Позисторный нагреватель частей трубопроводной системы и емкостей для жидкостей и газов

 

Изобретение относится к электронагревателям и может быть использовано при нагревании веществ в системе и отдельных емкостях. Нагреватель снабжен корпусом 1 с крышкой 7, выполненным с возможностью нагрева позистором 2, закрепленным в корпусе 1, теплоотдающей поверхности с наружной стороны дна корпуса 1, а средство для соединения позистора 2 с проводом питания, содержащее контактную пластинку 3, снабжено изолятором 5 и пружиной 6, зажимающей позистор 2 между дном корпуса 1 и пластинкой 3. Корпус 1 закрепляют на элементе системы, например на топливопроводе, или отдельной емкости, предпочтительно без конструктивных изменений непосредственно или через проставку. Благодаря свойству позистора 2 при нагревании очень резко повышать свое сопротивление только при достижении очень узкой температурной области нагреватель поддерживает заданную температуру без опасности перегрева и пожара в широком диапазоне скоростей внутритрубной среды и окружающих температур без каких-либо управляющих устройств. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области распределения газов и жидкостей по трубопроводам, в частности к устройствам, используемым для облегчения перемещения жидкостей и вязких продуктов нагреванием; к двигателям внутреннего сгорания, к устройствам для тепловой обработки воздуха, топлива, горючей смеси электрическими средствами; к смазке, подогреву смазочного материала; к электричеству, к основным элементам оборудования, а именно к резисторам с положительным ТКС (температурным коэффициентом сопротивления), к электронагреву, а именно к резистивному нагреву жесткими нагревательными элементами с увеличенной поверхностью, к аккумуляторам, устройствам, применяемым при их эксплуатации, а именно их нагреву.

Известен съемный резисторный трубопроводный нагреватель, содержащий пару металлических резисторов, прижатых пружинной скобой к трубопроводу с обеих сторон (патент США N 4367718).

Недостатками известного нагревателя являются: 1. Неспособность поддерживать заданную температуру, для ее обхода введено термобиметаллическое реле 18.

2. Ограниченная применяемость, ибо нагреватель предназначен автором только для трубопровода определенного диаметра определенных двигателей.

3. Низкая эффективность, ибо теплопередача от резисторов к трубопроводу происходит только по узким пятнам сопряжения приблизительно цилиндрических поверхностей.

Наиболее близким по технической сущности является позисторный нагреватель частей трубопроводной системы, содержащей, по меньшей мере, один нагревательный позистор и средство для его соединения с цепью питания (патент РФ N 2008498), "Средство для соединения позистора с цепью питания" - термин широкого понятия, поскольку известны различные формы выполнения такого соединения, в данной заявке - это различные сочетания деталей, обеспечивающих электрический контакт коммутационного слоя на поверхности позистора с проводом цепи питания, например, с помощью пайки, приклеивания электропроводным клеем и т.д. В прототипе - это прижимное средство, содержащее надпозисторную пластинку с выводом, тепловой экран и винты. Винты с помощью экрана прижимают пластинку к коммутационному слою позистора, а пластинка соединена с выводом, соединенным с плюсовым проводом однопроводной цепи питания. Нагреватель возникает в момент окончания сборки его отдельных частей на корпусе теплообменника: позистор оказывается зажатым между надпозиторной пластинкой и дном лунки в корпусе, в результате чего возникает 2-е средство для соединения в виде прижимного контакта между 2-м коммутационным слоем позистора и дном лунки, т.е. с "массой" однопроводной цепи питания.

Недостатки прототипа: 1. Узкое применение, ибо он является частью теплообменника определенной конструкции и его невозможно установить на элемент другой конструкции без внесения конструктивных изменений.

2. Низкая эффективность, ибо имеется большое тепловое сопротивление между позистором и дном лунки для него в корпусе из-за зазора между ними вокруг максимум 3-х контактных пятен; кроме того, происходит потеря тепла из-за конвекции, ибо экран свободно пропускает потоки воздуха вокруг позистора.

3. Низкая надежность, ибо места электрических контактов не защищены от попадания жидкостей и пыли.

Технической задачей изобретения является расширение применения, повышение эффективности надежности нагревателя.

Результат достигается тем, что позисторный нагреватель частей трубопроводной системы и емкостей для жидкости и газов, содержащий, по меньшей мере, один позистор и средство для его соединения с цепью питания, включающее надпозисторную контактную пластинку, снабжен корпусом с крышкой, выполненный с возможностью нагрева его теплоотдающей поверхности позистором и установки его на часть системы, подлежащей нагреванию, позистор и средства для его соединения размещены в корпусе, средство снабжено электрическим, предпочтительно также тепловым, изолятором надпозисторной контактной пластинки и прижимной пружинкой, расположенной предпочтительно между крышкой корпуса и изолятором.

Кроме того, нагреватель дополнительно снабжен подпозисторным средством для соединения с цепью питания, в которое ведена подпозисторная контактная пластинка с выводом. Далее, в подпозисторное средство для соединения введен теплопроводный электрический изолятор, размещенный под подпозисторной контактной пластинкой. Кроме того, корпус снабжен теплопроводной проставкой, выполненной с возможностью плотного сопряжения как с теплоотдающей поверхностью корпуса, так и с частью системы, подлежащей нагреву. Далее, проставка выполнена элекроприводной.

На фиг. 1 показан продольный разрез простейшего нагревателя, на фиг. 2 - внешний вид нагревателя, на фиг. 3 - нагреватель, установленный на трубопроводе, на фиг. 4 - теплопроводная проставка для выпуклой части элемента системы, на фиг. 5 - левая половина нагревателя с подпозисторным средством для соединения с цепью питания (разрез). К дну металлического корпуса 1 нагревателя прижат позистор 2 через надпозисторную контактную пластинку 3 с выводом 4 и надпозисторный изолятор 5 в виде короба плоской с прогибом пружиной 6, нагруженной металлической крышкой 7 корпуса 1 заклепками крепления. Пластинка 3 с выводом 4, изолятор 5, пружина 6, крышка 7 с заклепками являются средством соединения позистора 2 с плюсовым приводом однопроводной цепи питания, в данном случае - это надпозисторное прижимное средство соединения. Нагреватель с желобковой теплоотдающей поверхностью (фиг. 3) крепят известными средствами крепления деталей на трубопроводах, предпочтительно защелкивающейся скобой 8, которая имеет сплошную нижнюю губу, прилегающую к нижнему полуцилиндру трубопровода 9, и 2 верхние губки, охватывающие полуцилиндрические концы корпуса 1; эта скоба служит также дополнительным теплоотводом. Для передачи тепла в теплопринимающую поверхность любой формы используют тепловодные проставки, например 10 (фиг. 4), теплопринимающая поверхность которой плотно сопрягаема с теплоотдающей поверхностью корпуса 1, а ее теплоотдающая поверхность плотно сопрягаема с теплопринимающей поверхностью нагреваемого элемента. Проставки 10 соответствующей формы позволяют любой нагреватель (с плоской, желобковой и т.д. поверхностями) использовать для элемента почти любой формы, однако это увеличивает тепловое сопротивление тепловой цепи, особенно из-за неизбежных зазоров вокруг пятен сопряжения поверхностей. Нагреватель для 2-проводной цепи питания (фиг. 5) дополнительно снабжен 2-м, подпозисторным, средством для соединения с цепью питания, в которое введена подпозисторная контактная пластинка 11 с выводом 12; это достаточно, если, например, корпус 1 выполнен из электроизолирующего (но теплопроводного) материала. Если же корпус 1 выполнен из электропроводного материала, то в подпозисторное средство введен теплопроводный электрический изолятор 13 (например, полиимидная пленка), размещенный под подпозисторной контактной пластинкой 11.

Описание некоторых видоизменений нагревателя и пояснения. Основное требование к корпусу 1, применительно к его задаче: наибольшая теплопроводность, к нему присоединяются другие, часто противоречивые требования, в соответствии с условиями работы, например уменьшение утечек тепла в окружающую среду, наименьшее изменение вибрационных характеристик элементов после установки нагревателя и т.д. Для удовлетворения этих требований нагреватель может быть видоизменен в пределах формулы изобретения; далее следуют описания некоторых видоизменений, которые могут сочетаться между собой нужным образом. Наилучшее сочетание большой тепло- и электропроводности, низкой плотности, технологичности и цены имеет алюминий и его сплавы, поэтому корпус изготовлен из этих материалов. Для дальнейшего уменьшения массы корпус 1 может быть изготовлен из теплопроводного полимера (в т.ч. армированного металлическими включениями), причем полимер может быть электропроводным. Если корпус 1 изготовлен из электроизолирующего материала, то в его дне под позистором 2 (и подпозисторным средством для соединения с цепью питания) закреплена сквозная теплопроводная (может быть, и электропроводная) вставка, образующая теплоотдающую поверхность. Возможны конструкции средств соединения, выполненные различными способами с использованием пайки, склеивания и т.д. В необходимых случаях на металлическом корпусе 1 снаружи выполнен зажим для подключения 2-го провода, а если корпус 1 выполнен из изолятора, то подпозисторная контактная пластинка 11 соединена с зажимом. Корпус 1 выполнен длинным, чтобы нагревался больший участок трубопровода, а в нем размещено несколько позисторов 2, соединенных параллельно, если позистор 2 в виде длинной пластинки. Плоская надпозисторная контактная пластинка 3 прижата крышкой 7 через пружину 6 и изолятор 5 к позистору 2 на большой площади неподвижно, что является предпочтительной конструкцией, ибо пластинка 3 не протирает коммутационный слой позистора 2, а пружина 6 менее нагревается позистором 2 благодаря изолятору 5, к тому же он уменьшает потери тепла. Однако в зависимости от условий может быть иное размещение деталей, роль пластинки 3 может выполнять пружина 6, хотя из-за ее небольшой опорной площади и подвижности она будет протирать коммутационный слой позистора 2. Крышка 7 скреплена с корпусом 1, например, винтами, защелкнута в пазы корпуса 1 и т.д. Крышка 7 отштампована в виде короба, что упрощает форму корпуса до пластины. Разъем между крышкой 7 и корпусом 1 загерметизирован. Проставка 10 выполнена из различных материалов применительно к условиям работы, она может быть накладной односторонней, или в виде двух накладных, полностью охватывающих трубопровод 9, или проходной, т.е. с отверстием для трубопровода и возможностью прочного скрепления с ним, например, с гарантийной прорезью вдоль трубы, не полностью замыкаемой при закреплении пружинной скобкой 8 вместе с корпусом 1. Применимы другие средства закрепления, например хомутики. Эти средства охватывают корпус 1 полностью в средней части или по его концам, они являются также дополнительными тепловодами для введения тепловых потоков в трубопровод 9, охватывая его. Нагреватель выполнен с возможностью его установки, предпочтительно без каких-либо конструктивных изменений места установки.

Корпус 1 (с проставкой 10) закрепляют преимущественно с нижней стороны трубопровода 9, чтобы не создавать крутящий момент между корпусом 1 и трубопроводом 9 (как и в самом трубопроводе) из-за силы веса от колебательных ускорений, направленных большей частью вертикально; это улучшает также эффективность, ибо трубопровод дополнительно нагревается конвекцией от поверхности корпуса 1. Разумнее установить 2 нагревателя на некотором расстоянии, чем 2 нагревателя, полностью охватывающие трубопровод 9 в одном месте, чтобы нагреть жидкость на большей длине. На элемент большого диаметра, например на топливный (масляный) фильтр, разумно устанавливать несколько нагревателей с помощью хомута. При включении в тепловую цепь проставки (или проставок) выполняется условие минимальных зазоров между теплоотдающими и теплопринимающими поверхностями. Нагреватель с плоской теплоотдающей поверхностью (фиг. 2) крепят, например, в перевернутом положении к баку, прижав его теплоотдающую поверхность к нижней поверхности дна бака известными средствами крепления подобных деталей, например 2-мя планками, закрепленными концами к штатным хомутам крепления бака, причем шип в средней части каждой планки входит в отверстие на конце корпуса 1 (см. фиг. 2), предотвращая смещение нагревателя. На элемент в виде корпуса со свободным объемом, в котором проходит трубка с жидкостью, нагреватель устанавливают непосредственно на трубку, если корпус это позволяет. Но аккумулятор (батарею) и т.п. элементы нагреватели устанавливают с помощью хомутов и т.п. крепежных устройств на нижних частях стенок; если корпус батареи имеет меньшую температуропроводность, чем корпус 1 нагревателя, его теплоотдающая поверхность должна быть развита в разумных пределах, по сравнению с нагревателем для металлических элементов, а ТФП не должна превышать допустимую температуру, например, аккумулятора; если он размещен в месте, где он не нагревается от двигателя, нагреватели разумно закрыть теплоизолятором вместе с аккумулятором.

Работа нагревателя на примере топливопровода дизельного двигателя. Исходное состояние: двигатель в холодном состоянии, в дизтопливе образовались кристаллики парафина, вызвавшие "пробку" топливопровода, смазка - очень вязкая; во всех местах систем питания и смазки, где нужно, размещены нагреватели. За несколько минут до запуска двигателя водитель включает включателями на щитке приборов соответствующие нагреватели. По позистору 2 проходит наибольший ток, который быстро его нагревает, но его сопротивление остается столь же низким до достижения заданной температуры, которая определена температурой фазового превращения (ТФП) в материале позистора 2, только при которой его сопротивление возрастает, причем на 3...4 порядка, поэтому до ТФП продолжается быстрый нагрев позистора 2, тепловой поток от него устремляется сквозь дно корпуса 1 через проставку 10 в трубопровод 9 и быстро нагревает топливо, кристаллики парафина расплавляются и растворяются, но топливо не может быть перегрето выше ТФП, т.е. нет опасности пожара. Одновременно часть теплопотока в корпусе 1 направляется вдоль дна, в т.ч. вдоль донной поверхности к концам корпуса 1. Корпус 1 быстро нагревается, но если температуропроводность топливопровода 9 больше, чем корпуса 1, то температурные фронты в топливопроводе 9 обгоняют фронты, движущиеся в корпусе 1 вдоль его дна к его концам, и часть теплового потока трубопровода уходит из него в конце корпуса 1 и рассеивается в воздухе, что уменьшает эффективность нагревателя, поэтому длина корпуса I должна быть не слишком большой, чтобы предотвратить это явление и обеспечить направление теплопотока в топливопроводе 9 в основном в топливо. При этом топливопровод 9 за концами корпуса 1 будет нагрет, но и в этих местах основной тепловой поток пойдет в топливо, ибо теплопередача в воздух меньше, чем в топливо. Топливо нагрето по всей длине между нагревателями, хотя не равномерно, но парафиновые пробки исчезли. Под действием насоса топливо движется по топливопроводу 9, порции менее нагретого топлива проходят непосредственно под очередным нагревателем, нагреваясь и перемешиваясь с более нагретыми порциями, и топливо достигает заданной температуры по всей длине топливопровода 9. В это время температура позистора 2 почти достигла конца области ТФП, сопротивление позистора 2 резко возросло, ток резко уменьшился до того значения, которое необходимо лишь для возмещения тепла, расходуемого на нагревание новых порций топлива, поступающих из бака, и окружающего воздух. Когда двигатель нагреется до эксплуатационной температуры, нагретый им воздух нагревает топливопровод 9 и корпус 1, а следовательно, позистор 2, он не должен возмещать расход тепла, его температура достигает конца ТФП, ток уменьшился еще больше и не способен нагревать позистор выше этой температуры и заметно расходовать мощность даже во включенном состоянии. Водитель выключает нагреватели. Испытания показали, что при -20^oC через 5 мин после включения топливо нагревается до 0^oC, кристаллики парафина расплавляются и двигатель легко заводится. Из описанного становится понятным неразумность нужного, на первый взгляд, усовершенствования, а именно: нанесение теплоизоляции на корпус 1 и трубопровод 9, ведь нагреватель работает несколько минут, а во время работы двигателя эта теплоизоляция вредна, тем более для маслопроводов, где требуется охлаждение масла.

Преимущества предложенного нагревателя: 1. Простота конструкции, ибо нет системы поддержания заданной температуры нагревателя.

2. Возможность использования почт в любой системе благодаря соответствующей проставке.

3. Простота установки.

4. Меньший расход электроэнергии благодаря хорошей передаче тепла в нагреваемую часть, особенно в случае утепления нагревателя снаружи.

5. Быстрота нагревания жидкости до заданной температуры, ибо до заданной температуры идет неснижающийся ток.

6. Поддержание заданной температуры меньше зависит от окружающей температуры, ибо температура позистора 2 совершенно от нее не зависит, а температура нагреваемой жидкости зависит от окружающей температуры через ее скорость. При повышении скорости под нагреватель поступает более холодная жидкость, она охлаждает позистор ниже ТФП, его сопротивление резко падает, ток резко возрастает и быстро нагревает позистор, а он - жидкость.

7. Возможность питания любого вида напряжением от 12 до 36 В.

8. Пожаробезопасность, ибо позистор не может превзойти ТФП.

Формула изобретения

1. Позисторный нагреватель частей трубопроводной системы и емкостей для жидкостей и газов, содержащий, по меньшей мере, один позистор и средство для его соединения с цепью питания, включающее надпозисторную контактную пластинку, отличающийся тем, что он снабжен корпусом с крышкой, выполненным с возможностью нагрева его теплоотдающей поверхности позистором и установки его на часть системы, подлежащую нагреванию, позистор и средства для его соединения с цепью питания размещены в корпусе, средство снабжено электрическим, предпочтительно также тепловым, изолятором надпозисторной контактной пластинки и прижимной пружиной, расположенной предпочтительно между крышкой корпуса и изолятором.

2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен подпозисторным средством для соединения с цепью питания, в которое введена подпозисторная контактная пластинка с выводом.

3. Нагреватель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в подпозисторное средство для соединения введен теплопроводный электрический изолятор, размещенный под подпозисторной контактной пластинкой.

4. Нагреватель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что корпус снабжен теплопроводной проставкой, выполненной с возможностью плотного сопряжения как с теплоотдающей поверхностью корпуса, так и с частью системы, подлежащей нагреву.

5. Нагреватель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что проставка выполнена электропроводной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5