Нагрівач проточної рідини чи газу

Реферат: Нагрівач проточної рідини чи газу містить проточну трубу з перемінним перерізом вздовж її довжини, на поверхні якої на підкладках розташовані дискретні нагрівальні елементи з резистивної безіндукційної наноструктурної кремній-вуглецевої плівки. Всередині труби розташований розтікач, який формує заданий переріз потоку рідини чи газу вздовж довжини труби. Резистивна плівка виконана з кремній-вуглецево-металевого композита з концентрацією кремнію в складі плівки не менш ніж 30 %. UA 99162 U (12) UA 99162 U UA 99162 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області резистивного нагріву і може бути використана 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 нагрівача використовували вакуумно осаджені 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. Тонкоплівкові резистивні сплави не витримують високих щільностей струмів. При відносно невеликій щільності струму 2 (більше 103 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 № 82521, G 01F3/00 (2013.01), який містить проточну трубу зі змінним перерізом вздовж її довжини та розташованими на її поверхні нагрівальними елементами на підкладках, виконаними з резистивної безіндукційної наноструктурної кремній-вуглецевої плівки. Спільними суттєвими ознаками аналога і пристрою, що заявляється, є проточна труба з перемінним перерізом вздовж її довжини, на поверхні якої розташовані дискретні нагрівальні елементи на підкладках, виконані з резистивної безіндукційної наноструктурної кремнійвуглецевої плівки. Відомий пристрій містить проточну трубу з заданим профілем перерізу труби та два нагрівальних елементи з підвищеною щільністю потужності. Це забезпечує здійснення нагріву потоку рідини з двох областей нагріву, але не забезпечує повною мірою ламінарності потоку рідини. В результаті цього виникає закипання рідини на внутрішній поверхні труби, не достатньо прогрівається потік в центрі труби, а це призводить до зменшення ефективності нагріву проточної рідини чи газу, що нагрівається. Таким чином, при роботі відомого нагрівача не забезпечується ефективний нагрів проточної рідини або газу. Використання в відомому пристрої дискретних нагрівальних елементів з резистивної кремній-вуглецевої плівки показало, що такий пристрій має низьку термостійкість і стійкість до термоударів, а це знижує надійність нагрівача. В свою чергу, високий температурний коефіцієнт опору резистивної плівки призводить до частої зміни величини її електричного опору і величини електричного струму, що через неї проходить, у режимі вмикання-вимкнення електричного живлення. Такі часті зміни руйнують структуру плівки, що негативно впливає на надійність роботи пристрою в цілому. В основу корисної моделі поставлена задача створення компактного малогабаритного універсального нагрівача для проточної рідини чи газу, в якому шляхом розміщення всередині проточної труби розтікача формується заданий та однаковий переріз потоку рідини чи газу вздовж всієї довжини труби, а також виключається процес закипання рідин у трубі. Це підвищує ефективність нагріву проточної рідини чи газу. А використання дискретних нагрівальних елементів з резистивної плівки з кремній-вуглець-металевого композита з концентрацією кремнію в складі плівки не менше ніж 30 % вмісту, дає можливість підвищити термостійкість і стійкість плівок до термоударів, підвищити адгезію підкладок і понизити їх температурний коефіцієнт опору. Поставлена задача вирішується тим, що нагрівач проточної рідини чи газу містить проточну трубу з перемінним перерізом вздовж її довжини, на поверхні якої на підкладках розташовані дискретні нагрівальні елементи з резистивної безіндукційної наноструктурної кремнійвуглецевої плівки. Згідно з корисною моделлю, всередині труби розташований розтікач циліндричної або прямокутної форми для двох варіантів виконання нагрівача, який формує заданий переріз потоку рідини чи газу вздовж довжини труби. Таким чином забезпечується ламінарність потоку рідини чи газу, що, в свою чергу, забезпечує швидкий і рівномірний прогрів тонких, прилеглих до нагрівальних елементів, шарів рідини чи газу. Це виключає закипання рідини чи газу на внутрішній поверхні труби, зменшує витрату споживаної електроенергії за рахунок виключення процесу пароутворення. Крім того, зменшується утворення накипу на внутрішній поверхні труби, яка погіршує теплопередачу. Все це сприяє підвищенню 1 UA 99162 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ефективності нагріву проточних середовищ. За рахунок того, що використана резистивна плівка з кремній-вуглецево-металевого композита з вмістом кремнію в складі плівки не менш ніж 30 %, 2 збільшується адгезія плівок до діелектричних підкладок до (120-150) кг/см , підвищується термостійкість плівок на повітрі до 500 °C, стійкість до термоудару до 300 °C, знижується -5 температурний коефіцієнт опору до (2-4)10 1/К. Крім того, введення металевої фази в резистивну плівку в різних концентраціях дозволяє заданим чином отримувати резистивні плівки з регульованими електричними властивостями, та регулювати електричний опір і температурний коефіцієнт опору, що в свою чергу, дозволяє створювати нагрівачі різної потужності (від 2 кВт до 10 кВт), причому не потрібно змінювати ані геометрії, ані форми, ані розмірів резистивної плівки пристрою. В іншому варіанті виконання використовується труба збірної конструкції з теплопровідного металу прямокутної форми з чотирма пласкими шліфованими поверхнями зовні для посадки дискретних нагрівальних елементів. Також варіант виконання нагрівача з трубою збірної конструкції та наскрізними вікнами, в яких розташовані дискретні нагрівальні елементи, симетрично з чотирьох сторін цієї труби, на зовнішній її частині. При цьому труба збірної конструкції виконана з металів або ізоляторів. Дискретні нагрівальні елементи безпосередньо контактують з проточним середовищем. Дискретні нагрівальні елементи закріплені на трубі через еластичні підкладки та мають покриття на поверхні, що безпосередньо контактує з проточним середовищем. Це дозволяє зменшити тепловий опір, зняти додаткове навантаження з нагрівальних елементів по щільності потужності та забезпечити більш рівномірний прогрів потоку середовища. Крім того, виконання збірної конструкції труби з металу, де нагрівальні елементи мають безпосередній контакт з проточним середовищем через еластичні підкладки значно спрощує зборку конструкції, підвищує ефективність нагріву потоку рідини чи газу. В такому варіанті виконання нагрівача сторони нагрівальних елементів, які мають безпосередній контакт з проточним середовищем, мають покриття, яке перешкоджає виникненню накипу. Це забезпечує надійність і довговічність пристрою в цілому, збільшується к.к.д. нагрівача і його економічність. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями. На Фігурі 1 показаний нагрівач проточної рідини чи газу з частковим видом внутрішньої поверхні в розрізі. На Фігурах 2 та 3 показаний варіант виконання нагрівача із трубою збірної конструкції. При цьому на Фіг. 2 показана конструкція нагрівача з частковим видом внутрішньої поверхні в розрізі. На Фіг. 3 показаний нагрівач збірної конструкції у зборі. Згідно з Фіг. 1. нагрівач містить трубу 1 з чотирма пласкими шліфованими поверхнями зовні, що служать для посадки дискретних нагрівальних елементів 2. Всередині труби розташований циліндричний отвір 3 з внутрішньою різьбою на вході і виході 4 для приєднання пристрою до системи опалення чи нагріву. Труба 1 виконана з теплопровідного металу міді, алюмінію або їх сплавів. Прямокутний переріз труби зовні і круглий всередині досягається шляхом механічної обробки металу або шляхом виливки в формах. У внутрішньому циліндричному отворі пристрою за допомогою нарізного сполучення розташований циліндричний розтікач 5, який формує заданий і однаковий переріз потоку рідини чи газу вздовж всієї довжини труби, забезпечуючи більш ламінарний потік, а також швидкий і рівномірний прогрів тонких, прилеглих до нагрівальних елементів, шарів рідини чи газу. До труби 1 припаяні або притиснуті через теплопровідні пасти нагрівачі 2, виконані з діелектричних теплопровідних підкладок з резистивної кремній-вуглець-металевої плівки з заданим електричним опором. Другий варіант виконання пристрою збірної конструкції представлений на Фіг. 2 та Фіг. 3. Корпус пристрою являє собою металеву конструкцію прямокутної форми 6 з наскрізними вікнами для посадки дискретних нагрівальних елементів, які притискаються до корпусу кришками 7 через еластичні термостійкі прокладки 8. Усередині корпус має прямокутний переріз, де розташований прямокутний розтікач 9. Розтікач 9 з корпусом являє собою цільну конструкцію, що виконана шляхом механічної обробки або відливання. Нагрівальні елементи в даному варіанті виконання пристрою контактують однією із сторін безпосередньо з проточною рідиною або газом. Для виключення накипу на цій поверхні нагрівальні елементи покривають комплексом металів, що включає золото. Нагрівач працює таким чином. Рідина або газ проходить через трубу 1, нагрівається під впливом дискретних нагрівачів 2 при поданні на них електроживлення. Нагрівач врізається в систему трубопроводу та розташовується вертикально і приєднується до системи опалення 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 2,5 кВт, а увесь пристрій, відповідно, до 10 кВт. 2 UA 99162 U Щільність розсіюваної потужності при цьому знижена в порівнянні з аналогом, що дозволило підвищити надійність пристрою. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 1. Нагрівач проточної рідини чи газу, що містить проточну трубу з перемінним перерізом вздовж її довжини, на поверхні якої на підкладках розташовані дискретні нагрівальні елементи з резистивної безіндукційної наноструктурної кремній-вуглецевої плівки, який відрізняється тим, що всередині труби розташований розтікач, який формує заданий переріз потоку рідини чи газу вздовж довжини труби, а резистивна плівка виконана з кремній-вуглецево-металевого композита з концентрацією кремнію в складі плівки не менш ніж 30 %. 2. Нагрівач за п. 1, який відрізняється тим, що використовується розтікач циліндричної або прямокутної форми. 3. Нагрівач за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що концентрація металевої фази в складі плівки непостійна та знаходиться в зв'язку з електричними властивостями плівки. 4. Нагрівач за одним з пп. 1-3, який відрізняється тим, що використовується труба збірної конструкції з теплопровідних металів прямокутної форми з чотирма пласкими шліфованими поверхнями зовні, що служать для посадки дискретних нагрівальних елементів. 5. Нагрівач за одним з пп. 1-4, який відрізняється тим, що використовується труба збірної конструкції з наскрізними вікнами, в яких розташовані дискретні нагрівальні елементи, симетрично з чотирьох сторін цієї труби на зовнішній її частині, при цьому труба виконана з металів або ізоляторів. 6. Нагрівач за одним з пп. 1-5, який відрізняється тим, що труба збірної конструкції виконана з дискретними нагрівальними елементами, які мають покриття на поверхні, яка безпосередньо контактує з проточним середовищем. 3 UA 99162 U Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4