Трубчатый электронагреватель с двойной спиралью

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к трубчатым электронагревателям (ТЭНам), которые могут быть использованы в качестве нагревательных элементов в  бытовой технике, в частности, в водонагревателях, посудомоечных, стиральных машинах, электрических чайниках, а также в установках, осуществляющих нагрев различных сред, применяющихся, в частности, в устройствах автономного отопления жилых домов и производственных помещений, железнодорожных и трамвайных вагонов. Кроме того, ТЭНы могут применяться в экструдерах, пултрузионных машинах, прессах, вулканизаторах и другом промышленном оборудовании, где также необходим нагрев.
Известен трубчатый электронагреватель (RU 2622392, публ. 15.06.2017). Данный ТЭН содержит размещенную в трубчатом корпусе спираль из токопроводящего материала, навитую на полый стержень из диэлектрического материала. Для того чтобы не навитые концы спирали, предназначенные для подключения к источнику тока, вывести с одной стороны корпуса, один из них пропущен через полость всего стержня. При этом корпус и стержень выполнены из металлокерамики или кварцевого стекла, а полость стержня и пространство между стержнем и корпусом ТЭНа заполнено кварцевым песком или жидким стеклом.
В известном электронагревателе, предназначенные для подключения к источнику тока, не навитые концы спирали пропущены через полый стержень для того, чтобы обеспечить возможность вывода обоих концов спирали с одной стороны корпуса без изгиба провода. По мнению авторов, такой прием увеличивает износостойкость спирали, и, как следствие, снижает вероятность выхода электронагревателя из строя.
Использование кварцевого песка или жидкого стекла для заполнения пространства внутри полого стержня, по мнению авторов известного ТЭНа, позволяет предотвратить поступление кислорода внутрь корпуса, за счет чего исключается окисление спирали и соответственно, возможность ее коррозии. Кроме того указано, что такой прием снижает вероятность выхода из строя электронагревателя в случае повреждения корпуса за счет образования единого безвоздушного пространства при изменении агрегатного состояния жидкого стекла или кварцевого песка в результате нагрева.
Исследования показали, что не навитые концы спирали,  пропущенные через полый стержень, можно использовать не столько для того, чтобы обеспечить возможность вывода обоих концов спирали  с одной стороны корпуса  без  изгиба провода, сколько для повышения температуры нагрева трубчатого нагревателя без увеличения потребляемой мощности, обеспечив при этом надежность работы электронагревателя.
Кроме того, следует учитывать следующее. При заполнении пространства внутри корпуса и стержня кварцевым песком, как в известном нагревателе, и нагреве его до температуры плавления, происходят процессы преобразований кристаллического кварца в кварцевое стекло с фазовыми переходами. При температуре 870°С кварц переходит в тридемит с увеличением объема на 12,7 %, а при нагреве до 1350°С тридемит переходит в кристобалит с увеличением объема до19%. Таким образом, увеличение объема кварцевого песка при плавлении приводит к деформации, нарушению герметичности и поломке корпуса и стержня электронагревателя.
Задача полезной модели заключается в повышении энергоэффективности трубчатого электронагревателя при обеспечении надежности его работы.
Для этого предложен трубчатый электронагреватель, который, как и прототип,  содержит размещенную в трубчатом корпусе  спираль  из токопроводящего материала, навитую на полый стержень из диэлектрического материала, не навитые концы которой, предназначенные для подключения к источнику тока, выведены  с одной стороны корпуса, для чего один из не навитых концов спирали пропущен через полость всего стержня. Новый электронагреватель содержит выполненную и расположенную аналогично первой вторую спираль, притом, что выведенные из корпуса не навитые концы обеих спиралей соединены между собой электрически, при этом стержень со спиралями размещен в корпусе между демпфирующими элементами из термостойкого  кремнийорганического материала, в один из которых он упирается, а с помощью другого   закреплен в корпусе.
В частных случаях исполнения спирали могут быть навиты на стержень параллельно друг другу или одна из спиралей навита на стержень навстречу другой.
Полость стержня, а также пространство между стержнем и корпусом электронагревателя может быть заполнено фракционированным кварцевым стеклом, или периклазом.
Две спирали с пропущенными через полость всего стержня не навитыми концами, выведенные с одной стороны корпуса и соединенные между собой электрически, являются индуктивной катушкой. Индукция наводится между поверхностью навивки спиралей и их не навитыми концами, находящимися в полости стержня, которые за счет индукции разогреваются, выделяя дополнительное тепло. Дополнительный разогрев соединенных между собой электрически концов двух спиралей, при сохраненной мощности ТЭНа, повышает его энергоэффективность
То, что стержень с навитыми на него спиралями размещен в корпусе между демпфирующими элементами из термостойкого  кремнийорганического материала, в один из которых он упирается, а с помощью другого закреплен в корпусе, предотвращает негативное механическое воздействие друг на друга  высокоомного провода спиралей, стержня и корпуса электронагревателя, поскольку в этом случае  стержень со спиралями "плавает" внутри корпуса. Использование демпфирующего амортизатора и демпфирующего узла крепления стержня к корпусу исключает  возможность поломки ТЭНа по причине механического воздействия друг на друга элементов  электронагревателя, обусловленного тем, что они выполнены из материалов с различным коэффициентом линейного расширения, что обеспечивает надежность его работы и  повышает срок службы. Термостойкий кремнийорганический материал демпфирующих элементов является при этом герметизирующим материалом, исключающим попадание воздуха в ТЭН, что также приводит к увеличению срока его службы.
При этом в заявленном ТЭНе, пространство между стержнем и корпусом ТЭНа заполнено не кварцевым песком, как в известном нагревателе, а фракционированным кварцевым стеклом, или периклазом, что исключает увеличение объема этих материалов при нагреве.
Новый технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в повышении температуры нагрева трубчатого нагревателя без увеличения потребляемой мощности, при обеспечении надежности работы электронагревателя.
Полезная модель иллюстрируется следующим: на фиг. 1 представлено фото заявляемого трубчатого электронагревателя; на фиг.2 изображен трубчатый электронагреватель, разрез; на фиг.3 – изображение спиралей электронагревателя, навитых на стержень параллельно друг другу; на фиг.4 – изображение спиралей электронагревателя, где одна из спиралей навита на стержень навстречу другой.
Трубчатый электронагреватель содержит корпус 1, который может быть выполнен из металла либо из кварцевого стекла. Внутри корпуса расположен полый стержень 2 из диэлектрического материала, например, кварцевого стекла или керамики. Полость 3 стержня 2 и пространство между стержнем и корпусом ТЭНа заполнено фракционированным кварцевым стеклом, имеющим минимальный коэффициент теплового расширения, либо периклазом, имеющим температуру плавления 2800°С и низкий коэффициент теплового расширения.
На стержень 2 навиты две спирали 3 из высокоомного провода, например фехрали. Не навитые  концы 4 и 5 спиралей  3, предназначенные для подключения к источнику тока, выведены с одной стороны  корпуса 1 и скручены между собой, образуя их электрическое соединение,  притом, что эти концы 4 и 5 пропущены через полость 6 всего стержня 2, причем сечение провода  каждой  спирали выбрано из расчета, чтобы общее сопротивление двойной спирали  равно сопротивлению  единичной. В этом случае при увеличении количества витков мощность ТЭНа остается неизменной. При увеличении количества витков на единицу длины в катушке в два раза, индукция возрастает также в два раза, что ведет к дополнительному разогреву сердечника.
Стержень 2 с навитыми на него спиралями размещен в корпусе 1 между демпфирующими элементами 7 и 8 из термостойкого кремнийорганического материала. Одним концом стержень упирается в элемент 7, являющимся амортизатором, а другой его конец с помощью элемента 8 закреплен в корпусе 1.
Во время работы электронагревателя между двумя спиралями, как катушкой, и их не навитыми концами, пропущенными через полость стержня, как сердечником, наводится индукция, за счет которой сердечник катушки разогревается, выделяя дополнительное тепло. Дополнительный разогрев при сохраненной мощности, ведет к повышению энергоэффективности самого ТЭНа. При этом   стержень 2 с навитой на него двойной спиралью "плавает" внутри корпуса, исключая взаимные нагрузки элементов электронагревателя и возможность его поломки, что ведет к увеличению срока службы и надежности ТЭНа.