Композитный нагреватель текучих сред
COMPOSITE FLUID HEATER

Изобретение относится к нагревательным устройствам, преобразующим электрическую энергию в тепловую, и может быть использовано в промышленных и хозяйственных системах для нагревания различных жидкостей, газов, аморфных веществ или дисперсных порошков, например в технологических процессах, отоплении, горячем водоснабжении объектов.
Практика конструирования и эксплуатации нагревательных устройств различных типов определила требования к нагревательным элементам, основные из которых следующие: высокая эффективность, надежность, низкая материалозатратность.
Среди различных типов нагревательных устройств наиболее распространенными являются устройства, в которых процесс передачи тепла от нагретого тела к холодному осуществляется через непосредственный контакт таких тел (метод контактной теплопроводности), поскольку в сравнении с нагревом излучением и другими видами теплопередачи он является наиболее эффективным (М.А. Михеев, И.М. Михеева. Основы теплопередачи. М., Энергия, 1977).
Известен трубчатый электронагреватель (см. патент РФ №2242096, МПК Н05В 3/48, опубликован 10.12.2004 г.), содержащий корпус в виде трубки с электроизоляционным наполнителем, токоввод для подачи питания и нагревательный элемент, выполненный в виде спирали, с возможностью образования разных зон выделяемой мощности от 2,0 до 25 Вт/см, при этом один конец спирали закреплен на токовводе, а второй на противоположном конце трубки прикреплен к ее заземленному корпусу.
Конструкция известного нагревателя обеспечивает безопасную работу в агрессивных средах, поскольку исключает возникновение искры. Однако нагреватель имеет ряд недостатков, основным из которых является низкий КПД теплопередачи.
Известны электронагреватели (см., например, патент РФ №2483493, МПК Н05В 3/30, опубликован 27.05.2013 г.), содержащий корпус и гибкий резистивный элемент на основе углеграфитовых материалов, расположенных между слоев электроизоляционных материалов, и укладываемый послойно с образованием объемной сотовой структуры со сквозными каналами различного размера, в которых гибкий резистивный элемент изготовлен в виде резистивного полотна с нанесенными на его поверхность клеевыми полосками, а сотовую структуру нагревательного элемента производят складыванием полотна в пакет, склеиванием слоев пакета таким образом, чтобы клеевые полоски располагались в шахматном порядке, и растяжением пакета с образованием ячеистой сотовой структуры, причем жесткость нагревательному элементу придают фиксацией пакета в растянутом состоянии, нанесением на поверхность пакета электроизоляционного покрытия, отверждением покрытия и последующим креплением нагревательного элемента в корпусе конвектора с применением клея либо механически.
Известные электронагреватели относятся к нагревателям конвекторного типа. Использование в них в качестве теплоносителя жидкостей невозможно. Кроме того, большое количество клеевых составов также снижает КПД теплопередачи.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, по мнению авторов, является электрический нагреватель (см. патент РФ №2297113, МПК Н05В 3/30, опубликован 10.04.2007 г.) в виде объемной сотовой конструкции с токовводами, в котором нагревательный элемент выполнен из волокнистого резистивного материала в виде ленты, а объемную саму сотовую конструкцию получают прессованием указанной ленты с токовводами в электроизоляции, помещенной в пресс-форму, переложенной закладными элементами и пропитанной связующим веществом, при этом каждый токоввод выполнен в виде двух металлических полос, наложенных друг на друга, соединенных между собой и с волокнистым резистивным материалом, расположенным между ними.
Данный электрический нагреватель может использоваться как для теплопередачи конвекцией, так и для теплопередачи с помощью теплоносителей-жидкостей.
Однако, как и в других аналогах, данный электрический нагреватель имеет недостаточный КПД теплопередачи, поскольку для электроизоляции его резистивных нагревательных элементов используется большое количество клеевых составов, имеющих низкую теплопроводность, а также закладные элементы.
Кроме того, конструкция электрического нагревателя не обеспечивает равномерного нагрева жидкости-теплоносителя, поскольку в различных точках нагревателя расстояние между теплоносителем и резистивными нагревательными элементами различно.
Техническими результатами заявляемого устройства являются повышение КПД теплопередачи от нагревательных элементов теплоносителю, обеспечение равномерности теплопередачи в различных местах контакта, пониженная температура нагревательных элементов и, как следствие, исключение зон парообразования в местах теплопередачи, а также простота конструкции.
Технические результаты достигаются за счет того, что в композитном нагревателе текучих сред, содержащем корпус с выполненными в нем входным и выходным каналами для теплоносителя, токопроводом, обеспечивающим электропитание, и размещенной внутри корпуса как минимум одной нагревательной панелью, нагревательная панель образована двумя фигурными теплопередающими пластинами синусообразного сечения, соединенными между собой с образованием фигурной полости с каналами, заполненной композитным теплопроводящим, диэлектрическим, герметизирующим материалом, при этом внутри каждого канала осесимметрично установлен электрический нагревательный элемент в виде стержня, соединенный с токопроводом.
Заявляемое техническое устройство поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показано поперечное сечение и внутреннее устройство нагревательных панелей;
- на фиг. 2 - вид со стороны входного и выходного каналов и вид со стороны токопровода;
- на фиг. 3 - внешний вид нагревателя, выполненного в виде пакета нагревательных панелей в корпусе.
На приведенных чертежах следующие позиции означают:
1 - Нагревательный элемент;
2 - Композитный теплопроводящий, диэлектрический, герметизирующий материал;
3 - Теплопередающая пластина;
4 - Канал транспортировки теплоносителя;
5 - Входной канал для теплоносителя;
6 - Выходной канал для теплоносителя;
7 - Токопровод;
8 - Корпус;
9 - Пакет нагревательных панелей.
Заявляемый композитный нагреватель работает следующим образом.
Через токопроводы 7 на нагревательные элементы 1 подается электрическое напряжение, в результате чего через него протекает электрический ток. Величина теплового потока с нагревательного элемента 1 рассчитывается в каждом конкретном случае для определенного вида теплоносителя. Через композитный теплопроводящий, диэлектрический, герметизирующий материал 2 тепло от нагревательного элемента 1 передается теплопередающим пластинам 3. Через каналы 4 транспортировки теплоносителя проходит непосредственно теплоноситель, поступивший в композитный нагреватель через входной канал 5. При этом теплоноситель, соприкасаясь с нагретой поверхностью теплопередающей пластины 3, нагревается и через выходной канал 6 поступает к внешним потребителям.
Так происходит работа одной нагревательной панели. Когда нагревательные панели собраны в пакет, теплоноситель, поступая в композитный нагреватель через входной канал 5 и далее перемещаясь по каналам 4, контактирует с наружными поверхностями всех нагревательных панелей и выходит из него через выходной канал 6 в нагретом виде.
Выполнение поверхностей теплопередающих пластин 3 каждой нагревательной панели синусообразными в сечении позволяет увеличить их площадь (через которую происходит теплопередача) и, одновременно, делает форму сечения каналов между пластинами 3 и каналов 4 близкой к круглой, обеспечивая таким образом равномерность теплопередачи от осесимметричного нагревательного элемента 1 через композитный теплопроводящий, диэлектрический, герметизирующий материал 2 теплопередающим пластинам 3 и далее от пластин 3 теплоносителю, а в совокупности с заполнением полостей между пластинами 3 композитным теплопроводящим, диэлектрическим, герметизирующим материалом 2 максимально повышает КПД теплопередачи, обеспечивает электробезопасность и позволяет снизить температуру нагревательных элементов 1 (за счет меньшей силы протекающего через них тока).
В качестве композитного теплопроводящего, диэлектрического, герметизирующего материала могут быть использованы различные полимеры с неорганическими наполнителями, цементные смеси со стабилизирующими добавками и т.п. Основными требованиями к данному материалу являются высокая теплопроводность и диэлектрические свойства. Также желательно, чтобы материал выдерживал температуры до 300°С и имел достаточную механическую прочность на сжатие. Величина зазоров между нагревательными пластинами (минимальное расстояние между вершинами синусоид верхней и нижней пластины) внутри образованной ими полости могут достигать до 5 мм.
Заявляемый композитный нагреватель работает при собственной температуре нагревательного элемента в диапазоне от 50°С до 350°С, что существенно снижает теплонапряжения на конструктивных деталях нагревателя (в сравнении, например, с ТЭНовыми нагревателями более чем в два раза).
Описанный выше композитный электронагреватель характеризуется простой конструкцией, энергосберегающими свойствами и ускоренным теплообменом. Он оптимизирован по энергопотреблению, теплопередаче и по реализации тепловых режимов, а кроме того, обеспечивает возможность проведения профилактических работ разборной чисткой поверхностей нагрева и возможность получения большой линейки мощностей на базе одного конструктива.