ФИГУРНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ Российский патент 2022 года по МПК H05B3/56 

Область техники.

Предлагаемое устройство относится к области электротехнических устройств, в частности к нагревательным кабелям (НК) и может использоваться для обогрева газообразных, жидких сред и твердых поверхностей (по тексту «нагреваемые объекты») [H05B 3/10, H05B 3/56, H01B 7/42].

Из основного уравнения теплопередачи известно, что количество переданной теплоты (интенсивность теплопередачи) прямо пропорционально площади поверхности теплообмена. В зависимости от условий взаимного расположения нагревательного кабеля и нагреваемого объекта (или кабеля в нагреваемой среде) основными для теплообмена будут процессы теплопроводности и конвекции.

Площадь поверхности теплопередачи можно увеличить за счет увеличения диаметра кабеля, однако увеличение толщины оболочки ведет к увеличению её теплового сопротивления и уменьшению отвода тепла от кабеля, что не только негативно влияет на эффективность теплопередачи к нагреваемому объекту (нагреваемой среде), но и способствует снижению долговечности кабеля, особенно в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов, в которых, как правило, и происходит перегорание кабеля.

Поэтому задача разработки нагревательного кабеля с повышенной эффективностью теплоотвода от резистивной жилы и теплопередачи между кабелем и нагреваемым объектом (нагреваемой средой), а также долговечностью кабеля в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов, является актуальной.

Уровень техники.

Известны технические решения, направленные на повышение теплоотдачи с поверхности нагревательных проводов, в том числе в устройствах для обогрева объектов в экстремальных условиях Севера. В частности, известны технические решения, направленные на увеличение теплосъема с поверхности нагревательного кабеля, фигурного (некруглого) профиля. В аналоге, согласно патента RU 2402182 Материал и нагревательный кабель от 20.10.2010г. (владелец патента ХИТ ТРЕЙС ЛИМИТЕД, GB) для обогрева поверхности применен саморегулирующийся кабель овального сечения, контакт которого с нагреваемой поверхностью происходит по менышей стороне его профиля, что ограничивает поверхность теплопередачи и, соответственно, мощность нагрева в виду перегрева кабеля.

В предлагаемом изобретении площадь поверхность кабеля увеличивается за счет придания фигурной формы его внешней оболочке, в поперечном сечении имеющей вид радиатора с радиальными ребрами. При этом в качестве внешней оболочки предлагается использовать эластичную полимерную электроизоляционную оболочку, а резистивную жилу выполнять из множества скрученных токопроводящих резистивных элементов. Такая форма и свойства кабеля дополнительно способствует демпфированию поперечных нагрузок в местах перегиба провода при монтаже и эксплуатации.

В аналоге, согласно авторского свидетельства СССР (Электронагревательный кабель SU 830666 A1 от 15.05.1981), для восприятия поперечных нагрузок специально применяется сложное дополнительное устройство провода и его крепления. В предлагаемом же новом техническом решении поперечные нагрузки, в том числе динамические, снижающие долговечность нагревательного кабеля, поглощаются за счет упругости ребер внешнего слоя кабеля.

Как указано в другом аналоге, согласно заявке на Способ прокладки греющего кабеля для обогрева грузонесущей панели (RU 2017 114 839 A от 26.10.2018 Бюл. №30), при применении саморегулирующегося кабеля с плоским профилем, «с целью оптимизации передачи тепла от греющего кабеля …он прокладывается между вертикально ориентированными внешними сторонами пар уголков…, при этом фиксация греющего кабеля в указанном положении осуществляется с помощью утверждающегося полимера…». То есть, как следует из приведенного источника, монтаж нагревательного кабеля требует применения дополнительных устройств, что усложняет сборку и уменьшает теплопередачу непосредственно к нагреваемой поверхности. Кроме того, теплопередача к нагреваемому объекту (плите) ограничивается теплопроводностью утверждающегося полимера, а также сопротивлением теплопередачи при контакте уголков с плитой.

Недостатком в части отбора тепловой мощности от нагревательного кабеля обладают и резистивные кабели круглого сечения, представляющие провод с большим сопротивлением (резистор) в электрозащитных оболочках. Так аналогичный нагревательный кабель, согласно патента RU 2342807 (опубликован 27.12.2008) состоит из центрального резистивного провода, окруженного несколькими защитными оболочками, каждая из которых имеет собственное тепловое сопротивление, а в целом они ограничивают теплопередачу от резистивного провода в окружающую среду. В этом случае свободное размещение кабеля в пазе нагревательной плиты ограничивает передачу теплового потока через зазор. Так, как даже при высоте неровностей паза порядка 6 мкм (чистовая обработка) зазор вызывает сопротивление, эквивалентное сопротивлению стальной плиты толщиной 30мм.

За прототип предлагаемого устройства принят «Длинномерный гибкий электронагреватель и способ его изготовления», согласно патента RU 2072117 (Заявка: 95 95108282, 01.06.1995). В нём центральный резистивный элемент для повышения прочности и увеличения теплопередачи окружен первой оболочкой из синтетических нитей и второй оболочкой из термопластичного полимера.

Недостатком прототипа является снижение эффективности теплоотвода от резистивной жилы и теплопередачи между кабелем и нагреваемой средой из-за воздушных включений в нитях первой оболочки, создающих дополнительную теплоизоляцию резистивного элемента, а также из-за относительно малой площади поверхности теплообмена, при нагреве поверхностей обусловленной, в том числе, недостаточной эластичностью материалов, целесообразных к использованию для внешней оболочки, что уменьшает пятно соприкосновения кабеля и нагреваемого объекта. Эти факторы способствуют снижению долговечности кабеля в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов и способности к демпфированию поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации.

Раскрытие сущности изобретения.

Задачей изобретения является разработка нагревательного кабеля с повышенной эффективностью теплоотвода от резистивной жилы и теплопередачи между кабелем и нагреваемым объектом (нагреваемой средой), а также долговечностью кабеля в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов и способностью к демпфированию поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации.

Задача решается в фигурном нагревательном кабеле, состоящем из резистивной жилы, выполненной из множества токопроводящих резистивных элементов, покрытой эластичной полимерной электроизоляционной оболочкой, отличающегося тем, что с целью увеличения теплоотвода с поверхности кабеля за счет теплового рассеяния и теплопередачи в нагреваемую среду, а также демпфирования поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации, кабель в поперечном сечении имеет фигурную форму в виде радиатора с радиальными ребрами.

В частности, высота ребер в поперечном сечении составляет 0,3-0,5 от его описанного диаметра, что обеспечивает увеличение теплоотводящей поверхности не менее 3раз в сравнении с кабелем без ребер, т.е. исходного диаметра.

В частности, с целью демпфирования поперечных нагрузок и для обеспечения стойкости при экстремальных температурах, эластичная полимерная электроизоляционная оболочка кабеля выполнена из силиконовой резины с твердостью 60-80 ед. Шор А, (Гост 263-75), прочностью при растяжении 7-11Мпа (Гост 270-75), пластичностью 0,45-7,0 усл. еден. (ГОСТ 415-75) и теплостойкостью от -65 до +250°С.

В частности, множество скрученных токопроводящих резистивных элементов выполнены из углеродных нитей.

В частности, множество скрученных токопроводящих резистивных элементов выполнены из стальной проволоки.

Краткое описание чертежей.

Техническое решение поясняется фигурой 1.

На фиг.1 представлен поперечный разрез фигурного нагревательного кабеля.

На фигуре обозначено: 1 - резистивная жила, 2 - резистивный элемент, 3 - электроизоляционная оболочка, 4 - ребра, d - исходный диаметр нагревательного кабеля, D - описанный диаметр нагревательного кабеля.

Осуществление изобретения.

Фигурный нагревательный кабель содержит резистивную жилу 1, состоящую из множества резистивных элементов 2 и покрытую электроизоляционной оболочкой 3 с ребрами 4, которые выступают над исходным диаметром нагревательного кабеля d, образуя вершинами описанный диаметр нагревательного кабеля D.

Устройство используется следующим образом.

При прохождении электрического тока по резистивным элементам 2 резистивной жилы 1 выделяется тепловая энергия, которая проходя через эластичную полимерную электроизоляционную оболочку 3 нагревает её и с увеличенной за счет ребер 4, выступающих над исходным диаметром нагревательного кабеля d, площади внешней поверхности нагревательного кабеля передается нагреваемой среде (нагреваемому объекту). При этом за счет ребер 4 значительно возрастает площадь поверхности теплопередачи нагреваемой среде в сравнении с аналогами с диаметром, равным описанному диаметру D фигурного нагревательного кабеля, предлагаемого в изобретении.

Совокупный эффект от конструкции резистивной жилы 1, состоящей из множества резистивных элементов 2, выполненных, например, из стальной проволоки или углеродных нитей и обеспечивающих одновременно гибкость и прочность, наличия электроизоляционной оболочки 3, выполненной из эластичного полимера, например из силиконовой резины с твердостью 60-80 ед. Шор А, (Гост 263-75), прочностью при растяжении 7-11Мпа (Гост 270-75), пластичностью 0,45-7,0 усл. еден. (ГОСТ 415-75) и теплостойкостью от -65 до +250°С, наличие ребер 4 высотой в поперечном сечении составляющей, например, 0,3-0,5 от описанного диаметра D (что обеспечивает увеличение теплоотводящей поверхности не менее чем в 3 раза в сравнении с НК исходного диаметра без ребер), позволяют использовать однослойную оболочку, что упрощает конструкцию НК, повышает её общую гибкость, снижает тепловое сопротивление и повышает эффективность теплоотвода от резистивной жилы 1 за счет исключения множества границ раздела слоев и возможного присутствия там воздушных включений, повышает эластичность оболочки за счет повышенной возможности к деформации ребер 4, имеющих связь только с основанием, образованным исходным диаметром d.

Повышение эффективности теплоотвода от резистивной жилы 1 и теплопередачи между НК и нагреваемым объектом (нагреваемой средой), а также общей гибкости НК, повышает его долговечность в условиях функционирования, в том числе и при наличии множественных изгибов, а наличие ребер 4, как эластичных продольных силовых элементов с высокой способностью компенсации поперечной нагрузки, повышает способность к демпфированию поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации НК.

Пример 1. Обогрев покрытия крыш. Обогрев покрытия крыш устанавливается с целью периодического ликвидации снежного покрова. НК устанавливается на скате крыши петлями с перегибами на роликах. В виду высокой гибкости фигурного кабеля и простоты его закрепления на направляющих фарфоровых роликах в местах перегибов существенно упрощается его монтаж. Особенностью обогрева крыш является низкая теплопроводность снега - в 20 раз ниже, чем у льда (при -20°С у снега коэффициент теплопроводности составляет λ=0.116 кал/м⋅час⋅град, в сравнении λ=2,21 у льда). Это делает неэффективными системы подогрева за счет теплопередачи. Но рыхлая структура снежного покрова позволяет предавать через него температуру конвекцией. С этой целью применяется предлагаемый НК профильного сечения с развитой поверхностью, обеспечивающий тепловыделение в виде конвекции. Другая особенность обогрева крыш состоит в повышенной прочности НК, способного выдерживать как давление снежного покрова, так и усилия при скатывании снега с крыши. Этим требованиям удовлетворяет предлагаемый НК. Давление снежного покрова воспринимается его эластичными ребрами, а силовую нагрузку кабель способен воспринимать благодаря высокой прочности: прочность кабеля на основе резистивного элемента из углеродной нити линейной плотностью 1600Текс (24К, сопротивление 18 Ом/м) составляет не менее 200 кг, в то время как плотность снега при -20°С составляет существенно меньшую величину - порядка 200 кг/м³. Также ребристая структура кабеля обеспечивает демпфирование поперечных нагрузок, в рассматриваемом случае от снежного покрова, а также от цементной стяжки при обогреве полов.

Пример 2. Обогрев крыш конвекцией. При этом виде обогрева НК размещается в каналах карниза, предусмотренных строительными нормами для вентиляции кровли, как показано на Фиг.3. Естественный воздух чрез карнизные щели поступает в пространство под крышей и выходит через конёк. Для обогрева кровли НК свободно размещается в карнизе. При включенном питании НК происходит непрерывный обогрев воздушного потока, что препятствует образованию снежного покрова на крыше. Таким образом, развитая поверхность фигурного НК способствует обогреву воздушного потока и эффективности обогрева крыши.

Пример 3. Обогрев полов в помещении для цыплят. НК устанавливается под деревянным полом (фанера) с перегибами на фарфоровых роликах.

Пример 4. Теплый пол, обогрев ступеней. НК кабель устанавливается на полу (на ступенях) петлями и заливается цементной стяжкой.

В предлагаемом изобретении недостатки прототипа в части ограниченного теплоотвода от резистивной жилы, устраняются применением технического решения в виде фигурного поперечного профиля кабеля с развитой поверхностью за счет выполнения в форме радиатора с продольными ребрами, что обеспечивает повышение теплоотвода от резистивной жилы и НК в окружающую среду за счет теплопередачи и конвекции.

Несмотря на увеличение внешнего диаметра (описанный диаметр D) в предлагаемом техническом решении с фигурной поверхностью, кабель сохраняет высокую гибкость. Так, жесткость провода круглого сечения диаметром d при изгибе увеличивается пропорционально d⁴. То есть увеличение диаметра провода (за счет увеличения толщины оболочки), например, в два раза приведет к увеличению его жесткости практически в 10 раз, что существенно осложнит его монтаж. В случае ребристой поверхности кабеля увеличение диаметра с d до описанного диаметра D за счет ребер незначительно увеличивает жесткость провода, так как ребра не связаны между сбой в процессе деформации.

Повышение теплопередачи обеспечивается за счёт развитой поверхности кабеля, имеющей в поперечном сечении форму радиатора с радиальными ребрами. То есть в предлагаемом устройстве увеличение поверхности кабеля от исходного диаметра и, соответственно, увеличение теплопередачи, осуществляется за счет дополнительной фигурной формы поверхности кабеля, технически выполненной в виде радиатора с радиальными ребрами, увеличивающими, как все радиаторы, поверхность излучения и теплопередачи с поверхности кабеля. Фигурная форма кабеля, в виде радиатора с радиальными ребрами эластичной полимерной электроизоляционной оболочки, например из силиконовой резины, обеспечивают кабелю дополнительные положительные свойства при монтаже и эксплуатации: устойчивое положение кабеля без применения дополнительных крепежных изделий при размещении в каналах обогреваемых пластин за счет эластичности ребер; повышенная устойчивость фигурного кабеля к воздействию поперечных силовых нагрузок, возникающих, в частности, при ходьбе по нему или при воздействии цементной стяжки, либо снеговой нагрузки - в виду демпфирующего свойства эластичных ребер; демпфирующие свойства радиальных ребер повышают долговечность в условиях работы при множестве изгибов или перегибах кабеля при укладке в пазах или на роликах.

Таким образом, в результате решения задачи изобретения разработан нагревательный кабель, состоящий из резистивной жилы, выполненной из множества токопроводящих резистивных элементов, покрытой эластичной полимерной электроизоляционной оболочкой, в поперечном сечении имеющий фигурную форму в виде радиатора с радиальными ребрами, который обладает повышенной эффективностью теплоотвода от резистивной жилы и теплопередачи между кабелем и нагреваемым объектом (нагреваемой средой), а также долговечностью в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов и способностью к демпфированию поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации, что в полной мере подтвердилось в процессе опытной эксплуатации такого нагревательного кабеля.

Предлагаемое устройство относится к области электротехнических устройств, в частности к нагревательным кабелям, и может использоваться для обогрева газообразных, жидких сред и твердых поверхностей. В фигурном нагревательном кабеле, состоящем из резистивной жилы, выполненной из множества токопроводящих резистивных элементов, покрытой эластичной полимерной электроизоляционной оболочкой, кабель в поперечном сечении имеет фигурную форму в виде радиатора с радиальными ребрами. Изобретение обеспечивает повышенную эффективность теплоотвода от резистивной жилы и теплопередачи между кабелем и нагреваемым объектом, а также долговечность кабеля в условиях его функционирования при наличии множественных изгибов и способность к демпфированию поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фигурный нагревательный кабель, состоящий из резистивной жилы, выполненной из множества скрученных токопроводящих резистивных элементов, покрытой эластичной полимерной электроизоляционной оболочкой, отличающийся тем, что с целью увеличения теплоотвода с поверхности кабеля за счет теплового рассеяния и теплопередачи в нагреваемую среду, а также демпфирования поперечных нагрузок при монтаже и эксплуатации кабель в поперечном сечении имеет фигурную форму в виде радиатора с радиальными ребрами.

2. Фигурный нагревательный кабель по п.1, отличающийся тем, что высота ребер в поперечном сечении составляет 0,3-0,5 от его описанного диаметра, что обеспечивает увеличение теплоотводящей поверхности не менее 3 раз в сравнении с кабелем без ребер, т.е. исходного диаметра.

3. Фигурный нагревательный кабель по п.1, отличающийся тем, что с целью демпфирования поперечных нагрузок и для обеспечения стойкости при экстремальных температурах эластичная полимерная электроизоляционная оболочка кабеля выполнена из силиконовой резины с твердостью 60-80 ед. Шор А, прочностью при растяжении 7-11 МПа, пластичностью 0,45-7,0 усл. ед. и теплостойкостью от -65 до +250 °С.

4. Фигурный нагревательный кабель по п.1, отличающийся тем, что множество скрученных токопроводящих резистивных элементов выполнены из углеродных нитей.

5. Фигурный нагревательный кабель по п.1, отличающийся тем, что множество скрученных токопроводящих резистивных элементов выполнены из стальной проволоки.