ФИГУРНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ
SHAPED HEATING CABLE

Область техники.
Предлагаемое устройство относится к области электротехнических устройств, в частности к нагревательным кабелям (НК) и может использоваться для обогрева газообразных, жидких сред и твердых поверхностей (по тексту «нагреваемые объекты») [H05B 3/10, H05B 3/56, H01B 7/42].
Из основного уравнения теплопередачи известно, что количество переданной теплоты (интенсивность теплопередачи) прямо пропорционально площади поверхности теплообмена. В зависимости от условий взаимного расположения нагревательного кабеля и нагреваемого объекта (или кабеля в нагреваемой среде) основными для теплообмена будут процессы теплопроводности и конвекции.
Площадь поверхности теплопередачи можно увеличить за счет увеличения диаметра кабеля, однако увеличение толщины оболочки ведет к увеличению её теплового сопротивления и уменьшению отвода тепла от кабеля, что не только негативно влияет на эффективность теплопередачи к нагреваемому объекту (нагреваемой среде), но и способствует снижению долговечности кабеля, особенно в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов, в которых, как правило, и происходит перегорание кабеля.
Поэтому задача разработки нагревательного кабеля с повышенной эффективностью теплоотвода от резистивной жилы и теплопередачи между кабелем и нагреваемым объектом (нагреваемой средой), а также долговечностью кабеля в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов, является актуальной.
Уровень техники.
Известны технические решения, направленные на повышение теплоотдачи с поверхности нагревательных проводов, в том числе в устройствах для обогрева объектов в экстремальных условиях Севера. В частности, известны технические решения, направленные на увеличение теплосъема с поверхности нагревательного кабеля, фигурного (некруглого) профиля. В аналоге, согласно патента RU 2402182 Материал и нагревательный кабель от 20.10.2010г. (владелец патента ХИТ ТРЕЙС ЛИМИТЕД, GB) для обогрева поверхности применен саморегулирующийся кабель овального сечения, контакт которого с нагреваемой поверхностью происходит по менышей стороне его профиля, что ограничивает поверхность теплопередачи и, соответственно, мощность нагрева в виду перегрева кабеля.
В предлагаемом изобретении площадь поверхность кабеля увеличивается за счет придания фигурной формы его внешней оболочке, в поперечном сечении имеющей вид радиатора с радиальными ребрами. При этом в качестве внешней оболочки предлагается использовать эластичную полимерную электроизоляционную оболочку, а резистивную жилу выполнять из множества скрученных токопроводящих резистивных элементов. Такая форма и свойства кабеля дополнительно способствует демпфированию поперечных нагрузок в местах перегиба провода при монтаже и эксплуатации.
В аналоге, согласно авторского свидетельства СССР (Электронагревательный кабель SU 830666 A1 от 15.05.1981), для восприятия поперечных нагрузок специально применяется сложное дополнительное устройство провода и его крепления. В предлагаемом же новом техническом решении поперечные нагрузки, в том числе динамические, снижающие долговечность нагревательного кабеля, поглощаются за счет упругости ребер внешнего слоя кабеля.
Как указано в другом аналоге, согласно заявке на Способ прокладки греющего кабеля для обогрева грузонесущей панели (RU 2017 114 839 A от 26.10.2018 Бюл. №30), при применении саморегулирующегося кабеля с плоским профилем, «с целью оптимизации передачи тепла от греющего кабеля …он прокладывается между вертикально ориентированными внешними сторонами пар уголков…, при этом фиксация греющего кабеля в указанном положении осуществляется с помощью утверждающегося полимера…». То есть, как следует из приведенного источника, монтаж нагревательного кабеля требует применения дополнительных устройств, что усложняет сборку и уменьшает теплопередачу непосредственно к нагреваемой поверхности. Кроме того, теплопередача к нагреваемому объекту (плите) ограничивается теплопроводностью утверждающегося полимера, а также сопротивлением теплопередачи при контакте уголков с плитой.
Недостатком в части отбора тепловой мощности от нагревательного кабеля обладают и резистивные кабели круглого сечения, представляющие провод с большим сопротивлением (резистор) в электрозащитных оболочках. Так аналогичный нагревательный кабель, согласно патента RU 2342807 (опубликован 27.12.2008) состоит из центрального резистивного провода, окруженного несколькими защитными оболочками, каждая из которых имеет собственное тепловое сопротивление, а в целом они ограничивают теплопередачу от резистивного провода в окружающую среду. В этом случае свободное размещение кабеля в пазе нагревательной плиты ограничивает передачу теплового потока через зазор. Так, как даже при высоте неровностей паза порядка 6 мкм (чистовая обработка) зазор вызывает сопротивление, эквивалентное сопротивлению стальной плиты толщиной 30мм.
За прототип предлагаемого устройства принят «Длинномерный гибкий электронагреватель и способ его изготовления», согласно патента RU 2072117 (Заявка: 95 95108282, 01.06.1995). В нём центральный резистивный элемент для повышения прочности и увеличения теплопередачи окружен первой оболочкой из синтетических нитей и второй оболочкой из термопластичного полимера.
Недостатком прототипа является снижение эффективности теплоотвода от резистивной жилы и теплопередачи между кабелем и нагреваемой средой из-за воздушных включений в нитях первой оболочки, создающих дополнительную теплоизоляцию резистивного элемента, а также из-за относительно малой площади поверхности теплообмена, при нагреве поверхностей обусловленной, в том числе, недостаточной эластичностью материалов, целесообразных к использованию для внешней оболочки, что уменьшает пятно соприкосновения кабеля и нагреваемого объекта. Эти факторы способствуют снижению долговечности кабеля в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов и способности к демпфированию поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации.
Раскрытие сущности изобретения.
Задачей изобретения является разработка нагревательного кабеля с повышенной эффективностью теплоотвода от резистивной жилы и теплопередачи между кабелем и нагреваемым объектом (нагреваемой средой), а также долговечностью кабеля в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов и способностью к демпфированию поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации.
Задача решается в фигурном нагревательном кабеле, состоящем из резистивной жилы, выполненной из множества токопроводящих резистивных элементов, покрытой эластичной полимерной электроизоляционной оболочкой, отличающегося тем, что с целью увеличения теплоотвода с поверхности кабеля за счет теплового рассеяния и теплопередачи в нагреваемую среду, а также демпфирования поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации, кабель в поперечном сечении имеет фигурную форму в виде радиатора с радиальными ребрами.
В частности, высота ребер в поперечном сечении составляет 0,3-0,5 от его описанного диаметра, что обеспечивает увеличение теплоотводящей поверхности не менее 3раз в сравнении с кабелем без ребер, т.е. исходного диаметра.
В частности, с целью демпфирования поперечных нагрузок и для обеспечения стойкости при экстремальных температурах, эластичная полимерная электроизоляционная оболочка кабеля выполнена из силиконовой резины с твердостью 60-80 ед. Шор А, (Гост 263-75), прочностью при растяжении 7-11Мпа (Гост 270-75), пластичностью 0,45-7,0 усл. еден. (ГОСТ 415-75) и теплостойкостью от -65 до +250°С.
В частности, множество скрученных токопроводящих резистивных элементов выполнены из углеродных нитей.
В частности, множество скрученных токопроводящих резистивных элементов выполнены из стальной проволоки.
Краткое описание чертежей.
Техническое решение поясняется фигурой 1.
На фиг.1 представлен поперечный разрез фигурного нагревательного кабеля.
На фигуре обозначено: 1 - резистивная жила, 2 - резистивный элемент, 3 - электроизоляционная оболочка, 4 - ребра, d - исходный диаметр нагревательного кабеля, D - описанный диаметр нагревательного кабеля.
Осуществление изобретения.
Фигурный нагревательный кабель содержит резистивную жилу 1, состоящую из множества резистивных элементов 2 и покрытую электроизоляционной оболочкой 3 с ребрами 4, которые выступают над исходным диаметром нагревательного кабеля d, образуя вершинами описанный диаметр нагревательного кабеля D.
Устройство используется следующим образом.
При прохождении электрического тока по резистивным элементам 2 резистивной жилы 1 выделяется тепловая энергия, которая проходя через эластичную полимерную электроизоляционную оболочку 3 нагревает её и с увеличенной за счет ребер 4, выступающих над исходным диаметром нагревательного кабеля d, площади внешней поверхности нагревательного кабеля передается нагреваемой среде (нагреваемому объекту). При этом за счет ребер 4 значительно возрастает площадь поверхности теплопередачи нагреваемой среде в сравнении с аналогами с диаметром, равным описанному диаметру D фигурного нагревательного кабеля, предлагаемого в изобретении.
Совокупный эффект от конструкции резистивной жилы 1, состоящей из множества резистивных элементов 2, выполненных, например, из стальной проволоки или углеродных нитей и обеспечивающих одновременно гибкость и прочность, наличия электроизоляционной оболочки 3, выполненной из эластичного полимера, например из силиконовой резины с твердостью 60-80 ед. Шор А, (Гост 263-75), прочностью при растяжении 7-11Мпа (Гост 270-75), пластичностью 0,45-7,0 усл. еден. (ГОСТ 415-75) и теплостойкостью от -65 до +250°С, наличие ребер 4 высотой в поперечном сечении составляющей, например, 0,3-0,5 от описанного диаметра D (что обеспечивает увеличение теплоотводящей поверхности не менее чем в 3 раза в сравнении с НК исходного диаметра без ребер), позволяют использовать однослойную оболочку, что упрощает конструкцию НК, повышает её общую гибкость, снижает тепловое сопротивление и повышает эффективность теплоотвода от резистивной жилы 1 за счет исключения множества границ раздела слоев и возможного присутствия там воздушных включений, повышает эластичность оболочки за счет повышенной возможности к деформации ребер 4, имеющих связь только с основанием, образованным исходным диаметром d.
Повышение эффективности теплоотвода от резистивной жилы 1 и теплопередачи между НК и нагреваемым объектом (нагреваемой средой), а также общей гибкости НК, повышает его долговечность в условиях функционирования, в том числе и при наличии множественных изгибов, а наличие ребер 4, как эластичных продольных силовых элементов с высокой способностью компенсации поперечной нагрузки, повышает способность к демпфированию поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации НК.
=0.116 кал/м⋅час⋅град
=2,21
3
Пример 1. Обогрев покрытия крыш. Обогрев покрытия крыш устанавливается с целью периодического ликвидации снежного покрова. НК устанавливается на скате крыши петлями с перегибами на роликах. В виду высокой гибкости фигурного кабеля и простоты его закрепления на направляющих фарфоровых роликах в местах перегибов существенно упрощается его монтаж. Особенностью обогрева крыш является низкая теплопроводность снега - в 20 раз ниже, чем у льда (при -20°С у снега коэффициент теплопроводности составляет λ, в сравнении λ у льда). Это делает неэффективными системы подогрева за счет теплопередачи. Но рыхлая структура снежного покрова позволяет предавать через него температуру конвекцией. С этой целью применяется предлагаемый НК профильного сечения с развитой поверхностью, обеспечивающий тепловыделение в виде конвекции. Другая особенность обогрева крыш состоит в повышенной прочности НК, способного выдерживать как давление снежного покрова, так и усилия при скатывании снега с крыши. Этим требованиям удовлетворяет предлагаемый НК. Давление снежного покрова воспринимается его эластичными ребрами, а силовую нагрузку кабель способен воспринимать благодаря высокой прочности: прочность кабеля на основе резистивного элемента из углеродной нити линейной плотностью 1600Текс (24К, сопротивление 18 Ом/м) составляет не менее 200 кг, в то время как плотность снега при -20°С составляет существенно меньшую величину - порядка 200 кг/м. Также ребристая структура кабеля обеспечивает демпфирование поперечных нагрузок, в рассматриваемом случае от снежного покрова, а также от цементной стяжки при обогреве полов.
Пример 2. Обогрев крыш конвекцией. При этом виде обогрева НК размещается в каналах карниза, предусмотренных строительными нормами для вентиляции кровли, как показано на Фиг.3. Естественный воздух чрез карнизные щели поступает в пространство под крышей и выходит через конёк. Для обогрева кровли НК свободно размещается в карнизе. При включенном питании НК происходит непрерывный обогрев воздушного потока, что препятствует образованию снежного покрова на крыше. Таким образом, развитая поверхность фигурного НК способствует обогреву воздушного потока и эффективности обогрева крыши.
Пример 3. Обогрев полов в помещении для цыплят. НК устанавливается под деревянным полом (фанера) с перегибами на фарфоровых роликах.
Пример 4. Теплый пол, обогрев ступеней. НК кабель устанавливается на полу (на ступенях) петлями и заливается цементной стяжкой.
В предлагаемом изобретении недостатки прототипа в части ограниченного теплоотвода от резистивной жилы, устраняются применением технического решения в виде фигурного поперечного профиля кабеля с развитой поверхностью за счет выполнения в форме радиатора с продольными ребрами, что обеспечивает повышение теплоотвода от резистивной жилы и НК в окружающую среду за счет теплопередачи и конвекции.
d
d
d
D
4
Несмотря на увеличение внешнего диаметра (описанный диаметр D) в предлагаемом техническом решении с фигурной поверхностью, кабель сохраняет высокую гибкость. Так, жесткость провода круглого сечения диаметром  при изгибе увеличивается пропорционально . То есть увеличение диаметра провода (за счет увеличения толщины оболочки), например, в два раза приведет к увеличению его жесткости практически в 10 раз, что существенно осложнит его монтаж. В случае ребристой поверхности кабеля увеличение диаметра с  до описанного диаметра  за счет ребер незначительно увеличивает жесткость провода, так как ребра не связаны между сбой в процессе деформации.
Повышение теплопередачи обеспечивается за счёт развитой поверхности кабеля, имеющей в поперечном сечении форму радиатора с радиальными ребрами. То есть в предлагаемом устройстве увеличение поверхности кабеля от исходного диаметра и, соответственно, увеличение теплопередачи, осуществляется за счет дополнительной фигурной формы поверхности кабеля, технически выполненной в виде радиатора с радиальными ребрами, увеличивающими, как все радиаторы, поверхность излучения и теплопередачи с поверхности кабеля. Фигурная форма кабеля, в виде радиатора с радиальными ребрами эластичной полимерной электроизоляционной оболочки, например из силиконовой резины, обеспечивают кабелю дополнительные положительные свойства при монтаже и эксплуатации: устойчивое положение кабеля без применения дополнительных крепежных изделий при размещении в каналах обогреваемых пластин за счет эластичности ребер; повышенная устойчивость фигурного кабеля к воздействию поперечных силовых нагрузок, возникающих, в частности, при ходьбе по нему или при воздействии цементной стяжки, либо снеговой нагрузки - в виду демпфирующего свойства эластичных ребер; демпфирующие свойства радиальных ребер повышают долговечность в условиях работы при множестве изгибов или перегибах кабеля при укладке в пазах или на роликах.
Таким образом, в результате решения задачи изобретения разработан нагревательный кабель, состоящий из резистивной жилы, выполненной из множества токопроводящих резистивных элементов, покрытой эластичной полимерной электроизоляционной оболочкой, в поперечном сечении имеющий фигурную форму в виде радиатора с радиальными ребрами, который обладает повышенной эффективностью теплоотвода от резистивной жилы и теплопередачи между кабелем и нагреваемым объектом (нагреваемой средой), а также долговечностью в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов и способностью к демпфированию поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации, что в полной мере подтвердилось в процессе опытной эксплуатации такого нагревательного кабеля.