ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ОТТАЙКИ РЕБРИСТОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ОХЛАЖДЕНИЯ

Полезная модель относится к холодильной технике, преимущественно к электрическим нагревателям оттайки теплообменников охлаждения.
Известен электрический нагреватель оттайки ребристотрубного теплообменника охлаждения [1], который содержит свободно расположенный в трубе теплообменного аппарата нагреватель, тепло от которого передается теплопроводностью и излучением. Недостатком аналога является сложное крепление нагревателя к теплообменнику, а также низкая теплоотдача из-за малой теплопроводности газа между трубой и нагревателем. Это приводит к высокой температуре работы нагревателя, что снижает его ресурс работы и надежность.
По результатам анализа научно-технической литературы [1, 2, 3, 4, 5] наиболее близкой к заявленной полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату является электрический трубчатый нагреватель оттайки ребристотрубного теплообменника охлаждения, описанный в [5]. Этот нагреватель выбран в качестве прототипа.
Недостатками прототипа является сложность крепления и установки нагревателя в трубе теплообменника элементами крепления и упругими элементами для установки нагревателя в трубе и компенсации дилатометрических перемещений. Также малая теплопроводность воздушного зазора между нагревателем и трубой теплообменника вызывает работу нагревателя при повышенных температурах, что снижает его ресурс работы и надежность.
Целью полезной модели является упрощение конструкции электрического нагревателя оттайки теплообменника охлаждения и повышение его ресурса работы и надежности.
Заявленная цель достигается тем, что в известном электрическом нагревателе оттайки теплообменника охлаждения, состоящем из трубчатого нагревателя, крепежных и упругих установочных элементов и установленного в трубе теплообменника, проходящей через ребра теплообменника, установочные и крепежные элементы выполняют Сообразными металлическими пружинами, которые устанавливают в кольцевой зазор между нагревателем и трубой. Полки пружин в поперечном сечении выполнены по дугам с радиусами, равными радиусам внешнего радиуса нагревателя и внутреннего радиуса трубы, для полок пружины, соприкасающихся с нагревателем и трубой соответственно. Кроме того, пружины установлены попарно встречно и равномерно по окружности и длине нагревателя.
Техническим результатом полезной модели является:
1. Упрощение конструкции электрического нагревателя оттайки ребристотрубного теплообменника охлаждения.
2. Повышение ресурса работы и надежности нагревателя.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам полезной модели. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к рассматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует признаку "новизна".
На Фиг. 1 представлено устройство по предложенной полезной модели.
Нагреватель 1 установлен в трубу 2 теплообменника 3, проходящую через ребра 4 теплообменника, который также содержит трубы 5 охлаждения. Пружины 6 установлены в кольцевом зазоре между нагревателем и трубой, при этом они плотно контактируют с трубой и нагревателем.
На Фиг. 2 приведен вид пружины 6.
С-образные пружины, установленные в кольцевом зазоре, выполняют за счет сил упругости и трения одновременно задачи установки нагревателя и закрепления его в трубе теплообменника. Для обеспечения хорошего механического контакта полки пружин выполняют по радиусам сопрягаемых поверхностей трубы и нагревателя. Для исключения несанкционированного асимметричного перемещения нагревателя в трубе при температурных расширениях и сжатиях нагревателя пружины направлены попарно друг к другу навстречу, исключая одностороннее воздействие на нагреватель (сопротивление нагревателю) со стороны концов полок пружин.
Для устранения перекосов и смещений нагревателя С-образные пружины расположены равномерно по его диаметру и длине.
При реализации предложенных решений отпадает необходимость в деталях и узлах крепления на нагревателе и на корпусе теплообменника, упрощается конструкция. Выполнение пружин металлическими позволяет повысить ресурс работы и надежность нагревателя, что показано ниже.
Как отмечается в [1, реферат], тепло от нагревателя передается излучением и проводимостью. Также в [6, с. 209] отмечается, что в горизонтальных цилиндрических прослойках перенос теплоты осуществляется теплопроводностью. Расчеты, проведенные для стандартных типов нагревателей, условий их работы, показали, что эквивалентная теплопроводность кольцевого зазора равна теплопроводности газа в зазоре. При рабочей температуре стандартного нагревателя 400-500 °С (см., например, [7]) теплообмен излучением пренебрежимо мал [6, с. 320, рис. 16.6], то есть теплоперенос от нагревателя происходит за счет теплопроводности.
Принимая, что в кольцевом зазоре находится воздух, эквивалентная теплопроводность кольцевого зазора равняется 0,02-0,05 Вт/м⋅К. Тело С-образной металлической пружины является проводником тепла от нагревателя к трубе. Теплопроводность металлов, используемых для изготовления пружины, составляет 45-110 Вт/м⋅К. При диаметре нагревателя 12,5 мм, внутреннем диаметре трубы 20 мм, длине полок пружины 10-15 мм, толщине металла 1 мм расчеты показывают, что при покрытии пружинами около 10% площади поверхности нагревателя квазиэквивалентная теплопроводность кольцевого зазора, которая складывается из теплопроводности воздуха и теплопроводности металла пружины, возрастает в два-три раза.
Рассматривая теплоперенос через цилиндрическую стенку [6, с. 34, формула (2.40)] применительно к нагревателю, получим:
где Q - мощность нагревателя, Вт;
λ - теплопроводность воздушного зазора, Вт/м⋅К;
l - длина нагревателя, м;
нагр
t - температура нагревателя, °С;
тр
t - температура трубы, °С;
тр
d - диаметр трубы, м;
нагр
d - диаметр нагревателя, м.
При оттайке температура трубы теплообменника держится около 0°С за счет фазового перехода (таяния) льда. С учетом этого получим зависимость температуры нагревателя от теплопроводности воздушного зазора.
Так как первый комплекс (сомножитель) в формуле (2) величина постоянная, то рабочая температура нагревателя обратно пропорциональна квазиэквивалентной теплопроводности воздушного зазора. Например, при увеличении теплопроводности в два раза, рабочая температура нагревателя, при неизменной мощности, упадет в два раза.
Снижение рабочей температуры нагревателя увеличивает его ресурс работы и надежность.
Устройство по предложенной полезной модели работает следующим образом.
При работе теплообменника в стационарном режиме охлаждения С-образные пружины за счет сил упругости и трения удерживают нагреватель 1 в трубе 2.
При накоплении льда и снеговой «шубы» на теплообменнике 3 включают нагреватель 1 для оттайки. При этом тепло передается на трубу теплообменника посредством теплопроводности воздушного зазора и по телу пружины. Дилатометрические перемещения нагревателя при нагреве компенсируются по диаметру за счет упругости пружин, а по длине - равномерным симметричным расширением от центра к концам. Симметричность расширения обеспечивается равными разнонаправленными силами сопротивления (реакциями) со стороны полок пружин.
При охлаждении нагревателя процессы перемещений и компенсации аналогичны нагреву, но в противоположных направлениях.
При оттайке от льда и снеговой «шубы» теплообменника охлаждения 3 тепловой поток на поверхность трубы 2 передается по воздуху в кольцевом зазоре и по С-образным пружинам 6. За счет высокой (относительно воздуха) теплопроводности металла для снижения температуры нагревателя от номинального 400-500°С (см., например, [7]) в два раза достаточно, чтобы суммарная площадь контакта нагревателя 1 с пружинами 6 была 10-20%.
Численные величины снижения температуры поверхности нагревателя, площадь полок пружин, контактирующих с поверхностью нагревателя, количество пружин для необходимых условий работы определяются простым логическим выводом из имеющейся совокупности знаний, очевидной для специалиста, находятся обычным проектированием и, по мнению заявителя и авторов, не являются существенными признаками и поэтому не включены в формулу полезной модели.
Для реализации полезной модели используются известные технические средства - трубчатые электронагреватели (ТЭНы) и теплообменники охлаждения широко применяются в холодильной технике и промышленности. ТЭНы в соответствии с [7] допускают внешнее давление, то есть упругое воздействие со стороны пружин.
Металлы для изготовления пружин являются доступными, их обработка производится существующими в практике методами, например предлагаемую С-образную пружину можно изготовить штамповкой.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующих совокупностей условий:
- средство, воплощающее заявленную полезную модель при его осуществлении, предназначено для промышленного использования, а именно в электрическом нагревателе оттайки ребристотрубного теплообменника охлаждения;
- для заявленной полезной модели в том виде, в котором она охарактеризована в независимом пункте изложенной формулы полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию "промышленная применимость".
Внедрение предлагаемого устройства позволяет упростить конструкцию электрического нагревателя оттайки ребристотрубного теплообменника охлаждения и повысить его ресурс работы и надежность.
Источники информации
1. Пат. №4.091.637, США. Электрический нагреватель оттайки ребристотрубного теплообменника охлаждения / Electric defrost heater for fin and tube refrigeration heat exchanger, F25D 21/08; 62/276, McQuay-Perfex, Inc.; Vogel K.E., Peterson D.A. Заявл. 13.10.1976 г., опубл. 30.05.1978 г.
2. Заявка №94027753, РФ. Воздухоохладитель, МПК F25B 39/02, Акционерное общество закрытого типа «Трансхолод»; Емельянов А.Л., Усов А.Л. Заявл. 20.07.1994 г., опубл. 27.05. 1996 г.
3. Пат. №163452, РФ, Воздухоохладитель, МПК F25D 21/00, Минпромторг России, Бушуев В.Ф. и др., Заявл. 14.03.2016 г., опубл. 20.07.2016 г.
4. Пат. №2256858, РФ, Воздухоохладитель, МПК F25D 21/08, F25D 21/14, F25B 47/02, F25F 17/00. Патентообладатели Гущин А.В., Макаревич О.А., Тулиев А.А. Заявл. 10.09.2003 г., опубл. 20.07.2005 г.
5. Пат. №7.712.327 В2, США. Теплообменник и способ размораживания теплообменника / Heat exchanger and method for defrosting a heat exchanger, F25D 21/06, Colmac Coil Manufacturing, Inc.; Nelson B.I. и др. Заявл. 19.03.2007 г., опубл. 25.09.2008 г.
6. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел., 4-е изд. - М.: Энергоиздат, 1981 г., 416 стр.
7. Электронагреватели трубчатые судовые (ТЭН). ИАБЕ.680095.001 ТУ (Редакция 2005 г.)