RU2007895C1

RU2007895C1 - Electric heater

Info

Publication number: RU2007895C1
Authority: RU
Inventors: А.И. Елшин; В.М. Казанский
Original assignee: Елшин Анатолий Иванович
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1994-02-15

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: electric heater has built-in transformer with laminated core 2 which primary winding 1 is connected to network. Heating part 3 of heater is part of secondary short- circuited winding of transformer. It has optional shape defining shape of heater. It is manufactured from ferromagnetic sheet material with current- carrying coat 5 which thickness is less than depth electromagnetic wave penetrates into coat on frequency of feeding network. EFFECT: expanded operational capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к бытовым электронагревательным приборам, и может быть использовано для нагрева различных объектов, в том числе, помещений. The invention relates to electrical engineering, in particular to household electric heating appliances, and can be used to heat various objects, including rooms.

Известны электронагревательные приборы, например "сухие" электрорадиаторы и греющие электропанели в напольном, настенном, потолочном и модульном исполнении, конструктивно представляющие собой электроизоляционные (как правило нагревостойкие) пластины, на защищенных от прикосновения сторонах которых или внутри них размещены резистивные нагревательные элементы в виде различных по форме проводящих нитей с высоким удельным сопротивлением. Electric heaters are known, for example, “dry” electric radiators and heating electric panels in floor, wall, ceiling and modular design, which are structurally electric insulating (usually heat-resistant) plates, on the sides which are protected from touching or inside which resistive heating elements are placed in the form of different form of conductive threads with high resistivity.

К недостаткам этих электронагревателей относится невозможность непосредственного контакта резистивного нагревательного элемента (спирали, нихромовых проволок и т. д. ) с нагреваемой средой (воздухом), а также несоизмеримость размеров резистивных элементов с габаритами греющей панели. Как следствие этого неизбежность значительного перепада температур между резистивным нагревательным элементом, иногда раскаленным до нескольких сот градусов, и поверхностью электронагревательных панелей. The disadvantages of these electric heaters include the impossibility of direct contact of the resistive heating element (spiral, nichrome wires, etc.) with the heated medium (air), as well as the incommensurability of the dimensions of the resistive elements with the dimensions of the heating panel. As a consequence of this, the inevitability of a significant temperature difference between a resistive heating element, sometimes heated to several hundred degrees, and the surface of electric heating panels.

Необходимость применения термостойкой изоляции, обладающей как правило плохой теплопроводностью и нередко механической хрупкостью (стекло, керамика и др. ). The need for heat-resistant insulation, which usually has poor thermal conductivity and often mechanical fragility (glass, ceramics, etc.).

Ограниченная стойкость к механическим воздействиям, как случайных, так и преднамеренных при формообразовании панелей (удар, изгиб, крепление и т. д. ). Limited resistance to mechanical stress, both accidental and deliberate during the shaping of panels (impact, bending, fastening, etc.).

Пониженная электробезопасность электронагревателя, подключаемого непосредственно к сети (220 В), особенно в условиях повышенной влажности воздуха или непосредственного воздействия воды на электронагревательный прибор. Reduced electrical safety of the electric heater, connected directly to the network (220 V), especially in conditions of high humidity or direct exposure to water on the electric heater.

Повышенная тепловая инерционность, и как следствие - медленный разогрев панели при включении и соответствующие затруднения при регулировании температуры греющей поверхности. Increased thermal inertia, and as a result - a slow heating of the panel when turned on and corresponding difficulties in controlling the temperature of the heating surface.

Известны также электронагревательные приборы, содержащие жесткие греющие панели из материала с высокой теплопроводностью, в которых используются трубчатые резистивные электронагревательные элементы, герметично закрытые материалом панели. Такие панели изготавливаются из проводящей керамики или листового алюминия в односторонней теплостойкой изоляцией. В подобных отопительных приборах снижается перепад температур между резистором и греющей поверхностью панели, повышается стойкость к механическим воздействиям, снижается вредное экологическое влияние на нагреваемую среду из-за герметичности резистора и тепловая инерционность. Electric heaters are also known, comprising rigid heating panels made of a material with high thermal conductivity, which use tubular resistive electric heating elements sealed by a panel material. Such panels are made of conductive ceramic or sheet aluminum in one-sided heat-resistant insulation. In such heating devices, the temperature difference between the resistor and the heating surface of the panel is reduced, resistance to mechanical stress is increased, harmful environmental impact on the heated medium is reduced due to the tightness of the resistor and thermal inertia.

Однако использование электропроводящих пластин (особенно металлических) для этих панелей приводит к дальнейшему снижению электробезопасности, не обеспечивает непосредственного контакта нагреваемой среды с греющим резистором и требует дорогостоящих материалов. However, the use of electrically conductive plates (especially metal) for these panels leads to a further decrease in electrical safety, does not provide direct contact of the heated medium with a heating resistor, and requires expensive materials.

Известны также электронагревательные приборы, использующие разогрев резисторных элементов за счет идуцированных в них токов промышленной частоты и предназначенные в основном для нагрева жидкостей. Такие электроприборы содержат встроенный трансформатор, первичная обмотка которого подключается к сети промышленной частоты, а вторичная замкнутая обмотка, изолированная от магнитопровода теплостойкой изоляцией, является основным тепловыделяющим элементом. Electric heaters are also known that use the heating of resistor elements due to the industrial-frequency currents induced in them and intended mainly for heating liquids. Such electrical appliances contain a built-in transformer, the primary winding of which is connected to a power frequency network, and the secondary closed winding, isolated from the magnetic core by heat-resistant insulation, is the main heat-generating element.

Электроприборы с индукционным нагревом имеют повышенную электробезопасность и пожаробезопасность. Они более долговечны в эксплуатации. Electric appliances with induction heating have increased electrical safety and fire safety. They are more durable in operation.

Наиболее эффективным электронагревательным прибором с индукционным нагревателем промышленной частоты является принятый за прототип электронагреватель трансформаторного типа. Этот электроводонагреватель содержит встроенный трансформатор с шихтованным сердечником и первичной обмоткой, подключаемой к сети, и вторичную одновитковую обмотку, выполненную из электропроводящего материала в виде тонкостенного полого тороидального резервуара, замкнутого через окно магнитопровода, встроенного трансформатора, таким образом, чтобы магнитопровод с первичной обмоткой оставался внутри полого тороида. Тороидальный резервуар наполняется водой, нагреваемой за счет индуктированных в стенках этого резервуара токов промышленной частоты. The most efficient electric heater with an induction heater of industrial frequency is the transformer type electric heater adopted as a prototype. This electric heater contains an integrated transformer with a lined core and a primary winding connected to the network, and a secondary single-turn winding made of an electrically conductive material in the form of a thin-walled hollow toroidal tank closed through a magnetic circuit window, an integrated transformer, so that the magnetic circuit with the primary winding remains inside hollow toroid. The toroidal reservoir is filled with water heated by industrial frequency currents induced in the walls of this reservoir.

Кроме преимуществ указанных выше аналогов (повышенная электробезопасность и пожаробезопасность электроприбора при эксплуатации) против имеет меньшую тепловую инерционность из-за сравнительно большой греющей внутренней поверхности тороидального резервуара непосредственно соприкасающейся с нагреваемой водой. In addition to the advantages of the above analogues (increased electrical safety and fire safety of the appliance during operation), it has a lower thermal inertia due to the relatively large heating inner surface of the toroidal tank directly in contact with heated water.

К недостаткам электронагревательного прибора, принятого за прототип, следует отнести:
Возможность появления опасного электрического потенциала на внешней поверхности тороидального резервуара и связанная с этим необходимость защиты от проникновения нагреваемой жидкости во обмотки и сердечник встроенного трансформатора, который находится внутри тороидального резервуара, заполненного нагреваемой жидкостью, в основном воды.The disadvantages of the electric heating device adopted for the prototype include:
The possibility of a dangerous electrical potential appearing on the outer surface of the toroidal tank and the associated need for protection against penetration of the heated fluid into the windings and core of the built-in transformer, which is located inside the toroidal tank filled with the heated fluid, mainly water.

Недостаточная механическая жесткость конструкции тонкостенного тороидального резервуара, выполняемого из электропроводящего материала, в частности, меди и алюминия. Выполнение тороидального резервуара из тонколистовой стали для повышения механической жесткости электроприбора, приводит к увеличению омического сопротивления полого тороида и, следовательно, при прочих равных условиях к заметному снижению удельной мощности электронагрева стенок тороида. Соответственно увеличение сечения стальных стенок тороида (для уменьшения его омического сопротивления) приводит к существенному увеличению материалоемкости и массы этого электронагревателя. Insufficient mechanical rigidity of the design of a thin-walled toroidal tank made of electrically conductive material, in particular copper and aluminum. The implementation of a toroidal tank of sheet steel to increase the mechanical rigidity of an electrical device leads to an increase in the ohmic resistance of the hollow toroid and, therefore, all other things being equal, to a noticeable decrease in the specific power of electric heating of the toroid walls. Accordingly, an increase in the cross section of the steel walls of the toroid (to reduce its ohmic resistance) leads to a significant increase in the material consumption and mass of this electric heater.

Низкий коэффициент мощности (cos φ ) электронагревательного прибора, благодаря соизмеримости активного и индуктивного сопротивлений вторичной одновитковой короткозамкнутой обмотки, выполненной в виде полого тороида. При выполнении последнего из листовой стали коэффициент мощности становится еще меньше, из-за увеличения потоков рассеивания замыкающихся непосредственно по стальной (ферромагнитной) оболочке тороида. Low power factor (cos φ) of the electric heater, due to the commensurability of the active and inductive resistances of the secondary single-turn short-circuited winding, made in the form of a hollow toroid. When the latter is made of sheet steel, the power factor becomes even smaller due to an increase in the dissipation fluxes closing directly along the steel (ferromagnetic) shell of the toroid.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о целесообразности создания электронагревательного прибора с более высоким коэффициентом мощности, обладающего универсальностью, т. е. более широкой областью применения. The analysis of the prior art indicates the feasibility of creating an electric heating device with a higher power factor, with versatility, i.e. a wider scope.

Это достигается в предложенном электронагревательном приборе, содержащем встроенный трансформатор с шихтованным сердечником, первичную обмотку, подключаемую к сети, причем греющая часть прибора является частью вторичной короткозамкнутой обмотки трансформатора, имеет произвольную форму и выполнена из ферромагнитного листового материала с электропроводящим покрытием толщиной меньшей глубины проникновения электромагнитной волны в покрытие на частоте питающей сети. This is achieved in the proposed electric heating device containing an integrated transformer with a charged core, the primary winding connected to the network, the heating part of the device being part of the secondary short-circuited transformer winding, has an arbitrary shape and is made of ferromagnetic sheet material with an electrically conductive coating with a thickness of a smaller depth of penetration of the electromagnetic wave into coverage at the frequency of the mains.

На фиг. 1 представлен предлагаемый электронагревательный прибор, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, общий вид. In FIG. 1 shows the proposed electric heater, a longitudinal section; in FIG. 2 - the same general view.

Электронагревательный прибор содержит встроенный трансформатор с первичной обмоткой 1, подключаемой к сети, и шихтованным сердечником 2. Греющая часть прибора может быть любой формы, например, в виде короба 3, определять форму прибора и выполнена из ферромагнитного листового материала, например, стального листа 4 с электропроводящим покрытием 5. Покрытие 5 из меди или цинка нанесено на внешней стороне листа 4, например, напылением или электролитическим способом и т. д. Толщина покрытия меньше глубины проникновения электромагнитной волны в этот материал на частоте питающей сети. Греющая часть прибора является частью вторичной обмотки трансформатора, замкнутой накоротко медными шинами 6, электрически соединенными с коробом 3 сваркой или, например, с помощью заклепок, винтовых соединений и т. д. В греющей части короба 3 имеются отверстия 7 (фиг. 2), регулирующие при изготовлении прибора ее активное сопротивление и распределение плотности тока в греющей части. The electric heating device contains a built-in transformer with a primary winding 1 connected to the network and a lined core 2. The heating part of the device can be of any shape, for example, in the form of a box 3, determine the shape of the device and is made of ferromagnetic sheet material, for example, steel sheet 4 s electrically conductive coating 5. A coating 5 of copper or zinc is applied on the outer side of the sheet 4, for example, by sputtering or by electrolytic method, etc. The coating thickness is less than the depth of penetration of the electromagnetic wave into from the material at the frequency of the mains. The heating part of the device is part of the secondary winding of the transformer, short-circuited with copper busbars 6, electrically connected to the duct 3 by welding or, for example, using rivets, screw connections, etc. In the heating part of the duct 3 there are holes 7 (Fig. 2), regulating in the manufacture of the device its active resistance and the distribution of current density in the heating part.

Предлагаемый электронагревательный прибор функционирует следующим образом. The proposed electric heater operates as follows.

При подключении к сети переменного (в частности, синусоидального) тока первичной обмотки 1 возникает переменный магнитный поток той же частоты в шихтованном сердечнике 2 трансформатора, встроенного в прямоугольный короб 3, который определяет форму электронагревательного прибора и является его греющей частью, электрически замыкающей два параллельных витка (шины 6) вторичной обмотки этого трансформатора. В этой обмотке наводится ЭДС и возникает достаточно большой ток короткого замыкания, а так как сопротивление короба 3 в контуре вторичной обмотки является определяющим, в нем и выделяется основная энергия, идущая на электроразогрев стенок короба 3, непосредственно соприкасающихся с нагреваемой средой (в частности, с воздухом нагреваемого помещения). Выполнение стенок греющей части предлагаемого электронагревательного прибора (короба 3) и ферромагнитного материала, например, стальной ленты 4 с внешним электропроводящим покрытием 5, например, медным, обеспечивает, во-первых, стальные стенки 4 греющей части практически независимо от ее формы, обеспечивают ее достаточную конструктивную жесткость и снижение массы всего прибора; во-вторых, при протекании переменного тока по биметаллической стенке с толщиной внешнего немагнитного проводящего слоя (покрытия) с толщиной меньшей глубины проникновения электромагнитной волны в этот слой на частоте питающей сети происходит резкое вытеснение плотности тока в немагнитный слой т. к. эквивалентное сопротивление единицы длины этого слоя становится на порядок меньше сопротивления стальной стенки. В результате этого наиболее нагретой частью короба 3 становится его внешняя поверхность (слой 5), что усиливает его теплообмен с нагреваемой средой, в третьих, резкое вытеснение тока во внешний слой 5 короба 3 приводит к тому, что комплексное сопротивление этого короба и вторичной обмотки становится практически омическим, а это приводит к существенному улучшению коэффициента мощности (cos φ ) электронагревательного прибора. When an alternating (in particular, sinusoidal) current of the primary winding 1 is connected to the network, an alternating magnetic flux of the same frequency arises in the burnt core 2 of the transformer integrated in a rectangular box 3, which determines the shape of the electric heater and is its heating part, which electrically closes two parallel turns (bus 6) of the secondary winding of this transformer. An EMF is induced in this winding and a sufficiently large short-circuit current occurs, and since the resistance of the box 3 in the secondary winding circuit is decisive, it releases the main energy that is used to electrically heat the walls of the box 3 that are in direct contact with the heated medium (in particular, air heated room). The execution of the walls of the heating part of the proposed electric heating device (box 3) and ferromagnetic material, for example, steel tape 4 with an external electrically conductive coating 5, for example, copper, provides, firstly, the steel walls 4 of the heating part almost regardless of its shape, provide its sufficient structural rigidity and weight reduction of the entire device; secondly, when an alternating current flows through a bimetallic wall with the thickness of an external non-magnetic conductive layer (coating) with a thickness less than the depth of penetration of an electromagnetic wave into this layer at the frequency of the supply network, a sharp displacement of the current density into the non-magnetic layer occurs, since the equivalent resistance of a unit length this layer becomes an order of magnitude less than the resistance of the steel wall. As a result, the most heated part of the duct 3 becomes its outer surface (layer 5), which enhances its heat transfer with the heated medium, thirdly, a sharp displacement of current into the outer layer 5 of the duct 3 leads to the fact that the complex resistance of this duct and the secondary winding becomes almost ohmic, and this leads to a significant improvement in the power factor (cos φ) of the electric heating device.

(56) 1. Патент Германии N 329131, кл. 21 И 12, 1920. (56) 1. German patent N 329131, CL. 21 and 12, 1920.

2. Сборник "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизация технологических процессов промышленных предприятий", Комсомольск-на-Амуре, 1989, с. 97,113. 2. The collection "Improving electrical equipment and automation of technological processes of industrial enterprises", Komsomolsk-on-Amur, 1989, p. 97.113.

Claims

An ELECTRIC HEATING DEVICE comprising an integrated transformer with a lined core, a primary winding connected to a network, and a secondary winding, characterized in that the heating part of the device is part of a short-circuited secondary winding of a transformer, has an arbitrary shape and is made of a ferromagnetic sheet material with an electrically conductive coating with a thickness less than the depth of penetration of the electromagnetic wave into this coating at the frequency of the supply network.