Нагревательное устройство (ВАРИАНТЫ)
HEATING DEVICE (VERSIONS)

Область применения
Заявленная группа технических решений относится к нагревательным устройствам на основе саморегулирующейся нагревательной ленты или кабеля и может быть использована в различных областях промышленности.
Уровень техники
Нагревательные устройства, содержащие саморегулирующиеся ленты или кабели, хорошо известны в технике.
Саморегулирующаяся лента или кабель представляют собой проводящую углеродную (полимерную) матрицу (основу), в которой размещены токопроводящие жилы, между которыми в матрице дисперсно распределены токопроводящие частицы.
Матрица характеризуется существенной зависимостью проводимости от температуры, а отрицательный температурный коэффициент сопротивления проводящих пластмасс на порядки больше, чем у меди или стали. Это обеспечивает саморегулирование тепловой мощности нагревательного кабеля или ленты. Саморегулирующаяся греющая лента или кабель может изменять свою мощность локально, только в зоне перегрева.
В процессе нагрева полимерная основа расширяется, расстояние между токопроводящими частицами, заключенными в основе, увеличивается, вследствие чего уменьшается количество токопроводящих связей (путей) в матрице между токопроводящими частицами, за счет чего возрастает сопротивление матрицы, снижается ее электропроводность, при этом локально уменьшается нагрев того участка, где произошел перегрев участка ленты или кабеля. После того, как участок ленты или кабеля остывает, полимерная основа принимает близкие к исходным размеры, и нагрев продолжается.
Саморегулирующиеся греющие ленты или кабели могут обеспечивать нагрев устройства от - 50°C до +270°C. Саморегулирующаяся лента или кабель могут снижать потребляемую мощность в зависимости температурных условий работы.
При этом следует отметить, что особенностью саморегулирующихся кабелей является наличие стартового тока. Стартовый ток является негативным явлением, поскольку он может превышать номинальный ток кабеля до 2-7 раз в зависимости от внешних температурных условий. Стартовый ток возникает в первые секунды работы саморегулирующегося кабеля и существенно влияет на сечения питающих кабелей.
Из уровня техники известна саморегулирующаяся нагревательная лента, состоящая из двух изолированных друг от друга токопроводящих жил, размещенных в проводящей полимерной матрице, заключенной в полимерную изоляционную оболочку. Лента содержит экранирующую оплетку и общую внешнюю оболочку (см. CN 109379793 A, 22.022019).
Недостаток известного решения, как и множества аналогичных, известных из уровня техники, заключается в низких эксплуатационных свойствах, заключающихся в отсутствии возможности регулирования мощности нагрева, недостаточной эффективности за счет наличия высокого стартового тока.
Раскрытие сущности
Задачей заявленной группы технических решений является создание нагревательного устройства (вариантов) на основе саморегулирующейся нагревательной матрицы, обладающего высокими эксплуатационными свойствами.
Технический результат заключается в создании нагревательного устройства (вариантов), обладающего высокой энергоэффективностью за счет снижения стартового тока устройства. Другой технический результат заявленного технического решения (вариантов) заключается в повышении эффективности нагрева и возможности внешнего регулирования его мощности за счет наличия дополнительной нагревательной жилы или замены токопроводящей жилы матрицы нагревательной жилой.
Заявленный технический результат достигается за счет использования следующей совокупности существенных признаков: нагревательное устройство содержит саморегулирующуюся проводящую полимерную матрицу с двумя токопроводящими жилами, изоляцию, экранирующую оплетку, внешнюю оболочку, причем изоляция размещается между полимерной матрицей с токопроводящими жилами и экранирующей оплеткой, согласно заявленному техническому решению, устройство содержит дополнительную нагревательную жилу, находящуюся в тепловой связи с матрицей.
Также технический результат достигается за счет использования другой совокупности существенных признаков: нагревательное устройство содержит саморегулирующуюся проводящую полимерную матрицу с двумя токопроводящими жилами, изоляцию, экранирующую оплетку, внешнюю оболочку, причем изоляция размещается между полимерной матрицей с токопроводящими жилами и экранирующей оплеткой, при этом одна из токопроводящих жил выполнена нагревательной.
Также технический результат достигается за счет использования альтернативной совокупности существенных признаков: нагревательное устройство, содержащее саморегулирующуюся проводящую полимерную матрицу с двумя токопроводящими жилами, изоляцию, экранирующую оплетку, внешнюю оболочку, причем изоляция размещается между полимерной матрицей с токопроводящими жилами и экранирующей оплеткой, при этом обе токопроводящие жилы выполнены нагревательными.
Также технический результат достигается за счет использования другой совокупности существенных признаков: нагревательное устройство содержит саморегулирующуюся проводящую полимерную матрицу с двумя токопроводящими жилами, изоляцию, экранирующую оплетку, внешнюю оболочку, причем изоляция размещается между полимерной матрицей с токопроводящими жилами и экранирующей оплеткой, при этом в экранирующую оплетку вплетена, по меньшей мере, одна изолированная нагревательная жила, находящаяся в тепловой связи с матрицей.
В частных вариантах исполнения заявленной группы технических решений, нагревательная жила может быть спирально намотана на изоляцию ленты. Нагревательная жила может быть размещена между изоляцией и экранирующей оплеткой нагревательного устройства. Нагревательная жила может быть размещена между экранирующей оплеткой и внешней оболочкой нагревательного устройства. Нагревательная жила может быть размещена на внешней стороне оболочки, с сохранением тепловой связи с матрицей. Нагревательная жила может быть выполнена из нихрома или стали, или сплавов сопротивления.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен поперечный разрез нагревательного устройства с дополнительной нагревательной жилой, находящейся в тепловой связи с матрицей и размещенной с внешней стороны оболочки.
На Фиг.2 представлен поперечный разрез нагревательного устройства с дополнительной нагревательной жилой, находящейся в тепловой связи с матрицей и размещенной под общей внешней оболочкой устройства.
На Фиг.3 представлен поперечный разрез нагревательного устройства, в котором одна из токопроводящих жил выполнена нагревательной.
На Фиг.4 представлен поперечный разрез нагревательного устройства, в котором все две токопроводящие жилы выполнены нагревательными.
На Фиг.5 представлен поперечный разрез нагревательного устройства, в котором нагревательная жила (одна), находящаяся в тепловой связи с матрицей, вплетена в экранирующую оплетку.
На Фиг.6 представлен поперечный разрез нагревательного устройства, в котором нагревательные жилы (множество), находящиеся в тепловой связи с матрицей, вплетены в экранирующую оплетку.
На Фиг.7 представлена зависимость стартового тока, возникающего в начальный момент нагрева устройства от времени нагрева устройства для случаев с дополнительной нагревательной жилы и без нее в традиционном исполнении устройства.
Осуществление технического решения
Заявленные варианты нагревательного устройства выполнены на основе саморегулирующихся лент и кабелей, состоящих из матрицы и токопроводящих жил.
Известные саморегулирующиеся кабели имеют достаточно большой стартовый ток, который составляет в 2-7 и более раз от своего рабочего значения. Причина высокого стартового тока - использование в конструкции проводящей матрицы с PTC-коэффициентом, меняющей свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры окружающей среды.
В «холодном» состоянии, саморегулирующийся кабель имеет небольшое сопротивление, которое к тому же зависит от температуры окружающей среды. При подаче питания на кабель, он начинает разогреваться, его сопротивление начинает расти, ток в цепи питания уменьшается. Коэффициент стартового тока зависит от компонентного состава и применяемых технологий при производстве матрицы кабеля.
Однако при наличии дополнительной изолированной нагревательной жилы 1 в нагревательном устройстве, при наличии тепловой связи  нагревательной жилы 1 с саморегулирующейся проводящей полимерной матрицей 2 (преимущественно понимается размещение нагревательной жилы и полимерной матрицы вблизи с возможностью быстрого нагрева), стартовый ток саморегулирующейся матрицы 2 будет значительно уменьшен за счет быстрого нагрева нагревательной жилы 1, имеющей высокое сопротивлением и передачи тепла на саморегулирующуюся матрицу 2 с токопроводящими жилами 3 (Фиг.1). Нагревательная жила 1 может быть выполнена из нихрома или стали, или сплавов сопротивления. Нагревательная жила 1 имеет изоляцию. Дополнительная нагревательная жила 1 может располагаться как с внешней стороны устройства (Фиг.1), так и внутри нагревательного устройства, например, под внешней оболочкой (Фиг.2). Нагревательные и токопроводящие жилы могут быть многожильными.
Также уменьшению стартового тока способствует использование нагревательной жилы 1 в качестве одной или двух токопроводящих жил 3 (Фиг.3, Фиг.4).
Следовательно, с уменьшением стартового тока в саморегулирующейся полимерной матрице 2, повысится энергоэффективность и функциональные эксплуатационные возможности нагревательного устройства в целом. Уменьшение стартового тока создает возможности для увеличения длины нагревательного устройства, уменьшения поперечного сечения подводящих кабелей питающей сети, токопроводящих жил в 2 и более раза, что кроме получения положительного экономического эффекта, способствует упрощению монтажа устройства и уменьшению нагрузки на схемы питания.
Кроме того, наличие дополнительной нагревательной жилы 1 в устройстве, повышает степень и эффективность нагрева окружающего пространства нагревательным устройством. Тот же эффект повышения эффективности нагрева получим при использовании нагревательной жилы в качестве одной или двух токопроводящих жил 3 (Фиг.3, Фиг.4).
Также при наличии дополнительной жилы 1 и дополнительного управляющего провода (дополнительной питающей фазы), появляется возможность регулирования мощности нагревательного устройства за счет изменения напряжения на дополнительном управляющем проводе.
Заявленное нагревательное устройство, кроме саморегулирующейся проводящей полимерной матрицы 2 с двумя токопроводящими жилами 3 и дополнительной нагревательной жилы 1, также содержит изоляцию 4, экранирующую оплетку 5 и внешнюю оболочку 6. Изоляция 4 размещается между полимерной матрицей 2 с токопроводящими жилами 3 и экранирующей оплеткой 5. Токопроводящие жилы 3 могут выполняться из меди или алюминия.
Изоляция 4, например, выполненная из фторполимерного термопласта, кроме своего прямого назначения, защищает полимерную матрицу 2 и токопроводящие жилы 3 от влаги и механического воздействия, а также способствует облегчению монтажа.
Экранирующая оплетка 5, например, выполняемая из луженой меди, предназначена для надежного заземления нагревательного устройства и его электрической защиты.
Внешняя оболочка 6, в зависимости от условий эксплуатации, может быть выполнена из разных материалов, таких как полимер и его соединения или металл.
Дополнительная нагревательная жила 1 для более эффективной и прочной тепловой связи с полимерной матрицей 2, а также для равномерного распределения тепла по нагревательному устройству, предпочтительно должна быть размещена совместно с полимерной матрицы 2 и токопроводящими жилами 3.
Допускается продольное размещение дополнительной нагревательной жилы 1 вдоль полимерной матрицы 2 между внешней оболочкой 6 и экранирующей оплеткой 5 или между оболочкой 5 и изоляцией 4. При таком расположении дополнительной нагревательной жилы 1, вышеописанные положительные эффекты также будут появляться, а заявленные технические результаты – достигаться в виду наличия тепловой связи между нагревательной жилой 1 и матрицей 2.
I
старт
В варианте выполнения нагревательного устройства, при котором одна (Фиг.3) или две (Фиг.4) токопроводящие жилы выполняются нагревательными, допускается исключение отдельной дополнительной нагревательной жилы, при сохранении вышеописанных положительных эффектов. При таком варианте выполнения устройства также повышается энергоэффективность за счет уменьшения стартового тока  и эффективность нагрева за счет выполнения нагревательных жил в качестве токопроводящих жил, при этом конструкция устройства существенно упрощается.
В другом варианте выполнения устройства, дополнительную нагревательную жилу (Фиг.5) или множество жил (Фиг.6) размещают, вплетая в экранирующую оплетку 5 (Фиг.5).
Преимуществом вплетения нагревательной жилы или множества жил 1 в экранирующую оплетку 5 является то, что можно одновременно вплести существенное множество нагревательных жил 1 для равномерного нагрева. Такое размещение, по меньшей мере, одной нагревательной жилы 1 обеспечивает надежную тепловую связь с саморегулирующейся полимерной матрицей 2 и, следовательно, также обеспечивает энергоэффективность и значительную эффективность нагрева устройства.
I
старт
Все описанные выше варианты выполнения нагревательного устройства обеспечивают снижение стартового тока  и повышают его энергоэффективность и эффективность нагрева. При этом конструкции устройства, где отсутствуют дополнительные жилы, а токопроводящие жилы заменены на нагревательные, более простые и удобные при монтаже и эксплуатации, а также менее затратные при их производстве.
I
I
I
старт
старт с нагр. жил.
раб
На Фиг.7 представлены зависимости стартового токапри традиционном выполнении нагревательного устройства (ленты), а также для случаев наличия дополнительной нагревательной жилы. На Фиг.7 представлены три зависимости стартового тока для случаев с дополнительной нагревательной жилойпри различной мощности дополнительной нагревательной жилы (a,b,c), а также время выхода нагревательного устройства на рабочий ток .
Питание токопроводящих жил и дополнительных нагревательных может осуществляться от одной фазы или от разных (независимых).
Для регулирования мощности устройства, на вспомогательную фазу может подаваться разное или пульсирующее во времени напряжение. Для устранения стартового тока, на вспомогательную фазу может подаваться постоянное напряжение в течение 3-5 сек., а затем отключаться.
Пример реализации 1
Изготавливают среднетемпературное нагревательное устройство, в составе которого на саморегулирующуюся матрицу из полимерного материала, внутри которой находятся две токопроводящие жилы, наносят изоляцию из фторполимерного термопласта и экранирующую оплетку из луженой меди. Далее устройство заключают во внешнюю полимерную оболочку, на наружную часть которой навивают дополнительную нагревательную изолированную жилу. Дополнительная жила выполняется из стали и изолируется. Токопроводящие жилы выполняют из меди.
Пример реализации 2
Изготавливают низкотемпературное нагревательное устройство, в составе которого на саморегулирующуюся матрицу из полимерного материала, внутри которой находятся две токопроводящие жилы, наносят изоляцию из термоэластопласта и экранирующую оплетку из луженой меди. Далее устройство заключают во внешнюю полимерную оболочку. Одна токопроводящая жила выполняется из меди, а другая из стали и является нагревательной.
Пример реализации 3
Изготавливают низкотемпературное нагревательное устройство, в составе которого на саморегулирующуюся матрицу из полимерного материала, внутри которой находятся две токопроводящие жилы, наносят изоляцию из термоэластопласта и экранирующую оплетку из луженой меди. Далее устройство заключают во внешнюю полимерную оболочку. Токопроводящие жилы выполняются из стали и являются нагревательными.
Пример реализации 4
Изготавливают высокотемпературное нагревательное устройство, в составе которого на саморегулирующуюся матрицу из полимерного материала, внутри которой находятся две токопроводящие жилы, наносят изоляцию из полимера и экранирующую оплетку из луженой меди. В экранирующую оплетку вплетают одну нагревательную, изолированную жилу, выполненную из стали. Далее устройство заключают во внешнюю полимерную оболочку. Токопроводящие жилы выполняют из меди или медных проволок с покрытием, например цинковое покрытие.