Нагрівач проточної рідини чи газу

Реферат: Винахід належить до області резистивного нагріву і може бути використаний в промислових і побутових пристроях нагріву проточних рідин і газів, наприклад, в електричних системах автономного опалення приміщень. Нагрівач проточної рідини чи газу, що містить корпус у вигляді труби, нагрівальний елемент з резистивної плівки та контактні площадки, які розташовані на краях нагрівального елемента. Корпус має на вході і виході конусні ділянки з гайками для кріплення, при цьому корпус виконаний у вигляді труби прямокутного перерізу, а нагрівальний елемент розташований на внутрішній поверхні корпусу і являє собою дискретний елемент з підкладкою, та виконаний з резистивної наноструктурної кремнієво-вуглецевої плівки. Підкладка дискретного елемента може бути виконана з нітриду алюмінію, окису берилію, нітриду кремнію, окису алюмінію або будь-якого діелектричного теплопровідного теплостійкого матеріалу. Дискретний елемент припаяний до корпусу або встановлений за допомогою теплопровідної фіксуючої пасти. Корпус може бути виконаний з міді, алюмінію або їх сплавів, UA 108404 C2 (12) UA 108404 C2 або будь-яких інших теплопровідних металів і сплавів. Корпус може бути збірної конструкції виконаний з пластмаси. Дискретний нагрівальний елемент може бути розташований у внутрішній частині пластмасового корпусу і має теплопровідну діелектричну керамічну підкладку, що виконана з можливістю контакту з проточним середовищем. Запропонована конструкція забезпечує високі теплопередавальні властивості, герметичність і надійність нагрівача. UA 108404 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області резистивного нагріву і може бути використаний в промислових і побутових пристроях нагріву проточних рідин і газів, наприклад в електричних системах автономного опалення приміщень. Відомий нагрівач, що містить як нагрівальний елемент плівковий резистор з контактними площадками, розташований на теплопровідній підкладці зі з'єднувальним покриттям (Патент РФ № 2011313, МПК Н05В 3/08, заявка № 5023888/07 від 22.01.1992 р). Як матеріал резистора використовували вакуумноосаджені резистивні сплави, як підкладки використовували полікор або анодований шар на алюмінії. Такий нагрівач має здатність рівномірного і однорідного нагрівання поверхні при фіксованій потужності. Однак він не забезпечує надійну роботу при високій щільності розсіювання. Теплопровідність матеріалу підкладки не висока (не перевищує 2 40 Вт/м*К), а це не дає можливості розсіяти високу щільність потужності (більш ніж 20 Вт/см ), необхідну для надійної роботи нагрівача в побутових умовах. Крім того, анодовані шари за своєю природою пористі і не витримують високих пробивних напруг (більш ніж 100 В), що виключає їх використання в побутових нагрівачах з напругою 220 В. Нарешті, тонкоплівкові резистивні сплави не витримують високих щільностей струмів. При відносно невеликій 3 2 щільності струму (більше ніж 10 А/см ) в нагрівачі виникають незворотні зміни електричного опору, що призводить до виходу з ладу такого нагрівача. Найбільш близьким аналогом пристрою, що заявляється, вибраним як прототип, є нагрівач (Деклараційний патент на корисну модель України № 2772, Н05В 3/06 (2006.01), 16.08.2004 р), який містить підкладку у вигляді труби з розташованим на її поверхні нагрівальним елементом і контактними площадками, а також поверхневий шар діелектрика, розташований на зовнішній поверхні підкладки і по всій площі її поверхні, при цьому нагрівальний елемент виконаний з легованої алмазоподібної плівки. Спільними суттєвими ознаками аналога і пристрою, що заявляється, є підкладка у вигляді труби, на поверхні якої розташований нагрівальний елемент з резистивної плівки та контактні площадки, розташовані на краях нагрівального елемента. При роботі відомого нагрівача не забезпечується ефективний нагрів проточної рідини або газу і необхідна герметизація системи, а також її електроізоляція. Шар діелектрика, нанесений на металеву трубу, не являє собою безпористу суцільну систему. При нанесенні алмазоподібної плівки на таку поверхню, в силу самої природи її синтезу, алмазоподібна плівка просочує діелектричний шар на металі і робить його електропровідним або напівпровідним, що призводить до електричного пробою між резистивною плівкою і металевою трубою (водою) при подачі електричної напруги. За таких умов не забезпечується безаварійне використання пристрою. Крім того, через високі теплові опори між шаром діелектрика і підкладкою відсутня 2 можливість отримання високих навантажувальних потужностей (не більше ніж 100 Вт/см ). Така потужність не є значною для вирішення завдання використання нагрівача в автономних системах нагріву. Крім того, конструкція відомого нагрівача така, що являє собою тільки фрагмент труби, який не має стикувальних вузлів для врізання в трубопровід системи обігріву. Нагрівач не можна розглядати як закінчену конструкцію, що забезпечує герметизацію системи. В основу винаходу поставлена задача створення компактного малогабаритного універсального нагрівача для проточної рідини чи газу, в якому шляхом модифікації конструкції корпусу у вигляді труби, її форми і вхідної і вихідної частин, забезпечується збільшення швидкості нагріву проточного середовища, а також герметизація системи в цілому. За рахунок цього збільшується к.к.д. нагрівача і його економічність. Крім того, за рахунок виконання нагрівального елемента у вигляді дискретного елемента з резистивної плівки з кремнієвовуглецевого безіндукційного наноструктурного матеріалу забезпечується робота нагрівача в 6 2 умовах високої щільності" струму (до 6 × 10 А) і щільності потужності (до 600 Вт/см ), достатніх для високоефективної роботи нагрівача. Також виконання нагрівального елемента у вигляді дискретного елемента з резистивної плівки з кремнієво-вуглецевого безіндукційного наноструктурного матеріалу дозволяє знизити до мінімуму реактивну складову опору в нагрівачі, що забезпечує економічність роботи пристрою (економія електроенергії становить 20 %). Крім того, запропоноване рішення дозволяє створити нагрівач, що має низьким тепловим опором, на кілька порядків нижче, ніж, наприклад, у нагрівачів з тенами. Низький тепловий опір конструкції досягається за рахунок використання в дискретних елементах високотеплопровідних діелектричних матеріалів, таких як нітрид алюмінію або окис берилію або окис алюмінію, а також використання високотеплопровідних металів і їх сплавів на основі міді або алюмінію для виготовлення труб. І, нарешті, припаювання дискретних елементів на металеву трубу або притиснення через пасту також істотно знижує тепловий опір конструкції. Такі характеристики підвищують швидкість нагріву рідини чи газу, передбачають високий ступінь надійності і економічність нагрівача. Використання пластмасової труби збірної конструкції з дискретним нагрівальним елементом, розташованим в її внутрішній частині з теплопровідної діелектричної 1 UA 108404 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 керамічної підкладки, що контактує з проточним середовищем, дозволяє використовувати нагрівач для нагрівання агресивних проточних середовищ, таких як бензин, масло і ін. При варіанті використання пластмасової труби збірної конструкції досягається мінімальне значення теплового опору, оскільки проточна середа контактує безпосередньо з керамічною підкладкою дискретного елемента. У цьому випадку відсутній тепловий опір металу (труби) і тепловий опір контакту металу з дискретним елементом (пайка або паста). Поставлена задача вирішується тим, що нагрівач проточної рідини чи газу, що містить корпус у вигляді труби, нагрівальний елемент з резистивної плівки та контактні площадки, які розташовані на краях нагрівального елемента. Корпус має на вході і виході конусні ділянки з гайками для кріплення, при цьому корпус виконаний у вигляді труби прямокутного перерізу, а нагрівальний елемент розташований на внутрішній поверхні корпусу і являє собою дискретний елемент з підкладкою, та виконаний з резистивної наноструктурної кремнієво-вуглецевої плівки. Підкладка дискретного елемента може бути виконана з нітриду алюмінію, окису берилію, нітриду кремнію, окису алюмінію або будь-якого діелектричного теплопровідного теплостійкого матеріалу. Дискретний елемент припаяний до корпусу або встановлений за допомогою теплопровідної фіксуючої пасти. Корпус може бути виконаний з міді, алюмінію або їх сплавів, або будь-яких інших теплопровідних металів і сплавів. Корпус може бути збірної конструкції виконаний з пластмаси. Дискретний нагрівальний елемент може бути розташований у внутрішній частині пластмасового корпусу і має теплопровідну діелектричну керамічну підкладку, що виконана з можливістю контакту з проточним середовищем. Запропонована конструкція забезпечує високі теплопередавальні властивості, герметичність і надійність нагрівача. Використання труби з перемінним перерізом вздовж її довжини забезпечує високу швидкість проходження рідини або газу за рахунок ламінарного потоку в трубі, що в свою чергу виключає перегрів дискретних нагрівачів. У результаті досягається електроізоляція нагрівального елемента від проточної середовища, а також повна герметичність пристрою. Суть запропонованого винаходу пояснюється кресленнями. Фіг. 1 - нагрівач містить корпус у вигляді труби 1, виконаний з теплопровідного металу: міді або алюмінію, або їх сплавів, з прямокутним перерізом всередині та пласкою формою на поверхні, з обох сторін якої на вході і на виході розташовані конусні ділянки, прикріплені шляхом пайки або приварювання до труби і двома гайками кріплення 3. Пристрій має конусні вхід і вихід для забезпечення ламінарності потоку. На вході і виході пристрій має гайки для приєднання до будь-якої системи, яку потрібно автономно нагрівати. До труби 1 припаяні або притиснуті через теплопровідні пасти дискретні нагрівачі 2 з діелектричною теплопровідною підкладкою з нітриду алюмінію або окису берилію, або нітриду кремнію, або окису алюмінію, виконані з кремнієвовуглецевої безіндукційної наноструктурної плівки, з двома контактами по краях 4. Дискретні елементи - це теплопровідні, діелектричні керамічні підкладки, наприклад, з нітриду алюмінію, поліровані з одного боку і шліфовані з іншого боку. З боку полірованої поверхні підкладки розташована композиційна резистивна кремнієво-вуглецева безіндукційна наноструктурна плівка. Протилежна шліфована сторона підкладки металізована. У варіанті виконання на Фіг. 2 нагрівач має корпус, який складається із пластмасової збірної труби 1, у двох частинах якої з внутрішньої сторони розташовані дискретні нагрівальні елементи 2. Нагрівач працює таким чином. Рідина або газ проходить через трубу 1, нагрівається під впливом дискретних нагрівачів 2. Нагрівання середовища, наприклад води, що проходить через трубу 1, здійснюється при подачі електроживлення на дискретні нагрівачі 2. Нагрівач врізається в систему трубопроводу, розташовується вертикально і приєднується до системи опалення через гайки 3 таким чином, щоб потік води був направлений знизу вгору. Це гарантує повне заповнення труби водою навіть при низькій продуктивності насоса. Якщо використовувати як підкладки для дискретних нагрівачів кераміку з нітриду алюмінію з теплопровідністю 180 Вт/м*К, то один з дискретних елементів здатний розсіяти потужність на проточну воду до 5 кВт, а увесь пристрій, відповідно, до 10 кВт. Щільність потужності, що розсіюється при цьому, досягає 2 рекордних значень порівняно з відомими існуючими нагрівачами (600 Вт/см ). Використання пропонованого нагрівача дозволяє підвищити к.к.д. пристрою, значно прискорити процес нагріву проточного середовища, в результаті чого оптимально підтримувати задану температуру, наприклад, в приміщенні, з використанням електронних засобів управління. 2 UA 108404 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Нагрівач проточної рідини чи газу, що містить корпус у вигляді труби, нагрівальний елемент з резистивної плівки та контактні площадки, які розташовані на краях нагрівального елемента, який відрізняється тим, що корпус має на вході і виході конусні ділянки з гайками для кріплення, при цьому корпус виконаний у вигляді труби прямокутного перерізу, а нагрівальний елемент розташований на внутрішній поверхні корпусу і являє собою дискретний елемент з підкладкою, та виконаний з резистивної наноструктурної кремнієво-вуглецевої плівки. 2. Нагрівач за п. 1, який відрізняється тим, що підкладка дискретного елемента виконана з нітриду алюмінію, окису берилію, нітриду кремнію, окису алюмінію або будь-якого діелектричного теплопровідного теплостійкого матеріалу. 3. Нагрівач за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що дискретний елемент припаяний до корпусу або встановлений за допомогою теплопровідної фіксуючої пасти. 4. Нагрівач за п. 1, який відрізняється тим, що корпус виконаний з міді, алюмінію або їх сплавів, або будь-яких інших теплопровідних металів і сплавів. 5. Нагрівач за п. 1, який відрізняється тим, що корпус збірної конструкції виконаний з пластмаси. 6. Нагрівач за п. 5, який відрізняється тим, що дискретний нагрівальний елемент розташований у внутрішній частині пластмасового корпусу і має теплопровідну діелектричну керамічну підкладку, що виконана з можливістю контакту з проточним середовищем. 3 UA 108404 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4