НАГРЕВАТЕЛЬ ПАТРОННОГО ТИПА ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение по нагревателям патронного типа повышенной надежности относится к объектам ядерной энергетики, а именно, к установкам для нагрева жидкометаллического теплоносителя.
Известны различные конструкции электронагревателей патронного типа (см. «Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением / Ю.А.Белавин, М.А.Евстигнеев, А.Н.Чернявский. - Энергоатомиздат, 1989, с.20-22) для нагрева пресс-форм, а также используемых в качестве комплектующих изделий в промышленных установках на номинальное напряжение 220 В. Недостатками данных нагревателей являются:
- максимальная рабочая температура на поверхности активной части оболочки нагревателя - 500°С;
- максимальная мощность - 1,25 кВт;
- максимальная полная длина нагревателя по оболочке - 300 мм;
- максимальная температура в узле герметизации трубчатого электронагревателя (ТЭНа) - в интервале от 200°С до 400°С, что недопустимо для объектов специального назначения.
Недостатком данных нагревателей является то, что они не пригодны для эксплуатации в условиях повышенных нагрузок, температуры и радиации.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция трубчатых электронагревателей патронного типа (ТЭНП), предназначенных для нагрева пресс-форм, литейных форм, штампов, термоплит, реже для нагрева воды, жиров и масел, растворов кислот и щелочей, (см. информацию, предоставленную ООО ПФК Форвард комплект» http://www.forkom.ru/catalog/teni_termopari/trubchatie_tenp?gclid=CKCCExOeaqrACFQW-zAodbiDAUA). Конструктивно ТЭНП представляют собой металлический корпус (трубку), внутри которого расположен нагревательный элемент из проволоки высокого сопротивления, намотанной в виде спирали на керамический сердечник, изолированный от корпуса электротехническим периклазом. Оба контактных вывода расположены с одной стороны нагревателя, а на другой стороне торец трубки нагревателя имеет герметично заваренное металлическое донышко.
Корпус элемента - хромоникелевая сталь 12Х18Н10Т.
Поверхность - калибрована.
Диаметр - от 6 до 40 мм, с предельным отклонением (±0,05) мм.
Длина оболочки нагревателя - от 30 до 3000 мм.
Напряжение - от 12 до 380 В.
Мощность - зависит от расчетной величины поверхностной нагрузки.
Варианты исполнения контактных токовыводов:
- жесткие контактные стержни из никеля или нержавеющей стали длиной 40 мм;
- гибкие провода с термостойкой изоляцией;
- гибкие провода с термостойкой изоляцией в металлической оплетке;
- гибкие провода с термостойкой изоляцией с дополнительной защитой от вибрации;
- гибкие провода с термостойкой изоляцией непосредственно внутри нагревателя.
Недостатки данных нагревателей:
- ограниченная мощность и длина нагревателей;
- недостаточное уплотнение изоляции;
- небольшая длина контактных стержней;
- повышенная температура на контактных стержнях;
- ненадежное соединение спирали нагревателя с контактными стержнями;
- термостойкие провода не являются радиационностойкими;
- данные нагреватели не предназначены для нагрева жидкометаллических теплоносителей на ответственных объектах и не имеют высокотемпературных узлов герметизации.
Технические результаты заявляемого технического решения:
1) повышение надежности конструкции нагревателя патронного типа для жидкометаллического теплоносителя (далее по тексту - нагревателя) за счет совокупности нижеуказанных признаков:
- выполнения нагревательного элемента U-образной формы либо из одного проводника (без сварного соединения), либо двух проводников, соединенных посередине при помощи сварного соединения, с «горячей» греющей зоной и «холодными» выводами, являющимися «контактными токовыводами» по терминологии аналога При этом сечение «холодных» выводов нагревателя превышает сечение его «горячей зоны» не менее чем в 2 раза, вследствие чего температура «холодных выводов» под нагрузкой превышает температуру окружающей среды не более чем на 25°С;
- надежности соединения между нагревательным элементом и «холодным» выводом,
- выполнения сферической формы заглушки торцевой части патронного нагревателя, которая обеспечивает гарантированную герметизацию нагревателя и равномерную толщину изоляции в месте нахождения нижней части U-образного нагревательного элемента;
- изготовления нагревателя длиной до 4000 мм или более;
2) повышение удобства монтажа с гарантированной герметизацией блока (пакета) нагревателей на установке за счет:
- конструкции и технологии изготовления «холодных» выводов, включая и комбинированные, и осуществления перехода с меньшего размера наружного диаметра нагревателя на больший;
- выполнения «холодных» выводов длиной до 5000 мм или более;
3) изготовление нагревателя патронного типа радиационностойким, а также устойчивым к воздействию вибраций, гадроударов, повышению рабочей температуры до 800°С и более за счет:
- применения при изготовлении соответствующих условиям эксплуатации материалов;
- выполнения корпуса нагревателя многооболочечным;
3
- увеличения плотности минеральной изоляции до 3,1 г/см после вакуумирования заготовки на начальном этапе ее изготовления;
- оснащения узла герметизации металлокерамикой или специальной оконцовочной арматурой;
4) создание нагревателя мощностью до 40 кВт или более с запасом мощности, в случае необходимости, не менее чем на 50% за счет;
- возможности изготовления нагревательного элемента трансформированной сегментной формы. Вследствие этого сечение нагревательного элемента увеличивается по сравнению с нагревательным элементом круглого сечения., а диаметр нагревателя остается прежним. При этом сам нагреватель имеет наибольший коэффициент теплоотдачи нагреваемому теплоносителю (внешней среде).
Описание заявляемого технического решения:
Нагреватель патронного типа содержит корпус из коррозионностойких или жаростойких и радиационностойких сплавов, нагревательный элемент U-образной формы, расположенный внутри корпуса и изолированный от него минеральной изоляцией, выполненный цельным или соединенным из двух частей сваркой в нижней точке посередине, состоящий из «горячей» греющей зоны и «холодных» токовыводов. Оба токовывода расположены с одного торца нагревателя и проходят через узел герметизации, оснащенный металлокерамикой или оконцовочной арматурой, с другого торца нагревателя имеется герметично установленная сферическая заглушка.
Нагревательный элемент имеет «горячую» греющую зону, которая выполнена из сплава Х20Н80-Н - материала с высоким электросопротивлением от 1,03 мкОм*м до 1,18 мкОм*м. Далее имеется переход на «холодные» выводы с низким электросопротивлением от 0,017 мкОм*м до 0,068 мкОм*м, которые могут быть изготовлены комбинированными: по схеме нихром-никель, или нихром-никель-медь, или нихром-никель-жаростойкий сплав меди с ниобием и хромом, или из других материалов.
Форма поперечного сечения нагревательного элемента может быть круглой или трансформированной в виде сегмента круга.
«Холодные» выводы имеют сечение, превышающее сечение «горячей зоны» нагревательного элемента не менее чем в 2 раза. Температура «холодных» выводов под нагрузкой превышает температуру окружающей среды не более чем на 25°С.«Холодные выводы» могут быть изготовлены длиной до 5000 мм и более.
Корпус нагревателя, расположенный на участке перехода между «горячей» зоной и «холодными» выводами большего сечения, имеет плавный переход с меньшего диаметра на больший, что обеспечивает качественный и надежный монтаж в составе объекта, а также высокие эксплуатационные характеристики нагревателя.
В качестве материалов для корпуса могут использоваться коррозионно- и жаростойкие сплавы 321 (08Х18Н10Т), 310, 316L, ЭИ435, ЭП747, Inconel 600, 828, а также другие равноценные материалы.
2
3
2
3
В качестве изоляции может применяться MgO, или AlO, или SiO, или другие виды радиационностойкой минеральной изоляции с плотностью после вакуумирования до 3,1 г/см.
Корпус может состоять из одной или нескольких оболочек. Длина нагревателя по оболочке может достигать 4000 мм и более.
В месте нахождения нижней части U-образного нагревательного элемента, в торцевой части нагревателя, имеется сферическая заглушка, которая обеспечивает равномерную толщину изоляции между оболочкой и нижней частью нагревательного элемента.
Узел герметизации может быть оснащен металлокерамикой или оконцовочной арматурой.
Сущность полезной модели поясняется изображением нагревателя на Фиг.1 и 2 содержащего:
1 - нагревательный элемент;
2 - «холодные» выводы;
3 - минеральная изоляция;
4 - корпус;
5 - сферическая заглушка торцевой части.
Пример выполнения
2
2
Нагреватель патронного типа имеет эффективную мощность не менее 37 кВт, рабочую длину 4000 мм, рассчитан на напряжение 220 или 380 В. Корпус нагревателя состоит из одной оболочки, выполненной из коррозионно- и жаростойкого сплава 08Х18Н10Т, толщиной 1,8 мм до перехода на «холодные» выводы и 2,3 мм после перехода. Нагревательный элемент сечением 2,5 мм выполнен из сплава Х20Н80-Н первого класса живучести с переходом на «холодные» комбинированные выводы окончательным сечением 35 мм каждый. Наружный диаметр корпуса нагревателя до перехода на «холодные» выводы - 13 мм, после перехода - 24 мм. В торцевой части нагревателя установлена сферическая заглушка из сплава 08Х18Н10Т. Узел герметизации нагревателя патронного типа оснащен металлокерамикой.