока жидкости последовательно размещенными нагревательными элементами 4 в едином корпусе 1 без гидродинамических потерь на преобразование потоков нагреваемой жидкости на входе и выходе последовательно установленных проточных электронагревателей жидкости и неизбежных потерь в отдельных корпусах и дополнительных соединительных трубопроводах. The heating efficiency is increased by additional disturbances due to the introduction of structural elements that increase the speed of the device due to the introduction of additional dynamic effects on the flow of the heated fluid. Firstly, a number of rings 13 are introduced, mounted on the generators of the conical hollow frame 8 immediately before the entrance of the annular fluid flow into the separation zone by the straight sections of the tape of the heating element 5, causing local disturbances in the separated flows with velocity vectors located mainly in planes parallel to guide walls, i.e. rectilinear sections of the heating element 5. These perturbations lead to mixing of the layers of fluid flows with varying degrees of heating, thereby increasing the heat removal from the surface of the heating element 5. Secondly, latches 22 and 23 of the position of the base ring of a smaller diameter 11 relative to the axis are introduced, combined with tensioning mechanism 14, providing the possibility of transformation of the straight sections of the heating element 5 in the Moebius spiral, which twist the separated flows of the heated fluid include no electric heater fluid flow axis 4. This causes additional mixing fluid streams layers with varying degrees of heating in essentially in planes perpendicular to the guide walls, i.e. sections of the heating element 5, thereby further increasing the heat removal from the surface of the heating element. Thirdly, the possibility of stepwise heating of the fluid flow by successively placed heating elements 4 in a single housing 1 without hydrodynamic losses due to the conversion of heated fluid flows at the inlet and outlet of flow-through fluid electric heaters and inevitable losses in separate casings and additional connecting pipelines is provided.

Таким образом, предложенное решение проточного электронагревателя жидкости позволило выполнить поставленную задачу, т.е. обеспечить максимальное быстродействие нагрева потока жидкости при минимальном уровне шума устройства. Thus, the proposed solution of a flowing fluid electric heater made it possible to fulfill the task, i.e. provide maximum performance heating fluid flow with a minimum noise level of the device.

Список использованных источников
1. Патент RU 2030125, кл. Н 05 В 3/26, 1991 г.List of sources used
1. Patent RU 2030125, cl. H 05 B 3/26, 1991

2. Патент RU 2011318, кл. Н 05 В 3/40, 1991 г. 2. Patent RU 2011318, cl. H 05 B 3/40, 1991

Claims

1. Flowing electric fluid heater, comprising a sealed housing with fluid inlet and outlet pipes, installed in the housing at least one heating element with a power supply tape and current leads, characterized in that it is installed coaxially and symmetrically expanded fluid flow extender, a conical hollow frame with ring-bases of larger and smaller diameters with protrusions and elements of turbulization of the fluid flow, a tension mechanism with elements for fixing the position of the ring-base of a smaller di ameter, while the base ring of a larger diameter is fixed motionless on the frame, and the heating element is made of a tape in the form of a conical spiral, tapering along the fluid flow, with straight sections, each of which the end side of the tape coincides with the generatrix of the conical hollow frame, and flat the side of the tape - with the plane of its symmetry, while the tape is laid on the protrusions of the larger and smaller rings-base of the frame, while the ring-base of a smaller diameter is connected to the frame using the tape and tension th mechanism, and the ratio of the diameter of the larger base ring to the diameter of the fluid supply pipe is selected 1.6. . . 2.2, and the ratio of the width of the tape to its thickness 25.. . 40.

2. A flowing electric fluid heater according to claim 1, characterized in that the elements of the turbulization of the flow are made in the form of rings fixed along the generatrix of the cone of the frame.