Капиллярный нагреватель на основе эффекта близости с высокой степенью энергосбережения, оборудованный выше по потоку микрофильтрационным устройством для удаления известковых частиц, имеющихся в текучих средах, и ниже по потоку соплом или замкнутым контуро - RU2684864C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к области теплоносителей, преимущественно воды, однако использование электрического тока, в частности, представляет собой устройство для теплоносителей с высокой степенью энергосбережения за счет использования электрического тока, подаваемых надлежащим образом с помощью электронного устройства управления, под названием «текучие среды», которые после микрофильтрации вводят под давлением в одну или более трубок с капиллярным размером, и затем покидают устройство при желаемой температуре и давлении с помощью сопла.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Хорошо известно получение горячей воды для бытовых нужд и для работы устройств в цикле промывки, например, для предоставления питания, то есть подготовки горячих напитков (таких как чай или кофе) или выполнения другой домашней работы. Однако используемые технологии тесно связаны с использованием более или менее крупных электрических сопротивлений, и с все еще высоким потреблением энергии, даже при улучшенной в последние годы эффективности, что отрицательно сказывается на окружающей среде и экономике пользователя.

Нагревание текучей среды представляет собой процесс, который в древности, например, осуществляли путем нагрева с помощью огня или углей (например, воды), без возможности управления температурами в промежутке между твердым состоянием, льдом, и газообразной фазой, паром.

Римляне с их термальными банями революционизировали системы нагревания. В древних тепловых элементах, необходимых для работы, была видимая и непрерывная доступность воды для бассейнов и резервуаров, и постоянное тепло для охлаждения или нагрева массы тепловых сред, что делает приятным и полезным длительное пребывание в них, причем эти элементы появлялись естественным образом из почвы (земли), что было первым использованием геотермальной энергии.

Технические познания римлян достигли высочайших уровней. Они смогли разработать систему подачи и нагрева воды, чтобы гарантировать совершенное функционирование массивного комплекса.

На основе подачи воды, как в СПА, бассейнах и фонтанах в городах, существовали римские акведуки, способные переносить, используя силу гравитации, большие количества воды из источников и озер в городские центры, где они направлялись по каналам посредством системы арок и трубопроводов к установкам назначения. Первый акведук, построенный в Риме для питания СПА, был акведуком «Aqua Virgo», построенным «Агриппой» в первом веке до нашей эры, для обеспечения достаточным количеством воды бань в «Campus Martius», после чего каждый банный комплекс был соединен с акведуком.

Воду направляли в большие цистерны, построенные неподалеку, и доставляли к установке по трубам из свинца или глины; однако по достижении места назначения воду необходимо было нагревать, так как базой СПА было применение чередования и доступности как холодной, так и горячей воды: нагрев получали с помощью специальных котлов, размещенных в банях, с использованием печей со сжиганием большого количества древесины. Поддержание воды внутри бассейнов с желаемой температурой получали за счет своеобразного приема, так называемого «testudo alvei», котла в уникальной форме черепахи, нагреваемого непосредственно и непрерывно от печи и вставленного в стенку дна резервуара.

Техника нагрева воды развивалась на протяжении столетий, до достижения первой попытки промышленного применения парового котла, который был сделан Севери для подъема воды (1689 г.) в английских шахтах. Однако, до изобретения паровой машины Уатта, давление пара не повышали немного выше атмосферного давления. В течение длительного времени в течение 19 го века технология паровых котлов остановилась на котлах, заполненных Уаттом датчиками и манометрами, поддерживающими давление менее 4 атмосфер. Многочисленные происходившие взрывы котлов стимулировали изобретение «безопасных котлов», которые, похоже, возникли в США. Внедрение водотрубных котлов и прогресс в области металлоконструкций и прикладной термодинамики привели к более быстрому развитию эволюции паровых котлов, поэтому возникла технология получения пара при давлении 10-12 и, в исключительных случаях, 16-18 атмосфер. В последние годы получают высокие и сверхвысокие давления (от 50 до 100 атмосфер), и даже котлы до 224 атмосфер (критическое давление).

Современным паровой котел является неотъемлемой частью сложной системы устройств, то есть, парогенератора, системы, в которой тепловая энергия, производимая топливом, преобразуется в энергию.

Сегодня нагревание воды в бытовых устройствах происходит, главным образом, за счет использования сопротивления. Сопротивление представляет собой элемент, обычно, изготовленный из медной обмотки, который используют для нагрева воды или текучих сред.

Обычно операцию нагрева выполняют с помощью электрической энергии, проходящей через нее, она нагревает медную деталь, которая, будучи в контакте с водой, приводит к ее нагреванию. Чтобы не допустить того, чтобы электрическая энергия при контакте с водой вызвала короткое замыкание, сопротивление снабжено внутренней керамической изоляцией нити в том месте, где она проходит между токопроводящей и медной деталью, что позволяет передавать тепло, производимое этой энергией. Причину, по которой электрическая энергия, проходящая по электропроводной нити, создает тепло, называют эффектом Джоуля, хорошо известной физической закономерностью, лежащей в основе большинства современных технологий нагрева, и которая, как правило, «управляет» каким-либо преобразованием энергии электричества в другие формы энергии. Таким образом, эффект Джоуля утверждает, что энергия, переданная материалу, в котором течет электрический ток, определяется такой формулой: Р=VI, которая показывает, что подаваемая электрическая энергия (Р) прямо пропорциональна электрическому потенциалу (V), а также прямо пропорциональна напряженности электрического поля (I), которое циркулирует в самой цепи. Благодаря открытию Джоуля, мы теперь знаем, что тепло есть не что иное, как форма энергии, в частности, «деградированной» энергии. Этот вид энергии едва ли может быть преобразован в другую форму энергии, вместо, например, кинетической энергии или гравитационной энергии, которые легко преобразуемы.

Фактически тепло является суммой кинетических энергий атомов и молекул, образующих тело, а показателем этой кинетической энергии для каждой частицы является температура. Аналогично, электрический ток представляет собой не более чем создаваемое электрическим полем упорядоченное движение электронов, имеющих кинетическую энергию. При течении электрических зарядов через сопротивление кинетическая энергия от электрических зарядов (электронов) частично или полностью отводится в материал, через который проходит этот электрический ток. В макроскопической форме, применяя закон Ома (R=V/I), формула Джоуля может быть выражена следующим уравнением Р=RI², где V=RI.

Таким образом, электрическая энергия прямо пропорциональна сопротивлению (R) цепи и квадрату силы электрического тока (I).

В случае бытовых устройств сопротивление имеет два контакта, называемых электрическими полюсами, к которым подключены электрические кабели питания самих бытовых устройств.

Устройство питается электрическим током. Существует множество патентов в области теплоносителей, но среди проведенных исследований не было отмечено аналогий с нашим изобретением. Приведено несколько примеров существующего уровня техники, даже если они сильно отличаются от данного изобретения.

Патент US 6067403, компании IMETEC, который описывает электрический парогенератор, в котором уровень воды в котле стабилизируется под воздействием электроники и/или пневматики, и электроника приводится в действие от датчика температуры, расположенного в корпусе, как правило, бронированного элемента сопротивления, подверженного всплыванию вследствие понижения уровня воды, чтобы активировать подпиточный микронасос, подающий в котел холодную воду, извлекаемую из резервуара, при этом пневматика приводится в действие от поплавкового клапана, обеспечивающего возможность поступления воздуха во время охлаждения котла, чтобы не позволять котлу извлекать воду из резервуара через корпус остановленного микронасоса. Данное изобретение никоим образом несравнимо с настоящим изобретением.

Патент GB 2485162 «Modular heating system (Модульная система нагрева)», в котором блок котла содержит корпус, включающий в себя первый контур первой теплообменной текучей среды, такой как пар, и второй контур второй теплообменной текучей среды системы нагрева, предпочтительно, для центрального отопления и/или бытовой горячей воды. Первый контур имеет нагревательное устройство для нагрева первой среды, теплообменник, клапан и первый коллектор. Второй контур имеет канал потока и возврата блока котла, второй коллектор и теплообменник для теплообмена между первой и второй теплообменными средами, когда клапан открыт.Пространство в корпусе вмещает дополнительный блок, предпочтительно, включающий в себя органический цикл Рэнкина (organic Rankine cycle, ORG), содержащий электрический генератор, который приводится в действие первой теплообменной текучей средой. Для управления действием нагревательного устройства предусмотрен блок управления котлом, в соответствии с тепловой нагрузкой, независимо от вспомогательного блока, при его подключении. При использовании котел и вспомогательный блок образуют микросистему СНР (комбинированного производства тепловой и электрической энергии). В другом аспекте раскрыт модуль ORG, содержащий блок управления и раму, и монтируемый в раме для вибрационного блока. Данное изобретение никоим образом несравнимо с настоящим изобретением.

Публикация заявки на патент US 20120132643 А1 компании SAMSUNG Electronics, в котором представлен микронагреватель и матрица микронагревателя. Микронагреватель содержит основание, стойку, расположенную на основании, и мостик, опирающийся на стойку. Ширина части мостика, сформированная на стойке, меньше, чем ширина части мостика, не соприкасающейся со стойкой. Мостик может содержать пружинный элемент. Данное изобретение никоим образом несравнимо с настоящим изобретением.

Сущность изобретения

В настоящем изобретении решены технические проблемы, описанные выше, благодаря новой системе, которая обеспечивает нагревание воды при переменном потоке и при значительном энергосбережении. Настоящее изобретение работает благодаря потокам с чрезвычайно малыми микроскопическими сечениями прохождения текучих сред, только с трубкой капиллярного размера. Потоки для обычного бытового или промышленного размера (например, 3/4 или 1 дюйм, или более чем 394 дюйма) могут быть выполнены путем увеличения в пучке капиллярных трубок или, отдельно, вплоть до числа, необходимого для получения потока горячей текучей среды (например, воды), который выходит из сопла, или с помощью соединительного элемента (замкнутого контура) необходимого размера. Выходящая или циркулирующая текучая среда имеет регулируемое давление и температуру, благодаря использованию электронной системы, по известному способу, соответствующим образом калиброванную согласно типу необходимого результата.

Использование настоящего изобретения обеспечивает значительную экономию энергии по сравнению с традиционными системами нагрева текучих сред (например, воды), используемыми до настоящего времени. Эта экономия количественно оценивается не менее чем на шестьдесят процентов (60%). Экономия достигается за счет комбинированных эффектов от использования стали с очень высокой теплопроводностью, нагрева, создаваемого соответственно расположенными электрическими полюсами, что вместе с управлением электронной платой обеспечивает сбалансированный надлежащим образом нагрев.

В настоящем изобретении также решены другие технические проблемы, значительно уменьшено рассеяние, не требуется смеситель для достижения желаемой температуры. Данный элемент регулируется с помощью электронной платы, управляемой через дисплей или многофункциональный регулятор с регулируемой температурой и непрерывным потоком известного уровня техники.

В случае сгруппированных пучков капиллярных трубок тепловой баланс также регулируется с помощью электронного управления от внешней стороны пучка до центра пучков. Эта система обеспечивает дополнительную экономию благодаря конгруэнтности нагреваемых капиллярных трубок, расположенных рядом друг с другом, которыми электронная плата управляет автоматически, она определяет постоянную и текущую энергию, передаваемую к каждой трубке. Энергия будет использоваться, постепенно уменьшаясь по мере приближения к центру пучка, поскольку создается теплопередача за счет конвекции и излучения от внешних капиллярных трубок к внутренним капиллярным трубкам, а также за счет теплопроводности, если трубки контактируют друг с другом.

В настоящем изобретении также решена известная проблема, связанная с накоплением известкового осадка внутри трубки или вблизи стыков, путем микрофильтрации воды (или текучей среды) выше по потоку от капиллярных трубок или пучка трубок, с предпочтительным размером 20 микрон, однако между минимумом 15 микрон и максимумом 50 микрон, посредством удаления известковых частиц за счет эффекта ионного обмена в пределах более 95%. В настоящем изобретении также решена проблема большого периода тепловой инерции, имеющейся во многих устройствах или нагревателях, что значительно сокращает его, более чем на 95%, при явном увеличении экономии энергии.

Учитывая, что в настоящем изобретении обеспечено мгновенное нагревание желаемой текучей среды до необходимой температуры в сочетании с близостью соплового выброса, или замкнутого контура, мы получили дополнительную экономию энергии более 60% благодаря упомянутым факторам; это является весьма полезным для окружающей среды и глобального экономического цикла.

Необходимое количество джоулей, например, для нагрева количества воды, обычно используемого бытовыми машинами для производства, например, кофе эспрессо, учитывая время нагрева, время ожидания, а также время раздачи кофе, обычно составляет между 50000 и 90000 джоулей.

Согласно настоящему изобретению для той же операции потребление составляет примерно 8000 джоулей с энергоэффективностью более 87%.

Раскрытие изобретения

Определения

Для целей настоящего изобретения термин «нагреватель» подразумевает нагревательное устройство согласно различным известным способам, которое может работать с различными типами ископаемого топлива или различными видами энергии. Нагреватель выполняет задачу нагрева текучих сред (например, воды) для промышленного применения или также для бытового применения, например, душ, стиральная машина, посудомоечная машина, утюг, машины для приготовления горячих напитков (например, кофе и/или чай), радиаторы и т, и. Другим возможным применением настоящего изобретения является, например, нагрев автомобильных кабин или нагрев сиденья для обогрева автомобиля.

В контексте настоящего изобретения «Капиллярный нагреватель на основе эффекта близости с высокой степенью энергосбережения, оборудованный выше по потоку микрофильтрационным устройством для удаления известковых частиц, имеющихся в текучих средах, и ниже по потоку соплом или замкнутым контуром» означает нагреватель, который может работать либо от электричества, либо от батарей, либо от генератора электроэнергии (топливный элемент), благодаря тому, что потребление электроэнергии согласно изобретению является особенно низким. В контексте настоящего изобретения под термином «микрофильтрационное устройство» имеется в виду фильтрующее устройство, которое задерживает примеси от 15 микрон и по меньшей мере 95% известковых частиц.

Предметы изобретения

Предметом настоящего изобретения является капиллярный нагреватель на основе эффекта близости с высокой степенью энергосбережения, находящийся под соответствующим электрическим напряжением, и оборудованный выше по потоку микрофильтрационным устройством для удаления известковых частиц, имеющихся в текучих средах, и ниже по потоку соплом или замкнутым контуром, содержащий:

a) одну или множество капиллярных стальных или графеновых трубок с высокой теплопроводностью;

b) двухполюсный электрический разъем;

c) одно или больше гидравлических устройств для отпирания и запирания потока текучей среды в капиллярных трубках;

d) одно или больше сопел для выходного потока горячей текучей среды, или соединения с замкнутым контуром или теплообменниками;

e) электронную плату с многофункциональным дисплеем для управления потоком и температурой текучих сред в соответствии с потребностями, плата также может быть использована для интеграции электронной структуры устройства (например, бытовое устройство). Предметом настоящего изобретения является капиллярный нагреватель на основе эффекта близости с высоким энергосбережением, обеспечивающий непрерывный (если не регулируемый) нагрев текучих сред (например, воды) при желаемой температуре. Предметом настоящего изобретения также является прямое использование настоящего изобретения (краны, душевые кабины, радиаторы и т.п.) или в качестве поддержки другого оборудования, такого как стиральная машина, посудомоечная машина, утюг, машины для раздачи горячих напитков (например, кофе или чая), оборудование для создания пара или, в области автомобильной промышленности, для обогрева пассажирских салонов или сидений автомобилей.

Эти и другие предметы настоящего изобретения будут подробно проиллюстрированы ниже, также с помощью чертежей и примеров.

Чертежи

Фиг. 1: Пример принципиальной схемы традиционного нагревателя воды (или вообще текучей среды), известного для получения горячей воды (текучей среды).

Фиг. 2: Иллюстрация варианта реализации настоящего изобретения.

Фиг. 3: Иллюстрация примера промышленного применения настоящего изобретения в области автомобильной промышленности для подогрева пассажирских сидений автомобиля.

Фиг. 4: Принципиальная схема дополнительного использования в устройстве согласно настоящему изобретению, бытовом устройстве раздачи горячих напитков (чая, кофе, шоколада, чая и т.п.).

Фиг. 5: Иллюстрация дополнительного использования в устройстве согласно настоящему изобретению, бытовом устройстве раздачи горячих напитков (чая, кофе, шоколада, чая и т.п.).

Реферат

Для получения капиллярного нагревателя на основе эффекта близости с высокой степенью энергосбережения, находящегося под соответствующим электрическим напряжением (2), и оборудованного выше по потоку микрофильтрационным устройством (9) для удаления известковых частиц, имеющихся в текучих средах, и ниже по потоку соплом (7) или разъемом, или замкнутым контуром (фиг. 3), используют сталь или графен с высокой или очень высокой теплопроводностью, в случае использования изобретения для получения пищи или напитков для потребления человеком, изделие будет промышленно производиться из соответствующего материала для пищевых продуктов. Такие материалы хорошо известны специалисту в данной области. В предпочтительном варианте реализации изобретения, помимо прочего, используют стальную капиллярную трубку (1) с высокой или очень высокой теплопроводностью, либо непокрытую, либо покрытую керамическим материалом или композитом, или пластиком, предназначенным для пищевых продуктов, при необходимости. В этой капиллярной трубке (1), которая может быть сгруппирована в пучки (8), впоследствии подвергаемые воздействию (фиг. 3), закреплены (фиг. 2) электрические разъемы (2), - подводящие электрическое напряжение к капиллярной трубке (1), через которую будет пропускаться электрический ток, и, следовательно, она будет нагреваться под влиянием эффекта Джоуля.

Настоящее изобретение соответственно и надлежащим образом защищено в соответствии с действующими международными правилами защиты, и в соответствии с техническими характеристиками IPX8 имеет вход в виде гидравлического микрозатвора (3) с электронным дистанционным управлением (4), который обеспечивает отпирание, когда требуется подавать (5) горячую воду (или горячие текучие среды) (12), и запирание, когда потребность отпала.

На противоположной стороне капиллярной трубки (фиг. 2), расположено сопло (7) для выхода горячей воды (или горячих текучих сред) или для подключения к замкнутому контуру или теплообменнику, с датчиком (6) температуры, соединенным с электронным устройством дистанционного управления (4).

Весь процесс нагрева и раздачи регулируется электронной платой (4), предшествующего уровня техники, которая соответственно и надлежащим образом сконструирована и откалибрована для поступления воды в капиллярную трубку для расхода, а давление является атмосферным, благодаря действию насосов (10); электрическая энергия, необходимая для нагрева воды до желаемой температуры, более чем на 95% меньше, чем в любой другой известной системе нагревателя, в качестве примера настоящего изобретения, переход от 1° Цельсия для переработки в пар в соответствии со следующей таблицей (градусы Цельсия) составляет:

Согласно точным расчетам, мощность в милливаттах, требующаяся для нагрева воды при температуре 89 градусов Цельсия, необходимая, например, для получения чашки кофе, составляет 3 ватта, что на 95% меньше, чем энергия, используемая сегодня устройствами для получения кофейных напитков в быту или на профессиональном уровне. Выше по потоку от гидравлического микрозатвора (3) расположен высокоэффективный фильтр (9) для микрофильтрации, с предпочтительным размером фильтрации 20 микрон, но все еще работающий в диапазоне между 15 и 50 микрон, посредством удаления известковых частиц за счет ионного обмена до степени более чем 95%, дифференцируемый в зависимости от жесткости воды, в частности, в области применения, которая будет задерживать не менее чем 95% аэрозольных и известковых частиц, для гарантии, что капиллярная трубка (1) всегда остается чистой внутри. Размер номинального внутреннего диаметра трубки колеблется от 0,13 мм (инсулиновая игла) до 1000,00 мм. Трубки также могут быть сгруппированы в пучки (8), более или менее крупные, так чтобы получить группы, которые могут нагревать большие количества воды или текучей среды для обычного бытового или промышленного применения (например, 3/4 или 1 дюйм, или больше). В этих случаях, электронная плата (4) управления будет соответствующим образом откалибрована, чтобы управлять необходимой температурой путем непрерывного изменения электрических потоков для каждой капиллярной трубки, находящейся внутри пучка, по своей природе с более высокой температурой, чем снаружи, согласно действию известных физических законов.

В предпочтительном варианте реализации капиллярный нагреватель на основе эффекта близости с высоким энергосбережением, находящийся под соответствующим электрическим напряжением (2), и оборудованный выше по потоку микрофильтрационным устройством (9) для удаления известковых частиц, имеющихся в текучих средах, и ниже по потоку соплом (7), пучком капиллярных трубок (8) под управлением электронной платы (4), обеспечивает нагрев воды, по необходимости, при температуре 60°С для обслуживания работы стиральной машины. Даже в этом случае экономия энергии по сравнению с обычным электрическим сопротивлением составляет больше, чем 60%.

В другом предпочтительном варианте реализации подходящее число котлов на основе эффекта близости, обслуживающих лейку душа, (которые, благодаря низкому потреблению, могут питаться от батареи) путем нагрева капиллярных трубок, которые доводят воду на выходе до желаемой температуры, без необходимости смешивания с холодной водой. В другом предпочтительном варианте реализации в нагревателе используют нагревательный элемент на основе эффекта близости. Вода в кофе-машине предусматривает нагрев одной или больше капиллярных трубок, обладающих возможностью нагревания воды, необходимой для экстракции из фильтра (11) кофе или горячих напитков. Кроме того, в данном случае малое количество требуемой энергии означает, что нет необходимости использования электрического тока от сети, а вся операция может быть выполнена с помощью батареи мощностью 8 ампер при напряжении 3,7 вольт. Предпочтительным вариантом реализации котла на основе эффекта близости с высокой степенью энергосбережения является нагрев сидений и кабины автомобилей, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания или электродвигателем (фиг. 3). В системах и передовых технологиях известно, что отсутствие тепловых двигателей на транспортных средствах, приводимых в действие электроэнергией, сберегаемой в аккумуляторных батареях, является серьезной проблемой для зимнего обогрева кабины и сидений в транспортных средствах этого типа, со сложным решением. Нагреватель на основе эффекта близости также работает в замкнутом контуре, с заметным энергосбережением, он может обеспечивать обогрев пассажирского отсека с помощью пучка труб (8), соответственным образом расположенного змеевидно на полу и на потолке автомобиля, а также внутри пассажирских сидений, или в другом желаемом месте. Электронная плата (4), откалиброванная соответствующим образом, будет очень быстро доводить температуру пассажирского салона до желаемого уровня. Такой же нагреватель на основе эффекта близости также может быть использован в качестве нагревателя для выходных сопел посредством горячего воздуха. Комбинация трех систем обеспечивает комфортный нагрев и энергосбережение по сравнению с существующим уровнем техники более чем на 60%.

Реферат

Изобретение относится к нагревательным устройствам для текучей среды. Капиллярный нагреватель на основе эффекта близости для текучих сред, содержащий: по меньшей мере одну капиллярную трубку (1), выполненную с возможностью вмещать нагреваемую текучую среду и соединенную с электрическими соединениями (2), выполненными с возможностью подачи электрического напряжения на упомянутую капиллярную трубку (1); микрофильтровальное устройство (9), соединенное с упомянутой капиллярной трубкой (1) и выполненное с возможностью удаления известковых частиц, присутствующих в текучих средах; электронную управляющую плату (4), соединенную с упомянутой капиллярной трубкой (1) и выполненную с возможностью управления потоком и температурой текучих сред; и сопло (7), соединенное с упомянутой капиллярной трубкой (1) и предназначенное для выхода нагретых текучих сред из капиллярного нагревателя на основе эффекта близости. Изобретение направлено на энергосбережение при нагреве текучей среды. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула