Трубчатый электронагреватель

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к трубчатым электронагревателям, и может быть использована для нагрева различных сред, например воздуха, воды или других жидкостей.
Известен трубчатый электронагреватель, состоящий из навитой на керамический изолятор спирали, установленной в кварцевом кожухе. Кварцевый кожух расположен в металлическом кожухе на амортизаторе, а пространство между кожухами заполнено наполнителем, состоящим из электротехнического периклазового порошка или оксида кремния, при этом в ближний к кварцевому кожуху слой наполнителя добавлен графитовый порошок или сажа. [Патент изобретение RU 2128893, дата публикации 10.04.1999, дата приоритета 24.10.1995, МПК Н05В 3/44, Н05В 3/60]
Известен трубчатый высоковольтный электронагреватель для систем водяного отопления, состоящий из металлического кожуха, стакана кварцевого, керамической вставки с навитой на нее нагревательной спиралью, отличающийся тем, что зазор между кожухом и стаканом заполнен периклазовым порошком. [Патент на полезную модель RU 983, дата публикации 16.10.1995, дата приоритета 25.02.1994, МПК Н05В 3/40]
В качестве прототипа был выбран трубчатый высоковольтный электронагреватель для систем водяного отопления, состоящий из металлического кожуха, керамического стержня с вложенной в его пазы нагревательной спиралью и концевых изоляторов, отличающийся тем, что между металлическим кожухом и керамическим стержнем расположена втулка из слюдобумаги, а зазоры между кожухом, втулкой и стержнем заполнены порошком периклаза электротехнического. [Патент на полезную модель RU 1782, дата публикации 16.02.1996, дата приоритета 18.07.1994, МПК Н05В 3/40].
Общими недостатками известных устройств является то, что их использование для нагрева сред, отличных от воды, невозможно, так как корпус электронагревателя требует постоянного охлаждения, а при взаимодействии материала корпуса с составом нагреваемой среды, на его поверхности образуется накипь, вследствие чего электронагреватель может выходить из строя. Кроме того, недостатком является необходимость использования высоких напряжений, что снижает безопасность устройства и общую эффективность процесса нагрева, увеличивая энергозатраты.
Техническая задача заявляемого устройства заключается в снижении энергоемкости трубчатого электронагревателя с одновременным повышением надежности и обеспечением возможности его использования для нагрева различных сред.
Техническим результатом является снижение потребляемой трубчатым электронагревателем энергии при снижении общего времени нагрева среды, а также снижение вероятности выхода из строя и обеспечение возможности его использования для нагрева воды, воздуха и различных корозионно-активных жидкостей.
Сущность заявляемого устройства заключается в следующем.
Трубчатый электронагреватель содержит корпус, стержень из диэлектрического материала и спираль из токопроводящего материала, навитую на стержень, при этом пространство между стержнем и корпусом заполнено диэлектрическим материалом. В отличие от прототипа, стержень выполнен полым, спираль проходит через внутреннее пространство стержня и навита на его внешнюю поверхность, при этом корпус и стержень выполнены из металлокерамики, а пространство внутри стержня, между стержнем и корпусом заполнено кварцевым песком.
Корпус и стержень трубчатого электронагревателя выполнены из металлокерамики, которая является химически инертным материалом, то есть обладает низкой реакционной способностью, ее температура плавления составляет не менее 1500°С. За счет выполнения корпуса и стержня электронагревателя из материала с вышеописанными характеристиками обеспечивается возможность его использования для нагрева воздуха, воды и различных коррозионно-активных жидкостей, поскольку материал не вступает в реакцию с ионами и солями металлов, а также иными примесями, входящими в состав нагреваемых веществ. Кроме того, благодаря высокой температуре плавления для нагрева могут быть использованы высокие токи при более низком напряжении, что обеспечивает снижение энергетических затрат.
Материал для заполнения пространства внутри корпуса и стержня может быть порошкообразным, например кварцевый песок, очищенный путем прокаливания. Кварцевый песок в результате нагрева плавится, а затем застывает, образуя единое безвоздушное пространство с корпусом и стержнем, что позволяет изолировать спираль от взаимодействия с кислородом за счет эффективного и равномерного распределения материала по всему объему пространства без образования пустот, а также повышает надежность устройства, обеспечивая работоспособность даже в случае повреждения корпуса.
Спираль может быть выполнена из любого токопроводящего материала, например, меди, нихрома и т.д., предпочтительно, из оцинкованной низкоуглеродистой стали, при этом диаметр поперечного сечения спирали должен быть не менее 0,5 мм. Спираль может быть покрыта другими токопроводящими материалами или составами.
Материалы, из которых выполнен трубчатый электронагреватель, имеют одинаковый коэффициент теплового расширения, за счет чего исключается возможность деформации отдельных составных частей под действием температуры и образования пустот внутри корпуса.
Внешний и внутренний диаметры полого стержня и корпуса выбираются из расчета необходимой мощности для нагрева выбранной среды. Начальными параметрами для определения размеров являются величина напряжения и тока, которые определяют величину сопротивления и поперечное сечение спирали. Исходя из полученных данных, определяется диаметр полого стержня, диаметр корпуса, количество витков спирали и ее длина, при этом оптимальной разницей между диаметром витка спирали и внутренним диаметром корпуса является 1-2 мм.
С одной стороны корпус выполнен герметичным, а с другой стороны устанавливается оголовок с внешней резьбой и запорной арматурой, через который выводятся концы спирали. Оголовок заполняется любым материалом с низкой реакционной способностью и устойчивым к высокой температуре, например эпоксидным клеем.
Заявляемый трубчатый электронагреватель характеризуется следующими отличительными существенными признаками:
- использование кварцевого песка для заполнения пространства внутри полого стержня позволяет предотвратить поступление кислорода внутрь корпуса и окисления спирали, за счет чего исключается возможность ее коррозии, а также снижает вероятность выхода из строя электронагревателя в случае повреждения корпуса за счет образования единого безвоздушного пространства при изменении агрегатного состояния кварцевого песка в результате нагрева;
- полый стержень и спираль, проходящая через его внутреннее пространство и навитая на его внешнюю поверхность, обеспечивают возможность вывода обоих концов спирали для подключения к источнику тока с одной стороны корпуса электронагревателя без его изгиба, что увеличивает его износостойкость, и как следствие, снижает вероятность выхода электронагревателя из строя;
- корпус, выполненный из металлокерамики обладает низкой реакционной способностью, что предотвращает образование накипи и обеспечивает возможность использования устройства для нагрева воздуха, воды и различных коррозионно-активных жидкостей;
- материалы корпуса и стержня, имеющие температуру плавления свыше 1500°С и одинаковый коэффициент расширения, обеспечивают возможность осуществлять нагрев на высокие температуры посредством высоких токов.
Совокупность вышеперечисленных существенных признаков позволяет осуществлять нагрев высокими токами с более низким рабочим напряжением, что снижает энергоемкость процесса при одновременном повышении скорости нагрева, и, как следствие, приводит к существенному увеличению КПД процесса нагрева.
Таким образом, заявляемый трубчатый электронагреватель обладает новыми, ранее неизвестными из доступных источников информации свойствами, заключающимися в возможности осуществления быстрого нагрева воды, воздуха и различных коррозионно-активных жидкостей на высокие температуры при низком напряжении (низком потреблении энергии) и низкой вероятности выхода электронагревателя из строя, обеспечиваемыми особенностями конструкции и характеристик выбранных материалов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Заявляемая полезная модель может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что позволяет судить о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Заявляемое устройство поясняется следующим чертежом.
Фиг. 1 - продольный разрез трубчатого электронагревателя.
Трубчатый электронагреватель содержит герметичный корпус 1, внутри которого размещен полый стержень 2, и спираль 3, которая проходит внутри полого стержня и навита на его внешнюю поверхность, а концы спирали 4 выведены наружу корпуса. С одной стороны корпус запаян, с другой стороны установлен оголовок 5 с внешней резьбой и запорной арматурой, через который выводятся концы спирали 4. Пространство между корпусом 1 и стержнем 2, а также внутри стержня 2 заполнено кварцевым песком 6, а оголовок заполнен эпоксидным клеем.
Трубчатый электронагреватель работает следующим образом.
Напряжение 220 В, проходя через понижающий трансформатор (не показано на чертежах) от 1 кВ, понижается до необходимого напряжения в диапазоне от 5 до 40 В, после чего подается на концы спирали 4. Спираль 3 под действием высокого тока нагревается до температуры от 800 до 1500°С, тепловая энергия рассеивается через кварцевый песок 6, которым заполнено пространство между корпусом 1 и стержнем 2 и пространство внутри стержня 2 электронагревателя, равномерно распределяясь по всей поверхности корпуса 1.
С целью подтверждения достижения технического результата были изготовлены опытные образцы. В результате испытания опытных образцов было выявлено, что при испытании заявляемого трубчатого электронагревателя для нагрева воды при низком напряжении время нагрева на одинаковую температуру, в сравнении с прототипом, сократилось более, чем в 1,3 раза, а объем потребленной мощности в единицу времени в 1,5 раза, при испытании для нагрева воздуха потребленная мощность в единицу времени сократилась в 2 раза. Указанные результаты экспериментальных мероприятий свидетельствуют о снижении совокупных энергетических затрат, необходимых для достижения аналогичного эффекта, в среднем в 2-2,2 раза. Полученные значения величин представлены в Таблице 1.