Способ увеличения тепловой мощности и отопительный прибор конвекционного типа для его осуществления

Изобретение относится к способам получения тепла путем подачи горячего теплоносителя в кольцевую полость между стенками двух герметичных труб при избыточном давлении и может быть использовано в жилищно-коммунальном секторе, в детских и школьных учреждениях, в административно-бытовых и промышленных зданиях. Технический результат - повышение КПД при нагреве прибора меньшим количеством теплоносителя и разогрева воздушных потоков, проходящих через внутренние цилиндрические полости. Отопительный прибор конвекционного типа содержит три соосные трубы, соединенные по торцам неразборным швом и штуцеры для подвода и отвода теплоносителя. Трубы образуют герметичную полость, причем торец наружной трубы выполнен с наклоном к центру под углом 40-70°, образуя диффузор, диаметр которого не должен быть меньше наружного диаметра внутренней трубы, при этом на кольцевой плоскости наклонного торца к центру содержится гидроупорная кольцевая канавка глубиной радиуса от 1 до 10 мм, а ответный торец внутренней трубы выполнен с наклоном от центра под углом 20-60°, которые образуют первый герметичный разъемный стык, другой конец внутренней трубы содержит резьбу для обеспечения герметичного соединения со второй частью развальцованной трубы и образования второго разъемного герметичного стыка, во внутренней полости прибора симметрично по центру токонепроводящими распорками закреплен уловитель тепловых лучей, в верхней своей части вывернутый в виде чулка вовнутрь с зазором относительно полого цилиндра секции и образующий открытую, по направлению вниз, кольцевую полость - накопитель, ниже которой выполнены шейки и конфузоры, верхний торец внутренней трубы образованного герметичного корпуса перед наклоном от центра и уловитель перед торцом соответственно содержат верхние горячие медные спаи с проводниками направленными к холодному нижнему медному спаю на сегментах уловителя, выполненных из стали. Штуцеры для подвода и отвода теплоносителя крепятся сваркой с внутренней стороны наружной трубы сплошным швом по кругу. Уловитель также может быть выполнен внутри с равномерно расположенными конфузорами, а верхняя часть выполнена в виде диффузора с удлиненной шейкой, на которой по кругу размещены медные спаи с проводниками и соединены с нижними спаями, расположенными на сегментах уловителя, причем раструб конфузора по кругу содержит перепускные отверстия, выполненные перпендикулярно окружности раструба. Также описан способ увеличения теплоотдачи отопительным прибором. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область применения

Изобретение относится к устройствам конвекционного типа для обогрева зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения, а также может применятся для утилизации вторичных энергоресурсов. Изобретение относится также к способу получения дополнительного тепла за счет создания «термо-электродвижущей силы», которая частично преобразуется в энергию тока и предварительно разогревает восходящие потоки воздуха, которые поступают в полость устройства.

Предшествующий уровень техники

Известны отопительные приборы, которые состоят из полого замкнутого корпуса, патент ФРГ №1104666, кл. 36С 9/02, 1976 года, коробчатые стенки которого контактно закреплены между собой деталями корпуса.

Недостатком указанного отопительного прибора является низкая отдача тепла и сложность изготовления.

Известен коробчатый отопительный радиатор, патент Российской Федерации №2093759 С1, ⁶F24D 3/00, который состоит из блочный секций коробчатого типа с трубчатыми связками между ними, причем связки могут быть плоскими, круглыми, овальными в зависимости от модели радиатора. Недостатком данного радиатора является малая поверхность теплосъема, низкая энергоэкономика и сложность изготовления.

Известен отопительный прибор, SU №1112188 A, F24D 3/00 (прототип), содержащий две соосные трубы, соединенные сваркой по торцам, и штуцеры для подвода и отвода теплоносителя, причем с целью интенсификации теплоотдачи от прибора, он снабжен двумя перегородками установленными с обеих сторон от штуцера, которые по длиннее в нижней части установлены с зазором относительно нижнего торца.

Недостатком данного отопительного прибора является недостаточная теплоотдача так как две перегородки направляют теплоноситель в нижний зазор от первого штуцера, при этом горячая вода огибает перегородки, частично остывает и поднимается вверх ко второму штуцеру, значительно теряет теплотворную способность, недостатком является и то, что перегородки в трубах неизбежно вызывают коксование каналов и зазоров между двумя трубами, при этом увеличивается сопротивляемость прокачки горячей воды в системе отопления, сложность очистки прибора от коксования и загрязнения.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является разработка устройства конвективного теплообмена и способа, позволяющего повысить теплоотдачу за счет цилиндрического фокусирования излучения тепла на дополнительную площадь нагрева и обратного излучения тепла с дополнительной площади нагрева, при этом увеличить силу восходящих потоков естественной конвекции воздуха, получить термоэлемент, представляющий собой тепловую машину, которая дополнительно преобразует тепловую энергию в энергию электрического тока, термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС) - закон Зеебека.

Предлагаемый способ изготовления прибора включает поэтапную очередность поэлементного изготовления прибора с целью максимально исключить сварочные работы при изготовлении полого герметичного корпуса с цилиндрической полостью по центру и увеличить надежность, ремонтноспособность, теплоотдачу устройства.

Отличительными признаками заявленного устройства и способа являются: секция устройства конвекционного теплообмена, состоящая из трех соосных труб, с разъемными герметично выполненными стыками образуют замкнутую цилиндрическую полость; уловитель сфокусированного тепла и компрессионно-лучевого нагрева воздуха, а также дополнительно выполненной ловушки с накопителем, причем уловитель содержит конфузор, который содержит удлиненную шейку сопла, диаметр которой соответствует диаметру ловушки или меньше ее до 50%, а высота шейки соответствует высоте диффузора или выше его до 50%, кроме того, нижний конец уловителя содержит косоугольные зубья или прямоугольные сегменты из стали для крепления спаев из меди; нижние спаи соединены при помощи медных проводников с верхними спаями, которые закреплены на стенке герметичного корпуса и на стенке уловителя, которые при нагреве образуют термо-ЭДС, кроме того, конфузоры содержат по кругу продувные отверстия от одного и более, выполненные перпендикулярно поверхности с возможностью вентилирования пазух конфузора с разным давлением по высоте уловителя и компрессионно-лучевого разогрева воздуха до температуры теплоносителя; цилиндрическая стенка внутренней трубы фокусирует дополнительное излучение тепловых лучей от 1°С и выше относительно температуры теплоносителя находящегося в герметической полости устройства.

За счет выполнения завальцовки наружной трубы к центру до требуемого размера по диаметру под углом 40-70° и выполнения на плоскости торца кольцевой канавки радиусом 1-10 мм, с целью установки герметика (кольца), которое обеспечивает герметичность прилегания торца внутренней развальцованной от центра патрубы под углом от 20 до 60°, второй конец полутрубы содержит резьбовое соединение для крепления ответной полутрубы, которые при стягивании образуют замкнутую герметичную полость из трех соосных труб. Сущность соединения поясняется рисунками. Наружная труба по краям содержит два штуцера, входа и выхода греющего теплоносителя, образуя секцию отопительного прибора, кроме того, полая секция содержит трубу-уловитель меньшего диаметра с вывернутым в виде чулка во внутрь концом, который короче на 50-80% основной секции, при этом уловитель выполняется в центре полого цилиндра секции с зазором от 3 до 30 мм. По диаметру, а в нижней части вкладыша содержатся сегменты в виде треугольных зубьев или прямоугольных сегментов по количеству закрепленных спаев, причем высота зубьев составляет от 5 до 40 мм.

В нижней и верхней части прибора содержатся крепления спаев из медного проводника между краями средней и внутренней трубы сегмента.

В средней и верхней части уловителя, уловитель центрируется распорками, причем средние распорки выполнены из токонепроводящего материала. Отопительный прибор может выполнятся с одной блокосекции и больше одной.

Способ подетального изготовления прибора заключается в завальцовке двух концов наружной трубы к центру в виде диффузора под определенным углом 40-70°, как показано на фигуре №3, до определенного диаметра, который не должен быть меньше диаметра внутренней трубы, а внутренняя труба развальцовывается наружу в виде воронки под определенным углом 20-60° по наружной стенке, позволяющим обеспечить герметичность посадки на выполненную выточку с канавкой наружной трубы при помощи резьбового стягивания (см. рис. №1) двух воронкоподобных торцов труб, что образует цилиндрическую замкнутую полость, которая через отверстия в патрубках заполняется теплоносителем, причем нижний и верхний сегмент патрубка крепится к подготовленным отверстиям в наружной трубе под углом 90° (крестообразно) при помощи сварки по кругу (диаметру) отверстия, после чего в патрубке по центру выполняется сквозное отверстие, что обеспечивает надежность соединения деталей между собой. Готовые секции могут соединяться между собой по известной технологии, резьбовьми муфтами.

Способ получения «термо-ЭДС» обеспечивается устройством конструкции двух соосных труб и конструкцией уловителя, который выполнен в виде вывернутого чулка, причем наружная часть чулка значительно длиннее внутренней части, холодный конец удлиненной части уловителя содержит сегменты локального нагрева по количеству спаев (креплений) медных проводников на оторочке стальной трубы.

При подаче теплоносителя в полость между соосных труб, теплоноситель разогревает сверху вниз цилиндрическую конструкцию устройства, причем внутренняя труба фокусирует излучение тепла от 1°С и выше относительно температуры теплоносителя, если верхняя часть замкнутой полости постоянно разогрета, то нижняя часть сегментов уловителя постоянно холодная (см. условный рис. фигуры №2, правая сторона), разность температуры между спаями может достигать 100°С. В этом случае по закону Зеебека в местах спаев возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), все время пока будет существовать разность температур в проводнике, будет существовать электрический ток, совершая совместный с термо-ЭДС дополнительный нагрев проводника, которыми являются сегменты уловителя из стального материала, причем сила тока зависит от разности температур между спаями, при увеличении количества спаев от двух и более сила тока будет суммироваться.

Способ увеличения теплоотдачи до температуры теплоносителя обеспечивается конструкцией устройства, в полой части которого содержится полая труба-уловитель в виде вывернутого чулка (сифона), что позволяет воспринимать сфокусированные лучи тепловой энергии телом уловителя и дополнительно излучать тепловую энергию обратно через кольцевую сквозную полость на стенки составной трубы, между которыми дополнительно нагреваются восходящие воздушные потоки, часть тепловой энергии передается во внутрь уловителя, где смешивается с турбулентными потоками воздуха от конфузоров и с воздухом, находящимся в накопителе ловушки, дополнительно разогревает турбулентный воздух, который через шейку (отверстие) ловушки поступает за пределы устройства в окружающую среду.

Дополнительный вариант способа увеличения отдачи тепловой энергии выполняется при помощи новой конструкции уловителя, который состоит из полой трубы, верхняя часть выполнена в виде дифузора с удлиненной шейкой, ниже диффузора внутри содержится один и более конфузоров, причем раструб конфузора содержит по кругу продувные отверстия, выполненные перпендикулярно поверхности с возможностью вентилирования воздуха в кольцевой пазухе конфузора.

На фиг.1 изображен многосекционный прибор отопления, на фиг.2 изображен разрез Б-Б, фиг.1; на фиг.3 изображен вид А, фиг.1; на фиг.4 изображен разрез В-В фиг.1; на фиг.5 изображен вид Г-Г, фиг.1; на фиг.6 изображен вид Д-Д, фиг.1; на фиг.7 изображен второй вариант уловителя, лист 5.

Устройство содержит завальцованную к центру трубу 1, внутреннюю меньшего диаметра составную развальцованную от центра трубу 2, штуцер 3, для подвода теплоносителя, отверстие 4, для соединения с цилиндрической замкнутой полостью 5, нижнее отверстие 6, соединенное со штуцером 7, для отвода теплоносителя, уловитель 8, с ловушкой 9, и накопителем 10, в нижней части, уловитель 8 содержит косозубые или прямоугольные сегменты 11, на которых закреплены медные спаи 12, содержащие медные проводники 13 от медных спаев 14, уловитель 8 содержит на расстоянии ⌀ 1 конфузор 15, с шейкой 16, дополнительный вариант уловителя 17, который содержит диффузор 18, с шейкой 19 и спай 20, проводник 21, спай нижний (холодный) 22, закрепленный на сегменте 23, кроме того, конфузор 24 в раструбе 25 содержит продувные отверстия 26 и удлиненную шейку 27.

Пример реализации

Отопительный прибор конвекционного типа работает следующим образом: от внешнего источника (не показано) под давлением подается теплоноситель через штуцер 3, отверстие 4, в герметичную цилиндрическую полость 5, между соосными трубами 1 и 2, теплоноситель предает тепло стенкам цилиндра 1 и 2, остывает, опускается и выходит через нижнее отверстие 6 в отводящий штуцер 7. Полученное тепло от теплоносителя наружная стенка трубы 1 излучает в окружающую среду, а внутренняя труба 2 фокусирует излучение тепла на уловитель 8, который эффективен при температуре от 20°С и выше, наружная стенка уловителя при этом частично излучает тепло обратно, закон Стефана - Больцмана, как показано на фиг.2, правая сторона, образуя восходящий поток между стенками 2 и 8, где часть тепла - внутренняя стенка уловителя 8, излучает в центр, нагреваются воздушные потоки, которые частично поступают в полость 10 накопителя 9, как показано на рисунке фиг.2, это обеспечивает задержку тепла, которое передается медным спаем 14, где возникает «термо-ЭДС» и через проводники 13, предается холодному спаю 12, от которого нагревается сегмент 11 уловителя 8, как поясняется рисунком 2, потоки холодного воздуха частично снимают тепло с поверхности сегментов 11, поднимаются вверх к конфузору 15, в шейке 16, сжимается струя горячего воздуха, тем самым усиливает эффект микроаэродинамического движения и кампрессионного нагрева восходящих потоков, при этом за шейкой 16, конфузора 15, образуется завихрение струи воздуха, которое также усиливает локальный нагрев воздуха и усиливает силу восходящего потока, которые поступают в полость 10, ловушки 9, где дополнительно создают турбулентность и разогрев воздушных потоков, способствуют активному разогреву поверхности накопителя и спая проводника 14, далее нагретый воздух поступает в цилиндрическое отверстие ловушки 9, откуда распространяется за границы прибора в окружающую среду.

Второй пример реализации уловителя

При температуре теплоносителя от 20°С и выше предлагается выполнить новое устройство уловителя 17, верхняя часть которого выполнена в виде диффузора 18, с шейкой 19, а в цилиндрической полости содержатся один и более конфузоров 24, которые работают по принципу образования восходящих турбулентных потоков воздуха с разным давлением по высоте. В раструб 25, под давлением силы восходящих потоков, через продувные отверстия 26, поступает воздух в кольцевую пазуху конфузора 24, смешивается с разогретым воздухом и вентилируется, при этом свободная конвекция получает дополнительный компрессионный нагрев и ускоренное движение массы воздуха до следующего конфузора, в котором процессы нагрева под воздействием внутреннего излучения тепла усиливаются, что обеспечивается шейкой 19 диффузора 18, на котором закреплен спай 20, получающий тепло от стальной стенки, генерирует «термо-ЭДС», на проводник 21, и холодный спай 22, закрепленном на холодном сегменте 23, где осуществляется локальный нагрев нижней части уловителя, тепло которого излучается на восходящие потоки холодного воздуха, тем самым в первый конфузор восходящие потоки воздуха поступают частично разогретые от сегментов 23 уловителя 17.

Разогретый воздух шейки 19 поступает в окружающую среду, а передаваемое тепло спаю 20 практически увеличивает возможность нагрева воздуха. В данной конструкции устройства уловителя 17 использование восходящих тепловых потоков может частично преобразоваться в электрический ток, который будет равняться пропорционально разности температур спаев.

Промышленная применимость

Опытная система отопления на одном из промышленных цехов, где описанная конструкция системы отопления прошла успешное испытание с экономическим эффектом до 60% и запускается к промышленному внедрению на другие предприятия. Преобразованный электрический ток может использоваться в научных целях, или для подсвечивания собственных систем отопления и для других потребностей, кроме того, данные приборы отопления используют на 30-70% теплоносителя меньше других аналогичных устройств, при этом внутренняя стенка герметичного корпуса дополнительно излучает сфокусированное тепло на 1°С и более относительно теплоносителя, поступающего в прибор, тем самым обеспечивается увеличенная теплоотдача.

1. Отопительный прибор конвекционного типа, содержащий соосные трубы, соединенные по торцам неразборным швом, и штуцеры для подвода и отвода теплоносителя, отличающийся тем, что содержит три соосные трубы, которые образуют герметичную полость, причем торец наружной трубы выполнен с наклоном к центру под углом 40-70°, образуя диффузор, диаметр которого не должен быть меньше наружного диаметра внутренней трубы, при этом на кольцевой плоскости наклонного торца к центру содержится гидроупорная кольцевая канавка глубиной радиуса от 1 до 10 мм, а ответный торец внутренней трубы выполнен с наклоном от центра под углом 20-60°, которые образуют первый герметичный разъемный стык, другой конец внутренней трубы содержит резьбу для обеспечения герметичного соединения со второй частью развальцованной трубы и образования второго разъемного герметичного стыка, во внутренней полости прибора симметрично по центру токонепроводящими распорками закреплен уловитель тепловых лучей, в верхней своей части вывернутый в виде чулка вовнутрь с зазором относительно полого цилиндра секции и образующий открытую, по направлению вниз, кольцевую полость-накопитель, ниже которой выполнены шейки и конфузоры, верхний торец внутренней трубы образованного герметичного корпуса перед наклоном от центра и уловитель перед торцом соответственно содержат верхние горячие медные спаи с проводниками, направленными к холодному нижнему медному спаю на сегментах уловителя, выполненных из стали, а штуцеры для подвода и отвода теплоносителя крепятся сваркой с внутренней стороны наружной трубы сплошным швом по кругу, альтернативный вариант уловителя выполнен внутри с равномерно-расположенными конфузорами, а верхняя часть выполнена в виде диффузора с удлиненной шейкой, на которой по кругу размещены медные спаи с проводниками и соединены с нижними спаями, расположенными на сегментах уловителя, причем раструб конфузора по кругу содержит перепускные отверстия, выполненные перпендикулярно окружности раструба.

2. Отопительный прибор по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический корпус уловителя в нижней части содержит сегменты высотой от 5 до 40 мм в количестве не более выполненных горячих спаев, которые передают термо-ЭДС через холодный спай на выполненные сегменты из стали, причем тело уловителя удерживается по центру токонепроводящими распорками, которые выполнены в верхней части корпуса и в районе резьбового соединения.

3. Способ увеличения теплоотдачи отопительным прибором, включающий разогрев воздушной среды, проходящей через цилиндрическую полость прибора, отличающийся тем, что дополнительный нагрев восходящих потоков выполняется путем фокусирования лучей тепловой энергии от стенки внутренней трубы на наружную стенку цилиндрического уловителя, размещенного в центре цилиндрической полости корпуса с зазором по диаметру от 3 до 30 мм, между которыми восходящий поток воздуха воспринимает отраженное излучаемое цилиндрическими стенками тепло, причем проникаемое через тело тепло на внутреннюю цилиндрическую стенку уловителя в свою очередь фокусирует излучение тепловых лучей в центр, где дополнительно нагревается восходящий поток воздуха, проходящий по объему полости уловителя, а конфузоры по высоте шейки сжимают нагретый воздух, который за стенкой шейки завихряется и создает турбулентное движение нагретого потока, причем нагретый поток воздуха равномерно распространяется в каждой полости выше конфузора соответственно с нарастающим давлением по высоте за каждым конфузором, что создает дополнительное ускорение движения воздуха и его дополнительный нагрев.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что локальный дополнительный нагрев стальных сегментов уловителя тепловых лучей выполняется путем образования и передачи термо-ЭДС от верхнего нагретого медного спая к нижнему холодному медному спаю, посредством медного проводника, причем на один нижний холодный спай крепятся один и более проводников от спаев с горячей кольцевой поверхности, которые увеличивают коэффициент термо-ЭДС на количество присоединенных проводников.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что корпус уловителя выполнен ловушкой с кольцевым накопителем горячего воздуха, короче основного корпуса на 50-80% и содержит один или более одного равномерно расположенных конфузоров, причем они расположены ниже торца ловушки с зазором от одного диаметра шейки и более, конфузор с удлиненной шейкой, высота которой соответствует высоте раструба, где выполняется компрессионно-лучевой разогрев воздуха до температуры теплоносителя.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что цилиндрическая стенка внутренней трубы герметичного корпуса фокусирует излучение тепловых лучей на всю свою высоту от 1°С и выше относительно температуры теплоносителя и передает тепловые лучи на цилиндрическую стенку уловителя, а токонепроводящая распорка, выполненная в районе верхней части резьбового соединения, способствует компенсации линейного расширения деталей устройства и предотвращает переток электрических токов с одного тела на другое.