ЭЛЕКТРОПОДОГРЕВАТЕЛЬ ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к энергетической технике, в частности электротермии, и может быть использована для электронагрева газов или жидкостей.
Эффективность электроподогревателя в основном определяется максимально допустимой температурой нагревательных элементов (ТЭНОВ) и площадью их поверхности в единице объема (удельная площадь) электроподогревателя, см., например, УДК 622.692.2/.4:621.365.48, Фонарев 3. И., « Электроподогрев трубопроводов, резервуаров и технологического оборудования в нефтяной промышленности», Ленинград, Недра, 1984, стр. 36...37. Чем выше температура нагревающих элементов и чем больше площадь поверхности нагревательных элементов в единице объема подогревателя, тем больше тепла смогут они передать нагреваемой среде в единице объема. Однако температура нагревательных элементов ограничена предельно допустимой температурой материала нагревательных элементов, а площадь теплопередающей поверхности ограничена их конструкцией. В конечном итоге, эффективность электроподогревателя тем выше, чем больше тепла он позволяет передать в единице своего объема.
Известен электроподогреватель воздуха (Патент RU №2400679, МПК F24H 3/08, публ. 27.09.2010), который содержит корпус с входным и выходным отверстиями, входную и выходную опорные трубные доски, в которых продольно установлены снабженные токовводами трубчатые нагревательные элементы.
Недостатки известного электроподогревателя заключаются в небольшой площади теплообменных поверхностей, поскольку для теплообмена используется только внутренняя поверхность трубчатых нагревательных элементов, что приводит к необходимости либо повышать температуру теплообменных поверхностей нагревательных элементов для передачи требуемого тепла нагреваемой среде, что приводит к снижению надежности подогревателя, либо повышать площадь теплообменных поверхностей, что приводит к увеличению габаритов и, соответственно, увеличению металлоемкости и стоимости электроподогревателя.
Известен электроподогреватель (Патент RU №180162, МПК F24H 3/04, публ. 05.06.2018), который является наиболее близким аналогом по технической сущности, принятый за прототип, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями, в котором установлены снабженные токовыми контактами нагревательные элементы и изоляторы электрического тока.
В этом известном электроподогревателе для передачи тепла используются как наружная, так и внутренняя поверхность трубчатых нагревательных элементов. Такой электроподогреватель компактнее приведенного выше чуть более, чем в 2 раза, поскольку удельная теплообменная поверхность его более чем в два раза выше за счет дополнительной передачи тепла наружной поверхностью трубчатых нагревательных элементов. Однако и в этом электроподогревателе теплообменная поверхность остается недостаточной и требуется нагрев трубчатых нагревателей до высоких температур, что приводит к снижению его надежности и ресурса, или повышению габаритов, т.е., металлоемкости, что приводит к увеличению его стоимости.
Кроме того, корпус подогревателя омывается подогретой средой, что приводит к необходимости применения для корпуса соответствующих дорогих жаростойких материалов.
Кроме того, максимальная температура нагревательных элементов, кроме температуры ограничена еще и агрессивностью подогреваемой среды, которая в ряде случаев является существенно более жестким ограничением.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемой полезной модели и не может быть реализовано при использовании прототипа, является недостаточная удельная площадь теплообменных поверхностей, что приводит при передаче одного и того же количества тепла либо к повышению температуры нагревательных элементов, и к увеличению их габаритов и соответственно подогревателя в целом.
Кроме того, проблемой может стать предельно допустимая температура корпуса подогревателя.
Кроме того, проблемой может стать возросшая с температурой агрессивность нагреваемой среды, активность которой в ряде случаев растет существенно быстрее температуры материала нагревательных элементов.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение его надежности и ресурса и уменьшению его габаритов и металлоемкости, повышение температуры подогреваемой среды свыше предельной температуры материала корпуса подогревателя, а в целом повышение эффективности электроподогревателя.
Кроме того, задачей предполагаемой полезной модели является повышение температуры свыше температуры повышения агрессивности нагреваемой среды.
Техническая проблема решается тем, что в электроподогревателе газа или жидкости, содержащем корпус с входным и выходным отверстиями, в котором установлены снабженные токовыми контактами нагревательные элементы и изоляторы электрического тока, согласно полезной модели, нагревательные элементы выполнены в виде пористого токопроводящего материала с открытыми порами, при этом нагревательные элементы изолированы от корпуса неэлектропроводящим материалом.
Кроме того, согласно полезной модели, нагревательные элементы изолированы от корпуса пористым неэлектропроводящим материалом с открытыми порами.
Кроме того, согласно полезной модели, нагревательные элементы, выполненные в виде пористого токопроводящего материала с открытыми порами, снабжены защитным покрытием.
Предлагаемая конструкция электроподогревателя газа или жидкости содержит корпус с входным и выходным отверстиями, в котором установлен снабженный токовыми контактами нагревательный элемент, изоляторы электрического тока.
В отличии от прототипа, нагревательные элементы подогревателя газа или жидкости выполнены в виде пористого токопроводящего материала с открытыми порами, что позволяет достичь больших теплообменных поверхностей в единице объема подогревателя.
Технический результат предполагаемой полезной модели достигается значительным, более чем в 5…10 раз увеличением удельных поверхностей электроподогревателя путем применения нагревательных элементов из пористого электропроводящего материала, см. УДК 544.723; 542.06; 542.81; «Удельная внешняя поверхность блочных высокопористых проницаемых ячеистых материалов»; В.В. Игнатенкова, А.В. Беспалов, В.Н. Грунский; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Москва; 2010 г.
Кроме того, нагревательные элементы изолированы от корпуса неэлектропроводящим, например, керамическим материалом, что позволяет защитить корпус от перегрева и использовать для него недорогие материалы.
Кроме того, в отличии от прототипа, нагревательные элементы изолированы от корпуса пористым неэлектропроводящим материалом с открытыми порами, что позволяет защитить его от перегрева за счет снижения конвективного теплообмена, поскольку скорость движения нагреваемой среды в пористом материале будет меньше скорости при непосредственном омывании стенок корпуса нагреваемой средой. В качестве пористого материала с открытыми порами могу быть использованы, например, карбид кремния, диоксид циркония, оксид алюминия и др., керамические вспененные материалы, которые успешно применяются для фильтрации расплавленных металлов и сплавов.
Кроме того, в отличии от прототипа, нагревательные элементы, выполненные в виде пористого токопроводящего материала с открытыми порами, снабжены защитным металлическим покрытием, что позволяет защитить их от агрессивного воздействия нагреваемой среды. Защитное покрытие для пористого материала нагревателя, например, из вольфрама, который не работоспособен в окислительной среде, например, в воздухе, при температурах свыше 500°С, может быть выполнено, например, из никеля, который предохранит вольфрам до температур свыше 1400°С. При необходимости подогреть нагреватель свыше 1700°С в качестве защитного покрытия может быть выбрана платина.
На фиг. 1 представлен продольный разрез предлагаемого электроподогревателя газа или жидкости.
На фиг. 2 представлен продольный разрез с потоками нагреваемой среды (газа или жидкости).
На фиг. 3 представлен вид сбоку электроподогревателя газа или жидкости.
Электроподогреватель газа или жидкости (без позиции) содержит 1 -корпус электроподогревателя из стенок (без позиции); 2 - входное отверстие; 3 - выходное отверстие; 4 - изолятор электрического тока; 5 - пористый электропроводный нагревательный элемент; 6 -токовые контакты; 7 -изоляторы токовых контактов; 8 - поток нагреваемого воздуха или жидкости; 9 - пористые неэлектропроводные изоляторы с открытыми порами; 10 - часть потока нагреваемой среды, протекающая через пористый изолятор; 11 -пористый электропроводный нагревательный элемент с защитным покрытием (без позиции).
Работает электроподогреватель газа или жидкости следующим образом.
К пористому электропроводному нагревательному элементу 5 через токовые контакты 6 подводят электрический ток, в результате чего он нагревается. Поток нагреваемого газа 8 поступает в корпус 1 электроподогревателя через входное отверстие 2, проходит сквозь пористые нагретые нагревательные элементы 5, принимает от них тепло, нагревается и выходит через выходное отверстие 3. Изоляторы токовых контактов 7 и изоляторы нагревательного элемента 4 изолируют токовые контакты 6 и пористые нагревательные элементы 5 от контакта с корпусом 1. Изоляторы нагревательного элемента 4, расположенные вдоль стенок корпуса 1 электроподогревателя, защищают его от перегрева.
Кроме того, при выполнении неэлектропровроводящих (неэлектропроводных) изоляторов нагревательного элемента в виде пористого материала с открытыми порами 9, часть потока нагреваемой среды 10 протекает непосредственно сквозь них. При этом эта часть потока нагревается в меньшей степени, чем поток 8 и не перегревает стенки (без позиции) корпуса 1 электроподогревателя.
Кроме того, например, в электроподогревателе с пористым нагревательным элементом 5, выполненным, например, из вольфрама, который в воздушной - окислительной среде способен работать до 500°С, защитное покрытие (без позиции), например, из никеля позволит поднять его температуру до 1400°С. При необходимости подогреть нагреватель свыше 1700°С в качестве защитного покрытия может быть выбрана платина.
Предлагаемая конструкция электроподогревателя газа или жидкости в условиях опытного производства прошла испытания и показала ожидаемый положительный технический результат и проходит подготовку производства для промышленного применения. Опытный электроподогреватель при равной с прототипом мощностью оказался в 6 раз компактнее и в 8 раз легче прототипа.
Таким образом, предлагаемая полезная модель, в совокупности известных признаков прототипа и отличительных признаков предлагаемого технического решения, позволяет обеспечить повышение эффективности электроподогревателя за счет повышения его надежности и ресурса, и уменьшение его габаритов и металлоемкости, повышение температуры подогреваемой среды.