КОМБИНИРОВАННЫЙ ТРУБЧАТЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ
COMBINED TUBULAR HEATER

Изобретение относится к электрическим, а именно, керамическим электрическим нагревателям и может быть использовано в высокотемпературных печах, а также для исследования объектов на температурные воздействия в испытательных стендах.
Изобретение рассчитано на применение в вакууме, в среде инертных газов, а также в среде неинертных газов при температурах от 0 до 2200 градусов Цельсия.
Известен нагреватель с активной частью из диоксида циркония и токовыводными частями из оксида цинка, в которые вмонтирован металлический проводник из нихрома. Такие нагреватели термостойки, но разрушаются при нагреве переходной части свыше 1000 градусов Цельсия в результате испарения цинка [1].
Известен нагреватель из диоксида циркония, выполненный из пористого материала, выводные концы которого пропитаны хромитом лантана [2]. Такой нагреватель имеет малую устойчивость к деформации под нагрузкой при высоких температурах 1800 градусов Цельсия и высокую температуру токовыводных концов, что требует металлизации его благородными металлами (серебро, платина).
Известна галогенная лампа, используемая в качестве нагревателя (прототип). Галогенная лампа состоит из следующих деталей: колба из кварцевого стекла, тело накала, установленное внутри нее на токовводах и держателях, галогенированный водород (HJ, HBr, HCl) как составная часть газового наполнения, содержащий водород и галоген.
Галогенированный водород в процессе горения лампы диссоциирует на галоген и водород, при этом галоген осуществляет перенос испарившегося вольфрама обратно на спираль, а водород выполняет роль пассиватора: связывает химически активный галоген, благодаря чему обеспечивается нормируемая продолжительность горения [3].
Галогенная лампа накаливания содержит кварцевую колбу, тело накала, держатели, молибденовый токовый ввод, металлический цоколь цилиндрической формы с разрезными рантами, прижимное кольцо и втулку, гибкий провод с наконечником. Гибкий провод соединяют с молибденовым токовым вводом. Втулку вставляют во внутрь корпуса цоколя, при этом втулка своим основанием упирается в завальцованный край цоколя, и затем ее жестко фиксируют в цоколе. В процессе сборки лампы через втулку пропускают гибкий провод. Цоколь к кварцевой колбе прикрепляют асбестовой мастикой, на лампу плотно надевают цоколь и прижимным кольцом сжимают лепесткоообразный рант, после чего закрепляют к гибкому проводу наконечник [3].
Недостатком указанного нагревателя является то, что галогенная лампа накаливания не позволяет достичь температур выше 1300 градусов Цельсия из-за температуры плавления кварцевого стекла.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении рабочих температур нагревателя.
Указанный технический результат достигается тем, что комбинированный трубчатый нагреватель содержит две оболочки из оксида магния с расположенной между ними оболочкой из стабилизированного диоксида циркония. Причем в оболочках из оксида магния коаксиально размещены прутки из вольфрама. В оболочке из диоксида циркония коаксиально и соосно с прутками из вольфрама размещен тросик из вольфрама, который служит стартовым нагревателем для оболочки из стабилизированного диоксида циркония [4]. При этом тросик из вольфрама с обеих сторон с помощью термокомпенсационных муфт соединен с прутками из вольфрама. Вместе с тем к оболочке из стабилизированного диоксида циркония жестко закреплены токоподводы. При этом на токоподводы, термокомпенсационные муфты, тросик из вольфрама и прутки из вольфрама нанесено плазменное напыление диоксида циркония. Кроме того, оболочки из оксида магния и оболочка из стабилизированного диоксида циркония соединены прессованием, причем полость между оболочками из оксида магния, оболочкой из стабилизированного диоксида циркония и тросиком из вольфрама, термокомпенсационными муфтами, прутками из вольфрама, токоподводами заполнена изолирующим наполнителем из оксида магния. При этом оболочки из оксида магния, оболочка из стабилизированного диоксида циркония и наполнитель из оксида магния спечены в единый моноблок.
Существует вариант, в котором оболочки из оксида магния и оболочка из стабилизированного диоксида циркония имеют трубчатую форму.
Существует вариант, в котором на внутреннюю поверхность оболочки из стабилизированного диоксида циркония нанесено плазменное напыление диоксида циркония.
1
3
2
Комбинированный трубчатый нагреватель поделен на 3 зоны: холодные А и А, содержащие 2 оболочки из оксида магния, и горячую А. Соотношение зон и их размеры определяются согласно габаритам установки, в которых будет использоваться данный нагреватель. Прутки из вольфрама, находящиеся в холодных зонах, являются токоподводами к тросику из вольфрама, расположенному в горячей зоне. За счет более частого шага навивки в центральной части тросика максимальная температура достигается именно там. Таким образом, тросик из вольфрама нагревается больше, чем прутки из вольфрама.
Между тросиком из вольфрама и прутками из вольфрама обеспечивается контакт с помощью термокомпенсационных муфт, выполненных из вольфрама, они обеспечивают более плавное, по сравнению со сварочным соединением тросика из вольфрама и прутка из вольфрама, изменение температуры разогрева на стыке холодной и горячей частей нагревателя [5].
На прутки из вольфрама, термокомпенсационные муфты и тросик из вольфрама нанесено плазменное напыление диоксида циркония [4] для защиты от взаимодействующего с кислородом вольфрама [6]. Плазменное напыление диоксида циркония также устойчиво при тепловых ударах, теплоизоляционное, химически неактивное [7]. Плазменное напыление чистого диоксида циркония отличается от стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония тем, что чистый диоксид циркония не проводит электрический ток [8].
Полость между оболочками из оксида магния, оболочкой из диоксида циркония, тросиком из вольфрама, прутками из вольфрама и термокомпенсационными муфтами заполнена наполнителем из оксида магния, поскольку имеет малую электропроводность [9]. Холодные зоны нагревателя также выполняются из оксида магния. Оксид магния также является электроизолятором тросика из вольфрама от оболочки из стабилизированного диоксида циркония.
На токоподводы к оболочке из стабилизированного диоксида нанесено плазменное напыление диоксида циркония. На внутреннюю поверхность оболочки из диоксида циркония также нанесено плазменное напыление диоксида циркония во избежание тепловых ударов и для дополнительной экранировки.
Известно, что темп нагрева нагревателей из диоксида циркония составляет не более 4-6 градусов в минуту [10].
Для исключения разрушения, сохранения целостности и, как следствие, надежности работы нагревательного элемента можно обеспечить равномерность нагрева активной части из вольфрама и, соответственно, активной части из диоксида циркония. Этого можно достичь с помощью исполнительного устройства подчиненного командам ПИД [11] (программируемый интегрально дифференциальный) регулятора, запрограммированного согласно характеристикам используемых материалов. Контроллер и программатор могут служить для контроля подачи напряжения на предлагаемый нагреватель.
2
На фиг. 1 изображен общий вид комбинированного трубчатого нагревателя; на фиг. 2 изображен вид вольфрамового прутка и тросика из вольфрама, соединенного термокомпенсационной муфтой (вид Б); на фиг. 3 дан вид внутреннего строения нагревателя в горячей зоне А (вид В); на фиг. 4 изображено сечение Г-Г комбинированного трубчатого нагревателя.
1
3
2
Сущность изобретения поясняется рисунком фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, где: 1 - тросик из вольфрама; 2 - термокомпенсационная муфта; 3 - пруток из вольфрама; 4 - плазменное напыление диоксида циркония; 5 - оболочка из стабилизированного диоксида циркония; 6 - наполнитель из оксида магния; 7 - токоподводы; А, А - холодные зоны; А - горячая зона.
1
3
2
1
3
1
3
2
Комбинированный трубчатый нагреватель состоит из 3 зон, имеющих форму трубки: холодных А и А, содержащих оболочки из оксида магния, и горячей А, в которой расположен тросик из вольфрама 1, соединенный с помощью термокомпенсационной муфты 2 с прутками из вольфрама 3, находящимися в холодных зонах А и А соответственно, на внешнюю поверхность которых нанесено плазменное напыление диоксида циркония 4, в горячей зоне также расположена оболочка из стабилизированного диоксида циркония 5, на внутреннюю поверхность которой также нанесено плазменное напыление диоксида циркония 4, изолированная от тросика из вольфрама 1 наполнителем из оксида магния 6, к оболочке из стабилизированного диоксида циркония подведены токоподводы 7, проходящие через холодные зоны A и А, жестко закрепленные в зоне А.
1
3
2
1
3
2
Функционирование комбинированного трубчатого нагревателя происходит в следующей последовательности. В качестве стартового нагревателя используется тросик из вольфрама 1, соединенный с помощью термокомпенсационной муфты 2, обеспечивающей более плавное по сравнению со сварочным соединением изменение температуры на стыке холодных зон A, А и горячей А с прутками из вольфрама 3, на которые подается напряжение (электропитание), в результате подачи напряжения на тросике из вольфрама 1 достигается нагрев до 1000-1200 градусов Цельсия. На внешние поверхности тросика из вольфрама 1, термокомпенсационных муфт 2 и прутков из вольфрама 3 нанесено плазменное напыление диоксида циркония для защиты окисляющегося в неинертной среде вольфрама. После достижения температуры, при которой диоксид циркония становится электропроводным, на оболочку из стабилизированного диоксида циркония 5, изолированную от вольфрама с помощью наполнителя из оксида магния 6, подается напряжение с помощью токоподводов 7, проходящих сквозь холодные зоны А и А, жестко закрепленные в зоне А. На внутреннюю поверхность оболочки из стабилизированного диоксида циркония нанесено плазменное напыление диоксида циркония 4 для дополнительной защиты от взаимодействия с неинертной средой и экранировки. В результате протекания электрического тока через оболочку из стабилизированного диоксида циркония 5 осуществляется нагрев оболочки из стабилизированного диоксида циркония от температуры 1000 градусов Цельсия до 2200 градусов Цельсия.
Заявляемый электрический нагревательный элемент может быть изготовлен по технологии порошковой металлургии и представлять собой многослойную структуру из проводящего металлического, изолирующего стеклокерамического, керамического слоев, спрессованных и спеченных в единый моноблок. Для фиксации наполнителя оксида магния внутри комбинированного трубчатого нагревателя могут использоваться заглушки из твердого оксида магния с торцов комбинированного трубчатого нагревателя с отверстиями для токоподводов и прутков из вольфрама.
Цоколевка и крепления токоподводов выбираются согласно требованиям по эксплуатации нагревателя.
Предлагаемый комбинированный трубчатый нагреватель имеет ряд
преимуществ перед известными:
- работа при температурах до 2200 градусов Цельсия;
- работа в условиях инертной среды.
Нагрев до 2200 градусов Цельсия достигается благодаря комбинированному нагреву. Стартовый нагрев оболочки из стабилизированного диоксида циркония осуществляется путем пропускания тока через прутки из вольфрама, закрепленные к тросику из вольфрама с помощью термокомпенсационных муфт. После достижения температуры, при которой оболочка из диоксида циркония становится электропроводной, электропитание подается к токоподводам, жестко закрепленным к оболочке из стабилизированного диоксида циркония. Работа при температурах до 2200 градусов Цельсия в неинертной и инертной средах обеспечивается тем, что оболочка из стабилизированного диоксида циркония и оболочки из оксида магния не взаимодействуют с агрессивной газовой средой. Источники информации
1. Патент РФ №2568671 «Электрический нагреватель».
2. Патент РФ №1525951 «Способ изготовления электрического нагревателя из хромита лантана».
3. Патент РФ №2055417 «Галогенная лампа накаливания и способ ее изготовления».
4. Рутман Д.С., Топоров Ю.С., Плинер С.Ю. и др. / Высокоогнеупорные материалы из диоксида циркония. Раздел ГРНТИ: Металлургическая теплотехника. М.: «Металлургия». 1985. С. 101-111, С. 111-115.
5. Электрические аппараты: Учебник для техникумов. Четвертое издание, переработанное и дополненное / Родштейн Л.А. / Ленинград: Энергоатомиздат.Ленинградское отделение. 1989. С. 44.
6. Зеликман А.Н., Никитина Л.С. Вольфрам. Изд-во: Металлургия. 1978. С. 17-25.
7. Плазменное напыление диоксида циркония [Электронный ресурс]. Режим доступа: interplasma.ru/pn/materialy-pn.
8. О механизме ионной проводимости в стабилизированном кубическом диоксиде циркония [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/4153.
9. Справочник химика [Электронный ресурс]. Режим доступа: chem21. info/info/1167913.
10. Материалы для электротермических установок [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.pandia.ru/399707/.
11. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.cta.ru/cms/f/342946.pdf.