УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ГАЗОВОГО ПОТОКА
GAS FLOW HEATER

Изобретение относится к электротехнике, а именно электронагревательным устройствам. Может быть использовано в медицинском оборудовании для подогрева газового потока в наркозных аппаратах, ингаляционных устройствах. В респираторах спецснаряжения для нагрева дыхательного газа, в глубоководном водолазном снаряжении.
Известным является резистивный подогреватель потока газа (авторское свидетельство СССР №263771, кл. Н05В 3/30, опубликованный 1968), содержащий корпус с установленным внутри него нагревателем, выполненным в виде набора поперечных слоев из токопроводящей ленты, намотанной в форме спиралей Архимеда, витки которой разделены изоляторами и установлены в полом стрежне-токопроводе, снабженном изоляторами, разделяющими слои между собой, и теплозащитные экраны, установленные между корпусом и нагревателем.
Известен принятый за прототип резистивный подогреватель потока газа (авторское свидетельство СССР №754707, кл. Н05В 3/20, опубликован 07.08.80). Подогреватель газа состоит из корпуса, в котором расположены теплозащитные экраны и токовводы. В корпусе закреплен нагреватель с помощью изоляторов, фланца и цилиндра. Нагреватель содержит нагревательные элементы, выполненные из лент в виде спиралей Архимеда, концы которых попарно закреплены по всей ширине ленты на токоведущем стержне и концентрично расположенных обечайках. На стержне имеются изоляторы в виде втулок, которые являются опорами для нагревательных элементов и разделяют слои нагревателей через ряд.
Однако в известном устройстве ленточного нагревателя с постоянным сечением лент спирали неэффективно используется вся рабочая поверхность нагревателя, так как удельная мощность выделяется равномерно по всем лентам спирали, имеющим равное поперечное сечение и электрическое сопротивление, что приводит к увеличению температуры лент по мере нагрева проходящего газа и обуславливает необходимость увеличивать ширину всех лент для того, чтобы снизить максимальную температуру ленты до предельного значения, и, как следствие, увеличение габаритов и веса всего нагревателя. Отсутствует защита от перегорания спиралей. Конструкция нагревателя не имеет достаточной жесткости крепления в системе набора спиралей.
Технической задачей предлагаемого изобретения являются улучшение эксплуатационных качеств нагревателя за счет повышения эффективности нагрева газа, снижения габаритов и веса устройства, снижение риска пожара, перегорания спирали и увеличение жесткости пространственного каркаса в системе набора спирали для работы в нестационарных условиях.
Поставленная задача решается следующим образом.
Устройство для нагрева газового потока, содержащее корпус с установленным внутри него ленточным электрическим нагревательным элементом, представляющим собой спираль из нескольких секций нагревательных лент, навитых в форме спиралей Архимеда, витки которой разделены изоляторами, ширину ленты каждой последующей секции спирали определяют соотношением по формуле 12, при этом ленты навиты на жесткую пространственную конструкцию, выполненную из осевой трубки, на концах которой перпендикулярно ее оси закреплены спицы, а между ними в продольном направлении уложены глиноземные трубки, скрепляемые проходящими через отверстия в них стрежнями со спицами, ленты электрического нагревателя проходят между глиноземными трубками.
Для определения соотношения ширины двух рядом расположенных лент находят предельное значение температуры на выходной, например, третьей ленте:
3
где θ - температура на третьей ленте в точке выхода из нее газа [град];
вх
θ - температура газа на входе [град.];
Р - мощность для нагрева газа на выходе [Вт];
Cр - удельная весовая теплоемкость газа [Дж/кг·град.];
3
V - объемный расход газа [м/сек];
3
γ - удельная плотность газа [кг/м]
I - сила тока [А];
ρ - удельное электрическое сопротивление материала ленты [Ом*м];
L - длина ленты, задаваемая при конструировании [м];
3
H - ширина третьей ленты [м];
δ - толщина ленты [м];
3
2
α - коэффициент теплоотдачи третьей ленты [Вт/м·град.].
Определяют ширину третьей ленты по формуле:
вых
где θ - температура газа на выходе [град.].
Исходя из величины требуемого нагрева газа на входе газа определяют мощность, необходимую для нагрева газа:
Затем, задавая напряжение питания, находим силу тока, проходящего через нагреватель:
где I - сила тока, проходящего через нагреватель [А];
U - напряжение на нагревателе [В].
Исходя из условий требуемой температуры газа на выходе устройства и температуры ленты третьей секции определяют ширину третьей ленты. Ширина третьей ленты определяется по формуле:
Температура на поверхности второй ленты в точке выхода из нее газа:
2
где θ - температура на второй ленте в точке выхода из нее газа [град.];
1
P - электрическая мощность первой ленты [Вт];
2
Р - электрическая мощность второй ленты [Вт];
2
2
q - удельная мощность нагревателя второй ленты [Вт/м];
2
2
α- коэффициент теплоотдачи второй ленты [Вт/м·град.].
Мощность i ленты определяется из выражения:
i
где H - ширина i ленты [м].
Плотность теплового потока i ленты определяется:
i
2
где q - плотность теплового потока i ленты [Вт/м];
i
Р - электрическая мощность i ленты [Вт].
Запишем уравнение для температуры на первой ленте. При этом теплопередачей по ленте в поперечном сечении пренебрежем:
1
где θ - температура на первой ленте в точке выхода из нее газа [град.];
i
2
q - удельная мощность нагревателя первой ленты [Вт/м];
1
2
α - коэффициент теплоотдачи первой ленты [Вт/м·град.].
Для условия равенства температур на поверхности первой и второй ленты приравниваем уравнения (1) и (2), после преобразования получим ширину первой ленты. Ширину первой ленты находят по формуле:
1
где H - ширина первой ленты [м];
2
H - ширина второй ленты [м];
Аналогично находим ширину второй ленты:
В формулах определения соотношений между лентами спирали условно взято три секции лент. Поэтому соотношение между значениями ширины двух рядом расположенных лент, не регламентируемое количеством секций, можно представить в виде:
n
где H - ширина n+1 ленты (следующей ленты за n лентой) [м];
n+1
Н - ширина n+1 ленты (следующей ленты за n лентой) [м];
n
2
α - коэффициент теплоотдачи n ленты [Вт/м·град.];
n+1
2
α - коэффициент теплоотдачи n+1 ленты (следующей ленты за n лентой) [Вт/м·град.].
Для повышения безопасности использования нагревателя потока газа и его ремонтопригодности лента на внешнем витке спирали разрезана и спаяна легкоплавким сплавом, например Розе.
Для повышения жесткости конструкции в ленточном электрическом нагревательном элементе ленты навиты на жесткую пространственную конструкцию, выполненную из осевой трубки, на концах которой и перпендикулярно ее оси закреплены спицы, между которыми в продольном направлении уложены глиноземные трубки, скрепляемые проходящими через отверстия в них стрежнями со спицами, при этом ленты электрического нагревателя проходят между глиноземными трубками.
Таким образом, спираль навивается постепенно, между лентами оставляется зазор для электроизоляции. Ленты соединены электрически последовательно, начиная с узкой полосы. Величина электрического тока одинакова, но тепловая плотность различна из-за разного сопротивления и ширины полос. При прохождении тока по узкой полосе мощность больше при большем сопротивлении, но температура газа на входе первой спирали меньше, в дальнейшем температура газа увеличивается, а мощность уменьшается до величины, при которой температура каждой последующей ленты будет равна предыдущей. Изменяемая ширина лент в соотношении (12) при равном токе более эффективно использует пространство нагрева, и появляется возможность снизить габариты и вес устройства при сохранении допустимой температуры нагревателя по всей ширине. Легкоплавкий сплав снимает опасность возгорания спиралей, а его внешнее расположение обуславливает высокую ремонтоспособность. Конструкция нагревателя образует более жесткий каркас, который устойчив к ударным нагрузкам и вибрациям, чем в прототипе.
Устройство поясняется на схеме нагревателя потока газа (см. чертеж).
Устройство для нагревания газового потока с ленточным электрическим нагревателем на чертеже представляет собой спираль 1, свернутую из трех металлических лент: 2 - первая, 3 - вторая, 4 - третья ленты соответственно, разной ширины. Электрический ленточный нагреватель расположен в цилиндрическом корпусе 9, выполненном из полимерного, диэлектрического материала. Ленточный нагреватель ограничен с торцевых сторон двумя 8-образными звездами из спиц 6, прикрепленными в перпендикулярном направлении к центральной осевой трубке 5. Спицы 6 в продольном направлении скреплены стержнями 8, на которые надеты глиноземные трубки 7. Между глиноземными трубками проходят металлические ленты, которые соединены между собой проводниками электрически последовательно. Внутрь корпуса поступает газовый поток 10.
Электрический ток, подведенный к лентам, проходя последовательно через ленты 2, 3, 4, нагревает их. Газовый поток 10 поступает в корпус нагревателя 9, проходит в зазорах между лентами спирали 1 и, отбирая тепло, прогревается до нужной температуры. Ленты нагревателя, имея зависимое уменьшение ширины лент от места выхода газа, получают пропорциональное увеличение сопротивления и удельной мощности спирали при равном токе. Это приводит к росту температуры каждой ленты до предельно допустимого значения. Температура на лентах нагревателя не увеличивается по мере нагревания проходящего газа, а предел нагрева лент ограничивается той предельной температурой, на которую можно нагреть газ. Газ, нагреваясь за счет температуры первой ленты в спиралях на входе, идет дальше и нагревается за счет температуры второй спирали и на выходе из третьей ленты имеет максимальное значение температуры. Но при этом ширина лент выбирается такой, чтобы их температура была равна предельно допустимому значению. Таким образом, предлагаемый нагреватель эффективно использует все пространство нагрева.
При нагреве пластины до температуры 120°С происходит расплавление низкотемпературного спая и под действием упругости пластины нагревательного элемента и происходит аварийное размыкание цепи.