RU2167331C2 - Tubular liquid electric heater - Google Patents

Abstract

FIELD: internal combustion engine heating aids; heating of water and water solutions. SUBSTANCE: proposed electric heater has housing which serves as outer electrode, inner electrode, and power supply terminals. Housing has suction and delivery branch pipes with non-return valves and is made as hermetically sealed vessel. Housing is provided with expansion chamber in its upper part. EFFECT: improved efficiency of heating of liquid-cooled internal combustion engines in cold seasons. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротермическим устройствам электродного типа для нагрева воды и водных растворов прямым нагревом. The invention relates to electrothermal devices of electrode type for heating water and aqueous solutions by direct heating.

Область использования может иметь широкий диапазон от применения в системах бытового отопления в районах с недостатком всех видов топлива до подогревателей в системах жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания. The field of use can range from application in domestic heating systems in areas with a lack of all types of fuel to heaters in liquid cooling systems of internal combustion engines.

В холодное время года при температуре окружающей среды минус 10^oC и ниже, во избежание интенсивного износа, двигатели внутреннего сгорания перед пуском необходимо разогревать.In the cold season at an ambient temperature of minus 10 ^o C and lower, in order to avoid intensive wear, internal combustion engines must be warmed up before starting.

Известны подогреватели жидкостные, дизельные и бензиновые, основной составляющей частью которых является котел, состоящий из теплообменника и камеры сгорания. Транспортировка тепла от подогревателя к двигателю производится за счет термосифонной циркуляции, скорость движения жидкости при этом низкая, что снижает эффективность разогрева, поэтому в некоторые типы подогревателей встраивают водяной насос для повышения эффективности подогревателя, например, подогреватель японской фирмы "Микуни" (см. Г.В. Крамаренко и др. "Безгаражное хранение автомобилей при низких температурах". М., Транспорт, 1984 г., стр. 90-96). Known heaters are liquid, diesel and gasoline, the main component of which is a boiler, consisting of a heat exchanger and a combustion chamber. Heat is transported from the heater to the engine due to thermosiphon circulation, while the fluid velocity is low, which reduces the heating efficiency, therefore a water pump is built into some types of heaters to increase the heater’s efficiency, for example, the Japanese Mikuni heater (see G. V. Kramarenko et al. "Garage storage of cars at low temperatures." M., Transport, 1984, pp. 90-96).

Известны электрические нагревательные элементы, используемые для разогрева двигателей внутреннего сгорания, которые делятся на две группы: с твердым проводником (нихромовые спирали) и жидкостные, роль проводника в которых играет вода или антифриз системы охлаждения. Транспортировка тепла к двигателю от подогревателя происходит за счет термосифонной циркуляции (см. Г. В. Крамаренко и др. "Безгаражное хранение автомобилей при низких температурах". М., Транспорт, 1984 г., стр. 73-79). Known electric heating elements used to heat internal combustion engines, which are divided into two groups: with a solid conductor (nichrome spirals) and liquid, in which the role of the conductor is water or antifreeze cooling system. Heat is transported to the engine from the heater due to thermosiphon circulation (see G. V. Kramarenko et al. “Garage-free storage of automobiles at low temperatures.” M., Transport, 1984, pp. 73-79).

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является жидкостный трубчатый электронагреватель, состоящий из корпуса, являющегося наружным электродом, внутреннего электрода и клемм для подвода электроэнергии (см. Г. В. Крамаренко и др. "Безгаражное хранение автомобилей при низких температурах". М., Транспорт, 1984 г., стр. 78, рис. 52б). Прототип. The closest technical solution to the claimed is a liquid tubular electric heater, consisting of a housing, which is an external electrode, an internal electrode and terminals for supplying electricity (see G.V. Kramarenko and others. "Garage storage of cars at low temperatures." M., Transport , 1984, p. 78, Fig. 52b). Prototype.

Недостатком известных нагревателей является отсутствие принудительной направленной циркуляции подогреваемой жидкости, что снижает эффективность разогрева. A disadvantage of the known heaters is the lack of forced directional circulation of the heated fluid, which reduces the heating efficiency.

Задачей изобретения является повышение эффективности разогрева внутреннего сгорания с жидкостной системой охлаждения в холодное время года. The objective of the invention is to increase the efficiency of heating internal combustion with a liquid cooling system in the cold season.

Техническим результатом является то, что заявляемый электронагреватель создает принудительную направленную циркуляцию подогреваемой жидкости за счет энергии нагретой жидкости. The technical result is that the inventive electric heater creates a forced directional circulation of the heated fluid due to the energy of the heated fluid.

Заявляемое техническое решение имеет общие признаки с прототипом:
- жидкостный трубчатый электронагреватель снабжен корпусом, являющимся наружным электродом;
- внутренним электродом;
- клеммами для подвода электроэнергии.The claimed technical solution has common features with the prototype:
- a liquid tubular electric heater is equipped with a housing, which is the outer electrode;
- an internal electrode;
- terminals for power supply.

Новые признаки:
- корпус снабжен нагнетательным и всасывающим патрубками с обратными клапанами, обеспечивающими, при нагреве жидкости, пульсирующее направление движения ее;
- корпус выполнен в виде герметичного сосуда;
- корпус в верхней части имеет расширительную камеру.New signs:
- the housing is equipped with discharge and suction nozzles with check valves, providing, when heated, the pulsating direction of movement of it;
- the housing is made in the form of a sealed vessel;
- the housing in the upper part has an expansion chamber.

На чертеже показан электронагреватель в разрезе, общий вид. The drawing shows a sectional electric heater, General view.

Жидкостный трубчатый электронагреватель состоит из корпуса 1, который одновременно служит и наружным электродом, при этом он выполнен как герметичный сосуд, внутреннего электрода 2, установленного внутри корпуса 1, расширительной камеры 3, расположенной в верхней части корпуса 1, всасывающего патрубка 4 с обратным клапаном 5, нагнетательного патрубка 6 с обратным клапаном 7. Нагнетательный патрубок 6 подсоединен к корпусу 1 в нижней его части. Для подвода электроэнергии имеются клеммы 8. Внутренний электрод 2 устанавливается внутри корпуса 1 с равномерным зазором l. Для обеспечения равномерности зазора l и электрической изоляции электродов электрод 2 установлен на электроизолирующую подставку 9. Полость между двумя электродами на всю высоту внутреннего электрода является рабочей зоной. A liquid tubular electric heater consists of a housing 1, which simultaneously serves as an external electrode, while it is made as a sealed vessel, an internal electrode 2 installed inside the housing 1, an expansion chamber 3 located in the upper part of the housing 1, the suction pipe 4 with a check valve 5 , the discharge pipe 6 with a check valve 7. The discharge pipe 6 is connected to the housing 1 in its lower part. There are terminals 8 for supplying electricity. The inner electrode 2 is installed inside the housing 1 with a uniform gap l. To ensure uniformity of the gap l and electrical insulation of the electrodes, electrode 2 is mounted on an insulating stand 9. The cavity between the two electrodes to the entire height of the inner electrode is the working area.

Работа осуществляется следующим образом. The work is as follows.

Электронагреватель патрубками соединяется с системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания таким образом, чтобы нагнетательный патрубок 6 был выше всасывающего патрубка 4, и после заполнения корпуса 1 жидкостью (водой или антифризом) на всю высоту рабочей зоны, на клеммы 8 подается электроэнергия. При прохождении электрического тока через жидкость в ней по известным законам физики выделяется тепло и происходит нагрев жидкости. Количество выделяемого тепла пропорционально подводимой мощности и времени. Подводимая мощность зависит от уровня заполнения жидкостью рабочей зоны при неизменном зазоре l и неизменном напряжении на клеммах 8. При достаточной подводимой мощности с течением времени жидкость нагревается и начинает закипать. Образовавшийся при закипании жидкости пар заполняет расширительную камеру 3, и внутри корпуса 1, выполненного как герметичный сосуд, происходит повышение давления выше атмосферного. При повышении давления, достаточного для преодоления усилия обратного клапана 7 на нагнетательном патрубке 6 обратный клапан 7 открывается и пар выталкивает часть нагретой жидкости из рабочей зоны нагревателя по нагнетательному патрубку 6 в корпус двигателя. После выталкивания паром нагретой жидкости из рабочей зоны электронагревателя давление внутри корпуса 1 снижается, обратный клапан 7 на нагнетательном патрубке 6 закрывается. Подводимая к электродам 1, 2 мощность снижается, из-за снижения уровня жидкости в рабочей зоне электронагревателя, количество выделяемого тепла уменьшается, корпус 1 под действием низкой температуры окружающей среды (электронагреватель предназначен для работы только в холодное время года) быстро остывает, находящийся внутри корпуса 1 и в расширительной камере 3 пар конденсируется и давление внутри корпуса 1 снижается до уровня ниже атмосферного. При снижении давления обратный клапан 6 на всасывающем патрубке 4 открывается и в рабочую зону электронагревателя подсасывается новая порция охлаждающей жидкости. Для нормальной расчетной работы электронагревателя рабочая зона его должна заполняться полностью. При заполнении рабочей зоны жидкостью оставшаяся часть несконденсированного пара будет уходить в расширительную камеру 3, давая, таким образом, возможность полностью заполнить рабочую зону. По мере заполнения рабочей зоны жидкостью подводимая мощность будет увеличиваться, интенсивность нагрева будет возрастать и при достижении точки кипения будет происходить рост давления, открывание обратного клапана 7 на нагнетательном патрубке 6, и цикл повторяется. Таким образом в системе охлаждения создается принудительная направленная пульсирующая циркуляция горячей жидкости. The electric heater is connected by pipes to the cooling system of the internal combustion engine so that the discharge pipe 6 is higher than the suction pipe 4, and after filling the housing 1 with liquid (water or antifreeze) to the entire height of the working area, electricity is supplied to terminals 8. When an electric current passes through a liquid, heat is released in it according to the known laws of physics and the liquid is heated. The amount of heat generated is proportional to the input power and time. The supplied power depends on the level of liquid filling in the working area with a constant gap l and a constant voltage at terminals 8. With sufficient supplied power, the liquid heats up over time and begins to boil. The vapor formed during boiling of the liquid fills the expansion chamber 3, and inside the housing 1, made as a sealed vessel, there is an increase in pressure above atmospheric. When the pressure is high enough to overcome the force of the check valve 7 on the discharge pipe 6, the check valve 7 opens and steam pushes part of the heated liquid from the working area of the heater through the discharge pipe 6 into the engine casing. After the steam is pushed out of the heated liquid from the working zone of the electric heater, the pressure inside the housing 1 decreases, the check valve 7 on the discharge pipe 6 closes. The power supplied to the electrodes 1, 2 decreases, due to a decrease in the liquid level in the working area of the electric heater, the amount of heat generated decreases, the housing 1 under the influence of low ambient temperature (the electric heater is designed to operate only in the cold season) cools quickly inside the housing 1 and in the expansion chamber 3, the steam condenses and the pressure inside the housing 1 decreases to a level below atmospheric. When the pressure decreases, the check valve 6 on the suction pipe 4 opens and a new portion of the coolant is sucked into the working area of the electric heater. For normal design operation of the electric heater, its working area should be completely filled. When filling the working area with liquid, the remaining part of the non-condensed vapor will go into the expansion chamber 3, thus giving the opportunity to completely fill the working area. As the working area is filled with liquid, the input power will increase, the heating intensity will increase, and when the boiling point is reached, pressure will increase, the check valve 7 will open on the discharge pipe 6, and the cycle repeats. Thus, a forced, directed pulsating circulation of the hot liquid is created in the cooling system.

Пример. Действующая модель была изготовлена из стандартных стальных водогазопроводных труб. Корпус изготовлен из трубы диаметром 2", высотой 200 мм, внутренний электрод из трубы диаметром 3/4", высотой 125 мм. Были проведены два опыта в комнатных условиях при температуре окружающей среды плюс 20^oC. В первом опыте обратные клапаны не устанавливались и оба патрубка соединялись с открытым сосудом с водопроводной водой емкостью 10 л. После заполнения электронагревателя водой его подключили к бытовой электросети напряжением 220 В. За 1 ч работы было затрачено 1,5 кВтч электроэнергии и вода нагрелась до 50^oC. Движение воды от нагревателя к сосуду было за счет термосифонной циркуляции, при этом нижний патрубок был входным, а верхний патрубок был выходным. Во втором опыте были установлены обратные клапаны, причем нижний патрубок стал нагнетательным, а верхний стал всасывающим. После подключения электронагревателя к сети напряжением 220 В и через 1 ч работы вода в сосуде была нагрета до 90^oC. При этом в сосуде наблюдались резкие толчки воды из нагнетательного патрубка, что говорит о повышении скорости циркуляции, а температура нагрева позволяет сделать вывод о повышении эффективности электронагревателя с обратными клапанами примерно в два раза.Example. The current model was made of standard steel water and gas pipes. The body is made of a pipe with a diameter of 2 ", a height of 200 mm, the inner electrode of a pipe with a diameter of 3/4", a height of 125 mm. Two experiments were carried out at room temperature at an ambient temperature of + 20 ^o C. In the first experiment, non-return valves were not installed and both pipes were connected to an open vessel with 10 l of tap water. After filling the electric heater with water, it was connected to a 220 V household electrical network. For 1 hour of operation, 1.5 kWh of electricity was consumed and the water heated to 50 ^o C. The movement of water from the heater to the vessel was due to thermosiphon circulation, while the lower pipe was the inlet , and the upper pipe was a day off. In the second experiment, check valves were installed, with the lower pipe becoming discharge and the upper pipe becoming suction. After connecting the electric heater to a 220 V network and after 1 h of operation, the water in the vessel was heated to 90 ^o C. At the same time, sharp shocks of water from the discharge pipe were observed in the vessel, which indicates an increase in the circulation speed, and the heating temperature suggests an increase the efficiency of an electric heater with check valves is approximately two times.

Опыт эксплуатации автомобильных двигателей в холодное время показывает, что для разогрева двигателя до необходимого теплового состояния для запуска при температуре окружающей среды минус 20^oC горячей водой с температурой порядка 90^oC достаточно пропустить через систему 2 объема воды водяной рубашки двигателя внутреннего сгорания.Experience in the operation of automotive engines in cold weather shows that to warm the engine to the required thermal state to start at ambient temperature minus 20 ^o C hot water with a temperature of about 90 ^o C, it is enough to pass through the system 2 water volumes of a water jacket of an internal combustion engine.

Применение предлагаемого электронагревателя для предпускового разогрева двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением с принудительной циркуляцией горячей воды позволяет примерно в два раза уменьшить время разогрева двигателя и затраты электроэнергии. The use of the proposed electric heater for prestarting heating of internal combustion engines with liquid cooling with forced circulation of hot water can approximately halve the time of heating the engine and energy costs.

Claims (2)

1. Жидкостный трубчатый электронагреватель, состоящий из корпуса, являющегося наружным электродом, внутреннего электрода и клемм для подвода электроэнергии, отличающийся тем, что корпус снабжен нагнетательным и всасывающим патрубками с обратными клапанами, позволяющими создать при нагреве жидкости пульсирующее направленное движение ее. 1. A liquid tubular electric heater, consisting of a casing, which is an external electrode, an internal electrode and terminals for supplying electricity, characterized in that the casing is equipped with discharge and suction nozzles with check valves, which allow creating a pulsating directed motion of it when heating the liquid. 2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что корпус в своей верхней части имеет расширительную камеру и выполнен в виде герметичного сосуда. 2. The electric heater according to claim 1, characterized in that the housing in its upper part has an expansion chamber and is made in the form of a sealed vessel.