РЕЗИСТИВНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД
RESISTANCE HEATER OF FLUID MEDIA

Изобретение относится к нагревательным приборам, преобразующим электрическую энергию в тепловую, и может быть использовано для нагревания различных жидкостей, газов или мелкодисперсных порошков в технологических процессах, отопительных системах, системах горячего водоснабжения бытовых, производственных помещений и др.
Хорошо известен и широко применяется трубчатый электронагреватель (ТЭН), содержащий металлический трубчатый корпус, проволочный нагревательный резистор в виде спирали и изолирующую засыпку. Поверхности теплообмена таких нагревателей небольшая, что обеспечивает компактность нагревателя, но за это приходится платить увеличением его мощности для создания необходимого теплового напора, получаемого за счет высокой температуры спирали, которая доходит до 750°С. Для обеспечения большей производительности нагревателя его мощность увеличивается по экспоненте, и увеличивается расход электроэнергии. При этом высокая температура нагревания спирали приводит к ее активному окислению и вследствие этого снижению отдаваемой мощности. Кроме того, высокая температура на поверхности нагревательного элемента - более 100°С, инициирует образование накипи и шлаков на поверхности трубчатого корпуса, что препятствует эффективной теплопередаче и снижает пропускную способность трубок. По мере обрастания нагревателя накипью температура внутри него растет, и он перегорает, то есть он имеет непродолжительный срок эксплуатации. Кроме того, возможны межвитковые замыкания спирали и замыкания на корпус, обусловленные высокой рабочей температурой нагревателя, что приводит к его пожароопасности.
Известен, например, трубчатый электронагреватель, в котором, вследствие выполнения на корпусе установочного фланца с наружной и внутренней резьбой, узла герметизации контактных стержней в виде цилиндрического штуцера с наружной резьбой и закрепления его в установочном фланце с помощью гайки, выполнения в штуцере двух отверстий параллельно оси штуцера, размещения изоляторов с одного торца штуцера, а с другого торца оболочек трубчатого электронагревательного элемента, расположения контактных стержней в отверстиях штуцера и изоляторах и фиксации их в отверстиях смесью алебастра, цемента и кварцевого песка, обеспечивается возможность осевого перемещения установочного фланца относительно штуцера, установки электронагревательного элемента практически на любом посадочном месте, имеющем подходящую резьбу, эффективное "дыхание" нагревателя, и за счет этого существенно расширяются функциональные возможности тэнов, а также повышается их надежность и долговечность [Патент РФ №2239958].
Известно также нагревательное устройство для установки в проточном радиаторе, содержащее трубчатый электронагреватель, установленный в держателе-заглушке и снабженный специальной рубашкой с закрытым концом, соответствующим внутреннему профилю ниппеля радиатора, для установки в нем, при этом длина рубашки кратна ширине секции радиатора [Патент РФ №2240477].
Известно устройство для предпускового подогрева топлива в подогревателе двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с полостью, снабженной электронагревательным элементом, подключенным при помощи подводящего штуцера к питающему топливопроводу [АС СССР №973910, МПК F02N 17/04]. Устройство позволяет повысить надежность воспламенения топлива в предпусковой период. Однако использование описанного выше устройства не может обеспечить устойчивую работу двигателя в целом при низких температурах, поскольку нагревательный элемент работает в ограниченном объеме и его работа не сказывается на подаче топлива из бака по топливопроводу.
Известно также устройство для нагрева текучей среды, содержащее цилиндрический корпус с отверстиями для подачи и отвода среды, внутри которого коаксиально ему с зазором установлен трубчатый нагреватель [АС СССР №1677878, МПК Н05В 3/60]. Устройство предназначено для подогрева углеводородного топлива перед его подачей в двигатель в условиях низких температур. Оно позволяет повысить интенсивность теплообмена на 20-30%. Однако конструкция описанного выше устройства сложна, поскольку предполагает использование специальных гофрированных труб и их дополнительную обработку. Кроме того, конструкция предполагает установку устройства непосредственно в топливопроводе, что может быть бесполезно, если топливо в баке обладает значительной вязкостью при низких температурах.
2
2
7
Известен трубчатый электронагреватель, который содержит оболочку, внутри которой смонтированы контактные стержни, спираль, электроизолирующий наполнитель и узел герметизации контактных стержней с изоляторами и герметизирующим веществом [Патент РФ №2286653]. Этот трубчатый электронагреватель дополнительно снабжен герметичной гильзой, внутри которой расположена оболочка трубчатого электронагревателя, а пространство между стенками оболочки и герметичной гильзы заполнено солью. Например, в качестве соли в реакторе твердофазной поликонденсации при производстве полиэтилентерефталата используют соль нитрозония ([NO] SO). Недостатками данного устройства являются: большое энергопотребление, невозможность поддерживать постоянную температуру.
Наиболее близким аналогом предлагаемого является трубчатый электронагреватель для текучих сред, содержащий корпус в виде трубки с электроизоляционным наполнителем, токоввод для подачи питания и нагревательный элемент в виде спирали, выполненный с возможностью образования разных зон выделяемой мощности от 2,0 до 25 Вт/см, при этом один конец спирали закреплен на токовводе, а второй на противоположном конце трубки прикреплен к ее заземленному корпусу [Патент РФ №2242096]. Этот нагреватель принят за прототип изобретения. Он обеспечивает безопасную работу трубчатого электронагревательного устройства в агрессивных средах, поскольку исключает возникновение искры. Однако он обладает рядом перечисленных выше недостатков, к которым, в частности, относятся высокие энергозатраты при заданной производительности нагревателя.
Изобретение решает задачу создания нагревателя текучих сред, оптимизированного по энергопотреблению, теплопередаче и по реализации тепловых режимов, а кроме того, ремонтопригодного, обеспечивающего возможность проведения профилактических работ и возможность получения большого диапазона мощностей.
Поставленная задача решается тем, что предлагается нагреватель текучих сред, включающий параллельно установленные нагревательные элементы с зазором между соседними нагревательными элементами и снабженный парой внешних экранов, установленных с зазором относительно крайних нагревательных элементов, причем каждый нагревательный элемент имеет плоскую оболочку с внутренней полостью, в которой с зазором расположена плоская спираль из электропроводящего материала с возможностью соединения с источником напряжения, а названный зазор заполнен электроизолирующим теплопроводящим материалом, при этом зазоры между соседними нагревательными элементами и между крайними нагревательными элементами и экранами соединены между собой таким образом, что совместно они образуют средство транспорта нагреваемой текучей среды через нагреватель, снабженное входом и выходом, расположенными с противоположных сторон нагревателя.
Наиболее простой и удобной формой для оболочки является форма параллелепипеда. Оболочка нагревательного элемента для удобства ее монтажа и проведения ремонтно-профилактических работ может быть выполнена сборной.
Внешний экран целесообразно выполнять в форме пластины.
Для более эффективной работы нагревателя оболочка нагревательного элемента может быть снабжена рельефом, обеспечивающим турбулентное движение текучей среды при ее прохождении через средство транспорта нагреваемой текучей среды.
С целью предотвращения возможности короткого замыкания между витками плоской спирали может быть помещен электроизолирующий материал.
Предлагаемый нагреватель изображен на прилагаемых чертежах.
На фиг.1 показан внешний вид отдельного нагревательного элемента.
На фиг.2 показано внутреннее устройство нагревательного элемента.
На фиг.3 показано поперечное сечение нагревательного элемента.
На фиг.4 показан внешний вид нагревателя, выполненного в виде батареи нагревательных элементов.
На фиг.5 показаны вид со стороны входного (выходного) патрубка и продольное сечение нагревателя, выполненного в виде батареи из трех нагревательных элементов.
На приведенных чертежах следующие позиции означают:
1 - боковая пластина сборной оболочки нагревательного элемента;
2 - турбулизаторы;
3 - прокладка между нагревательными элементами;
4 - отверстия в нагревательном элементе для прохождения текучей среды;
5 - плоская электрическая спираль с выводами;
6 - электрический изолятор вывода спирали;
7 - рамка сборной оболочки нагревательного элемента;
8 - электроизолирующий теплопроводный материал;
9 - боковой экран нагревателя;
10 - нагревательный элемент;
11, 12 - входной и выходной патрубки нагревателя;
13 - зазор средства транспорта нагреваемой текучей среды.
Оболочка нагревательного элемента может быть цельной в виде трубы прямоугольного сечения. Но более технологично выполнять ее сборной, как изображено на фиг. 2 и 3, состоящей из рамки 7 и боковых пластин 1. Внутри оболочки - в ее полости, располагается плоская электрическая спираль 5 с электрическими выводами для подсоединения к источнику переменного напряжения. Полость оболочки заполнена электроизолирующим теплопроводным материалом 8, например слюдой, которая заполняет как зазор между спиралью и оболочкой, так и межвитковое пространство спирали. Нагреватель имеет внешние экраны 9, которые устанавливаются через уплотнитель по обе стороны батарей нагревательных элементов. Нагревательные элементы 10 соединяются между собой через уплотнитель и снабжаются боковыми экранами 9, установленными также через уплотнитель, и двумя патрубками для текучей среды - входным и выходным - 11 и 12.
Предлагаемый нагреватель работает следующим образом.
Через выводы на плоскую спираль 5 подается переменное напряжение, в результате чего через нее протекает электрический ток. Величина и размер спирали рассчитываются и подбираются в соответствии с желаемой мощностью нагревателя и создания равномерного температурного поля. Через электроизолирующий теплопроводящий материал 8 тепло передается оболочке нагревательного элемента, в том числе ее боковым пластинам 7. Через зазоры средства транспорта 13 проходит нагреваемая текучая среда, поступая в отверстия 4 средства транспорта нагреваемой текучей среды. При прохождении через нагреватель нагреваемая текучая среда соприкасается с нагретой поверхностью пластины 7 оболочки нагревательного элемента и нагревается. Так происходит работа одного нагревательного элемента. Когда нагревательные элементы собраны в батарею, нагреваемая текучая среда, поступая в нагреватель через патрубок 12, контактирует с оболочками всех нагревательных элементов, проходя через сообщающиеся между собой зазоры 13, и выходит из него через патрубок 11 в нагретом виде.
В предлагаемом нагревателе можно получить достаточно большую поверхность теплопередачи при минимальных энергозатратах и при заданной производительности. При этом конструкция получается простой, ремонтопригодной, так как оболочка выполняется сборной. Конструкция также позволяет наращивать мощность простым добавлением нагревательных элементов. Такие нагревательные элементы работают при собственной температуре спирали до 150-200°С, что существенно снижает вероятность образования накипи и шлаков, а сам процесс образования накипи становится медленнее на несколько порядков. Этому дополнительно способствует турбулизация потока нагреваемой текучей среды, преимущественно жидкости, которая одновременно повышает эффективность теплопередачи от поверхности оболочки нагревателя к жидкости. Таким образом, предлагаемый нагреватель оптимизирован по энергопотреблению, теплопередаче и по реализации тепловых режимов, а именно имеет низкие энергозатраты при заданной производительности, высокий КПД, длительный срок службы за счет снижения рабочей температуры и практически исключения процессов образования накипи. Кроме того, его достоинствами являются ремонтопригодность и возможность проведения профилактических работ, а также возможность получения большого диапазона мощностей на одном типоразмере плоского нагревательного элемента путем набора необходимого количества нагревательных элементов.