НАГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И СПОСОБ ЕЕ НАГРЕВА
HEATER FOR FLUID AND METHOD OF ITS HEATING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к специальным нагревателям для подогрева химического вещества в смесительных наконечниках или распылителях для использования в химической технологии и, в частности, в узле подогрева, сочетающем достоинства как нагревателей с передачей тепла через массив, так и нагревателей с непосредственным контактом.
Уровень техники
В химических технологических процессах, например в технологии многокомпонентного полиуретана, для достижения физических свойств, определенных поставщиком установки, имеет значение хорошее перемешивание химических компонентов. В смесительных наконечниках на соударениях или распылителях снижение вязкости посредством разогрева помогает обеспечить хорошее перемешивание. В смесительных наконечниках на соударениях/распылителях обычно используются подогреватели двух типов.
Подогреватель первого типа, нагреватель с теплопередачей через массив, нагревает за счет теплопроводности. В таком нагревателе используется брус из сплошного материала, обычно из алюминия, в котором просверлены отверстия или прорезаны небольшие пазы, соединенные так, чтобы образовался гидравлический лабиринт, по которому проходит химикат. Стержни нагревателя прикреплены или заделаны в этот брус для повышения температуры окружающей их массивной конструкции, которая, в свою очередь, нагревает химикат в отверстиях/пазах. При таком способе нагревания стержни нагревателя изолированы от пазов или отверстий, по которым протекает химикат. Таким образом, тепло передается от нагретого массива к химикату, который находится либо в движении, либо неподвижен внутри пазов для химиката, за счет теплопроводности. Температура массива и, косвенно, химиката поддерживается на уровне температуры технологического процесса посредством устройства управления температурой и датчика, расположенного внутри массива. Типичная конструкция нагревателя с передачей тепла через массив раскрыта, например, в патентах США 2,866,885, выданном Мак-Илрату, и 4,343,988, выданном Роллеру и др.
Нагреватели с передачей тепла через массив обладают рядом достоинств и недостатков. Нагреватели с передачей тепла через массив отличаются высокой тепловой инерцией, вследствие чего, будучи нагретыми, они не подвержены небольшим изменениям температуры. В результате, нагреватели с передачей тепла через массив обычно обеспечивают поддержание стабильной температуры, если химикат находится в постоянном движении или в постоянном состоянии покоя. Во время перехода от динамического режима к статическому массив стремится сохранить свою температуру и передать ее к неподвижному химикату, создавая нежелательный всплеск температуры. Наоборот, если режим движения химиката изменяется со статического на динамический, низкая эффективность нагревателя с передачей тепла через массив вызывает падение температуры на выходе нагревателя. Таким образом, нагреватели с передачей тепла через массив обычно плохо реагируют на изменения потока. Кроме того, поскольку лабиринт из просверленных отверстий обычно имеет относительно небольшие прорези, в динамических режимах в нем может создаваться противодавление.
Нагреватель второго типа - это нагреватель с непосредственным контактом. В нагревателях с непосредственным контактом используется непосредственное нагревание за счет непосредственного контакта стержней нагревателя с химикатом. Стержень нагревателя устанавливается в гидравлической трубе заданного диаметра. Одна или более таких гидравлических труб обычно присоединяются к коллектору, соединяющему другие такие же трубы с входным и выходным отверстиями. Химикат проходит по трубам при непосредственном соприкосновении со стержнями нагревателя. Примеры нагревателей с непосредственным контактом представлены, например, в патенте США 4,465,922, выданном Колибасу.
Так же как и в случае с нагревателем с передачей тепла через массив, нагреватели с непосредственным контактом обладают как достоинствами, так и недостатками. Из-за малой тепловой инерции нагрев с использованием непосредственного контакта хорошо реагирует на изменения потока. Кроме того, такие нагреватели быстро достигают нужной температуры, обеспечивая короткое время разогрева. Нагреватели с непосредственным контактом обеспечивают более эффективную теплопередачу, чем нагреватели с передачей тепла через массив. У нагревателей с непосредственным контактом имеет место значительно большая разница температуры между заданной температурой и температурой поверхности стержня нагревателя, поэтому управление температурой в стационарном режиме работы обеспечивает худшую ее стабильность, чем в нагревателях с передачей тепла через массив. Кроме того, нагреватели с непосредственным контактом традиционно более дороги в изготовлении и сборке, чем нагреватели с передачей тепла через массив. Наконец, физические размеры нагревателей с непосредственным контактом ограничивают число трубок, тем самым уменьшая площадь поверхности соприкосновения, которая может быть использована для теплопередачи.
В соответствии со сказанным существует необходимость в создании конструкции нагревателя, обладающего достоинствами существующих нагревателей и одновременно полностью или частично лишенного их недостатков. В изобретении предлагается такая конструкция. Преимущества изобретения, а также дополнительные признаки изобретения будут очевидны из приведенного описания изобретения.
Раскрытие изобретения
Изобретение представляет собой гибридный нагреватель, который сочетает особенности как нагревателя с передачей тепла через массив, так и нагревателя с непосредственным контактом.
Предлагается нагреватель для текучих сред, содержащий массивную конструкцию, имеющую группу протяженных проходов, причем упомянутые протяженные проходы соединены с образованием протяженного тракта нагрева потока, и группу удлиненных стержней нагревателя. При этом упомянутая массивная конструкция дополнительно содержит входное и выходное отверстия, связанные текучей средой с трактом нагрева потока, а упомянутые стержни расположены внутри упомянутых протяженных проходов с возможностью протекания по протяженному тракту нагрева потока текучей среды, введенной в массивную конструкцию через входное отверстие, и выхода ее из массивной конструкции через выходное отверстие, а также с нагревом упомянутой текучей среды посредством протекания ее между стержнями нагревателя и проходами.
Массивная конструкция предпочтительно представляет собой алюминиевый брус.
Предпочтительно массивная конструкция имеет группу просверленных каналов с образованием упомянутой группы протяженных проходов и упомянутого протяженного тракта нагрева потока.
В предпочтительном варианте группа просверленных каналов включает группу каналов, просверленных в первом направлении, и группу каналов, просверленных во втором направлении, причем упомянутое первое направление составляет в основном прямые углы со вторым направлением.
Предпочтительно тракт прохождения потока дополнительно может содержать спиральный тракт потока вокруг по крайней мере одного из удлиненных стержней нагревателя между упомянутым стержнем нагревателя и по крайней мере одним протяженным проходом, в котором расположен упомянутый по крайней мере один из удлиненных стержней.
В предпочтительном варианте нагреватель дополнительно содержит удлиненную спираль, расположенную между по крайней мере одним из удлиненных стержней нагревателя и по крайней мере одним из протяженных проходов, в котором расположен упомянутый по крайней мере один из удлиненных стержней нагревателя с образованием упомянутого спирального тракта потока.
Предпочтительно нагреватель может также содержать по крайней мере один датчик температуры. Датчик температуры предпочтительно может быть установлен с непосредственным контактом с по крайней мере одним из упомянутых удлиненных стержней нагревателя.
Нагреватель предпочтительно может дополнительно содержать массивную гильзу, причем упомянутая массивная гильза расположена вокруг датчика температуры.
Предложен также способ нагрева текучей среды, заключающийся в том, что осуществляют подачу энергии на группу стержней нагревателя, расположенных внутри группы протяженных проходов, сформированных в массивной конструкции, причем упомянутые протяженные проходы в массивной конструкции соединены с образованием протяженного тракта нагрева потока, затем вводят текучую среду в конструкционный брус сквозь входное отверстие в тракт потока, пропускают текучую среду между группой стержней нагревателя и внутренними стенками группы протяженных проходов с нагреванием упомянутой текучей среды.
Предпочтительно также осуществляют пропускание текучей среды по спиральному тракту между группой стержней нагревателя и внутренними стенками группы протяженных проходов.
В предпочтительном варианте дополнительно формируют спиральный тракт между группой стержней нагревателя и внутренними стенками группы протяженных проходов. Предпочтительно при формировании спирального тракта по крайней мере одну спираль размещают вокруг по крайней мере одного из стержней нагревателя с соприкасанием спирали одновременно со стержнем нагревателя и проходом, в котором он расположен.
В предпочтительном варианте дополнительно формируют упомянутую массивную конструкцию из конструкционного бруса посредством высверливания группы каналов для образования группы протяженных проходов.
В другом предпочтительном варианте дополнительно формируют массивную конструкцию из конструкционного бруса посредством высверливания группы каналов в первом направлении для создания группы протяженных проходов и высверливания группы каналов во втором направлении для соединения группы протяженных каналов с образованием протяженного тракта нагрева потока.
В предпочтительном варианте дополнительно осуществляют мониторинг по крайней мере одной из температур - температуры текучей среды, протекающей по тракту потока, или температуры одного из стержней нагревателя.
При мониторинге предпочтительно используют датчик температуры, дополнительно оснащенный массивной гильзой.
Таким образом, гибридный нагреватель соединяет достоинства нагревателей обоих типов и в то же время устраняет либо сводит к минимуму присущие им недостатки. Кроме этого, в гибридном нагревателе обеспечивается управление температурой с очень высокой точностью. В противоположность нагревателям с непосредственным контактом массивная конструкция служит теплоотводом, в который уходит излишек тепла. Большая масса обеспечивает стабильность, а управляемый непосредственный контакт обеспечивает очень хорошую теплопередачу. В представленных предпочтительных вариантах выполнения достигается на 30% большая площадь поверхности теплопередачи в том же объеме, что и у существующего нагревателя с передачей тепла через массив. В гибридном нагревателе также обеспечивается более быстрый разогрев и управление температурой, свойственные нагревателям с непосредственным контактом.
Эффективная теплопередача позволяет получить отношение ДТ к потоку, недостижимое в известных конструкциях. Кроме того, гибридный нагреватель дешевле в изготовлении, чем нагреватели с непосредственным контактом.
Другой особенностью конструкции является витая пружина, которая может быть расположена в пространстве между стенками проходов и стержнем нагревателя, упираясь в них, либо какой-либо иной спиральный элемент. Этим обеспечивается однородность потока вокруг стержня, исключающая хаотические движения химиката вдоль нагревающего элемента, в результате чего достигается очень эффективная теплопередача и очень низкое противодавление в процессе работы.
В альтернативном варианте либо дополнительно может использоваться датчик, имеющий прямой контакт с нагревательным элементом, благодаря чему поддерживается относительно маленькая ΔТ между температурой поверхности элемента и температурой технологического процесса. Датчик температуры может также иметь массивную гильзу, на которую уходит от датчика избыточное тепло при переходных процессах, чем обеспечивается высокая стабильность температуры при регулировке.
Эти и другие преимущества изобретения будут понятны при ознакомлении с кратким описанием чертежей и подробным описанием изобретения и при изучении чертежей.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлено аксонометрическое изображение в частично разобранном виде узла гибридного нагревателя, сконструированного в соответствии с принципами настоящего изобретения.
На Фиг.2 представлено аксонометрическое изображение разобранного гибридного нагревателя, показанного на Фиг.1.
На Фиг.3 представлен вид сечения массивной конструкции по линии 3-3 на Фиг.2.
На Фиг.4 представлен вид сечения массивной конструкции по линии 4-4 на Фиг.2.
На Фиг.5 представлена схема прохождения потока вещества через массивную конструкцию, показанную на Фиг.2.
На Фиг.6 представлен вид снизу массивной конструкции гибридного нагревателя, показанного на Фиг.2.
На Фиг.7 представлен вид сбоку массивной конструкции гибридного нагревателя, показанного на Фиг.2.
На Фиг.8 представлен вид сверху массивной конструкции гибридного нагревателя, показанного на Фиг.2.
На Фиг.9 представлен вид сбоку с противоположной стороны массивной конструкции гибридного нагревателя, показанного на Фиг.2.
На Фиг.10 показан вид с торца массивной конструкции гибридного нагревателя, показанного на Фиг.2.
На Фиг.11 показан вид с торца с противоположного конца массивной конструкции гибридного нагревателя, показанного на Фиг.2.
Осуществление изобретения
Рассмотрим чертежи, где на Фиг.1 представлен узел 20 нагревателя, сконструированный в соответствии с принципами настоящего изобретения. Узел 20 нагревателя включает подогреватель 22, покрытый кожухом 24 подогревателя. В показанном варианте выполнения кожух 24 подогревателя отделен от подогревателя прокладками или проставками 26 и закреплен глухими гайками 28, хотя может использоваться любая другая подходящая конструкция. Подогреватель 22 содержит массивную конструкцию или брус 30, который в предпочтительном варианте выполнения сделан из алюминия или подобного материала. Массивная конструкция 30 может быть изготовлена любым подходящим способом, но в предпочтительном варианте она вытачивается из алюминиевого бруса.
Для создания потока вещества, которое должно нагреваться, у подогревателя 22 имеется входное отверстие 35 в виде входного патрубка 36, установленного во входном канале 38 в массиве 30, и выходное отверстие 31 в виде выходного патрубка 32, установленного в выходном канале 34 в массиве 30. Внутри массива 30 высверлен ряд параллельных и перпендикулярных каналов, обеспечивающих проход большой протяженности для потока вещества через массив 30. Как можно увидеть на изображении поперечного сечения на Фиг.3 и схематическом представлении на Фиг.5, вещество, поступающее в массивную конструкцию 30 сквозь входной канал 38, проходит в протяженный канал 62. Вещество протекает вдоль протяженного канала 62 до его противоположного конца, где поток поворачивает в перпендикулярном направлении через вертикальный канал 60, переходя в протяженный канал 58. После прохождения протяженного канала 58 вещество снова поворачивает в перпендикулярном направлении, проходит вертикально через канал 56 в протяженный канал 54. Вещество протекает по протяженному каналу 54 и на его противоположном конце протекает в перпендикулярном направлении через поперечный канал 52 в протяженный канал 50 (как это показано на Фиг.3). Аналогично, вещество протекает через протяженный канал 50, затем перпендикулярно ему в вертикальном направлении через канал 46 в протяженный канал 44, протекает по нему, затем перпендикулярно ему в вертикальном направлении через канал 42 и затем по протяженному каналу 40, после чего выходит через выходной патрубок в выходном канале 34.
Специалисту будет понятно, что продолговатые каналы или проходы 40, 44, 50, 54, 58, 62 могут быть просверлены в сплошном брусе конструкционного материала, например алюминия. В предпочтительном варианте выполнения, приведенном для иллюстрации, используется алюминий марки 6061 Т6. Затем могут быть просверлены на требуемую глубину в брусе вертикальные каналы 42, 46, 56, 60, поперечный канал 52, входной канал 38 и выходной канал 34, образуя лабиринт для потока. Следует понимать, что лабиринт может быть любой подходящей конфигурации для обеспечения требуемых характеристик подогрева. В представленном предпочтительном варианте выполнения приблизительно 15-30% массива 30 представляют собой открытые каналы для потока, в наиболее предпочтительном варианте выполнения составляя примерно 22%. Затем открытые отверстия в каналах 42, 46, 56, 60 могут быть заглушены пробками 42а, 46а, 56а, 60а подходящего размера, а входной патрубок 36 и выходной патрубок 32 герметично установлены во входной и выходной каналы 38, 34, завершая тем самым изготовление лабиринта. Должно быть понятно, что может быть использован любой подходящий способ герметизации. Например, могут быть использованы установка на резьбе (показано на чертежах), сальники, уплотнительные кольца или иные уплотнительные элементы.
Для того чтобы повысить гибкость применения массива 30, могут быть использованы альтернативные варианты входных и выходных отверстий 66, 68, которые открываются в соседние протяженные каналы 62, 40 со стороны другой поверхности. В приведенном в качестве иллюстрации варианте выполнения используются альтернативные входные и выходные каналы 68, 66 в поверхности, которая здесь является верхней поверхностью массива 30, в противоположность боковым поверхностям, чем обеспечивается гибкость в конфигурации входа и выхода. В случае, если входные и выходные каналы 38, 68, 34, 66 не используются, каждый из них может быть заглушен соответствующей пробкой 72, 70 любым подходящим способом, как это было пояснено ранее.
В соответствии с изобретением подогреватель 22 дополнительно содержит несколько удлиненных стержней 74, 76, 78, 80, 82, 84 нагревателя, которые расположены непосредственно в протяженных каналах 40, 44, 50, 54, 58, 62 соответственно массивной конструкции 30. Два провода 85 подводятся к соединителю 87 на каждом стержне для подачи энергии для нагревания стержней, что очевидно для специалиста. При этом вещество, протекающее по лабиринту каналов, протекает вдоль и вокруг нагревательных элементов.
Для дальнейшего улучшения однородности нагрева может быть использовано спиральное прохождение потока вдоль стержней 74, 76, 78, 80, 82, 84 нагревателя. Этот спиральный путь прохождения потока может быть сформирован любой подходящей конструкцией. В предпочтительном варианте выполнения спиральный путь прохождения потока создается спиралью 86,88, 90, 92, 94, 96, размеры которой выбраны так, что она плотно соприкасается как с наружными поверхностями стержней 74, 76, 78, 80, 82, 84 нагревателя, так и с внутренними поверхностями протяженных каналов 40, 44, 50, 54, 58, 62. Для наглядности представления на Фиг.4 показаны один такой стержень 80 нагревателя и одна спираль, при этом остальная часть комбинации нагреватель/спираль, по существу, аналогична. Для герметизации спиралей 86, 88, 90, 92, 94, 96 внутри каналов 40, 44, 50, 54, 58, 62 используются пробки 86а, 88а, 90а, 92а, 94а, 96а. Таким образом, спирали 86, 88, 90, 92, 94, 96 заставляют химическое вещество равномерно протекать между стержнями 74, 76, 78, 80, 82, 84 нагревателя и каналом 40, 44, 50, 54, 58, 62, устраняя хаотичные потоки, которые могут привести к неэффективному нагреву. В результате подогреватель 22 обеспечивает очень эффективную теплопередачу и создает очень низкое противодавление.
Для улучшения управления температурой подогреватель может дополнительно включать датчик 100 температуры. Как показано на Фиг.2, датчик 100 температуры имеет непосредственный контакт со стержнем 74 нагревателя, то есть стержнем нагревателя, смежным с выходным каналом 34, 66. В результате между температурой поверхности элемента и температурой технологического процесса химического вещества, протекающего через подогреватель, поддерживается относительно малая ДТ. Кроме того, датчик температуры может быть оборудован массивной гильзой, на которую уходит излишек тепла на датчике во время переходных процессов, что обеспечивает управление температурой с высокой стабильностью. Специалисту в данной области понятно, что на наружной поверхности массива 30 может быть установлен диск датчика перегрева для отключения питания от стержней нагревателя при достижении внешней поверхностью слишком высокой температуры, например более 210°F (98,9°C).
Все ссылки, включая публикации, патентные заявки и патенты, использованные в настоящем описании, включены в него посредством ссылки в той мере, как если бы каждая ссылка была отдельно и специально включена в описание посредством ссылки и приведена в нем полностью.
Термины "содержащий", "имеющий", "включающий" и "вмещающий" должны восприниматься как обозначающие отрытый перечень (т.е. означающие "включающий, но не сводящийся к…"), если не указано иначе. Перечисление диапазонов изменения величин, приведенное здесь, используется только в качестве способа краткой ссылки на каждую отдельную конкретную величину, попадающую в диапазон, если не указано иначе, а каждая отдельная величина включена в описание так, как если бы она была указана в описании отдельно. Все описанные здесь способы могут быть выполнены в любом подходящем порядке, если не указано иначе или определенным образом не противоречит контексту. Использование в описании любого или всех примеров либо обозначающего их выражения ("например") предназначено только для лучшего освещения изобретения и не предполагает введения ограничений на область притязаний изобретения, если не заявлено иначе. Никакие выражения в описании не должны восприниматься как обозначающие какой-либо незаявленный элемент, существенный для выполнения изобретения.
Здесь были описаны предпочтительные варианты выполнения изобретения, включая наилучший способ, известный изобретателям. Любой специалист в данной области, ознакомившись с приведенным описанием, может представить себе изменения этих предпочтительных вариантов выполнения. Например, в то время как изобретение было описано на примере использования шести протяженных каналов или проходов и шести стержней нагревателя, может использоваться и другое количество. Например, два, три, четыре, пять, семь, восемь или более таких проходов и/или стержней нагревателя может быть использовано. Кроме того, могут использоваться другие конфигурации лабиринтов. Изобретатели предполагают, что опытные работники выполнят эти изменения надлежащим образом. Изобретатели имеют в виду, что изобретение будет осуществляться иначе, чем конкретно описано здесь. Соответственно, изобретение включает все модификации и эквиваленты предмета изобретения, приведенные в приложенной формуле в соответствии с действующим законодательством. Кроме того, любая комбинация вышеописанных элементов во всех их возможных вариантах охватывается изобретением, если не указано иначе здесь или определенным образом не противоречит контексту.