ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ГАЗОВЫХ И ЖИДКИХ СРЕД

Настоящая полезная модель относится к электронагревателям, предназначенным для подготовки и нагрева жидких и газообразных веществ, преимущественно, агрессивных, находящихся под давлением, в частности, топливного газа, и может быть использована на объектах газовой, нефтяной и химической промышленности.
Известно устройство для нагрева жидкостей, содержащее кольцевой проводник жидкостей, электрические средства нагрева и выключатель, который может иметь две отдельные позиции, между положением, когда нагревательные средства задействованы энергией, и положением, когда нагревательные элементы выключены. Устройство содержит также термически плавкие элементы, нагреваемые нагревательными элементами и которые могут расплавиться, по меньшей мере, частично, при превышении критической температуры, тем самым выключая подачу энергии на нагревательные элементы (см. Международная заявка PCT/FR 2006/002211 от 29.09.2006).
Данная конструкция электронагревателя выполнена с обеспечением безопасной работы при превышении допустимой температуры. Однако устройство не может быть применено для взрывоопасных сред из-за более высоких требований по защищенности объектов, в которых используются такие текучие среды.
Известно устройство электронагревателя, предназначенное для нагрева, преимущественно, агрессивных, находящихся под высоким давлением газовых или жидких сред. Внешняя поверхность корпуса нагревателя снабжена теплоизоляционным материалом. Внутри корпуса концентрично с зазором к его стенкам размещен спиральный узел в виде двух спиралей, предназначенных для пропускания через них потока нагреваемой среды и соединенных параллельно друг с другом. Нагреватель содержит электронагревательные элементы, соосно размещенные в указанном узле из змеевиков. В качестве электронагревательных элементов могут быть использованы, например, традиционные U-образные или стержнеобразные термоэлектрические нагреватели (ТЭН). Свободные концы спиралей змеевиков соединены с одной стороны спирального узла с коллектором ввода среды, а с другой стороны - с коллектором вывода среды. При этом свободные зазоры полости корпуса заполнены высокотеплопроводным материалом - алюминием, благодаря чему известный нагреватель обладает высокой тепловой инерцией, вследствие чего, будучи нагретым, он не подвержен небольшим изменениям температуры (см. патент на изобретение РФ №2611429 от 06.11.2015, МПК Н05В 3/42).
В данном известном устройстве повышается безопасность эксплуатации за счет исключения прямого контакта нагреваемой среды с электронагревательными элементами при одновременном обеспечении достаточной эффективности и равномерности нагрева среды при различных расходах подачи.
В то же время известная конструкция обладает существенными недостатками.
Вследствие заполнения свободного пространства корпуса алюминиевым сплавом с уже установленными нагревательными ТЭНами, часто наступает их неработоспособность уже на этапе производства, в связи с чем изначально необходима установка резервных элементов. Кроме того, при выходе из строя нагревательных элементов, к тому же имеющих конечный срок службы, указанная конструкция является неремонтопригодной и нуждается в полной замене. Дополнительным недостатком является то, что имеются случаи расплавления заливки с разрушением устройства из-за превышения рабочей температуры нагревательного ТЭНа над температурой плавления алюминиевого сплава. Данные случаи имеют место из-за выхода из строя систем автоматики или неверных действий обслуживающего персонала.
Наиболее близким из известных, по мнению заявителя, является электрический нагреватель газовых и жидких сред, содержащий корпус с входным и выходным патрубками для нагреваемой среды, расположенные в корпусе спиральный теплообменник, спиральная труба которого одним концом соединена с указанным входным патрубком, а другим концом - с указанным выходным патрубком, и электрические нагревательные элементы, размещенные продольно внутри спирального теплообменника и связанные с источником электрического питания, а также регулировочную аппаратуру, причем внутреннее пространство корпуса заполнено алюминиевым сплавом с обеспечением его контакта со спиральной трубой теплообменника, при этом нагреватель снабжен металлическими капсулами, выполненными в виде продольно расположенных в корпусе труб, концы которых закрыты со стороны внутреннего пространства корпуса и в каждой из которых размещен соответствующий нагревательный элемент, передающий тепло на указанную капсулу, при этом пространство между капсулами заполнено контактирующим с ними алюминиевым сплавом, причем на входе в указанный корпус капсулы проходят через соответствующие отверстия с закреплением во фланце корпуса, обеспечивая возможность монтажа и демонтажа нагревательных элементов после закрепления капсул в алюминиевом сплаве (см. патент на полезную модель №183968 от 27.03.2018, МПК Н05В 3/26).
Известная полезная модель повышает надежность работы электронагревателя благодаря расположению каждого нагревательного элемента в отдельной капсуле, вне контакта с промежуточным теплоносителем - высокотеплопроводным материалом.
Однако известное устройство имеет ряд недостатков, в частности, конструкция электронагревателя выполнена нерационально, т.к. весь достаточно большой объем корпуса заполнен алюминием, что приводит к большей материалоемкости, а многие капсулы нагревательных элементов расположены от змеевика теплообменника на сравнительно большом расстоянии, что вызывает зоны перегрева в пучках нагревательных элементов.
Задачей настоящей полезной модели является уменьшение материалоемкости конструкции электронагревателя, снижение инерционности нагрева теплоносителя и повышение эффективности работы за счет исключения зон перегрева нагревательными элементами благодаря уменьшению размера корпуса и расположению всех капсул с нагревательными элементами по окружности внешних поверхностей труб корпуса с внешней или с внутренней стороны спирального теплообменника.
Для решения этих и других задач заявляется электрический нагреватель газовых и жидких сред, содержащий корпус с входным и выходным патрубками для нагреваемой среды, расположенные в корпусе спиральный теплообменник, спиральная труба которого одним концом соединена с указанным входным патрубком, а другим концом - с указанным выходным патрубком, и электрические нагревательные элементы, размещенные в металлических трубчатых капсулах продольно внутри корпуса и связанные с источником электрического питания, а также регулировочную аппаратуру, причем внутреннее пространство корпуса заполнено алюминиевым сплавом с обеспечением его контакта со спиральной трубой теплообменника и капсулами нагревательных элементов, при этом корпус нагревателя выполнен в виде двух труб, расположенных одна в другой, продольно друг другу, а торцевые стороны, образованные между этими трубами, перекрыты герметичными пластинами, причем все указанные металлические капсулы нагревательных элементов установлены эквидистантно внешней поверхности труб корпуса, по периметру их окружностей.
Дополнительно, все указанные металлические капсулы нагревательных элементов расположены в корпусе снаружи спирального теплообменника.
Кроме того, на входе в указанный корпус указанные капсулы проходят через отверстия с закреплением в соответствующей указанной торцевой пластине между труб корпуса, обеспечивая возможность монтажа и демонтажа нагревательных элементов после закрепления капсул в алюминиевом сплаве.
Сущность настоящей полезной модели будет более понятна при ознакомлении с последующим описанием предпочтительных вариантов выполнения заявленного устройства с учетом сопроводительных чертежей, на которых:
На фиг. 1 - представлен продольный вид электронагревателя согласно настоящей полезной модели.
На фиг. 2 - представлено поперечное сечение С-С корпуса электронагревателя по первому предпочтительному варианту согласно настоящей полезной модели.
На фиг. 3 - представлено поперечное сечение С-С корпуса электронагревателя по второму предпочтительному варианту согласно настоящей полезной модели.
Электронагреватель для газовых и жидких сред согласно настоящей полезной модели содержит корпус 1 цилиндрической формы. С внешней стороны корпуса 1 обычно устанавливается теплозащитный кожух. Корпус 1 нагревателя выполнен в виде двух труб, внешней 2 и внутренней 3, расположенных одна в другой, продольно друг другу. Торцевые стороны с каждой стороны корпуса 1, образованные между этими трубами, перекрыты герметичными пластинами 4 и 5. Корпус 1 на его внешней трубе 2 имеет входной 6 и выходной 7 патрубки для нагреваемой среды.
Внутри корпуса 1, между трубами 2 и 3, размещен спиральный теплообменник, имеющий выполненную в виде спирали трубу 8, служащую для пропускания через нее нагреваемой среды. Один конец трубы 8 соединен с входным патрубком 6, а другой конец - с выходным патрубком 7.
Внутри корпуса 1, образованного трубами 2 и 3, продольно, практически по всей длине корпуса 1 расположен нагревательный узел, включающий в себя трубчатые капсулы 9, внутри каждой из которых установлен нагревательный элемент. Концы капсул 9 со стороны внутреннего пространства корпуса 1 закрыты. Нагревательный элемент (на чертежах не показан), как правило, выполняется в виде широко известных термоэлектрических нагревателей (ТЭНов), и может представлять собой слюдопластовый нагревательный элемент цилиндрического типа с нихромовой проволокой соответствующего сечения. Капсулы 9 изготавливаются из нержавеющей или легированной стали толщиной порядка 2 мм, а диаметр капсул может составлять, например, порядка 40 мм. Все указанные металлические капсулы 9 нагревательных элементов установлены эквидистантно внешней поверхности труб 2 и 3 корпуса 1, по периметру их окружностей. В одном из предпочтительных вариантов выполнения электронагревателя все указанные металлические капсулы 9 нагревательных элементов расположены снаружи спирального теплообменника, ближе к внешней 2 трубе корпуса 1. (см. фиг. 2).
В другом из предпочтительных вариантов выполнения электронагревателя все указанные металлические капсулы 9 нагревательных элементов расположены внутри спирального теплообменника, ближе к внутренней 3 трубе корпуса 1. (см. фиг. 3).
Все внутреннее пространство корпуса 1, образованное между трубами 2 и 3, включая спиральную трубу 8 и нагревательный узел, заполняется расплавленным алюминиевым сплавом 10 путем литья методом свободного литья с подогревом формы. Заполнение корпуса 1 высокотеплопроводным алюминиевым сплавом осуществляется таким образом, чтобы был обеспечен его плотный контакт со спиральной трубой 8 и капсулами 9. Алюминиевый сплав 10 выполняет роль промежуточного теплоносителя.
В торцевой пластине 4 корпуса 1 выполнены отверстия, в которых закреплены капсулы 9, проходящие насквозь к нагревателю 11, который служит источником электрического питания для нагревательных элементов. Крепление капсул 9 к отверстиям пластины 4 может быть осуществлено сваркой. Элементы управления и регулирования работой электронагревателя имеют традиционную для данного типа устройств схему, которая может включать в себя датчик 12 температуры алюминиевого сплава 10 и не показанные на чертежах датчик и регулятор температуры нагревательного элемента, датчик температуры нагреваемой среды и т.п.
В общем, процесс сборки электронагревателя происходит в следующей последовательности: сначала осуществляют гибку спиральной трубы 8, на внутренней трубе 3 корпуса 1 собирают спиральную трубу 8, капсулы 9 с нагревательными элементами, а затем устанавливают внешнюю трубу 2 корпуса 1. После чего заливается алюминиевый сплав 10 и производится окончательная сборка, включая электрику.
Работа электронагревателя газовых и жидких сред согласно настоящей полезной модели происходит следующим образом.
Из магистрального трубопровода системы, например, топливного газа, последний поступает во входной патрубок 6 и перемещается под давлением системы по спиральной трубе 8 теплообменника к выходному патрубку 7. В то же время нагреватель 11 подает электропитание на нагревательные элементы, расположенные в капсулах 9. Тепло, выделяемое нагревательными элементами, передается на капсулы 9. Затем тепло передается на алюминиевый сплав 10, который нагревает посредством теплопередачи проходящий в спиральной трубе 8 топливный газ до требуемой температуры по мере его прохождения к выходному патрубку 7. Система управления и регулирования работой электронагревателя отслеживает и регулирует измеряемые параметры задействованных элементов.
В предлагаемом решении капсулы 9 с нагревательными элементами расположены в непосредственной близости к спиральной трубе 8 теплообменника. Это позволяет обеспечить равные условия работы для каждого нагревательного элемента и исключить локальный перегрев. Одновременно, благодаря уменьшенному объему корпуса по сравнению с известными решениями, количество промежуточного теплоносителя, алюминиевого сплава 10 значительно уменьшается, что позволяет резко снизить материалоемкость и инерционность работы нагревателя.
Электронагреватель согласно настоящей полезной модели, так же как и в известной конструкции того же автора, позволяет обеспечивать установку капсул 9 и заливку алюминиевого сплава 10 без размещенных в них нагревательных элементов, а открытый доступ со свободного торца капсул 9 дает возможность монтажа нагревательных элементов после фиксирования капсул 9 внутри корпуса 1 между трубами 2 и 3 алюминиевым сплавом 10. Этим практически исключается образование неработоспособности нагревательных элементов на этапе производства, а при выходе из строя какого-либо нагревательного элемента, имеется достаточно простая возможность его демонтировать и заменить исправным элементом.
В данном описании раскрыты предпочтительные варианты выполнения устройства, но следует понимать, что, не отходя от сущности настоящей полезной модели, можно предложить и другие модификации, которые находятся в рамках заявленного в предложенной формуле полезной модели.