Электронагреватель текучих сред Советский патент 1981 года по МПК H05B3/60 

I

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано в металлургической промышленности, например для подогрева воздуха и мазута в газомазутных горелках.

Известен электронагреватель текущих сред, содержащий нагревательный элемент в виде набора по меньшей мере двух пластин пористого токопроводящего материала и электрических контактов для подсоединения к источнику питания. Нагревательный элемент известного нагревателя выполнен из графитированного (неразъемного) волокна 1.

Однако в процессе работы такой нагревательный элемент быстро загрязняется, очистка его поверхности теплообмена затрудняется, что увеличивает эксплуатационные расходы на обслуживание электронагревателя.

Известен также электронагреватель текучих сред, содержащий нагревательный элемент в виде насыпного электропроводного ферромагнитного материала, размещенного в нагревательной камере, снабженной токопроводящими контактами, подключенными к источнику тока и патрубками для

входа и выхода теплоносителя. В этом электронагревателе частицы насыпного электропроводного материала, образующие конвективную поверхность теплообмена, легко удаляются из нагревательной камеры, что упрощает очистку дисперсного материала от загрязнений (инкрустаций) и обеспечивает восстановление заданной пористости электронагревателя 2.

Однако известный электронагреватель имеет высокий коэффициент заполнения рабочего объема камеры электропроводным материалом, представляющим собой плотный, сжатый электрическими контактами, неподвижный дисперсный слой из щаровых частиц. Указанный коэффициент, как правило, достигает 40-65%, что обуславливает высокие гидродинамические потери и большую мощность на прокачку ткучей среды через электронагреватель. При объемных концентрациях частиц электропроводного материала, равных 10% и менее в известном электронагревателе невозможно обеспечить оптимальное соотношение между заданной интенсивностью теплосъема и величиной гидравлических потерь при прокачке текучей среды, что приводит к снижению эффективности работы электронагревателя.

Кроме того, при протекании электрического тока через насыпной нагревательный элемент наибольшее тепловыделение происходит в точках контакта электропроводных гранул элемента друг с другом, причем на величину этого тока влияет значение контактного электрического сопротивления, на которое в свою очередь оказывают влияние силы давления, сжимающие гранулы. Но силы давления в насыпном сжатом слое гранул зависят от многих факторов (плотности и структуры слоя, загрязненности или запыленности слоя текучей средой) и всей предыстории слоя гранул. Поэтому в известном электронагревателе не удается обеспечить достаточно тонкое управление мощностью нагревательного элемента и исключить перегрев текучей среды, что приводит к снижению надежности электронагревателя.

Цель изобретения - повышение производительности путем уменьщения гидродинамических потерь и энергозатрат на прокачку теплоносителя.

Поставленная цель достигается тем, что электронагреватель снабжен источником постоянного магнитного поля, ось диполя которого размещена перпендикулярно к рабочим поверхностям контактов, а нагревательный элемент сформирован с помощью указанного магнитного поля в виде игл-стержней из продолговатых частиц дисперсного ферромагнитного материала с объемной концентрацией в рабочем объеме камеры, определяемой соотношением

);

где -объемная концентрация дисперсного ферромагнитного материала в рабочем объеме камеры; К -коэффициент, учитывающий геометрическую форму камеры; ct -среднегеометрический размер приведенных к щаровой форме частиц ферромагнитного материала; h. - расстояние между токоподводящими контактами;

h. - показатель степени, зависящий от

размера частиц ферромагнитного

материала и расстояния между

токоподводящими контактами.

На фиг. 1 изображен электронагреватель,

разрез вдоль нагревательной камеры; на

фиг. 2 - то же, разрез А-А на фиг. 1.

Камера 1 электронагревателя ограничена сверху и снизу электрическими контактами 2 и 3, которые выполнены в виде непроницаемых для нагреваемой среды немагнитных пластин из графита и соединены с источником 4 питания. Торцы пластины закреплены в керамических изоляторах 5 и 6, в которые вмонтированы патрубки 7 и 8 соответственно для входа и выхода текучей среды. Две другие боковые стенки камеры 1 образованы керамическими плитами 9 и 10. Внутри камеры на поверхности нижнего контакта 3 размещен пористый слой 11 из насыпного ферромагнитного материала, например железного порошка, точка Кюри которого

равна необходимой температуре (770°С) нагрева протекающего воздуха. Снаружи камеры 1 установлен источник 12 постоянного магнитного поля. Ось диполя источника 12 магнитного поля размещена под углом, например перпендикулярно к токоподводящим

поверхностям электрических контактов 2 и 3. В качестве источника магнитного поля может быть использован как постоянный магнит, так и электромагнит. Для обеспечения необходимого распределения объемной концентрации слоя по длине рабочей камеры 1 и исключения уноса слоя частиц из камеры между электрическими контактами 2 и 3 установлены с заданным шагом разделительные перфорированные пластины 13 из неэлектропроводного керамического маТ1ериала.

Предлагаемый электронагреватель работает следующим образом.

На поверхность нижнего контакта 3 вдоль всего рабочего объема камеры наносят слой ферромагнитных частиц, не замыкая слоем верхний контакт 2. При этом предварительно экспериментальным путем подбирают магнитные свойства гранул насыпного слоя так, чтобы точка Кюри их была равна (или близка) заданной температуре на0 грева текучей среды.

Затем с помощью источника 12 создают в рабочей зоне камеры 1 поперечное по отношению к токоподводящим поверхностям контактов 2 и 3 постоянное магнитное поле. Под воздействием приложенного постоянного магнитного поля находящийся на поверхности нижнего контакта 3 слой 11 ферромагнитных частиц расширяется, увеличивает свою пористость, оставаясь магнитосвязанным, «растет в направлении силовых

Q линий приложенного поля, т.е. в направлении поверхности верхнего токоподводящего контакта 2. Достигая контакта 2, расширенный (с увеличенной пористостью) ферромагнитный слой преобразуется под воздействием магнитного поля в дисперсные иг5 лы-стержни, которые прижимаются к контактам силами магнитного поля и замыкают электрическую цепь источника тока. При этом ток в слое ферромагнитных частиц будет протекать в направлении оси диполя источника постоянного магнитного поля.

Механизм образования неразрывных игл-стержней, надежно замыкающих оба контакта, следующий.

При подключении катушек возбуждения 5 электромагнитов к питающей сети в частицах (гранулах) слоя под действием приложенного поля индуцируется магнитный поток, который стремится замкнуться по цепи, имеющей наименьшее магнитное сопротивление. Внешнее магнитное поле индуцирует в частицах, (которые в общем случае имеют неправильную нешаровую форму) магнитные полюса и плотность магнитного заряда принимает наибольшее значение у вершин частиц (т.е. намагничивание гранул происходит вдоль длинной оси, так называемой оси легкого намагничивания). В результате взаимодействия полюсов гранул с внешним (приложенным) магнитным полем создается вращающий момент, который стремится сориентировать гранулу длинной осью вдоль силовых линий. Наибольщий вращающий момент в грануле действует в плоскости, проходящей через наибольшую ось частицы, совпадающей с направлением оси легкого намагничивания. Величина магнитного момента определяется из выражения M f- -Sitv4, где |.1щН-сила, действующая на вершины частиц; т. - магнитная масса частицы; Н -напряженность приложенного поля; - длинная ось частицы; Ц - угол между вектором напряженности приложенного поля и длинной осью частицы. Одновременно с магнитным моментом на частицу (гранулу) в направлении градиента поля действует сила магнитного притяжения, равная (/ -l V-H-9fad.H, где j(A - относительная магнитная проницаемость гранул; V - объем гранулы; Н - напряженность приложенного поля. Таким образом, ориентация гранул в рабочем объеме канала будет зависеть от силы магнитного притяжения, вращающего момента и сил магнитного взаимодействия (притяжения или отталвивание) гранул, обусловленного возникновением у них магнитных полюсов. Так как плотность магнитного заряда принимает наибольшее значение у верщин частиц, то при сближении частицы соединяются друг с другом в точках, близких к этим вершинам. В результате такого соединения получается более вытянутый агрегат с соотв.етственно большим магнитным моментом, эффект сил межчастичного взаимодействия еще более увеличивается. В начальный момент, когда магнитный поток в межполюсном зазоре начинает нарастать от своего нулевого значения, энергия магнитного взаимодействия между частицами (гранулами), а также силы тяжести и трения заметно превышают силу магнитного притяжения в направлении градиента поля (в направлении верхнего электрода). Поэтому в этот период слой гранул только несколько расширяется и увеличивает свою пористость, оставаясь практически «магнитосвязанным, т.е. не имеющим четко выраженных образований в виде отдельных агрегатов частиц. С дальнейщим нарастанием магнитного потока в зазоре соединившиеся между собой гранулы начинают испытывать преобладающее воздействие силы притяжения в направлении положительного градиента поля. Сплощность магнитосвязанного слоя гранул нарушается и происходит его деление на автономные дисперсные иглы, быстро растущие в направлении верхнего электрода. В этот момент действие вращайщего момента на гранулы практически исчезает и имеющие одинаковую намагниченность иглы отталкиваются друг от друга в горизонтальной плоскости и в момент заверщения переходного процесса магнитного потока образуют тесный пучок вертикальных игл, которые замыкают верхний и нижний электроды. Для обеспечения надежного образования иглстержней и замыкания ими обоих электродов величина объемной концентрации частиц (гранул) в камере должна определяться соотнощением: . /.() Экспериментальные исследования показали, что при формировании поверхности теплообмена из частиц размером от 0,06 до 1,6 мм при К 0,1 -10, d/h 0,003-0,08 и п 0,35-0,80 величина объемной концентрации дисперсного ферромагнитного материала в камере прямоугольного сечения находится в пределах 0,03...0,10. Это позволяет сформировать в камере под воздействием приложенного магнитного поля эффективную поверхность теплообмена в виде дисперсных игл-стержней, обладающую по сравнению с поверхностью теплообмена известного электронагревателя значительно меньщим гидродинамическим сопротивлением, что уменьшает энергозатраты на прокачку текучей среды через камеры электронагревателя. Надежность поджатия образовавщихся игл к обоим электродам обеспечивается самой природой поведения игл в приложенном магнитном поле, которое стремится установить их таким образом, чтобы сопротивление магнитному потоку в межполюсном зазоре было наименьшим. Как и отдельная гранула, игла-цепочка размещается вдоль силовых линий поля (ось легкого намагничивания) и, чтобы магнитное сопротивление потоку было минимальным, приложенное поле растягивает иглу по нормали к полюсам электромагнита, надежно прижимая ее к обоим электродам. После замыкания электрической цепи через входной патрубок 9 нагнетают подлежащую нагреву текучую среду, котораЯ: проходя через пористый нагревательный элемент, нагревается до заданной температуры и подается через выходной патрубок 10 на технологические нужды.

При потере магнитных свойств системы игл-цепочек, механизм вновь образующихся игл в принципе сохраняется. Подбирая экспериментальным путем размеры, объемную концентрацию и сечение рабочего канала электронагревателя, можно добиться того, что при заданном массовом расходе нагреваемой среды иглы-цепочки не будут полностью опускаться на нижний электрод, а только совершать незначительные пульсации и вновь подстуженными примыкать к верхнему электроду, обеспечивая заданную температуру нагрева среды и исключая возможность перегрева среды, что повышает надежность работы электронагревателя. Высокая интенсивность подстуживания (теплосъема) достигается при этом из-за большой поверхности теплообмена дисперсных иглстержней.

Наличие в предлагаемом электронагревателе источника постоянного магнитного поля, ось диполя которого размещена перпендикулярно к токоподводящим поверхностям контактов, позволяет создавать при наложении поля пористый нагревательный элемент с управляемой в широких пределах порозностью (долей пустот) и добиться во всем рабочем объеме камеры образования пористой системы с минимально возможной для реальных дисперсных систем объемной концентрацией твердой фазы (10-3/о).Это позволит, в свою очередь, при значительной интенсивности теплообмена уменьшить гидравлические потери и энергозатраты на прокачку текучей среды.

Объемная концентрация частиц железного порощка размером от 0,06 до 1,6 мм в опытах для предлагаемого электронагревателя составляла , а известного электронагревателя - 40% (среднее значение объемной концентрации свободно образованных дисперсных систем). Результаты исследований показали, что значения отношения безразмерного коэффициента теплоотдачи (числа Нуссельта) к гидравлическим потерям (определяющим мощность, затрачиваемую на прокачку текучей среды) для

предлагаемого электронагревателя превыщали в 4-10 раз значения указанного отношения для известного нагревателя, что подтверждает эффективность работы предлагаемого электронагревателя.

Формула изобретения

Электронагреватель текучих сред, содержащий нагревательный элемент в виде

насыпного электропроводного ферромагнитного материала, размещенного в нагревательной камере, снабженной токоподводящими контактами, подключенными к источнику питания, и патрубками для входа и

выхода теплоносителя, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности нагревателя путем уменьшения гидродинамических потерь и энергозатрат на прокачку теплоносителя, электронагреватель снабжен источником магнитного поля, ось

диполя которого перпендикулярна рабочим поверхностям контактов, а насыпной материал выполнен в виде продолговатых частиц, причем их объемная концентрация в камере определяется из соотношения A-W

5,)

где А -объемная концентрация ферромагнитного материала ,в камере;

К -коэффициент, учитывающий геометрическую форму камеры;

d -среднегеометрический размер при0веденных к шаровой форме частиц

ферромагнитного материала;

К -расстояние между рабочими поверхностями токоподводящих контактов;

tt -показатель степени, зависящий от размеров частиц и расстояния между контактами. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 565417, кл. Н 05 В 3/34, 1976.

2.Авторское свидетельство СССР № 390690, кл. Н 05 В 3/10, 1969.

$:($щ

////)/////,

.

Фиг. г А-А

фиг.2 ЛгЛ Г)///У///////У//////1//////. Х р D ГIрS 12 П