RU2242096C2 - Tubular electric heater - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering; heating appliances for various liquids such as oil or fuel to facilitate starting of internal-combustion engines.

SUBSTANCE: proposed tubular electric heater of improved design whose guaranteed service life is minimum two years has its heating element made in the form of spiral affording different regions of specific power; one end of spiral is secured on current lead and other one, on opposite end of tube to its housing, thereby ensuring uniform power dissipation, eliminating spark probability between tubular electric heater and ground which ensures safety when handling chemically active media; such provision enables differential heating of separate components of units depending on their application and location and enhances fire safety.

EFFECT: enlarged functional capabilities, enhanced safety, reliability, and service life.

1 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к нагревательным устройствам, и может быть использовано для нагрева жидкости различного назначения, например, для подогрева масла или топлива с целью улучшения пуска двигателя внутреннего сгорания в зимнее время года.The invention relates to electrical engineering, in particular to heating devices, and can be used to heat liquids for various purposes, for example, to heat oil or fuel in order to improve the starting of an internal combustion engine in the winter season.

Известно, что для подогрева нефти, циркуляционного масла в емкостях, картерах автомашин, других вязких масел, охлаждающей воды, топлива, жидкости с высокой температурой застывания, для подогрева металла, например, экструдеров или двигателей применяют трубчатые электронагреватели (тэн'ы). Это связано с тем, что при низких температурах происходит изменение физических свойств жидкости и нарушается нормальная работа системы питания, например, двигателя внутреннего сгорания. С целью устранения отрицательного влияния низкой температуры, получения условий для надежного пуска и работы двигателей топливо нагревают наряду с одновременным повышением теплового состояния деталей [Козлов В.Е., Козлов В.В., Миндин Г.Р., Судаченко В.Н. Электронагревательные устройства автомобилей и тракторов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. - 127 с.]. Для этого в системе двигателя внутреннего сгорания используют несколько тэн'ов, каждый из которых предназначен для работы в определенной полости. Тэн'ы при этом имеют, как правило, относительно небольшую длину, не более десятка сантиметров.It is known that for heating oil, circulating oil in tanks, crankcases of cars, other viscous oils, cooling water, fuel, and liquids with a high pour point, for heating metal, for example, extruders or engines, tubular electric heaters (tens) are used. This is due to the fact that at low temperatures there is a change in the physical properties of the liquid and the normal operation of the power system, for example, an internal combustion engine, is disrupted. In order to eliminate the negative influence of low temperature, to obtain conditions for reliable start-up and operation of engines, the fuel is heated along with a simultaneous increase in the thermal state of the parts [Kozlov V.E., Kozlov VV, Mindin GR, Sudachenko VN Electric heating devices for cars and tractors. - L .: Engineering, Leningrad. Department, 1984. - 127 p.]. To do this, several Ten's are used in the internal combustion engine system, each of which is designed to work in a specific cavity. Ten'y at the same time have, as a rule, a relatively short length, not more than a dozen centimeters.

Известно, что для нагрева больших объемов применяют нагревательные кабели с различными типами изоляции, которые имеют экранирующую оплетку, используемую в качестве заземления. Однако изоляция кабелей не предназначена для работы в агрессивных средах. Кроме того, нагревательный гибкий кабель имеет постоянную удельную мощность по всей длине, что исключает его использование в устройствах сложной конфигурации, требующих для подогрева разных температурных режимов.It is known that for heating large volumes, heating cables with various types of insulation are used, which have a shielding braid used as ground. However, cable insulation is not intended for use in aggressive environments. In addition, the heating flexible cable has a constant power density over the entire length, which excludes its use in devices of complex configuration that require different temperature conditions for heating.

Наиболее близким к заявляемому по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является трубчатый электронагреватель, содержащий корпус в виде трубки с наполнителем, токоввод для питания и нагревательный элемент [см. описание к патенту РФ №2120199, М. Кл. Н 05 В 3/48, опубл. 10.10.1998 г.]. В этом устройстве нагревательный элемент выполнен в виде толстопленочного резистора на металлодиэлектрической подложке, а наполнителем является трансформаторное масло.Closest to the claimed purpose, technical nature and the achieved result when using is a tubular electric heater containing a housing in the form of a tube with a filler, a current lead for power and a heating element [see Description of the patent of the Russian Federation No. 2120199, M. Kl. H 05 V 3/48, publ. 10/10/1998]. In this device, the heating element is made in the form of a thick film resistor on a metal-dielectric substrate, and the filler is transformer oil.

Такой нагревательный элемент устанавливают в картере, подключают к стационарному источнику напряжения до 36 В, и при этом происходит нагревание масла. Толстопленочный резистор на металлодиэлектрической подложке способствует увеличению площади рассеивания тепла. Однако такое устройство имеет практически постоянную удельную мощность по всей длине резистора. Кроме того, терморезистор чувствителен к изменению формы и практически не может быть использован в полостях сложной формы.Such a heating element is installed in the crankcase, connected to a stationary voltage source of up to 36 V, and the oil is heated. A thick film resistor on a metal-dielectric substrate increases the area of heat dissipation. However, such a device has an almost constant specific power along the entire length of the resistor. In addition, the thermistor is sensitive to shape changes and can hardly be used in cavities of complex shape.

Поэтому целью заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей трубчатого электронагревателя и улучшение таких его свойств, как безопасность и надежность.Therefore, the purpose of the proposed technical solution is to expand the functionality of the tubular electric heater and improve its properties such as safety and reliability.

Поставленная цель достигается тем, что в известном трубчатом электронагревателе, содержащем корпус в виде трубки с наполнителем, токоввод для питания и нагревательный элемент, согласно изобретению, нагревательный элемент выполнен в виде спирали, обеспечивающей разные зоны удельной мощности, при этом один конец спирали закреплен на токовводе, а второй на противоположном конце трубки прикреплен к ее корпусу.This goal is achieved by the fact that in a known tubular electric heater containing a housing in the form of a tube with a filler, a current lead for power and a heating element according to the invention, the heating element is made in the form of a spiral providing different zones of specific power, while one end of the spiral is fixed to the current lead and the second at the opposite end of the tube is attached to its body.

В качестве наполнителя использован кварцевый песок, а токоввод проходит через изолятор, размещенный на конце трубки, и герметизирован в корпусе смесью кварцевого песка, алебастра и цемента.Quartz sand was used as a filler, and the current lead passes through an insulator located at the end of the tube and is sealed in the casing with a mixture of quartz sand, alabaster and cement.

Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.As can be seen from the statement of the essence of the claimed technical solution, it differs from the prototype and, therefore, is new.

Заявляемое решение обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известного трубчатого электронагревателя, в котором, вследствие выполнения нагревательного элемента в виде спирали, обеспечивающей разные зоны удельной мощности, закрепления одного конца спирали на токовводе, а второго на противоположном конце трубки к ее корпусу, обеспечивается неравномерное рассеивание мощности, исключается вероятность возникновения искры между тэн'ом и массой, и за счет этого осуществляется дифференцированный нагрев отдельных элементов агрегатов в зависимости от их назначения и расположения, обеспечивается пожаробезопасность.The inventive solution has an inventive step. The basis of the invention is the task of improving the known tubular electric heater, in which, due to the implementation of the heating element in the form of a spiral, providing different zones of specific power, fixing one end of the spiral to the current lead, and the second at the opposite end of the tube to its body, uneven power dissipation is ensured, eliminated the probability of a spark between the ten and the mass, and due to this, differentiated heating of individual elements of the aggregates is carried out depending property from their purpose and location, fire safety is provided.

Известно, что практически все транспортные средства, рассчитанные на работу в широком диапазоне температур, в частности минусовых, снабжены различными подогревательными устройствами, выполненными на основе трубчатых электронагревательных элементов (тэно'в). В настоящее время создано и эксплуатируется большое количество электронагревателей, изготовленных в местных условиях, различных по конструкции и создаваемому ими тепловому эффекту [Козлов В.Е., Козлов В.В., Миндин Г.Р., Судаченко В.Н. Электронагревательные устройства автомобилей и тракторов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. - 127 с.]. Однако наименее эффективными оказываются нагреватели, например, дизельного топлива, особенно такого, которое предназначено для работы при низких температурах. Отсутствие надежной системы нагрева приводит к тому, что двигатели в определенное время года практически не выключают, что ведет к их быстрому износу.It is known that almost all vehicles designed to operate in a wide temperature range, in particular minus ones, are equipped with various heating devices based on tubular electric heating elements (heating elements). Currently, a large number of electric heaters have been created and are being used that are manufactured locally and are different in design and the thermal effect they create [Kozlov V.E., Kozlov V.V., Mindin G.R., Sudachenko V.N. Electric heating devices for cars and tractors. - L .: Engineering, Leningrad. Department, 1984. - 127 p.]. However, the least efficient are heaters, for example, diesel fuel, especially one that is designed to operate at low temperatures. The lack of a reliable heating system leads to the fact that the engines at a certain time of the year practically do not turn off, which leads to their rapid wear.

Известно, например, устройство для предпускового подогрева топлива в подогревателе двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с полостью, снабженной электронагревательным элементом, подключенным при помощи подводящего штуцера к питающему топливопроводу [см. описание к авт. св. СССР №973910, М. Кл. F 02 N 17/04, опубл. 15.11.82]. Устройство позволяет повысить надежность воспламенения топлива в предпусковой период. Однако использование описанного выше устройства не может обеспечить устойчивую работу двигателя в целом при низких температурах, поскольку нагревательный элемент работает в ограниченном объеме, и его работа не сказывается на подаче топлива из бака по топливопроводу.It is known, for example, a device for preheating fuel in a heater of an internal combustion engine, comprising a housing with a cavity provided with an electric heating element connected by means of a supply fitting to the fuel supply pipe [see description of author St. USSR No. 973910, M. Cl. F 02 N 17/04, publ. 11/15/82]. The device allows to increase the reliability of fuel ignition in the pre-launch period. However, the use of the device described above cannot ensure stable operation of the engine as a whole at low temperatures, since the heating element operates in a limited volume, and its operation does not affect the supply of fuel from the tank through the fuel line.

Известно также устройство для нагрева текучей среды, содержащее цилиндрический корпус с отверстиями для подачи и отвода среды, внутри которого коаксиально ему с зазором установлен трубчатый нагреватель [см. описание к авт. св. СССР №1677878 А1, М кл. Н 05 В 3/60, опубл. 15.09.88]. Устройство предназначено для подогрева углеводородного топлива перед его подачей в двигатель в условиях низких температур. Оно позволяет повысить интенсивность теплообмена на 20-30%.A device for heating a fluid is also known, comprising a cylindrical body with openings for supplying and discharging a medium, inside of which a tubular heater is installed coaxially with a gap [see description of author St. USSR No. 1677878 A1, M class. H 05 V 3/60, publ. 09/15/88]. The device is intended for heating hydrocarbon fuel before it is fed into the engine at low temperatures. It allows you to increase the heat transfer intensity by 20-30%.

Однако конструкция описанного выше устройства сложна, поскольку предполагает использование специальных гофрированных труб и их дополнительную обработку. Кроме того, конструкция предполагает установку устройства непосредственно в топливопроводе, что может быть бесполезно, если топливо в баке обладает значительной вязкостью при низких температурах.However, the design of the device described above is complicated, since it involves the use of special corrugated pipes and their additional processing. In addition, the design involves installing the device directly in the fuel line, which can be useless if the fuel in the tank has significant viscosity at low temperatures.

Заявляемое техническое решение принципиально решает проблему, предлагая тэн, который можно выполнить с различными зонами нагрева. Используя такое свойство медной оболочки, как низкое сопротивление изгибу после отжига, тэн'у можно придать любую необходимую форму и длину с учетом необходимого на том или ином участке удельного рассеяния мощности и обеспечить эффективный, безопасный нагрев, например, топлива.The claimed technical solution fundamentally solves the problem by offering a heating element that can be performed with various heating zones. Using such a property of a copper shell as low bending resistance after annealing, ten can be given any desired shape and length, taking into account the specific power dissipation required in a particular section, and provide efficient, safe heating, for example, of fuel.

Предлагаемое решение находит широкое применение в современной практике на транспортных средствах, работающих в условиях низких температур и в других отраслях, например, для размораживания холодильных установок, экструдеров и др.The proposed solution is widely used in modern practice on vehicles operating at low temperatures and in other industries, for example, to defrost refrigeration units, extruders, etc.

Фиг.1 - тэн для нагрева топлива в топливном баке.Figure 1 - heating element for heating fuel in a fuel tank.

Фиг.2 - тэн для нагрева топлива (вид сверху)Figure 2 - heating element for heating fuel (top view)

Фиг.3 - конец трубчатого нагревателя.Figure 3 - end of the tubular heater.

Фиг.4 - тэн для нагрева текучей среды.Figure 4 - ten for heating the fluid.

Пример 1. Устройство для нагрева топлива содержит цилиндрический корпус с отверстиями для подачи 2 и отвода топлива 3, внутри которого коаксиально ему с зазором установлен трубчатый электронагреватель 4, выполненный согласно заявленному техническому решению. Трубчатый электронагреватель 4 содержит корпус 5, в котором расположены спираль 6 и наполнитель 7, в качестве которого использован кварцевый песок. Один конец трубчатого электронагревателя 4 изогнут в виде крюка 8.Example 1. A device for heating fuel contains a cylindrical body with holes for supplying 2 and fuel outlet 3, inside of which a tubular electric heater 4 is installed coaxially with a gap, made in accordance with the claimed technical solution. The tubular electric heater 4 comprises a housing 5 in which a spiral 6 and a filler 7 are located, in which quartz sand is used. One end of the tubular electric heater 4 is bent in the form of a hook 8.

Цилиндрический корпус 1 устройства снабжен установочным фланцем 9 и дополнительным цилиндром 10, в полости 11 которого размещен изогнутый конец 8 трубчатого электронагревателя 4. Другой конец трубчатого электронагревателя 4 зафиксирован в штуцере 12. Спираль 6 на одном конце соединена с заглушкой 13, что обеспечивает контакт с массой транспортного средства, на другом конце она соединена с токовводом 14. Второй конец токоввода 14 проходит через изолятор 15, который зафиксирован герметиком 16 и гайкой 17. Токоввод 14 в корпусе 5 электронагревателя 4 герметизирован смесью 18 кварцевого песка, алебастра и цемента. Устройство выполнено с датчиком температуры 19.The cylindrical body 1 of the device is equipped with a mounting flange 9 and an additional cylinder 10, in the cavity 11 of which is placed the curved end 8 of the tubular electric heater 4. The other end of the tubular electric heater 4 is fixed in the fitting 12. The spiral 6 is connected at one end to the plug 13, which provides contact with the ground vehicle, at the other end it is connected to the current lead 14. The second end of the current lead 14 passes through an insulator 15, which is fixed by a sealant 16 and a nut 17. The current lead 14 in the housing 5 of the electric heater 4 ger it is metizirovanny mix of 18 quartz sand, alabaster and cement. The device is made with a temperature sensor 19.

Вся длина трубчатого нагревателя 4 разделена на три зоны L₁, L₂, L₃, как показано на фиг.1, которые имеют разные удельные мощности. Максимальная мощность трубчатого электронагревателя Р=2 кВт при Umax=28 В. Длины отдельных участков тэн'а и соответствующие рассеиваемые мощности показаны в таблице.The entire length of the tubular heater 4 is divided into three zones L ₁ , L ₂ , L ₃ , as shown in figure 1, which have different specific powers. The maximum power of a tubular electric heater is P = 2 kW at Umax = 28 V. The lengths of individual sections of the heating element and the corresponding power dissipation are shown in the table.

Устройство работает так, как работают все трубчатые электронагреватели. При прохождении электрического тока по спирали она нагревается и нагревает изолирующий кварцевый песок и оболочку, обеспечивая тепловой поток в зависимости от линейных и других характеристик тэн'а до 10,2 Вт/см². Однако наибольшая мощность выделяется в основном объеме топлива на длине L₁, а в других менее объемных каналах выделяется меньшая часть общей мощности.The device works like all tubular electric heaters work. When the electric current passes in a spiral, it heats up and heats the insulating quartz sand and shell, providing a heat flux depending on the linear and other characteristics of the heater up to 10.2 W / cm ² . However, the greatest power is allocated in the main volume of fuel along the length L ₁ , and in other less voluminous channels a smaller part of the total power is allocated.

Пример 2. Устройство для нагрева текучей среды содержит корпус 20 для жидкости с отверстиями для подачи 21 и отвода 22 среды. На крышке 23 корпуса 20 на установочном фланце 24 смонтирован трубчатый электронагреватель 26 с помощью штуцера 27 и гайки 28. Корпус 29 трубчатого электронагревателя 26 выполнен в виде спирали, погруженной в жидкость. Токоввод 30 и следовательно один конец спирали 31 соединены с фазой, а второй конец спирали присоединен к корпусу так, как показано на фиг.3, и, следовательно, как и трубчатый корпус 29 соединен с массой корпуса 20. Все витки спирали имеют равную длину, однако разную выделяющуюся на каждом витке мощность, как показано в таблице.Example 2. A device for heating a fluid contains a housing 20 for liquid with holes for supplying 21 and outlet 22 of the medium. On the cover 23 of the housing 20 on the mounting flange 24, a tubular electric heater 26 is mounted using a fitting 27 and a nut 28. The housing 29 of the tubular electric heater 26 is made in the form of a spiral immersed in liquid. The current lead 30 and therefore one end of the spiral 31 is connected to the phase, and the second end of the spiral is connected to the housing as shown in Fig.3, and therefore, like the tubular housing 29 is connected to the mass of the housing 20. All turns of the spiral are of equal length, however, the different power released on each turn, as shown in the table.

В этом случае для обеспечения эффективного массопереноса оказывается целесообразно при равной длине витков в большей степени нагревать жидкость в нижней части бака и в меньшей степени в верхней части бака. Максимальная мощность трубчатого электронагревателя Р=2 кВт при Umax=220 В.In this case, to ensure effective mass transfer, it turns out to be advisable, with an equal length of turns, to a greater extent heat the liquid in the lower part of the tank and to a lesser extent in the upper part of the tank. The maximum power of a tubular electric heater is P = 2 kW at Umax = 220 V.

В таблице приведены характеристики электронагревателей, изготовленных на основе заявляемого технического решения.The table shows the characteristics of electric heaters made on the basis of the claimed technical solution.

Как видно из описания примеров конкретного выполнения, предлагаемое техническое решение обладает значительно более широкими функциональными возможностями в сравнении с известными. Оно обеспечивает безопасную работу трубчатого электронагревательного устройства в агрессивных средах, поскольку исключает возникновение искры. Устройство надежно и долговечно, гарантированный срок работы не менее 2-х лет.As can be seen from the description of examples of specific performance, the proposed technical solution has significantly wider functionality in comparison with the known. It ensures the safe operation of the tubular electric heating device in aggressive environments, since it eliminates the occurrence of a spark. The device is reliable and durable, the guaranteed life of at least 2 years.

Claims (1)

Трубчатый электронагреватель, содержащий корпус в виде трубки с электроизоляционным наполнителем, токоввод для подачи питания и нагревательный элемент, выполненный в виде спирали, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен с возможностью образования разных зон выделяемой мощности от 2,0 до 25 Вт/см, при этом один конец спирали закреплен на токовводе, а второй на противоположном конце трубки прикреплен к ее заземленному корпусу.A tubular electric heater comprising a housing in the form of a tube with an insulating filler, a current lead for supplying power and a heating element made in the form of a spiral, characterized in that the heating element is configured to form different zones of the allocated power from 2.0 to 25 W / cm, this one end of the spiral is fixed to the current lead, and the second at the opposite end of the tube is attached to its grounded housing.

Images