КАБЕЛЬ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ Российский патент 2004 года по МПК H05B3/56 

Изобретение относится к электронагревательным устройствам, а именно к конструкциям кабелей нагревательных коаксиальных, которые предназначены для обогрева объектов различной формы и размеров (полы, стены и потолки помещений, кровли и их свисы в зданиях, лестницы, аэродромы, дороги, тротуары, стадионы, тоннели, грунт в теплицах и т.п.) и могут быть использованы в различных отраслях промышленности, строительстве, на транспорте, в коммунальном и сельском хозяйстве и т.д.

Известен кабель нагревательный, включающий один центрально ориентированный по всей длине кабеля проводник, заключенный в термоэлектроизоляционную оболочку, размещенную на ней металлическую оплетку, соединенную с защитным заземлением, и внешнюю термоэлектроизоляционную оболочку [1].

Указанный кабель нашел широкое практическое применение, прост и технологичен в изготовлении, обладает достаточной безопасностью и гибкостью. Однако он требует повышенного расхода электроэнергии, т.к. при одном центрально ориентированном проводнике не представляется возможным учитывать и полезно использовать различные физические эффекты и поля, возникающие при протекании электрического тока по проводникам. Кроме того, он обладает повышенной металлоемкостью, поскольку металлическая оплетка кабеля служит только для повышения безопасности его использования. Все это снижает технико-экономические показатели кабеля.

Ближайшим техническим решением к заявленному является кабель нагревательный коаксиальный, включающий внутренний и наружный проводники, последовательно соединенные между собой и коаксиально размещенные с кольцевым зазором между ними, и внутреннюю термоэлектроизоляционную оболочку, заполняющую указанный кольцевой зазор [2]. При этом внутренний и наружный проводники выполнены из алюминия. Внутренний проводник имеет сплошное сечение, а наружный выполнен в виде трубки. Кабель не имеет внешней герметичной термоэлектроизоляционной оболочки, а величина кольцевого зазора между внутренним и наружным проводниками (толщина внутренней термоэлектроизоляционной оболочки) не регламентирована и выбрана из условий исключения пробоя между проводниками и возможности изготовления.

Такое выполнение кабеля приводит к следующим основным его недостаткам:

- ограниченная гибкость и длина кабеля из-за выполнения наружного проводника в виде трубки;

- нерегламентированная величина кольцевого зазора между проводниками приводит к снижению экологической и электрической безопасности использования кабеля (повышенные электромагнитное излучение и напряжение прикосновения);

- отсутствие внешней герметичной термоэлектроизоляционной оболочки и защитного заземления также дополнительно снижают электробезопасность кабеля. Кроме того, отсутствие указанной оболочки снижает надежность и долговечность кабеля из-за возможности вредного воздействия окружающей среды на наружный проводник;

- невозможность выдержать равенство кольцевого зазора между проводниками при выполнении наружного проводника в виде трубки, особенно в местах изгиба кабеля, приводит к его местным перегревам, снижающим пожарную безопасность, а также надежность и долговечность кабеля;

- ограниченная область применения кабеля, вызванная наличием указанных выше недостатков;

- нерегламентированная величина кольцевого зазора между проводниками также приводит к повышению расхода электроэнергии при заданной мощности, т.к. нагрев кабеля осуществляется за счет сопротивления проводников без использования их электромагнитных полей;

- использование в качестве материала проводников алюминия и выполнение внешнего проводника в виде трубки приводит к увеличению металлоемкости кабеля и стоимости его изготовления;

- высокая стоимость эксплуатации кабеля вследствие низких его надежности и долговечности, а также повышенного расхода электроэнергии.

Задачей изобретения является улучшение технико-экономических показателей кабеля.

Достигаемый при этом технический результат состоит в расширении области применения кабеля, повышении экологической, электрической и пожарной безопасности его использования, гибкости, длины, надежности и долговечности, снижении расхода электроэнергии, металлоемкости, стоимости изготовления и эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном кабеле нагревательном коаксиальном, включающем внутренний и наружный проводники, последовательно соединенные между собой и коаксиально размещенные с кольцевым зазором между ними, и внутреннюю термоэлектроизоляционную оболочку, заполняющую указанный кольцевой зазор, соотношение размеров поперечного сечения проводников выполнено в пределах

,

где R - внутренний радиус наружного проводника, мм;

r - радиус внутреннего проводника, мм;

δ - эффективная глубина проникновения переменного тока, мм.

Кроме того, наружный проводник кабеля заключен во внешнюю герметичную термоэлектроизоляционную оболочку.

Также при выполнении кабеля многожильным проводники расположены в одной плоскости, параллельны друг другу и заключены в общую внешнюю плоскую герметичную термоэлектроизоляционную оболочку.

При этом внутренний проводник кабеля выполнен в виде по меньшей мере одной проволоки, например стальной малоуглеродистой оцинкованной проволоки или проволок.

Наружный проводник кабеля выполнен в виде проволочной оплетки, например, из стальных проволок, причем плотность оплетки составляет не менее 85%.

В указанную в самостоятельном пункте формулы изобретения совокупность признаков включены существенные признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для получения технического результата.

Выражение при заданных радиусах r внутреннего проводника определяет пределы изменения кольцевого зазора R-r между коаксиально размещенными внутренним и наружным проводниками. При определенных в соответствии с указанным выражением кольцевых зазорах наиболее полно проявляется эффект близости, т.е. переменный ток в наружном проводнике будет проходить не по внешней поверхности этого проводника, а по его внутренней поверхности. При этом возникающее электромагнитное поле замыкается в кольцевом зазоре между коаксиальными проводниками и нагрев осуществляется не только за счет сопротивления проводников, но и, прежде всего, за счет этого поля. Нагревание внутренней термоэлектроизоляционной оболочки, заполняющей указанный кольцевой зазор, также осуществляется в существенно большей степени электромагнитным полем, а не теплопередачей от проводников.

Величина δ (эффективная глубина проникновения переменного тока или условная, эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля) учитывает электрические и электромагнитные свойства материала проводников, частоту тока и конкретное влияние скин-эффекта (поверхностного эффекта) на величину кольцевого зазора при заданных радиусах R и r проводников. Значение δ определяется по известным зависимостям, например, /3, 4/, но следует иметь в виду, что в коаксиальных проводниках с использованием эффекта близости полученные расчетные значения δ, как показали наши исследования, уменьшаются до 42 раз. Влияние δ весьма существенно, особенно на значения нижнего предела указанного выражения, при малых значениях r (0,25...0,8 мм), и уменьшается с дальнейшим увеличением r. Для практического применения, как правило, 0,25≤r≤1,7 мм. Таким образом, R+δ и r-δ являются радиусами смежных поверхностей с максимальной плотностью тока, в пространстве между которыми образованы усиленные электромагнитные поля равномерной концентрации.

Вследствие вышесказанного при указанных соотношениях размеров поперечного сечения проводников происходит наиболее рациональное использование взаимнонакладывающихся электромагнитных полей, усиленных эффектом близости, решается задача изобретения и достигается указанный технический результат.

Повышаются экологическая, электрическая и пожарная безопасности использования кабеля, так как электромагнитные поля замыкаются внутри проводников кабеля, напряжение прикосновения к наружному проводнику не превышает десятков мВ, а возможность применения любых подходящих материалов для изготовления проводников и внутренней термоэлектроизоляционной оболочки позволяет выдержать постоянство кольцевого зазора, в том числе в местах изгиба кабеля, и исключить его местные перегревы. Кроме того, указанная возможность повышает гибкость кабеля, его длину, надежность и долговечность. Снижается расход электроэнергии при заданной удельной тепловой мощности вследствие повышения КПД кабеля (cosϕ=l, т.к. проводники кабеля выполняют роль статических конденсаторов). Кроме того, многократно повышается общее электрическое сопротивление системы проводников. Без использования эффекта близости для этого надо или увеличить длину проводников, или применить для их изготовления высокоомный материал из спецсплавов (никель, хром, молибден, вольфрам и т.д.). Все это снижает металлоемкость, стоимость изготовления и эксплуатации кабеля, а также расширяет область его применения.

При значениях величина кольцевого зазора между внутренним и наружным проводником (толщина изоляции - внутренней термоэлектроизоляционной оболочки) будет слишком мала для обеспечения достаточной безопасности, надежности и долговечности кабеля. При значениях кольцевой зазор будет слишком большим и положительное влияние эффекта близости на энергетические характеристики кабеля существенно уменьшится вплоть до самостоятельной работы внутреннего и наружного проводников с протеканием переменного тока уже по внешней поверхности наружного проводника. Снизятся экологическая, электрическая и пожарная безопасности эксплуатации кабеля из-за выхода электромагнитного поля в окружающую среду и значительного повышения напряжения прикосновения на наружном проводнике при выполнении кабеля без внешней герметичной термоэлектроизоляционной оболочки или ее повреждении. Увеличение зазора вызовет также увеличение толщины изоляции - внутренней термоэлектроизоляционной оболочки, диаметра кабеля, металлоемкости, веса, стоимости изготовления и эксплуатации кабеля, снижение его гибкости и удельной тепловой мощности.

При этом меньшие значения будут соответствовать большим значениям r, а большие значения - меньшим значениям r.

Наличие внешней герметичной термоэлектроизоляционной оболочки защищает кабель от влаги, агрессивных сред, атмосферных осадков и дополнительно повышает электробезопасность кабеля.

Расположение проводников многожильного кабеля в одной плоскости параллельно друг другу и заключение их в общую внешнюю плоскую герметичную термоэлектроизоляционную оболочку упрощает технологии изготовления и монтажа кабеля и позволяет при определенных условиях отказаться от внешней герметичной термоэлектроизоляционной оболочки на каждом наружном проводнике кабеля, дополнительно снижая при этом его стоимость.

Выполнение внутреннего проводника кабеля в виде по меньшей мере одной проволоки не исключает применения многопроволочного проводника, а чем больше проволок в проводнике, тем выше его гибкость и гибкость самого кабеля.

Выполнение внутреннего проводника кабеля из стальной малоуглеродистой оцинкованной проволоки или проволок дополнительно увеличивает гибкость кабеля и снижает стоимость его изготовления.

Наружный проводник кабеля в виде проволочной оплетки, например из стальных проволок, также дополнительно увеличивает гибкость кабеля и снижает стоимость его изготовления.

Плотность оплетки не менее 85% обеспечивает равномерность нагрева кабеля, способствует стабильности и надежности его работы, а также повышению долговечности кабеля.

На фиг.1 показан предложенный кабель, частично в продольном разрезе, в однофазном исполнении; на фиг.2 - сечение по I-I фиг.1; на фиг.3 - поперечное сечение общей внешней плоской герметичной термоэлектроизоляционной оболочки многожильного (трехфазного) кабеля.

Кабель имеет по меньшей мере одну жилу (фиг.1), включающую внутренний 1 и наружный 2 проводники (фиг.1 и 2), последовательно соединенные между собой и коаксиально размещенные с кольцевым зазором между ними, который заполнен внутренней термоэлектроизоляционной оболочкой 3. Внутренний проводник 1 может быть выполнен одно- или многопроволочным из стальной малоуглеродистой оцинкованной проволоки. Наружный проводник 2 - в виде оплетки с плотностью не менее 85% из стальных проволок. Внутренняя термоэлектроизоляционная оболочка 3 - из сшитого полиэтилена, фторопласта или стекловолокна. Последовательное соединение внутреннего 1 и наружного 2 проводников кабеля осуществлено на одном из его концов опрессовкой места соединения проводников 1 и 2 в медной или латунной гильзе 4 (фиг.1) с заливкой эпоксидной смолой 5 и покрытием термоусаживаемой полиэтиленовой трубкой 6. Вместо трубки 6 возможно применение изолирующего колпачка или соединения в концевой муфте пайкой (на чертежах не показаны). Наружный проводник 2 кабеля может быть заключен во внешнюю герметичную термоэлектроизоляционную оболочку 7 из теплостойкого поливинилхлоридного пластиката. При выполнении кабеля многожильным (многофазным) возможно несколько его проводников 1 и 2 располагать в одной плоскости параллельно друг другу и заключать в общую внешнюю плоскую герметичную термоэлектроизоляционную оболочку 8 (фиг.3). При этом в зависимости от конкретных условий изготовления и использования наличие оболочки 7 (фиг.1 и 2) не является обязательным. Оболочка 8 может быть выполнена в виде сплющенного кольца (на чертежах не показано), но в этом случае оболочка 7 обязательна. Для изготовления кабеля возможно применение и других равноценных материалов.

Соотношение размеров поперечного сечения проводников 1 и 2 кабеля выполнено в пределах

где R - внутренний радиус наружного проводника, мм;

r - радиус внутреннего проводника, мм;

δ - эффективная глубина проникновения переменного тока, мм.

Конкретные значения R и r, а следовательно, и пределов изменения величины кольцевого зазора R-r, при которых используется положительное влияние эффекта близости, определяют в следующей последовательности:

- выбирают материал проводников;

- известным образом определяют значения δ [3, 4]. Например, для малоуглеродистой (слабонасыщенной) стали при частоте тока 50 Гц, δ=0,89 мм [4, табл. 2-1]. Однако при использовании эффекта близости величина δ уменьшается и полученное значение необходимо разделить на коэффициент k=3,5...42 (k_cp=22,75), изменяющийся при постоянных r в зависимости R-r. Тогда δ_cp=0,039 мм, что согласуется с нашими экспериментальными данными, полученными при испытаниях коаксиальных нагревательных кабелей с проводниками 1 и 2 из малоуглеродистой стали и r=0,6...0,8 мм. С целью получения минимального напряжения прикосновения к наружного проводнику 2 и получения гарантированного результата принимаем δ=0,05 мм;

- преобразовывают указанное выражение к удобному для расчетов соотношения размеров поперечного сечения проводников 1 и 2 кабеля виду. В результате получаем

l,65r-2,65δ≤R≤3,0r-0,4δ

или

0,65r-2,65δ≤R-r≤2,0r-4,0δ.

Как уже определено для коаксиальных проводников с использованием эффекта близости из малоуглеродистой (слабонасыщенной) стали, δ=0,05 мм при частоте тока 50 Гц. Тогда

0,65r-0,1325≤R-r≤2,0r-0,20;

- в зависимости от требуемых удельной тепловой мощности, гибкости, материала проводников и длины кабеля задают значение r, учитывая, что для практического применения, как правило, 0,25≤r≤1,7 мм;

- находят пределы изменения значений кольцевого зазора R-r при заданном r, когда действует эффект близости;

- в зависимости от требований исключения пробоя между коаксиальными проводниками 1 и 2, обеспечения необходимой гибкости и долговечности кабеля с учетом качества применяемой изоляции (материала внутренней термоэлектроизоляционной оболочки 3) выбирают среди найденных пределов возможного изменения R-r конкретные значения R-r и R;

- находят значение для конкретных выбранных R и r и принимают или уточняют указанные значения с учетом того, что меньшие значения соответствуют большим значениям r, а большие значения соответствуют меньшим значениям r.

Ниже приведен пример конкретного выполнения кабеля нагревательного коаксиального, изготовленного в соответствии с изобретением и испытанного с рекомендацией для серийного изготовления.

Кабель выполнен однофазным и имеет внутренний проводник 1 диаметром 1,2 мм (r=0,6 мм) из стальных малоуглеродистых оцинкованных проволок (фиг.1 и 2) с изоляцией (внутренней термоэлектроизоляционной оболочкой 3) толщиной R-r=0,8 мм из сшитого полиэтилена. Коаксиально с ним расположен наружный проводник 2 в виде оплетки (металлической сетки) также из малоуглеродистых стальных проволок диаметром 0,15 мм с R=0,6+0,8=1,4 мм и наружным диаметром 1,4+2×0,15=1,7 мм. На наружный проводник также наложена изоляция (внешняя герметичная термоэлектроизоляционная оболочка 7) из теплостойкого поливинилхлоридного пластика толщиной 1,0 мм. Таким образом, наружный диаметр кабеля составляет 5,4 мм. Последовательное соединение проводников 1 и 2 выполнено в соответствии с фиг 1. Как уже определено выше, δ=0,05 мм. Тогда , т.е. находится внутри указанных пределов (0,5...1,1) и полностью соответствует обоснованию выбора данного значения и R-r в зависимости от r.

Кабель рассчитан на напряжение 220 В переменного тока частотой 50 Гц при рациональной длине 65 м. Расчетная масса 1 км кабеля составляет 47 кг, температурный диапазон использования от -40 до +80°С, удельная тепловая мощность 9 Вт/м при температуре нагрева + 60°С. Срок службы кабеля - не менее 20 лет. Он выдерживает не менее 10 изгибов на угол 180°С на цилиндре радиусом, равном пяти диаметрам кабеля, при температуре -10°С, устойчив к воздействию влаги при относительной влажности воздуха до 98%, воды и агрессивных сред (растворов удобрений и химических реагентов для покрытия дорог и тротуаров от обледенения и добавок в бетоны и растворы). Указанные показатели существенного выше, чем у широко применяемых в настоящее время нагревательных кабелей с одним центрально ориентированным по всей длине кабеля проводником [1] и др.

Кабель работает следующим образом.

Подсоединение кабеля к сети осуществляется известным образом в соответствии с действующими Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) - на чертежах не показано.

Со свободного конца жилы или жил кабеля снимается часть изоляции. Затем с помощью клеммных зажимов в герметизированной распаячной коробке внутренний проводник или проводники 1 при выполнении кабеля многожильным (многофазным) подключают к фазной шине или шинам, а наружный проводник или проводники 2 - к нулевой шине или шинам. Для повышения электробезопасности в аварийных ситуациях наружный проводник или проводники 2 могут быть в этой же коробке дополнительно подключены к защитному заземлению.

Работа кабеля также поддерживается известным образом автоматически с помощью датчиков, например, температуры, влажности и осадков, связанных с микропроцессором и исполнительным органом (магнитным пускателем, контактором и др.). Установившийся режим работы наступает после нескольких минут работы. При этом вследствие влияния эффекта близости, переменных ток в наружном проводнике (проводниках) 2 будет проходить по его (их) внутренним поверхностям. Возникающие электромагнитные поля замыкаются в кольцевом зазоре между коаксиальными проводниками и не выходят за пределы R+δ, а нагревание проводников осуществляется не только за счет сопротивления проводников, но, и прежде всего, за счет этих полей. Нагревание внутренней термоэлектроизоляционной оболочки, заполняющей указанный кольцевой зазор, также осуществляется в существенно большей степени электромагнитным полем, чем теплопередачей от коаксиальных проводников. Величины R+δ и r-δ являются радиусами смежных цилиндрических поверхностей с максимальной плотностью тока, в пространстве между которыми образуются электромагнитные поля равномерной концентрации.

Источники информации

1. Кабельная система обогрева “CEILHIT”. Инструкция по установке и эксплуатации. 2000, с.1-3.

2. Авторское свидетельство СССР №155513, кл. Н 01 в; 21 с, 3₀₁, 1963 (прототип).

3. Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. 1974, с.460-461.

4. Туровский Я. Техническая электродинамика. Пер. с польского. - М.: Энергия, 1974, с.115-117.

Изобретение относится к электронагревательным устройствам, а именно к конструкциям кабелей нагревательных коаксиальных, предназначенным для обогрева объектов различной формы и размеров, и могут быть использованы в различных отраслях промышленности, строительстве, на транспорте, в коммунальном и сельском хозяйстве и т.д. Техническим результатом является расширение области применения кабеля, повышение экологической, электрической и пожарной безопасности его использования, гибкости, длины, надежности и долговечности, снижение расхода электроэнергии, металлоемкости, стоимости изготовления и эксплуатации. Кабель включает внутренний и наружный проводники, последовательно соединенные между собой и коаксиально размещенные с кольцевым зазором между ними, и внутреннюю термоэлектроизоляционную оболочку, заполняющую указанный зазор, причем соотношение размеров поперечного сечения проводников выполнено в пределах где R - внутренний радиус наружного проводника, мм; r - радиус внутреннего проводника, мм; δ - эффективная глубина проникновения переменного тока, мм. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Кабель нагревательный коаксиальный, включающую внутренний и наружный проводники, последовательно соединенные между собой и коаксиально размещенные с кольцевым зазором между ними, и внутреннюю термоэлектроизоляционную оболочку, заполняющую указанный кольцевой зазор, отличающийся тем, что соотношение размеров поперечного сечения проводников выполнено в пределах

где R - внутренний радиус наружного проводника, мм;

r - радиус внутреннего проводника, мм;

δ - эффективная глубина проникновения переменного тока, мм.

5 Кабель по п.4, отличающийся тем, что внутренний проводник выполнен из стальной малоуглеродистой оцинкованной проволоки или проволок.