КАРБИДОКРЕМНИЕВЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ИМПУЛЬСНЫМИ СЕКЦИОННЫМИ НАГРЕВАТЕЛЯМИ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к конструкциям нагревательных элементов для теплообменных устройств.
В настоящее время наибольшее применение в электропечах для обжига керамических изделий нашли силитовые трубчатые электронагреватели (ТЭНы), состоящие из карбида кремния с небольшими добавками других металлов и сплавов, например устройства, описанные в патентах РФ №2246186, №2242096, №2237383, №2120199, патенте США US №8349218. Конструкции перечисленных устройств содержат трубчатый электронагреватель, содержащий корпус в виде трубки с наполнителем, токоввод для питания и нагревательный элемент, выполненный в виде толстопленочного резистора на металлодиэлектрической подложке, а наполнителем является трансформаторное масло. Общий вид ТЭНа, выбранного в качестве прототипа (RU 2120199) представлена на фиг.1.
Недостатком данного устройства являются:
1. Низкий КПД;
2. Небольшой срок службы, равный 10000 часов при воздушной атмосфере и 3000 часов в щелочных и кислотных средах.
Целью настоящей полезной модели является повышение КПД и увеличение срока службы прототипа за счет замены толстопленочного резистора, выполняющего роль сплошного нагревательного элемента, на секционные нагревательные элементы.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве толстопленочный резистор заменяется на секционные нагревательные элементы (импульсные секционные нагреватели), разделенные карбидокремниевыми переборками, размещенные в карбидокремниевом кожухе. Тем самым нагреватель защищается от воздействия агрессивной среды (атмосферы с отклонениями от нормальной), где уровень защиты определяется толщиной карбидокремниевого кожуха. При этом КПД увеличивается за счет более экономичного расхода электроэнергии при кратковременном (импульсном) включении нагревателей для поддержания температурного поля в заданном интервале температур.
Общий вид карбидокремниевого нагревательного элемента с импульсными секционными нагревателями представлен на фиг.2.
Перечень рисунков на чертежах:
Фиг.1. Общий вид трубчатого электронагревателя.
Фиг.2. Общий вид карбидокремниевого нагревательного элемента с импульсными секционными нагревателями.
Фиг.3. Торцевой вид нагревательного кожуха с карбидокремниевой заглушкой.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
В настоящее время для нагрева электрических печей применяют сплошные металлические и неметаллические ТЭНы, толстопленочный резистор которых расположен по всей длине зоны нагрева (см. патенты РФ №2246186, №2242096, №2237383, №2120199, патент США US №8349218). В них нагрев осуществляется за счет использования толстопленочных резисторов из проводниковой никелевой пасты на эмалированной диэлектриком подложке из нержавеющей стали. При этом для нагрева толстопленочного резистора используется постоянно воздействующий на него электрический ток. Например, в состав электрической туннельной печи конвейерного типа PPP 1,0 12,5.101-2E входят шесть ТЭНов на секцию (секций в печи - 42) [5]. Данные элементы создают в секции температурное поле в 120 градусов Цельсия при затратах суммарной активной мощности в течение срока эксплуатации электропечи 15 кВт/10000 час.
Усовершенствование конструкции ТЭНа осуществляется за счет расположения в нем импульсных секционных нагревателей вместо сплошного нагревательного элемента постоянного нагрева.
j
j
j
z
y
z
p
a
2
При таком подходе распространение температурного поля в ТЭНе изменится и примет вид G (x, y, z, p, ν, θ, t,) [1…4]. Где: l, l, l - геометрические параметры объекта, м.; t - время с; x, y, z - точка расположения датчика температуры, м.; ξ, ρ, ν - точка расположения нагревательного элемента, м.; τ - момент включения точечного источника, с,  - заданный коэффициент температуропроводности материала объекта управления, м/с; d - количество источников нагрева; p=1, 2, 3, … - порядковый номер включения источника; z(p) - один из источников нагрева; τ - момент времени включения источника под номером z(p); k, m - количество членов ряда Фурье.
Такой закон распространения температурного поля позволяет рассчитать поведение температурного поля в карбидокремниевом нагревательном элементе после замены ТЭНа постоянного нагрева на секционный нагреватель с импульсным способом управления.
Технически это реализуется за счет создания карбидокремниевого нагревательного элемента с импульсными секционными нагревателями, общий вид которого представлен на фиг.2.
Нагревательный элемент представляет собой кожух из карбидокремния 5, в который последовательно встроены секционные нагревательные элементы (импульсные секционные нагреватели) 4 с релейным принципом управления. Импульсные секционные нагреватели разделены между собой карбидокремниевыми переборками 2. Крайние секционные нагревательные элементы снаружи закрыты карбидокремниевыми заглушками 3, как показано на фиг.2 и 3.
После установки предлагаемых нагревательных элементов в туннельную печь режим ее работы, по сравнению с исходным, следующим образом.
1. На начальном этапе - этапе прогрева и выхода на заданный температурный режим ее потребляемая мощность увеличилась.
2. В рабочем режиме - режиме поддержания заданной температуры потребляемая мощность резко уменьшилась за счет импульсного характера электропитания, используемого для поддержания средней температуры нагревательного элемента печи.
Для оценки КПД рассчитаем время работы нагревательных элементов. Время включения будем рассчитывать по формуле:
При среднем времени работы нагревательного элемента 3000 часов в постоянном режиме при использовании данного способа нагрева, время работы импульсного нагревателя в активном режиме по сравнению со временем работы толстопленочного резистора уменьшится примерно в 2 раза, то есть до 1500 часов. Как следствие, произойдет экономия электроэнергии.
Суммарная средняя мощность при постоянном нагреве 3000*5=15000 Ватт. А при импульсном нагреве составит 1200*8=12000 Вт. Что составляет 80% затраченных ресурсов:
.
Таким образом, выигрыш от использования предлагаемого технического решения составляет примерно 20 процентов. Предложенные нагреватели были установлены и апробированы в ООО МИП «Биокрон», г. Пятигорск.
Экспериментальные данные совпали с расчетными и после предварительных испытаний были внедрены в технологический процесс обжига медицинской керамики на промышленном предприятии ООО «Дубль», г. Кисловодск.
Список используемой литературы
1. Tzafistas S.G. Bayesian approach to distributed-parameter filtering and smoothing. // Int.J. Control. - 1972. - V.15, No.2. - P.273-295.
2. Рапопорт Э.Я. Управление макропеременными в системах с распределенными параметрами. // 3-я Мультиконференция по проблемам управления. - СПб., 2010.
3. Бутковский А.Г. Структурная теория распределенных систем. - М.: Наука, 1977. - 320 с.
4. Горбис З.Р. Теплообменники с проточными дисперсными теплоносителями. - М.: Энергия, 1975. - 296 с.
5. http://okant.ru//product/konditjerskoje-i-hljebopjekarnoje-oborudovanije/hljebopjekarnyje-pjechi/tunnjelnyje-pjechi/tunnjelnaja-pjech-j4-dvuhetazhnaja/