Нагревательное устройство
HEATING DEVICE

Область применения
Заявленное нагревательное устройство может найти широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и промышленности как высокоэффективный продольный нагреватель большой длины.
Уровень техники
Из уровня техники известно множество нагревательных устройств, выполненных на основе нагревательных резистивных и саморегулирующихся кабелей и лент.
Из уровня техники известно нагревательное устройство на основе резистивного кабеля с изоляцией, который содержит изолированные токопроводящие нагревательные жилы, соединенные на одном конце кабеля между собой, а другими концами подключенные к регулируемому источнику тока (RU 166929 U1, 20.12.2016).
Также из уровня техники известен электрический нагревательный кабель, содержащий несколько нагревательных жил в электроизоляционном материале, охваченном оплеткой, наружную оболочку из электроизоляционного материала с размещенным в ней оптическим модулем, выполненным в виде трубки из диэлектрического материала, внутри которой находится, по крайней мере, одно оптическое волокно (RU 124104 U1, 10.01.2013).
Также известен плоский трехфазный нагревательный кабель, содержащий изолированные термостойкой оболочкой токопроводящие жилы, уложенные параллельно друг другу в виде средней и двух боковых жил, каждая из которых выполнена многопроволочной, при этом жилы с одного конца свободны для подключения к источнику питания, а на нижнем конце свободные жилы соединены между собой в звезду и изолированы для образования замкнутой электрической сети (RU 2615503 C2, 05.04.2017).
Из уровня техники также известна саморегулирующаяся нагревательная лента, состоящая из двух изолированных друг от друга токопроводящих жил, размещенных в проводящей полимерной матрице, заключенной в полимерную изоляционную оболочку. Лента содержит экранирующую оплетку и общую внешнюю оболочку (см. CN 109379793 A, 22.022019).
И уровня техники известно гибкое нагревательное устройство, содержащее жилы питания и гибкие ленточные нагревательные элементы (см. RU 2118070 С1, 20.08.1998). Данное техническое решение принято за прототип.
Недостатком известных устройств является отсутствие возможности обогрева длинных участков обогреваемых поверхностей, например, трубопроводов.
Осуществление технического решения
Задачей заявленного технического решения является создание высокоэффективного нагревательного устройства, способного обеспечить выделение тепла на большой длине от одного источника питания.
Технический результат заявленного технического решения заключается в существенном повышении длины нагревательного устройства с сохранением высокой эффективности нагрева по всей его длине, а также в значительном повышении удобства монтажа.
Заявленный технический результат достигается за счет использования следующей совокупности существенных признаков заявленного нагревательного устройства, а именно: нагревательное устройство содержит жилы питания, нагревательные элементы, при этом устройство выполнено в виде кабельной сборки, содержащей, по меньшей мере, два нагревательных элемента, расположенных последовательно друг за другом вдоль устройства.
В частных случаях выполнения нагревательного устройства, нагревательные элементы и жилы питания могут быть скручены между собой. Нагревательный элемент может быть выполнен в виде ленты или полосы, или кабеля. Жилы питания представляют собой однофазную или 3-х фазную систему питания. Нагревательные элементы могут представлять собой резистивные нагревательные провода или саморегулирующиеся кабели, или ленты. Нагревательные элементы могут также представлять собой резистивные полосы или ленты, состоящих из нескольких отдельных нагревательных жил. Нагревательные элементы могут быть размещены во внешней части устройства. Нагревательные элементы могут содержать нагревательный провод и саморегулирующийся кабель, выполненные совместно и находящиеся в тепловой связи. Нагревательное устройство может содержать дополнительную жилу питания, связанную только с нагревательным проводом. Жилы питания, дополнительная жила питания и нагревательные элементы могут быть скручены между собой. Нагревательное устройство может содержать защитную оболочку. Нагревательное устройство может содержит слой влагозащиты, или содержать слой или экран электрической, или электромагнитной защиты.
Графические материалы, поясняющие сущность решения
Сущность заявленного технического решения поясняется графическими материалами, где:
На Фиг.1а - представлен общий вид нагревательного устройства с указанием зон нагрева и разделения в варианте выполнения резистивного провода в качестве нагревательного элемента;
На Фиг.1б - представлен комбинированный вид нагревательного устройства с раскрытием зон соединения и разделения в варианте выполнения резистивного провода в качестве нагревательного элемента;
На Фиг.1в - представлена электрическая схема нагревательного устройства в варианте выполнения резистивного провода в качестве нагревательного элемента;
На Фиг.2а - представлен общий вид нагревательного устройства с указанием зон нагрева и разделения в варианте выполнения резистивного провода в качестве нагревательного элемента и с экраном электромагнитной защиты;
На Фиг.2б - представлен комбинированный вид нагревательного устройства с раскрытием зон соединения и разделения в варианте выполнения резистивного провода в качестве нагревательного элемента и с экраном электромагнитной защиты;
На Фиг.2в - представлена электрическая схема нагревательного устройства в варианте выполнения резистивного провода в качестве нагревательного элемента и с экраном электромагнитной защиты;
На Фиг.3а - представлен общий вид нагревательного устройства с указанием зон нагрева и разделения в варианте выполнения нагревательного элемента, состоящего из нагревательного провода и саморегулирующегося кабеля, и с экраном электромагнитной защиты;
На Фиг.3б - представлен комбинированный вид нагревательного устройства с раскрытием зон соединения и разделения в варианте выполнения нагревательного элемента, состоящего из нагревательного провода и саморегулирующегося кабеля, и с экраном электромагнитной защиты;
На Фиг.3в - представлена электрическая схема нагревательного устройства в варианте выполнения нагревательного элемента, состоящего из нагревательного провода и саморегулирующегося кабеля, и с экраном электромагнитной защиты;
Обозначения на всех Фиг. идентичные.
Осуществление технического решения
На сегодняшний день существует потребность обогрева трубопроводов, различных участков поверхности большой длины от 0,5 до 20 км и более без сопроводительной сети и большого количества сопроводительных коробок. Современные нагревательные устройства, выполненные на основе резистивных и саморегулирующихся кабелей и лент имеют ограничение длины до 250 метров в силу особенности конструкций. С увеличением длины нагревательного устройства при сохранении заданной мощности обогрева, было необходимо увеличивать поперечное сечение нагревательных жил или увеличивать количество источников питания, т.е. использовать сопроводительную сеть. Увеличение поперечного сечения греющих жил было ограничено габаритами греющего устройства и экономически не оправдано, поэтому в большинстве случаев осуществлялся обогрев обогреваемой поверхности большой длины несколькими последовательно расположенными нагревательными устройствами с несколькими источниками питания.
Заявленное нагревательное устройство способно иметь большую длину до 20 км и более без увеличения поперечного сечения нагревательных элементов, и получающего питание от единственного источника электрического тока. Заявленное техническое решение расширяет традиционный функционал саморегулирующихся и резистивных кабелей и проводов, которые сделать на большие длинны технически сложно, а также расширяет арсенал нагревательных технических средств. Расширяется возможность использования всего семейства нагревательных кабелей. При этом сохраняются традиционные габариты нагревательного устройства, упрощается процесс монтажа и эксплуатации в силу сохранения традиционной гибкости и веса погонного участка нагревательного устройства и отсутствия большого количества соединительных коробок.
Возможность создания нагревательного устройства большой длины обеспечивается наличием не только нагревательных элементов в устройстве, но и наличием силовых токопроводящих жил питания.
L
L
)
N
Нагревательное устройство представляет собой продольную кабельную сборку, содержащую по всей длине жилы питания 1 и несколько нагревательных элементов 2, расположенных последовательно друг за другом вдоль всей длины устройства. Жилы питания представляют собой фазовый провод  (1 и нейтральный провод . Нагревательные элементы 2 соединены с жилами питания 1, образуя параллельные соединения вдоль всего нагревательного устройства (Фиг.1а,1б,1в).
Г
Г
Н1, Нn
К1
Kn
Г
Нагревательное устройство в виде кабельной сборки можно разделить в зонах разделения () между нагревательными элементами 2. Таким образом можно получить нагревательное устройство заданной длины. После разделения устройства на части, каждая отделенная часть будет сохранять работоспособность и представлять отдельное самостоятельное нагревательное устройство. На Фиг.1а, 1б, 2а, 2б, 3а, 3б обозначены зоны нагрева, зоны разделения (), а также соединительные и концевые муфты. Границы зон нагрева обозначены – начало первого, последующего участка нагрева, , – конец первого, последующего участка нагрева. Также на вышеуказанных Фиг. представлены поперечные разрезы А-А, Б-Б, В-В нагревательного устройства в различных вариантах выполнения, а также вид зоны разделения ().
Поскольку жилы питания 1, расположенные вдоль всего нагревательного устройства, выполнены из материала с крайне низким сопротивлением, например, медь или алюминий, электрическую энергию через эти жилы 1 можно передавать на значительные расстояния 10 км и больше от одного источника питания. При этом до определенной длины, напряжение питания в электрической цепи и жилах питания 1, меняется незначительно. Следовательно, при наличии достаточно мощного источника питания, выдаваемая мощность нагревательных элементов 2 по всей большой длине нагревательного устройства будет одинаковой, что обеспечит высокоэффективный нагрев по всей длине нагревательного устройства.
В нагревательном устройстве, нагревательные элементы 2 физически расположены параллельно с жилами питания 1. Для удобства транспортировки, монтажа, надежного соединения нагревательных элементов 2 по всей своей длине с жилами питания 1, нагревательные элементы 2 и жилы питания 1 могут быть скручены между собой (Фиг.1а,1б,2а,2б). В таком скрученном виде, нагревательное устройство может быть использовано без общей оболочки. Для обеспечения монолитности устройства можно использовать оболочку.
Жилы питания 1 могут представлять собой однофазную или 3-х фазную систему питания. Жилы питания 1 могут выполняться преимущественно из металлов с низким сопротивлением, например, медь или алюминий.
Нагревательные элементы 2 могут быть выполнены в виде нагревательной ленты или полосы. Нагревательные элементы 2 могут также представлять собой резистивные нагревательные провода 3 или саморегулирующиеся кабели 4, или ленты. На Фиг.1а, 1б, 1в, 2а, 2б, 2с представлен вариант выполнения устройства с использованием резистивного провода в качестве нагревательного элемента 2.
Нагревательные элементы 2 могут также представлять собой резистивные полосы или ленты, или провода, состоящих из нескольких отдельных нагревательных жил. Резистивные жилы могут быть выполнены из сплавов сопротивления.
На Фиг.3а,3б,3в представлен общий вид устройства с использованием саморегулирующегося кабеля 4 и резистивного нагревательного провода 3 (вспомогательного), которые выполнены совместно в качестве нагревательных элементов. При этом такое выполнение устройства подразумевает наличие оболочки. На Фиг. 3в показана электрическая схема соединения нагревательных элементов с жилами питания 1 в нагревательном устройстве, на которой обозначена тепловая связь 5 между саморегулирующимся кабелем 4 и нагревательным резистивным проводом 3. В данному варианте выполнения устройства, саморегулирующийся кабель 4 и нагревательный провод 3, выполненные совместно и объединенные тепловой связью 5, условно принимаем как (единый) нагревательный элемент 2.
L
L
L
, N
L
L
, N
При наличии тепловой связи 5 в нагревательном элементе 2 между его составляющими, в нагревательном устройстве может содержаться дополнительная жила питания 6 (2), связанная только с вспомогательным нагревательным резистивным проводом 3 (Фиг.3а,3б,3в). Включение дополнительной жилы питания 6 (2) обеспечивает возможность регулирования мощности нагревательного элемента за счет подачи питания или его отсутствия на резистивном проводе 3. При этом жилы питания 1 (1), дополнительная жила питания 6 и нагревательные элементы 2 (состоящие из саморегулирующегося кабеля 4 и вспомогательного нагревательного провода 3) могут быть также скручены между собой. Дополнительная жила питания 6 (2) может быть выполнена из тех же металлов, что и жилы питания 1 (1).
Варианты выполнения нагревательных элементов 2 не ограничены вышеуказанными примерами и могут быть дополнены известными из уровня техники вариациями и комбинациями нагревательных элементов.
Нагревательные элементы 2 могут быть размещены как во внешней части нагревательного устройства, так и во внутренней, например, между жилами питания 1 и возможными дополнительными жилами 6.
Нагревательное устройство может содержать внешнюю защитную оболочку для удобства монтажа, эксплуатации, а также защищающую нагревательное устройство от агрессивного воздействия окружающей среды или механического внешнего воздействия.
PE
Нагревательное устройство может также содержать слой влагозащиты, или содержать слой или экран электрической, или электромагнитной защиты в зависимости от условий эксплуатации. На Фиг.2а,2б,2в,3а,3б,3в представлены варианты выполнения нагревательного устройства с экраном электромагнитной защиты 7 ().
Нагревательное устройство производится большой длины и поставляется для монтажа в бухтах или барабанах. При производстве задаются общие требуемые параметры нагревательного устройства в зависимости от предполагаемой длины и мощности нагревательного устройства. Задаются сечения жил питания и нагревательных элементов, подбираются при необходимости составляющие нагревательных элементов, выбираются материалы жил, сечения и их количество. В зависимости от предполагаемых условий эксплуатации, дополнительно применяются оболочки, слои и экраны.
В зависимости от системы питания нагревательного устройства, от возможных составляющих нагревательных элементов, при производстве выбирают необходимое количество жил питания.
После определения основных конструктивных параметров выполняют кабельную продольную сборку нагревательного устройства, преимущественно скруткой.
В последующем выполняется разделение устройства на отдельные нагревательные секции (отдельные нагревательные устройства) требуемой длинны и подсоединение к питанию.
Заявленное техническое решение способствует повышению удобства монтажа за счет единой конструкции нагревателя и отсутствия соединительных коробок, а также возможности разделения устройства при необходимости. В любом варианте конструкции устройства будет одна соединительная муфта и одна концевая.
Пример реализации
2
На производстве изготовили нагревательное устройство длинной 1 км. Устройство предназначено для работы в однофазной сети питания. Жилы питания выполнены изолированными, из меди с постоянным поперечным сечением 4 см. В качестве нагревательных элементов использован многожильный резистивный провод в изоляции из полимерного материала. В качестве материала резистивных жил выбран сплав сопротивлений. Нагревательный провод имеет длину 30 м. Между двумя последовательно расположенными нагревательными элементами образуется зона разделения 0,3 м. Всего в нагревательном устройстве установлено 32 нагревательных элемента. Жилы питания и нагревательные элементы представляют собой кабельную сборку и скручены между собой. На оболочке устройства выполнены метки для указания границ зон разделения, в которых можно разделить устройство на самостоятельные отдельные нагревательные устройства. Мощность каждого нагревательного элемента 600 Вт, а всего устройства, длиной 1 км – 19 кВт.
Потребителю необходимо обогреть трубопровод, длиной 800 м. Для этого достаточно отделить 200 м устройства в зоне отделения от готового нагревательного устройства длиной 1 км. Оставшееся устройство, длиной 800 м передают потребителю. Отделение части устройства осуществляется на предприятии, при этом дополнительное отделение, в случае возникновения необходимости, потребитель может осуществить при монтаже.
При монтаже нагревательного устройства на трубопроводе, длиной 800 м, потребитель рассчитывает необходимую мощность для питания нагревательного устройства. Если потребитель желает получить полную мощность нагревательного устройства, 800 м длины которого содержат 26 нагревательных элементов, каждый из которых мощностью 600 Вт, то потребителю необходимо обеспечить мощность питания от одного источника 15 кВт.
Для обогрева трубопровода длиной 800 м, нагревательное устройство длиной 800 м монтируется на внешней поверхности трубопровода и с одной стороны подключается к источнику питания, мощностью 15 кВт через трансформатор, с другой стороны нагревательного устройства жилы питания закорачиваются.