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 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 потреблении этого газа.
Известен нагреватель текучей среды [1], который содержит нагревательный элемент, находящийся в тепловом контакте с его корпусом, образующим излучающую поверхность, напротив которой размещена 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 математической зависимости.
Недостатком известной конструкции нагревателя является то, что, 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 нагрева газа до номинальных температур, возникает необходимость увеличения размеров излучающей и экранирующей поверхностей, что достигается увеличением диаметра или длины нагревателя. Другими словами, необходимо увеличение его массогабаритных характеристик, что влечет за собой и соответствующее увеличение расхода констркуционных материалов. Это негативный фактор, если учесть, что в качестве последнего 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 нагрев экранирующей поверхности неизбежны, что снижает КПД процесса теплопередачи.
Таким образом, к недостаткам описанной конструкции нагревателя текучей среды следует отнести повышенную материалоемкость и относительно невысокую эффективность (КПД) теплопередачи.
Известна конструкция нагревателя текучей среды, имеющая улучшенные по отношению к аналогу технические характеристики, которая и принята за прототип. Она содержит излучающую 1 и экранирующую 3 поверхности, которые формируют теплообменный канал (фиг.1). Эти поверхности имеют физический контакт между собой по площадкам 2 в виде спирали. При этом между витками последней размещен также спиралеобразный теплообменный канал 4. Наибольший размер сечения канала не превышает двойной величины вязкого подслоя текучей среды, а его форма может быть треугольной [2].
Сущность усовершенствования состоит в том, что спиралеобразный канал 4 значительно удлиняет путь и время контакта текучей среды в зоне нагрева. Этому же способствует, и выполнение формы поперечного сечения канала в виде треугольника, увеличивая площадь взаимодействия излучающей поверхности и текучей среды за счет его боковых сторон. Физический контакт между излучающей 1 и экранирующей 3 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.
Описанное усовершенствование нагревателя позволило уменьшить его весогабаритные характеристики почти в 2 раза, ограничив его длину величиной в 62 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.
Несмотря на перечисленные достоинства нагревателя-прототипа, последний имеет и недостаток технологического плана, который состоит в том, что деталь, содержащая излучающую поверхность 1, выполняют профилированной по этой поверхности, например посредством спиралевидной треугольной резьбы. Это обстоятельство приводит к удорожанию нагревателя в целом, так как требуется дополнительная обработка соответствующей детали (нарезка резьбы).
Таким образом, задачей предлагаемой полезной модели является разработка более экономичной конструкции нагревателя.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в нагревателе текучей среды, содержащем излучающую и экранирующую поверхности, имеющими физический контакт друг с другом и образующими спиралеобразный теплообменный канал, первая из названных поверхностей выполнена в виде цилиндрического канала с гладкими стенками, а спиралеобразный канал образован на экранирующей поверхности, имеющей форму цилиндра. В качестве последнего может быть использован стандартный стальной болт с метрической резьбой. Для повышения эффективности теплообмена по впадинам резьбы болта навивается проволока с повышенной по отношению к материалу болта теплопроводностью, например меди. При этом болт установлен в цилиндрическом канале излучающей поверхности с натягом.
Нагреватель текучей среды работает следующим образом.
От нагревательного элемента (фиг.2) 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. Навитая по впадинам резьбы проволока 5 (фиг.3), которая контактирует с излучающей поверхностью точками «а» и с экранирующей поверхностью - точками «б», значительно улучшает условия передачи тепловой энергии на экранирующую поверхность. Этому же способствует и то обстоятельство, что газ движется не по одному каналу со значительной площадью сечения, а по трем, соприкасаясь с поверхностью проволоки, обладающей высокой теплопроводностью и снимающей тепловую энергию непосредственно с
излучающей поверхности, что равноценно увеличению ее площади, а значит и КПД.
Предлагаемая конструкция нагревателя разработана и прошла успешные испытания в ООО НПП «ВРТ». Она позволила уменьшить стоимость нагревателя не менее чем на 10%, что повысило его конкурентоспособность.
Источники информации, использованные при составлении описания полезной модели:
1. Патент РФ на изобретение №2214696, Н05В 3/20;
2. Патент РФ на полезную модель №40828, Н05В 3/20 - прототип.