ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электрическим нагревателям для текучих сред, выполненным из композиционных материалов, и может быть использована в качестве бытового и/или промышленного нагревателя.
В настоящее время для нагрева текучих сред все чаще используют электрические нагреватели, которые обладают большим коэффициентом полезного действия по сравнению с, например, газовыми нагревателями. Различают несколько видов нагревателей, такие как, например, кольцевые и полукольцевые нагреватели, патронные, фланцевые, витковые, трубчатые нагреватели и другие. Наиболее распространены в применении среди них трубчатые электрические нагреватели (ТЭН), представляющие собой стальную или медную трубку, внутри которой установлена электрическая спираль.
ТЭНы являются универсальными, их можно применять для разогрева как жидких сред, так и газовых, они обладают температурой нагрева до 800°C, а также защищены от воздействия вибраций. Однако в процессе эксплуатации наблюдается нарушение герметизации выводов и их корродирование, а также разрыв спирали из-за перегрева, после чего необходима замена нагревателя. Поэтому актуальной остается разработка новых типов нагревателей, которые будут лишены указанных недостатков.
Одним из вариантов решения указанной выше задачи является использование в качестве нагревательных элементов углеродного волокнистого материала, который имеет температуру нагрева до 1200°C. Однако указанной рабочей температуры нагревательного элемента сложно достичь, поскольку корпус нагревателя чаще всего не рассчитан на работу при таких температурах нагревательных элементов. Поэтому еще одной актуальной задачей является разработка новых конструктивно-технологических решений для конструкции корпуса электрических нагревателей с углеродно-волокнистым нагревательным элементом, которые позволят повысить диапазон рабочих температур нагревателя.
Известен стеклокерамический высокотемпературный и водостойкий электронагреватель в форме тела вращения, описанный в патенте РФ №2334374 (опубл. 20.09.2008), имеющий корпус из волокнистого материала в виде намотанной стекловолокнистой ленты, пропитанной связующим, и нагревательный элемент из углеродного волокнистого материала, расположенный внутри стенки корпуса, в котором нагревательный элемент и слои стекловолокнистой ленты пропитаны натрийборсиликатфосфатным связующим.
К недостаткам описанного решения следует отнести ограниченные температуры эксплуатации, обусловленные использованием в конструкции нагревателя стекловолокнистого материала, рабочая температура которого составляет 550-600°C. Превышение указанной рабочей температуры приводит к разрушению стекловолокна и, как следствие, к риску разрушения корпуса нагревателя, который становится хрупким. Еще одним недостатком данного решения является неконтролируемый нагрев нагревательного элемента, а также отсутствие возможности остановки процесса нагревания при достижении заданной температуры.
Известна нагревательная труба для нагрева текучей среды, описанная в патенте США №4156127 (опубл. 22.05.1979), содержащая корпус, выполненный трехслойным, при этом первый слой представляет собой внутренний цилиндрический слой из политетрафторэтилена, второй цилиндрический слой выполнен вокруг внутреннего цилиндрического слоя и сформирован из гомогенной смеси политетрафторэтилена, а третий слой выполнен вокруг второго и сформирован из политетрафторэтилена. Нагревательная труба также включает нагревательный элемент из углеродного волокнистого материала. Все три слоя экструдированы совместно. В третьем, наружном, слое выполнены вырезы с целью установки токоподводов. Для контроля уровня нагрева на наружном слое установлен по меньшей мере один чувствительный элемент, представляющий собой датчик температуры.
К недостаткам описанного решения следует отнести ограниченные температуры эксплуатации, обусловленные использованием в конструкции нагревательной трубы политетрафторэтилена, рабочая температура которого составляет 250°C. При превышении указанной температуры полимерная структура политетрафторэтилена начинает разрушаться, что в результате может привести к возникновению микротрещин на поверхности корпуса и к нарушению его целостности. Кроме того, при превышении указанной рабочей температуры политетрафторэтилен начинает выделять токсические газы, что является небезопасным для жизнедеятельности человека.
Наиболее близким аналогом и выбранным в качестве прототипа заявляемой полезной модели является электрический нагреватель в форме трубы, описанный в патенте РФ №104805 (опубл. 20.05.2011), имеющий корпус из волокнистого материала в виде лент или нитей, намотанных слоями, и нагревательный элемент из волокнистого углеродного материала в виде лент или нитей, расположенных внутри стенки корпуса.
К недостаткам описанного решения следует отнести относительную ограниченность области применения таких нагревателей, поскольку последняя не включает использование описанного электрического нагревателя для нагрева текучих сред, требующих точного контроля температуры нагрева.
В основу полезной модели поставлена задача разработать электрический нагреватель, конструктивное исполнение которого обеспечит возможность расширения области его применения, в частности, за счет повышения рабочей температуры, а также обеспечит возможность осуществления контролируемого нагрева текучей среды.
Поставленная задача решается тем, что разработан электрический нагреватель, 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 полимера, с двумя токоподводящими элементами, которые образуют электрическую цепь, при этом указанная электрическая цепь содержит по меньшей мере один термовыключатель, выполненный с возможностью размыкания электрической цепи при достижении заданной температуры. Таким образом, конструктивное исполнение заявляемого устройства позволяет производить контролируемый нагрев текучих сред.
В качестве слоя принято обозначение заданного материала с заданной толщиной. В целом конструкция содержит несколько слоев, включающих по меньшей мере два слоя из волокнистого материала, пропитанных связующим и образующих стенку корпуса, по меньшей мере два слоя электроизоляционного полимера и по меньшей мере один слой углеродного волокнистого материала, представляющего собой нагревательный элемент.
Нагревательный элемент установлен между слоями электроизоляционного полимера, который обеспечивает его электрическую изоляцию. При этом предпочтительно в качестве электроизоляционного полимера использовать полимеры, обладающие высокими характеристиками термической стойкости, с целью обеспечения термической защиты корпуса.
Корпус нагревателя изготавливается из волокнистых материалов, таких как, например, стекловолокно, органическое волокно, углеродное волокно, а также из тканей и лент на их основе. В процессе изготовления корпуса волокнистые материалы пропитывают связующим. При этом возможно использование комбинации нескольких типов волокнистых материалов с несколькими типами связующих, посредством чего можно обеспечить улучшение технико-эксплуатационных характеристик нагревателя в целом, например, повышение рабочей температуры нагревателя за счет использования более термостойких материалов, расширение области применения за счет использования материалов, стойких к воздействию агрессивных сред.
В качестве нагревательного элемента из углеродного волокнистого материала используют, например, углеродные волокна, углеродные ленты и другие материалы на основе углеродных волокон. Такие материалы обладают высокими показателями термической стойкости и имеют максимальную температуру нагрева порядка 1200°C, что позволяет обеспечить высокую рабочую температуру электрического нагревателя и исключить возможность разрушения нагревательного элемента.
Токоподводящие элементы представляют собой проводники, посредством которых обеспечена передача электрического сигнала на нагревательный элемент.
Предпочтительно, термовыключатель представляет собой самовосстанавливающийся биметаллический термостат, который выполнен с возможностью размыкания электрической цепи при достижении требуемой температуры. Такое исполнение позволяет обеспечить высокую точность контроля температуры нагрева.
Целесообразно исполнение заявляемого электрического нагревателя, при котором он содержит по меньшей мере один чувствительный элемент. Установка указанного чувствительного элемента может производиться с целью контроля, например, температуры текучей среды, температуры стенки нагревателя, давления текучей среды. Таким образом, обеспечена возможность использования нагревателя в случаях, когда требуется тщательный контроль состояния нагреваемой текучей среды.
Также целесообразно выполнение чувствительного элемента в виде термопреобразователя сопротивления, установленного на нагревательном элементе. Благодаря такому исполнению обеспечена возможность дополнительного контроля температуры нагревательного элемента.
Предпочтительный вариант исполнения заявляемого устройства, при котором пропитанный связующим волокнистый материал представляет собой ткань на основе стекловолокна. Различают следующие виды тканей на основе стекловолокон: конструкционную ткань, электроизоляционную, ровинговую, кремнеземную и базальтовую ткани. Также предпочтительно исполнение, при котором пропитанный связующим волокнистый материал представляет собой кремнеземную ткань. Кремнеземные ткани обладают высокими показателями термостойкости и могут нагреваться до температуры примерно 1700°C без риска разрушения. Таким образом, за счет использования более термостойких материалов обеспечено повышение рабочей температуры нагревателя и улучшение технико-эксплуатационных характеристик нагревателя.
Корпус нагревателя может также изготавливается из волокнистых материалов на основе органических волокон, углеродных волокон, а также из тканей и лент на их основе. В процессе изготовления корпуса волокнистые материалы пропитывают связующим. При этом возможно использование комбинации нескольких типов волокнистых материалов с несколькими типами связующих, посредством чего можно обеспечить улучшение технико-эксплуатационных характеристик нагревателя в целом, например, повышение рабочей температуры нагревателя за счет использования более термостойких материалов, расширение области применения за счет использования материалов, стойких к воздействию агрессивных сред.
Предпочтительно исполнение полезной модели, при котором связующее представляет собой термореактивный полимер или огнеупорную смесь. Термореактивные полимеры огнеупорные смеси обладают высокой термостойкостью. Таким образом, обеспечена возможность длительной эффективной работы нагревателя при повышенных температурах.
Целесообразно исполнение полезной модели, при котором электроизоляционный полимер представляет собой кремнийорганический полимер. Также целесообразно исполнение, при котором электроизоляционный полимер представляет собой фторопласт. Указанные полимеры обладают высокими характеристиками термической стойкости, что позволяет обеспечить термическую защиту корпуса от перегрева в области установки нагревательного элемента.
Следует отметить, что все элементы электрической цепи, а также чувствительный элемент устанавливают в стенке корпуса нагревателя в процессе изготовления. Таким образом, после отверждения связующего указанные составляющие заполимеризованы в стенке корпуса, и для соединения с внешними источниками питания электрический нагреватель содержит дополнительные выводы.
Целесообразно исполнение, при котором корпус имеет форму тела вращения. Такое исполнение полезной модели обеспечивает возможность расширения области применения нагревателя, например, возможность его использования для нагревания текучей среды в трубопроводах. При этом возможна реализация полезной модели, при которой текучая среда нагревается как снаружи нагревателя, так и внутри, то есть корпус выполнен в виде трубы.
Корпус, имеющий форму тела вращения, может быть изготовлен, например, способом намотки, который позволяет получить конечное изделие с минимальным числом дополнительных технологических операций.
Полезная модель поясняется с помощью фигуры, на которой представлен общий вид электрического нагревателя, совмещенный с разрезом.
На указанной фигуре представлен общий вид электрического нагревателя, совмещенный с разрезом, содержащего корпус 1, в стенке которого установлен по меньшей мере один нагревательный элемент 2 из углеродного волокнистого материала, размещенный между слоями электроизоляционного полимера 3 с двумя токоподводящими элементами 4 (второй элемент на фигуре не обозначен), по меньшей мере один термовыключатель 5 и по меньшей мере один чувствительный элемент 6.
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом.
Электрический нагреватель помещают в объем текучей среды и подключают к источнику электрического питания. Под воздействием подаваемого напряжения нагревательный элемент 2 и термовыключатель 5, выполненный в виде самовосстанавливающегося биметаллического термостата, разогреваются. В течение всего промежутка времени нагрева посредством чувствительного элемента 6, выполненного в виде термопреобразователя сопротивления, производят измерение температуры нагревательного элемента 2 и/или текучей среды. При достижении заданной температуры (температуры срабатывания термовыключателя 5) электрическую цепь размыкают посредством термовыключателя 5. После этого прекращают разогрев нагревательного элемента 2. При охлаждении до заданной температуры (температуры срабатывания термовыключателя 5) электрическую цепь замыкают посредством термовыключателя 5 и продолжают разогрев нагревательного элемента 2.
Таким образом, заявляемый электрический нагреватель, за счет своего конструктивного исполнения обеспечивает возможность расширения области его применения, в частности, за счет повышения рабочей температуры, а также обеспечивает возможность осуществления контролируемого нагрева текучей среды.