Нагреватель воздуха

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Гринчик Николай Николаевич Горбачев Николай Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Нагреватель воздуха, содержащий корпус, снабженный патрубком входа воздуха, в котором размещены нагревательный элемент и коаксиально расположенный экран со сквозными отверстиями, один торец которого заглушен, а другой соединен с патрубком отвода воздуха, нагревательный элемент спирально навит на наружную поверхность экрана,отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен из магнитожесткого материала, например, стальной кордовой проволоки, навитой вдоль поверхностей экрана, выполненного в форме параллелепипеда, при этом направления переменного тока в стальной кордовой проволоке противоположны друг другу на каждой грани экрана, а эффективная величина переменного токав стальной кордовой проволоке, максимальная напряженность магнитного тока петли гистерезисаи радиус стальной кордовой проволокисвязаны соотношением 4 9696 1 2007.08.30 Изобретение относится к устройствам для нагрева воздуха в помещениях. Известен электрокалорифер 1, содержащий снабженный подводящим и отводящим патрубками корпус, в полости которого расположены нагревательные элементы, закрепленные на каркасе и выполненные в виде спиралей и автономной для каждой спирали металлической трубы с электроизоляцией, подключенной к подводящему и отводящему патрубкам корпуса - аналог. Недостатком известного устройства является высокая металлоемкость, использование специальных металлов, таких как нихром, которые имеют большое омическое сопротивление и низкую эффективность теплопередачи. Наиболее близким к предполагаемому изобретению является нагреватель воздуха, содержащий снабженный патрубком входа воздуха корпус, в котором размещены нагревательный элемент и коаксиально расположенный цилиндрический экран со сквозными отверстиями, один торец которого заглушен, а другой соединен с патрубком отвода воздуха, при этом нагревательный элемент спирально навит на наружную поверхность экрана 2 - прототип. Недостатком 2, также как и в аналоге, является использование специальных металлов, обладающих высоким омическим сопротивлением. Известный провод нихром с удельным сопротивлением 11010-8 Омм является дорогим, т.к. содержит 67,5 никеля в своем составе. Поэтому провод из нихрома используют экономно,небольшой длины, но в этом случае эффективность теплопередачи мала, т.к. площадь поверхности проволочек из нихрома невелика. Использование токов высокой частоты, сверхвысоких частот требует специального оборудования и не всегда эффективно 3. Цель изобретения - повышение эффективности нагрева, снижение металлоемкости и содержания цветных металлов, прежде всего никеля, в нагревателях воздуха. Поставленная цель достигается тем, что нагревательный элемент выполнен из магнитожесткого материала, например, стальной кордовой проволоки, навитой вдоль поверхностей экрана, выполненного в форме параллелепипеда, при этом направления переменного тока в стальной кордовой проволоке противоположны друг другу на каждой грани экрана,а эффективная величина переменного токав стальной кордовой проволоке, максимальная напряженность магнитного тока петли гистерезиса Н и радиус стальной кордовой проволокисвязаны соотношением 4 В таком нагревателе кроме обычного джоулева тепла 2 выделяется также тепло,обусловленное магнитным гистерезисом 4. При наличии гистерезиса энергия переменного электрического поля расходуется на совершение работы против коэрцитивных сил в магнетике и в конечном счете превращается в тепло, которое пропорционально площади петли гистерезиса (см. фиг. 1) и вычисляется по формуле 3. Опыт показывает, что при перемагничивании ферромагнетик нагревается. Это тепло гистерезиса велико в стали, чугуне, т.е. в материалах с широкой петлей гистерезиса, и значительно меньше в мягком железе, у которых петля узкая. Если, например, индукция достигает при перемагничивании максимального значения В 1 Тл, то тепло гистерезиса для стали составляет около 55 кДж/м 3 за один цикл перемагничивания, а для электролитического железа, переплавленного в вакууме, примерно в 10 раз меньше 5. Тепло гистерезиса прямо пропорционально площади петли гистерезиса. Для повышения эффективности магнитогистерезисного нагрева желательно свести к минимуму индуктивность и емкость нагревателя, т.к. в противном случае будет уменьшаться величина тока, а, следовательно, и напряженность магнитного поля. В тонкой длинной изолированной проволоке радиусом , при величине токанапряженность магнитного поля равна 3 2,2 2 здесь- текущий радиус, а средняя напряженность поля равна(1) 4 Подбираяравнымза счет изменения токаи радиуса проволоки , получим максимальное количество тепла, которое выделяется при циклическом перемагничивании. В силу сказанного, спираль нагревателя должна быть навита так, чтобы свести к минимуму индуктивность контура. На чертеже представлен нагреватель воздуха, общий вид (фиг. 2). Нагреватель воздуха содержит корпус 1, снабженный патрубком 2 входа воздуха. В корпусе 1 размещены плоские нагревательные элементы 3 с малой индуктивностью на каждой из боковых граней коаксиально расположенного параллелепипеда-экрана со сквозными отверстиями 5. Один торец экрана 4 заглушен, а другой подключен к патрубку 7 отвода воздуха. При этом нагревательный элемент 3 в отличие от прототипа не навит на боковых гранях параллелепипеда по периметру, а только вдоль поверхностей экрана, причем на каждой грани направления движения тока в проводах противоположны друг другу. Расстояние между проволочками должно быть не меньше 5 диаметров, тогда влияние взаимной индукции проводов будет мало. Действительно, напряженность магнитного поля за пределами прямого длинного провода имеет вид 4/2,где- расстояние от оси провода. Если 510, то тогда Н/210, и влиянием провода, в большинстве случаев, для токов до 10 А можно пренебречь ( - диаметр провода,- радиус провода). Нагреватель работает следующим образом. Поток воздуха направляют в корпус 1 через патрубок 2 и одновременно включают в сеть переменного тока с частотой 50 кГц нагревательный элемент 3. Заглушенный торец экрана 4 обеспечивает протекание потока воздуха через отверстия 5, расположенные по всей поверхности экрана. Воздух проходит через отверстия 5, обтекая со всех сторон витки нагревательного элемента 3 и, нагреваясь,входит в полость, ограниченную экраном 4. Затем нагретый воздух выходит из нагревателя через патрубок 7 к потребителю. Дополнительный магнитогистерезисный нагрев позволяет использовать в качестве нагревателя относительно дешевые магнитожесткие материалы вместо дорогого нихрома, а,следовательно, увеличить площадь нагревателя с уменьшением перегрева поверхности спирали. Воздух к потребителю будет идти более качественный, без локального перегрева, а срок службы нагревателя возрастет. Пример 1 Исследуемый материал - нихромовая проволока диаметром 0,4 мм и сопротивлением 7,36 Ом (удельное сопротивление нихрома 11010-8 Омм). Температура воздуха в комнате 18-20 С. К проволоке подавалось постоянное и переменное напряжение (частота 50 Гц). В результате опытов установлено, что для достижения проволокой температуры в 29 С,которая измерялась терморезистором, постоянное напряжение превышает напряжение эффективное, причем величина превышения напряжения зависит от эффективного напряжения. Отметим, что мощность нагрева - 2/, поэтому приращение мощности при одном и 2 том же омическом сопротивлении определяется отношением 1 /2 . Данные сведены в 2 таблицу. Из таблицы видно, что дополнительный магнитогистерезисный нагрев зависит от напряжения и может достигать 60 для нихрома и корда. 9696 1 2007.08.30 Диаметр Сопротивление Напряжение, В Прирост мощно- Температура пропровода, мм провода общее, Ом Эфф. сти нагрева,вода конечная, С Пост. 32 2,15 16 Нихром 0,4 7,36 29 3 3,85 64 3 3,11 13 Корд 0,23 3,46 33 5,7 7,2 59,5 Нагрев проволок из нихрома и корда - на постоянном и переменном токе. Пример 2 Исследуемый материал - кордовая проволока ТУ РБ 400074854.004-01 производства БМЗ г. Жлобин длиной 500 мм и диаметром 0,22 мм. Удельное сопротивление кордовой проволоки ( 2010-8 Омм). Из таблицы видно, что при малых эффективных напряжениях 3 В дополнительный магнитогистерезисный нагрев незначителен и составляет 13 , но уже при эфф 5,7 В дополнительный нагрев составляет около 60 . Опыты производились на частотах от 20 до 50000 Гц. Данные таблицы являются средними и дают скорее качественную картину, т.к. мы не производили сильный нагрев проволоки, чтобы не учитывать зависимость сопротивления от температуры. Опыты в широком температурном диапазоне и на различных частотах будут сделаны в дальнейшем. Однако известно, что нагрев трансформатора обусловлен во многом именно гистерезисным нагревом. В трансформаторах используют поэтому магнитомягкое железо. В предлагаемом нагревателе используется магнитожесткий материал. При параметрах, указанных в таблице, средняя напряженность магнитного поля в проволоке составляет 2000-4000 эрстед, что соответствует максимальной напряженности поля в гистерезисной петле для литой стали 3, с. 221. В заключение отметим, что использование магнитогистерезисного нагрева позволяет уменьшить цену нагревательного элемента, повысить эффективность нагрева и надежность работы. Источники литературы 1. Тихомиров П.Л., Мельников В.А., Я.М. Электрокалорифер. А.с. СССР 1719808 // БИ 10, 15.03.92. 2. Иваницкий Л.Д., Морозюк Т.Н., Ларионова Л.Я. Нагреватель воздуха. А.с. СССР 1638483 // БИ 12, 30.03.91. 3. Гринчик Н.Н., Ноготов Е.Ф. К проблеме взаимодействия электромагнитных волн в поляризованной среде с учетом релаксационных процессов // Доклады НАНБ. - 2004. Т. 48. -2. - С. 41-45. 4. Калашников С.Г. Электричество. - М. Наука, 1985. - 572 с. 5. Курс физики / Под ред. Н.Д. Папалекси. - ОГИЗ. ГИТ ТЛ.М. - Л. - С. 213. Фиг. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4