трубчатый электронагреватель

Формула изобретения

Трубчатый электронагреватель, содержащий оболочку, контактные стержни, спираль, электроизолирующий наполнитель и узел герметизации контактных стержней, включающий изоляторы и герметизирующее вещество, а также установочный фланец, отличающийся тем, что на корпусе установочного фланца выполнены наружная и внутренняя резьба, узел герметизации контактных стержней выполнен в виде цилиндрического штуцера с наружной резьбой и закреплен в установочном фланце с помощью гайки, при этом штуцер выполнен с двумя отверстиями, параллельными оси штуцера, в которых с одного конца штуцера расположены изоляторы, с другого конца он соединен пайкой с оболочкой трубчатого электронагревательного элемента, при этом контактные стержни проходят от спирали через отверстия в штуцере и изоляторах и зафиксированы в отверстиях смесью алебастра, цемента и кварцевого песка, а в качестве электроизолирующего наполнителя использован кварцевый песок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к трубчатым электронагревателям (ТЭНам), и может быть использовано как в бытовых нагревательных приборах, так и в производственных установках.

Трубчатые электронагревательные элементы являются одними из самых распространенных видов технологического оборудования, применяемого в различных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту. По конфигурации, конструктивному исполнению и назначению тэны отличаются большим разнообразием.

Учитывая специфичность применения тэнов, заключающуюся в нагревании самых разнообразных сред, к конструкциям тэнов предъявляют ряд требований, который включает такие как надежность, долговечность, безопасность и одновременно технологичность при изготовлении и удобство при эксплуатации.

Известно, что трубчатый электронагреватель (ТЭН) представляет собой расположенную внутри металлической оболочки спираль (или несколько спиралей) из сплава с высоким электрическим сопротивлением, обычно нихромовая спираль, с контактными стержнями. От стенок оболочки спираль изолирована спрессованным электроизоляционным наполнителем. В качестве наполнителя, как правило, применяют плавленую окись магния (периклаз), а для тэнов с температурой поверхности до 450°С допускается применение в качестве наполнителя других изоляционных материалов (корунд, кварцевый песок). Для предохранения наполнителя от проникновения влаги из окружающей среды торцы тэна герметизируют. Если при этом для герметизации торцов нагревателей применяют кремнийорганические лаки, эксплуатационная температура в зоне герметизации не превышает 120°С [ см. Миндин Г.Р. Электронагревательные трубчатые элементы. - Л.: Энергия, 1965. - 112 с.; Козлов В.Е., Козлов В.В., Миндин Г.Р., Судаченко В.И. Электронагревательные устройства автомобилей и тракторов. - Л.: Машиностроение, 1984. - 127 с.; Белавин Ю.А. и др. Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 160 с.; Электрическое оборудование. Справочник. - М.: Энергия, 1980.. с.181-184].

Как видно из краткой общей характеристики конструкции тэнов, их качество в значительной степени зависит от использованных материалов и тщательности выполнения всех технологических операций. Тем не менее, основными причинами выхода из строя тэнов, иногда даже после первого включения, остаются конструкция и качество присоединения крепежной арматуры.

Наиболее близким к заявляемому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является трубчатый электронагревательный элемент, содержащий оболочку, контактные стержни, спираль, электроизолирующий наполнитель и узел герметизации контактных стержней, состоящий из изоляторов и герметизирующего вещества, а также установочный фланец [Белавин Ю.А. и др. Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - с.4 ]. Такое устройство может работать в широком диапазоне параметров: по рабочему напряжению от 12 до 660 В, по мощности от десятков ватт до десятков киловатт, по длине от нескольких сантиметров до 6,3 м; конфигурации тэнов разнообразны от прямых до U-образных и спиральных.

Однако контакт герметизирующего вещества с электроизоляционной массой (наполнителем) служит причиной нестабильного сопротивления изоляции нагревателей в процессе эксплуатации вследствие влагопроницаемости как самих герметизирующих веществ, так и их соединений с оболочками и контактными выводами, что приводит к увлажнению наполнителя, снижению его диэлектрических свойств и к снижению долговечности тэна.

Расположение узла герметизации концов на общем фланце усложняет их обработку при изготовлении, не позволяя, с одной стороны, создать достаточное электрическое сопротивление в месте расположения контактных стержней, а с другой стороны, обеспечить кислородное “дыхание” электронагревателей, то есть поступление кислорода из атмосферы для образования окиси хрома на поверхности спирали, что также ведет к уменьшению долговечности тэна. Кроме того, возможности использования таких тэнов очень ограничены, поскольку их установка требует специально подготовленных посадочных мест.

Поэтому целью предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей, упрощение конструкции трубчатого электронагревательного элемента, повышение долговечности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном трубчатом электронагревателе, содержащем оболочку, контактные стержни, спираль, электроизолирующий наполнитель и узел герметизации контактных стержней, включающий изоляторы и герметизирующее вещество, а также установочный фланец, согласно изобретению на корпусе установочного фланца выполнены наружная и внутренняя резьба, узел герметизации контактных стержней выполнен в виде цилиндрического штуцера с наружной резьбой и закреплен в установочном фланце с помощью гайки, при этом штуцер выполнен с двумя отверстиями, параллельными оси штуцера, в которых с одного торца штуцера расположены изоляторы, с другого торца отверстия закрыты оболочкой трубчатого электронагревательного элемента, контактные стержни проходят от спирали через отверстия в штуцере и изоляторах и зафиксированы в отверстиях смесью алебастра, цемента и кварцевого песка.

Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.

Заявляемое техническое решение обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования трубчатого электронагревателя, в котором, вcледствие выполнения на корпусе установочного фланца наружной и внутренней резьбы, узла герметизации контактных стержней в виде цилиндрического штуцера с наружной резьбой и закрепления его в установочном фланце с помощью гайки, выполнения в штуцере двух отверстий параллельно оси штуцера, размещения изоляторов с одного торца штуцера, а с другого торца оболочек трубчатого электронагревательного элемента, расположения контактных стержней в отверстиях штуцера и изоляторах и фиксации их в отверстиях смесью алебастра, цемента и кварцевого песка, обеспечивается возможность осевого перемещения установочного фланца относительно штуцера, установки электронагревательного элемента практически на любом посадочном месте, имеющем подходящую резьбу, эффективное “дыхание” нагревателя, и за счет этого существенно расширяются функциональные возможности тэнов, а также повышается их надежность и долговечность.

Известно, что выпускаемые тэны в ряде случаев имеют крепежные устройства в виде штуцеров, фланцев и других приспособлений, которые могут быть соединены с оболочкой при помощи пайки, сварки или опрессовки [Белавин Ю.А. и др. Трубчатые электрические нагреватели и установки с их применением. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - с.15]. Тэны, не имеющие крепежных устройств, при необходимости монтируют в установку с помощью типовых уплотняющих конструкций. Однако в известных конструкциях хотя бы один уплотняющий элемент контактирует с нагретой до некоторой температуры оболочкой тэна. Упругие свойства уплотнений и сальников при повышенной температуре снижаются, что снижает надежность и долговечность тэна в целом. Поэтому выполнение основной детали узла герметизации в виде металлического штуцера, соединенного пайкой с оболочкой тэна, улучшает условия работы как изолирующе-герметизирующего состава, который заполняет отверстия цилиндра, так и уплотняющих элементов, расположенных с внешней стороны штуцера в зоне, менее нагретой в сравнении с оболочкой тэна.

Предлагаемая конструкция тэна допускает менее строгие требования к форме объема, в котором он должен работать. Обеспечение возможности перемещения установочного фланца относительно штуцера позволяет вводить активную часть тэна в труднодоступные части объема и обеспечивать более равномерный нагрев.

Известно также, что основным наполнителем тэнов является периклаз, который представляет собой измельченную плавленую окись магния. Особенностью электротехнического периклаза является его высокое влагопоглощение и резкое (в сотни раз) снижение при этом электроизоляционных свойств. Присутствие в периклазе непроплавленых частиц приводит к еще большему увеличению его влагопоглощения. При содержании частиц до 5% влагопоглощение периклаза возрастает в 7 раз и более. При повышении температуры тэна, содержащего увлажненный периклаз, внутри оболочки создается высокое давление водяного пара, которое нередко приводит к выдавливанию с большой линейной скоростью выводных стержней (к выстреливанию) или к местным разбуханиям оболочки нагревателя. Таким образом, при использовании периклаза, с одной стороны, тэн необходимо герметизировать для того, чтобы исключить попадание влаги в оболочку готового тэна, с другой стороны, необходимо обеспечить “дыхание” спирали и выход избыточной влаги из тэна.

Для разрешения указанного технического противоречия либо используют специальные приемы, как, например, создание капилляров в изоляторе на поверхности вокруг контактных выводов [см. описание к авт. св. СССР №752818, М. кл. Н 05 В 3/04, опубл. 30.07.80 ], существенно усложняющие технологию изготовления тэнов, поскольку требует дополнительного изготовления капилляров и их контроля, либо заменяют периклаз кварцевым песком при использовании тэнов при температурах, не превышающих 450°С.

Использование кварцевого песка в качестве наполнителя и специальной смеси для изоляции контактных стержней и герметизации тэнов обеспечивает необходимые условия для “дыхания” спирали и уменьшает влагопоглощение кварцевого песка.

Заявляемое техническое решение находит применение, как и все тэны, в промышленности и быту для нагрева жидких сред.

Фиг.1. Трубчатый электронагреватель.

Фиг.2. Трубчатый электронагреватель (вид сверху).

Трубчатый электронагреватель (Фиг.1) содержит оболочку 1, в которой размещена спираль 2, и электроизолирующий наполнитель 3 из кварцевого песка. Спираль 2 соединена контактной сваркой с контактными стержнями 4. Штуцер 5 имеет два отверстия, параллельных его оси, и резьбу на внешней поверхности. С одной стороны к штуцеру 5 припаяны оболочки 1 трубчатого нагревательного элемента, а с другой стороны штуцера 5 установлены изоляторы 6. Резьба на поверхности штуцера 5 выполнена соответствующей внутренней резьбе установочного фланца 7, при этом наружная резьба установочного фланца 7 соответствует резьбе посадочного места установки, для которой предназначен трубчатый электронагреватель. Штуцер 5 (Фиг.2) должен иметь посадочное место 8 “под ключ”. Контактные стержни 4 проходят через отверстия в штуцере 5 и изоляторах 6. Пространство между контактными стержнями 4 и штуцером 5 заполнено герметизирующей и изолирующей смесью 9, которая содержит алебастр, цемент и кварцевый песок. На внешней поверхности штуцера 5 установлена стопорная гайка 10 с уплотнением 11. Фланец 7 опирается на уплотнение 12.

После сборки так, как показано на фиг.1, трубчатый электронагревательный элемент готов к работе.

В таблицах 1 и 2 приведены примеры основных характеристик трубчатых электронагревательных элементов, в которых реализовано заявляемое техническое решение для нагревания воды и масла соответственно.

Устройство работает так, как работают все тэны. При прохождении электрического тока по спирали она нагревается и нагревает изолирующий кварцевый песок и оболочку, обеспечивая тепловой поток в зависимости от линейных и других размеров тэна до 10,2 Вт/см².

При прочих равных показателях с другими тэнами, заявляемые имеют бесспорное преимущество, выражающееся в простоте и надежности установки тэна. Для этого достаточно тэн расположить в минимально допустимом объеме и удерживать с помощью гаечного ключа, используя посадочные места 8. Вращая установочный фланец 7, фиксируют положение тэна в объеме, например, жидкости. Необходимая герметичность на посадочном месте создается уплотнением 12. Относительно массивный штуцер исключает деформацию изоляторов 6 и смеси 5, герметизирующей контактные стержни 4 в отверстиях штуцера. С помощью гайки 10 обеспечивают уплотнение штуцера 5 относительно установочного фланца 7.

Если иметь в виду, что медная оболочка тэна после изготовления пластична и легко деформируется, то предлагаемое сочетание штуцера и установочного фланца позволяет осуществлять нагрев с помощью таких тэнов объемов сложной формы, со значительным радиусом кривизны их поверхностей или труднодоступные части таких объемов, поскольку при установке необходимо вращать только установочный фланец. Например, это могут быть радиаторы теплового отопления, специальные трубопроводы или ванны, днища которых требуют независимого нагрева и т. п.

Как видно из описания примера конкретного выполнения, а также характеристик тэнов, представленных в таблице, предлагаемое техническое решение при сравнительной простоте конструкции может быть использовано в различных устройствах для нагрева жидкостей, поскольку обеспечивается возможность осевого перемещения установочного фланца относительно штуцера, при этом обеспечена долговечность (гарантийный срок) в течение не менее 2-х лет.