Область техники

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к секционным обогревателям и системам отопления с использованием электрических нагревателей. Заявляемое решение может быть использовано как для основного, так и дополнительного обогрева жилых, общественных и производственных помещений - при конструировании электронагревательных устройств с номинальной мощностью, не превышающей 3кВт.

Уровень техники

Из уровня техники известны различные решения, направленные на осуществление нагрева и обогрева различных бытовых или промышленных помещений.

Существуют устройства и способы в которых применяются системы обогрева с использованием теплоносителя с осуществлением нагрева последнего, например, системы с использованием твердотопливных (Ю.Л. Гусев. Основы проектирования котельных установок. М., Стройиздат, 1973, с. 239-241) или газовых патент РФ №2452906, №2652974 котлов недостатками подобных систем являются громоздкость конструкции и необходимости использования трубопроводов.

Известны различные электронагревательные устройства, например: по патенту РФ №2124819, в котором описано устройство содержащее нагревательные секции, вертикально установленные в защитном кожухе с зазором между собой и состоящие из каркаса с наложенным на него электроизоляционным материалом. Поверх последнего с зазорами между витками навита нагревательная лента, электрически связанная с электросетью. Под нагревательными секциями установлен нижний отражающий экран, укрепленный на защитном кожухе с возможностью регулирования расстояния между ним и нагревательными секциями. Между нагревательными секциями и защитным кожухом по его периметру вертикально установлен боковой отражающий экран; устройство для обогрева по патенту РФ №2217664, состоящее из прямоугольных или квадратных панелей из металла, предпочтительно алюминия, каждая из которых с задней стороны снабжена изолирующей панелью, содержащее электрический нагревательный кабель, уложенный зигзагообразными участками под обогреваемой поверхностью. Собранные панели уложены на основание вплотную друг к другу в согласованном положении; обогревательное устройство по патенту РФ №2318165, содержащее множество нагревательных панелей, установленных в корпусе на одинаковом расстоянии друг от друга. Корпус имеет множество проемов. Каждая нагревательная панель содержит нагревательный слой, который заключен между двумя изоляционными пластинами, два провода, соединенные с нагревательным слоем. Каждый провод имеет вторые соединители для соединения с первыми соединителями шины электропитания устройства регулирования электропитания, соединенного с корпусом; электронагревательная панель системы отопления, по патенту РФ №44025 содержащая корпус, разъем-вилку и разъем-розетку, между которыми включен нагревательный элемент, содержащий изолированный греющий кабель, закрепленный на корпусе посредством изоляторов, и кожух панели, при этом разъем-вилка снабжена контактами для подключения к питающей электрической сети, а разъем -розетка - контактами для подключения к последующим панелям системы , разъемы электрически соединены между собой и снабжены шинами для заземления, нагревательный элемент дополнительно содержит второй изолированный греющий кабель, разъемы снабжены контактами для параллельного соединения кабелей нагревательного элемента.

В электронагревательных устройствах обогрева используется различный наполнитель - теплоноситель которые аккумулирует и передает тепло на корпус устройства, например: жидкость (вода, масло), сыпучие или твердые теплоносители. Помимо этого, используются различные решения, относящиеся к корпусам обогревателей, это касается и формы изделий и материалов изготовления корпусов. Наиболее популярны варианты выполнения металлических корпусов обогревателей, но последнее время растет популярность керамических нагревательных элементов, например, из смеси кварцевого песка и мраморной крошки, скрепленных цементным раствором при этом существуют и керамические обогреватели среди которых есть те, в которых твердый теплоноситель является и наполнителем и корпусом устройства например решение по патенту РФ № 152820.

Так же известны: электронагреватель патент РФ №2074522, содержащий монолитный прямоугольный корпус из изоляционного материала на основе песка и цемента, в котором заделано два нагревательных элемента, соединенных друг с другом последовательно и имеющих секции не менее двух. Недостатками данного устройства являются сложность сборки и ремонтопригодности, а также необходимость изолировать нагревательные элементы при заделке их в песочно-цементную смесь; бытовое электронагревательное устройство Патент РФ №32951, в котором корпус выполнен в виде рамки таврового сечения с боковой поверхностью из готовых керамических плиток, спиральный нагревательный элемент прикреплен к рамке посредством кронштейнов, а полость заполнена песчано-цементной смесью. Устройство имеет достаточно простую конструкцию, однако установка готовых керамических плиток на поверхности нагревателя не обеспечивает надежности их закрепления из-за разности температуры на середине плоской поверхности и по ее краям.

Ближайшим аналогом заявляемого устройства является электронагреватель патент РФ №106479, содержащий монолитный прямоугольный корпус из изоляционного бетонного материала на основе кварцевого песка и цемента, в который равноудалено от нагреваемых поверхностей заделан нагревательный элемент с числом секций не менее двух и выполненный в виде зигзага при этом в качестве песка использован очищенный от органических примесей кварцевый песок, а нагревательный элемент выполнен в два яруса и заделан без зазоров в песчано-цементную смесь, которая после затвердевания служит корпусом, на торцевой части которого расположена окантовка из алюминиевого таврового профиля в виде рамки с установленной в нем втулкой в месте выводов жил питающего провода, два из которых соединены с концами нагревательного элемента внутри рамки, а третий присоединен к рамке с внутренней стороны.

Недостатками известных решения является сложность, себестоимость конструкции и большой расход энергоресурсов.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, получение простого по конструкции экономичного устройства обогрева помещений.

Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что в предложенном решении используются общестроительные материалы с простой по сравнению с аналогами сборкой. Для достижения указанного технического результата предлагается секция электрообогревателя, состоящая из корпуса, представляющего собой короб в виде прямоугольной рамки из алюминиевых профилей, основания которых закрывают торцевые стороны секции, и стороны которых жестко скреплены с листами профнастила толщиной от 0,8 до 1,2 мм, нагревательного элемента, из низкоуглеродистой стальной проволоки диаметром от 0.8 до 1.5 мм накрученной спиралью с шагом от 2 до 3 мм, равномерно расположенного витками внутри короба по всей площади секции с расстоянием между соседними витками от 10 до 40 мм, датчика температуры расположенного внутри секции и соединенного с терморегулятором, теплоносителя в виде застывшей песко -цементной смеси с соотношением песка от 65% до 70 %, цемента от 30% до 35% при этом между нагревательным элементом и листами короба расположен по меньшей мере тройной слой сетки из стекловолокна с ячейкой не более 4 мм, расстояние от нагревательного элемента до листов короба составляет от 4 до 10 мм, расстояние от нагревательного элемента до профилей короба - не менее 10 мм, нагревательный элемент клеймами соединен с проводом электропитания, выведенным наружу через жестко установленную в профиле короба керамическую втулку.

Так же предлагается способ изготовления секции электрообогревателя заключающийся в изготовлении корпуса секции путем жесткого крепления одного из листов профнастила к прямоугольной рамке из алюминиевого профиля с образованием короба, укладывании как минимум тройного слоя сетки из стекловолокна с ячейкой не более 4 мм на внутреннюю сторону листа профнастила в коробе, в заливке раствором песко-цементной смеси поверх уложенной сетки из стекловолокна на глубину от 3 до 5 мм, укладывании поверх раствора витками по всей площади секции с расстоянием соседними витками от 10 до 40 мм нагревательного элемента из низкоуглеродистой стальной проволоки диаметром от 0.8 до 1.5 мм, накрученной спиралью с шагом от 2 до 3 мм, размещении датчика температуры внутри секции и соединение его с терморегулятором, в изолировании концов нагревательного элемента и клеммовом соединении его с электропроводом, установке керамической втулки в профиль короба для вывода электропровода, заливке внутренней полости короба раствором песко -цементной смеси с последующей сушкой в естественных условиях до момента отсутствия электроконтакта нагревательного элемента с корпусом, при этом пескоцементная смесь имеет соотношение песка от 65% до 70 %, цемента от 30% до 35%, и в и жестким креплением второго листа профнастила к коробу.

В предпочтительном варианте листы профнастила в корпусе расположены так, чтобы рёбра жёсткости были параллельны длинным сторонам секции.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:

Значительно увеличивается скорость сборки секции обогревателя;

Значительно возрастает экономичность электроэнергии при высокой теплоотдачи за счет применения нагревательного элемента из низкоуглеродистой стали;

Простота конструкции и используемые материалы упрощают ремонтопригодность при значительной экономии затрат на производство и ремонт.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан вид сверху заявляемой секции устройства, где цифрой обозначен:

1- Профиль, каркас На фиг. 2 показан вид сбоку заявляемой секции устройства, где цифрой обозначен:

2- Корпус из листов профнастила

На фиг. 3 показана схема заявляемого устройства, в разрезе, где цифрами обозначены:

1- Профиль, каркас;

2- Корпус из листов профнастила

3- Сетка из стекловолокна

4- Спираль нагрева

5- Наполнитель, теплоноситель нагревателя

6- Крепление

На фиг. 4 показана схема системы отопления состоящей из 6 секций электрообогревателей (С1-С6)

Осуществление и примеры реализации изобретения

Предлагаемое решение может быть представлено системой отопления которая включает минимум одну секцию электрообогревателя.

Секция электрообогревателя по фигурам 1-3 состоит из корпуса 2, выполненного из металлических листов, предпочтительно профилированных толщиной от 0,8 до 1, 2 мм закрепленных на алюминиевых профилях 1 посредством заклепок, саморезов, болтов и пр. при этом торцевые стороны устройства закрыты основаниями профиля 1 на стороны, которого крепятся боковые листы 2, в качестве наполнителя теплоносителя может использоваться застывшая песко-цементная смесь 5, как с различными добавками, так и без них. Соотношения в смеси песок от 65% до 70 %, цемент от 30% до 35%. Используется обычный песок фракции 0.5-1 или кварцевый песок аналогичной фракции.

Между листами 2 корпуса и теплоносителем 5 размещается, как минимум тройной слой сетки 3 из стекловолокна с ячейкой не более 4 мм. Нагревательная спираль 4 представляет собой низкоэглеродную стальную проволоку (оптимальный вариант СтЗ) диаметром от 0.8 до 1.5 мм накрученную спиралью с шагом от 2 до 3 мм.

Оптимальный шаг витков проволоки при этом составляет от 10 до 40 мм Расстояние от нагревательного элемента (спирали) 4 до металлических листов 2 корпуса может составлять от 4 до 10 мм. Расстояние от нагревательного элемента 4 до профилей 1 корпуса должно быть не менее 10 мм.

Нагревательный элемент посредством клейм (не показаны на чертежах) соединяется с проводом электропитания который выводится наружу через профиль 1, при этом исключается контакт провода электропитания или нагревательного элемента и профиля 1 за счет использования керамической втулки (не показана на чертежах) жестко установленной в профиле.

Секция оборудована терморегулятором (не показан на чертежах) жестко установленным на корпусе 2 или профиле 1 с возможностью регулирования температуры более 90 градусов, как с функцией Wi-Fi так и без, соединенным с датчиком температуры расположенным внутри секции, возможны варианты установки терморегулятора отдельно от корпуса устройства.

Секция может содержать встроенное крепление или крепления к стене жестко установленные на листах проф. настила 2 как можно ближе (не более 20 мм) к расположению профиля 1.

При использовании системы отопления состоящей из нескольких секций последние соединены последовательным соединением или смешанным (параллельно-последовательным) фиг. 4 при этом можно использовать один терморегулятор, установленный как на одной из секций, так и отдельно от них. Для отопления жилых помещений применяется комплект из чётного числа нагревающихся электрическим током, от бытовой электросети, плоских щитов-секций, имеющих размеры 600x900x36 мм.

Количество секций в комплекте может быть 6,8 или 10 штук, в зависимости от площади или объёма помещения.

Одна секция рассчитана на обогрев помещения площадью 8 м2 или 20 м3 объёма.

Общее сопротивление секций в комплектах должно быть 90 Ом.

Сопротивление секций в комплекте должны быть равными. Расхождение допускается не более 0,2 Ом.

Способ изготовления секции обогревателя состоит из:

- Изготовления корпуса из проф. Настила, закрепленного на профиле;

- Подготовки нагревательного элемента-спирали из низкоуглеродистой стальной проволоки;

Размещения вну три изготовленного короба, на каждый лист проф. настила, как минимум тройного слоя сетки из стекловолокна (штукатурная сетка с ячейкой не более 4 мм);

- Размещения изготовленной спирали нагрева и датчика температуры;

- Изолирования от профиля выводов нагревательного элемента с подключением к ним кабеля электропитания;

- Заливки раствором;

- Сушки секции;

- Сборки секции - крепление второго листа проф. Настила.

Размеры и модификации Электрическая, стационарная система отопление (в дальнейшем ЭССО) представляет собой комплект "плоских", размером 600x900x36 мм щитов- секций ("батарей"), которые крепятся на стены в жилом помещении и служат для обогрева жилья на протяжении всего отопленного сезона.

Секции крепятся к стенам помещения с зазором между секцией и стеной не менее чем 20 мм. Это необходимо для лучшей конвекции воздуха при работе секции. Нагревается секция электрическим током бытовой сети (220В; 50Гц). Оптимальная площадь помещения или его объем, который одна секция эффективно обеспечивает теплом, отвечая принятым эргономическим требованиям составляет 8 м ² площади или 20 м ² объема помещения. При температуре нагрева каждой секции (+50 °C) комплект, состоящий из четного числа секций (в доме или квартире), полностью обогревает жильё в отопительный сезон.

Секция представляет собой металлический короб размером 600x900x36 мм, внутри которого уложена спираль стальной низкоуглеродистой проволоки. Спираль в коробе залита заполнителем, который после высыхания защищает от механических повреждений, попадание влаги, а также обеспечивает, в силу своей инертности, более плавный нагрев - охлаждение - нагрев, в сравнении с обогревателями с открытой спиралью. Заливка спирали обеспечивает надежную электрозащиту и пожаробезопасность.

Секции в комплекте соединяется последовательно, во избежание возможного электротравматизма каждая секция заземляется. Регулировка температуры нагрева секции осуществляется встроенным в одну из секций комплектом терморегулятора, работающим в режиме «включён-выключен». Этот режим наряду с оптимальным сопротивлением комплекта в 90 Ом даёт возможность устойчивой и экономичной работы ЭССО. Принимая во внимание уже находящиеся в жилом фонде дома и квартиры предлагается три разновидности комплектов: из 6, 8 и 10 секций. Чётное количество выбрано с расчётом применения, наряду с последовательным соединением секций, дающим умеренную и экономичную работу системы, так называемого "повышенного" режима, при котором соединение секций смешанное, т.е. параллельно-последовательное: количество секций делится на 2 группы секций с одинаковым количеством секций в группе. Этот режим можно использовать как вспомогательный, для быстрого прогрева секций. При нагреве секции до +50°С рекомендуется перевести систему на умеренный режим работы системы, т.е. на (режим) когда секции в комнате соединены последовательно. Переход с одного режима на другой осуществляется переключателем .

Из ряда практически изготовленных комплектов выбран материал и диаметр проволоки, применяемой в конструкции нагревательного элемента. Это обычная низкоуглеродистая стальная проволока диаметром 1,2 мм, или как её ещё называют - вязальная. Соединяют секции комплекта медными или алюминиевыми проводами, которые можно скрыть в стенах или же проложить по плинтусам помещения.

Пример Производство секции обогревателя

Из выпускаемых промышленностью профнастила С-80 и профиля П-28 изготавливаем корпус секции. Лист профнастила (размером 598x898мм) вкладываем в прямоугольную рамку из профиля П-28 (размером 600x900x28) согласно чертежа секции (в разрезе). Лист профнастила с рамкой жёстко скрепляем заклёпками или применяем точечную сварку. Причём лист профнастила при укладке в рамку располагаем так, чтобы его рёбра жёсткости были по длине рамки.

Внутрь изготовленного короба - на лист профнастила - укладываем тройной слой сетки из стекловолокна (штукатурная сетка с ячейкой не более 4мм). Эта сетка выполняет роль изолятора спирали от корпуса. С целью монолитности теплоносителя (во избежание образования пустот и лучшей сцепки с сеткой), а также, чтобы выдержать минимальное расстояние от нагревательного элемента до листа корпуса поверх уложенной сетки осуществляют заливку раствором смеси на глубину минимум 3 - 5 мм или же укладываются диэлектрические пластины на которые в дальнейшем будет укладываться нагревательный элемент для поддержания зазора между ним и корпусом. На сетку, или пластины диэлектрика, или слой раствора укладывается изготовленная спираль. Укладка спирали должна быть равномерной в полости короба, чтобы исключались контакты витков спирали друг с другом. Концы спирали должны иметь изолированные от корпуса выводы, к которым будет подаваться напряжение. Уложенную спираль в короб заливаем раствором (допускается обычный строительный цементнопесчаный раствор в соотношении 1 : 3), одно из главных свойств заливаемого раствора - после высыхания и отвердения он не должен растрескиваться при температуре нагрева 100-Э20°С. Этого можно достигнуть и с указанным раствором, применяя химические добавки, имеющиеся в продаже.

Важным этапом изготовления ЭССО является сумма секций. Суммой секций является сопротивление комплекта равное 90 Ом, т.е. для комплекта из 6 секций - 90 Ом, для комплекта из 8 секций - 90 Ом, для комплекта из 10 секций также 90 Ом. Определим длину проволоки, идущей на комплект. Воспользуемся известной формулой: где R - сопротивление комплекта в Ом. g - удельное сопротивление проволоки (в нашем случае для Ст 3 -

1 - длина проволоки в м;

S - поперечное сечение проволоки (1мм ² ).

Тогда: л R*S 90*1

1 = — = - = 450м. g 0,2 Для предлагаемых комплектов длина проволоки составит 450м. Сопротивления секций в комплекте должны быть равными. Данные длин проволоки для секций в предлагаемых комплектах укажем в таблице ниже.

Табл.

Изготовление спиралей для секций особой сложности не представляет.

Для изготовления ЭССО используется следующая последовательность: Изготовление спирали из низкоуглеродистой стальной проволоки диаметром 1,2 мм.

Изготовление корпуса секции.

Укладка и последующая заливка спирали в корпусе секции.

Сушка.

Установка на одной из секций комплекта терморегулятора.

Размещение секций комплекта в отапливаемом помещении и крепления их на стены, а также их соединение согласно электросхемы.

Подключение комплекта к бытовой электросети

Изготовление секции и в дальнейшем системы для обогрева включает следующие этапы:

Для изготовления нагревательного элемента-спирали берём низкоуглеродистую стальную проволоку (СтЗ) диаметром 1,2 мм. Количество проволоки необходимой для изготовления комплекта ЭССО определяем путём не сложных физико-математических расчётов. Учитывая, что для ЭССО более выгодным, из выпускаемых промышленностью профнастила С-80 и профиля П-28, изготавливаем корпус секции. Лист профнастила (размером 598x898 мм) вкладываем в прямоугольную рамку из профиля П-28 (размером 600x900x28), согласно чертежа секции (в разрезе). Лист профнастила с рамкой жёстко скрепляем заклёпками или применяем точечную сварку. Причём лист профнастила при укладке в рамку располагаем так, чтобы его рёбра жёсткости были по длине рамки.

Внутрь изготовленного короба, на лист профнастила, укладываем тройной слой сетки из стекловолокна (штукатурная сетка с ячейкой не более 4 мм). Эта сетка выполняет роль изолятора спирали от корпуса. На сетку укладываем изготовленную спираль. Укладка спирали должна быть равномерной в полости короба, исключая контакты витков спирали друг с другом.

Концы спирали должны иметь изолирование от корпуса выводы, к которым будет подаваться напряжение. Уложенную спираль в короб заливаем раствором (допускается обычный строительный цементно- песчаный раствор в соотношении 1 :3). Одним из главных свойств заливаемого раствора - после высыхания и отвердения он не должен растрескиваться при температуре нагрева 100 - 120°С. Это можно достигнуть и с указанным раствором, применяя химические добавки или используя для смеси Цемент маркировки М 300 или выше.

Важным этапом изготовления ЭССО является сушка секций. Сушку секций производят при условиях обычных для сушки и затвердения цементно- песчаных растворов (оптимальная температура от 15 до 35 градусов, влажность выше 60 %). Секция считается сухой, если полностью отсутствует электро-контакт спирали с корпусом. Это проверяется обычным омметром. На одну из секций комплекта устанавливаем терморегулятор. Способы установки терморегулятора могут быть различными - всё зависит от конструкций терморегуляторов. Не закрытую металлом часть секции необходимо закрыть. Накрывной лист изготовим из известного уже листа профтностила С-80 (размер 600x900 мм), рёбра жёсткости которого расположим по ширине секции. Этот лист будет лицевым или передним. Сочетание расположений рёбер жёсткости переднего листа по ширине секции, а заднего или стенового - по длине секции, даёт ей дополнительные прочные свойства. Накрывной лист крепим к коробу заклёпками, секция готова к работе.

Секции комплекта размещаем в помещении, закрепляя их на стенах. При креплении секции к стенам выдерживаем зазор не менее 20 мм (между секцией и стеной), как необходимые условия обеспечения конвекции. Секции соединяем согласно электросхемы медными или алюминиевыми проводами. После окончания монтажа ЭССО включаем в электрическую сеть. Подключение может быть различным от обычной розетки до различного рода выключателей, рассчитанных на силу тока 6А.

Таким образом, в предложенном изобретении удалось разработать экономичную секцию электрообогревателя производство которой не требует особых затрат и материалов, что дает возможность эффективно и быстро осуществлять сборку и ремонт.