ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ГАЗОВЫХ И ЖИДКИХ СРЕД

Настоящая полезная модель относится к электронагревателям, предназначенным для подготовки и нагрева жидких и газообразных веществ, преимущественно, агрессивных, находящихся под давлением, в частности, топливного газа, и может быть использована на объектах газовой, нефтяной и химической промышленности.
Известно устройство для нагрева жидкостей, содержащее кольцевой проводник жидкостей, электрические средства нагрева и выключатель, который может иметь две отдельные позиции, между положением, когда нагревательные средства задействованы энергией, и положением, когда нагревательные элементы выключены. Устройство содержит также термически плавкие элементы, нагреваемые нагревательными элементами и которые могут расплавиться, по меньшей мере, частично, при превышении критической температуры, тем самым выключая подачу энергии на нагревательные элементы (см. Международная заявка PCT/FR 2006/002211 от 29.09.2006).
Данная конструкция электронагревателя выполнена с обеспечением безопасной работы при превышении допустимой температуры. Однако устройство не может быть применено для взрывоопасных сред из-за более высоких требований по защищенности объектов, в которых используются такие текучие среды.
Известна конструкция взрывозащищенных электронагревателей, предназначенных для нагрева твердых, жидких, газообразных веществ. Электронагреватель со встроенной электронной системой управления содержит нагревательный элемент, который может быть выполнен, например, в виде металлической оболочки с установленным в ней, по меньшей мере, одним нагревательным пакетом, имеющим размещенный внутри электроизоляционного материала нагревательный проводник с выводами, выведенными в соединительную коробку и электрически соединенными с регулятором мощности, являющимся элементом электронной системы управления. Электронная система управления состоит из регулятора мощности, электрически соединенного с ним регулятора температуры и датчика температуры, установленного внутри нагревательного элемента и электрически соединенного с регулятором температуры. Электронная система управления может дополнительно содержать датчик температуры нагреваемой среды, электрически соединенный с регулятором температуры и размещенный в защитной оболочке (см. патент на изобретение РФ №2444 863 от 02.02.2011).
Такое устройство повышает точность поддержания и регулирования температуры нагревательных элементов и нагреваемой среды, но в то же время является недостаточно надежным для использования в качестве электронагревателей на объектах нефтяной и химической промышленности при работе с взрывоопасными средами.
Наиболее близким из известных является устройство электронагревателя, предназначенного для нагрева, преимущественно, агрессивных, находящихся под высоким давлением газовых или жидких сред. Внешняя поверхность корпуса нагревателя снабжена теплоизоляционным материалом. Внутри корпуса концентрично с зазором к его стенкам размещен спиральный узел в виде двух спиралей, предназначенных для пропускания через них потока нагреваемой среды и соединенных параллельно друг с другом. Нагреватель содержит электронагревательные элементы, соосно размещенные в указанном узле из змеевиков. В качестве электронагревательных элементов могут быть использованы, например, традиционные U-образные или стержнеобразные термоэлектрические нагреватели (ТЭН).
Свободные концы спиралей змеевиков соединены с одной стороны спирального узла с коллектором ввода среды, а с другой стороны - с коллектором вывода среды. При этом свободные зазоры полости корпуса заполнены высокотеплопроводным материалом - алюминием, благодаря чему известный нагреватель обладает высокой тепловой инерцией, вследствие чего, будучи нагретым, он не подвержен небольшим изменениям температуры (см. патент на изобретение РФ №2611 429 от 06.11.2015).
В данном известном устройстве повышается безопасность эксплуатации за счет исключения прямого контакта нагреваемой среды с электронагревательными элементами при одновременном обеспечении достаточной эффективности и равномерности нагрева среды при различных расходах подачи.
В то же время известная конструкция обладает существенными недостатками.
Вследствие заполнения свободного пространства корпуса алюминиевым сплавом с уже установленными нагревательными ТЭНами, часто наступает их неработоспособность уже на этапе производства, в связи с чем изначально необходима установка резервных элементов. Кроме того, при выходе из строя нагревательных элементов, к тому же имеющих конечный срок службы, указанная конструкция является неремонтопригодной и нуждается в полной замене. Дополнительным недостатком является то, что имеются случаи расплавления заливки с разрушением устройства из-за превышения рабочей температуры нагревательного ТЭНа над температурой плавления алюминиевого сплава. Данные случаи имеют место из-за выхода из строя систем автоматики или неверных действий обслуживающего персонала.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности работы электронагревателя путем улучшения условий установки и работы электронагревательных элементов благодаря расположению каждого из них в отдельной капсуле, вне контакта с промежуточным теплоносителем - высокотеплопроводным материалом.
Еще одной задачей настоящей полезной модели является повышение степени ремонтопригодности электронагревателя путем обеспечения возможности демонтажа нагревательных элементов для их ремонта или замены из установленной в нагревателе капсулы.
Для достижения указанных и других целей в настоящей полезной модели предложен электрический нагреватель газовых и жидких сред, содержащий корпус с входным и выходным патрубками для нагреваемой среды, расположенные в корпусе спиральный теплообменник, спиральная труба которого одним концом соединена с указанным входным патрубком, а другим концом - с указанным выходным патрубком, и электрические нагревательные элементы, размещенные продольно внутри спирального теплообменника и связанные с источником электрического питания, а также регулировочную аппаратуру, причем внутреннее пространство корпуса заполнено алюминиевым сплавом с обеспечением его контакта со спиральной трубой теплообменника, при этом электрический нагреватель снабжен металлическими капсулами, выполненными в виде продольно расположенных в корпусе труб, концы которых закрыты со стороны внутреннего пространства корпуса и в каждой из которых размещен соответствующий нагревательный элемент, передающий тепло на указанную капсулу, причем пространство между капсулами заполнено контактирующим с ними алюминиевым сплавом, при этом на входе в указанный корпус капсулы проходят через соответствующие отверстия с закреплением во фланце корпуса, обеспечивая возможность монтажа и демонтажа нагревательных элементов после закрепления капсул в алюминиевом сплаве.
Дополнительно каждый из указанных нагревательных элементов включает в себя, по меньшей мере, два слюдопластовых цилиндра, между которыми расположена нихромовая проволока.
Сущность настоящей полезной модели будет более понятна при ознакомлении с последующим описанием предпочтительных вариантов выполнения заявленного устройства с учетом сопроводительных чертежей, на которых:
На фиг. 1 - представлен продольный вид электронагревателя согласно настоящей полезной модели с частичным сечением по корпусу электронагревателя.
На фиг. 2 - представлен вид с торца, справа на электронагреватель с вырезом по нагревателю согласно настоящей полезной модели.
На Фиг. 3 - представлено увеличенное поперечное сечение по отдельной капсуле с нагревательным элементом согласно настоящей полезной модели.
Электронагреватель для газовых и жидких сред согласно настоящей полезной модели содержит корпус 1 цилиндрической формы, имеющий входной 2 и выходной 3 патрубки для нагреваемой среды. С внешней стороны корпуса 1 обычно устанавливается теплозащитный кожух. Внутри корпуса 1 размещен спиральный теплообменник, имеющий выполненную в виде спирали трубу 4, установленную с зазором к стенкам корпуса 1 и служащую для пропускания через нее нагреваемой среды. Один конец трубы 4 соединен с входным патрубком 2, а другой конец - с выходным патрубком 3. Внутри спирального теплообменника продольно, практически по всей длине корпуса 1 расположен нагревательный узел, включающий в себя собранные в пучок (в связку) трубчатые капсулы 5, внутри каждой из которых установлен нагревательный элемент. Концы капсул 5 со стороны внутреннего пространства корпуса 1 закрыты. Нагревательный элемент, как правило, выполняется в виде широко известных термоэлектрических нагревателей (ТЭНов), и может представлять собой слюдопластовый нагревательный элемент цилиндрического типа, содержащий два или более слюдопластовых цилиндра 6, между которыми расположена нихромовая проволока 7 соответствующего сечения. Слюдопластовые цилиндры 6 выполняют роль изолятора. Капсулы 5 изготавливаются из нержавеющей или легированной стали толщиной порядка 2 мм, а диаметр капсул может составлять, например, 38 мм. Все внутреннее пространство корпуса 1, включая спиральную трубу 4 и нагревательный узел, заполняется расплавленным алюминиевым сплавом 8 путем литья методом свободного литья с подогревом формы. Заполнение корпуса 1 высокотеплопроводным алюминиевым сплавом осуществляется таким образом, чтобы был обеспечен его плотный контакт со спиральной трубой 4 и капсулами 5. Алюминиевый сплав 8 выполняет роль промежуточного теплоносителя. В торцевой части корпуса 1 закреплен фланец 9, в отверстиях которого закреплены капсулы 5, проходящие насквозь к нагревателю 10, который служит источником электрического питания для нагревательных элементов. Крепление капсул 5 к отверстиям фланца 9 может быть осуществлено сваркой. Элементы управления и регулирования работой электронагревателя имеют традиционную для данного типа устройств схему, которая может включать в себя датчик 11 температуры алюминиевого сплава 8 и не показанные на чертежах датчик и регулятор температуры нагревательного элемента, датчик температуры нагреваемой среды и т.п.
Работа электронагревателя газовых и жидких сред согласно настоящей полезной модели происходит следующим образом.
Из магистрального трубопровода системы, например, топливного газа, последний поступает во входной патрубок 2 и перемещается под давлением системы по спиральной трубе 4 теплообменника к выходному патрубку 3. В то же время нагреватель 10 подает электропитание на нагревательные элементы, расположенные в капсулах 5. При подаче напряжения на нихромовую проволоку 7 она разогревается и передает выделяемое тепло далее на капсулу. Тепло передается на алюминиевый сплав 8, который нагревает посредством теплопередачи проходящий в спиральной трубе 4 топливный газ до требуемой температуры по мере его прохождения к выходному патрубку 3. Система управления и регулирования работой электронагревателя отслеживает и регулирует измеряемые параметры задействованных элементов.
Электронагреватель согласно конструктивным особенностям настоящей полезной модели позволяет обеспечивать установку связки капсул 5 в корпусе 1 и их заливку алюминиевым сплавом 8 без размещенных в них нагревательных элементов, а открытый доступ со свободного торца капсул 5 дает возможность монтажа слюдопластовых цилиндров 6 и нихромовой проволоки 7 после фиксирования капсул 5 внутри корпуса 1 алюминиевым сплавом 8. Поэтому в настоящей конструкции практически исключается образование неработоспособности нагревательных элементов на этапе производства, что повышает надежность и срок службы всего электронагревателя. Кроме того, при выходе из строя какого-либо нагревательного элемента, имеется достаточно простая возможность его демонтировать и заменить исправным элементом. Дополнительно настоящая конструкция выполнения нагревательного узла уменьшает удельную тепловую мощность нагревательных элементов, что снижает вероятность расплава промежуточного теплоносителя и, как следствие, повышает безопасность эксплуатации устройства.
В данном описании раскрыты предпочтительные варианты выполнения устройства, но следует понимать, что, не отходя от сущности настоящей полезной модели, можно предложить и другие модификации, которые находятся в рамках заявленного в предложенной формуле полезной модели.