ТРУБЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ
TUBULAR ELECTRIC HEATER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования электрической энергии в тепловую, используемых, в частности, в конструкциях термокомпрессоров, обеспечивающих необходимое давление в контуре циркуляции теплоносителя АЭС.
Известен трубчатый электронагреватель, содержащий тепловыделяющий элемент в виде токопроводящей спирали из жаростойкого материала, помещенной внутри защитной металлической оболочки, причем между тепловыделяющим элементом и защитной оболочкой расположен слой электроизоляционного материала, обычно в виде порошковой засыпки окиси магния, на концах металлической оболочки выполнены герметизированные токоподводы (Патент US №7,019,269, М. кл. Н05В 3/44, опубл. 28.03.2006 г.).
Недостатком известной конструкции является то, что между тепловыделяющим элементом и теплоотдающей поверхностью защитной оболочки необходим слой электроизоляции, обеспечивающей электрическую безопасность нагревателя и препятствующую возникновению межвитковых замыканий нагревательной спирали. Этот слой, выполняя полезную функцию электроизоляции, вносит тепловое сопротивление на пути переноса тепла от тепловыделяющего элемента к поверхности теплообмена с внешним теплоносителем, что особенно заметно при использовании порошковых электроизоляционных материалов. Наличие этого теплового сопротивления приводит к тому, что для достижения существенной плотности теплового потока на поверхности теплообмена необходимо многократно увеличить температуру нагревательной спирали внутри трубчатого электронагревателя, что приводит к уменьшению срока службы нагревателя.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является трубчатый нагреватель, содержащий тепловыделяющий элемент в виде токопроводящей спирали, расположенной внутри защитной металлической оболочки, на концах металлической оболочки выполнены герметизированные токоподводы (Патент РФ №2120199, М. кл. Н05В 3/48, опубл. 10.10.1998 г.).
Трубчатый нагреватель имеет низкие ресурс и эксплуатационную надежность, связанные с наличием теплового сопротивления электроизолирующей прослойки и перегревом тепловыделяющего элемента. Например, в трубчатых электронагревателях, работающих в термокомпрессорах АЭС при температуре среды 300-350°C, температура спирали приближается к 900°C. Такая температура создает два негативных фактора. Во-первых, разрушается структура материала нагревательной спирали с возможностью ее перегорания. Во-вторых, при высоких температурах ухудшаются электроизоляционные свойства засыпки, в ней появляются каналы электрического пробоя, разрушающие внешнюю защитную оболочку. Попадание воды через образовавшиеся свищи внутрь нагревателя вызывает паровые взрывы, полностью разрушающие нагреватель. Оба этих фактора снижают ресурс и эксплуатационную надежность трубчатого электронагревателя.
Технической задачей, решаемой данным изобретением, является увеличение теплопроводности в направлении от тепловыделяющего элемента к поверхности теплообмена с внешним теплоносителем.
Технический результат изобретения заключается в повышении ресурса и эксплуатационной надежности трубчатого нагревателя
Это достигается тем, что известный трубчатый электронагреватель, содержащий трубчатую оболочку, центральный токопроводящий электрод и герметизирующие фланцы с электрически изолированными от трубчатой оболочки выводами центрального электрода, снабжен тепловыделяющим элементом в виде скрученного вокруг оси центрального токопроводящего электрода металлического листа, образующего в разрезе неплотную спираль, и порошковым диэлектриком заполняющим пространство между витками неплотной спирали.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид трубчатого электронагревателя с разрезом, открывающим внутреннее устройство нагревателя, на фиг. 2 показан поперечный разрез трубчатого нагревателя через спиральный тепловыделяющий элемент.
Трубчатый электронагреватель содержит внешнюю трубчатую оболочку 1, центральный токопроводящий электрод 2, герметизирующий фланец 3 с электрически изолированным от трубчатой оболочки 1 выводом 4 центрального токопроводящего электрода 2, тепловыделяющий элемент 5 в виде скрученного вокруг оси центрального токопроводящего электрода 2 металлического листа, образующего в разрезе неплотную спираль, пространство между витками которой заполнено порошковым диэлектриком 6.
Трубчатый электронагреватель работает следующим образом.
К выводу 4 присоединяется питающий проводник с линейным потенциалом (L). Трубчатая оболочка 1 через герметизирующий фланец 3 заземляется (N). В этом случае через тепловыделяющий элемент 3 протекает ток, и в нем происходит выделение тепла. При этом по длине спирального тепловыделяющего элемента 3 происходит падение напряжения, пропорциональное длине участка. Очевидно, что между витками неполной спирали разность потенциалов значительно меньше, чем значение питающего напряжения, поэтому толщина слоя порошкового диэлектрика 6 должна быть меньше и, соответственно, уменьшается величина теплового сопротивления от тепловыделяющего элемента 3 к внешней трубчатой оболочке 1. Спиральная геометрия тепловыделяющего элемента 3 позволяет создать распределенную структуру тепловыделения, при этом продольная проволочная спираль образует локальную зону тепловыделения, изолированную от внешней оболочки толстым слоем порошкового диэлектрика 6.
Внешний виток спирали имеет наибольшую длину, и именно в нем происходит наибольшее выделение тепла. Этот виток отделяет от внешней поверхности, где происходит теплообмен с внешним теплоносителем, наиболее тонкий слой диэлектрика 6, так как его потенциал близок к нулевому (N) и, соответственно, теплоперенос от внешнего витка спирали встречает минимальное тепловое сопротивление.
На фиг. 1 показан разрыв внешней оболочки и видны зоны, где отсутствует спиральный тепловыделяющий элемент и которые могут быть использованы для изгиба ТЭНа.
Использование изобретения позволяет уменьшить толщину порошкового диэлектрика и обеспечить образование распределенной структуры тепловыделения, повысить теплоперенос от нагревательного элемента к внешней поверхности ТЭНа. Это, в свою очередь, при необходимой плотности теплового потока позволяет снизить температуру нагревательного элемента, что определяет повышение ресурса и эксплуатационной надежности трубчатого нагревателя.