ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЩЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2001 года по МПК H05B3/32 F24H1/14 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплообменной аппаратуре, и может быть использовано в высокотемпературных электронагревателях установок очистки редких газов.

Известен электронагреватель текущей среды по а.с. 995386, кл. H 05 В 3/32 с нагревательными элементами в виде ленты, уложенной в пазы изоляторов, расположенных в шахматном порядке в кольцевом пространстве между двумя коаксиально установленными трубами, куда поступает нагреваемый газ. Недостатком известного аппарата является низкая долговечность, обусловленная непосредственным контактом активного газа (каким является, например, первичный криптоновый концентрат с содержанием кислорода до 99,5% и криптона 0,2%, остальное - примеси) с нагревательными элементами при высокой температуре и выходом последних из строя. Указанный аппарат имеет также недостаточную надежность ввиду отсутствия в конструкции устройства для фиксации ленты в изоляторах в продольном направлении. В результате температурной деформации происходит неравномерное смещение ленты и замыкание ее на корпус или между витками.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является электронагреватель текучей среды по а.с. 1823156, кл. H 05 В 3/32. Электронагреватель содержит сердечник со спиральным каналом для рабочей среды и нагревательный элемент в виде проволоки, проходящей внутри двухканальных и одноканальных изоляторов, навитых на сердечник. Снаружи нагревательный элемент охватывают две коаксиально расположенные рубашки со спиральными каналами. Спиральные каналы рубашек сообщаются между собой и далее с каналом сердечника.

Недостатком известного устройства являются большие масса, габариты и недостаточная долговечность ввиду плохой организации теплообмена. С одной стороны, каналы внешней рубашки, имеющие наибольшую поверхность теплообмена и минимальную температуру (вход теплоносителя) вообще не имеют прямого обогрева (тепловой поток проходит через каналы внутренней рубашки), что приводит к неэффективному использованию поверхности и увеличению массы и габаритов аппарата. С другой стороны, расположение приблизительно одинаковой теплообменной поверхности снаружи и внутри нагревательного элемента для эффективного ее использования требует как минимум в два раза увеличить тепловой поток от нагревательного элемента, что приводит к увеличению температуры поверхности нагревательного элемента и уменьшению его долговечности.

Использование двухканальных изоляторов, судя по рисункам одинаковых внешних размеров с одноканальными, также приводит к увеличению температуры поверхности нагревательного элемента в двухканальном изоляторе, так как увеличивает тепловой поток с наружной поверхности изолятора в два раза.

Нагревательный элемент не защищен от влияния кислорода и азота атмосферного воздуха, что при высоких температурах приводит к уменьшению его долговечности. Таким образом, применение электронагревателя по а.с. 1823156 не позволяет его длительно использовать для нагрева газа до высоких температур.

Цель изобретения - увеличение надежности, уменьшение габаритов и массы аппарата.

Поставленная цель достигается тем, что обеспечиваются оптимальные условия теплообмена между нагревательным элементом и газом на различных участках аппарата по ходу движения среды с защитой нагревательного элемента от отрицательного воздействия окружающей среды.

На входе в аппарат, когда температура газа недостаточно высока (например, 700 - 800 K) обеспечивается максимальный тепловой поток от поверхности нагревательного элемента к нагреваемому газу. Это достигается плотной навивкой нагревательных элементов в изолирующих втулках на наружную поверхность пучка труб, по которым движется газ. При этом внутренний диаметр втулок составляет d_вн = (1,05 - 1,8)d_п, где d_п - диаметр проволоки.

При увеличении внутреннего диаметра увеличивается зазор между поверхностью нагревательного элемента и внутренней поверхностью втулки, что ухудшает теплопередачу между этими поверхностями за счет уменьшения составляющей передачи тепла теплопроводностью газа, находящегося в межтрубном пространстве.

При уменьшении внутреннего диаметра изоляторов возникает опасность нарушения механической прочности керамических втулок за счет различного коэффициента температурного расширения материала нагревательного элемента и втулки.

Наружный диаметр втулки равен d_н = (d_вн + (6 - 8) мм. При увеличении наружного диаметра втулки выше указанного увеличивается температурный напор в теле изолятора и, следовательно, температура поверхности нагревательного элемента, а также увеличивается шаг навивки, что приводит к уменьшению плотности теплового потока на поверхности обогреваемых труб и, следовательно, к увеличению теплопередающей поверхности. При уменьшении наружного диаметра возникает опасность пробоя электрической изоляции нагревательных элементов. По мере движения газа вместе с увеличением его температуры увеличивается температура стенки труб и температура нагревательного элемента. На выходе температура стенки труб превышает допустимую температуру (например, для коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т согласно ГОСТ 5632-72 - не более 800^oC (1073 К)). Поэтому для обеспечения работоспособности аппарата следует уменьшить плотность теплового потока на этом участке, в результате чего уменьшится температурный напор между стенкой и газом, и температура стенки примет допустимые значения. Плотность теплового потока в опасной зоне уменьшена за счет увеличения в 2 - 3 раза шага навивки нагревательного элемента. В целях унификации шаг навивки увеличен путем укладки между нагревательными элементами одного или двух отрезков таких же элементов, но не включенных в электрическую схему.

Долговечность электронагревателя увеличена также путем подачи в межтрубное пространство инертного газа. Инертный газ, например аргон, не вступает в химическое взаимодействие с материалом нагревательного элемента. Использование гелия для этих же целей, кроме того, позволяет уменьшить в опасном сечении температуру нагревательного элемента за счет его высокой теплопроводности.

Инертным газом заполняют межтрубное пространство электронагревателя и емкость, сообщенную трубопроводом с электронагревателем и находящуюся за пределами теплоизоляционного кожуха при температуре окружающей среды. Объем емкости выбирается из условия равных давлений нагреваемого газа внутри труб и инертного газа в межтрубном пространстве, что позволяет исключить напряжение в стенке труб, находящихся при высокой температуре в условиях ползучести материала труб.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен предлагаемый электронагреватель; на фиг. 2 - секция электронагревателя; на фиг. 3 - сечение секции по А-А; на фиг. 4 - сечение секции по Б-Б.

Электронагреватель (фиг. 1) содержит герметичный корпус 1, три нагревательных секции 2 (по одной на каждую фазу), патрубки входа 3 и выхода 4 газа, соответственно объединенные за пределами электронагревателя коллекторами. Каждая нагревательная секция в верхней части окружена цилиндрическим экраном 5. Между экранами и корпусом помещена теплоизоляция 6 (например, муллитокремнеземистая вата), уменьшая температуру стенки корпуса 1. В нижней части аппарата экраном служит корпус 1 электронагревателя. В корпусе 1 имеется штуцер 7 подачи инертного газа, штуцер 8 и труба 9, соединяющие межтрубное пространство электронагревателя с емкостью 10, находящейся за пределами наружной изоляции 11 электронагревателя и его кожуха 12.

Каждая секция электронагревателя (фиг. 2) содержит пучок труб 13, расположенных по окружности и плотно прилегающих друг к другу в активной зоне, которые на концах объединены коллекторами 14 и 24. Удержать трубы в заданном положении позволяет каркас, состоящий из четырех вертикальных пластин 15, приваренных вверху и внизу соответственно к кольцам 16 и 17. С внутренней стороны каркаса к пластинам 15 приварены распределенные по высоте распорные кольца 18, а с внешней - спиральные ребра 19. Вверху кольцо 16 приварено к плоскому экрану 20, который в свою очередь на шпильках присоединен к верхней трубной решетке. В собранном виде трубы, трубные решетки и каркас образуют жесткую конструкцию, по наружной поверхности которой уложены нагревательные элементы 21 в изолирующих втулках 22. При этом в нижней части на расстоянии 0,4 - 0,7 обогреваемой высоты труб выполнена плотная навивка, а в верхней части между спиралями нагревательных элементов уложены такие же изолирующие втулки 22, собранные при помощи проволоки 23 в плети, которые в начале и в конце крепятся к вертикальным пластинам 15. Спиральные ребра 19, распределенные по высоте, удерживают намотку от смещения в вертикальном направлении, а экраны 5 - в радиальном. В верхней части каждый нагревательный элемент (на фиг. 2 уложены два нагревательных элемента, соединенные электрически параллельно), удерживается изолятором 29, а внизу керамическими пластинами 25 и соединены с токовводами 26, оканчивающимися герметичными вилками 27 штепсельных разъемов. Сильфон 28 обеспечивает температурную компенсацию секции и корпуса электронагревателя.

Электронагреватель работает следующим образом. Межтрубное пространство, сообщенное с емкостью, заполняется инертным газом. На вход через патрубок 3 подают нагреваемый газ, например первичный криптоновый концентрат, при давлении ~ 0,14 МПа и температуре ~ 700 К. Затем к нагревательным элементам подводится напряжение. Выделяемое тепло через изолирующие втулки передается трубам и газу. При этом на входном участке, составляющем 0,4 - 0,7 обогреваемой высоты труб, обеспечивается максимальная плотность теплового потока, что приводит к интенсивному нагреву газа. В конце входного участка температура стенки труб близка к допустимой. При нагреве газа на следующем участке плотность теплового потока уменьшена, что приводит к уменьшению температурного напора в стенке труб, уменьшению температуры стенки и возможностью дальнейшего безопасного нагрева газа до требуемой на выходе температуры ~ 975 - 1000 К.

При включении электронагревателя в работу температура и давление инертного газа в межтрубном пространстве повышается и газ перетекает в емкость, находящуюся при температуре окружающей среды. В результате, давление в замкнутой системе повышается незначительно и в рабочих условиях составляет ~ 0,14 МПа, что сводит к минимуму напряжение в трубах, так как давления внутри их и снаружи одинаковы. Инертный газ, участвуя в теплообмене между нагревательными элементами и трубами, исключает химическое взаимодействие с материалом нагревательных элементов (нихромом). Использование в качестве инертного газа гелия позволяет, кроме этого, снизить температуру нагревательного элемента в опасной зоне на ~ 130 К. Замкнутая герметичная система позволяет уменьшить до минимума потребность в инертном газе.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплообменной аппаратуре, и может быть использовано в установках очистки редких газов. Электронагреватель содержит герметичный кожух, в котором расположены электронагревательные секции, выполненные в виде пучка с намоткой на них по ходу движения среды гибких изолированных электронагревательных элементов участками с различным шагом. В качестве проставок на участках с разряженной навивкой используются такие же элементы, не подключенные к электрическому питанию. Герметичный кожух сообщен трубопроводом с емкостью, находящейся при температуре окружающей среды, и заполнен гелием. Размеры емкости определены из условия равенства давлений нагреваемой текущей среды и гелия в межтрубном пространстве. Изобретение повышает надежность работы, уменьшает габариты и массу нагревателя. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Кожухотрубный электронагреватель текущей среды в теплоизолирующем кожухе с проволочными нагревательными элементами, проходящими внутри электроизолирующих втулок, спирально уложенных в межтрубном пространстве вокруг труб, отличающийся тем, что нагревательные элементы уложены по крайней мере двумя участками с разными шагами, причем больший шаг обеспечивается прокладкой между витками проволочного нагревательного элемента одного или двух витков пассивной проволоки, проходящей внутри таких же электроизолирующих втулок. 2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что межтрубное пространство сообщено трубопроводом с емкостью, находящейся за пределами теплоизолирующего кожуха, и заполнено инертным газом, причем, отношение объема емкости к объему межтрубного пространства выбирается из условия равенства давлений внутри труб и межтрубного пространства. 3. Электронагреватель по п. 1 или 2 отличающийся тем, что в качестве инертного газа применяется гелий.