Нагревательное устройство
HEATING DEVICE

Область применения
Техническое решение относится к гибким электрическим нагревательным устройствам, и может быть использовано для нагрева поверхностей или объемов пространства, в том числе резервуаров, антенн и других технических сооружений.
Уровень техники
Из уровня техники известно множество технических решений на основе гибких греющих устройств различной конфигурации.
Известен пленочный электронагреватель, который состоит из двух слоев электроизоляционной пленки, между которыми размещены резистивные нагревательные элементы (см. RU 97887 U1, 20.09.2010).
Также известно текстильное обогревательное устройство, содержащая токопроводящие нити (элементы), которые вводят в предварительно формируемую текстильную структуру в виде симметрично или асимметрично расположенных на расстоянии друг от друга грунтовых нитей. Резистивные электронагревательные элементы проходят между противоположными краевыми участками материала, и токопроводящие элементы, например, расположенные вдоль краевых участков, соединяют резистивные электронагревательные элементы с постоянным бытовым источником электрической энергии (см. RU 2222119 C2, 20.01.2003).
Также известен термоэлектрический мат для обогрева бетонных конструкций, состоящий из основы и греющих элементов. Термоэлектрический мат поделен на сегменты, соединенные между собой по линии сгиба. Нагревательный слой занимает всю площадь сегмента, при этом каждый сегмент снабжен независимым источником электропитания, управляемым температурным выключателем. (см. RU 2413395 С1, 27.02.2011). Данное техническое решение принято за прототип.
Известные технические решения обладают хорошими греющими свойствами, однако содержат один общий существенный недостаток. При изготовлении известных из уровня техники технических решений на основе нагревательных устройств, заранее определяется площадь обогрева одним устройством, т.к. при изготовлении закладываются габариты устройства и потенциальной греющей поверхности. При монтаже известных технических устройств на обогреваемую поверхность, как правило гораздо больше, чем греющая поверхность используемых нагревательных устройств, приходится соединять между собой множество нагревательных устройств, а также удалять некоторые ценные конструктивные части устройства в отходы, такие как концевые соединительные муфты, коннекторы, клеммы для подключения к источнику питания и т.д. Все эти монтажные мероприятия по подключению устройств усложняют процесс монтажа и снижают эффективность используемых нагревательных устройств.
Раскрытие технического решения
Задача заявленного технического решения заключается в повышении эффективности использования нагревательного устройства, упрощении монтажа устройства на обогреваемой поверхности.
Техническим результатом заявленного технического решения является возможность изменения, выбора определённой площади греющей поверхности одного нагревательного устройства при монтаже.
Заявленный технический результат достигается за счет использования следующей совокупности существенных признаков заявленного технического решения, а именно:  нагревательное устройство состоит из гибкой основы с размещенными на ней нагревательными элементами, согласно заявленному техническому решению, нагревательное устройство содержит не менее двух нагревательных элементов, соединенных с общими жилам питания, при этом нагревательные элементы расположены последовательно друг за другом, а гибкая основа между нагревательными элементами содержит элементы разделения устройства.
В частных случаях исполнения заявленного технического решения, элементы разделения устройства могут представлять собой перфорацию или разрезы, или сквозные отверстия, или надломы, или заломы, или ленты. На элементах разделения устройства могут быть установлены уплотняющие ленты или планки, или полосы. Нагревательный элемент может быть выполнен в форме меандра или меандров. Нагревательный элемент может быть выполнен в виде ленты или лент, или полосы, или полос. Жилы питания могут представлять собой однофазную или 3-х фазную систему питания. Жилы питания могут проходить вдоль гибкой основы и всех нагревательных элементов. Нагревательные элементы могут представлять собой резистивные токопроводящие провода. Нагревательные элементы могут быть выполнены на основе саморегулирующихся нагревательных лент. Нагревательный элемент может содержать дополнительную резистивную жилу, выполненную совместно с саморегулирующемся кабелем и находящуюся с ним в тепловой связи. Устройство может содержать дополнительную резистивную жилу, размещенную в непосредственной близости от нагревательного элемента, повторяющую его форму размещения, имеющую дополнительную жилу питания или соединенную с общими жилами питания. В качестве гибкой основы может быть использована полимерная пленка или ткань, или металлическая сетка. Нагревательные элементы могут крепиться к гибкой основе с помощью клеящего состава или скрепок, или пришиваться нитями, или дополнительным слоем основы. Устройство может содержать дополнительный слой или слои механической защиты. Устройство также может содержать дополнительный слой или слои влагозащиты. Устройство также может содержать дополнительный слой или слои теплоизоляции. Устройство также может содержать дополнительный слой или экран электрической или электромагнитной защиты. Устройство может содержать заземляющую жилу, расположенную внутри нагревательного элемента.  Устройство может содержать заземляющую жилу в составе экрана или дополнительного слоя. Устройство может содержать заземляющий элемент, выполненный в составе нагревательного элемента или в виде металлизированной оболочки всего устройства. Нагревательные элементы и жилы питания размещены внутри устройства между его слоями
Графические материалы, поясняющие сущность решения
Сущность заявленного технического решения поясняется графическими материалами, где:
- на Фиг.1а представлен общий вид нагревательного устройства с однофазной системой питания;
- на Фиг.1б представлена электрическая схема нагревательного устройства с однофазной системой питания;
- на Фиг.2а представлен общий вид нагревательного устройства с однофазной системой питания в варианте выполнения нагревательных элементов с дополнительной резистивной жилой, находящейся в тепловой связи с нагревательным элементом;
- на Фиг.2б представлена электрическая схема нагревательного устройства с однофазной системой питания в варианте выполнения нагревательных элементов с дополнительной резистивной жилой, находящейся в тепловой связи с нагревательным элементом;
- на Фиг.3а представлен общий вид нагревательного устройства с однофазной системой питания в варианте выполнения нагревательных элементов с дополнительной резистивной жилой, при этом в качестве нагревательного элемента использован саморегулирующийся кабель, находящийся в тепловой связи с дополнительной резистивной жилой;
- на Фиг.3б представлена электрическая схема нагревательного устройства с однофазной системой питания в варианте выполнения нагревательных элементов с дополнительной резистивной жилой, при этом в качестве нагревательного элемента использован саморегулирующийся кабель, находящийся в тепловой связи с дополнительной резистивной жилой.
Обозначения на Фигурах идентичные.
Осуществление технического решения
Сложность и неудобство монтажа известных нагревательных устройств при выполнении строительных работ, необходимость соединения множества нагревательных устройств при монтаже в большинстве случаев, использование множества дополнительных соединительных элементов, низкая электробезопасность сборки нескольких нагревательных устройств, а также неэффективный обогрев всей обогреваемой поверхности несколькими соединёнными нагревательными устройствами, создали предпосылки для создания заявленного технического устройства.
2
Например, при необходимости обогреть площадь 25 м длиной и шириной 1 м, приходилось использовать 2 устройства (нагревательных мата), длина каждого из которых была 10 м. При этом в известных устройствах отсутствовала возможность их разделения с сохранением дальнейшей работоспособности, т.е. они были не делимы. В таком случае приходилось делать греющую поверхность меньше требуемой для обогрева, что приводило к не эффективному использованию нагревательного элемента, т.к. 5 моставались без обогрева.
При обогреве внешних боковых частей технических сооружений, например, резервуаров для хранения ГСМ, приходится соединять множество нагревательных устройств, что вызывает значительную сложность при монтаже. Также не стоит забывать о множестве точек соединения жил питания при подключении множества нагревательных устройств, которые обладают меньшей надежностью, долговечностью, высокой трудоемкостью в сравнении с неразъемной сплошной жилой питания. При этом, точки соединения могут иметь утечки электроэнергии, а также быть дополнительным сопротивлением электрической цепи питания, что негативно влияет на электробезопасность соединенных нагревательных устройств. Все это в значительной степени снижает эффективность использования известных нагревательных устройств.
Суть заявленного технического решения заключается в создании нагревательного устройства, удобного при монтаже и эффективного при использовании за счет возможности изменения размеров его греющей поверхности.
Следует отметить, что при использовании заявленного нагревательного устройства сохраняются все установленные требования к электрической безопасности (в том числе, по всей длине устройства и по его поперечным размерам), сохраняется возможность реализации необходимой мощности обогрева.
Заявленное нагревательное устройство (Фиг.1а, 2а, 3а) состоит из гибкой основы 1 с последовательно размещенными на ней нагревательными элементами 2, подключёнными к общим жилам питания 3, которые размещены на основе 1 вдоль всех нагревательных элементов 2.
L/L1
N
При производстве, нагревательное устройство изготавливается в виде основы 1 большой длины, на которой расположено множество нагревательных элементов 2 с жилами питания 3, где  – фаза,  – нулевой провод. Основание 1 может, например, иметь длину 100 м и ширину 1 м с размещенными на ней 100 нагревательными элементами 2.
Основание 1 большой длины нагревательного устройства имеет перпендикулярные ее длине элементы разделения устройства 4, например, перфорацию или разрезы, или сквозные отверстия или надломы, или заломы, или ленты между последовательно расположенными нагревательными элементами 2 в зависимости от материала гибкого основания 1. Также в качестве элемента разделения устройства может быть использовано сигнальное указание в виде окрашенной линии разделения, указывающей на зону разделения или на зону размещения элементов разделения.
В качестве гибкой основы может быть использована полимерная пленка или ткань, или металлическая сетка. В частности, надломы или заломы характерны для основания из металлической сетки, которые выполняются на ее прутках для более легкого и удобного полного отделения части гибкого основания с требуемым, необходимым при монтаже, количеством нагревательных элементов. Перфорация и разрезы, частичные разрезы, будут предпочтительнее для полимерной гибкой основы, отверстия и надрезы – для тканевой гибкой основы. Допускается установка на элементах разделения уплотняющих лент или планок, или полос для удобства отделения и для защиты разделенного края устройства.
Использование определенной конфигурации и сечения жил питания 3, а также системы питания, определяет максимальную длину гибкого основания 1 нагревательного устройства. Система питания может быть, как однофазной, так и 3–х фазной. Жилы питания 3 проходят вдоль гибкого основания 1 и всех нагревательных элементов 2.
Каждый нагревательный элемент 2 может быть выполнен в виде жилы с изоляцией или без нее, в виде ленты или нескольких лент на основе токопроводящих жил, а также в виде полосы или нескольких полос на основе токопроводящих жил. Нагревательный элемент 2 в виде жилы может быть расположен на гибком основании 1 в виде меандра или нескольких меандров.
Приведенные примеры видов нагревательных элементов 2 и их размещения не ограничивают заявленное техническое решение.
L
L
В качестве нагревательных элементов 2 могут быть использованы резистивные провода. Также в качестве нагревательных элементов 2 могут быть использованы нагреватели на основе саморегулирующихся нагревательных лент 5. Кроме того, допускается использование нагревательных элементов 2, содержащих дополнительную резистивную жилу 6, выполненную совместно с саморегулирующемся кабелем 5 и находящуюся с ним в тепловой связи 7 (Фиг.3б). Дополнительная резистивная жила 6 может быть выведена из конструкции кабеля и располагаться с ним в непосредственной близости, повторяя его форму и находясь с ним в тепловой связи 7. Дополнительная резистивная жила 6 может иметь свою дополнительную жилу питания 2 (8) (Фиг.2б,3б) или иметь общую жилу питания  с нагревательным элементом 2.
L
Дополнительная резистивная жила 6 позволяет повысить эффективность нагрева, уменьшить стартовый (пусковой) ток, а также обеспечить возможность регулирования мощности устройства при наличии дополнительной жилы питания 2.
Дополнительные резистивные жилы 6 и жилы резистивных проводов могут быть выполнены из меди или алюминия.
На Фиг.3а,3б представлено выполнение нагревательного устройства с саморегулирующимся кабелем 5 в качестве нагревательного элемента 2 и дополнительной резистивной жилой 6, выполненной совместно с кабелем.
Независимые нагревательные элементы 2, в зависимости от материала гибкой основы 1, крепятся к гибкой основе 1 с помощью клеящего состава или скрепок, или пришиваются нитями, или дополнительным клейким слоем основы 1.
Нагревательное устройство для обогрева поверхностей может быть снабжено дополнительным слоем или слоями механической защиты и/или влагозащитным слоем или слоями для уменьшения агрессивного воздействия окружающей среды. Также может быть предусмотрен слой или несколько слоев теплоизоляции при работе в холодном климате. Комбинация размещения дополнительных слоев относительно друг друга может быть различной в зависимости от условий работы нагревательного устройства. Также может быть предусмотрен слой/экран или несколько слоев/экранов электрической или электромагнитной защиты. Нагревательные элементы и жилы питания размещены внутри устройства между его слоями. Причем нагревательные устройства и жилы питания могут быть размещены между разными слоями устройства.
Для безопасной работы нагревательного устройства, оно может содержать заземляющую жилу, расположенную внутри нагревательного элемента 2 или в составе экрана, или любого другого дополнительного слоя. Заземляющая жила соединена с заземляющим проводом, который может проходить совместно с жилами питания 3 вдоль всего нагревательного устройства. Также повышению безопасности будет способствовать наличие заземляющего элемента, выполненного в составе нагревательного элемента или в виде металлизированной оболочки всего нагревательного устройства.
При наличия дополнительных слоев, нагревательные элементы 2 и питающие жилы 3 могут быть как вместе, так и отдельно размещены между разных упомянутых дополнительных слоев.
PE
На Фиг. 3а,3б представлен вариант нагревательного устройства, имеющего в своем составе экран электромагнитной защиты 9 ().
Для более эффективного использования заявленного нагревательного устройства, целесообразно изготовление сегментов устройства (от одного элемента разделения до другого) наименьшей длины. Каждый отдельный сегмент имеет один нагревательный элемент 2. Необходимо при изготовлении нагревательного устройства обеспечить более плотное расположение нагревательных элементов 2 на гибкой основе 1 с минимальным расстоянием между ними.
При монтаже от нагревательного устройства большой длины (рулона) отделяется требуемая часть гибкой основы 1 с нагревательными элементами 2 и жилами питания 3. Отделенная часть нагревательного устройства представляет собой такое же нагревательное устройство, но меньшей длины, соответствующей примерно длине требуемой обогреваемой поверхности.
Таким образом, можно получить надежное нагревательное устройство высокого качества необходимой или требуемой длины для упрощения монтажа устройства, безопасного функционирования и высокоэффективного обогрева требуемой обогреваемой поверхности или объема.
Полученная необходимая длинна нагревательного устройства позволит избежать снижения эффективности использования нагревательного устройства с сохранением обогрева всей необходимой площади обогреваемой поверхности.
Монолитная неразъемная электрическая цепь нагревательного устройства необходимой длины (особенно большой длины) позволяет исключить точки соединений с низкой надежностью, а также исключить вероятность дополнительных электрических потерь, что сказывается также на повышении надежности и эффективности устройства при его использовании.
Нагревательное устройство любой длины представляет собой объединённую группу нагревательных элементов, объединенных единой неразрывной, надежной цепью питания, жилы питания которого для функционирования, с одного конца устройства подключаются к источнику питания, а с другого конца соединяются, образуя замкнутую электрическую цепь.
При подаче электропитания с требуемыми параметрами на жилы питания, каждый нагревательный элемент также получает питание и осуществляет тепловыделение. Жилы питания могут быть выполнены из меди или алюминия.
В цепь питания на участке между источником питания и нагревательным устройством может быть включен терморегулятор и/или другие устройства, изменяющие мощность или осуществляющие разрыв электрической цепи питания.
Именно возможность разделения нагревательного устройства большой длины на несколько нагревательных устройств меньшей, необходимой при монтаже длины, изначальное изготовление нагревательного устройства без элементов, необходимых для подключения нагревательного устройства к сети питания, для создания замкнутой цепи, таких как концевые соединительные муфты, коннекторы, клеммы для подключения к источнику питания, также обеспечивают высокую эффективность использования нагревательного устройства и повышение удобство монтажа за счет использования одного нагревательного устройства необходимой длины и сокращения количества операций по подключению этого устройства к питанию.
Пример реализации
Изготавливается нагревательное устройство большой длины в виде рулона, длиной 100 м и шириной 1 м. Устройство имеет полимерную гибкую основу, на которой размещены нагревательные элементы в виде резистивных лент. Устройство содержит дополнительный клейкий слой для фиксации независимых нагревательных элементов на гибкой основе. Также устройство имеет два внешних влагозащитных слоя с двух сторон гибкой основы. Расстояние между элементами разделения, выполненными в виде сквозной перфораций секторов с нагревательными элементами соответствует 1 м. Питание предполагается от 3-х фазного источника электроэнергии. Между нагревательными элементами, на сквозной перфорации размещена уплотняющая лента для защиты края устройства в случае разделения.
Возникла необходимость обогреть внешнюю часть резервуара длиной окружности 40 м и шириной 1 м.
При подготовке к монтажу нагревательного устройства, специалист отмеряет 40 м длины рулона нагревательного устройства, соответствующей 40 сегментам устройства с нагревательными элементами, и легко и точно отделяет соответствующую часть нагревательного устройства от рулона по линии перфорации.
Далее специалист осуществляет монтаж отделенной части нагревательного устройства (40 м) на обогреваемой боковой поверхности резервуара. Специалист немного зачищает и подключает жилы питания с одного конца нагревательного устройства к 3-х фазному источнику питания. Питающие жилы на другом конце устройства также немного зачищаются и соединяются между собой по схеме «звезда» при помощи дополнительной перемычки, нулевой провод от точки соединения направляет к источнику питания, образуя замкнутую электрическую цепь питания.