Трубчастий електронагрівник

Винахід має відношення до області електротермії, зокрема до резистивних нагрівальних елементів з жорсткою трубчастою оболонкою, в яких нагрівальний провідник вмонтований в ізоляційний матеріал і може бути використаний в багатьох енергетичних установках для нагрівання текучих середовищ. Відомий електронагрівник повітря, що містить резистивний елемент у вигляді багаторазово зігнутої стрічки, закріпленої до корпусу [див. авторське свідоцтво №1083415 по М.кв. Η05В3/24, 30.03.84p.]. Недоліком відомого нагрівника є неможливість його використання для нагрівання електропровідної рідини внаслідок прямого контакту резистивного елементу з рідиною. Відомий трубчастий електронагрівник, що містить металевий корпус і встановлений в ньому резистивний елемент з оболонкою з електроізоляційного матеріалу, прийнятий як найближчий аналог [див. авторське свідоцтво №739754 по М.кв. Η05В3/48, 05.06.80p.]. Недоліками даного електронагрівника є великі габарити внаслідок малої щільності теплового потоку, а також низька надійність його роботи внаслідок нерівномірності витоків струму на корпус по довжині електронагрівника через оболонку електроізоляційного шару, при чому питома теплова нагрузка буде 2*105Вт/м2. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення трубчастого електронагрівника шляхом зменшення його габаритів, що приведе також до збільшення надійності роботи. Поставлена задача вирішується тим, що у трубчастому електронагрівнику, який містить металевий корпус та встановлений у ньому резистивний елемент з оболонкою з електроізоляційного матеріалу, новим є те, що як резистивний матеріал використана плівка змінної ширини, яка збільшується від початку нагрівника, що є точкою підключення нуля мережі, до кінця нагрівника, що є точкою підключення "фази" мережі. Збільшення ширини резистивного елементу (плівки) від початку нагрівне® до кінця нагрівника зумовлено тим, що більша ширина плівки забезпечує менший омічний опір одиниці довжини резистивного елементу і тим менше виділяється на цій довжині тепла, тобто теплове навантаження на одиницю площі плівки зменшується. Зменшення теплового навантаження призводить до зниження температури плівки на даній частині. Оскільки резистивний елемент знаходиться в електроізоляційній оболонці і тепловий потік до корпуса електронагрівника протікає через цей електроізоляційний шар, то при зменшенні теплового навантаження на одиницю площі, зменшується і температура електроізоляційного шару. При зменшенні температури ізоляції різко зростає питомий об'ємний опір ізоляції. Наприклад, для кераміки при зменшенні температури з 300°С до 200°С питомий об'ємний опір ізоляції збільшується в 1*107 раз. Чим більше питомий Електроопір ізоляції, тим менші витоки струму на корпус нагрівника, тобто менша імовірність того, що електричний потенціал проб'є ізоляцію і електронагрівник і вийде з ладу. Резистивний елемент підключається до мережі змінного струму (220В), тобто одна сторона резистивного елементу (початок) підключається до нуля ("0"), а друга сторона (кінець резистивного елементу) підключається до фази ("ф"). Електричний потенціал між нулем і корпусом електронагрівника складає 0 Вольт, а між фазою і корпусом нагрівна - 220 Вольт, тобто електричний потенціал по довжині резистивного елементу (від початку до кінця) збільшується з "0" Вольт до "220" Вольт. З викладеного вище виходить, що для збільшення надійності електронагрівника питомий опір ізоляції повинен бути вище на тих дільницях резистивного елементу, де вище електричний потенціал. Іншими словами для незмінності витоків струму на корпус електронагрівника питомий опір ізоляції повинен бути вище на тих дільницях резистивного елементу, де більше електричний потенціал. В конструкції електронагрівника, що заявляється, збільшення питомого опору ізоляції на дільниці з більшим електричним потенціалом досягається зменшенням температури електроізоляції на цій дільниці шляхом збільшення ширини плівки резистивного елементу. Застосування в конструкції нагрівник, що заявляється, плівки як резистивного елементу дозволяє збільшити питоме теплове навантаження на одиницю площі нагрівника внаслідок ефективного охолоджування резистивного елементу і більш раціонального використання поверхні нагрівника. Іншими словами, при виконанні резистивного елементу в вигляді тонкої плівки він знаходиться на меншій відстані від корпуса нагрівника, ніж у найближчому аналогу. Збільшення питомого теплового навантаження дозволяє зменшити габарити нагрівника. На Фіг.1 зображений осьовий розріз електронагрівника, на Фіг.2 - розріз А-А, на Фіг.3 - показаний резистивнии елемент, а на Фіг.4 - розріз В-В. Електронагрівник містить корпус, виконаний з двох концентрично розташованих труб 1 і 2, між якими в електроізоляційній оболонці, що складається з верхнього 3 і нижнього 4 шарів, встановлений резистивнии елемент 5, виконаний з металевої плівки. До початку резистивного елементу підключено "нуль", а до кінця "фаза". Ширина h металевої плівки 5 збільшується по довжині резистивного елементу від "нуля" до "фази" із збільшенням електричного потенціалу між плівкою 5 і корпусом. Товщина плівки 5 вибирається в межах 0.00001-0.0005 метрів. В зазор між нижнім шаром 4 електроізоляції і трубкою 2 запресовано теплопровідний матеріал 6, що притискає резистивнии елемент 5 до трубки 1. Пристрій працює наступним чином. При проходженні електричного струму через резистивний елемент 5, останній нагрівається і тепловий потік протікає через щільно прилягаючі шари електроізоляції 3 і 4, а також через теплопровідний матеріал 6 до трубок 1 і 2, що віддають тепло середовищу, що нагрівається. Температура резистивного елементу з боку "нуля" має більшу величину, ніж з боку "фази" внаслідок більшого опору плівки з боку "нуля" у порівнянні з опором плівки з боку "фази". Іншими словами температура і опір плівки зменшуються по довжині резистивного елементу від його початку до кінця. Опір ізоляції залежить від її температури і з зростанням температури опір падає, тобто в нагрівник, що пропонується, опір ізоляції збільшується від початку резистивного елементу до його кінця внаслідок зменшення температури ізоляції від початку до кінця резистивного елементу. Оскільки при зростанні напруги між резистивним елементом і корпусом нагрівника від початку резистивного елементу до його кінця збільшується і опір ізоляції, витоки струму через ізоляцію на корпус залишаються постійними по довжині нагрівника. Це призводить до підвищення надійності роботи нагрівника, тобто до збільшення його ресурсу. Невелика товщина резистивного елементу призводить до того, що перепад температури по товщині елементу складає декілька градусів, тобто температура поверхні плівки, що прилягає, до ізоляційного шару приблизно дорівнює температурі в середині плівки. Товщина ізоляційного шару не перевищує 0.001м. Тому теплове навантаження на один квадратний сантиметр в нагрівника що пропонується, вище, ніж в найближчому аналізі. Збільшення ширини резистивного елементу електронагрівника від початку нагрівника, що є точкою підключення нуля, до кінця нагрішу, що є точкою підключення фази, призводить до підвищення надійності електронагрівника внаслідок зростання питомого опору електроізоляційного шару. Застосування електропровідної плівки як резистивного елементу дозволяє зменшити габарити електронагрівника внаслідок більш інтенсивного охолодження резистивного елементу. На кафедрі двигунобудування Дніпропетровського університету були проведені випробування трубчастого електронагрівника з резистивним елементом із плівки змінної ширини. Питоме теплове навантаження склало 5*105Вт/м2.