RU2291595C2 - Method for heating flat surface of object by flat electric heater adjacent to it from one side - Google Patents

Abstract

FIELD: technologies for heating products for home and technical use.

SUBSTANCE: in accordance to method contact between surface of object and heater surface is realized along periphery of this surface of heater, while thermal radiation of opposite flat surface of heater is focused in its middle onto flat surface of object.

EFFECT: increased efficiency of heating, increased efficiency of electric engine and decreased flow of electric energy.

6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к технологии нагрева и может быть использовано для нагрева, разогрева или подогрева изделий бытового и технического назначения, которые имеют хотя бы одну плоскую поверхность, например кастрюль, чайников, сковородок в быту, пластин, дисков, листов в технологических производствах.The present invention relates to heating technology and can be used to heat, heat or heat household and technical products that have at least one flat surface, such as pots, teapots, pans in the home, plates, discs, sheets in technological industries.

1. Уровень техники.1. The prior art.

Известен способ нагрева плоским нагревателем, основанным на конструкции самого электронагревателя, который представляет собой трехслойную пластину, средней слой которой является электронагревательным элементом, а другие электроизолируют элемент, одновременно являясь теплосъемными поверхностями [1, 2]. Недостатками данных способов является невозможность использования тепла, излучаемого одной поверхностью для нагрева поверхности, прилегающей к нагревателю с другой его стороны.A known method of heating with a flat heater, based on the design of the electric heater itself, which is a three-layer plate, the middle layer of which is an electric heating element, and others electrically insulate the element, while being heat-removing surfaces [1, 2]. The disadvantages of these methods is the inability to use the heat emitted by one surface to heat the surface adjacent to the heater on the other side.

Известны тороидальные соленоиды, в которых проволока из материала с большой электропроводимостью намотана цилиндрической спиралью на тороидальный сердечник. Данный способ нагрева создает больше электромагнитного излучения, чем тепла, но обладает тем же недостатком. Если на одну сторону соленоида поставить плоскую деталь, она будет нагреваться только этой стороной. Противоположная сторона соленоида излучает тепло в пространство, что неэкономично.Toroidal solenoids are known in which a wire of material with high electrical conductivity is wound with a cylindrical spiral onto a toroidal core. This heating method creates more electromagnetic radiation than heat, but has the same drawback. If a flat part is placed on one side of the solenoid, it will be heated only by this side. The opposite side of the solenoid radiates heat into space, which is uneconomical.

Известны аналогичные способы нагрева плоскими поверхностями нагревателями, выполненными на основе плоских лент из терморезистивного материала [3, 4]. Недостатки этих способов те же. Прилегающая, к одной стороне нагревателя, плоская поверхность нагревается теплообменом с этой стороной. Противоположная сторона нагревателя излучает тепло не выполняя полезной работы нагрева детали или предмета.Known similar methods for heating flat surfaces with heaters made on the basis of flat tapes made of thermoresistive material [3, 4]. The disadvantages of these methods are the same. The flat surface adjacent to one side of the heater is heated by heat exchange with this side. The opposite side of the heater radiates heat without performing the useful work of heating the part or object.

Известен также способ изготовления электронагервательного элемента из тонкой, плоской терморезистивной ленты путем перегибов ее в плоскости и формированием зигзагов в этой плоскости. В результате увеличивается общая длина терморезистивного элемента и общая площадь нагреваемой плоской поверхности [5].There is also a known method of manufacturing an electro-storage element from a thin, flat thermoresistive tape by bending it in a plane and forming zigzags in this plane. As a result, the total length of the thermoresistive element and the total area of the heated flat surface increase [5].

Однако данное техническое решение не позволяет устранить общий для известных плоских электронагревателей недостаток: невозможность использования нагрева одной стороны плоского нагревателя для повышения эффективности нагрева другой стороны.However, this technical solution does not allow to eliminate a common drawback for known flat electric heaters: the inability to use heating of one side of a flat heater to increase the heating efficiency of the other side.

2. Наиболее близким техническим решением (прототипом) может быть принято любое из перечисленных выше технических решений [1-6] и, в том числе, криволинейный отражатель (например автомобильная фара с электрической лампой накаливания, которая осуществляет отражение как светового, так и теплового излучения лампочки вдоль оси отражателя фары).2. The closest technical solution (prototype) can be any of the above technical solutions [1-6], including a curved reflector (for example, a car headlight with an electric incandescent lamp, which reflects both light and thermal radiation bulbs along the axis of the headlight reflector).

3. Причины, препятствующие получению технических результатов3. Reasons that prevent obtaining technical results

3.1. Малый коэффициент полезного действия (КПД) и, как следствие, повышенный расход электроэнергии, а также длительный (по времени) разогрев плоской поверхности прилегающим к ней, одной стороной, плоским нагревателем.3.1. Low efficiency (Efficiency) and, as a result, increased energy consumption, as well as long-term (in time) heating of a flat surface adjacent to it, on one side, with a flat heater.

На самом деле, плоская поверхность нагревается посредством контакта с нагреваемой поверхностью плоского электродвигателя.In fact, the flat surface is heated by contact with the heated surface of the flat electric motor.

Противоположная поверхность плоского нагревателя не имеет возможности контакта с нагреваемой плоской поверхностью.The opposite surface of the flat heater does not have contact with the heated flat surface.

Эта противоположная поверхность излучает тепло, не совершая полезной работы по нагреву плоской поверхности предмета.This opposite surface radiates heat without performing the useful work of heating the flat surface of an object.

При этом контактная передача тепла этой противоположной поверхности осуществляется, через корпусные детали, окружающему воздуху, вызывая его принудительную конвекцию.In this case, contact heat transfer of this opposite surface is carried out, through the housing parts, to the surrounding air, causing its forced convection.

Таким образом, при известных способах нагрева плоскими электронагревателями прилегающих к ним поверхностей предметов половина тепловой энергии (а следовательно и электрической) расходуется, не совершая полезной работы по нагреву предмета.Thus, with the known methods for heating flat surfaces of objects adjacent to them, half of the thermal energy (and hence the electrical energy) is consumed without doing useful work to heat the object.

4. Признаки прототипа, совпадающие с заявленным.4. Signs of the prototype, matching the declared.

4.1. Передача тепла от нагретой поверхности нагревателя плоской поверхности предмета посредством их взаимного контакта.4.1. The transfer of heat from the heated surface of the heater to the flat surface of the object through their mutual contact.

5. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности нагрева, увеличение КПД нагревателя, снижение расхода электроэнергии.5. The objective of the invention is to increase the heating efficiency, increase the efficiency of the heater, reduce energy consumption.

6. Эти технические результаты в заявленном способе нагрева плоской поверхности предмета прилегающим к ней одной стороной плоским электронагревателем посредством передачи тепла от нагретой поверхности нагревателя плоской поверхности предмета за счет их взаимного контакта достигаются тем, что контакт между поверхностью предмета и поверхностью нагревателя осуществляют по периферии этой поверхности нагревателя, а тепловое излучение противоположной плоской поверхности нагревателя фокусируют в его середине на плоскую поверхность предмета.6. These technical results in the claimed method of heating a flat surface of an object with one side of a flat electric heater adjacent to it by transferring heat from a heated surface of a heater to a flat surface of an object due to their mutual contact are achieved by contacting the surface of the object and the surface of the heater around the periphery of this surface the heater, and the thermal radiation of the opposite flat surface of the heater is focused in its middle onto the flat surface before ETA.

Электронагреватель выполняют в форме плоского кругового кольца с внутренним отверстием по диаметру большим, чем ширина кольца, или равным ей, который устанавливают в сферический отражатель неподвижно, с возможностью установки на одну его плоскую поверхность - плоскую поверхность предмета, обращая другую плоскую поверхность нагревателя (кольца) внутрь отражателя так, что фокус отражателя размещают на уровне плоскости нагревателя, взаимодействующей с плоскостью предмета и в середине отверстия кольца.The electric heater is made in the form of a flat circular ring with an inner hole larger in diameter than the width of the ring, or equal to it, which is installed in the spherical reflector motionlessly, with the possibility of installation on one of its flat surfaces — the flat surface of the object, reversing the other flat surface of the heater (rings) inside the reflector so that the focus of the reflector is placed at the level of the plane of the heater, interacting with the plane of the object and in the middle of the hole of the ring.

Отражатель с нагревателем выполняют сборно-разборными, а отражатель снабжают опорами с возможностью неподвижной фиксации отражателя на горизонтальной поверхности и устанавливают кольцо электронагревателя в отражатель горизонтально так, что фокус отражателя и центр окружностей кольца располагают на одной вертикальной прямой линии.The reflector with the heater is made collapsible, and the reflector is equipped with supports for the fixed fixation of the reflector on a horizontal surface and the electric heater ring is installed horizontally in the reflector so that the focus of the reflector and the center of the circle of the ring are placed on one vertical straight line.

Отражатель выполняют в форме поверхности второго порядка, имеющей фокус.The reflector is made in the form of a second-order surface having focus.

7. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где показаны схемы устройства, реализующие способ.7. The essence of the invention is illustrated by drawings, which show a diagram of a device that implements the method.

На фиг.1 показан поперечный разрез плоского электрического нагревателя в сборке со сферическим отражателем.Figure 1 shows a cross section of a flat electric heater in an assembly with a spherical reflector.

На фиг.2. показан электрический нагреватель в сборке с отражателем, вид сверху.In figure 2. shows an electric heater in an assembly with a reflector, top view.

На фиг.3. показано устройство плоского нагревателя.In figure 3. The flat heater device is shown.

На фиг.4 показано устройство электронагревательного элемента в плоском электронагревателе.Figure 4 shows the device of an electric heating element in a flat electric heater.

На фиг.5 показано взаимодействие электрического нагревателя и отражателя с плоской поверхностью предмета.Figure 5 shows the interaction of the electric heater and the reflector with the flat surface of the object.

На фиг.6 представлена схема вывода электроприводов из корпуса электродвигателя.Figure 6 presents a diagram of the output of electric drives from the motor housing.

Устройство, реализующее способ нагрева, состоит из плоского электронагревателя 1 с электронагревательным элементом 2 и контактами К подвода электроэнергии к нагревательному элементу 2. Плоский электронагреватель 1 (фиг.1) выполнен в форме плоского кругового кольца (фиг.2) и горизонтально помещен в чашу отражателя 3 сферической формы. Сферическая чаша отражателя 3 снабжена жесткими ножками 4 (фиг.1, фиг.2), которыми она неподвижно, с возможностью перемещений, установлена на горизонтальной плоскости 5, так что ее фокальная ось AF вертикальна и проходит через центр окружностей кольца нагревателя 1.A device that implements a heating method consists of a flat electric heater 1 with an electric heating element 2 and contacts K for supplying electric energy to the heating element 2. The flat electric heater 1 (Fig. 1) is made in the form of a flat circular ring (Fig. 2) and is horizontally placed in the reflector bowl 3 spherical shapes. The spherical bowl of the reflector 3 is equipped with rigid legs 4 (Fig. 1, Fig. 2), with which it is stationary, with the possibility of movement, mounted on a horizontal plane 5, so that its focal axis AF is vertical and passes through the center of the circles of the ring of the heater 1.

Электронагреватель 1 с электронагревательным элементом 2 (фиг, 3, фиг.4) выполнен из корпуса 6 (из теплопроводного материала, например, из алюминия), внутри которого на жестком кольцевом диске 7 установлен соосно диэлектрический изолятор 8 в виде тонкого плоского кругового кольца, например из слюды, на изоляторе 8 смонтирован соосно корпусу 6, диску 7 и изоляторам 8 электронагревательный элемент 2 (фиг.3, фиг.4),An electric heater 1 with an electric heating element 2 (FIG. 3, FIG. 4) is made of a housing 6 (made of heat-conducting material, for example, aluminum), inside of which a coaxially insulated insulator 8 is mounted on a rigid ring disk 7 in the form of a thin flat circular ring, for example of mica, on the insulator 8 is mounted coaxially to the housing 6, the disk 7 and the insulators 8 electric heating element 2 (figure 3, figure 4),

Нагревательный элемент 2 состоит из тонкого диэлектрического кольца 9 с выемками на внутренней и наружной круговых кромках. На диэлектрическое кольцо 9 плотно намотана в выемках, в виде плоской спирали, электропроводная, терморезистивная лента 10, например из нихромовой фольги.The heating element 2 consists of a thin dielectric ring 9 with recesses on the inner and outer circular edges. An electrically conductive, thermoresistive tape 10, for example of nichrome foil, is tightly wound around a dielectric ring 9 in recesses in the form of a flat spiral.

Концы ленты 10 прочно соединены с электропроводами 11 (фиг.4), например контактной (точечной) сваркой. Провода 11 подведены (электрически соединены) с контактами К (фиг.3).The ends of the tape 10 are firmly connected to the electric wires 11 (figure 4), for example by contact (spot) welding. The wires 11 are summed up (electrically connected) with the contacts K (Fig.3).

Круговое плоское кольцо электронагревателя 1А и электронагревательный элемент 2А, внутри него, выполнены, например, в поперечном сечении, аналогичными и подобными неравностороннему прямоугольному треугольнику (фиг.5). Нагреватель 1А с элементом 2А установлен в отражатель 3 так, что наибольший катет треугольника образует внешнюю, горизонтальную, нагреваемую плоскость; поверхностью, образованной соединением меньшего катета с гипотенузой, нагреватель 1А установлен в отражателе 3, а круговая, кольцевая, нагреваемая поверхность нагревателя 1А, образованная гипотенузой, обращена к отражателю 3 (фиг.5).The circular flat ring of the electric heater 1A and the electric heating element 2A, inside it, are made, for example, in cross section, similar and similar to a non-equilateral right-angled triangle (Fig. 5). The heater 1A with the element 2A is installed in the reflector 3 so that the largest leg of the triangle forms an external, horizontal, heated plane; the surface formed by the connection of the smaller leg with the hypotenuse, the heater 1A is installed in the reflector 3, and the circular, annular, heated surface of the heater 1A, formed by the hypotenuse, is facing the reflector 3 (Fig. 5).

Провода 11 (фиг.6) выведены через зазор в корпусе 6 нагревателя 1 (1А), полученным, например, вальцовкой тонкостенной трубки с двух сторон в плоское круговое кольцо.The wires 11 (Fig.6) are brought out through a gap in the housing 6 of the heater 1 (1A), obtained, for example, by rolling a thin-walled tube from two sides into a flat circular ring.

На плоскую горизонтальную поверхность нагревателя 1 (1А), фиг.5, установлена плоская поверхность 12 предмета, например кастрюли, сковороды или аналогичного им.On a flat horizontal surface of the heater 1 (1A), FIG. 5, a flat surface 12 of an object, such as a pot, frying pan or the like, is mounted.

Электрический нагреватель 1 (1А) установлен в отражателе 3 (сферическая поверхность отражения) так, что фокус F отражателя 3 расположен в наружной (относительно отражателя 3) плоскости нагревателя 1 (1А), к которой прилегает (посредством плотного контакта с периферией, относительно центра нагревателя 1 (1А)) плоская поверхность 12 (фиг.5) предмета (AF=1/2R).The electric heater 1 (1A) is installed in the reflector 3 (a spherical reflection surface) so that the focus F of the reflector 3 is located in the outer (relative to the reflector 3) plane of the heater 1 (1A), to which it adjoins (by tight contact with the periphery, relative to the center of the heater 1 (1A)) flat surface 12 (FIG. 5) of an object (AF = 1 / 2R).

Диаметр внутреннего отверстия D (фиг.2) плоского круглого кольца нагревателя 1 (1А) больше или равен ширине Т этого кольца.The diameter of the inner hole D (FIG. 2) of the flat circular ring of the heater 1 (1A) is greater than or equal to the width T of this ring.

На фиг.1 и 5 показаны нагреватели 1 и 1 А, у которых D=T, а на фиг.3 - D>TFigures 1 and 5 show heaters 1 and 1 A, in which D = T, and in figure 3 - D> T

8. Реализация заявляемого, способа осуществляется следующим образом.8. The implementation of the claimed method is as follows.

При подаче электрического напряжения на контакты К электрический ток по проводам 11 поступает в терморезистивную ленту 10. Лента 10 нагревается, нагревая посредством плотного контакта элементы соединения 9, 8, 7 в нагревателе 1 (1А), а через них - весь корпус 6 плоского нагревателя 1 (1А).When applying electric voltage to the contacts K, the electric current through the wires 11 enters the thermoresistive tape 10. The tape 10 is heated by heating the elements of the connection 9, 8, 7 in the heater 1 (1A) by means of a tight contact, and through them the entire body 6 of the flat heater 1 (1A).

Плоская круглая наружная (относительно отражателя 3) поверхность нагревателя 1 (1А) нагревает прилегающую к ней плоскую поверхность 12 предмета (фиг.5) посредством контакта.The flat circular outer (relative to the reflector 3) surface of the heater 1 (1A) heats the adjacent flat surface 12 of the object (Fig. 5) by contact.

Тепловое излучение ТИ другой плоской поверхности нагревателя 1 (1А) фокусируется (т.е. уплотняется, суммируется или концентрируется) посредством отражателя в фокусе сферического отражателя 3, в точке F. Отверстие диаметром D в нагревателе не препятствует фокусировке теплового излучения ТИ внутренней плоскости нагревателя 1 (1А) на плоской, прилегающей поверхности 12 предмета (фиг.1, фиг.5).The thermal radiation of the TI of the other flat surface of the heater 1 (1A) is focused (i.e., compacted, summed or concentrated) by means of a reflector in the focus of the spherical reflector 3, at point F. A hole with a diameter D in the heater does not interfere with the focus of thermal radiation of TI on the inner plane of heater 1 (1A) on a flat, adjacent surface 12 of an object (FIG. 1, FIG. 5).

Таким образом, прилегающая к нагревателю 1 (1А) плоская поверхность 12 предмета нагревается периферийной (относительно центра окружностей) частью его наружной плоской поверхности, а в середине кругового отверстия нагревателя 1 (1А) плоская поверхность 12 предмета дополнительно нагревается тепловым излучателем ТИ внутренней поверхности нагревателя 1 (1А), сфокусированным (сконцентрированным, суммированным, уплотненным) отражателем 3 сферической формы.Thus, the flat surface 12 of the object adjacent to the heater 1 (1A) is heated by the peripheral (relative to the center of the circles) part of its outer flat surface, and in the middle of the circular opening of the heater 1 (1A), the flat surface 12 of the object is additionally heated by the heat radiator TI of the inner surface of heater 1 (1A), a focused (concentrated, summed, densified) reflector 3 of a spherical shape.

Так достигается технический результат решаемой задачи, а именно повышение эффективности нагрева, увеличение КПД нагревателя и снижение расхода электроэнергии.This achieves the technical result of the problem being solved, namely, increasing the heating efficiency, increasing the efficiency of the heater and reducing energy consumption.

Фокусировка теплового излучения ТИ противоположной нагреваемому предмету плоскости нагревателя на поверхности предмета посредством сферического отражателя позволяет более чем на 30% увеличить скорость нагрева предмета, при одном и том же расходе электроэнергии.Focusing the thermal radiation of TI opposite to the heated object of the heater plane on the surface of the object by means of a spherical reflector allows increasing the heating rate of the object by more than 30%, at the same energy consumption.

Соотношения между диаметром D и шириной Т получены экспериментально и соответствуют оптимальному.The relations between the diameter D and the width T are obtained experimentally and correspond to the optimum.

Отражатель 3 для получения того же эффекта, при нагревателе 1 (1А) в форме плоского кругового кольца, (может быть) выполнен в форме поверхности второго порядка (имеющий фокус), например в виде гиперболоида, параболоида, эллипсоида. Для сферического отражения 3 при изготовлении проще рассчитывать фокальное расстояние AF (фиг.1, фиг.5).Reflector 3 to obtain the same effect, when the heater 1 (1A) is in the form of a flat circular ring, (can be) made in the form of a second-order surface (having a focus), for example in the form of a hyperboloid, paraboloid, ellipsoid. For spherical reflection 3 in the manufacture is easier to calculate the focal distance AF (figure 1, figure 5).

При выполнении нагревателя 1 треугольным в сечении 1А (фиг.5) мощность отражаемого и фокусируемого теплового излучения ТИ увеличивается на 3-7%When the heater 1 is triangular in section 1A (Fig. 5), the power of the reflected and focused thermal radiation of the TI increases by 3-7%

Источники информацииInformation sources

1. ГОСТ 19689-80 "Нагреватели электрические стеклопластиковые тонкостенные", стр.2-11.1. GOST 19689-80 "Electric fiberglass thin-walled heaters", pp. 2-11.

2. Патент Японии №60-21471, кл. Н 05 В 3/80, 1979 г.2. Japanese Patent No. 60-21471, cl. H 05 B 3/80, 1979

3. Патент Японии №45-10250, кл. Н 05 В 3/80, 1970 г.3. Japan patent No. 45-10250, cl. H 05 B 3/80, 1970

4. Патент Японии №49-28694, кл. Н 05 В 3/80, 1974 г.4. Japanese Patent No. 49-28694, cl. H 05 B 3/80, 1974

5. Заявка РФ на изобретение №20031045491 от 19.02.03 "Способ изготовления плоского зигзагообразного электронагревательного элемента с прямоугольной формой зигзага"5. RF application for invention No. 20031045491 of 02.19.03 "Method for the manufacture of a flat zigzag electric heating element with a rectangular zigzag shape"

6. к.н. Орир Дж., Физика, М., 1981 г. том 1, стр.325, рисунок к задаче 25.6. Ph.D. Orir J., Physics, M., 1981, volume 1, p. 325, drawing to problem 25.

7. к.н. Орир Дж., Физика., М., 1981 г., том 2, стр.416-417.7. Ph.D. Orir, J., Phys., M., 1981, Volume 2, pp. 416-417.

Claims (1)

Способ нагрева плоской поверхности предмета прилегающим к ней одной стороной плоским электронагревателем посредством передачи тепла электронагревателем контактом одной его плоской поверхности по периферии плоской поверхности предмета с отражением теплового излучения противоположной плоской поверхности электронагревателя отражателем, выполненным в форме поверхности, образованной кривой второго порядка, соединенным с электронагревателем, отличающийся тем, что отраженное тепловое излучение противоположной предмету плоской поверхности электронагревателя фокусируют в его середине на плоскую поверхность предмета, неподвижно устанавливая электронагреватель, выполненный в виде плоского кругового кольца, горизонтально в чаше отражателя, а отражатель размещают с помощью ножек на неподвижной горизонтальной поверхности, при этом поверхность отражателя выполняют сферической формы либо в виде гиперболоида, параболоида, эллипсоида.A method of heating a flat surface of an object with a flat electric heater adjacent to it by one side by transferring heat by an electric heater by contacting one of its flat surfaces on the periphery of a flat surface of an object with reflection of thermal radiation from the opposite flat surface of the electric heater by a reflector made in the form of a surface formed by a second-order curve connected to the electric heater characterized in that the reflected thermal radiation of the plane opposite the object The features of the electric heater are focused in its middle on the flat surface of the object, motionlessly installing the electric heater made in the form of a flat circular ring horizontally in the reflector bowl, and the reflector is placed with the help of legs on a fixed horizontal surface, while the surface of the reflector is made spherical or in the form of a hyperboloid, paraboloid, ellipsoid.

Images