ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ
ELECTRIC HEATER

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высокотемпературным электрическим нагревательным элементам трубчатой формы, обеспечивающим температуру наружной поверхности трубки-оболочки около 1000°C и способным выдерживаться при данной температуре нескольких десятков часов на открытом воздухе.
Известен электронагревательный стержень в трубчатом кожухе (патент Германии №3304488, H05B 3/48, опубл. 23.08.1984), содержащий электронагревательную спираль, которая навита на держатель, расположенный по оси нагревательного стержня, и залита уплотняющим изоляционным материалом. Спираль связана с выступающим из трубчатого кожуха присоединительным болтом. Для того чтобы во время процесса работы держатель мог свободно выдерживать возникающие удлинения трубчатого кожуха без негативных последствий для электронагревательной спирали, между металлическим колпачком, расположенным на конце держателя и электрически связанным с электронагревательной спиралью, и противолежащим присоединительным болтом расположен эластичный или пружинящий промежуточный элемент.
Недостатком данного устройства является недостаточная мощность тепловыделения, что является причиной невысокого коэффициента полезного действия такого нагревателя.
В качестве прототипа выбран электрический нагреватель (патент США №5247158, H05B 3/44, опубл. 21.09.1993), в состав которого входит нагревающий элемент, трубчатая металлическая оболочка, расположенная вокруг нагревательного элемента с некоторым зазором, слой изолятора внутри оболочки для электрической изоляции нагревательного элемента от контакта с оболочкой и заглушка, закрывающая оболочку с одной из сторон. Через заглушку проделан канал в продольном направлении. Как минимум один силовой провод, адаптированный для подсоединения к источнику электрической энергии, проходит через канал для подачи электрической энергии на нагревательный элемент. Силовой провод состоит из электрического проводника, металлического рукава вокруг проводника и изолятора, который изолирует проводник от контакта с рукавом. У проводника имеется терминал для обеспечения электрической связи с нагревательным элементом. Уплотнитель, расположенный между оболочкой и заглушкой на одном из концов оболочки, предохраняет пространство между оболочкой и заглушкой от попадания в него посторонних веществ.
Недостатком данного нагревателя является невысокая удельная тепловая мощность, конструкция электрического нагревателя не предусматривает распределение теплоотдачи по его длине и имеет определенное соотношение диаметра к длине, что делает невозможным его применение в труднодоступных местах.
Основные задачи изобретения заключаются в обеспечении:
3
- сверхвысокой удельной тепловой мощности трубчатого электрического нагревателя (ТЭН) - до 200 Вт на 1 см собственного объема при малых габаритах изделия;
- температуры наружной поверхности трубки-оболочки около 1000°C, которая может выдерживаться при данной температуре несколько десятков часов на открытом воздухе;
- неравномерности тепловыделения по длине ТЭН (обеспечивается за счет шага навивки на сердечник нагревательных элементов);
- стойкости резистивных нагревательных элементов к возможным вибрационным и механическим нагрузкам на ТЭН при рабочей температуре;
- устойчивости протекания теплового процесса и равномерности распределения выделяемого теплового потока по поверхности устройства;
- высокой механической прочности и эксплуатационной надежности.
Таким образом, технический результат заключается в повышении конструктивных и эксплуатационных характеристик нагревательного устройства.
Технический результат достигается тем, что в известном электрическом нагревателе, содержащем металлический цилиндрический корпус, в котором коаксиально установлен сердечник, с обернутым вокруг него нагревательным элементом, выполненным из двух проводников, концы которых соединены с токовводом, герметично установленным в торце цилиндрического корпуса, второй его торец герметично закрыт заглушкой, согласно изобретению проводники нагревательного элемента имеют прямолинейные участки, переходящие в спиралевидную форму, витки которых уложены в имеющиеся канавки сердечника, при этом шаг навивки от периферии к центру уменьшается, прямолинейные участки проводников разделены теплосъемным элементом и соединены с токовводом через контактный узел, имеющий в своем составе термокомпенсирующий элемент, при этом наружная поверхность сердечника и внутренняя поверхность корпуса покрыты теплоотражающим составом, а полость корпуса заполнена инертным материалом. Каждый из проводников повернут на 180 градусов и навит в одну и другую сторону вокруг сердечника. Сердечник может быть выполнен составным и части его могут быть соединены между собой при помощи штырей, установленных с натягом в имеющиеся пазы. Теплопоглощающий состав имеет коэффициент черноты не менее 0,8.
Таким образом, электрический нагреватель состоит из нагревательных элементов (кабель с высоким удельным сопротивлением), сердечника, зоны термокомпенсации и зоны токоввода. Нагревательные элементы навиваются на профилированный стержень (сердечник) от прямолинейных участков до спиралевидных, при этом шаг намотки увеличивается к центру, за счет этого регулируется ступенчатое выделение электронагревателя. Пазы в сердечнике выполнены так, чтобы нагревательные элементы максимально передавали температуру на корпус. Зона термокомпенсации состоит из контактного узла, который компенсирует удлинение нагревательных элементов во время их работы и их излом в процессе работы электрического нагревателя. Узел токоввода обеспечивает подвод тока к нагревательным элементам, при этом токоведущие выводы кабельного изделия выполнены «холодными» за счет использования проводников с низким удельным электросопротивлением, при этом образуется разделение ТЭН на «горячую» и «холодную» зоны. За счет более частого шага навивки нагревательных элементов на сердечник в его центральной части, максимальная температура достигается именно там, а ближе к краям ТЭНа она в несколько раз ниже. Нагревательные элементы навиты на сердечник параллельно друг другу по всему диаметру сердечника. При навивке нагревательные элементы перегибаются на 180 градусов на сердечнике для навивки их в обратном направлении, что позволяет упростить конструкцию.
Во время экспериментов было замечено, что температура распределяется неравномерно: самая высокая - в местах укладки нагревательного кабеля, а наиболее низкая - между витками кабеля. Для равномерного распределения температуры на поверхности корпуса ТЭН, наружная поверхность сердечника и внутренняя поверхность корпуса покрыты теплопоглощающим составом. Покрытие равномерно распределяет тепло, позволяет выдерживать высокотемпературные циклические нагрузки и подвергаться нагреву и выдержке около 1000°C. Предельно высокая рабочая температура резистивных нагревательных элементов и электрических контактов требует однозначную необходимость их защиты от кислорода воздуха для обеспечения необходимого ресурса ТЭН, в связи с этим корпус выполнен герметичным и заполнен инертным газом.
На фиг. 1 показана конструкция электрического нагревателя, на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1.
Электрический нагреватель содержит герметичный металлический корпус 1, представляющий из себя трубу, внутренняя часть которого покрыта теплопоглощающим составом с коэффициентом черноты не менее 0,8. В корпус установлен профилированный сердечник 2, который также имеет теплопоглощающее покрытие с коэффициентом черноты не менее 0,8. В качестве покрытия было применено гальваническое покрытие, так называемое «черное никелирование». Сердечник 2 выполнен составным, части его соединены между собой при помощи штырей 3, установленных с натягом в имеющиеся пазы. Сердечник 2 обернут нагревательным элементом 4, выполненным из двух проводников, уложенных в профили сердечника 2, каждый из которых повернут на 180 градусов через хвостовик 5 и навит в одну и другую сторону вокруг сердечника 2, при этом шаг навивки от периферии к центру уменьшается. Концы проводников имеют прямолинейный участок, разделены теплосъемным элементом 6, выполненным из меди, и соединены с токовводом 7 через контактный узел 8, имеющий в своем составе термокомпенсирующий элемент 9. Такое конструктивное исполнение вкупе с имеющимися ползунами 10, установленными между корпусом 1 и нагревательным элементом 4, компенсирует удлинение проводников и исключает их излом в процессе работы электрического нагревателя. Корпус 1 электрического нагревателя снабжен штуцером 11 для подачи инертного газа в полость ТЭН, который предотвращает окисление деталей при больших температурах и улучшает передачу тепла от нагревательного элемента к корпусу. Штуцер 11 закрыт колпачком 12, диаметр которого равен диаметру корпуса.
Работает устройство следующим образом.
Токоввод 7 подсоединяется к источнику питания (на фиг. 1 не показан). При увеличении нагрузки тока на изделие нагревательный элемент 4 нагревается, при этом нагревается сердечник 2. На сердечник нанесен теплопоглощающий состав, который быстро нагревается, а из-за разного шага навивки на сердечнике 2 и по краям сердечника 2 мы можем задать зоны нагрева по всей длине изделия (от максимальной до минимальной при одном и том же токе). Внутренняя поверхность корпуса 1 также покрыта теплопоглощающим составом, как и сердечник 2, благодаря чему необходимая температура на наружной стенке изделия быстро достигается.
Таким образом, применение конструктивно-технологических подходов и решений обеспечило оптимальную передачу тепла от резистивного нагревательного элемента к корпусу ТЭН и обеспечило высокое КПД потребления энергии промышленной электросети.