Обогреватель емкости

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для подогрева замерзших или вязких жидкостей, чтобы продукт в них довести до жидкого состояния и пустить в технологию.
Известны поверхностные электронагреватели для емкостей, представляющие собой вмонтированный в ПВХ оболочку гибкий, плоский нагреватель, снабженный с внешней стороны теплоотражающим и теплоизолирующим слоями (см., например, информационные листки «Обогрев емкостей, бочек, еврокубов», 2012 г. фирм «Альфа-мегаполис» и «Новые технологии» Москва. Информационные листки прилагаются).
Известно поверхностное электронагревательное устройство (авт. св. №965027, кл. Н05В 3/06), содержащее жесткий цилиндрический корпус, к которому прикреплены секции электронагревателя, выполненного в виде гибкого резистивного проволочного элемента, снабженного слоем электроизоляции и расположенного петлеобразно с возможностью плотного прилегания к боковой поверхности нагреваемой емкости.
Серьезным недостатком вышеприведенных устройств является малая эффективность работы и большие потери тепла в атмосферу. Малая эффективность работы приведенных устройств объясняется тем, что нагрев содержимого емкостей происходит только через низкую теплопроводность нагреваемых сред, так как нагреватели расположены со стороны боковых поверхностей емкостей. А так как содержимое емкостей (нефтепродукты, вазелины, парафины и др.) имеет низкую теплопроводность, то разогрев содержимого емкостей происходит долго, присутствует перегрев продукта в пристеночных зонах, что сказывается на качестве продукта – происходит его разложение и большие потери тепла в атмосферу с наружных поверхностей поверхностных нагревателей и самих емкостей. В известных устройствах отсутствует один из самых эффективных видов теплопередачи – конвективный, когда нагрев продукта происходит снизу, как при кипячении воды в чайнике. В учебнике «Физика» за 8-ой класс, автор Перышкин А.В. 2004 стр. 15-16 сказано, что для получения естественной конвекции жидкости и газы следует нагревать снизу.
За прототип авторами принят обогреватель емкости (патент на полезную модель №179355), содержащий коробчатый корпус с конфигурацией сечения в горизонтальной плоскости, подобной конфигурации сечения в горизонтальной плоскости обогреваемой емкости, внутри которой соосно с внешним и внутренним опорными элементами, скрепленными с верхней и нижней стенками корпуса, размещен резистивный нагреватель. Свободная полость обогревателя заполнена диэлектрическим наполнителем. Резистивный нагреватель выполнен в виде спирали на ту или иную электрическую мощность, от которой нагревается верхняя теплоизлучающая стенка, а от нее дно обогреваемой емкости, дальше обогреваемый продукт в емкости в придонной области через теплопроводность продукта и дальше включается в работу конвективный теплообмен, когда разность плотностей нагретых и холодных частиц продукта в емкости заставляет его частицы двигаться снизу вверх и сверху вниз, то есть, происходит естественное перемешивание продукта в емкости.
Обогреватель по прототипу имеет ряд недостатков.
Во-первых, имеет место неравномерный нагрев верхней теплоизлучающей стенки, над спиралью теплоизлучающая стенка имеет более высокую температуру, чем области верхней стенки, удаленные от спирали, т.е. часть продукта в емкости будет нагреваться, а часть – недогреваться, а главное, будет уменьшена теплоотдача, так как площадь поверхности верхней теплоизлучающей стенки с меньшей температурой оказывается больше, чем с высокой, и это сказывается на эффективности конвективного теплообмена. Так как количество передаваемого тепла, определяемое формулой (см., например, книгу «Процессы и аппараты химической технологии», авторы А.П. Плановский и др. – М.: Химия, 1966. – стр. 370, 383, 393),
Q = α ⋅ F ⋅ Q ⋅ τ,
где α – коэффициент теплоотдачи;
F – площадь поверхности стенки;
Q – температурный напор или разность температур между нагревающимся дном обогреваемой емкости и продуктом в емкости;
τ – время,
пропорционально температурному напору и площади поверхности, обеспечивающей оптимальный температурный напор, то нам желательно в обогревателе эти два параметра иметь максимальными, т.е. и температуру дна иметь максимальной (но без перегрева!) и площадь поверхности дна с такой температурой также максимальной.
Во-вторых, нихром является дорогим материалом, его применение удорожает обогреватель.
В-третьих, применение твердого наполнителя все-таки ведет к нагреву не только верхней теплоизлучающей стенки, но, хотя и не до такой температуры, и других элементов обогревателя. Также такой наполнитель утяжеляет обогреватель.
В-четвертых, так как нихром в спиральном нагревателе имеет очень малый температурный коэффициент сопротивления (0,00017), то после окончания расплава продукта в емкости начнет увеличиваться его температура и, если не отключить нагреватель от источника питания, то возможен перегрев продукта. Желательно после расплава продукта мощность нагрева уменьшать.
Задача предлагаемого обогревателя – устранить вышеуказанные недостатки.
Поставленная задача в предлагаемом обогревателе, содержащем коробчатый корпус с конфигурацией сечения в горизонтальной плоскости, подобной конфигурации сечения в горизонтальной плоскости обогреваемой емкости, внутри которого соосно с внутренним и внешним опорными элементами, скрепленными с верхней и нижней стенками корпуса, размещен резистивный нагреватель и свободная полость которого заполнена диэлектрическим наполнителем, достигается тем, что верхняя стенка выполнена из двух скрепленных пластин, между которыми размещены навитые по спирали Архимеда витки резистивного нагревателя в изоляции, одна из пластин, обращенная к дну обогреваемой емкости, выполнена из теплопроводного материала, а вторая - из двух слоев: теплоотражающего и теплоизолирующего.
Дополнительно предлагается резистивный нагреватель выполнить стальной проволокой в изоляции.
Дополнительно предлагается в качестве диэлектрического наполнителя в обогревателе использовать газонаполненную пластмассу.
Дополнительно предлагается в качестве диэлектрического наполнителя использовать полые микросферы.
В результате решения поставленной задачи получен технический результат, заключающийся в равномерности нагрева верхней теплоизолирующей пластины, так как резистивный нагреватель, выполненный в виде спирали Архимеда в один сплошной виток к витку слой резистивной проволоки в изоляции, равномерно нагревает верхнюю теплоизлучающую пластину. Температуру теплоизлучающей пластины можно измерять выбором величины напряжения питания, геометрическими размерами (длиной, диаметром) и сортаментом проволоки в очень широком диапазоне. Использование в качестве резистивной проволоки из металла с положительным температурным коэффициентом сопротивления, например, из стали, кроме уменьшения стоимости имеет и другой положительный эффект. По мере нагрева продукта в емкости после расплава температура верхней теплоизолирующей стенки и резистивной проволоки из нихрома будет увеличиваться, возможен перегрев продукта в придонной области. Но если спираль Архимеда будет выполнена из стальной проволоки с положительным температурным коэффициентом сопротивления, то перегрева не будет. Пока идет расплавление продукта в емкости, температура верхней теплоизолирующей пластины и резистивного нагревателя остается примерно постоянной, так как все тепло идет на расплав продукта. Когда расплавление закончится, начнет повышаться температура продукта. Но повышению температуры продукта будет препятствовать повышение омического сопротивления витков резистивного нагревателя, навитых по спирали Архимеда. Например, если спираль Архимеда будет нагрета до 100°С, то ее омическое сопротивление увеличится в 1,5 раза, и в 1,5 раза уменьшится потребляемая электрическая мощность. Наступает как бы защита от перегрева продукта в емкости.
Так как предлагается в качестве диэлектрического накопителя использовать газонаполненную пластмассу с малым коэффициентом теплопроводности, то резко уменьшаются теплопотери в атмосферу, все элементы конструкции, кроме верхней теплоизолирующей пластины, имеют невысокую температуру. Одновременно уменьшается вес обогревателя и появляется возможность уменьшить толщину обогревателя, что позволит наклонять емкость на меньший угол при подкладывании обогревателя под дно емкости, что очень важно при работе с обогревателем. При больших температурах разогрева в качестве диэлектрического наполнителя предлагается использовать полые стеклянные или керамические вакуумированные микросферы, имеющие низкие коэффициент теплопроводности и удельный вес, и высокую рабочую температуру использования (информационный листок прилагается).
На прилагаемом чертеже (фиг. 1) представлен вариант исполнения предлагаемого обогревателя.
Обогреватель емкости содержит коробчатый корпус, состоящий из внутреннего 1 и наружного 2 опорных элементов, скрепленных с верхней стенкой 3 и нижней стенкой 4. Верхняя стенка 3 выполнена из двух скрепленных между собой пластин, одна из которых 5, обращенная к дну обогреваемой емкости (на чертеже емкость не показана), выполнена из теплопроводного материала, а вторая – из двух слоев теплоотражающего 6 и теплоизолирующего 7. Между пластиной 5 и слоями 6 и 7 размещены навитые по спирали Архимеда витки 8 резистивного нагревателя. Свободная полость обогревателя заполнена наполнителем 9 из газонаполненной пластмассы, которая имеет низкий коэффициент теплопроводности, достаточно высокую (до 300°С) рабочую температуру и малый удельный вес (см., например, книгу «Материаловедение», авторы Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. – М.: Издательский Дом Альянс, 2009 – стр. 472). Выводные концы (на чертеже не показаны) спирали Архимеда подсоединены к клеммам 10 в колодке 11 штепсельной вилки из термостойкого материала АГ- 4В. Теплопроводную пластину 5 можно выполнить из дюралюминия, который имеет высокую твердость на изгиб, высокую теплопроводность и малый удельный вес. Голую резистивную проволоку спирали Архимеда необходимо разместить в теплостойкой изоляции (на чертеже не показана), лучше всего для этого подойдет кремнеземный полый шнур-чулок, рабочая температура которого достигает 1100°С (информационный листок прилагается. В качестве теплоотражающего слоя 6 пойдет полированная пластина из любого металла, лучше всего подойдет тонкая, полированная с одной стороны, пластина из дюралюминия. Пластина здесь работает как теплоотражающий экран от теплового излучения со спирали Архимеда (см., например, книгу «Техническая термодинамика и теплопередача», автор В.В. Нащокин – М.: Высшая школа, 1990, – стр. 415 – 416). Очень удобно в качестве одновременно теплоотражающего и теплоизолирующего материала в предлагаемом обогревателе использовать фольгированные гетинакс или стеклотекстолит. Опорные элементы 1 и 2 можно выполнить из твердой теплостойкой пластмассы или пористого алюминия, их основное назначение – это помочь обеспечить прочность конструкции обогревателя на сжатие.
Работает устройство следующим образом.
Подкладывают предлагаемый обогреватель под емкость с продуктом и к штепсельной вилке подсоединяют переносную штепсельную розетку (см., например, книгу «Технический словарь школьника», авторы Пешков Е.О. и Фадеев Н.И, - М.: Учпедгиз, 1961 г., стр113), подключенную к источнику тока. Использование штепсельной вилки с открытыми клеммами 10 и штепсельной розетки с закрытыми контактами (на чертеже не показаны) соответствуют требованию техники безопасности: контакты с электрическим напряжением должны быть закрыты. Через спираль Архимеда начинает течь ток, который разогревает витки 8 спирали Архимеда, от нее – теплоизолирующую пластину 5, а от неё начинает греться дно емкости и через теплопроводность – близлежащие к дну слои продукта. По мере нагрева нижних слоев продукта нагретые частицы становятся легче и поднимаются вверх, а холодные частицы продукта опускаются вниз, на место поднявшихся вверх. По мере увеличения температуры дна емкости и нижних слоев продукта в придонной зоне процесс подъема нагретых частиц вверх и опускания холодных частиц вниз (конвекции) увеличивается. Здесь имеют место два вида теплообмена: через теплопроводность продукта в придонной зоне и через конвекцию выше этой зоны. Эти два вида теплообмена возможны только при нагреве емкости снизу. И чем выше температурный напор и площадь поверхности с таким температурным напором, тем эффективнее идет теплообмен через конвекцию. Этому в значительной степени способствует выполнение нагревателя в виде спирали Архимеда, когда её витки 8 равномерно распределены по всей площади поверхности теплоизлучающей пластины 5. Правда, со временем начинают нагреваться и другие элементы конструкции обогревателя. Но в предлагаемом обогревателе предусмотрены меры для уменьшения тепловых потерь, например, для уменьшения нагрева нижней стенки 4 между ней и нагревателем размещены теплоотражающий слой 6, теплоизолирующий слой 7 и газонаполненный наполнитель 9 с малым коэффициентом теплопроводности или полые микросферы, если температура нагрева выше температуры использования высокотемпературной газонаполненной пластмассы, например, пенополиуритана, но они дороже. Как уже отмечалось ранее, в зависимости от требуемой температуры нагрева в качестве провода для спирали Архимеда может быть использован круглый или плоский медный провод с эмалевой изоляцией со сроком службы 30 лет следующих марок для работы при температурах до: 105°С – ПЭЛ; 120°С- ПЭВ-1 и ПЭВ-2; 130°С_ ПЭТВ; 200°С – ПЭТК; 240°С- ПСДК с изоляцией из двух слоев стекловолокна, пропитанных кремнеорганическим лаком или современных проводов марок до: 155°С – ПЭТ-155; 180°С – ПЭТ-180; 200°С – ПЭТ-200. Стальные и алюминиевые провода, выпускаемые во всевозможной изоляции, тоже могут использоваться.