Обогреватель емкости

Предлагаемая полезная модель относится к электротермии, а именно, к конструкциям обогревателей емкостей, предназначенных для подогрева в них застывающих и вязких продуктов в любых отраслях промышленности.
Известны поверхностные электронагреватели для бочек, представляющие собой вмонтированный в ПВХ оболочку гибкий, плоский нагреватель, снабженный с внешней стороны теплоизолирующим и теплоотражающим слоем (см., например, информационные листки «Обогрев ёмкостей, бочек, еврокубов», 2012 г. «Альфа-мегаполис и Новые технологии» Москва. Информационные листки прилагаются).
За прототип авторами принято поверхностное нагревательное устройство (авт. св. №965027, кл. Н05В 3/06), содержащее жесткий цилиндрический корпус, к которому прикреплены секции электронагревателя, выполненного в виде гибкого резистивного проволочного элемента, снабженного слоем электроизоляции и расположенного петлеобразно с возможностью прилегания к боковой поверхности цилиндрической емкости.
Серьезным недостатком всех вышеприведенных устройств является их малая эффективность и большие потери тепла в атмосферу. Малая эффективность приведенных устройств объясняется тем, что нагрев содержимого емкостей происходит через теплопроводность нагреваемых сред, так как нагреватели расположены со стороны боковых поверхностей емкостей. А так как содержимое ёмкостей имеет низкую теплопроводность, то разогрев содержимого емкостей происходит долго, присутствует перегрев пристеночных зон и большие потери тепла в атмосферу. Нагрев идет долго, а поверхность потерь тепла в атмосферу велика, по крайней мере, она не меньше поверхности, контактирующей с ёмкостью со стороны нагрева. В известных устройствах конвективный перенос тепла нагреваемым продуктом практически отсутствует, так как нагрев продукта происходит не снизу, а сбоку емкости. А еще в учебнике «Физика» за 8-ой класс, автор Пёрышкин А.В., 2004 г. стр. 15-16 сказано, что для получения естественной конвекции жидкости и газы следует нагревать снизу.
Задача предлагаемого изобретения – повысить эффективность нагрева и уменьшить потери тепла в атмосферу.
Поставленная задача в предлагаемом обогревателе ёмкостей, содержащим корпус, внутри которого размещен резистивный нагреватель в изоляции, достигается тем, что корпус выполнен коробчатым, с конфигурацией сечения в горизонтальной плоскости подобной конфигурации сечения в горизонтальной плоскости обогреваемой ёмкости, верхняя теплоизлучающая стенка которого жестким опорным элементом соединена с нижней стенкой, на внешней стороне которой по периметру и радиально укреплены трубки, резистивный нагреватель размещен в корпусе вокруг жесткого опорного элемента, свободный объем полости корпуса заполнен фиксирующим резистивный нагреватель твердеющим диэлектрическим наполнителем, а между последним и нижней стенкой размещен теплоизолирующий слой с теплоотражателем.
В результате решения поставленной задачи получен технический результат, заключающийся в увеличении эффективности нагрева обогреваемой емкости, а именно в уменьшении времени нагрева. Дело в том, что в известных устройствах нагрева ёмкостей с вязкими и высоковязкими продуктами теплоизлучающие стенки и нагреватели располагаются вдоль боковых стенок ёмкостей, а потому вначале нагреваются их стенки, а потом через теплопроводность находящийся в ёмкости продукт. Но так как все эти продукты имеют низкий коэффициент теплопроводности, то нагрев их через теплопроводность происходит очень долго. Вдоль всей боковой стенки внутри емкости температура продукта устанавливается одинаковой, а потому конвективный перенос теплоты отсутствует и наступает перегрев пристеночной зоны. Для наступления естественной конвекции необходимо, чтобы имела место разность плотностей нагретых и холодных частиц среды, которая обусловлена наличием разности температур  (см., например, книгу «Электрические аппараты», автор Родштейн Л.А., Л., Энергоатом издат, 1989 г. стр. 11). Продукт, соприкасающийся с поверхностью нагревающегося дна ёмкости, нагревается сначала за счет теплопроводности, становится легче вышележащего и стремится с ним поменяться местами, унося приобретенную теплоту. Далее охлажденные частицы опускаются вниз и таким образом конвективный теплообмен запускается. Реализации этого процесса предназначено предлагаемое устройство, которое размещается под дном обогреваемой ёмкости. От теплоизлучающей верхней стенки устройства сначала нагревается дно обогреваемой ёмкости, затем через теплопроводность нагреваются слои жидкости, соприкасающиеся с дном емкости и близлежащие слои. Нагретые слои становятся легче вышележащих, поднимаются вверх и уносят отобранную от нагретого тела теплоту. Передача теплоты конвекцией всегда связана с теплопроводностью. Если тело имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, то слои жидкости, нагреваясь от тела через теплопроводность, становятся легче и под действием возникающей подъемной силы поднимаются вверх, а на их место поступают из окружающего пространства более холодные слои (см., например, книгу «Техническая термодинамика и теплопередача», автор Нащокин В.В. м., Высшая школа, стр.388), что исключает и перегрев продукта. Для уменьшения теплопотерь емкость сверху можно покрыть теплоизолирующим покрывалом или специальным чехлом в виде колпака. Авторы стремились выполнить коробчатый корпус как можно тоньше, то есть, как можно меньше по высоте. Это позволит обогреваемую емкость наклонить, подложить обогреватель под дно и емкость опустить на коробчатый корпус. Не везде и не всегда на предприятии или на данном участке предприятия имеются электрокара с подъемником или другой подъемный механизм, а потому предлагаемый обогреватель и с этой точки зрения представляет интерес.  Трубка, укрепленная по периметру на внешней стороне нижней стенки, позволяет создать между полом и емкостью ограниченный закрытый объем, что уменьшает потери тепла через дно корпуса на пол, чем когда дно непосредственно контактирует с полом. Радиально укрепленные трубки на внешней стороне нижней стенки исключают ее прогиб при всяких непредвиденных перегрузках, толчках  и обстоятельствах.
На прилагаемых чертежах представлен вариант исполнения предлагаемого обогревателя, где на фиг.1 показан общий вид обогревателя, на фиг.2 – сечение по АА на фиг.1.
Обогреватель ёмкости содержит коробчатый корпус, состоящий из отрезка трубы 1, верхней теплоизлучающей стенки 2, нижней стенки 3 и опорного элемента в виде отрезка трубы 4. Во внутренней полости корпуса размещены электроизолирующий слой 5 из стеклоткани, резистивный нагреватель в виде нихромовой спирали 6, фиксирующий спираль 6 твердеющий наполнитель 7, теплоотражающую фольгу 8 и теплоизолирующий слой 9. В качестве фиксирующего нихромовую спираль 6 твердеющего диэлектрического наполнителя 7 используют раствор теплостойкого цемента или глины, которая после обжига приобретает твердость камня. Концы спирали 6 подсоединены к клеммам 10, вмонтированным герметично в колодке 11 штепсельной вилки из термостойкого материала АГ-4В, встраиваемой жестко в боковую стенку трубы 1. С внешней стороны нижней стенки 3 по периметру прикреплена трубка 12, а радиально – трубки 13. Сборка обогревателя производится в следующем порядке. К трубам 1 и 4 крепится винтами с потайной головкой (на чертежах не показаны) верхняя стенка 2, конструкция переворачивается и укладываются: слой тонкой стеклотканевой изоляции 5, спираль 6, предварительно уложенная в кремнеземный чулок (на чертеже не показан), подсоединяются концы спирали 6 к клеммам 10 и все заливается цементным или глинистым наполнителем 7. После того, как раствор затвердеет, на него накладывается фольга 8 с теплоизолирующим слоем 9 и к трубам 1 и 4 крепится нижняя стенка 3 и трубки 12 и 13. Трубы 1 и 4, стенки 2 и 3 и трубки 12 и 13 лучше изготавливать из дюралюминия, это сильно облегчает обогреватель. Назначение трубы 4 – исключить прогиб теплоизлучающей стенки 2 или придать конструкции корпуса обогревателя жесткость. При диаметре спирали, равной 6 мм, толщине стенок 2 и 3 – 4 мм, трубок 12 и 13 – 10 мм толщина обогревателя получается не более 26 мм, такая малая его толщина облегчает работу с ним.  Конфигурация (внешнее очертание) корпуса в горизонтальном сечении подобна конфигурации сечения в горизонтальной плоскости обогреваемой ёмкости – это позволяет разрабатывать такой простой и эффективный обогреватель для ёмкости любой конфигурации сечения в горизонтальной плоскости. Предлагаемый обогреватель имеет высокую надёжность, так как спиральный нагреватель 6 изготавливается из нихромовой проволоки с большой недогрузкой по плотности тока, что возможно из-за требующейся невысокой температуры теплоизлучающей стенки 2. Спиральный нагреватель 6 можно изготавливать из отожжённой стальной проволоки, которая значительно дешевле нихромовой. В качестве колодки II и клемм 10 предлагается использовать стандартную штепсельную вилку (см; например, книгу «Технический словарь школьника», авторы Пешков Е. О. и Фадеев Н. И., 1961 г., М., стр,11), легко, удобно и надёжно встраиваемую и укрепляемую в боковую стенку трубы 1. Предлагаемый обогреватель можно использовать для обогрева продукта как в металлических ёмкостях, так и в пластмассовых. В последнем случае придётся уменьшить температуру спирали 6 (придётся увеличить длину проволоки) или на внешнюю поверхность теплоизолирующей стенки 2 прикрепить той или иной толщины дополнительную пластину из металла или теплоизолирующего материала (на чертежах не показаны), например паронита.
Работает устройство следующим образом.
Подкладывают предлагаемый обогреватель под ёмкость с продуктом и к штепсельной вилке подсоединяют переносную штепсельную розетку (см., например, книгу «Технический словарь школьника», авторы Пешков Е. О. и Фадеев Н. И., м., Учпедгиз, 1961 г., стр. 113), подключённую к источнику тока. Использование штепсельной вилки с открытыми клеммами 10 и штепсельной розетки с закрытыми контактами (на чертежах не показаны) соответствует требованию техники безопасности-контакты с электрическим напряжением должны быть закрыты. Через спираль 6 начинает течь ток, который в первую очередь разогревает спираль 6 и теплоизлучающую верхнюю пластину 2, а от неё начинает греться дно ёмкости (на чертежах не показана) и нижние слои продукта. По мере нагрева нижних слоёв продукта нагретые частицы становятся легче и поднимаются вверх, а холодные частицы продукта опускаются вниз. По мере увеличения температуры дна ёмкости и нижних слоёв продукта процесс подъёма нагретых частиц вверх и опускания холодных частиц вниз (конвекции) увеличивается. Здесь имеют место два вида теплообмена – через теплопроводность и через конвекцию и эти два вида теплообмена возможны только при нагреве ёмкости снизу. Правда, со временем начинают прогреваться и другие элементы конструкции обогревателя. Но в предлагаемом обогревателе принимаются меры для уменьшения этих тепловых потерь, например, для уменьшения нагрева нижней стенки 3 между ней и твердеющим наполнителем  7 проложена  теплоизоляция 8 с теплоотражающей фольгой 9, в твердеющий наполнитель 7 добавлены волокна асбеста (на чертежах не показаны), что уменьшает его теплопроводность и увеличивает его прочность, так как волокна асбеста играют армирующую роль, а вес наполнителя 7 уменьшается. А без конвективного теплообмена нагрев содержимого ёмкости происходил бы очень долго, так как теплопроводность вязких продуктов (битума, вазелинов, парафинов и др.) очень мала и самое неприятное – это перегрев пристеночных слоёв продукта, что сказывается на его качестве.