Электрический нагреватель из волокнистых композиционных материалов

Предлагаемая полезная модель электрического нагревателя из волокнистых композиционных материалов относится к электротехнике и предназначена для нагрева жидких и газовых, в т.ч. и высокоагрессивных сред.
Из уровня техники известен электрический нагреватель в форме трубы, имеющий стенку из неорганического волокнистого материала в виде лент или нитей, преимущественно из стеклянных или кремнеземных, намотанных слоями, и нагревательный элемент из углеродного волокнистого материала в виде лент или нитей, расположенный внутри стенки трубы, при этом неорганический волокнистый материал и углеродный волокнистый материал пропитаны клеем на фосфатной основе, фосфатном связующем и глине, а концы нагревательного элемента вложены в сложенные пополам контактные пластины из металлической фольги (патент РФ №104805 на полезную модель, МПК Н05В 3/48, 20.05.2011).
Недостатком известного нагревателя является низкая прочность корпуса нагревателя и невозможность использования для нагрева жидких сред, являющихся диэлектриками. Это обусловлено тем, что используемый клей КФФГ имеет слабую адгезию к армирующим волокнистым материалам, а корпус нагревателя имеет высокую пористость 25-30%.
Известен электрический нагреватель для текучих сред, содержащий корпус из слоев пропитанного связующим волокнистого материала, в стенке которого установлен, по меньшей мере, один нагревательный элемент из углеродного волокнистого материала, размещенный между слоями электроизоляционного материала, с двумя токоподводящими элементами, которые образуют электрическую цепь, содержащую, по меньшей мере, один термовыключатель, выполненный с возможностью размыкания электрической цепи при достижении заданной температуры. Пропитанный связующим волокнистый материал представляет собой ткань из стекловолокна или кремнеземную ткань. Корпус электронагревателя имеет форму тела вращения (патент РФ №145060 на полезную модель, МПК Н05В 1/02, 10.09.2014).
К недостаткам известного нагревателя можно отнести следующее: применение чувствительного элемента, установленного непосредственно на нагревательном элементе - углеродном волокнистом материале (УВМ) - приведет к быстрому выходу из строя нагревателя, потому что УВМ является «нежным» материалом, и любой предмет на нем дает искажение объемной поверхности нагревательного элемента, и, следовательно, изменится его расчетное сопротивление, что и приведет к выходу из строя нагревателя.
Известен стеклокерамический высокотемпературный и водостойкий электронагреватель в форме тела вращения, имеющий трубопровод из композиционного волокнистого материала в виде намотанной слоями стекловолокнистой ленты, пропитанной связующим и нагревательный элемент из углеродной волокнистой ленты, расположенной внутри стенки трубопровода, в котором нагревательный элемент и слои стекловолокнистой ленты пропитаны натрийборосиликатфосфатным связующим холодного отверждения с последующей просушкой при температуре 70-120°С в течение одного часа (патент РФ №2334374 на изобретение, МПК Н05В 3/42, 20.09.2008).
Недостатком данного электронагревателя, как и всех упомянутых выше технических решений, является то, что они не позволяют применять конкретные габаритные и технические характеристики нагревателя для определенной мощности.
Указанный недостаток устраняет предлагаемая полезная модель.
Техническим результатом при использовании заявленной полезной модели является повышение эффективности нагревателя путем возможного увеличения его мощности без изменения габаритных размеров.
Данный технический результат достигается тем, что электрический нагреватель из композиционного волокнистого материала имеет корпус с осью вращения, выполненный из стеклокомпозита на основе жидкого связующего, и диаметр 20-200 мм, длину, не превышающую 3000 мм, толщину стенки 2-12 мм, внутри которой размещен нагревательный элемент из углеродного волокнистого материала в виде ленты конечной длины, имеющей ширину 20-300 мм, предварительно обработанной при температуре 2200-2400°С, при этом каждый конец ленты сопряжен с металлической фольгой, соединенной с электрическим проводом.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в электрическом нагревателе нагревательный элемент размещен в герметичном изоляторе, корпус выполнен из стеклопластика, а в качестве жидкого связующего используют фенольное связующее; корпус выполнен из стеклокерамики, а в качестве жидкого связующего используют фосфатное связующее холодного отверждения.
Корпус с осью вращения изготовлен методом «мокрой» намотки, имеет форму цилиндра или эллипса. Такое исполнение является оптимальным для нагревателей жидких и газовых сред.
Выполнение корпуса электронагревателя из стеклокомпозита на основе жидкого связующего позволяет улучшить эксплуатационные характеристики нагревателя.
Выполнение диаметра корпуса 20-200 мм и его длины не более 3000 мм обусловлено тем, что данные параметры позволяют использование нагревательного элемента, мощность которого от 2 кВт до 28 кВт, указанная мощность нагревателя охватывает практически все области нагрева жидких и газовых сред в различных отраслях народного хозяйства.
Выполнение толщины стенки корпуса нагревателя 2-12 мм позволяет использование жидких фенольных и неорганических фосфатных связующих для обеспечения необходимой прочности нагревателя при транспортировке, монтаже и эксплуатации.
Нагревательный элемент из углеродного волокнистого материала в виде ленты конечной длины, шириной 20-300 мм, предварительно термообработанной при 2200-2400°С, позволяет достигать конкретные характеристики нагревателя в широком диапазоне его мощности.
Размещение нагревательного элемента в герметичном изоляторе позволяет использовать нагреватель для нагрева жидких сред, являющихся диэлектриками (нефтепродукты, масла, в т.ч. пищевые) и электролитами (различные кислоты, щелочи и соли и т.п.) и в т.ч. во взрывоопасных условиях.
Ниже приведены схематическое изображение электрического нагревателя и примеры изготовления предлагаемых нагревателей.
На фиг. 1 изображен электрический нагреватель, общий вид;
на фиг. 2 приведен разрез Б-Б на фиг. 1;
на фиг. 3 приведен электронагреватель в аксонометрии.
Электрический нагреватель из композиционного волокнистого материала имеет корпус с осью вращения, выполненный из стеклокомпозита на основе жидкого связующего. Диаметр корпуса составляет 20-200 мм, длина не превышает 3000 мм, толщина стенки корпуса 2-12 мм. Стенка корпуса образована наружным слоем 1 и внутренним слоем 2. Внутри стенки корпуса размещен нагревательный элемент 3 из углеродного волокнистого материала в виде ленты конечной длины, имеющей ширину 20-300 мм, предварительно обработанной при температуре 2200-2400°С, при этом каждый конец ленты сопряжен с металлической фольгой 5, соединенной с электрическим проводом через металлический хомут 6 либо металлический наконечник.
В электрическом нагревателе нагревательный элемент 3 размещен в герметичном изоляторе 4, при этом корпус выполнен из стеклопластика, а в качестве жидкого связующего используют фенольное связующее; корпус может быть выполнен из стеклокерамики, а в качестве жидкого связующего используют фосфатное связующее холодного отверждения.
Пример №1
На подготовленный дорн диаметром 150 мм и длиной 2500 мм проводят намотку 4-х слоев стеклянной ткани марки НПГ-210 (ТУ 6-48-00202956-30-04), пропитанной в фенольной смоле марки СФЖ-309 (ГОСТ 20-907-75). Намотанные слои служат внутренним слоем 2 корпуса электронагревателя. Далее проводят намотку нагревательного элемента 3, который предварительно подготавливают. Нагревательный элемент 3 изготавливают из углеродного волокнистого материала (УВМ) в виде ленты шириной 40 мм марки Урал ЛТ-2-22/45 (ТУ BY 400031289.092-2009). Лента изготовлена на основе гидратцеллюлозных волокон. Ленту Урал ЛТ-2-40 предварительно термообрабатывают при температуре 2200°С. Для изготовления нагревателя мощностью, например, 8 квт берут 4-е ленты (4-е «ручья») указанной марки шириной 40 мм конечной длины 3680 мм. Концы 4-х лент укладывают в пластины из нержавеющей фольги 5 толщиной 0,1 мм и размером 120×240 мм и сворачивают вместе поперек направления ленты. Таким образом, нагревательный элемент готов к намотке (укладке) на дорн с уже намотанными на него слоями стеклоткани НПГ-210. Далее концы пластин из нержавеющей фольги 5 скрепляют с помощью металлических болтов с гайкой М6 с хомутами 6 из нержавеющей стали толщиной 1 мм, шириной 25 мм и длиной по 600 мм. Указанные хомуты 6 служат для подсоединения к ним электрических проводов при эксплуатации нагревателя. После намотки и закрепления нагревательного элемента 3 с помощью хомутов 6 проводят намотку последующих 4-х слоев стеклоткани НПГ-210, пропитанной также фенольной смолой СФЖ-309, которые представляют собой наружный слой 1 корпуса электронагревателя. При такой структуре намотки нагревателя толщина стенки нагревателя составляет 3-4 мм. Указанная толщина стенки корпуса нагревателя обеспечивает его надежную работу. С целью надежной транспортировки, хранения (в виде стеллажей) и установки на рабочее место (металлическую раму) целесообразно на концах корпуса проводить намотку дополнительных слоев ткани НПГ-210.
Для удаления избытка фенольной смолы проводят намотку викилевочной ткани в виде лент. В качестве такой ткани используют полипропиленовую ткань с поверхностной плотностью 100÷50 г/м. После завершения намотки нагревателя его помещают в камеру для отверждения фенольной смолы. Отверждение проводят при температуре 160±5°С в течение 50 минут. После окончания процесса отверждения дорн вынимают из камеры отверждения и снимают нагреватель с дорна. После снятия викилевочной ткани с нагревателя и зачистки его наружной поверхности нагреватель отгружают потребителю.
Для изготовления нагревательного элемента из углеродного волокнистого материала возможно использование полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. При этом лента из углеродных волокон для нагревательного элемента может быть нарезана из ткани либо соткана из углеродных нитей. В этом случае общая ширина одной ленты составляет 160 мм (40 мм × 4 «ручья»). В данном примере возможно изготовление нагревательного элемента для нагревателя мощностью 16 квт, т.е. в два раза больше. Это достигается тем, что берутся не 4-е ленты, а 8 лент. Их укладку в пластины из нержавеющей фольги проводят также в 4-е «ручья», но по две ленты в каждом ручье. Вместо стеклоткани марки НПГ-210 возможно использование других видов стеклянных тканей, а также стеклоровинга для обеспечения толщины стенки корпуса нагревателя в пределах 2-12 мм, достаточной для достижения его прочности.
Данный нагреватель может найти широкое применение в дорожном строительстве и нефтяной отрасли для нагрева битума, мазута, масла и др. нефтепродуктов, являющихся диэлектриками.
Пример №2
На подготовленный дорн диаметром 20 мм и длиной 3000 мм проводят намотку 2-х слоев стеклянной ткани НПГ-210 (аналогично примеру №1), которые представляют собой внутренний слой 2 корпуса электронагревателя. Затем проводят намотку (укладку) нагревательного элемента 3 из УВМ. Подготовку нагревательного элемента 3 проводят аналогично примеру №1 со следующими отличиями. Для укладки в пластину из нержавеющей фольги 5 берут одну (один «ручей») ленту, при этом размер пластины составляет соответственно 120×90 мм. Далее на один из концов пластины (без ленты) приклепывают металлический наконечник с присоединением к нему электрического провода сечением 4 мм и длиной 300 мм. Провод помещают в термоусаживающуюся трубку (ТУТ) из фторопласта от места приклепки (заклепки) на пластине из фольги 4 до конца провода. Затем ТУТ нагревают, например, термофеном. После этих операций подготовленную ленту из УВМ укладывают в пленку из фторопласта в виде лакоткани. Благодаря клеящему свойству лакоткани, помещение в нее ленты из УВМ позволяет изготовить герметичным в целом нагревательный элемент. Применение лакоткани из фторопласта Ф-4 обеспечивает рабочую температуру на поверхности нагревательного элемента до 300°С и в то же время с высокой его химической стойкостью в различных нагреваемых средах, в т.ч. и высокоагрессивных. Готовый нагревательный элемент наматывают (укладывают) на дорн и затем проводят намотку последующих 2-х слоев стеклоткани НПГ-210 аналогично примеру №1. Остальные операции - викилевку, отверждение фенольной смолы и другие операции проводят аналогично примеру №1. При указанных параметрах изготовления нагревателя его мощность составляет 2 кВт. Аналогично примеру №1 возможно увеличение мощности нагревателя в два раза путем укладки 2-х лент из УВМ в один «ручей».
Возможно изготовление нагревательного элемента в несколько «ручьев» аналогично примеру №1.
Полученный электронагреватель может найти применение в теплообменниках для эффективного нагрева различных сред за счет большой поверхности нагрева в трубном и межтрубном пространстве теплообменников. Может найти применение в других отраслях промышленности для нагрева различных жидких, в т.ч. высокоагрессивных сред и во взрывоопасных условиях.
Пример №3
На подготовленный дорн диаметром 200 мм и длиной 2400 мм проводят намотку 3-х слоев стеклоткани марки НПГ-210, пропитанной фосфатным связующим холодного отверждения, например натрийборосиликатфосфатным. Эти слои составляют внутренний слой 2 корпуса. Затем наматывают нагревательный элемент 3 из УВМ, предварительно обработанный по примеру №2 с некоторыми отличиями: углеродная лента имеет ширину 42 мм, и укладывают ее по две в семь ручьев. Такая укладка ленты увеличивает мощность нагревателя до 28 квт.
Далее наматывают остальные три слоя НПГ-210, пропитанные так жe натрийборосиликатфосфатным связующим, которые составляют наружный слой 1 корпуса электронагревателя. Отверждение связующего проводят двумя методами: 1) выдержку дорна с нагревателем в помещении при 20°С в течение 24 часов; 2) просушку в камере отверждения при температуре 70-120°С в течение 1 часа.
Использование фосфатных связующих холодного отверждения позволяет поддерживать температуру на поверхности нагревателя до 600-800°С с применением стеклянных тканей (ровинга) и до 1200°С с использованием кремнеземных тканей (ровинга).
Применение фосфатных связующих позволяет изготавливать нагреватели без использования изоляции. Это обусловлено тем, что второй компонент (порошок соответствующего состава) имеет дисперсию 1-30 мкм. Фосфатное связующее определенного состава дает возможность изготовления нагревателей для нагрева пищевых жидких продуктов.
При изготовлении нагревателя для эксплуатации во взрывоопасных условиях проводят дополнительную операцию. Она заключается в том, что после укладки нагревательного элемента 3, помещенного в герметичную изоляцию 4, проводят намотку ленты из алюминиевой фольги 7 на защищенный (изолированный) нагревательный элемент 3. Концы ленты из алюминиевой фольги 4 имеют крепление к электрическим проводам. Далее наматывают наружный (верхний) слой 1 стеклоткани корпуса нагревателя, например, из НПГ-210, пропитанной либо фенольной смолой (пример №2), либо фосфатным связующим (пример №3). Остальные операции проводят по примерам №2, 3.
При установке нагревателя для его эксплуатации к проводам 5 подводят электропитание. Провода от алюминиевой фольги подключают к устройству защитного отключения (УЗО) (не показаны). При выходе нагревательного элемента 3 из строя УЗО отключает нагреватель от питающего напряжения.
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить эффективность за счет большой поверхности теплообмена; турбулентного перемешивания нагреваемой жидкой среды; использования материалов, позволяющих нагревать практически все среды, в т.ч. высокоагрессивные среды и во взрывоопасных условиях, и самое главное, без изменения габаритных размеров нагревателя возможно увеличение его мощности.