НАГРЕВАТЕЛЬ ПАТРОННОГО ТИПА ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Российский патент 2014 года по МПК H05B3/48 

Заявляемое в качестве изобретения техническое решение по нагревателям патронного типа относится к объектам ядерной энергетики, а именно к установкам для нагрева жидкометаллического теплоносителя.

Известны различные конструкции электронагревателей с некоторыми общими признаками ТЭНов и заявляемого нагревателя патронного типа повышенной надежности для жидкометаллического теплоносителя (наличие оболочки, минеральной изоляции, нагревательного элемента, материал оболочки) (см. «Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением / Ю.А. Белавин, М.А. Евстигнеев, А.Н. Чернявский. - Энерго-атомиздат, 1989, с.5-37; Электронагревательные трубчатые элементы / Г.Р. Миндин, Москва-Ленинград, Энергия, 1965, стр.18-20; ЕР225119 А1, кл. Н05В 3/48, опубл. 01.12.2010 на 26 л., см. реферат, фиг.1), используемые для нагрева пресс-форм, а также в качестве комплектующих изделий в промышленных установках на номинальное напряжение 220 В.

Недостатком данных нагревателей является то, что они не пригодны для эксплуатации в условиях повышенных нагрузок, температуры и радиации - в ядерной теплоэнергетике за счет заложенных при проектировании условий эксплуатации и эксплуатационных характеристик:

- максимальной рабочей температуры на поверхности активной части оболочки нагревателя - 500°С;

- максимальной мощности - 1,25 кВт;

- максимальной полной длине нагревателя по оболочке - 300 мм;

- максимальной температуре в узле герметизации трубчатого электронагревателя (ТЭНа) - в интервале от 200°С до 400°С, что недопустимо для объектов специального назначения.

Низкая надежность ТЭНов, указанных экспертизой в качестве аналогов, и невозможность использовать их в объектах ядерной теплоэнергетики является следствием следующих недостатков указанных конструкций:

- применения в качестве токовыводов стержней длиной до 60 мм или стальной или никелевой проволоки, или гибких многопроволочных изолированных нерадиационностойких жил, присоединяемых к нагревательному элементу ТЭНа пайкой или сваркой, или местной опрессовкой, не гарантирующим надежность соединения; и наличие повышенной температуры на токовыводах;

- недостаточного уплотнения минеральной изоляции (2,7 г/см³) за счет того, что в качестве изоляции применяется порошок MgO, Al₂O₃, SiO₂ крупных фракций, а известные до 1989 г. технологии изготовления нагревательных элементов не позволяли достичь более высокого уплотнения минеральной изоляции - например, до 3,1 г/см³;

- использования керамики для намотки греющей спирали ТЭНа, что совершенно исключает изгибы ТЭНа в любой плоскости для последующего монтажа;

- выполнение заглушки плоской формы в торцевой части патронных нагревателей не обеспечивает равномерную толщину изоляции в месте нахождения нижней части U-образного нагревательного элемента.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция трубчатых электронагревателей патронного типа (ТЭНП), предназначенных для нагрева пресс-форм, литейных форм, штампов, термоплит, реже для нагрева воды, жиров и масел, растворов кислот и щелочей (см. информацию, предоставленную ООО ПФК «Форвард комплект» http://www.forkom.ru/catalog/teni_termopari/trubchatie_tenp?gclid=CKCExOeaqrACFQW-zAodbiDAUA). Конструктивно ТЭНП представляют собой металлический корпус (трубку), внутри которого расположен нагревательный элемент из проволоки высокого сопротивления, намотанной в виде спирали на керамический сердечник, изолированный от корпуса электротехническим периклазом. Оба контактных вывода расположены с одной стороны нагревателя, а на другой стороне торец трубки нагревателя имеет герметично заваренное металлическое донышко.

Корпус элемента - хромоникелевая сталь 12Х18Н10Т.

Поверхность - калибрована.

Диаметр - от 6 до 40 мм, с предельным отклонением (±0,05) мм.

Длина оболочки нагревателя - от 30 до 3000 мм.

Напряжение - от 12 до 380 В.

Мощность - зависит от расчетной величины поверхностной нагрузки.

Варианты исполнения контактных токовыводов:

- жесткие контактные стержни из никеля или нержавеющей стали длиной 40 мм;

- гибкие провода с термостойкой изоляцией;

- гибкие провода с термостойкой изоляцией в металлической оплетке;

- гибкие провода с термостойкой изоляцией с дополнительной защитой от вибрации;

- гибкие провода с термостойкой изоляцией непосредственно внутри нагревателя.

Недостатки данных нагревателей:

- ограниченная мощность и длина нагревателей;

- недостаточное уплотнение изоляции;

- небольшая длина контактных стержней;

- повышенная температура на контактных стержнях;

- ненадежное соединение спирали нагревателя с контактными стержнями;

- термостойкие провода не являются радиационностойкими;

- данные нагреватели не предназначены для нагрева жидкометаллических теплоносителей на ответственных объектах и не имеют высокотемпературных узлов герметизации;

- указанные нагреватели нельзя подвергать изгибам ввиду наличия в них керамического сердечника.

Технические результаты заявляемого технического решения:

1) создание устройства нового назначения - нагревателя патронного типа для жидкометаллического теплоносителя (далее по тексту - нагревателя) с достижением в нем повышенной надежности конструкции за счет совокупности нижеуказанных признаков:

- выполнения нагревательного элемента U-образной формы либо из одного проводника (без сварного соединения), либо двух проводников, соединенных посередине при помощи сварного соединения, с «горячей» греющей зоной и «холодными» выводами, являющимися «контактными токовыводами» по терминологии аналога. При этом сечение «холодных» выводов нагревателя превышает сечение его «горячей зоны» не менее чем в 2 раза, вследствие чего температура «холодных выводов» под нагрузкой превышает температуру окружающей среды не более чем на 25°С;

- надежности соединения между нагревательным элементом и «холодным» выводом,

- выполнения сферической формы заглушки торцевой части патронного нагревателя, которая обеспечивает гарантированную герметизацию нагревателя и равномерную толщину изоляции в месте нахождения нижней части U-образного нагревательного элемента;

- изготовления нагревателя длиной до 4000 мм или более;

2) повышение удобства монтажа с гарантированной герметизацией блока (пакета) нагревателей на установке за счет:

- конструкции и технологии изготовления «холодных» выводов, включая и комбинированные, и осуществления перехода с меньшего размера наружного диаметра нагревателя на больший;

- выполнения «холодных» выводов длиной до 5000 мм или более;

3) изготовление нагревателя патронного типа радиационностойким, а также устойчивым к воздействию вибраций, гидроударов, повышению рабочей температуры до 800°С и более за счет:

- применения при изготовлении соответствующих условиям эксплуатации материалов;

- выполнения корпуса нагревателя многооболочечным;

- увеличения плотности минеральной изоляции до 3,1 г/см³ после вакуумирования и многократного обжатия заготовки на начальном этапе ее изготовления. Такая изоляция обеспечивает высокий уровень изоляционных свойств в условиях интенсивного потока тепловых и быстрых нейтронов на объекте (установке) до флюенса 10²²-10²⁴;

- оснащения узла герметизации металлокерамикой или специальной оконцовочной арматурой;

4) создание нагревателя мощностью до 40 кВт или более с запасом мощности, в случае необходимости, не менее чем на 50% за счет:

- возможности изготовления нагревательного элемента трансформированной сегментной формы. Вследствие этого сечение нагревательного элемента увеличивается по сравнению с нагревательным элементом круглого сечения, а диаметр нагревателя остается прежним. При этом сам нагреватель имеет наибольший коэффициент теплоотдачи нагреваемому теплоносителю (внешней среде).

Описание заявляемого технического решения:

Нагреватель патронного типа содержит корпус из коррозионностойких или жаростойких и радиационностойких сплавов, нагревательный элемент U-образной формы, расположенный внутри корпуса и изолированный от него минеральной изоляцией, выполненный цельным или соединенным из двух частей сваркой в нижней точке посередине, состоящий из «горячей» греющей зоны и «холодных» токовыводов. Оба токовывода расположены с одного торца нагревателя и проходят через узел герметизации, оснащенный металлокерамикой или оконцовочной арматурой, с другого торца нагревателя имеется герметично установленная сферическая заглушка.

Нагревательный элемент имеет «горячую» греющую зону, которая выполнена из сплава Х20Н80-Н - материала с высоким электросопротивлением от 1,03 мкОм*м до 1,18 мкОм*м. Далее имеется переход на «холодные» выводы с низким электросопротивлением от 0,017 мкОм*м до 0,068 мкОм*м, которые могут быть изготовлены комбинированными: по схеме нихром-никель, или нихром-никель-медь, или нихром-никель-жаростойкий сплав меди с ниобием и хромом, или из других материалов.

Форма поперечного сечения нагревательного элемента может быть круглой или трансформированной в виде сегмента круга.

«Холодные» выводы имеют сечение, превышающее сечение «горячей зоны» нагревательного элемента не менее чем в 2 раза. Температура «холодных» выводов под нагрузкой превышает температуру окружающей среды не более чем на 25°С. «Холодные выводы» могут быть изготовлены длиной до 5000 мм и более.

Корпус нагревателя, расположенный на участке перехода между «горячей» зоной и «холодными» выводами большего сечения, имеет плавный переход с меньшего диаметра на больший, что обеспечивает качественный и надежный монтаж в составе объекта, а также высокие эксплуатационные характеристики нагревателя.

В качестве материалов для корпуса могут использоваться коррозионно- и жаростойкие сплавы 321 (08Х18Н10Т), 310, 316L, ЭИ435, ЭП747, Inconel 600, 828, а также другие равноценные материалы.

В качестве изоляции может применяться MgO, или Al₂O₃ (F230 или F240), или SiO₂, или другие виды радиационностойкой минеральной изоляции с плотностью до 3,1 г/см³.

Корпус может состоять из одной или нескольких оболочек. Длина нагревателя по оболочке может достигать 4000 мм и более.

В месте нахождения нижней части U-образного нагревательного элемента, в торцевой части нагревателя, имеется сферическая заглушка, которая обеспечивает равномерную толщину изоляции между оболочкой и нижней частью нагревательного элемента.

Узел герметизации может быть оснащен металлокерамикой или специальной оконцовочной арматурой.

Сущность изобретения поясняется изображением нагревателя на Фиг.1 и 2, содержащего:

1 - нагревательный элемент;

2 - «холодные» выводы;

3 - минеральную изоляцию;

4 - корпус;

5 - сферическую заглушку торцевой части.

Пример выполнения

Нагреватель патронного типа имеет эффективную мощность не менее 37 кВт, рабочую длину 4000 мм, рассчитан на напряжение 220 или 380 В. Корпус нагревателя состоит из одной оболочки, выполненной из коррозионно- и жаростойкого сплава 08Х18Н10Т, толщиной 1,8 мм до перехода на «холодные» выводы и 2,3 мм после перехода. Нагревательный элемент сечением 2,5 мм² выполнен из сплава Х20Н80-Н первого класса живучести с переходом на «холодные» комбинированные выводы окончательным сечением 35 мм² каждый. Наружный диаметр корпуса нагревателя до перехода на «холодные» выводы - 13 мм, после перехода - 24 мм. В торцевой части нагревателя установлена сферическая заглушка из сплава 08Х18Н10Т. Узел герметизации нагревателя патронного типа оснащен металлокерамикой.

Нагреватель патронного типа предназначен к использованию на объектах ядерной энергетики для нагрева жидкометаллического теплоносителя и содержит оболочку, заполненную минеральной изоляцией, внутри которой помещен изолированный от оболочки нагревательный элемент U-образной формы, заканчивающийся контактными токовыводами, также содержит узел герметизации, через который проходят оба токовывода нагревательного элемента, и заглушку торцевой части сферической формы, нагревательный элемент содержит греющую зону, выполненную из металла с высоким электросопротивлением, и «холодные» выводы, выполненные из металла с низким электросопротивлением, при этом сечение холодного вывода превышает сечение вывода на участке греющей зоны не менее чем в 2 раза; в нагревательном элементе имеется переход между «горячей» греющей зоной и «холодными» выводами, а нагреватель на участке между греющей зоной и «холодными» токовыводами имеет плавный переход с меньшего диаметра на больший; оболочка может быть выполнена одно или многослойной и состоять из коррозионно- и жаростойких сплавов: минеральная изоляция уплотнена до 3,1 г/см³. Модификации нагревателей, основанные на указанных конструктивных решениях, могут быть использованы и в других отраслях промышленности. Данное техническое решение позволяет изготавливать различные варианты нагревателей патронного типа по габаритам и мощности. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя содержит оболочку, заполненную минеральной изоляцией, внутри которой помещен изолированный от оболочки нагревательный элемент U-образной формы, заканчивающийся контактными токовыводами, также содержит узел герметизации, через который проходят оба токовывода нагревательного элемента, и заглушку торцевой части сферической формы, нагревательный элемент содержит греющую зону, выполненную из металла с высоким электросопротивлением и «холодные» выводы, выполненные из металла с низким электросопротивлением, при этом сечение холодного вывода превышает сечение вывода на участке греющей зоны не менее чем в 2 раза; в нагревательном элементе имеется переход между «горячей» греющей зоной и «холодными» выводами, а нагреватель на участке между греющей зоной и «холодными» токовыводами имеет плавный переход с меньшего диаметра на больший; оболочка может быть выполнена одно или многослойной и состоять из коррозионно- и жаростойких сплавов: минеральная изоляция уплотнена до 3,1 г/см³.

2. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен в поперечном сечении круглой формы.

3. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен в поперечном сечении сегментной формы.

4. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что нагревательный элемент U-образной формы выполнен из одного проводника.

5. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что нагревательный элемент U-образной формы выполнен из двух проводников со сваркой в месте соединения.

6. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что температура «холодных» выводов под нагрузкой превышает температуру окружающей среды не более чем на 25°С.

7. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что «холодные» выводы изготовлены комбинированными по схеме нихром-никель, или нихром-никель-медь, или нихром-никель-жаростойкий сплав меди с ниобием и хромом.

8. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что «холодные» выводы изготовлены длиной до 5000 мм или более.

9. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что в качестве изоляции применяется MgO, или Al₂O₃, или SiO₂.

10. Нагреватель патронного типа повышенной надежности для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что узел герметизации выполнен из металлокерамики или оснащен оконцовочной арматурой.

11. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что греющая зона выполнена из металла с высоким электросопротивлением от 1,03 мкОм*м до 1,18 мкОм*м, «холодный» вывод выполнен из металла с низким электросопротивлением - от 0,019 мкОм*м до 0,068 мкОм*м.

12. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что длина нагревателя по оболочке достигает 4000 мм или более;

13. Нагреватель патронного типа для жидкометаллического теплоносителя по п.1, отличающийся тем, что оболочка может быть выполнена из коррозионно- и жаростойких сплавов: или 321, или 310, или 316L, или ЭИ435, или ЭП747 или других равноценных материалов.