Электроподогреватель газа Советский патент 1992 года по МПК F24H3/04 

О О О

ttm

ФигЛ

i

О

GJ О

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано в аэродинамических трубах для высокотемпературного подогрева воздуха, в испытательных установках, системах кондиционирования, для сушки.

Известен подогреватель воздуха, содержащий корпус, установленные в корпусе нагреваемые током трубки, закреплённые одним концом в трубной доске. Недостатками такого подогревателя являются сложность конструкции, большие нагрузки на трубную доску, возможность неравномерного распределения воздуха по трубкам.

Известен электрический подогреватель текучей среды, содержащий нагреваемые током трубы, соединенные по концам со сборными коллекторами, и токоведущие шины. Недостатками известного решения являются: малая надежность и пониженная циклическая долговечность вследствие термических напряжений в местах соединения труб с коллектором, которые возникают здесь из-за существенного различия между температурой коллектора и трубы. Это различие вызвано тем, что разность между температурой трубопровода (трубы или коллектора) и протекающего по нему газа пропорциональна удельному тепловыделению в стенках, которое, в свою очередь, пропорционально квадрату плотности тока в стенке. Для коллектора плотность тока намного меньше, чем для трубы, и поэтому в коллекторе тепловыделение и, следовательно, различие между температурой стенки и газа пренебрежимо малы по сравнению с трубами. Однако в местах соединения труб с коллектором температура газа одинакова и для трубы и для коллектора, вследствие чего температура трубы здесь оказывается существенно выше, чем для коллектора, т.е. возникает разность температуры между трубой и коллектором при их соединении. У высокотемпературных трубчатых подогревателей газа эта разность может оказаться достаточно большой, а температуры трубы - близкой к предельно допустимой для материала трубы. При таких условиях возникают существенные термические напряжения в местах соединения труб с коллектором, что приводит к уменьшению надежности подогревателя и снижению его ресурса на циклических режимах (циклической долговечности).

Цель изобретения - повышение надежности подогревателя и его циклической долговечности путем снижения термических напряжений в местах соединений труб с коллектором. Указанная цель достигается тем, что в электроподогревателе газа, содержащим нагреваемые током трубы, соединенные по концу со сборным коллектором, и токоведущие шины, расположенная в зоне соединения руб с коллектором токоведущая шина выполнена в виде шунта, соединяющего все трубы и смещенного относительно коллектора, а электрическое сопротивление труб на шунтируемом участке по меньшей мере а 5-10 раз больше сопротивления шунта.

На фиг.1 приведена схема подогревателя; на фиг.2 - шина, расположенная в зоне соединения труб с коллектором при расположении труб подогревателя в одной плоскости; на фиг.З - шина при пространственном расположении труб.

На фиг.1 изображен подогреватель с то- коведущимм трубами , сборным коллектором 2, к которому трубы присоединены

своими концами, подводящими токоведу- щими шинами 3 на трубах, по которым к трубам подводится электропитание от источника тока, и связанной с землей токове- дущей шиной 4, расположенной вблизи от

коллектора, т.е. в зоне соединения труб с коллектором. Шина 4 выполнена в виде шунта, соединяющая все трубы 1 подогревателя и расположенного со смещением относительно коллектора 2, вследствие чего

между шиной и коллектором образуется шунтируемый участок 5. Соединение шины 4 с трубами 1 при расположении труб в одной плоскости изображено на фиг.2, а на фиг.З - при пространственном расположении труб, когда они центрами сечений располагаются по вершинам равностороннего треугольника. Труба 1 и шина А соединяются между собой на части периметра трубы с одной стороны по ее образующей, например, при помощи сварки или пайки.

Электрическое сопротивление труб 1 на шунтируемом участке 5 по меньшей мере в 5-10 раз больше, чем у шунта.

При работе подогревателя нагреваемый

газ движется по трубам 1 и нагревается за счет джоулева тепла, выделяющегося в трубах 1 при прохождении по ним электрического тока, который подводится через токоведущие шины 3. Сила тока, проходящего между шинами 3 и 4, на т.н. рабочем участке трубы, имеет расчетное значение, соответствующее данному режиму подогревателя. В зоне соединения труб 1 с коллектором 2 происходит перераспределение

тока. Часть его проходит по шине 4, другая - по шунтируемому участку 5 трубы и коллектору 2. Соотношение между силой тока на обоих участках трубы - рабочем и шунтируемом 5 - определяется соотношением

между электрическим сопротивлением шины 4 (шунта) и груб на шунтируемом участке 5. Указанное сопротивление труб для заданных размеров сечения зависит от их длины в пределах шунтируемого участка, т.е. от смещения шунта относительно коллектора. Варьируя этим смещением и сопротивлением шунта, возможно а шиооких пределах изменять силу тока на шунтируемом участке трубы. Удельное тепловыделение при этом меняется еще сильнее, поскольку для дан- ной трубы оно зависит от квадрата силы тока, проходящего через трубу. Так же сильно будет меняться и разность между температурой трубы и газа, которая пропорциональна этому тепловыделению. Например, если сопротивление шунта 4 меньше сопротивления труб на шунтируемом участке 5 вдвое, то максимальный ток через трубу будет здесь в Ј рзз меньше, чем на рабочем участке, а разность между тем- пературой трубы и гаяз уменьшится в 25 раз, В этом случае при разнести между температурой труб и газа на р Г очсм участке порядка 150-200°С температура трубы у коллектора 2 практически будет равна тем- пературе газа в коллекторе. Длина трубы на шунтируемом участке должна быть возможно меньше (в частности, для уменьшения теплопотерь), поэтому ее электрическое сопротивление здесь при обычно используе- мых на практике трубах составляет тысячные доли Ома, а сопротивление шунта с учетом сопротивления контактов между ним и трубами должно быть еще меньше, причем следует учесть, что значения контак- тных сопротивлений могут оказаться сравнимыми с сопротивлением шунта. Прямое измерение электрического сопротивления установленного на трубах шунта (а также труб на шунтируемом участке) в производ- ственных условиях может оказаться затруднительным вследствие очень малой абсолютной величины этих сопротивлений. Поэтому сопротивление шунта нужно задать с достаточным запасом по отношению к сопротивлению труб на шунтируемом участке. На этом основании следует выдержать сопротивление труб на шунтируемом участке в 5 раз больше (по меньшей мере), чем у шунта. С другой стороны, уменьшение со-

противления более чем в 10 оаз по сравнению с трубами не целесообразно поскольку разность между температурой трубы и газа на шунтируемом участке уже примерно на два порядка меньше, чем на рабочем.

Предлагаемый подогреватель позволяет существенно повысить надежность и цик- лическую долговечность трубчатых подогревателей вследствие практически полного устранения напряжений в местах соединения труб с коллектором, так как в этом устройстве обеспечивается практически одинаковая температура трубы и коллектора при их соединении. Значительное повышение надежности подогревателя обеспечивается при соединении труб 1 с шиной 4 (шунтом) с использованием контакта лишь на части периметра трубы, когда реализуется односторонний контакт, близкий к линейному, что позволяет трубам свободно расширяться при их нагреве. Как показывают проведенные оценки, допустимое число теплосмен для такого контакта на несколько порядков больше, чем для контакта по всему периметру трубы, как это имеет место в прототипе.

На основании проведенных исследований модельных подогревателей, подтвердивших увеличение надежности и циклической долговечности, выполнены технические проработки трубчатых подогревателей, расчитанных на подогрев воздуха до 600 С при мощности 1 МВт и 5 МВт. Проведены предварительные испытания модуля мощностью 1 МВт.

Формула изобретения

Электроподогревэтель газа, содержащий подключенные к сборному коллектору полые трубчатые нагреватели, соединенные с токоведущими шинами, расположенными на нагревателях со смещением относительно коллектора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем снижения термических напряжений, токс- ведущие шины выполнены в виде шунта, соединяющего трубчатые нагреватели, электрическое сопротивление которого в 5- 10 раз меньше электрического сопротивления нагревателей на шунтируемом участке.

фие.З

Использование: нагрев газа в испытательных установках (аэродинамических трубах), в системах кондиционирования, при сушке. Сущность изобретения: токоведущая шина (4) подогревателя вблизи от коллектора (2) выполнена в виде шунта, соединяющего трубы (1) подогревателя и смещенного относительно коллектора (2). 3 ил.

Фиг.1