УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ГАЗОВОГО ПОТОКА С ПРОВОЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ НАГРЕВАТЕЛЕМ
DEVICE TO HEAT GAS FLOW BY WIRE ELECTIC HEATER

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, а именно к электронагревательным устройствам, и может быть использовано для электрического, нагревателя газового потока в наркозных аппаратах, ингаляционных устройствах с подогревом выдыхаемых газов с лечебными целями, в респираторах спецснаряжения для нагрева дыхательного газа при нахождении людей в экстремально низких температурных условиях, в глубоководном водолазном снаряжении для нагрева дыхательной смеси и других устройствах.
Известно нагревательное устройство, содержащее изоляционный каркас, в котором выполнены внутренняя центральная полость и пазы для перевода витков спирали размером, превышающим диаметр спирали резистивного элемента, уложенного в углубления на каркасе, обеспечивающия фиксацию намотки шага спирали (Патент США N 4602146, Кл. F24Н 3/04,1986).
Однако в известном устройстве удельная мощность выделяется равномерно по виткам спирали, не учитывается разность в температуре воздуха, проходящего через разные витки спирали, вследствие чего недостаточно эффективно используется пространство нагревателя, что увеличивает габариты устройства.
Известно принятое за прототип нагревательное устройство (патент Российской Федерации RU 2071639 С1, Кл Н05В 3/26, опубликован 18.04.97), близкое по своей технической сути к предлагаемому. Устройство имеет электроизоляционный каркас и один спиральный резистивный элемент, каркас выполнен в виде основания и закрепленных на нем, по меньшей мере, двух опорных элементов, установленных с зазором друг от друга, которые образуют пазы, позволяющие соседние витки спирали резистивного элемента укладывать на опорные элементы в противоположных направлениях.
Недостатком известного по прототипу нагревателя является недостаточно эффективное использование пространства нагревателя.
Равномерное распределение мощности по виткам секций вызывает увеличение температуры на каждой следующей от входа к выходу секции, из-за разной температуры газа, проходящего по ним, поэтому для достижения одинаковой температуры газа в устройстве прототипа требуется большая поверхность теплообмена, то есть большие габариты всего нагревателя.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности нагрева газа, понижение габаритов и веса устройства.
Поставленная задача решается следующим образом. Устройство для нагрева газового потока с проволочным электрическим нагревателем, содержащее каркас из термостойкого диэлектрического материала, выполненный в виде основания и опорных элементов, и спирального резистивного элемента, выполненного в виде нескольких секций, представляющих собой катушки, соединенные электрически параллельно, отличающееся тем, что секции представляют собой провода, навитые в виде спирали Архимеда, закрепленные продольными спицами, через которые проходит газ, и длина провода секции рассчитывается соотношениями:
1
где L - длина проводника первой секции [м];
2
L - длина проводника второй секции [м];
dn - внешний диаметр проводника [м];
1
2
α - коэффициент теплоотдачи от провода первой секции к газу [Вт/м·град];
2
2
α - коэффициент теплоотдачи от провода второй секции к газу [Вт/м·град];
Ср - удельная весовая теплоемкость газа [Дж/кг·град];
3
γ - удельная плотность газа [кг/м];
3
V - объемный расход газа [м/сек].
Длина второй секции:
3
где L - длина проводника третьей секции [м];
3
2
α - коэффициент теплоотдачи от провода третьей секции к газу [Вт/м·град].
n
где L - длина проводника n секции [м];
n+1
L - длина проводника n+1 секции (последующей секции за n секцией) [м];
n
2
α - коэффициент теплоотдачи от провода n секции к газу [Вт/м·град];
n+1
2
α - коэффициент теплоотдачи от провода n+1 секции (последующей секции за n секцией) к газу [Вт/м·град].
вых
где L - длина проводника выходной секции [м];
U - напряжение питания устройства для нагрева газового потока [В].
Данное соотношение выбирается из условия равенства температуры на выходных витках всех секций. На входе длина проводника уменьшается по сравнению с последующей за счет уменьшения сопротивления секции. Величина тока через секцию и удельная мощность увеличиваются, это приводит к росту температуры на этой секции до предельно допустимого значения. С целью закрепления проводника нагревателю в виде спирали проводник навит на каркас, выполненный из осевой трубки, на кольцах которой закреплены спицы. Между спицами в продольном направлении уложены фарфоровые трубки, скрепляемые проходящими через отверстия в них стержнями со спицами. Проводники электрического нагревателя, зажатые между фарфоровыми трубками, образуют жесткую конструкцию.
С целью определения оптимального соотношения между длинами двух рядом расположенных секций запишем уравнение температуры на проводнике на выходе газа из первой секции:
1
где θ - температура на поверхности проводника первой секции в точках выхода из нее газа [град];
1
Р - электрическая мощность первой секции [Вт];
Ср - удельная весовая теплоемкость газа [Дж/кг·град];
3
γ - удельная плотность газа [кг/м];
3
V - объемный расход газа [м/сек];
1
2
q - удельная мощность на первой секции [Вт/м];
1
2
α - коэффициент теплопередачи от первой секции [Вт/м·град].
Температура на проводнике второй секции в точке выхода из нее газа:
2
где Р - электрическая мощность второй секции [Вт];
2
2
q - удельная мощность на второй секции [Вт/м];
2
2
α - коэффициент теплопередачи от второй секции [Вт/м·град].
Удельная мощность на поверхности проводника i-й секции:
i
где L - длина проводника i-й секции [м];
dn - внешний диаметр проводника [м];
i
Р - мощность выделения на проводнике i-й секции [Вт].
Мощность выделения на проводнике i-й секции:
где ρ - удельное сопротивление по длине проводника [Ом·м];
U - напряжение питания устройства для нагрева газового потока [В].
1
2
Из условия равенства температур на поверхностях проводников двух секций в точках выхода из них газа θ=θ и подставив уравнение 3 и 4, найдем:
1
где L - длина проводника первой секции [м];
2
L - длина проводника второй секции [м].
Длина проводника второй секции нагревателя находится по отношению к длине проводника третьей секции аналогично:
3
где L - длина проводника третьей секции [м];
3
2
α - коэффициент теплоотдачи от провода третьей секции к газу [Вт/м·град].
Предельное значение температуры на третьей секции составит:
где Р - мощность всего нагревательного устройства [Вт].
Формула для определения мощности всего нагревательного устройства:
вых
где θ - температура газа на выходе из нагревательного устройства [град].
Подставим в уравнение 7 выражение 8 после преобразований, получим:
Для случая с отличным от трех числом секций катушек можно выбирать соотношение, исходящее из предыдущих формул:
;
;
n
где L - длина проводника n секции [м];
n+1
L - длина проводника n+1 секции (последующей секции за n секцией) [m];
n
2
α - коэффициент теплоотдачи от провода n секции к газу [Вт/м·град];
n+1
2
α - коэффициент теплоотдачи от провода n+1 секции (последующей секции за n секцией) к газу [Вт/м·град].
вых
где L - длина проводника выходной секции [м].
На чертеже изображена схема устройства.
Устройство содержит проволочный нагреватель, каркас из термостойкого диэлектрического материала и корпуса, выполненного из нескольких секций, в частности, трех, представляющих собой «катушки», каждый слой которых разделяется керамическими трубками, связанными крестовиной.
Проволоки нагревателя 1 навиты на каркас, выполненный из осевой трубки 2, на концах которой закреплены спицы 3. Между спиц в продольном направлении уложены фарфоровые трубки 4, скрепленные проходящими сквозь них стержнями 5, которые скрепляются со спицами. Между фарфоровыми трубками проходят проводники трех секций, которые соединены между собой электрически параллельно. Электрический проволочный нагреватель расположен в цилиндрическом корпусе 6, выполненном из полимерного материала.
Принцип работы
Газ поступает со стороны узкой секции с более короткой длиной нагреваемого проводника и проходит по каналам, образованным между проводниками и фарфоровыми трубками, и нагревается от проводника под действием тепла, выделяемого электрическим током.
Количество витков в секциях по ходу движения нагреваемого газа нарастает. Спирали нагревателя, имея зависимое уменьшение длины провода, получают при этом пропорциональное увеличение сопротивления и электрической мощности спирали.
В результате температура на всех секциях нагревателя одинакова, так как с увеличением температуры проходящего по секциям газа удельная мощность каждой секции уменьшается.
Секции соединены между собой электрически параллельно. Такая конструкция позволяет выполнить нагревательный элемент с большей поверхностью теплоотдачи, довести до предельных значений тепловой поток по всей поверхности, не превышая допустимой температуры поверхности нагревателя.
Таким образом, изменение длины провода в каждой последующей от входа секции спирали проволочного нагревателя пропорционально увеличивает значение удельной мощности на витках спиралей, что позволяет выполнить нагревательный элемент с большой поверхностью теплоотдачи, более эффективно использовать нагреватель, снизить габариты и вес устройства при сохранении технических характеристик, то есть добиться выполнения поставленной задачи. Конструкция нагревателя образует жесткий каркас, который устойчив к ударным нагрузкам и вибрациям.