ТРУБЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H05B3/44 H05B3/60 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к трубчатым электронагревателям (ТЭНам), которые могут использоваться для нагрева различных сред, например воды, в системе отопления железнодорожных вагонов.

Основными требованиями, предъявляемым к ТЭНам, являются высокая теплопроводность и долговечность.

Долговечность, особенно высоковольтных ТЭНов, (400B и выше) определяется надежность электроизоляции (электрической прочностью) наполнителя, а высокая теплопроводность - уменьшением тепловых потерь и способностью наполнителя поглощать тепловое излучение нагревательного элемента.

Известен ТЭН, содержащий нагревательный элемент, установленный в металлическом кожухе, который помещен в наружный металлический кожух, а пространство между ними заполнено окисью (оксидом) магния - электротехническим периклазовым порошком (см. патент ФРГ N 2933376, Кл. 05 B 3/48, 82 г. )
Долговечность этого ТЭНа невысока, т.к. металлический кожух обладает низкими диэлектрическими свойствами и, следовательно, низкой прочностью на пробой.

Известны ТЭНы, в которых для повышения прочности на пробой внутренний кожух выполнен кварцевым, а пространство между кварцевым и металлическим, наружным кожухами заполнено графитовым порошком или смесью кристаллической и аморфной двуокиси кремния (см. Труды ЦНИИ МПС, 76 г., вып. 566, с. 17 и свид. на пол. модель ФРГ N 9017596, Кл. H 05 B 3/44, 91 г.)
Электрическая прочность кварцевых кожухов выше металлических, однако графитовый наполнитель, имея высокую теплопроводность, обладает недостаточной электрической прочностью, поэтому долговечность этих ТЭНов низка из-за пробоев наполнителя.

Электрическая прочность кристаллического и аморфного оксида кремния выше прочности графического порошка, но теплопроводность его невысока из-за низкой поглощательной способности теплового излучения бесцветного наполнителя (см. В.А. Рабинович и др. Краткий химический справочник. Химия. Л., 78 г., с. 74)
Известен ТЭН с контактными стрежнями на торцах трубчатого кожуха, в центре которого сформирована зона нагрева из смеси окиси кремния и графита (см. патент ГДР N 233902, Кл. H 05 B 3\10, 86 ).

Долговечность этого ТЭНа невысока из-за того, что его контактные стержни выполнены конусными и напряженность электрического поля на вершинах конуса увеличена, что является причиной пробоя. Теплопроводность его невысока, т.к. не используется способность графита поглощать тепловое излучение стержней - графит отделен от стержней слоем бесцветного оксида кремния (см. упомянутый справочник Рабиновича с. 107)
Известен ТЭН, содержащий спираль, установленную в кварцевом кожухе, и металлический кожух, пространство между которыми заполнено электротехническим периклазовым порошком (см. свид. на пол. модель N 983, Кл. H 05 3\05, 95 г. - взято за прототип).

Электрическая прочность и теплопроводность периклазового порошка (MgO) выше окиси (оксида) кремния (см. книгу Г.Р. Миндин. Электронагревательные трубчатые элементы. Энергия. 65 г. , с. 86). Однако теплопроводность бесцветного периклазового порошка недостаточно высока из-за низкой поглощательной способности теплового излучения спирали.

В результате часть теплового излучения, пройдя сквозь стенку полупрозрачного кварцевого кожуха, рассеивается в пространство, а часть возвращается в зону спирали.

Это приводит к повышению температуры в зоне спирали, что ускоряет ее окисление, т. е. к уменьшению сечения спирали и увеличению электросопротивления, приводит к повышению температуры внутри кварцевого кожуха, а также температуры спирали и изолятора.

Результатом этого является значительная разность температур внутри и снаружи кварцевого кожуха, при этом внутренние поверхностные слои кожуха стремятся расшириться, а наружные сжаться.

Это приводит к температурным напряжениям и тепловому удару (при резком повышении температуры внутри кожуха) или тепловому старению (при длительном воздействии температуры) - приводит к образованию трещин и разрушению хрупкого, кварцевого кожуха, а также к повышению температуры в зоне спирали и изолятора, приводит к снижению долговечности ТЭНа.

Цель предлагаемого изобретения - увеличение теплопроводности и долговечности ТЭНа.

Цель достигается тем, что в трубчатом электронагревателе, содержащем расположенный в кварцевом кожухе нагревательный элемент, а также металлический кожух, пространство между кожухами заполнено наполнителем с низкой поглощательной способностью теплового излучения элемента, например, электротехническим периклазовым порошком, в наполнитель добавлен порошок с высокой поглощательной способностью теплового излучения нагревательного элемента, например, графитовый порошок и/или сажа.

При этом порошок с высокой поглощательной способностью добавлен в ближний к кварцевому кожуху слой наполнителя.

ТЭН состоит из навитой на керамический изолятор 1 спирали 2, установленной в кварцевом кожухе 3. Кожух 3 расположен в металлическом кожухе 4, на амортизаторе 5, а пространство между кожухами заполнено наполнителем 6.

Наполнитель 6 состоит из электротехнического периклазового порошка и/или оксида кремния, в который добавлен графитовый порошок и/или сажа. Оптимальным является заполнение порошком только ближнего к кварцевому кожуху слоя наполнителя.

При нагревании спирали 2 в результате одновременного действия теплового излучения и теплопередачи тепло, пройдя сквозь стенки кварцевого кожуха 3 и наполнитель 6 (или 7 и 6), передается металлическому (наружному) кожуху 4 и нагревает воду.

В результате того, что наполнитель содержит графитовый порошок и/или сажу, тепловое излучения спирали не рассеивается и не возвращается в зону спирали, как в аналогах, а поглощается добавленным порошком, а затем теплопередачей передается наружному кожуху.

По способности поглощать тепловое излучение сажа приближается к абсолютно черному телу (см. книгу Р. Зигель. Теплообмен излучением. М. Мир. 75 г., с. 19).

Наполнитель предлагаемого ТЭНа интенсифицирует теплопроводность и увеличивает долговечность кожуха, спирали и изолятора в результате увеличения поглощательной способности теплового излучения нагревательного элемента и уменьшения тепловых потерь, а также в результате снижения температуры в зоне спирали и температурных напряжений в хрупком кварцевом кожухе.

Таким образом, предлагаемый ТЭН обладает новыми, неизвестными из источников информации свойствами, что подтверждает его изобретательский уровень.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для нагрева различных сред, например воды, в системе отопления. В трубчатом электронагревателе (ТЭН), содержащем нагревательную спираль, установленную в кварцевом кожухе в пространство между кварцевым и механическим кожухами, заполненное зернистым наполнителем с высокой электрической прочностью, но низкой поглощательной способностью теплового излучения спирали, например бесцветным электротехническим периклазовым порошком, добавлены зерна с высокой поглощательной способностью теплового излучения, например зерна графитового порошка или сажи. Изобретение позволяет увеличить долговечность и интенсификацию теплопроводности ТЭНов. 1 з.п.ф-лы. 1 ил.

1. Трубчатый электронагреватель, содержащий расположенный в кварцевом кожухе нагревательный элемент, при этом кварцевый кожух установлен в металлическом кожухе, а пространство между ними заполнено наполнителем с низкой поглощательной способностью теплового излучения нагревательного элемента, например электротехническим периклазовым порошком, отличающийся тем, что в наполнитель добавлен порошок с высокой поглощательной способностью теплового излучения нагревательного элемента, например графитовый порошок и/или сажа. 2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что порошок с высокой поглощательной способностью теплового излучения нагревательного элемента добавлен в ближайший к кварцевому кожуху слой наполнителя.