Устройство для обогрева металлических конструкций

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к нагревательной кабельной технике, и может быть использована для обогрева металлических конструкций различной формы, используемых в различных отраслях при строительстве, техническом перевооружении или реконструкции объектов строительства.
Известны устройства для обогрева металлических конструкций, такие как нагревательные провода и кабели, содержащие токопроводящую жилу, изоляцию как обязательные элементы, и внутри изоляции расположены защитные оболочки и экраны, которые используются для обогрева технологического оборудования нефтяной и газовой промышленности, строительных конструкций из бетона, промышленных устройств, отдельных частей транспортных средств и предметов быта.
Недостатками вышеуказанных известных технических решений являются:
потеря части тепловой энергии при передаче ее от источника тепловой энергии до металлических конструкций через воздушную прослойку вследствие чего тепло передается только в месте их механического контакта и площадь их соприкосновения (S) значительна мала, по сравнению с площадью поверхности как источника тепловой энергии, так и металлических конструкций;
конструктивные ограничения при обогреве нестандартных (не выпускаемых промышленностью серийно) или сложных по форме металлических конструкций.
Известны устройства для обогрева металлических конструкций, например специальные греющие кабельные секции с использованием электроэнергии - в этом случае источником тепловой энергии является греющая кабельная секция; греющие тепловые спутники в виде труб с проложенным внутри специальным греющим кабелем - в этом случае источником тепловой энергии для обогреваемых металлических конструкций является греющий тепловой спутник; греющие тепловые спутники в виде труб с протекающим внутри греющим продуктом в виде горячего водяного пара, горячей воды и других жидкостей - в этом случае источником тепловой энергии является греющий тепловой спутник.
Недостатками этих технических решений являются:
потеря части тепловой энергии при передаче ее от источника тепловой энергии до металлических конструкций, вследствие чего тепло передается только в месте их механического контакта и площадь их соприкосновения (S) значительна мала, по сравнению с площадью поверхности как источника тепловой энергии, так и металлических конструкций;
конструктивные ограничения при обогреве нестандартных (не выпускаемых промышленностью серийно) или сложных по форме металлических конструкций;
а также протяженность металлических конструкций, например, более 100 метров в длину, так как замена греющей части электрического нагревательного кабеля без удаления тепловой изоляции поверх металлических конструкций и присоединенного к нему через термоинтерфейс источника тепловой энергии является затратной процедурой по времени и так как удаление тепловой изоляции и крепежных изделий требует осторожности и аккуратности для выполнения повторного монтажа.
Наиболее близким техническим решением является нагревательный кабель, включающий в себя оболочку, источник тепловой энергии, расположенный внутри оболочки в продольном направлении (патент РФ №2334375, Н05В 3/56, опубликован 20.09.2008 г., прототип).
Недостатком вышеуказанного технического решения является потеря части тепловой энергии при передаче ее от источника тепловой энергии до металлических конструкций, вследствие чего тепло передается частично только в месте их механического контакта и площадь их соприкосновения (S) значительна мала, по сравнению с площадью поверхности как источника тепловой энергии, так и металлических конструкций.
В каждом из известных технических решений источник тепловой энергии, греющая его часть, передает тепловую энергии при непосредственном механическом контакте между поверхностями источников тепловой энергии и обогреваемыми металлическими конструкциями. Для увеличения коэффициента теплопроводности К (единица измерения в системе СИ - Вт/(м*К)) в местах механических соединений между металлической конструкцией и источником тепловой энергии применяют термоинтерфейс в виде слоя теплопроводящего состава, например пасты, компаунда, сыпучей смеси, имеющего коэффициент теплопроводности выше, чем коэффициент теплопроводности воздуха (0,022 Вт/(м*К) при температуре 300 К и давлении 100 кПа).
При этом слой термоинтерфейса располагали между металлической конструкцией и источником тепловой энергии с максимальным количеством для обеспечения плотного соединения в точке механического соединения. И в большинстве случаев вся металлическая конструкция с присоединенным к ней через термоинтерфейс источником тепловой энергии изолировалась от внешнего воздействия окружающего металлическую конструкцию воздуха путем наложения тепловой изоляции, уменьшающей процесс передачи тепловой энергии от конструкции в окружающий воздух. Исключение составляют конструкции, для которых наложение тепловой изоляции невозможно или экономически нецелесообразно, например, в случаях обогрева водостоков на крышах зданий и сооружений.
Предлагаемое нами техническое решение устраняет вышеперечисленные недостатки и повышает эффективность обогрева металлических конструкций различной формы, увеличивая коэффициент полезного действия при обогреве металлических конструкций: увеличивая коэффициент теплопередачи К и общую площадь поверхности S обогреваемых металлических конструкций, сокращая потери тепловой энергии при передаче ее от источника тепловой энергии до стандартных (выпускаемых промышленностью серийно) и нестандартных форм металлической конструкции, а также обеспечивает снижение общих затрат тепловой энергии при обогреве металлических частей технологического и вспомогательного оборудования в холодное время суток, при этом Устройство для обогрева металлических конструкций включает в себя оболочку, источник тепловой энергии, расположенный внутри оболочки, в продольном направлении, оболочка представляет собой металлическую оболочку, теплопроводный слой с коэффициентом теплопроводности выше коэффициента теплопроводности воздуха, размещенный внутри металлической оболочки вокруг источника тепловой энергии с возможностью передачи тепловой энергии от источника тепловой энергии поверхности обогреваемой металлической конструкции, металлическая оболочка выполнена с возможностью расположения ее на поверхности обогреваемой металлической конструкции, металлическая оболочка выполнена с возможностью расположения ее внутри обогреваемой металлической конструкции, кроме этого металлическая оболочка представляет собой монолитную или сборную конструкцию в виде металлической трубки с прямоугольным сечением, металлической трубки с круглым сечением, металлической трубки с треугольным сечением, теплопроводный слой с коэффициентом теплопроводности выше коэффициента теплопроводности воздуха представляет собой термоинтерфейс в виде жидкообразного материала, теплопроводный слой с коэффициентом теплопроводности выше теплопроводности воздуха представляет собой термоинтерфейс в виде пастообразного материала, теплопроводный слой с коэффициентом теплопроводности выше теплопроводности воздуха представляет собой термоинтерфейс в виде сыпучего материала, теплопроводный слой с коэффициентом теплопроводности выше теплопроводности воздуха представляет собой термоинтерфейс в виде комбинации жидкообразного, пастообразного и сыпучего материалов, теплопроводный слой с коэффициентом теплопроводности выше теплопроводности воздуха представляет собой термоинтерфейс в виде комбинации жидкообразного и сыпучего материалов, теплопроводный слой с коэффициентом теплопроводности выше теплопроводности воздуха представляет собой термоинтерфейс в виде комбинации пастообразного и сыпучего материалов.
На фиг. 1 изображено устройство для обогрева металлических конструкций с оболочкой в виде монолитной металлической трубки с круглым сечением, на фиг. 2 изображено устройство для обогрева металлических конструкций с оболочкой в виде монолитной металлической трубки с прямоугольным сечением, на фиг. 3 изображено устройство для обогрева металлических конструкций с оболочкой в виде монолитной металлической трубки с треугольным сечением, на фиг. 4 изображено устройство для обогрева металлических конструкций с оболочкой в виде монолитной металлической трубки с круглым сечением, расположенное на поверхности обогреваемой металлической конструкции в виде трубопровода с продуктом, на фиг. 5 изображено устройство для обогрева металлических конструкций с оболочкой в виде монолитной металлической трубки с круглым сечением, расположенное внутри обогреваемой металлической конструкции, представляющей собой трубопровод с продуктом, на фиг. 6 изображено Устройство для обогрева металлических конструкций с оболочкой в виде монолитной металлической трубки с прямоугольным сечением, расположенное на поверхности обогреваемой металлической конструкции в виде плоской поверхности, расположенной горизонтально, на фиг. 7 изображено Устройство для обогрева металлических конструкций с оболочкой в виде сборной металлической оболочки с ребрами жесткости и с прямоугольным сечением.
Устройство для обогрева металлических конструкций включает в себя оболочку 1, источник тепловой энергии 2 и теплопроводный слой 3 с коэффициентом теплопроводности К выше коэффициента теплопроводности воздуха.
Оболочка 1 представляет собой металлическую оболочку.
Металлическая оболочка 1 выполнена с возможностью расположения ее на поверхности обогреваемой металлической конструкции или с возможностью расположения ее внутри обогреваемой металлической конструкции и имея конструкцию заданной геометрической формы.
Металлическая оболочка 1 представляет собой металлический носитель тепла для последующей передачи тепловой энергии от носителя тепла к другой обогреваемой металлической конструкции - стандартных (выпускаемых промышленностью серийно) и нестандартных форм, например трубка - теплоспутник для обогрева нефте-; газо-; водотрубопровода, конструкция с коробом или уголком, прижатым к обогреваемому металлическому корпусу объекта обогрева.
Металлическая оболочка 1 представляет собой монолитную или сборную конструкцию из металла, например металлическую трубку с прямоугольным сечением; металлическую трубку с круглым сечением; металлическую трубку с треугольным сечением.
Металлическая оболочка 1 дополнительно снабжена ребрами жесткости 4 (фиг. 7).
Источник тепловой энергии 2 представляет собой электрический греющий элемент, например греющий электрический кабель, тепловой электрический нагреватель (ТЭН), и расположен внутри металлической оболочки 1, в продольном направлении, при этом в качестве электрического греющего элемента 2 применяют источник тепловой энергии 2 с заданными параметрами и формы для обогрева конкретной металлической конструкции, зная ее внешние и внутренние конструктивные особенности.
Например, электрический греющий кабель 2, состоящий из термоизоляции, например плоской или округлой конструкции, в которой расположены параллельно относительно друг друга две токопроводящих жилы и которые расположены параллельно относительно термоизоляции, между токопроводящими жилами на всем протяжении длины участка электрического греющего кабеля расположены полупроводниковые матрицы, разогревающиеся под воздействием прохождения электрического тока через них.
На фигурах изображены варианты обогрева металлической конструкции с применением электрического греющего кабеля 2.
Теплопроводный слой 3 с коэффициентом теплопроводности К выше коэффициента теплопроводности воздуха (далее по тексту - «Теплопроводный слой») размещен внутри металлической оболочки 1 вокруг источника тепловой энергии 2 с возможностью передачи тепловой энергии от источника тепловой энергии 2 к поверхности обогреваемой металлической конструкции и представляет собой термоинтерфейс в виде жидкообразного, пастообразного или сыпучего материалов или их комбинации, например комбинации жидкообразного, пастообразного и сыпучего материалов, комбинации пастообразного и сыпучего материалов, комбинации жидкообразного и сыпучего материалов, например термопаста, шлак.
Теплопроводный слой 3 размещен внутри металлической оболочки 1 вокруг источника тепловой энергии 2 с полным или частичным замещением воздуха.
Пример конкретного выполнения заявляемого устройства.
Устройство для обогрева металлических конструкций состоит из металлической оболочки 1 в виде алюминиевой трубки диаметром 32×3,2 мм, внутри которой расположен в продольном направлении источник тепловой энергии 2 электрического греющего кабеля 2, состоящего из термоизоляции плоской конструкции, в которой расположены параллельно относительно друг друга две токопроводящих жилы и которые расположены параллельно относительно термоизоляции, между токопроводящими жилами на всем протяжении длины участка электрического греющего кабеля расположены полупроводниковые матрицы, разогревающиеся под воздействием прохождения электрического тока через них.
Внутри металлической оболочки 1 вокруг источника тепловой энергии 2 размещают теплопроводный слой 3 в виде термопасты. При этом термопасту 3 размещают в металлической оболочке 1 с полным замещением воздуха.
Устройство для обогрева металлических конструкций закрепляют непосредственно на стенке трубы водопровода 5 с продуктом 6 внутри теплоизоляции трубы водопровода 5, размещенного над землей и подключают к регулируемому источнику питания с заданными параметрами.
Заполняют термопастой 3 внутреннюю полость алюминиевой трубки 1 известным способом и известными средствами, например способом спринцевания, в условиях температур, при которых термопаста 3 сохраняет свои свойства. Для чего используют устройство для спринцевания, состоящее из воздушного компрессора серийного изготовления; емкости с термопастой 3; переходной муфты (на фиг. не показано), а емкость для материала термоинтерфейса 3 и переходную муфту изготавливают из известных промышленных материалов на известном оборудовании исходя из размеров внутреннего объема предназначенной для обогрева металлической конструкции и ее внешних конструктивных особенностей.
Все стадии изготовления предлагаемого устройства легко могут быть автоматизированы с помощью стандартного оборудования и совмещены в единую технологическую цепь.
Заявляемое устройство для обогрева металлических конструкций может быть использовано для обогрева металлических конструкций различной формы, используемых в различных отраслях при строительстве, техническом перевооружении или реконструкции объектов строительства, применятся в обогревательных устройствах различного назначения и прежде всего там, где требуются поддержание положительной температуры и высокая удельная теплоотдача, при этом:
- значительно увеличивает теплопередачу тепловой энергии от источника тепловой энергии до обогреваемых металлических конструкций;
- исключает конструктивные ограничения для обогрева нестандартных (не выпускаемых промышленностью серийно) или сложных по форме полых металлических конструкций;
- обеспечивает наилучший, по сравнению с аналогами, обогрев протяженных металлических конструкций, например, более 100 метров в длину, а также дает возможность замены греющей части конструкции обогрева.
Предлагаемое техническое решение обеспечит повышение эффективности обогрева металлических конструкций различной формы, увеличивая коэффициент полезного действия при обогреве металлических конструкций: увеличивая коэффициент теплопередачи К и общую площадь поверхности S обогреваемых металлических конструкций, сократит потери тепловой энергии при передаче ее от источника тепловой энергии до стандартных (выпускаемых промышленностью серийно) и нестандартных форм металлической конструкции, а также снизит общие затраты тепловой энергии при обогреве металлических частей технологического и вспомогательного оборудования в холодное время суток.
Под понятием «холодное время суток» подразумевается диапазон значений температуры окружающего воздуха в местах установки металлических конструкций, предназначенных для обогрева. Диапазон значений температур окружающего воздуха для понятия «холодное время суток» в данном техническом решении принимается от значения образования водяного льда при 0 градусов Цельсия и ниже до абсолютного значения отрицательной температуры окружающего воздуха в районе объекта строительства.
Обогрев металлических конструкций заявляемым техническим решением обеспечит работоспособность технологического оборудования различного назначения в холодное время суток, а также предотвратит образования льда на металлических конструкциях.