НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК F24H3/04 

Изобретение относится к теплообменному оборудованию, в частности к теплообменникам, работающим на электрических нагревателях и предназначенным для нагрева газа. Нагреватель предназначен для удаления влаги из цеолитовых фильтров, установленных в системе очистки газов на АЭС. Нагреватель может также применяться в легкой, текстильной, пищевой, химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Одной из проблем в атомной промышленности при эксплуатации АЭС является очистка радиоактивных газообразных продуктов деления парогазовой смеси. Эта очистка осуществляется цеолитовыми фильтрами, качество работы которых зависит от накопившейся в них влаги. Эту влагу необходимо периодически удалять. Наиболее перспективным как с точки зрения минимизации трудозатрат, так и с точки зрения достижения качественной очистки является метод продувки через цеолитовые фильтры нагретого до температуры порядка 450°С газа.

Известно электронагревательное устройство (FR №2683025, опубл. 30.04.93 г.), которое содержит корпус, выполненный из отрезка трубы, на противоположных концах которого расположены фланцы, образующие опоры для нагревательных элементов. Таких труб несколько, они расположены друг под другом, в некоторых из них могут быть установлены нагревательные элементы. В известном устройстве передача тепла осуществляется от электронагревательного элемента к воздуху, находящемуся в трубах, трубам и затем наружному воздуху. Поэтому известное устройство обладает невысокой эффективностью нагрева.

Известен нагреватель (SU №1377511, опубл. 29.02.88 г.), включающий корпус, трубчатый нагреватель, патрубки для подвода и отвода среды, вставку, размещенную соосно между трубчатыми электрическими нагревателями. В этом устройстве осуществляется конвективный теплообмен между трубчатыми электрическими нагревателями и средой. Поэтому в известном устройстве невысокая эффективность нагрева среды и относительно короткий срок службы электрических нагревателей.

Известен электронагреватель (SU №1733865, опубл. 15.05.92 г.), содержащий снабженный патрубками подвода и отвода корпус с крышкой, выполненные в крышке и в корпусе кольцевые выступы, размещенные концентрично один в другом с образованием лабиринтного канала, и электронагреватель, закрепленный на выступе корпуса по ходу теплоносителя. Однако в известном устройстве в нижней части электронагревателя образуется застойная зона для теплоносителя, поэтому интенсивный отвод тепла от электронагревателя отсутствует, что приведет к его преждевременному выходу из строя.

Известен нагреватель (SU №985630, опубл. 30.01.82 г.), содержащий корпус с патрубками для подвода и отвода среды, полую вставку, соосно установленную внутри корпуса, образующую со стенками корпуса зазор, электрические нагревательные элементы, расположенные в вышеуказанном зазоре, причем в стенке вставки, обращенной к патрубку подвода среды, выполнены отверстия. Наличие вставки и отверстий в стенке вставки позволяет производить дополнительный обдув наиболее нагретых частей электронагревателя, что частично устраняет недостатки, присущие предыдущему аналогу. Однако значительная часть тепловых потоков передается друг другу рядом расположенными электрическими нагревателями за счет излучения. Поэтому температура поверхности электрических нагревателей достаточно высока, особенно в местах гибов, что уменьшает срок службы нагревателя.

Наиболее близким по своей технической сущности по отношению к заявляемому изобретению является нагреватель (SU №1751622, опубл. 30.07.92 г.), содержащий снабженный патрубками подвода и отвода среды корпус с крышкой, вставку, соосно установленную внутри корпуса, образующую со стенками корпуса зазора. В зазоре размещены нагревательные элементы, а в стенке вставки, обращенной к патрубку подвода, выполнены отверстия. Вставка выполнена с продольными ребрами, размещенными между U-образными нагревательными элементами. В известной конструкции среда для нагрева разделяется на три потока, из которых два потока обдувают вертикальные участки U-образных электронагревателей, а третий поток через отверстия вставки подается на U-образные изгибы нагревателей. При этом потоки, воздействующие на вертикальные участки U-образных электронагревателей, разделяются дополнительно ребрами вставки на потоки по числу электронагревателей. Таким образом, в съеме тепла с единичного электронагревателя принимает участие не весь газовый поток, подаваемый через патрубок подвода, а только некоторая его часть, при этом вертикальные участки нагревателей и U-образные изгибы нагревателей обдуваются своей частью потока. В силу этого съем тепла с электронагревателей недостаточно эффективен, а участки нагревателя находятся в разных температурных полях.

В основу изобретения была положена задача создать нагреватель газа, который обеспечивал бы нагрев газового потока до температуры, обеспечивающей эффективное удаление влаги из цеолитового фильтра.

В основу изобретения была поставлена также задача обеспечить простой контроль и легкую замену поврежденных электронагревателей.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении эффективности теплосъема с электронагревателей и в обеспечении постоянной температуры по всей длине электронагревателя.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в известном нагревателе, содержащем снабженный патрубками подвода и отвода среды корпус с крышкой, вставку, соосно установленную внутри корпуса, образующую со стенками корпуса зазор, и U-образные электронагревательные элементы, согласно изобретению вставка выполнена в виде верхней и нижней торцовых пластин и навитой по спирали обечайки, расположенной между торцовыми пластинами и соединенной с ними, с образованием лабиринтного канала, вход которого соединен с вышеупомянутым зазором между стенкой корпуса и вставкой, а выход соединен с расположенным по центру нижней торцовой пластины патрубком для прохода среды, состыкованным с патрубком отвода среды корпуса, а расположенные в лабиринтном канале электронагревательные элементы закреплены в крышке корпуса.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является размещение электронагревательных элементов в лабиринтном канале. Это позволяет обеспечить направленное перемещение потока среды по всей длине электронагревательного элемента, а следовательно, обеспечить постоянную температуру по всей длине электронагревательного элемента и интенсивный съем тепла от него. Кроме того, за счет неравномерного зазора между стенкой лабиринта и частями электронагревательного элемента возникает турбулизация потока среды, что обеспечивает более интенсивный съем тепла от электронагревательного элемента. Крепление нагревательных элементов в крышке корпуса нагревателя позволяет упростить разборку нагревателя, обеспечить контроль его внутренней полости, вставки и упростить замену вышедших из строя электронагревательных элементов. Создание лабиринтного канала с помощью вставки позволяет простым способом обеспечить направленное перемещение потока среды, что способствует упрощению конструкции нагревателя.

Создание полости между верхним торцом вставки и крышкой корпуса, соединенной с входным патрубком корпуса, создает условие для предохранения от перегрева концов электронагревательных элементов, выступающих из вставки и проходящих в крышку корпуса. Кроме того, такая полость обеспечивает растекание подаваемой среды по всей торцевой поверхности вставки и ее прохода в корпус нагревателя по всему периметру зазора между вставкой и корпусом, что способствует интенсивному отводу тепла от стенки корпуса нагревателя.

Выполнение в крышке корпуса конической расточки снижает сопротивление проходу потока среды в корпус и обеспечивает его более равномерное растекание по всей торцевой поверхности вставки, а следовательно, равномерное распределение потока среды по периметру зазора между корпусом и вставкой.

Для обеспечения отвода тепла от нижней торцовой пластины вставки и создания объема для размещения узла соединения вставки с патрубком отвода среды корпуса между нижним торцом корпуса нагревателя и нижним торцом вставки образован зазор, в котором находится еще незначительно нагретая среда.

Частичное расположение патрубка отвода среды корпуса в зазоре между нижним торцом корпуса нагревателя и нижней торцевой пластиной вставки позволяет поддерживать на необходимом уровне температуру уплотнения патрубка вставки с патрубком корпуса.

Эти и другие особенности и преимущества заявляемого изобретения будут приведены ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, где:

фиг.1 - нагреватель в разрезе, без электронагревательных элементов,

фиг.2 - разрез по А-А с электронагревательными элементами (фиг.1),

фиг.3 - крепление электронагревательных элементов в крышке корпуса.

Заявляемый нагреватель 1 содержит снабженный патрубками подвода 2 и отвода 3 среды корпус 4 с крышкой 5, вставку 6, соосно установленную внутри корпуса 4, образующую со стенками 7 корпуса зазор 8, и U-образные электронагревательные элементы 9. Вставка 6 выполнена в виде верхней 10 и нижней 11 торцовых пластин и навитой по спирали обечайки 12, расположенной между торцовыми пластинами 10, 11 и соединенной с ними, с образованием лабиринтного канала 13, вход 14 которого соединен с вышеупомянутым зазором 8 между стенкой 7 корпуса 4 и вставкой 6, а выход 15 соединен с расположенным по центру нижней торцовой пластины 11 патрубком 16 для прохода среды, состыкованным с патрубком отвода 3 среды корпуса, а расположенные в лабиринтном канале 13 электронагревательные элементы 9 закреплены в крышке 5 корпуса 4.

Соединение патрубка 16 вставки 6 с патрубком отвода 3 среды из корпуса 4 нагревателя 1 герметизировано узлом уплотнения 17, исключающим возможность проникновения горячей среды из вставки 6 в корпус 4. В верхней торцовой пластине 10 для прохода через нее электронагревателей 9 выполнены пазы 18, а для перекрытия этих пазов пластина 10 соединена с диском 19. Фактически пластина 10 и диск 19 в сборе являются верхним торцом вставки 6. В диске 19 имеются отверстия для прохода через них цилиндрических вертикальных частей электронагревательных элементов 9. В этих отверстиях установлены уплотнения 20, предназначенные для герметизации электронагревательных элементов в диске 19 и исключения проникновения среды из патрубка подвода 3 во вставку 6 через проходки электронагревательных элементов через диск 19. Крепление электронагревательных элементов 9 в крышке 5 корпуса 4 осуществляется при помощи муфт 21, вворачиваемых в крышку 5, и скоб 22, фиксирующих электронагревательные элементы в крышке 5. Муфты 21 дополнительно обеспечивают деформацию уплотнений 23, герметизирующих проходки для электронагревательных элементов в крышке 5. Такой метод крепления электронагревательных элементов в крышке корпуса нагревателя позволяет произвести его быструю разборку для контроля внутренней полости нагревателя и вставки и осуществить простым способом замену поврежденных электронагревательных элементов на новые.

Между верхним торцом вставки 6, образованным, как было указано выше, пластиной 10, диском 19 и крышкой 5 корпуса 4, имеется полость 24, соединенная с патрубком подвода 2. Эта полость, с одной стороны, обеспечивает растекание подаваемой через патрубок подвода среды по всей торцевой поверхности вставки и ее прохода в корпус 4 нагревателя по всему периметру зазора 8 между вставкой 6 и стенкой 7 корпуса, что способствует интенсивному снижению температуры снаружи стенки корпуса нагревателя 1. С другой стороны, эта полость 24 за счет нахождения в ней холодной среды предохраняет от перегрева концы электронагревательных элементов, выступающих из вставки 6 и проходящих в крышку 5 корпуса. Выполнение в крышке 5 корпуса конической расточки 25 снижает сопротивление проходу потока среды из патрубка подвода 2 в корпус 4 и обеспечивает его более равномерное растекание по всей торцовой поверхности вставки, а следовательно, равномерное распределение потока среды по периметру зазора 8 между корпусом и вставкой.

Для обеспечения отвода тепла от нижней торцовой пластины 11 вставки 6 и создания объема для размещения узла соединения патрубка 16 вставки с патрубком отвода 3 среды корпуса 4 между нижним торцом 26 корпуса 4 нагревателя 1 и нижней торцовой пластиной 11 вставки 6 образована полость 27. В этой полости происходит смешивание потока среды, проходящей через зазор 8, находящейся еще в относительно незначительно нагретом состоянии. Этот поток позволяет снимать часть тепла с нижней торцовой пластины 11 вставки. В этой же полости 27 частично расположен патрубок отвода среды из корпуса 4, что позволяет поддерживать на необходимом уровне температуру узла уплотнения 17 патрубка 16 вставки с патрубком отвода 3 корпуса 4.

Клеммные наконечники 28 электронагревательных элементов 9 соединяются с монтажными проводами (не показаны) и через клеммную коробку 29 соединяются с источником напряжения (не показан).

Процесс нагрева среды осуществляется в следующей последовательности. Среда (газ) через патрубок подвода 2 подается под давлением в полость 24. В этой полости газ равномерно растекается по всей торцовой поверхности вставки 6, чему способствует наличие конической расточки 25 в крышке 5 корпуса нагревателя. А это, в свою очередь, обеспечивает равномерное распределение потока газа по периметру зазора 8 между стенкой 7 корпуса и вставкой 6. Подаваемый через патрубок 2 газ имеет низкую температуру, что способствует поддержанию в заданном диапазоне температуры верхней торцовой пластины 10 вставки, диска 19 и предохраняет от перегрева концы электронагревательных элементов 9, выступающих из вставки 6 и проходящих в крышку 5 корпуса нагревателя. Поскольку площадь сечения зазора между обечайкой 12 вставки 6 и стенкой 7 корпуса 4 намного превосходит площадь сечения входа лабиринтного канала 14, то практически вся масса газа будет протекать через зазор 8 и только некоторая его часть непосредственно сразу поступит в лабиринтный канал 13. Протекая по зазору 8, газ будет снижать температуру стенки 7 корпуса 4. Далее газ через зазор 8 поступает в полость 27, находящуюся в нижней части корпуса нагревателя. Протекающий по зазору 8 газ имеет форму ламинарного потока, а в полости 27, в которой происходит смешивание потока, он приобретает начальную турбулентность. В силу этого в полости 27 происходит более интенсивный съем тепла с нижней торцевой пластины 11 вставки, а узел уплотнения 17 предохраняется от перегрева. Далее газ из полости 27 проходит через вход 14 в лабиринтный канал 13. На входе 14 встречаются два потока газа: холодный поток из полости 24 и частично нагретый поток из полости 27, что приводит к дополнительной турбулизации потока газа. Проходя по спиралевидному лабиринтному каналу, газ нагревается электронагревательными элементами 9, размещенными в этом канале. Поскольку лабиринтный канал 13 узок и имеет форму дуги, а электронагревательные элементы 9 имеют форму, отличную от дуги, то в месте расположения электронагревательных элементов в лабиринтном канале за счет неравномерного зазора между стенкой лабиринтного канала и частями электронагревательного элемента возникает дальнейшая турбулизация потока газа, которая обеспечивает более интенсивный съем тепла от электронагревательных элементов 9. При этом передача тепла газовому потоку происходит не только за счет контакта газового потока с электронагревательными элементами, но также за счет контакта турбулизированного потока газа с обечайкой 12 вставки 6, которая нагревается электронагревательными элементами. Поскольку турбулизированный поток газа находится в контакте с обечайкой более длительное время, чем в контакт с электронагревательными элементами, то в результате поток газа от контакта с обечайкой 12 дополнительно нагревается. Далее поток газа, нагретый до требуемой температуры, через выход 15 лабиринтного канала, патрубок 16 вставки 6 и патрубок отвода 3 корпуса нагревателя 1 направляется по трубопроводу к цеолитовому фильтру.

Изобретение относится к теплообменному оборудованию и может быть использовано в электрических нагревателях, предназначенных для нагрева газа. Нагреватель предназначен для удаления влаги из цеолитовых фильтров, установленных в системе очистки газов на АЭС. Нагреватель содержит снабженный патрубками подвода и отвода среды корпус с крышкой, вставку, соосно установленную внутри корпуса, образующую со стенками корпуса зазор, и U-образные электронагревательные элементы. Вставка выполнена в виде верхней и нижней торцовых пластин и навитой по спирали обечайки, расположенной между торцовыми пластинами и соединенной с ними, с образованием лабиринтного канала. Вход лабиринтного канала соединен с вышеупомянутым зазором между стенкой корпуса и вставкой, а его выход соединен с расположенным по центру нижней торцевой пластины вставки патрубком для прохода среды, состыкованным с патрубком отвода среды корпуса. Расположенные в лабиринтном канале электронагревательные элементы закреплены в крышке корпуса. Такое выполнение нагревателя позволяет обеспечивать постоянную температуру по всей длине электронагревателя и интенсивный отвод тепла. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Нагреватель, содержащий снабженный патрубками подвода и отвода среды корпус с крышкой, вставку, соосно установленную внутри корпуса, образующую со стенками корпуса зазор, и U-образные электронагревательные элементы, отличающийся тем, что вставка выполнена в виде верхней и нижней торцевых пластин и навитой по спирали обечайки, расположенной между торцевыми пластинами и соединенной с ними, с образованием лабиринтного канала, вход которого соединен с вышеупомянутым зазором между стенкой корпуса и вставкой, а выход соединен с расположенным по центру нижней торцевой пластины вставки патрубком для прохода среды, состыкованным с патрубком отвода среды корпуса, а расположенные в лабиринтном канале электронагревательные элементы закреплены в крышке корпуса.2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что между верхним торцом вставки и крышкой корпуса образована полость, соединенная с входным патрубком корпуса.3. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что на торце крышки корпуса со стороны вставки выполнена коническая расточка, образующая входной коллектор для прохода среды во вставку.4. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что между нижним торцом корпуса нагревателя и нижним торцом вставки образован зазор для прохода среды в лабиринт.5. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что патрубок отвода среды корпуса частично расположен в зазоре между нижним торцом корпуса нагревателя и нижней торцевой пластиной вставки.