Керамічний електронагрівач

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в конструкции электронагревателя для нагрева жидкостей. Известны керамические электронагреватели [1], содержащие керамическую пластину, расположенный внутри нее печатный нагревательный элемент. Нагревательный элемент, как правило, имеет форму одно- или двухслойной спирали и выполнен из металла с высокой температурой плавления, например вольфрама или молибдена. Благодаря монолитности конструкции, высокой теплопроводности, вакуумплотности керамики такие электронагреватели имеют длительный срок службы, низкое энергопотребление, значительную тепловую мощность рассеяния. В процессе работы керамического электронагревателя с керамической пластиной, вертикально погруженной в жидкость, создается градиент температур жидкости от боковых поверхностей нагревателя к стенкам емкости с нагреваемой жидкостью. Создается также градиент температур от нижних слоев жидкости к её приповерхностным слоям. Наличие указанных градиентов температур приводит к возникновению циркуляционных потоков жидкости и обеспечивает ее нагрев вплоть до кипения. Однако, при температурах, близких к кипению, наличие вертикального градиента температур жидкости приводит к замедлению теплообмена между верхними и нижними слоями жидкости, особенно слоев, расположенных ниже пластины нагревателя. Таким образом, недостатком керамических электронагревателей известной конструкции является недостаточная активность теплообмена, приводящая к снижению эффективности работы, нагревателя. Наиболее близким к заявляемой конструкции по технической сущности является, принятый авторами за прототип, электрический нагревательный прибор [2], содержащий горизонтально расположенную пластину из стекла или стекловидного материала, расположенный внутри нее спираль-но уложенный печатный нагревательный элемент с токоподводами, выведенными на одну из сторон пластины, вертикальные отверстия (встроенные каналы) в зонах пластины, не охваченных нагревательными элементами, расположенные перпендикулярно указанной стороне пластины. Так как пластина нагревателя имеет вид плоского диска, высота вертикальных отверстии сравнима с их диаметром, что обеспечивает свободную циркуляцию Жидкости в отверстиях. В процессе нагрева жидкость, находящаяся в канале, быстро прогревается за счет ее малого объема и высокой температуры стенок канала. Дополнительные циркуляционные потоки жидкости внутри каналов создают условия для интенсивной циркуляции и нагрева жидкости в каналах, в основном для слоев жидкости, лежащих под нижней поверхностью пластины. В целом наличие вертикальных отверстий позволяет получить высокую эффективность работы нагревателя. Однако, технологические особенности выполнения керамической пластины методом пластифицированной керамики (пакетирование и обжиг 10-30 необожженных керамических заготовок толщиной 0,2 мм) накладывают ограничения на габариты керамической пластины, в частности толщина пластина практически не может быть больше 5-7 мм при длине 120 мм, а максимальный размер сечения канала - не более 0,8мм. Для вертикально расположенных керамических электронагревателей встроенные каналы должны быть выполнены параллельно боковым торцам пластины, т.е. максимальный размер сечения канала на два порядка меньше его длины. Условия Прохождения нагреваемой жидкости через такой канал имеют свои особенности, в частности внутри канала имеет место не конвекционное движение жидкости, а направленный снизу вверх поток жидкости. Интенсивность движения жидкости определяется гидравлическим сопротивлением, основными компонентами которого является сопротивление трения и потеря напора, обусловленная ускорением потока вследствие изменения объема жидкости[З]. При ширине канала во много раз меньшей его длины и значительной разности температур жидкости на входе и выходе канала гидравлическое сопротивление возрастает настолько, что поток жидкости через каналы возникает только при температуре, близкой к температуре кипения, что не позволяет создать дополнительные циркуляционные потоки жидкости из нижней части объема жидкости в течение всего процесса ее нагрева только за счет наличия вертикальных каналов. Таким образом, область применения электронагревателя конструкциипрототипа ограничена горизонтально расположенными нагревателями с встроенными каналами, максимальный размер сечения которых сравним с их длиной. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является усовершенствование керамического нагревателя за счет обеспечения возможности использования вертикально расположенных керамических электронагревателей, выполненных методом обжига пакета металлизированных пластифицированных керамических заготовок. Заявляемый керамический электронагреватель содержит керамическую пластину, внутри которой спирально уложен печатный нагревательный элемент с токоподводами, выведенными на одну из сторон пластины, а в которой выполнены каналы', расположенные перпендикулярно указанной стороне пластины. Согласно изобретению, нагревательный элемент выполнен с переменным шагом, уменьшающимся к противолежащей стороне пластины. Этим обеспечивается увеличение тепловыделения к этой противолежащей стороне. Каналы b выполнены с соотношением размеров ³ 45 , где a - максимальный линейный размер сечения канала, b a высота канала. Керамический электронагреватель заявляемой конструкции имеет определенное .соотношение размеров каналов и нагревательный элемент, выполненный с переменным шагом витков спирали с обеспечением тепловыделения, увеличивающегося к стороне пластины, противолежащей стороне с токоподводами. Дополнительный нагрев нижних слоев жидкости как в зоне, окружающей керамическую пластину, так и внутри каналов, снижает гидравлическое сопротивление на всех этапах нагрева жидкости и, таким образом, обеспечивает восстановление теплообменной функции каналов. Это, в свою очередь, позволяет реализовать вертикально расположенные керамические электронагреватели, выполненные методом пластифицированной керамики, с каналами На фиг. 1 представлен керамический электронагреватель: а) общий вид; б) вертикальное сечение по А-А; в) горизонтальное сечение по Б-Б. На фиг. 2 представлен пример расположения спирали нагревательного элемента (часть Спирали, расположенная под одной из поверхностей керамической пластины). Керамический электронагреватель содержит керамическую или стеклокерамическую пластину 1, расположенный внутри нее печатный нагревательный элемент в виде спирали, симметрично расположенной относительно боковых поверхностей керамической пластины 1. Часть спирали 2, расположенная под поверхностью 3 керамической пластины 1, соединяется с частью спирали 4, расположенной под поверхностью 5 керамической пластины 1, через отверстие межслойного перехода 6. Спираль нагревательного элемента заканчивается выводными контактными площадками 7 и 8. Если эти площадки расположены на поверхности 3 керамической пластины 1, то часть спирали 4 подсоединяется к выводной контактной площадки 8 через отверстие межслойного перехода 9. Керамическая пластина 1 содержит встроенные каналы 10, выходящие на торцевые поверхности пластины на торце 11 и противолежащем торце 12. Каналы 10 характеризуются b соотношением размеров ³ 45 . где a - максимальный по величине размер его сечения, b - высота канала. a Выводные контактные площадки размещены со стороны торца 12 керамической пластины 1 и предназначены для подсоединения токовыводов. Шаг расположения витков спирали переменный и уменьшается к торцу 11 керамической пластины 1. Предлагаемый керамический электронагреватель изготавливается, например, методом обжига пакета металлизированных необожженных керамических заготовок. В качестве керамики используется алюмооксидная керамика В К 94-1 (аЯО.027.002 ТУ). Спираль нагревательного элемента выполняется методом трафаретной печати вольфрамо-молибденовой пасты В-1 (ЩИО.027.002 ТУ). Спираль выполняется в виде "змейки" с шириной элемента 0,5 мм, расстоянием между витками в верхней части 1,5 мм, в нижней части - 0.5 мм. Длина "змейки" выбирается так, чтобы общее сопротивление спирали составляло 90-100 Ом, мощность нагревателя 490-540 Ом. Каналу 10 в керамической пластине 1 выполняются сечением 1х2 мм с расстоянием между соседними каналами 2-3 мм (6 каналов при ширине пластины 40 мм, длине пластины 120 мм). Соотношение размеров b 120 каналов = = 60 a 2 Металлизированные керамические заготовки с рисунком спирали 2, 4 нагревательного элемента, выводных контактных площадок 7,8, отверстий межслойных переходов 6, 9, а.также керамические заготовки с вырезами для каналов 10 и неметаллизированные керамические заготовки набираются в пакет в последовательности, определенной топологией схемы, производится прессование и обжиг полученного изделия. В результате получают монолитную керамическую пластину 1, на верхнем и нижнем торцах 11, 12 которой имеются отверстия каналов 10, а в верхней части одной из поверхностей расположены выводные контактные площадки 7, 8. На выводные контактные площадки 7, 8 химическим никелированием наносится защитное покрытие, затем производится лужение площадок и пайка токовыводов. Присоединение токовыводов производится пайкой токовыводов к никелевому покрытию. Место присоединения токовыводов закрывают пластмассовой, насадкой и заливают кремнийорганическим лаком. Полученный керамический электронагреватель закрепляют в крышке, служащей для защиты его от внешних воздействий, а также для установки электронагревателя в емкость с нагреваемой жидкостью. Керамический электронагреватель работает следующим образом. Электронагреватель закрепляют на емкости с нагреваемой жидкостью, например, раскрывая крышку так, чтобы ее части образовывали плоскую пластину, опирающуюся на края емкости (на чертеже не показано). Уровень жидкости в емкости должен быть таким, чтобы верхний торец 12 керамической пластины 1 с отверстиями каналов 10 находился ниже уровня жидкости на 1,0-1,5 см. После включения электронагревателя в сеть возникает градиент температур в жидкости, вт.ч, во вн утреннем объеме каналов 10. За счет наличия каналов 10, а также дополнительного нагрева нижних слоев жидкости создается интенсивный восходящий поток нагретой жидкости из объема жидкости, лежащего ниже торца 11 керамической пластины 1. Это приводит к активизации теплообмена в жидкости и быстрому ее нагреву во всем объеме. Таким образом, реализуется конструкция керамического электронагревателя, выполненного методом обжига пакета металлизированных керамических заготовок, эффективно работающего в вертикальном положении.