НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к нагревателям текучей среды, преимущественно газовой, и может быть наиболее эффективно использована для нагревания газов, например углекислого, при их редуцировании от источников высокого давления. Применение полезная модель найдет в различных областях народного хозяйства, в частности: сварки, медицины, производстве газированных жидкостей и т.п.
В процессе редуцирования газа от источников высокого давления происходит его расширение и снижение давления, что приводит к переохлаждению газа и, в конечном итоге, к перемерзанию регулирующей аппаратуры и нарушению ее функционирования, а также к нарушению технологических режимов при потреблебнии этого газа.
Известен нагреватель текучей среды [1], который содержит нагревательный элемент, находящийся в тепловом контакте с его корпусом, образующим излучающую поверхность, напротив которой размещен экранирующая поверхность. Обе поверхности формируют между собой теплообменный канал, по которому перемещается текучая среда, подлежащая нагреву. При этом, расстояние между поверхностями (зазор) выполнено не более величины вязкого подслоя текучей среды, которая определяется в зависимости от динамической вязкости последней, ее скорости и плотности по известной из прототипа математической зависимости.
Недостатком известной конструкции нагревателя является то, что, реально, исходя из требований технологичности, излучающая и экранирующая поверхности являются цилиндрическими в силу чего теплообменный канал имеет в поперечном сечении кольцевую форму. Для повышения эффективности теплопередачи, в плане гарантированного нагрев газа до номинальных температур, возникает необходимость увеличения размеров излучающей и экранирующей поверхностей, что достигается увеличением диаметра или длины теплонагревателя. Другими словами, необходимо увеличение его массогабаритных характеристик, что влечет за собой и соответствующее увеличение расхода конструкционных материалов. Это негативный фактор, если учесть, что в качестве последних чаще всего используется латунь, обладающая высокими теплопроводными свойствами. С другой стороны, в конструкции нагревателя с цилиндрической формой теплообменного канала, даже при выполнении зазора не более величины вязкого подслоя текучей среды,
потери на непроизводительный нагреву экранирующей поверхности неизбежны, что снижает КПД процесса теплопередачи.
Таким образом, задачей предлагаемого усовершенствования является снижение материалоемкости конструкции нагревателя и повышение эффективности (КПД) теплопередачи.
Поставленная задача решается за счет того, что в нагревателе текучей среды, содержащем излучающую и экранирующую поверхности, которые формируют теплообменный канал, эти поверхности имеют контакт между собой, выполненный в виде спирали. При этом, между витками последней размещен также спиралеобразный теплообменный канал. Наибольший размер сечения канала не превышает двойной величины вязкого подслоя текучей среды, а форма его может быть, например, в виде треугольника или прямоугольника.
Техническая сущность предлагаемого усовершенствования состоит в том, что спиралеобразный канал значительно удлиняет путь и время контакта текучей среды в зоне нагрева. Этому же способствует и выполнение формы поперечного сечения канала, например в виде треугольника, увеличивая площадь взаимодействия излучающей поверхности и текучей среды за счет его боковых сторон. Физический контакт между излучающей и экранирующей поверхностями ведет к непосредственной передаче тепловой энергии от первой ко второй, превращая последнюю в излучающую. Таким образом, поток текучей среды оказывается практически взаимодействующим только с излучающей поверхностью, которая охватывает его со всех сторон. Это обстоятельство позволяет увеличить наибольший размер теплообменного канала до двойного значения величины вязкого подслоя, что также способствует повышению эффективности процесса теплопередачи.
На чертежах, прилагаемых к описанию (фиг.1, 2, 3), дано схематическое изображение различных конструктивных вариантов нагревателя предлагаемой конструкции.
Нагреватель состоит из нагревательного элемента (на чертеже не показан), имеющего тепловой контакт с излучающей поверхностью 1, которая находится в физическом контакте по площадкам 2 с экранирующей поверхностью 3. Площадки 2 имеют форму спирали. Наиболее простым конструктивным воплощением описанной конструкции является обычная метрическая резьба (фиг.1), у которой частично на болте уменьшена высота профиля, или прямоугольная резьба (фиг.2) с также частично уменьшенной
высотой профиля винта. На фиг.3 дан конструктивный вариант с экранирующей поверхностью, образованной спирально навитой проволокой. Во всех случаях имеется спиральный теплообменный канал 4, расположенный между площадками 2. Форма канала определяется соответствующей конструкцией нагревателя. Это могут быть треугольное или прямоугольное сечения, а также любая геометрическая конфигурация. Наибольший размер сечения теплообменного канала не должен превышать двойной величины вязкого подслоя текучей среды, т.е. - 28. На чертежах (фиг.1, 2, 3) тепловой поток Q от излучающей поверхности 1 к экранирующей поверхности 3, передаваемый по площадкам контакта 2, изображен стрелками соответствующего направления.
Нагреватель текучей среды работает следующим образом.
От нагревательного элемента тепловой поток Q попадает на излучающую поверхность 1. Кроме того, через площадки 2 этот поток попадает на экранирующую поверхность 3. Текучая среда - газ, перемещаясь по спиральному теплообменному каналу 4, получает тепловую энергию со стороны всех поверхностей, образующих этот канал. Это обстоятельство дает возможность увеличить наибольший размер сечения канала до 25 без потери качества теплопередачи, зависящего от перемещения потока текучей среды в пределах вязкого подслоя или вне его.
Предлагаемое усовершенствование нагревателя позволило уменьшить его весогабаритные характеристики почти в 2 раза, ограничив его длину величиной в 42 мм, а диаметр в 32 мм. При этом, в условиях максимальной производительности в 30 л/мин на углекислом газе с баллонным давлением последнего в 50 атм, температура газа на выходе из регулятора расхода, после его редуцирования, была всегда положительной. В установившемся режиме длительного пользования температура газа находилась на стабильном уровне в 18-20°С.
Предлагаемая конструкция нагревателя разработана и прошла испытания в ООО НПП «ВРТ».
1. Патент РФ №2214696, Н 05 В 3\20, Нагреватель текучей среды - прототип.