Кольцевой нагреватель для нагрева цилиндрических деталей оборудования

Предлагаемое решение относится к электротехнике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например, химической, для нагрева расплава полиэтилена и других продуктов в установках экструзионного  гранулирования  или выдувания бутылок, канистр и других сосудов.
Известен резистивный нагреватель (см. патент РФ № 2017350, кл. НО5В 3/22), содержащий тепловыделяющую резистивную часть, выполненную из тугоплавкого материала, например, нихрома, разделенного тупиковыми прорезями постоянной ширины со скручиванием на концах на два одинаковых участка. Для обеспечения равномерности температурного поля на поверхности нагревателя в зонах скруглений прорезей выполнены  кольцевые утолщения.
Недостатками представленного известного резистивного нагревателя являются: сложность конструкции и изготовления и малая надежность работы, так  как нихромовая проволока размещена  на малотеплопроводном толстостенном каркасе из слюды и внутри слоев из миканита между корпусом и спиралью на слюдяном сердечнике.
За прототип принят кольцевой нагреватель фирмы «Symmetron»  (информационный листок прилагается), содержащий корпус, внутри которого размещен сердечник (каркас) с расположенным на нем по образующим проволочным резистивным нагревателем. Резистивная проволока наматывается на разомкнутый сердечник (каркас) из толстостенной слюды и укладывается в корпус из нержавеющей или углеродистой стали.  Между сердечником и корпусом с внутренней и внешней сторон прокладываются слои миканита (склеенные пластинки слюды, см. например, книгу «Общетехнический справочник» под редакцией Е.А.Скороходова, М, Машиностроение 1982 г. стр.169) В мощных кольцевых нагревателях резистивная проволока предварительно навивается в спираль и укладывается в каналы керамических изоляторов. Далее набор керамических изоляторов со спиралью внутри укладывается в хомут из стали. Для  уменьшения потерь тепла между хомутом и керамикой прокладывается слой теплоизолятора – миканита.  Контакт нагревателя с обогреваемой деталью обеспечивает хомут с установленными на нем стяжными винтами (болтами).  Надо заметить, что кольцевые нагреватели известных российских фирм «Ростерм» г. Новосибирск, группы заводов «Тепловое оборудование»,  завода «ТЭН» г. Сергиев Посад и др. ничем не отличаются от вышеописанного импортного.
Недостаток известных кольцевых нагревателей состоит в недостаточной надежности работы, малой КПД и неравномерности нагрева обогреваемых детальный оборудования.
Низкая надежность работы объясняется тем, что нагреватель из нихромовой проволоки имеет  очень малую поверхность теплоизлучения. Более того, слой миканита с низким коэффициентом теплопроводности  (λ≈0,47÷0,58вт/м⋅К), см., например, книги «Справочник по физике» автор А.С. Енохович, М., Просвещение, 1978 г., стр. 170) между сердечником со спиралью и корпусом, представляет значительное термическое сопротивление для теплового потока  с нихромовой проволоки в сторону обогреваемой детали. А потому, для увеличения температурного напора в сторону обогреваемой детали приходится увеличивать температуру нихромовой проволоки нагревателя путем увеличения тока через нее, т.е. нихромовая проволока работает в очень напряженном тепловом режиме, когда любой дефект при ее изготовлении (разнотолщинность, каверны, микротрещины  и др.) приводит к перегреванию нихромовой проволоки. В патенте РФ №2027116, кл. F24C 7/00 отмечается, что наработка на отказ нихромового нагревателя составляет от 1 месяца до 1 года. О низкой надежности электронагревателей с использованием нихромовой проволоки говорится и в более ранних источниках (см., например, книгу «Химические аппараты с индукционным нагревом», авторы Горбатков С.А и др., Химия, М., 1985 г., стр. 15), где сказано, что ресурс работы нихромового нагревателя в среднем составляет 6000 часов. Конструкция кольцевого нагревателя благоприятствует также созданию условий для перегрева нихромовой  проволоки. Например, слой миканита между обмоткой и корпусом со стороны обогреваемой детали представляет большое термическое сопротивление для теплового потока с поверхности нихромовой проволоки в направлении к нагреваемой детали.  Большое термическое сопротивление для теплового потока представляют и керамические изоляторы, в каналах которых размещена спираль. Этому же  способствует сам корпус,  особенно, если он выполнен из нержавеющей стали, теплопроводность которой в три раза меньше теплопроводности углеродистой, и  неизбежно присутствующие воздушные зазоры на пути теплового потока между нихромовый обмоткой и слоем миканита, между слоем  миканита и корпусом и между корпусом и обогреваемой  деталью.
Низкий КПД нагревателя определяется большими потерями тепла в атмосферу с поверхности корпуса, особенно с внешней его части, которая греется тепловым потоком с части витков, расположенных с тыльной,  обращенной наружу, стороны сердечника. Для нагрева обогреваемой детали это часть витков нагревателя оказывается практически бесполезной, так как к ранее обозначенным конструктивным элементам, препятствующим прохождению теплового потока с витков нагревателя к обогреваемый детали, добавляется толстый слой слюдяного сердечника (каркаса), да и температурный напор  с этой части витков направлен  преимущественно наружу и по величине он не меньше температурного напора, направленного к обогреваемой детали. Неравномерность нагрева обогреваемый детали создается разомкнутой частью (сектором) нагревателя, обеспечивающего подвижность нагревателя в радиальном направлении и его крепление с участием силы трения стяжными винтами на обогреваемой детали оборудования. В месте стяжки корпуса нагревателя обогреваемая деталь  оказывается  совершенно открытой,  потери тепла обогреваемой детали в этом месте максимальные.
Задача предполагаемой полезной модели - устранить указанные недостатки.
В результате решения поставленной задачи получен технический результат, заключающийся в облегчении теплового режима работы проволоки резистивного нагревателя, что значительно повышает надежность его работы.
Технический результат достигается тем, что в кольцевом нагревателе для нагрева цилиндрических деталей оборудования, содержащем корпус, внутри которого размещен сердечник с расположенными на нем по образующим витками проволочного резистивного нагревателя, проволоку резистивного нагревателя помещают в термостойкую изоляцию, в качестве сердечника используют два кольца, скрепленных между собой жестоко по образующим спицами, а между корпусом и сердечником с витками резистивного нагревателя с внешней их стороны размещают один или несколько слоев теплоотражающего и теплоизолирующего материала.
Поставленная задача в кольцевом нагревателе для нагрева цилиндрических деталей технологического оборудования,  содержащем корпус, внутри которого размещен сердечник с расположенными  на нем по образующим виткам проволочного резистивного нагревателя, достигается тем, что натянутую проволоку резистивного нагревателя помещают в термостойкую изоляцию, в качестве сердечника используют два кольца, расположенных соосно с обогреваемой деталью  и скрепленных между собой по образующим спицами, а между корпусом и сердечником с витками резистивного нагревателя с внешней их стороны размещают один или несколько слоев теплоотражающего и теплоизолирующего материала.
В предложенном устройстве отсутствуют теплонепроницаемые слои слюдяного сердечника и миканита на пути теплового потока в направлении к обогреваемой детали. Резистивная проволока, предварительно помещенная в термостойкую изоляцию, например, в кремнеземный чулок, наматывается на каркас, состоящий их двух колец, скрепленных жестко между собой по образующим спицам. С внешней стороны на резистивный нагреватель накладываются один или несколько слоев теплоотражающего и теплоизолирующего материала. Это значительно уменьшает теплопотери в атмосферу и способствует усилению теплового потока со всех частей витков, как внешних, так и внутренних, резистивного нагревателя в направлении к обогреваемой детали. В предложенном кольцевом нагревателе нет разрывов в кольцевом сердечнике, на нем витки нагревателя намотаны ровно виток к витку как на кольцах, так и по образующим на участке между ними. А главное, проволока резистивного нагревателя работает с недогрузкой по плотности тока, так как в значительной степени тепловой поток с витков нагревателя без потерь и без преград доходит до объекта нагрева, и надежность работы предлагаемого устройства по сравнению с известными увеличивается многократно.
На  прилагаемых чертежах представлен пример выполнения прилагаемого кольцевого нагревателя, где на фиг.1 показан общий вид нагревателя.
Предлагаемый кольцевой нагреватель содержит корпус 1, внутри которого размещен сердечник в виде двух колец 2, скрепленных между собой по образующим жестокими спицами 3, на которых  (кольцах 2) и между которыми по образующим намотаны натянутые витки 4 резистивного нагревателя, а между  корпусом 1, сердечником с витками 4 с внешней их стороны, обращенной к корпусу 1,  размещены теплоотражающий слой 5 и теплоизолирующий слой 6. С торцов корпуса 1 вплотную к кольцам 2 с витками 4 установлены диски 7 из теплоизоляционного материала, скрепленные с корпусом 1 путем частичной или полной развальцовки его торцов. Кольцевой обогреватель на обогреваемой трубе 8, через которую перемещается технологический продукт, закрепляется отдельными хомутами 9, которые в предлагаемом варианте могут быть изготовлены из теплостойкого неметалла, например, газонаполненного пенопласта (см., например, книгу «Материаловедение», авторы Лахтин Ю.М.,  Леонтьева В.П, М., Издательский дом Альянс», 2009г., стр. 470-472). Перед намоткой нихромовую проволоку протаскивают через кремнеземный чулок (на чертеже он не показан), который работает до 1100°С, на кольцах 2 также размещена теплостойкая изоляция в виде чулка или трубки из шнура кремнеземного полого (на чертеже не показаны) для обеспечения надежности электроизоляции (информационный листок на шнур кремнеземный полый прилагается).
В предлагаемом варианте кольцевого нагревателя предполагается установка по периметру и скрепление с кольцами 2 четырех спиц  3. Если кольцевой нагреватель устанавливается на вертикальной трубе 8, то  сверху хомуты 9 можно не ставить. Как и в ранее представленных вариантах использования известных кольцевых нагревателей, предлагаемый также устанавливается на обогреваемый трубе 8 путем пропускания последней через себя, т.е. сквозь кольцевой обогреватель.
Работает представленный кольцевой нагреватель следующим образом.
При подключении резистивного нагревателя к источнику питания по его виткам 4 начинает протекать ток, который разогревает их, и тепловой поток с которых направлен преимущественно в сторону обогреваемый трубы 8, так как со стороны части витков 4, обращенных к корпусу 1, размещены теплоотражающий слой 5 и теплоизолирующий слой 6. Теплоотражающий слой 5 в  один слой для теплового потока является  экраном, который уменьшает теплоотдачу излучением в два раза (см., например, книгу «Техническая термодинамика и теплопередача», автор Нащокин В.В., М., Высшая школа, стр. 415-416). Для другой части потока, прошедшего через теплоотражающий слой 5, преградой, обладающей большим термическим сопротивлением, является теплоизолирующий слой 6, например, стекловата, коэффициент теплопроводности которой очень мал - λ=0,037 Вт/(м⋅К) (см., например, книгу «Справочник по физике», автор Енохович А.С, М., Просвещение, 1978г., стр. 170). Так что, значительная часть выделяющейся с витков 4 резистивного нагреваются тепловой энергии направлена на нагрев трубы 8 с продуктом, с торцов нагревателя выходу тепловой энергии в атмосферу препятствуют диски 7, выполненные из теплоизоляционного материала. Так как в предлагаемом кольцевом нагревателе имеет место максимально полезное использование теплового потока с нихромовых витков нагревателя, то нет необходимости пропускать через них ток на пределе допустимого, а наоборот, можно даже несколько увеличить диаметр нихромовой проволоки, чтобы еще больше увеличить надежность работы прилагаемого кольцевого нагревателя.