ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОГРУЖНОЙ ВИБРОУСТОЙЧИВЫЙ ЭЛЕКТРОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H05B3/78 

Изобретение относится к электроэнергии, в частности, к высоковольтным погружным виброустойчивым электроводонагревателям, используемым в электрокотлах для отопления железнодорожных вагонов.

Известен высоковольтный погружной виброустойчивый электроводонагреватель, далее нагреватель, являющийся прототипом, содержащий резистивный элемент в виде спирали, фиксированный в пространстве, электроизоляционную оболочку и токоподводы [1,2]
Недостатком этого нагревателя является пониженная надежность, увеличенная металло- и материалоемкость, обусловленные использованием в качестве материала резистивного элемента сплава сопротивления, обладающего относительно низким омическим электросопротивлением, что приводит к необходимости выполнять нагреватель на напряжение электропитания значительно (в несколько раз) более низкое, чем напряжение в питающей электросети, а это, в свою очередь, заставляет соединять группу нагревателей электрически последовательно, т.е. напряжение электропитания одного нагревателя меньше напряжение питающей электросети и кратно ему. Поэтому диагностика и защита нагревателей от выхода из строя (в основном из-за дугообразования в результате перегорания резистивного элемента, работающего при напряжении его электропитания или при попадании напряжения питающей электросети на один нагреватель из группы) являются малоэффективными. Выход из строя одного нагревателя может привести, в результате последовательного их попадания под напряжение питающей электросети, к последовательному выходу из строя нагревателей группы, что естественно способствует снижению надежности работы нагревателя. В случае перегорания резистивного элемента напряжение электропитания на остальных нагревателях группы повышается, нагреватели начинают работать в режиме перегрева и, естественно, надежность их понижается. Кроме того, в связи с тем, что температура спирали достигает нескольких сот градусов (800-900 С), а напряжение в питающей электросети достигает нескольких киловольт, электроизоляционная оболочка выполняется из термостойкого материала достаточно высокой электрической прочности кварцевого стекла, и окружена толстым герметичным металлическим кожухом, что способствует с одной стороны снижению надежности нагревателя из-за хрупкости электроизоляционной оболочки, а с другой стороны повышению материало- и металлоемкости нагревателя так, как высокое напряжение электросети и хрупкость материала оболочки требуют выполнения ее достаточно толстой, также как и герметично металлического кожуха, который предохраняет хрупкую электроизоляционную оболочку нагревателя от разрушения и обеспечивает определенную взрывобезопасность нагревателя при возникновении дуги внутри него. Высокая температура резистивного элемента (проволоки) требует размещения спирали на специальных керамическихизоляторах с устройствами их поддержки и фиксации, что также способствует снижению надежности нагревателя и повышению его материалоемкости. Спираль при вибрации имеет возможность периодически касаться электроизоляционной оболочки, а при таком касании ударным нагрузкам подвергается как массивная спираль на керамических изоляторах, имеющая большой момент инерции, так и электроизоляционная оболочка, что способствует снижению надежности нагревателя. Выполнение спирали из металла также способствует повышению металлоемкости нагревателя.

Техническим результатом изобретения является увеличение надежности нагревателя.

Он достигается тем, что нагреватель содержит резистивный элемент в виде спирали, фиксированный в пространстве, электроизоляционную оболочку и токоподводы, причем резистивный элемент выполнен из жгута неметаллических нитей, а электроизоляционная оболочка выполнена, по меньше мере, из двух герметично соединенных между собой слоев, последовательно охватывающих жгут, причем внутренний слой выполнен из материала высокой электрической прочности, а внешний слой из водонепроницаемого материала, а спираль из жгута в электроизоляционной оболочке выполнена в виде растянутой пружины, а неметаллические нити выполнены из углеродного материала, а внутренний слой электроизоляционной оболочки выполнен из пленки из термореактивной пластмассы, а внешний слой из термоплста, а спираль помещена в перфорированный кожух, который выполнен из токопроводящего материала и заземлен, а токоподводы выполнены в виде металлических стержней, причем хотя бы часть длины стержня размещена в электроизоляционной оболочке, а между слоями электроизоляционной оболочки расположена электропроводящая оплетка, функционально соединенная с механизмом электроблокировки электропитания нагревателя. Кроме того, с целью расширения области применения, спираль выполнена из, по меньшей мере, двух частей, каждая из которых снабжена токоподводами.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемые нагреватель обладает отличительными признаками и соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решения (аналогов) в исследуемой области, т. е. в электротермии и смежных областях, т.е. в железнодорожной технике позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками в заявляемом нагревателе и признать их соответствующими критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен общий вид нагревателя, на фиг.2 изображено сечение рабочей части нагревателя, на фиг.3 изображено сечение токоподвода, на фиг. 4, 5, 6, 7 изображены варианты выполнения нагревателя со спиралью из нескольких частей, образующих различные пространственные фигуры.

Нагреватель представляет собой резистивный элемент в виде спирали (1), фиксированный в пространстве, электроизоляционную оболочку (2) и токоподводы в виде металлических стержней (3). Резистивный элемент выполнен из одного или нескольки жгутов (4) неметаллических нитей (например, из углеродного материала) с высоким удельным омическим сопротивлением. Электроизоляционная оболочка (2) выполнена, по меньшей мере, из двух герметично соединенных между собой слоев, последовательно охватывающих жгут, причем внутренний слой (5) выполнен из материала высокой электрической прочности (термореактивной пластмассы, например, полиимидной пленки), а внешний, герметизирующий, слой (6), из водонепроницаемого и упругого материала (термопласта, например, фторопласта, обладающего достаточно упругими свойствами при рабочей температуре нагревателя). Спираль помещена в перфорированный кожух (7), который может быть выполнен из токопроводящего материала и заземлен. Конструкция токоподвода должна обеспечивать поддержание температуры жгута (4) на уровне, не превышающем рабочую температуру полимерной электроизоляционной оболочки (2), если она окружает жгут (4), или рабочую температуру самого жгута (4). Это может быть достигунто различными способами, например, с помощью металлического стержни (3), выполняющегоролоь токоподвода, часть которого размещена в электроизоляционной оболочке (2) и погружена ниже уровня (8) воды, что предохраняет от перегрева резистивный элемент, т.к. условия его теплоотдачи в воде и на воздухе резко отличаются. Между слоями (5, 6) электроизоляционной оболочки (2) расположена электропроводящая оплетка (9), функционально соединенная с механизмом электроблокировки электропитания (10) нагревателя. Спираль (1) выполнена в виде пружины, причем поддержки (11) фиксируют ее в растянутом виде. Таким образом, поддержки (11) выполняют роль натяжного устройства. Спираль (1) может быть выполнена из нескольких частей (12), размещенных различными способами в пространстве, причем каждая из них может быть снабжена, по меньшей мере, одним своим токоповодом.

Работа нагревателя осуществляется следующим образом. При протекании тока по резистивному элементу, жгуту из неметаллических нитей (4), выделяется джоулево тепло, которое передается через электроизоляционную оболочку (2) воде и нагревает ее. Внутренний слой (5) электроизоляционной оболочки (2), выполненный из полиимидной пленки толщиной в десятки микрометров, способен выдержать пробойное напряжение, в несколько раз превышающее напряжение питающей электросети (около 4 кВ), и создает в силу своей малой толщины незначительное тепловое сопротивление. Толщина наружного, герметизирующего слоя (6) определяется его необходимой механической прочностью и на практике составляет десятые доли миллиметра. Таким образом, малая толщина отдельных слоев (5, 6) электроизоляционной оболочки (2) определяет такую величину их суммарного теплового сопротивления, которая позволяет использовать относительно низкотемпертурные, но с высокими эксплуатационными качествами материалы, т. к. температура жгута (4) не превышает рабочую температуру полимерных материалов, из которых выполнена электроизоляционная оболочка (2), что естественно повышает надежность нагревателя. Кроме того, низкая температура жгута, рабочая температура которого значительно превышает рабочую температуру, электроизоляционных материалов, также способствует повышению надежности нагревателя. В силу того, что спираль (1), имеет возможность непосредственно омываться водой, проходящей через отверстия в перфорированном кожухе (7), теплоотдающая поверхность нагревателя значительно увеличивается (в несколько раз), что также способствует повышению надежности нагревателя. Токопроводящий жгут (4) выполнен из отдельных тонких, но по механическим свойствам значительно превосходящим сталь углеродных нитей, что повышает износостойкость резистивного элемента в условиях вибрации, т.е. повышает надежность нагревателя в целом. Малый вес резистивного элемента и электроизоляционной оболочки (2) обуславливает уменьшение механических нагрузок на крепежные элементы нагревателя, что также повышает его надежность. Высокое удельное омическое сопротивление углеродных нитей позволяет выполнить резистивный элемент, рассчитанный на напряжение питающей электросети, т.е. при работе группы нагревателей исключить влияние выхода из строя одного нагревателя на работу других, что также повышает надежность работы нагревателя. Кроме того, выполнение спирали (1) в виде растянутой пружины в случае перегорания резистивного элемента позволяет в результате сжатия образовавшихся ее частей по направлению к ее поддержкам (11) резко увеличить расстояние между ними и снизить вероятность образования дуги, что также способствует повышению надежности нагревателя. Помещение части металлического стержня (3) в электроизоляционной оболочке (2) ниже уровня воды (8) предотвращает повышение температуры резистивного элемента, поскольку условия теплоотдачи с поверхности окружающей его теплоизоляционной оболочки (2) в воде и на воздухе резко отличаются, что также способствует повышению надежности нагревателя. Электропроводящая оплетка (9), помещенная между слоями (5) и (6) электроизоляционной оболочки (2) и функционально соединенная с механизмом электроблокировки электропитания (10) позволяет проводить диагностику выхода из строя электроизоляционной оболочки (2) доее полного разрушения, что также способствует повышению надежности нагревателя. Заземленный электропроводный перфорированный кожухе (7) также может служить для диагностик разрушения электроизоляционной оболочки (2) нагревателя, что способствует повышению его надежности.

Спираль резистивного элемента может быть выполнена из нескольких частей (12), которые по необходимости можно сформировать в различные пространственные фигуры, а соответствующим образом электрически соединив, обеспечить наличие ступеней мощности нагревателя и изменение напряжения и количества фаз электропитания.

Технико-экономическая эффективность предложенного технического решения определяется главным образом повышением надежности нагревателя, а также снижением его металло- и материалоемкости, обусловленной применением резистивного элемента в виде жгута из углеродных нитей и тонкой полимерной электроизоляционной оболочки, применение которой стало возможным в результате снижения рабочей температуры резистивного элемента. Электропроводящий перфорированный кожух, в случае необходимости, также может быть выполнен из неметаллического материала, что способствует снижению металло- и материалоемкости нагревателя.

Область использования: погружные электроводонагреватели. Сущность: высоковольтный погружной виброустойчивый электроводонагреватель содержит спиральный резистивный элемент (РЭ), выполненный из жгута неметаллических нитей и токоподвода. РЭ помещен в электроизоляционную оболочку, выполненную из не менее 2-х герметично соединенных между собой слоев. Внутренний слой выполнен из материала высокой электропрочности, например из термореактивной пластмассы, а внешний - из водонепроницаемого материала, например из термопласта. Спираль РЭ выполнена в виде растянутой пружины. РЭ может быть выполнен из углеродного материала. РЭ может быть помещен в перфорированный кожух, который в свою очередь может выполняться из токопроводящего материала и быть при этом заземленным. Токоподводы выполнены в виде металлических стержней. РЭ в варианте исполнения состоит из двух частей с токоподводами для каждой части. Изобретение обеспечивает увеличение надежности электроводонагревателя. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Высоковольтный погружной виброустойчивый электроводонагреватель, содержащий резистивный элемент в виде спирали, фиксированный в пространстве, электроизоляционную оболочку и токоподводы, отличающийся тем, что резистивный элемент выполнен из жгута неметаллических нитей, электроизоляционная оболочка выполнена по меньшей мере из двух герметично соединенных между собой слоев, последовательно охватывающих жгут, причем внутренний слой из материала высокой электрической прочности, а внешний слой из водонепроницаемого материала, а спираль из жгута в электроизоляционной оболочке выполнена в виде растянутой пружины. 2. Электроводонагреватель по п.1, отличающийся тем, что между слоями электроизоляционной оболочки расположена электропроводящая оплетка, функционально соединенная с механизмом электроблокировки электропитания электроводонагревателя. 3. Электроводонагреватель по п.1, отличающийся тем, что неметаллические нити выполнены из углеродного материала. 4. Электроводонагреватель по п.1, отличающийся тем, что внутренний слой электроизоляционной оболочки выполнен из пленки из термореактивной пластмассы. 5. Электроводонагреватель по п. 1, отличающийся тем, что внешний слой электроизоляционной оболочки выполнен из термопласта. 6. Электроводонагреватель по п.1, отличающийся тем, что спираль помещена в перфорированный кожух. 7. Электроводонагреватель по пп.1 и 6, отличающийся тем, что перфорированный кожух выполнен из токопроводящего материала и заземлен. 8. Электроводонагреватель по п.1, отличающийся тем, что токоподводы выполнены в виде металлических стержней, причем хотя бы часть длины токоподвода размещена в электроизоляционной оболочке. 9. Электроводонагреватель по п.1, отличающийся тем, что спираль выполнена из по меньшей мере двух частей, каждая из которых снабжена токоподводами.