CC BY
42
УДК 022.8:628.8.02
ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ И.Ю.Шелехов1, О.А.Дрянов2, Л.И.Духовный3
1,2Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 3Компания МСЛ,
23100, Израиль, г. Мигдаль-ха-Эмек, Промышленная зона Рамат Габриэль, а/я 470.
Приведены результаты исследований стационарных систем отопления. Представлен анализ работы отопительной системы с естественной вентиляцией. Показано, что при усовершенствовании конструкции с применением плоских полупроводниковых резистивных нагревательных элементов эффективность системы отопления повышается до 60%. Ил.3. Библиогр.6 назв.
Ключевые слова: полупроводниковый резистивный нагревательный элемент; электроконвектор; отопительный прибор.
A HEATER WITH A SEMICONDUCTOR HEATING ELEMENT I.Y. Shelekhov, O.A.Dryanov, L.I. Dukhovny
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074 MSL Company,
Ramat Gabriel Industrial Zone, Migdal Ha'emek, Israel, 23100, P.O. Box 470.
The research results of stationary heating systems are presented. The analysis of the operation of a heating system with natural ventilation is given. It is shown that the improvement of the design with the use of planar semiconductor resistive heating elements increases heating system efficiency to 60%. 3 figures. 6 sources.
Key words: semiconductor resistive heating element; electric convection heater; heater.
Проблема экономии электрической энергии в сфере стационарного отопления является одной из самых актуальных. Согласно проведенным исследованиям, эффективность работы стационарных систем отопления с применением электрических конвекторов составляет от 40 до 60%.
Для повышения эффективности таких систем разработаны новые электроотопительные приборы, удовлетворяющие всем экологическим, санитарным и пожарным требованиям. Практические конструкции отопительных систем, где температура на нагревательном элементе не превышает 120 С, почти не влияют на влажность в помещении, т.е. не пересушивают воздух, не сжигают кислород и пыль, осевшую на нагреватель. Такое отопительное оборудование подключается к сети питания через систему управления, включающую термостат и программирующее устройство, что позволяет регулировать режимы отопления в широком диапазоне рабочих температур.
Электроконвекторы являются самыми распространенными электроприборами. Это обусловлено их низкой себестоимостью, простотой изготовления и монтажа. Электроконвектор представляет собой защитный декоративный металлический кожух с отвер-
стиями снизу для поступления холодного воздуха и жалюзи сверху для выхода нагретого воздуха. В нижней части корпуса монтируется нагревательный элемент (обычно это трубчатый нагревательный элемент), состоящий из токопроводящего компонента, помещенного в керамику и герметично запаянного в стальную трубку. Современные конвекторы могут эксплуатироваться во влажных помещениях, хорошо защищены от брызг воды. Отключение питания не приводит к нарушению функциональных возможностей нагревателей, и после подачи напряжения электроконвектор сразу начинает работать. Современные электроконвекторы, выпускающиеся в основном зарубежными производителями, обеспечивают высокую экологическую и пожарную безопасность, надежны и долговечны. Системы имеют широкий диапазон регулировки температур, высокую точность, возможность контролировать температуру в каждом помещении раздельно. Выход из строя одного конвектора не приводит к нарушению работы всей системы. Оборудование легко ремонтируется, просто в монтаже, экологически безопасно, не выделяет продуктов горения, не изменяет влажность, не сжигает пыль и кислород. Внедрение таких систем идет крайне медленно из-за
1Шелехов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, докторант кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: (3952) 405474, e-mail: promteplo@yandex.ru
Shelekhov Igor, Candidate of technical sciences, Competitor for a Doctor's Degree of the Department of Civil Planning and Economy, tel.: (3952) 405474, e-mail: promteplo@yandex.ru
2Дрянов Олег Анатольевич, инженер, тел.: (3952) 405713, e-mail: fagr@yandex.ru Dryanov Oleg, Engineer, tel.: (3952) 405713, e-mail: fagr@yandex.ru
3Духовный Леонид Изольдович, начальник лаборатории, тел. 97246442666, e-mail: dukhovnyi@gmail.com Dukhovny Leonid, Head of the Laboratory, tel.: 97246442666, e-mail: dukhovnyi@gmail.com
высокой стоимости импортных систем управления.
К недостаткам электроконвекторов следует отнести существенные конвекционные потоки, неравномерность прогрева помещения по высоте, увеличение эксплуатационных затрат на 20-25% по сравнению с теплым полом и излучающими инфракрасными обогревателями. Недостатками известных приборов является то, что основная теплоотдача (90%) осуществляется естественной конвекцией и лишь 10% - радиационным излучением.
Создание оптимальных условий комфортности в рабочей зоне приводит к перегреву верхней части помещения. На рис.1 показано распределение температурных полей в воздушном конвекционном потоке в среднестатистической жилой комнате. Видно, что стационарное отопление с помощью конвекторов создает оптимальные условия на 50% площади. При этом градиент температуры по высоте составлял от 3 до 50С.
Данные исследования проводились с конвекторами фирмы General мощностью 1,5 кВт со встроенным термостатом. У отечественных конвекторов, которые массово выпускаются на российских заводах, есть недостаток, ограничивающий область их применения из-за санитарно-технических норм, - это высокая температура на применяемом нагревателе. Температура открытой спирали 600-900оС, трубчатого нагревателя 450-500 оС, что вызывает "осушивание" воздуха, при-горание и разложение пыли на нагревателе, повышает степень пожароопасности. Поэтому, несмотря на значительную стоимость, наибольшее распространение в квартирах и офисах в настоящее время получили масляные (или маслонаполненные) радиаторы. Их преимущество в невысокой температуре нагрева корпуса (около 60 оС). Из общего объема электроотопительной техники для стационарного отопления, которую выпускают российские производители, масляные радиаторы составляют лишь 7%. По данным Госкомстата в Российскую Федерацию ввозится электроотопительной техники на сумму более 244 млн дол. США, а экспортируется - на 19 млн дол. США, из них 17 млн - в страны СНГ.
Производство современных электронагревательных приборов должно отвечать всем необходимым экологическим, социальным, экономическим и др. нормам. В европейских странах внедрена специальная маркировка энергоэффективности оборудования. Ее суть в том, что на основе анализа и тестирования энергопотребления оборудования в группе изделий каждому из них присваивается определенный индекс энергоэффективности, фиксируемый в технической документации. Изделия, имеющие низкий класс энергоэффективности (F и G), запрещены на ввоз в ЕС, поэтому, импортная отопительная техника превалирует на отечественном рынке более чем в 100 раз.
Нами была разработана и испытана конструкция конвектора с полупроводниковым резистивным нагревательным элементом, который представляет альтернативу импортным конвекторам и масляным радиаторам. Её можно использовать в качестве основной системы, а также в качестве дополнительной системы обогрева помещения. Температура на нагревательном
элементе может быть ограничена на уровне 130оС, при этом температура поверхности конвектора не будет превышать 80оС, что позволит использовать данные конвекторы в детских комнатах.
Рис. 1
Разработанная нами конструкция позволяет создать максимально комфортные условия в местах ее применения путем сочетания конвекционной и радиационной теплоотдачи, равномерного распределения выделяемой мощности электронагревателя в зависимости от температуры корпуса и самого нагревательного элемента. К недостаткам приборов совмещенного действия можно отнести то, что в них нет возможности менять соотношение конвекционной и радиационной составляющих нагрева, что затрудняет создание благоприятного микроклимата в помещении. Приборы, создающие конвекционный тепловой поток, в основном подразделяют на три класса: высокие, средние и плинтусные. Высокие - создают скоростные конвекционные потоки, которые отсекают ниспадающие холодные потоки от окон и стен. Средние - создают среднескоростные конвекционные потоки, предназначенные для обогрева рабочих зон помещения. Плинтусные - создают низкоскоростные конвекционные потоки, предназначенные для обогрева нижней части помещения. Они имеют разное функциональное назначение и не могут замещать друг друга, не ухудшая параметров микроклимата помещения. Разработка системы отопления с оптимальным соотношением тепловых конвекционных и радиационных потоков теплопередачи позволила бы создать благоприятные климатические условия во всем помещении, независимо от его назначения. В настоящий момент серийно выпускаемых аналогичных изделий нет ни в России, ни за рубежом. Предлагаемая система создает оптимальное соотношение тепловых конвекционных потоков и теплопередачи радиационного типа, что позволяет создавать благоприятные климатические условия во всем помещении, независимо от его назначения. За счет дозированной подачи необходимой тепловой энергии в различные обслуживаемые
зоны происходит значительная экономия электроэнергии.
Устройство работает следующим образом. Холодный воздух поступает в отопительный прибор через нижнюю решетку 3. Нагреваясь с помощью плоского нагревательного элемента 5 (рис.2), он попадает в формирователи воздушного потока, которые состоят из экранов 6, 7, 8, 9, также воспринимающих радиационное тепло и служащих дополнительным источником для подогрева конвекционного воздуха. Так как первый формирователь к выходу расширяется и его высота ниже второго, он формирует конвекционный поток с более низкой скоростью, чем второй, у которого вход и выход совпадают. Так как у третьего формирователя выход заужен по сравнению с входом и высота выше, чем у двух предыдущих формирователей, он формирует конвекционный поток с большей скоростью. Сформированные таким образом с разной скоростью конвекционные потоки выходят в верхнюю решетку 4. Изменение внешних метеорологических условий, особенно в переходные периоды, неизбежно приводит к изменению параметров отопительных приборов, особенно конвекционного типа. Под этим воздействием меняется градиент температуры между нижней и верхней частью отопительных приборов, соответственно меняется и скорость конвекционного потока, приводящая к изменению микроклимата помещения.
Рис.2
Варьируя высотой формирователей, расстоянием между экранами и их углом наклона, можно добиваться нужных величин скоростей выхода горячего воздуха из прибора и оптимального их соотношения, которые необходимо получить в зависимости от требований, предъявляемых к микроклимату в помещении.
Для передачи части тепла в помещение радиационным способом первый экран разделен на две половины, чтобы часть конвекционного потока проходила рядом с передней стенкой конвектора и нагревала ее верхнюю часть, а нижняя часть стенки конвектора нагревалась радиационным излучением от нагревательного элемента. Расстояние между половинами определяет степень нагрева передней стенки. Расстояние меняется с помощью биметаллических пластин или регулировочного винта. Регулировочный винт определяет температуру на передней стенке конвектора, а биметаллическая пластина поддерживает эту температуру постоянной. В случаи, если радиационный обогрев не требуется, первый экран изготавливается цельным. И наоборот, когда радиационный обогрев предпочтителен, первый экран может быть разделен на большее количество частей.
Предлагаемый прибор создает оптимальное соотношение тепловых конвекционных потоков и теплопередачи радиационного типа, что позволяет создавать благоприятные климатические условия во всем помещении (рис.3).
Рис.3
Исследования в аналогичных условиях показали, что эффективность системы выросла более чем на 30%, при этом уровень оптимальной комфортности в исследуемом помещении распределился практически по всему помещению. Данные результаты были получены благодаря применению новых методов в конструировании отопительного оборудования и внедрению полупроводниковых резистивных нагревательных элементов. Данная конструкция прошла апробацию и независимые испытания, удовлетворяет всем существующим стандартам, что подтверждается сертификатом соответствия № РОСС RU МЕ23 В01622.
1. Российский статистический ежегодник. 2007: стат. сб. / Росстат. М., 2007. 815 с.
2. Юринева В.Н., Лебедева П.Д. Теплотехнический справочник. Изд. 2-е, перераб. М.: Энергия, 1975. Т.1; Богословский В.Н. Тепловой режим здания. М.: Стройиздат, 1980. 295 с.
3. Шелехов И.Ю., Гладкий Г.Ю. Электроконвектор с пла-нарными нагревательными элементами // Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства в условиях Восточной Сибири: сб. науч. трудов. Иркутск: ИрГ-СХА, 2002.
Библиографический список
4. Шелехов И.Ю., Мартынова Т.Н., Гладкий Г.Ю. Стационарное отопление с толстопленочным нагревательным элементом: мат-лы регион. науч.- практ. конф., посвященной 50-летию аспирантуры ИрГСХА. Иркутск, 2003.
5. Шелехов И.Ю. Свидетельство №21000 на полезную модель «Электроконвектор» от 10.12.2001.
6. Шелехов И.Ю., Степанов В.С., Гладкий Г.Ю. Отопительный прибор: патент на полезную модель. Рос.Федерация. №41121. Опубл.05.05.2004.
