Способ получения тепловой энергии из электрической и устройство для его осуществления

(51) 24 1/16 (2006.01) 24 1/20 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Устройство для осуществления способа получения тепловой энергии из электрической содержит корпус 1 с крышкой 2, патрубок 3 для входа холодной воды и патрубок 4 для вывода горячей воды, электронагревательный элемент 5,реле давления 6. Корпус имеет теплоизоляцию 7. Все свободное пространство корпуса наполнено сухой сыпучей смесью 8, выполняющей роль аккумулятора тепла. Нагреваемая среда протекает по трубопроводу 9. Способ получения тепловой энергии из электрической осуществляют следующим образом. При включении устройства в сеть электронагревательное устройство 5 нагревается до температуры на 30 превышающей требуемую температуру нагрева среды. Теплоноситель(теплоаккумулирующее вещество) - сухая сыпучая смесь 8 аккумулирует вырабатываемое электронагревательным устройством тепло, которое затем воспринимается теплосъемной поверхностью трубопровода 9, который находится в погруженном состоянии в сухую сыпучую смесь. Нагретая среда перемещается по выходной трубе 4 к потребителю.(76) Кимолаев Тлеубек Сарсембаевич Зубов Валерий Николаевич(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к теплоэнергетике и теплообменной технике, а именно, к нагреву жидкой среды и может быть использовано для получения горячей воды для бытовых нужд. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений,является снижение потребления электроэнергии и удельной мощности источника тепловой энергии за счет использования в качестве теплоаккумулирующей среды сухой сыпучей смеси. Изобретение относится к теплоэнергетике и теплообменной технике, а именно, к нагреву жидкой или газовой среды и может быть использовано, в частности, для получения горячей воды для бытовых нужд. Известен способ получения тепловой энергии из электрической для обогрева, заключающийся в том,что берут нагревательный элемент, помещают его в окружающее пространство, подводят электрический ток и доводят нагревательный элемент до яркого свечения, включают электровентилятор, обдувают поверхность нагревательного элемента и нагревают воздух помещения (Лепаев Д.А. Справочник слесаря по ремонту бытовых электроприборов и машин. М. Легпромбытиздат, 1988, с.51-52). Однако способ отличается низкой экономичностью из-за высокого потребления электроэнергии небольшого теплосъема в единицу времени ввиду малой теплосъемной поверхности низкого КПД. Кроме этого, использование открытого нагревательного элемента, например,нихрома, ухудшает качественный состав воздуха обогреваемого помещения. Известен также способ получения тепловой энергии из электрической для нагрева,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 устройство типа ТЭН, подводят к нему электрический ток и обогревают выделяемым теплом окружающую среду, например воду(КитаевЕ.В.,Гревцев Н.Ф. Курс общей электротехники. - М. Советская наука, 1945, с.27). Недостатками известного способа являются высокое потребление электроэнергии небольшой теплосъем в единицу времени из-за малой теплосъемной поверхности низкий КПД и высокие значения удельной мощности. Известно устройство для охлаждения или нагрева газообразных сред (Патент РФ 2299380,опубл. 20.05.2007). Данное устройство содержит теплоизолированный резервуар с входным и выходным патрубками, между которыми размещено аккумулирующее вещество в виде гранул различного диаметра. Недостатки устройства является то, что оно используется для подогрева газообразной среды и не подходит для подогрева воды, а также цикличность работы теплообменника. Известен проточный электроводонагреватель(Патент РФ 2269068, МПК 24 1/20, опубл. 2006.01.27). По данному изобретению в проточном электроводонагревателе,содержащем корпус,установленный в корпусе теплообменный модуль,состоящий из кожуха с трубчатым электронагревательным элементом внутри и связанным с входным и выходным патрубками, реле давления, термовыключатель, светосигнальную арматуру,согласно изобретению кожух 2 теплообменного модуля образован герметично соединенными между собой панелями, в каждой из которых выполнены выштамповки, примыкающие при соединении панелей друг к другу и образующие каналы для прохода жидкости и установки трубчатого электронагревательного элемента, при этом форма и протяженность каналов соответствуют форме и протяженности электронагревательного элемента. Недостатком данного электроводонагревателя является сложность изготовления,большое потребление электрической энергии. Наиболее близким техническим решением заявленного изобретения по совокупности существенных признаков является способ получения тепловой энергии из электрической,включающий размещение резистивного электронагревательного элемента в окружение теплоаккумулирующего вещества, изолированного вместе с электронагревательным элементом в своем объеме от окружающего пространства теплосъемной поверхностью с образованием нагревательного устройства,размещение полученного одного или более нагревательных устройств в окружающее обогреваемое пространство, подвод к электронагревательному элементу электрической энергии и омывание теплосъемной поверхности устройства теплоносителем, в качестве которого использован воздух из помещения. При этом в качестве теплоаккумулирующего вещества используют твердое внутри поверхности электронагревательного элемента и газообразное вне поверхности электронагревательного элемента вещество (воздух), увеличение общего рабочего теплосъема нагревательного устройства в целом достигают за счет сопряженного между собой увеличения(развития) исходной площади поверхности теплосъема электронагревательного элемента,объема газообразного теплоаккумулирующего вещества вокруг него,площади самой теплосъемной поверхности нагревательного устройства, через создание зазора(расстояния) между этими рабочими поверхностями за счет интенсивности омывания теплосъемной поверхности нагревательного устройства воздухом из помещения, а также путем регулирования параметров электрического тока на электронагревательном элементе, (Патент РФ 2151346, МПК 24 Н 7/00, 7/02, 7/04, опубл. 20.06.2000, бюл. 17). Недостатками известного способа получения тепловой энергии из электрической являются высокое электропотребление и невозможность использования для горячего водоснабжения бытовых потребителей. Наиболее близким техническим решением заявленного изобретения по совокупности существенных признаков также является устройство для получения тепловой энергии из электрической поточный электрический водонагреватель (ЭВН)(поточный водонагреватель. Руководство по эксплуатации) предназначенный для получения горячей воды в бытовых целях. Электрический водонагреватель состоит из корпуса, внутри которого установлен медный цилиндр с нагревательными элементами, входного патрубка холодной воды, выходного патрубка горячей воды, реле давления и теплового предохранителя. В комплект ЭВН в зависимости от места установки также могут входить душевая насадка или излив (кухонный кран). Вода нагревается, проходя через медный цилиндр, в котором расположены нагревательные элементы. Требуемая температура достигается регулировкой потока воды. После подачи воды в ЭВН и установления минимально допустимого давления(0,05 МПа), датчик давления автоматически включит термоэлектрические нагреватели (ТЭНы),на что укажет свечение индикатора клавиши сетевого включения. При уменьшении давления поды на входе ниже минимально допустимого датчик давления отключит ТЭНы, соответственно,индикаторы погаснут, нагрев прекратится. Для защиты от перегрева воды ЭВН снабжен тепловым предохранителем, установленный на медном цилиндре. Недостатками данного проточного водонагревателя являются 1. Высокое потребление энергии от 3,5 до 7,0 кВт. 2. Проточный водонагреватель устанавливается только в одной точке водопроводной системына кухне или в ванной, его нельзя врезать в систему,чтобы получить горячую воду во всех кранах в квартире. 3. Электрически небезопасен,т.к. при возможном коротком замыкании может произойти контакт электричества с нагреваемой водой. Кроме того, общим недостатками проточных электрических водонагревателей являются малая производительность, сложность в эксплуатации(требует специальной электропроводки, сложно регулировать температуру воды) и узкий диапазон температур нагреваемой воды (от 16-18 С до 35 С). Задачей, на решение которой направлена предлагаемая группа изобретений,является создание способа и электробезопасного устройства для нагрева воды с применением проточной системы движения нагреваемой среды,с уменьшенным потреблением электроэнергии,большой производительности,простого в эксплуатации, обеспечивающего более широкий диапазон температур нагреваемой воды. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений,является снижение потребления электроэнергии и удельной мощности источника тепловой энергии за счет использования в качестве теплоносителя(теплоаккумулирующей среды) сухой сыпучей смеси. Указанный технический эффект достигается тем,что в известном электроводонагревателе,содержащем корпус, установленное в корпусе электронагревательное устройство, входной и выходной патрубки, канал для прохода жидкости,реле давления, термовыключатель, светосигнальную арматуру, согласно изобретению канал для прохода нагреваемой среды представляет собой металлический трубопровод, уложенный вокруг электронагревательного устройства в виде восходящей спирали, а свободное пространство корпуса устройства заполнено теплоносителем(теплоаккумулирующим веществом), в качестве которого может быть использована сухая сыпучая смесь, например, речной или морской песок. Согласно изобретению внутри корпуса устройства для получения тепловой энергии из электрической по центру устанавливают электронагревательное устройство (ТЭН), вокруг него дополнительно в виде восходящей спирали укладывают трубопровод с нагреваемой средой,оставшееся свободное пространство заполняют теплоносителем (теплоаккумулирующей средой),при этом передача тепла осуществляется за счет теплопередачи от нагретого объема теплоносителя к поверхности трубопровода с нагреваемой средой. Применение сухой сыпучей смеси в качестве теплоносителя(теплоаккумулирующей среды) вместо прямого нагревания среды, проходящей по трубопроводу посредством электронагревателя дает возможность снизить потребление электроэнергии за счет использования энергии аккумулированного тепла в 3-4 раза, обеспечивает электробезопасность устройства за счет отсутствия электрического контакта между нагревательным устройством и трубопроводом с нагреваемой средой. В качестве изоляционного материала для изоляции корпуса устройства от внешней среды можно использовать любой изоляционный материал. Устройство обеспечивает получение горячей воды с температурой до 100 С, можно получить и пар. Производительность устройства зависит от давления воды в системе и может достигать 1012 л/м, т.е. обеспечивает получение горячей воды в объеме, достаточном для мытья посуды, помывки под душем, а также для принятия ванны. Устройство может применяться везде, где требуется горячая вода, а также там, где востребован нагрев других жидкостей, в том числе едких и токсичных, а также газообразных сред,например, воздуха. Способ получения тепловой энергии из электрической может быть использован в посудомоечных и стиральных машинах при условии внесения небольших конструктивных изменений. При этом могут быть использованы нагреватели меньшей мощности. Практические габариты устройства могут составить 20018090 мм. Потребляемая мощность - не более 1,5 кВт. Устройство удобно в эксплуатации - нет необходимости проводить специальную электропроводку, т.к. устройство работает от обычной электророзетки. Кроме того, устройство легко подключается к существующей системе 3 водопровода, в частности, к смесителю холодной и горячей воды,тогда как существующие электроводонагреватели снабжаются собственным шлангом и специальным душевым устройством при выходе которого из строя эксплуатация водонагревателя становится невозможным, т.к. нельзя его купить и заменить на другое. Нагрев холодной воды осуществляется за счет теплопередачи от нагретой поверхности сухой сыпучей смеси к поверхности трубопровода с нагреваемой средой. Оптимальный нагрев электронагревательного устройства на 30 выше требуемой температуры нагрева среды. Увеличение общего рабочего теплосъема достигают за счет размещения трубопровода с нагреваемой средой в виде спирали, уложенной вокруг нагревательного устройства и увеличения,вследствие этого исходной площади поверхности съема теплопередачи и полного заполнения всего свободного объема корпуса устройства теплоносителем(теплоаккумулирующим веществом). В примере реализации способа и устройства для получения тепловой энергии из электрической были использованы холодная вода, термоэлектрические нагреватели (ТЭНы), в качестве сухой сыпучей смеси использовались речной песок и др. материалы. Результаты испытаний показали, что количество горячей воды на выходе устройства(производительность, л/мин) при незначительном потреблении электроэнергии зависит от давления водопровода холодной воды. Предлагаемые способ получения тепловой энергии из электрической и устройство для его осуществления иллюстрируются чертежом, где на фиг.1 схематически представлен общий вид устройства. Устройство для осуществления способа получения тепловой энергии из электрической содержит корпус 1 с крышкой 2, патрубок 3 для входа холодной воды и патрубок 4 для вывода горячей воды, электронагревательное устройство 5,реле давления 6. Корпус имеет теплоизоляцию 7. Все свободное пространство корпуса заполнено теплоносителем 8 - сухой сыпучей смесью,выполняющей роль теплоаккумулирующего вещества. Нагреваемую среду пропускают по трубопроводу 9,уложенному вокруг электронагревательного устройства в виде восходящей спирали. Электронагревательное устройство 5 связано с реле давления воды 6, терморегулятором,светосигнальным индикатором и содержит клеммы электропитания (не показано). Питание устройства осуществляется от электросети напряжением 220 В, промышленной частоты 50 Гц. Холодная вода подается во входной патрубок 3,при этом реле давления 6 срабатывает, включает микропереключатель (не показано), который замыкает электрическую сеть,включая электронагревательное устройство 5. Включается светосигнальный индикатор,информирующий 4 потребителя о рабочем состоянии устройства. При уменьшении давления жидкости в сети или ее отсутствии срабатывает реле давления 6 и отключает посредством микропереключателя электропитание электронагревательного устройства 5. Холодная вода, проходя по трубопроводу 9 нагревается до требуемой температуры за счет тепла, аккумулированного теплоносителем. Горячая вода выводится по патрубку 4. Подачей электрического тока на электронагревательное устройство управляет терморегулятор (не показан), который при достижении заданной температуры жидкости отключает электропитание на управляющий электрод полупроводникового прибора (теристора),через который проходит электрический ток на электронагревательное устройство,а при понижении температуры жидкости включает электропитание. Также в схему управления входит реле давления, которое отключает водонагреватель при отсутствии давления жидкости, либо при избыточном давлении. В качестве электронагревательного устройства 5 может быть использован термоэлектронагреватель(ТЭН). Способ получения тепловой энергии из электрической осуществляют следующим образом. При включении устройства в сеть электронагревательное устройство 5 нагревается до температуры на 30 превышающей требуемую температуру нагрева воды. Теплоноситель(теплоаккумулирующее вещество) - сухая сыпучая смесь 8 аккумулирует тепло, которое затем воспринимается теплосъемной поверхностью трубопровода 9, который находится в погруженном состоянии в сухую сыпучую смесь. Нагретая вода перемещается по выходной трубе 4 к потребителю. Достижение указанного технического результата обеспечивается только при строгом неразрывном и взаимосвязанном выполнении всех существенных признаков заявленной группы изобретений. Кроме указанного достигаемого технического результата необходимо также отметить следующие достоинства предлагаемого устройства по сравнению с прототипом и аналогами высокий КПД низкое потребление электроэнергии низкое значение удельной мощности регулируемое количество нагретого теплоносителя электробезопасность за счет отсутствия электрического контакта между нагреваемой водой и электронагревательным устройством. Таким образом,приведенные сведения показывают, что при осуществлении заявленной группы изобретений выполняются следующие условия способ и устройство,воплощающие изобретения при их осуществлении, предназначены для использования в быту для горячего водоснабжения- для заявленных изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств и методов- средства, воплощающие изобретения при их осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата. Следовательно,заявленные изобретения соответствуют условию патентоспособности промышленная применимость. Преимуществами заявляемого проточного электроводонагревателя является- электробезопасность, за счет отсутствия электрического контакта между нагреваемой жидкостью и электронагревательным элементом меньшее потребление электроэнергии,минимальная потребляемая мощность оставляет 1,5 кВт,тогда как существующие электроводонагреватели потребляют от 3 кВт и больше большая производительность до 12 л/мин. При такой производительности можно набрать ванну и помыться в ней простота в эксплуатации. Электроводонагреватель подключается к смесителю холодной и горячей воды, тогда как существующие водонагреватели предусматривают собственный шланг и душевую насадку. Кроме того, заявляемый водонагреватель не требует специальной электроподводки и может работать от обыкновенной розетки на 220 В- более широкий диапазон температур нагреваемой воды. Если существующие проточные водонагреватели нагревают воду до температуры 35 С, то заявляемый может нагреть воду практически до кипения. Аппарат надежен, технологичен. Использование предлагаемой группы изобретений для горячего водоснабжения позволит обеспечить получение горячей воды за счет использования эффективного теплоаккумулирующего материала и увеличения теплоаккумулирующей поверхности снизить потребление электроэнергии в 5-10 раз по сравнению с известными техническими решениями увеличить срок службы устройства, т.к. нагрев происходит в замкнутом теплоизолированном пространстве, что ускоряет весь процесс нагревания до задаваемых температур создать электробезопасный электронагреватель с высоким КПД. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1.Способ получения тепловой энергии из электрической,включающий размещение электронагревательного устройства в окружение теплоаккумулирующего вещества, изолированного вместе с электронагревательным элементом в своем объеме от окружающего пространства теплосъемной поверхностью с образованием нагревательного устройства в окружающее обогреваемое пространство,подвод к электронагревательному элементу электрической энергии и окружение теплосъемной поверхности нагревательного устройства теплоносителем,отличающийся тем, что в обогреваемом пространстве заполненном теплоносителем дополнительно размещают трубопровод,по которому пропускают нагреваемую среду,трубопровод укладывают вокруг нагревательного устройства в виде восходящей спирали, передачу тепла от нагревательного элемента к нагреваемой жидкости осуществляют через стенки трубопровода посредством теплоносителя, находящегося в твердом агрегатном состоянии, и заполняющего свободное пространство вокруг нагревательного устройства и трубопроводов для протекания нагреваемой среды, а в качестве теплоносителя используют сухую сыпучую смесь. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве нагреваемой среды может выступать жидкая или газообразная среда. 3. Устройство для получения тепловой энергии из электрической, содержащее корпус, во внутренней камере которого размещено электронагревательное устройство, подключенное к источнику питания, входной и выходной патрубки,трубопровод для протекания нагреваемой среды,реле давления, термовыключатель, светосигнальную арматуру,отличающееся тем,что электронагревательное устройство размещено в геометрическом центре камеры корпуса,трубопровод для протекания нагреваемой среды равномерно уложен вокруг электронагревательного устройства в виде восходящей спирали, свободное пространство камеры корпуса заполнено теплоносителем(теплоаккумулирующим веществом) от которого тепловая энергия передается нагреваемой среде, а реле давления, термовыключатель, светосигнальная арматура размещены в самостоятельном блоке. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что электронагревательное устройство представляет из себя темный электронагреватель ТЭН. 6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что корпус с внутренней стороны покрыт теплоизоляционным материалом.