СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электрическим нагревателям из стекловолокнистых композитов на основе углеродных волокнистых материалов в качестве нагревательного элемента.
Нагреватель может использоваться в различных областях народного хозяйства для нагрева жидких и газовых сред.
В технике и в быту широко применяются различные электронагреватели, в которых в качестве нагревательного элемента служат металлические нихромовые (тугоплавкие) сплавы в виде проволоки, лент и пластин, так называемые ТЭН'ы.
Все упомянутые выше электронагреватели имеют один общий недостаток - большую удельную поверхностно-тепловую нагрузку, что приводит к быстрому выходу из строя нагревателя.
Этот недостаток снижает технико-экономические характеристики самих электронагревателей, что обуславливает ограниченные области их применения.
Из уровня техники известны следующие технические решения:
патент RU, №66138 U1, 14.02.2007 г., Н05В 3/48. Стеклопластиковый трубчатый электрический нагреватель, который содержит нагревательный элемент, выполненный путем намотки углеродной ленты, изготовленной из гидратцеллюлозной ткани, электрозащитные слои, по четыре с каждой стороны от нагревательного элемента из стеклянной ткани НПГ-210, пропитанной фенольной смолой СФЖ-309;
патент RU, №135476, 05.07.2013 г., Н05В 3/48. Стеклокомпозиционный трубчатый электрический нагреватель, содержащий корпус, состоящий из наружной и внутренней частей, выполненных из стекловолокнистого материала, пропитанного связующим, между частями расположен нагревательный элемент из углеродной тканой ленты, каждый конец которой соединен с токоподводом с помощью металлической фольги.
Наиболее близким техническим решением (прототип, RU патент №190077 U1, 02.11.2018, Н05В 3/48) является электрический нагреватель для нагрева жидких и газовых сред мощностью от 1 до 50 кВт и выше на основе углеродных волокнистых материалов, который имеет корпус с осью вращения, выполненный из стеклокомпозита на основе жидкого связующего, с диаметром 20÷250 мм, длиной, не превышающей 3100 мм, толщиной стенки 1,5÷14 мм, внутри которой размещен нагревательный элемент из углеродного волокнистого материала в виде лент либо тканей, предварительно разрезанных на ленты, из гидратцеллюлозных либо полиакрилонитрильных волокон, при этом каждый конец углеродного волокнистого материала в виде ленты сопряжен с металлической фольгой посредством металлических хомута либо наконечника для соединения с электрическим проводом.
Во всех выше приведенных технических решениях нагреватели имеют ось вращения, т.е. представляют собой трубчатый элемент, изготавливаемый методом намотки. В качестве нагревательного элемента используются углеродные волокнистые материалы (УВМ) в виде тканой ленты либо ткани, из которых нарезаются ленты. Ленты изготавливаются из гидратцеллюлозных (ГЦ) либо полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. При этом углеродные ленты из ГЦ волокон имеют конечную температуру термообработки (ТТО) не менее 1800÷2400°С.
Наиболее дорогим компонентом в указанных выше нагревателях для изготовления нагревательного элемента является УВМ в виде лент из углеродных волокон. В 20-м веке наиболее дешевым был УВМ из ГЦ волокон с конечной ТТО до 2400°С, выпускаемый Светлогорским ПО «Химволокно» (Гомельская обл., Беларусь), по сравнению с УВМ из ПАН волокон. Однако в последнее время в России был запущен завод ООО «Алабуга-волокно» (г. Алабуга, Татарстан) по производству углеродного волокна из полиакрилонитрильного прекурсора (ПАНП) для технических целей (судостроения, ветроэнергетики, автомобилестроения и др.). Термин «прекурсор» обозначает сополилимер ПАН волокна. Так как химическая формула является закрытой разработчиком, поэтому последним был принят термин «прекурсор». Заявитель прилагает пример термина «прекурсора» в технической документации (паспорте) на выпускные углеродные волокна из ПАНП ООО «Алабуга-волокно» (см. приложение).
Цена углеродного волокна из ПАНП дешевле углеродных волокон из ГЦ и ПАН российских и зарубежных производителей.
К недостаткам выше приведенных технических решений является трудность использования этих решений при изготовлении нагревателей, т.к. отсутствует практически во всех решениях характеристика УВМ, используемого для нагревательного элемента нагревателей. Это не позволяет проектировщикам и заказчикам использовать данные решения без дополнительных исследований.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности работы нагревателя за счет использования в качестве нагревательного элемента нагревателя в виде тканой углеродной однонаправленной ленты из углеродных волокон из полиакрилонитрильного прекурсора в виде нитей с более лучшими техническими характеристиками. В аналогах и прототипе в качестве нагревательного элемента не используются тканые углеродные однонаправленные ленты, используются только тканые углеродные ленты с равномерным содержанием углеродных нитей по основе и утку, либо вырезаются углеродные ленты из углеродных тканей полотняного переплетения с равномерным содержанием нитей по основе и утку. Нагреватель имеет конкретные характеристики нагревательного элемента и нагревателя в целом. Это позволяет расширить области применения заявленного нагревателя.
Указанный технический результат достигается тем, что использование в качестве нагревательного элемента нагревателя в виде тканой углеродной однонаправленной ленты позволяет снизить ворс тканой углеродной однонаправленной ленты. Таким образом, получают разряженную, т.е. так называемую малоуточную однонаправленную ленту. Это достигается тем, что при ткачестве однонаправленных лент, последние имеют значительное снижение уточных нитей по сравнению с неоднонаправленными лентами. Уменьшение уточных нитей положительно влияет на качество ленты и вследствие этого повышает надежность работы нагревателя в целом. Это объясняется тем, что уменьшается ворс ленты. Отрицательное воздействие уточной нити объясняется за счет перегиба основных однонаправленных нитей с уточной нитью и за счет уменьшения трения нитей при прохождении нитей через гарнитуры ткацкого станка. За счет трения нитей также увеличивается ворс ленты в целом. Ворс образуется при обрыве элементарных волокон диаметром 7 мкм, из которых состоит углеродная нить (комплексная нить). Ворс отрицательно влияет на электрические показатели (электрическое сопротивление). Это отрицательно влияет на надежность работы нагревателя.
Указанный технический результат достигается также тем, что нагреватель мощностью до 56 кВт, который определяется количеством нагревательного элемента в виде тканой углеродной однонаправленной ленты. Нагреватель предназначен для нагрева жидких и газовых сред с температурой до 250°С и изготавливается методом намотки виде трубчатого элемента диаметром не более 260 мм, толщиной стенки 1,4÷5 мм и длиной до 3150 мм. При этом каждый конец тканой ленты нагревательного элемента сопряжен путем совместного перегиба ленты с пластиной из металлической ленты с подводящим электрическим проводом посредством металлического хомута. При этом корпус нагревателя изготовлен из стеклопластика с использованием в качестве связующего жидкой фенолоформальдегидной смолы, а в качестве армирующих материалов используют стеклянные волокнистые материалы.
Диаметр нагревателя не более 260 мм и длина до 3150 мм объясняется количеством размещения нагревательного элемента мощностью 56 кВт в виде тканой углеродной однонаправленной ленты.
Заявленный стеклопластиковый нагреватель позволяет проводить нагрев жидких и газовых сред до температуры 250°С. Питающее напряжение стеклопластикового нагревателя возможно напряжение 220 В и 380 В, как переменного, так и постоянного тока. Стеклопластиковый нагреватель позволяет проводить нагрев различных нефтепродуктов (битум, гудрон, мазут, масла и др.), а также различных сред, являющихся диэлектриками.
Ниже приведено схематическое изображение стеклопластикового нагревателя (фиг.).
Нагреватель состоит из нагревательного элемента (1) в виде тканой углеродной однонаправленной ленты из углеродных волокон в виде нитей из полиакрилонитрильного прекурсора и защитного корпуса в виде внутреннего (2) и наружного (3) слоев из стеклопластика. Концы нагревательного элемента (1) сопряжены с пластиной (4) из металлической ленты и через металлические хомуты (5) для соединения с питающим электрическим проводом (6). При необходимости возможно усиление концов трубчатых нагревателей за счет изготовления небольших фланцевых буртов (на фиг. не показано).
Ниже приведены примеры изготовления заявленного стеклопластикового нагревателя с применением тканых углеродных однонаправленных лент из углеродных волокон в виде нитей с различной линейной плотностью из полиакрилонитрильного прекурсора. Углеродные нити производятся в ООО «Алабуга-волокно» (г. Алабуга, Татарстан). Тканые углеродные однонаправленные ленты выпускает АО «Препрег - СКМ» (г. Дубна, Моск. обл.) на основе углеродных нитей, выпускаемых ООО «Алабуга-волокно». Углеродные тканые ленты выпускаются согласно ТУ 23.99.14-109-6166-4530-2018. ООО «Алабуга-волокно» и АО «Препрег - СКМ» входят в Госкорпарацию «Росатом».
Пример №1.
3
На подготовленный дорн диаметром 100 мм и длиной 1000 мм проводят намотку 3-х слоев стеклоткани Э1-100 (ГОСТ 19907-2015) пропитанной в жидкой фенолоформальдегидной смоле марки СФЖ-309 (ГОСТ 20907-2016). Этим формируется защитный внутренний (2) слой нагревателя. Далее проводят укладку (намотку) нагревательного элемента, который изготавливается из тканой углеродной однонаправленной ленты длиной 4550 мм. Лента (1) изготавливается из углеродных волокон из полиакрилонитрильного прекурсора в виде нитей 12К (линейной плотностью 746 текс), ширина ленты составляет 75 мм. Концы тканой ленты (1) укладывают в пластины (4) из металлической ленты и затем перегибают поперек ленты совместно с лентой (1). Далее, готовый нагревательный элемент (1) укладывается (наматывается) на защитный внутренний (2) слой нагревателя и концы ленты скрепляют металлическими хомутами (5) для соединения с питающим электрическим проводом (6). Затем, проводят намотку защитного наружного (3) слоя нагревателя из 3-х слоев, используя стеклянную ткань и смолу, что и при намотке защитного внутреннего (2) слоя нагревателя. Следующей операцией проводят намотку викилевочной полипропиленовой ткани. При завершении викилевки дорн с намотанным нагревателем помещают в камеру отверждения, в которой при температуре 160±5°С в течение 50 мин проводят отверждение смолы. По окончании процесса отверждения смолы дорн вынимают из камеры отверждения, снимают нагреватель с дорна, снимают викилевочную ткань, проводят зачистку защитного наружного (3) слоя и готовый нагреватель готов к отгрузке потребителю. В этом исполнении стеклопластиковый нагреватель имеет мощность 4 кВт при питающем напряжении 220В, диаметр 100 мм, длину 1000 мм и толщину стенки 1,4 мм. Нагреватель может найти применение для нагрева нефтепродуктов в небольших (1÷3 м) емкостях.
Пример №2.
3
На подготовленный дорн диаметром 150 мм и длиной 2500 мм проводят намотку 6-и слоев стеклянной ткани марки Э3/2-200 Π (100) по ТУ 5952-002-99544202-2011, пропитанной жидкой фенолоформальдегидной смолой СФЖ-309. Таким образом, образуется защитный внутренний (2) слой нагревателя. Затем проводят намотку (укладку) нагревательного элемента (1). Нагревательный элемент (1) изготавливается из тканой углеродной однонаправленной ленты длиной 4550 мм и шириной 150 мм. Лента изготавливается из углеродных волокон из полиакрилонитрильных волокон из полиакрилонитрильного прекурсора в виде нитей 24К (линейная плотность 1540 текс). После укладки концов тканой ленты (1) в пластине (4) из металлической ленты и скрепления металлическими хомутами (5) для соединения с питающим электрическим проводом (6) проводят намотку защитного наружного (3) слоя. Защитный наружный (3) слой выполняют из 6-и слоев той же стеклоткани и смолы аналогично намотке защитного внутреннего (2) слоя нагревателя. Проведение процессов викилевки, отверждения и зачистки нагревателя аналогично примеру №1. Готовый нагреватель имеет мощность 8 кВт при питающем напряжении 220В, диаметр 150 мм, длину 2500 мм и толщину стенки 3 мм. Нагреватель может найти применение для нагрева нефтепродуктов в емкостях объемом до 200÷300 м.
Пример №3.
На подготовленный дорн диаметром 260 мм и длиной 3150 мм проводят намотку защитного внутреннего (2) слоя, состоящего из 10-и слоев стеклянной ткани Э3/2-200 Π (100), пропитанной в смоле СФЖ-309. Затем проводят намотку (укладку) нагревательного элемента (1). Нагревательный элемент (1) состоит из 2-х слоев тканой углеродной однонаправленной ленты (1) длиной 7860 мм и шириной 300 мм каждой из 2-х слоев из однонаправленных углеродных волокон в виде нитей 24К (линейной плотностью 1540 текс) из полиакрилонитрильного прекурсора. При этом каждый слой ленты из 2-х слоев сложен в два раза. Затем концы тканой ленты (1), сложенные в 4-и слоя, укладывают в пластину (4) из металлической ленты и затем перегибают поперек совместно с лентой (1). Затем готовый нагревательный элемент (1) наматывают (укладывают) на защитный внутренний (2) слой нагревателя и концы ленты (1) скрепляют металлическими хомутами (5) для соединения с питающим электрическим проводом (6). Затем проводят намотку защитного наружного (3) слоя нагревателя из 10-и слоев той же стеклоткани и пропитанной в той же смоле, что при намотке защитного внутреннего (2) слоя нагревателя. После завершения процесса намотки защитного наружного (3) слоя нагревателя проводят намотку викилевочной полипропиленовой ткани. По завершению намотки викилевочной ткани дорн вместе с намотанным нагревателем помещают в камеру отверждения, в которой при температуре 160±5°С в течение 70 мин проводят отверждение смолы. По окончании процесса отверждения смолы дорн вынимают из камеры отверждения и снимают нагреватель с дорна. Далее с нагревателя снимают викилевочную ткань, проводят зачистку его наружной поверхности и готовый нагреватель готов к отгрузке потребителю. В этом исполнении нагреватель имеет мощность 56 кВт при питающем напряжении 380В, диаметром 260 мм, толщину стенки 5 мм и длину 3150 мм.
3
Нагреватель может найти применение для нагрева нефтепродуктов (битум, мазут, масла и др.) в больших емкостях до 3000 м.
Для изготовления заявленного стеклопластикового нагревателя возможно использование для изготовления нагревательного элемента тканых углеродных однонаправленных лент с применением углеродных волокон из полиакрилонитрильного прекурсора в виде нитей с другими значениями линейной плотности, кроме указанных в примерах, согласно в приведенных выше ТУ на тканые углеродные однонаправленные ленты.
Возможно также для изготовления нагревательного элемента заявленного нагревателя использование различных углеродных лент из ПАН либо ГЦ волокон как отечественных, так и зарубежных производителей.