Нагревательное устройство Российский патент 2023 года по МПК H05B3/40 H05K3/44 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, в частности к нагревательным устройствам, и предназначено для нагрева жидких сред и воздуха, как в промышленности, так и в быту.

Известны нагревательные устройства, содержащие корпус с расположенным в нем цилиндром из огнеупорного теплопроводного материала со спиральными канавками, в которые уложена спираль нагревателя, дополнительный цилиндр из огнеупорного материала, расположенный соосно с цилиндром со спиралью и фиксирующий слой электро-теплоизолирующего материала между цилиндрами (см. патент РФ на полезную модель №2294, F27B 17/02).

В патенте Германии №3304488, кл. Н05В 3/48 нагреватель выполнен в виде спирали на держателе, а для предотвращения ее смещения, конструкция залита электро-теплоизоляционным материалом.

За прототип автором принято нагревательное устройство по патенту РФ на изобретение №2340124, кл Н05В 3/64, содержащее цилиндр из огнеупорного теплопроводящего материала со спиральной канавкой, в которой уложена натянутая проволока нагревательного элемента, и дополнительный цилиндр, расположенный вокруг цилиндра со спиральной канавкой соосно с ним. Фиксация проволоки в спиральной канавке осуществляется посредством наложения на проволоку и поверхность цилиндра с канавкой фиксирующего элемента.

Недостатками указанных известных нагревательных устройств являются низкие эффективность и коэффициент полезного действия, ограниченная область использования и неравномерность температуры по длине расположения нагревательного элемента. Низкие эффективность работы и коэффициент полезного действия (КПД) определяются малой теплопроводностью материала цилиндра со спиральной канавкой, значительная часть тепла с нагретой проволоки нагревательного элемента теряется бесполезно, путем рассеивания тепла в атмосферу. Из-за малой теплопроводности материала цилиндра со спиральной канавкой имеют место перегрев проволоки и неравномерность температуры по длине цилиндра, так как огнеупорный материал неоднороден в объеме и имеет поры. Ограниченная область использования нагревательного устройства по прототипу определяется как невысокой температурой цилиндров устройства, так и не возможностью погружения этих цилиндров из неметаллических материалов в жидкость, герметичность конструкций из огнеупорного материала обеспечить невозможно.

Задача предлагаемого изобретения – в значительной степени устранить вышеуказанные недостатки.

Технический результат – повышение эффективности работы и коэффициента полезного действия, расширение области применения и выравнивание температуры на наружных поверхностях обоих цилиндров.

Поставленная задача достигается тем, что в нагревательном устройстве, содержащем цилиндр из теплопроводного материала со спиральной канавкой, в которой уложена натянутая проволока нагревательного элемента, и дополнительный цилиндр, расположенный вокруг цилиндра со спиральной канавкой соосно с ним, оба цилиндра выполнены из металла, а натянутая проволока нагревательного элемента помещена в трубку из термостойкого материала.

Дополнительно поставленная задача достигается тем, что проволока нагревательного элемента помещена в чулок из термостойкого материала, например кремнезёма.

Так же дополнительно предлагается дополнительный цилиндр выполнить из биметаллической трубки с внутренним слоем из меди.

В результате решения поставленной задачи получен технический результат, заключающийся в повышении эффективности работы и коэффициента полезного действия, расширении области применения и выравнивании температуры на наружных поверхностях обоих цилиндров.

Выполнение обоих цилиндров из металла позволяет значительно увеличить теплопередачу с нагретой проволоки на наружную поверхность обоих цилиндров. Количество переданного тепла через стенку определяется выражением (см., например, книгу «Основные процессы и аппараты химической технологии», автор Касаткин А.Г. Химия, М. 197/2, стр. 282-283):

где коэффициент теплопроводности материала стенки;

δ – толщина стенки;

t_ст1, t_ст2 – разность температур поверхностей стенки цилиндров;

F – площадь теплоизлучающей поверхности стенок;

τ – время.

В предполагаемом устройстве одновременно увеличены и температуры, и теплопроводность стенок цилиндров, и площадь их теплоизлучающей поверхности. Практически исключены перегревы проволоки и выход ее из строя, т.е. надежность работы устройства очень велика.

Но использование цилиндров из металла стало возможно с появлением изоляции в виде трубки или чулка из термостойкого материала: стеклотканевая, фторопластовая, термостойкий пластик (см. например, книгу «Материаловедение», авторы Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Издательский дом Альянс, М., стр. 468-469, 453, 459-460), высокой термостойкостью (до 1100°C) обладают шнуры-чулки из кремнезема (информационный листок прилагается). Согласно предложению автора изменяя мощность нагревателя и площадь теплоизлучающей поверхности цилиндров, можно очень значительно расширить область применения устройства – от нагревания жидкостей в емкостях больших объёмов, до получения низкотемпературного тепла в помещениях и нагрева любых изделий, вплоть до длинномерных, при этом коэффициент полезного действия и площади теплоизлучающей поверхности остаются большими. Выполнение цилиндра из биметаллической трубы, плакированной изнутри медью, способствует выравниванию температуры по длине обоих цилиндров. Так как передача теплоты от внутреннего цилиндра с нагретой проволокой к дополнительному цилиндру и обратно происходит теплоизлучением, теплопроводностью и конвекцией в минимальном зазоре между цилиндрами, то принимая во внимание высокую теплопроводность меди, происходит выравнивание температуры по длине дополнительного цилиндра на длине, и больше длины намотки проволоки, а так как эффективный лучистый поток внутреннего цилиндра состоит из собственного лучистого потока и отраженного, полученного от дополнительного цилиндра, то происходит выравнивание температуры и по длине внутреннего цилиндра со спиральной канавкой. Так как коэффициент теплопроводности меди один из самых высоких, то и температура на границе меди и стали в биметаллической трубе увеличивается, увеличивается и тепловой поток с внешней поверхности дополнительного цилиндра. Медный слой с высокой теплопроводностью для дополнительного цилиндра является как бы источником тепла с высокой температурой.

На прилагаемом чертеже представлен вариант исполнения предлагаемого изобретения.

Предлагаемое нагревательное устройство содержит цилиндр 1 со спиральной канавкой 2, в которой уложена натянутая проволока 3 в термостойкой втулке 4, дополнительный цилиндр 5, плакированный изнутри слоем меди 6, крышек 7, установленных по торцам цилиндров 1 и 5, уплотнительные прокладки 8 и трубки 9, через которые пропущены концы проволоки 3. Дополнительный цилиндр 5 выполнен из биметаллической трубы с внутренним слоем из меди (см., например, ГОСТ 22786-77 на трубы биметаллические бесшовные для судостроения). Цилиндры 1 и 5 могут быть выполнены из любого металла в зависимости от условий эксплуатации, для увеличения теплоизлучающей поверхности они могут быть снабжены радиаторами. Чтобы проволока 3 в изоляции 4 ни при каких обстоятельствах не выпадала из канавок 2 и увеличить теплопередачу с цилиндра 1 с проволокой 3 на цилиндр 5. Желательно при сборке надвигать на цилиндр 1 по переходной или другой плотной посадке (см., например, книгу «Общетехнический справочник», под редакцией Скороходова Е.А., М., Машиностроение 1982 г., стр. 311), нет необходимости в дополнительных фиксаторах. Автор не предполагает использование наполнителей, что обеспечит при необходимости ремонтоспособность устройства. При соответствующей длине трубок 9 устройство может использоваться как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, в последнем варианте будет задействован эффективный конвективный перенос тепла снизу вверх.

Работает устройство следующим образом.

При подаче питания на устройство начинается нагрев проволоки 3, а от нее через материал чулка 4 цилиндра 1. Так как зазор между цилиндрами 1 и 5 мал, то сразу же через тепловое излучение, конвекцию и теплопроводность. С проволоки 3 и цилиндра 1 начинает греться слой меди 6 на цилиндре 5. Полезный съём тепла происходит с наружной поверхности цилиндра 5, с внутренней поверхности цилиндра 1 и с поверхности трубок 9, которые тоже греются, так как через них выводятся концы проволоки 3 нагревательного элемента. Слой меди 6 греется и вихревыми токами, но нагрев ими незначительный, но он присутствует. Так как теплопроводность металла цилиндров 1 и 5 велика, то по длине они выполнены несколько длиннее намотки проволоки 3 в спиральной канавке 2, это увеличивает теплоизлучающую площадь поверхности цилиндров и исключает перегрев проволоки 3 на концах цилиндра 1 и способствует повышению коэффициента полезного действия устройства. Если предполагается использование в полезных целях внутреннюю полость цилиндра 1, то выводные трубки 9 можно вмонтировать с торцов или снаружи цилиндра 5.

Диаметры, длины и металлы цилиндров 1 и 5 и снимаемые с них тепловые мощности и температуры могут варьироваться в широких пределах, не доходя до предельных значений для проволоки 3.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к нагревательным устройствам, и предназначено для нагрева любых сред как в промышленности, так и в быту. Технический результат – повышение эффективности работы и коэффициента полезного действия, расширение области применения и выравнивание температуры на наружных поверхностях обоих цилиндров. Технический результат достигается тем, что нагревательное устройство содержит цилиндр со спиральной канавкой, в которой уложена натянутая проволока нагревательного элемента, и дополнительный цилиндр, соосно расположенный вокруг цилиндра со спиральной канавкой. Цилиндр со спиральной канавкой выполнен из металла с высокой теплопроводностью, натянутая проволока нагревательного элемента помещена в трубку из термостойкого материала, дополнительный цилиндр выполнен в виде биметаллической трубы из стали с внутренним слоем из меди, при этом длина обоих цилиндров больше длины участка намотки проволоки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Нагревательное устройство, содержащее цилиндр со спиральной канавкой, в которой уложена натянутая проволока нагревательного элемента, и дополнительный цилиндр, соосно расположенный вокруг цилиндра со спиральной канавкой, отличающееся тем, что цилиндр со спиральной канавкой выполнен из металла с высокой теплопроводностью, натянутая проволока нагревательного элемента помещена в трубку из термостойкого материала, дополнительный цилиндр выполнен в виде биметаллической трубы из стали с внутренним слоем из меди, при этом длина обоих цилиндров больше длины участка намотки проволоки.

2. Нагревательное устройство по п. 1, отличающееся тем, что проволока нагревательного элемента помещена в чулок из термостойкого материала, например кремнезема.