Рис. 1. Электрический теплоаккумулирующий отопительный прибор (продольные разрезы)
В современных условиях существенного удорожания основных энергоносителей (природного, сжиженного газа, дизельного топлива и электроэнергии) проблема эффективного использования энергии для обеспечения теплотой зданий как никогда актуальна. Поэтому новые способы обогрева помещений, сами системы отопления и их элементы постоянно модернизируются и совершенствуются.
Сейчас отопление помещений здания и зданий вообще за счет преобразования электрической энергии в тепловую рассматривается как альтернативный или вспомогательный вариант центрального отопления. Распространение электрического отопления в РФ сдерживается не столько высокой стоимостью электроэнергии, а в большей степени ограниченным уровнем ее выработки и неэкономичным использованием топлива.
При этом современные общественные и жилые здания, оснащенные централизованными системами водяного отопления, довольно часто применяют электроотопление для дополнительного обогрева помещений и не только в межсезонье. В загородных коттеджах при отсутствии газовых сетей и даже при наличии печного отопления электрическое отопление довольно часто выступает в качестве основного. В последние годы распространение получили системы электрического отопления в административно-бытовых, торговых, а иногда и в производственных помещениях зданий. В большей степени для отопления помещений распространены индивидуальные переносные отопительные электрические приборы.
Главные преимущества электрических отопительных приборов — высокие гигиенические показатели, небольшие капиталовложения при создании и монтаже, низкие потери при транспортировке энергии. Немаловажны и эксплуатационные преимущества: компактность, управляемость в широких пределах с автоматизацией регулирования тепловой мощности, что позволяет быстро реагировать на изменение теплопотребности помещений.
Однако при этом приборы либо инерционны, и требуют продолжительного промежутка времени для разогрева и времени выхода на рабочий режим теплоотдачи, либо ограничены тепловой мощностью и температурой теплоотдающей поверхности и т.д. Известно, что приборы только радиационного или конвективного типа не могут обеспечить благоприятных условий во всем помещении [1]. Для создания таких условий необходимо сочетание общих параметров помещения и параметров отопительных приборов, дающее такую область температуры воздуха и радиационной температуры, при которых человек не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения. Наилучшие результаты создаются приборами совмещенного действия [1].
Однако в последних отсутствует возможность изменения соотношения конвекционной и радиационной составляющих, что затрудняет создание благоприятного микроклимата в помещении. Оптимальное соотношение тепловых конвекционных потоков и радиационного типа теплопередачи позволило бы создавать благоприятные климатические условия во всем помещении, ни зависимо от его назначения.
Все это отражает актуальность задачи совершенствования и разработки более масштабного применения электричества в отопительных системах. Совершенствование обогрева помещений за счет электроэнергии может решиться эффективным, электротеплоаккумулирующим прибором, создающим динамику конвективного потока вследствие своих конструктивных особенностей.
Электрический отопительный прибор может потреблять энергию не только в периоды снижения других электрических нагрузок, тем самым используя дневной и ночной тариф или выравнивая суточное потребление электроэнергии, но и в другое время суток, в зависимости от суточной потребности в теплоте. Кроме этого, аккумулирующий электрический прибор позволяет использовать поступления теплоты от внутренних источников тепловыделений, инсоляции и т.д. [2]. Предлагается электрический теплоаккумулирующий отопительный прибор, продольные разрезы которого изображены на рис. 1. Прибор для отопления помещений содержит корпус 1, отдающий в отапливаемое помещение тепловой поток.
Внутри корпуса расположен короб 2 — это замкнутая область, содержащая высокотемпературный теплонакопительный элемент 3, в теле которого размещены электронагреватели в виде спирали 4. Внешняя часть короба и внутренняя часть корпуса образуют щелевой канал 5. Верхняя и нижняя часть корпуса имеют перфорацию 6. Нижняя позволяет воздуху из отапливаемого помещения проникать в тело прибора, а верхняя — нагретому удаляться в помещение.
Внешняя часть короба оребрена пластинами 7 с целью придания динамики конвективному потоку и интенсификации теплообмена за счет увеличения площади теплоотдающей поверхности. В середине короба размещен жидкостной циркуляционный контур 8, выполненный в виде кольцевого канала и разделенный на две ветви центральной трубой 9, заполненный рабочим теплоносителем 10, например, водой. Ветви контура оребрены пластинами 11. В верхней части центральной трубы циркуляционного контура предусматривается сильфонный расширительный клапан 12. Для восприятия лучистого потока от электронагревателей и высокотемпературного элемента предусмотрены тепловоспринимающие экраны 13, выполненные в виде пластин.
Теплонакопительный элемент и тепловоспринимающие экраны создают каналы восходящего высокотемпературного конвективного потока 14. Пластины жидкостного циркуляционного контура и внутренние стенки короба создают каналы нисходящего конвективного потока 15. Прибор питается энергией от внешней электрической сети (на рис. 1 не показана). Кроме того, предусматривается автоматическая система регулирования тепловой мощности, теплоаккумулирующего прибора, которая на рисунке не показана. Следует отметить, что предлагаемый теплоаккумулирующий прибор совмещает в себе три контура циркуляции: водяной, воздушный в замкнутом объеме короба корпуса прибора и воздушный контур воздуха помещения.
Движение потоков теплоносителя и теплоты показано на рис. 1. В устройстве предусмотрено совмещение тепловых конвекционных потоков и теплопередачи радиационного типа. На электронагреватели, расположенные на внешней части высокотемпературной теплоаккумулирующей поверхности, подается электроэнергия, которая преобразуется в тепловую.
Последняя, в свою очередь, частично за счет теплопроводности передается аккумулирующей поверхности и накапливается в ней, а в большей степени преобразуется в лучистый тепловой поток, передаваемый тепловоспринимающим экранам. Под действием лучистого потока тепловоспринимающий экран (пластина) начинает нагреваться. Вследствие этого возникает тепловой восходящий конвективный ток вдоль пластины. Таким образом, радиационный способ разогрева теплонакопительного элемента и экранов позволяет достичь быстрой передачи теплоты воздуху замкнутого воздушного контура. При этом одновременно тепловая энергия, накопленная в теплоаккумулирующей поверхности, передается теплопроводностью на нагрев рабочего теплоносителя, содержащегося в рабочей емкости.
При достижении температуры рабочего теплоносителя заданного уровня электронагреватели отключаются. Рабочий теплоноситель, разогретый до определенных значений, под действием естественной конвекции начнет перемещаться по кольцевому каналу циркуляционного контура и передавать тепловую энергию воздушному замкнутому контуру. Для придания конвективному потоку динамики и для увеличения теплоотдающей площади предусмотрено оребрение трубок контура, заключенных в коробе, которое создает каналы для воздуха Рис. 1. Электрический теплоаккумулирующий отопительный прибор (продольные разрезы)54 декабрь 2013 ОТОПЛЕНИЕ и позволяет интенсифицировать процесс теплоотдачи и быстро разогревать высокотемпературным потоком короб, оребренный пластинами.
Воздух помещения, поступающий через нижнюю перфорацию в щелевые каналы корпуса прибора, нагревается от поверхности короба и поступает обратно в помещение, тем самым передавая тепловую энергию в помещение и повышая температуру воздуха. Оребренная наружная поверхность короба позволяет не только интенсифицировать процесс теплопередачи, но и выполняет роль направляющих каналов, тем самым придавая динамику конвективному воздушному потоку и ускоряя процесс теплоотдачи от наружной поверхности короба воздуху отапливаемого помещения.
Предлагаемый электроотопительный прибор позволяет для обогрева помещений использовать большую тепловую мощность в маленьком объеме. Конструктивной особенностью прибора удается достичь равномерного распределения температуры по теплоотдающей поверхности прибора и быстрого разогрева воздуха помещения. В предлагаемом отопительном приборе протекает процесс сложного теплообмена, а именно радиационно-конвективный.
Радиационно-конвективный теплообмен является наиболее общим случаем сложного теплообмена, при этом теплота переносится не только радиацией, но и теплопроводностью и конвекцией [4]. Тепловой расчет отопительного прибора должен основываться на законе сохранения энергии. В основе расчетов тепловой мощности Q [Вт] отопительного прибора лежит закон Джоуля-Ленца и представление общей теплоотдачи отопительного прибора как суммы потоков теплоты за счет теплопроводной, конвективной и радиационной части [4].
Балансовое уравнение теплоты для отопительного прибора можно записать следующим образом: Qэл = Qвоспр = Qотд, здесь Qэл — количество теплоты [Вт], переданное сетью в высокотемпературные электронагреватели: Qэл = IUk, где I — сила тока [А], проходящая по проводнику электронагревателя; U — напряжение [В], подаваемое на проводник; k — коэффициент мощности проводника; Qвоспр — количество теплоты [Вт], воспринятое элементами прибора от электронагревателей: Qвоспр = Qт + Qк + Qрад, здесь Qт — суммарное количество теплоты [Вт], переданное за счет молекулярной теплопроводности; Qк — суммарное количество теплоты [Вт], переданное конвекцией; Qрад — суммарное количество теплоты [Вт], переданное излучением; Qотд — количество теплоты [Вт], отданное отопительным прибором в воздух отапливаемого помещения, Qотд = kпрAпрΔt, где kпр — коэффициент теплопередачи отопительного прибора, [Вт/(м2⋅К)]; Aпр — площадь поверхности нагрева отопительного прибора, м2; Δt = (tпр – tв) — разность температур [К] поверхности прибора tпр и омывающего его воздуха помещения tв. Специфическим условием при работе прибора, то есть при переносе теплоты, является объемная и поверхностная неравномерность распределения температуры в теле прибора.
В связи с чем для оценки процесса передачи теплоты теплопроводностью необходимо неравенство нулю температурного градиента в различных точка тела. Перенос теплоты за счет теплопроводности описывается известным уравнением Фурье. Конвективный теплообмен описывается системой дифференциальных уравнений и условиями однозначности с большим количеством переменных. Поэтому для целей управления теплоотдачей прибора, его конструирования и рекомендаций по эксплуатации необходимы экспериментальные исследования процессов тепловых конвективных нисходящих и восходящих потоков в каналах при наличии высокотемпературных и холодных поверхностей.
Полученные результаты численных значений переменных должны лечь в основу уравнений процесса получения и передачи теплоты в помещение. Сложность процесса переноса лучистой энергии приводит к необходимости применения большого количества различных методов аналитического и экспериментального их исследования — это и метод многократных отражений, и метод эффективных потоков, метод сальдо; алгебраический и интегральный и дифференцированный методы. В основе расчетов излучений можно использовать законы Планка и Стефана-Больцмана, если заранее задаться поглощательной способностью тел.
Кроме того, необходимо учесть наличие экранов, расположенных ортогонально к направлению потока излучения и выполненных из материалов с большей отражательной способностью и теплопроводностью, в результате действий которых происходит переизлучение в направлении, обратном направлению излучения, и уменьшение величины результирующего потока. Попытки аналитического решения полной системы уравнений тепловых процессов, протекающих в приборе, наталкиваются на определенные трудности. Поэтому не только путем математических расчетов, но и путем экспериментального моделирования процесса необходимо установить оптимальное соотношение тепловых конвекционных и радиационных потоков, которое позволит управлять динамикой конвективного потока и создавать благоприятные климатические условия по всему объему отапливаемого помещения.
