- патент 2030125 RU Электроводонагреватель проточный
- патент 2037274 RU Электроводонагреватель
- патент 1831974 SU Электрорадиатор
.
Известны электроводонагреватели, содержащие герметичный корпус с патрубками для подвода и отвода воды, внутри которого размещены изолированные от корпуса электроды, нагрев воды в которых производится за счет протекания тока через воду (Электроводонагреватель мощностью 50 кВт, разработанный “Гидроэнергопроектом”, г. Москва).
Недостатками таких электроводонагревателей являются большие инерционность (время нагрева воды в емкости 10-15 мин), масса, габариты и зависимость мощности электроводонагревателя от электропроводности воды, которая может изменяться на 1-2 порядка (электрическое сопротивление речной воды ρ = 10-100 Ом˙м, дисциллированной 103-104Ом˙м).
Известны также электронагреватели проточные, содержащие изоляционный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах, выполненный в виде комбинации последовательно связанных между собой кольцевыми перемычками сферических оболочек, на наружную поверхность которого нанесена электропроводящая пленка (авт. св. N 573913, кл. Н 05 В 3/26, 1972).
Недостатками таких электроводонагревателей являются низкая электробезопасность, обусловленная размещением пленочного нагревательного элемента на наружной поверхности корпуса, большие габариты и малое быстродействие, обусловленное большим объемом герметичной полости корпуса при мощности проточного электроводонагревателя 18-21 кВт (Электротехнический справочник/ Под ред. В.Г. Герасимова и др., М.: Энергоатомиздат, 1988, т. 3, с. 556). Кроме того, при малом потоке воды и большой мощности возможны перегрев электроводонагревателя и выход его из строя, что снижает его надежность.
Целью изобретения являются уменьшение габаритов и повышение электробезопасности, надежности и быстродействия электроводонагревателя.
Для этого в известном электроводонагревателе, содержащем изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах и нагревательный элемент , последний выполнен в виде спирали Архимеда из тонкой гофрированной по двум координатным осям электропроводящей ленты с электроизоляционным покрытием, размещен внутри корпуса по всей его длине, причем в корпусе перед одним из патрубков установлен электрический датчик напора воды, выход которого соединен с быстродействующим устройством включения питания электроводонагревателя.
Новизна и изобретательский уровень предлагаемого электроводонагревателя определяются следующими существенными отличительными признаками: выполнением нагревательного элемента в виде спирали Архимеда из тонкой гофрированной по двум координатным осям с образованием пуклевок электропроводящей ленты, покрытой с двух сторон эластичным теплостойким электроизоляционным покрытием, размещением его внутри корпуса по всей его длине с образованием проточных каналов большого сечения с турбулизаторами потока воды, образуемых гофрами смежных слоев спирали Архимеда, что позволяет за счет большой поверхности теплопередачи нагревательного элемента и интенсификации теплообмена турбулизаторами резко уменьшить габариты и объем герметичной полости корпуса электроводонагревателя, заполненной водой, повысить быстродействие за счет уменьшения времени нагрева воды в корпусе в 10-12 раз, повысить электробезопасность за счет защиты корпусом нагревательного элемента от внешних механических воздействий, практически устранить электрохимические процессы в проточной воде за счет большого межвиткового электрического сопротивления, обусловленного изоляционным покрытием нагревательного элемента.
Благодаря установке в корпусе перед одним из патрубков электрического датчика напора воды, выход которого соединен с быстродействующим электрическим устройством включения питания электроводонагревателя (магнитным пускателем), при напоре (расходе) воды ниже некоторого предела питание электроводонагревателя автоматически отключается, что увеличивает надежность и ресурс электроводонагревателя, а малые габариты электроводонагревателя позволяют встраивать его в существующие системы водоснабжения без существенных доработок.
На фиг. 1 изображена конструкция электроводонагревателя, в разрезе; на фиг. 2 – участок ленточного гофрированного нагревательного элемента в изометрии.
Электроводонагреватель содержит корпус 1 с подводящим патрубком 2, крышку 3 с отводящим патрубком 4, выполненные из изоляционного материала, нагревательный элемент 5, размещенный внутри корпуса 1 по всей его длине, выполненный в виде спирали Архимеда из тонкой гофрированной по двум координатным осям с образованием пуклевок 6 электропроводящей ленты с двухсторонним электроизоляционным покрытием, например из ленты из нержавеющей теплостойкой стали типа IХ18Н9Т толщиной 0,01-0,05 мм, допускающей глубокую вытяжку гофров, покрытой с двух сторон эластичным электроизоляционным покрытием – суспензией фторопласта – 4МД толщиной 10-15 мкм с рабочей температурой +200оС и электрическим сопротивлением ρ = 1012 – 1013 Ом˙м. Между витками спирального нагревательного элемента 5 размещена изолирующая прокладка 7, например, из сетки (ткани) из стекловолокна с высокой теплостойкостью и малым гидравлическим сопротивлением для потока воды.
Гофры в виде пуклевок 6 смежных слоев электропроводящей ленты нагревательного элемента 5, расположенные в шахматном порядке, образуют между витками спирали проточные каналы большого сечения с малым гидравлическим сопротивлением с турбулизаторами потока воды, интенсифицирующими процесс теплообмена между нагревательным элементом 5 и проточной водой.
Внутри корпуса 1 со стороны входного патрубка 2 с конфузором 8 установлен электрический датчик напора воды, выполненный в виде тензобалки 9 с размещенными на ней с двух сторон пленочными тензорезисторами 10 типа КФ-4 или КФ-5 с диапазоном рабочих температур от -60 до +200оС, соединенными по мостовой схеме, выходной сигнал с которого подается в электрическое быстродействующее устройство включения питания электроводонагревателя (не показано).
Внутренний конец спирального нагревательного элемента 5 соединен сваркой с трубкой 11, закрепленной с двух сторон в корпусе 1 посредством решеток 12 и 13 со сквозными отверстиями, выполненных из электроизоляционного материала, а внешний конец нагревательного элемента соединен сваркой с шиной 14, установленной в корпусе 1 на клее. Со стороны входного патрубка на решетке 12 установлен фильтрующий элемент 15, выполненный, например, из сетки из стекловолокна или никелевой проволоки. На крышке 3 установлены болты 16 с гайками 17 для подвода напряжения сети через шину 14 и гибкий вывод 18 к нагревательному элементу 5, а также выводы 19, соединенные монтажным проводом 20 с тензорезисторами 10. Крышка 3 соединена с корпусом 1 винтами 21 через герметизирующую прокладку 22, выполненную из теплостойкой резины типа ИРП-1266. Тензобалка 9 с тензорезисторами 10 покрыта тонким слоем теплостойкого герметика типа Виксинт У-1-18, который препятствует проникновению воды с переменной электропроводностью в пленочную решетку тензорезисторов. Болты 16 и выводы 19 также устанавливаются на герметике. В качестве электроизоляционного материала для корпуса 1 и крышки 3 можно использовать теплостойкие пластмассы типа АГ-4С.
Электроводонагреватель работает следующим образом.
При подключении нагревательного элемента 5 к сети и пропускании воды через электроводонагреватель поток воды между витками нагретого равномерно по всей поверхности спирального нагревательного элемента 5 за счет наличия пуклевок 6 становится турбулентным, что приводит к интенсификации процесса передачи тепла от нагревательного элемента к проточной воде, снижению при заданной электрической мощности электроводонагревателя температуры нагревательного элемента 5. В случае уменьшения потока воды в электроводонагревателе до порогового значения изгиб тензобалки 9 с тензорезисторами 10 уменьшается и электрический датчик напора воды выдает сигнал на быстродействующее электрическое устройство, которое отключает электроводонагреватель от сети.
Малые габариты спирального нагревательного элемента 5 при большой поверхности теплообмена и большой мощности электроводонагревателя (18-21 кВт) определяют малый объем герметичной полости, заполненной водой, малое время нагрева воды в этом объеме и высокое быстродействие электроводонагревателя. Двухстороннее электроизоляционное покрытие нагревательного элемента 5 практически исключает межвитковые токи утечки за счет электропроводности воды и электрохимические процессы в проточной воде, повышает надежность и ресурс электроводонагревателя.
Предлагаемый проточный электроводонагреватель можно использовать и в воздушно-отопительных агрегатах.
Суть изобретения: Использование: изобретение относится к конструкциям электрических приборов для автономного горячего водоснабжения и может быть использовано в воздушно-отопительных агрегатах. Сущность изобретения: для повышения безопасности, надежности и ресурса в электроводонагревателе, содержащем изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах и нагревательный элемент, размещенный внутри корпуса по всей его длине, выполненный в виде спирали Архимеда из тонкой гофрированной по двум координатным осям электропроводящей ленты с электроизоляционным покрытием на поверхности ленты, в корпусе электроводонагревателя выполнено отверстие, в котором по контуру герметично закреплена мембрана, выполненная из термобиметалла с начальной выпуклостью со стороны активного слоя, установленная активным слоем внутрь корпуса, с наружной стороны по центру мембраны закреплен изолированный от мембраны электрический контакт, на изоляционном кронштейне, закрепленном на корпусе, соосно с контактом на мембране установлен с образованием зазора второй электрический контакт, контакты соединены последовательно с нагревательным элементом, а на поверхность нагревательного элемента дополнительно нанесены электропроводящее покрытие, соединенное с заземляющим проводом, и герметизирующее антифрикционное электроизоляционное покрытие. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.
Описание изобретения: Изобретение относится к конструкциям электрических приборов для автономного горячего водоснабжения и может быть использовано в воздушно-отопительных агрегатах.
Известен проточный электронагреватель, содержащий изоляционный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах, выполненный в виде комбинации последовательно соединенных между собой кольцевыми перемычками сферических оболочек, на наружную поверхность которого нанесена электропроводящая пленка [1]
Недостатками такого электроводонагревателя являются низкая электробезопасность, обусловленная размещением пленочного нагревательного элемента на наружной поверхности корпуса, малые надежность и ресурс, обусловленные перегревом корпуса при отсутствии воды или малом ее расходе.
Известен также проточный электронагреватель, содержащий изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах и нагревательный элемент, размещенный внутри корпуса по всей его длине и выполненный в виде спирально намотанной тонкой гофрированной электропроводящей ленты [2]
Недостатками таких электроводонагревателей являются низкая электробезопасность, обусловленная значительной электропроводностью водопроводной воды (ρ 10 100 Ом˙м), что особенно существенно для случая использования электронагревателей в душевых установках, малые надежность и ресурс, обусловленные перегревом электроводонагревателя при отсутствии воды или малом ее расходе, возможны ожоги кипящей водой.
Целью изобретения являются повышение безопасности, надежности и ресурса электроводонагревателя.
Для этого в известном электроводонагревателе, содержащем изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах и нагревательный элемент, размещенный внутри корпуса по всей его длине и выполненный в виде спирально намотанной тонкой гофрированной электропроводящей ленты, в нем лента выполнена в виде спирали Архимеда с гофрировкой по двум координатным осям, на поверхности ленты нанесено электроизоляционное покрытие, в корпусе выполнено отверстие, в котором по контуру герметично закреплена мембрана, выполненная из термобиметалла с начальной выпуклостью со стороны активного слоя, установленная активным слоем внутрь корпуса, с наружной стороны по центру мембраны закреплен изолированный от мембраны электрический контакт, на изоляционном кронштейне, закрепленном на корпусе соосно с контактом на мембране установлен с образованием зазора второй электрический контакт, контакты соединены последовательно с нагревательным элементом, причем на поверхность нагревательного элемента дополнительно нанесены электропроводящее покрытие, соединенное с заземляющим проводом, и герметизирующее антифрикционное электроизоляционное покрытие.
Новизна и изобретательский уровень предлагаемого электроводонагревателя определяются следующими существенными отличительными признаками: выполнением ленты в виде спирали Архимеда с гофрировкой по двум координатным осям, нанесением на поверхности ленты электроизоляционного покрытия, выполнением в корпусе отверстия, закреплением в нем по контуру герметично мембраны, выполнением ее из термобиметалла с начальной выпуклостью со стороны активного слоя, установкой ее активным слоем внутрь корпуса, закреплением по центру мембраны с наружной стороны изолированного от мембраны электрического контакта, закреплением на корпусе на изоляционном кронштейне соосно с контактом на мембране с образованием зазора второго электрического контакта, соединением контактов последовательно с нагревательным элементом, нанесением дополнительно на поверхности ленточного нагревательного элемента электропроводящего покрытия, соединенного с заземляющим проводом, и герметизирующего антифрикционного электроизоляционного покрытия.
Выполнение ленточного гофрированного по двум координатным осям нагревательного элемента в виде спирали Архимеда с трехслойным покрытием поверхностей ленты позволяет при малых габаритах и большой эффективности теплообмена уменьшить температуру нагревательного элемента до 200-250оС, обеспечить двойную электрическую изоляцию нагревательного элемента от проточной воды и человека, произвести заземление электростатического экрана (электропроводящего покрытия), охватывающего нагревательный элемент, что необходимо для электробезопасности в случае местного электрического пробоя основного (первого) слоя электроизоляционного покрытия, а внешнее герметизирующее антифрикционное электроизоляционное покрытие, препятствуя проникновению воды в основное электроизоляционное покрытие, повышает его электроизоляционные свойства при малой суммарной толщине всех покрытий (hпΣ0,10-0,15 мм), уменьшает осаждение механических примесей в проточной воде на нагревательном элементе.
Установка в корпусе малогабаритного блока автоматической защиты (реле “давление и температура”), выполненного в виде мембраны из термобиметалла с начальной выпуклостью со стороны активного слоя, установленной активным слоем внутрь корпуса с закрепленным по центру мембраны с наружной стороны изолированного от мембраны электрического контакта и закрепленного на корпусе на изоляционном кронштейне соосно с контактом на мембране с образованием зазора второго электрического контакта, последовательного соединения контактов с нагревательным элементом обеспечивает быстродействующую автоматическую защиту электроводонагревателя как при отсутствии или малом напоре (расходе) воды, так и при превышении температуры воды предельно допустимого значения, повышает безопасность, надежность и ресурс электроводонагревателя за счет исключения аварийных режимов работы, не требует обслуживающего персонала при использовании электроводонагревателей повышенной мощности (5-18 кВт) на производстве, в душевых установках, фермерских хозяйствах.
Выполнение мембраны с начальной выпуклостью (“прыгающей”) увеличивает ресурс контактной группы блока автоматической защиты за счет уменьшения времени коммутации контактов.
На фиг. 1 изображен предлагаемый электроводонагреватель с реле “давление-температура”, общий вид, разрез; на фиг. 2 узел I на фиг. 1.
Электроводонагреватель содержит корпус 1 с отводящим патрубком 2 на торце и крышку 3 с подводящим патрубком 4, выполненные из электроизоляционного материала, соединенные с образованием герметичной полости, в которой по всей ее длине размещен нагревательный элемент 5, выполненный в виде спирали Архимеда из тонкой гофрированной по двум координатным осям электропроводящей ленты, например, из стали 1Х18Н9Т толщиной 0,02-0,05 мм, допускающей глубокую вытяжку гофров, поверхность которой покрыта теплостойким эластичным электроизоляционным лаком 6 типа полиимидного лака АД-9103 ПС ТУ619-283-85 с диапазоном рабочих температур 200-250оС, ограничено до 300оС с удельным электрическим сопротивлением ρ 1014 Ом м, пробивным напряжением Епр 200 МВ/м, относительным удлинением δ 40-70% пределом прочности σв 130-160 МПа, эластичной теплостойкой электропроводящей композицией ПАТ на основе полиимидного лака с сажеграфитовым наполнителем с рабочей температурой до 250оС, образующей электростатический экран 7, и герметизирующей антифрикционной электроизоляционной композицией 8 типа АФК толщиной 10-20 мкм с максимальной рабочей температурой 250оС, удельным сопротивлением ρ1013-1014 Ом м, пробивным напряжением Епр 100-120 МВ/м и относительным удлинением δ 40-50%
Между витками нагревательного элемента 5, выполненного в виде спирали Архимеда, размещена полиимидная пленка 9, в которую упираются вершины гофр смежных слоев, что позволяет после нанесения 3-го слоя покрытия на нагревательный элемент 5, свернутый на крестовине 10 в спираль Архимеда, и его полимеризации получить жесткую сотовую конструкцию, в которой каждый элемент выполняет функции турбулизатора потока воды, увеличивая теплопередачу от нагревательного элемента к воде. При малых мощностях электроводонагревателя ленточный нагревательный элемент может быть выполнен в виде меандра с гофрами на отдельных участках.
Выводы 11 нагревательного элемента 5 и электростатического экрана 7 соединены с герметичными выводами 12 в крышке 3, а вывод 11 электростатического экрана 7 соединен с заземляющим проводом 13.
В корпусе 1 выполнено отверстие, в котором по наружному контуру герметично закреплена цилиндрическая мембрана 14, выполненная из термобиметалла с начальной сферической выпуклостью со стороны активного слоя, установленная активным слоем (выпуклостью) внутрь корпуса 1, что обеспечивает противоположный прогиб мембраны 14 при повышении давления и температуры проточной воды.
С наружной стороны по центру мембраны 14 установлен на клее электрический контакт 15, изолированный от мембраны 14, например, полиимидной пленкой, соединенной с гибким ленточным токоподводом 16. На крышке 17, выполненной из электроизоляционного материала, закрепленной на корпусе винтами 18, заармирована резьбовая втулка с регулировочным винтом 19, с которой одним концом соединен упругий токопроводящий элемент 20, на другом конце которого соосно с контактом 15 закреплен второй электрический контакт 21, зазор между которыми регулируется винтом 19. Через ламель 22, соединенную с гибким токоподводом 16, и упругий токоподвод 20 электрические контакты 15 и 21 соединены последовательно с нагревательным элементом 5.
Мембрана 14, выполненная из термобиметалла, с подвижным электрическим контактом 15 и неподвижным электрическим контактом 21 на крышке 17 выполняет функции двухканального быстродействующего реле, реагирующего как на изменение давления (динамического напора) воды в полости корпуса 1, так и на изменение ее температуры. Пределы срабатывания реле по давлению и температуре воды определяются диаметром, толщиной и способом закрепления мембраны по контуру в корпусе 1, типом термобиметалла, соотношением гидравлических сопротивлений подводящего 4 и отводящего 2 патрубков (диаметром и количеством отверстий 23 распылителя в отводящем патрубке 2).
При удельной мощности теплопередачи от нагревательного элемента 5, выполненного из ленты из нержавеющей стали толщиной 20 мкм, к проточной воде Qуд 4,7˙104 Вт/м2 и коэффициенте теплопередачи к воде с учетом турбулизации потока воды в полости корпуса ζ 500 Вт/м2 К максимальный градиент температуры на трехслойном покрытии суммарной толщиной 0,15 мм не превысит 45оС, максимальный градиент температуры между покрытием нагревательного элемента и водой не превысит 95оС и при максимально допустимой температуре воды в электроводонагревателе 85оС температура внутреннего электроизоляционного покрытия не превысит 225оС, а срок службы покрытий при температурах 200-225оС с сохранением высоких электрических и физических свойств, а следовательно, и электробезопасности прибора составит 10000-15000 ч (для сравнения средний срок службы трубчатых электронагревателей составляет 2000 ч). Время прогрева воды в полости корпуса 1 до заданной температуры при расходе воды 30-60 л/ч составляет 5-8 с.
Корпус 1 и крышка 3 соединены между собой винтами 24. Кожух 25 из электроизоляционного материала предназначен для защиты электрической цепи от внешних воздействий и герметизации места стыковки подводящего патрубка 4 и кожуха 25 с помощью резиновой прокладки 26, а шнур 27 для подвода питания к прибору.
Электроводонагреватель работает следующим образом.
При подключении шнура 27 к сети и пропускании воды через электроводонагреватель, соответствующем минимально допустимому или превышающему его расходу воды мембрана 14 деформируется в направлении к неподвижному контакту 21 и за счет малой инерционности по давлению и наличия начальной выпуклости за сотые доли секунды контакты реле 15 и 21 замыкаются, напряжение сети подается на нагревательный элемент 5, температура которого за 1,0-1,2 с достигает номинального значения 200-235оС и за счет теплопередачи турбулизированный поток проточной воды, распределенный во всем объеме сотовой конструкции нагревательного элемента 5 равномерно нагревается в зависимости от расхода (напора) воды на 20-60оС.
При малых расходах воды и малых давлениях прогиб мембраны 14 от давления воды уменьшается, а за счет повышения температуры воды и мембраны 14 мембрана дополнительно деформируется в сторону, соответствующую увеличению зазора между контактами реле 15 и 21, контакты реле в силу наличия выпуклости на мембране 14 размыкаются скачкообразно. При таком аварийном режиме нагревательного элемента 5 с временем переходного процесса 1-2 с температура его также не превысит допустимого значения 235оС, при которой сохраняются высокие электрические и физические свойства покрытий 6-8 в течение длительного времени, что и обеспечивает повышенные электробезопасность, надежность и ресурс электроводонагревателя.
Предлагаемую конструкцию проточного электроводонагревателя можно также использовать и в воздушно-отопительных агрегатах.
Формула изобретения:
1. ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ, содержащий изоляционный герметичный корпус с подводящим и отводящим патрубками на торцах и нагревательный элемент, размещенный внутри корпуса по всей его длине и выполненный в виде спирально намотанной тонкой гофрированной электропроводящей ленты, отличающийся тем, что лента выполнена в виде спирали Архимеда с гофрировкой по двум координатным осям, на поверхности ленты нанесено электроизоляционное покрытие, в корпусе выполнено отверстие, в котором по контуру герметично закреплена мембрана, выполненная из термобиметалла с начальной выпуклостью со стороны активного слоя, установленная активным слоем внутрь корпуса, с наружной стороны по центру мембраны закреплен изолированный от мембраны электрический контакт, на изоляционном кронштейне, закрепленном на корпусе соосно с контактом на мембране, установлен с образованием зазора второй электрический контакт, причем контакты соединены последовательно с нагревательным элементом.
2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что на поверхность нагревательного элемента дополнительно нанесены электропроводящее покрытие, соединенное с заземляющим проводом, и герметизирующее антифрикционное электроизоляционное покрытие.