Электрический нагреватель газа
Предлагаемая полезная модель относится к области нагрева газов.
Техническая задача, решение которой обеспечивает предлагаемый электрический нагреватель, состоит в нагреве до высоких температур (превышающих рабочие температуры большинства жаростойких сталей) больших расходов газа (несколько кг/с), который протекает через электрический нагреватель при большом давлении (3 МПа и более), обеспечивая при этом целостность конструкции и минимальные потери давления газа на самом нагревателе.
Решение указанной технической задачи достигается тем, в электрическом нагревателе газа, включающем тепловыделяющий канал, размещенный внутри корпуса с теплоизолирующим материалом, тепловыделяющий канал выполнен в виде негерметичных отрезков труб, которые установлены гидравлически параллельно с зазорами в керамических изоляторах и электрически соединены последовательно в каждой фазе электрической сети, а теплоизолирующий материал размещен в полости, образованной негерметичными внутренними экранами и герметичным внешним корпусом. В заявляемом электрическом нагревателе газа негерметичные отрезки труб установлены с помощью двух или более несущих фланцев, закрепленных внутри негерметичных внутренних экранов. Кроме того, негерметичные отрезки труб и внутренние экраны изготовлены из тугоплавкого металла, например, ниобия или молибдена или их сплавов, а в качестве теплоизолирующего материала использован минеральный волокнистый материал. При этом герметичный внешний корпус выполнен разборным и состоящим из цилиндрической части и двух крышек эллипсоидной формы, в которых расположены патрубки для подвода и отвода газа, а в одной из этих крышек расположены герметичные охлаждаемые токовводы, соединенные электрическими шинами с токопроводящими трубами; кроме того, на герметичном внешнем корпусе расположены каналы охлаждения. Между теплоизолирующим материалом и внутренними экранами размещены слои фольги (экраны) из тугоплавкого металла с зазором относительно друг друга.
Предлагаемая полезная модель относится к области нагрева газов. Она предназначена для работы с инертными газами и представляет собой электрический нагреватель с омическим разогревом трубчатых тепловыделяющих каналов, способный работать при высоких температурах, расходах и давлениях нагреваемого газа. Данная полезная модель может быть использована в качестве источника рабочего тела с заданными параметрами при отработке газовых турбин (турбогенераторов, турбокомпрессоров), а также замкнутых газотурбинных контуров. В частности, предлагаемый электрический нагреватель газа может служить тепловым имитатором устанавливаемого в газотурбинный контур газоохлаждаемого ядерного реактора. Данный электрический нагреватель газа также может найти применение в технологических процессах, требующих газовых потоков с большими температурами и расходами.
Известен электрический нагреватель газа (Свидетельство на полезную модель РФ 
35495 от 10.01.2004), который содержит тепловыделяющий канал в виде свернутой в спираль электропроводной трубы, которая помещена в теплоизолирующий кожух. Недостатками данной конструкции является невозможность обеспечения малых перепадов давления на электрическом нагревателе в случае больших расходов газа (до нескольких кг/с). Также невозможно достижение высоких температур (порядка 1500 К и более) при больших давлениях газа, так как при нагреве должна сохраняться прочность тепловыделяющего канала.
Техническая задача, решение которой обеспечивает предлагаемый электрический нагреватель, состоит в нагреве до высоких температур (превышающих рабочие температуры большинства жаростойких сталей) больших расходов газа (несколько кг/с), который протекает через электрический нагреватель при большом давлении (3 МПа и более), обеспечивая при этом целостность конструкции и минимальные потери давления газа на самом нагревателе.
Решение указанной технической задачи достигается тем, в электрическом нагревателе газа, включающем тепловыделяющий канал, размещенный внутри корпуса с теплоизолирующим материалом, тепловыделяющий канал выполнен в виде негерметичных отрезков труб, которые установлены параллельно с зазорами в керамических изоляторах и электрически соединены последовательно в каждой фазе электрической сети, а теплоизолирующий материал размещен в полости, образованной негерметичными внутренними экранами и герметичным внешним корпусом, при этом негерметичные отрезки труб и внутренние экраны изготовлены из тугоплавкого металла, а на герметичном внешнем корпусе расположены каналы охлаждения. В заявляемом электрическом нагревателе газа негерметичные отрезки труб могут быть установлены с помощью двух или более несущих фланцев, закрепленных внутри негерметичных внутренних экранов. В качестве тугоплавкого металла может быть использован, например, ниобий или молибден или их сплавы, а в качестве теплоизолирующего материала - минеральный волокнистый материал. Герметичный внешний корпус может быть выполнен разборным и состоящим из цилиндрической части и двух крышек эллипсоидной формы, в которых расположены патрубки для подвода и отвода газа, а в одной из этих крышек могут быть расположены герметичные охлаждаемые токовводы, соединенные электрическими шинами с отрезками труб. Между теплоизолирующим материалом и внутренними экранами могут быть размещены слои фольги (экраны) из тугоплавкого металла с зазором относительно друг друга.
С точки зрения обеспечения большого ресурса работы указанная задача решается при использовании предлагаемого устройства для нагрева инертных газов, что и является основной сферой применения данного нагревателя.
Особенностью электрического нагревателя является разделение задач термической стойкости конструкции и обеспечения ее прочности при высоких давлениях.
Внешний корпус электрического нагревателя герметичен, он является прочной частью конструкции и выдерживает перепад между рабочим давлением нагревателя и окружающей средой. Поскольку прочный корпус расположен за слоем теплоизоляции и охлаждается, его температура в рабочем состоянии невысока. Это позволяет сохранить высокие прочностные параметры металла корпуса, что дает возможность работы нагревателя при больших давлениях.
Высокотемпературная часть электрического нагревателя негерметична, и, поэтому, перепады давления на ней невелики, они определяются только разностью давлений нагреваемого газа между входом и выходом электрического нагревателя. Выполнение тепловыделяющих каналов (отрезков труб) и внутренних экранов из тугоплавких металлов позволяет увеличивать их рабочую температуру и тем самым поднять температуру нагрева газа.
Несущие фланцы, которых по количеству может быть два или более, обеспечивают параллельное и равномерное и компактное расположение негерметичных отрезков труб, являющихся тепловыделяющими каналами, в потоке нагреваемого газа. Возможность их перемещения в керамических изоляторах способствует отсутствию коробления и замыкания между собой при тепловом расширении. Зазоры между керамическими изоляторами и негерметичными отрезками тепловыделяющих труб, с одной стороны, а также между изоляторами и несущими фланцами, с другой стороны, обеспечивают возможность течения газа как внутри негерметичных отрезков труб, так и между негерметичными отрезками труб. Этим достигается более эффективный нагрев газа за счет улучшения теплопередачи от нагреваемых отрезков труб. Также эти зазоры способствуют сохранности керамических изоляторов, так как при этом отсутствуют их деформации нагретым металлом.
Разборная конструкция внешнего герметичного корпуса обеспечивает удобство сборки и технического обслуживания электрического нагревателя. Форма крышек выбирается исходя из необходимости получения максимальной прочности конструкции внешнего корпуса.
Выполнение на внешнем герметичном корпусе каналов водяного охлаждения обеспечивает стабилизацию температуры внешнего герметичного корпуса на низком уровне при длительной эксплуатации электрического нагревателя. Это необходимо, с одной стороны, для обеспечения прочности внешнего герметичного корпуса нагревателя при высоком давлении внутри него, а, с другой стороны, обеспечивает экологичность электрического нагревателя и выполнение требований техники безопасности при эксплуатации.
Сущность предлагаемого решения поясняется иллюстрацией на Фигуре.
На Фигуре схематично показана конструкция электрического нагревателя газа. Внешний герметичный корпус 1 состоит из цилиндрической части и двух крышек эллипсоидной формы. В крышках имеются патрубки 2 для подвода и отвода нагреваемого газа, а в верхней крышке также расположены охлаждаемые герметичные токовые вводы 3. При питании нагревателя от трехфазной сети используются три токовых ввода. Внешний герметичный корпус 1, включая крышки, имеет снаружи кожуха 4 с каналами водяного охлаждения. Внутри внешнего герметичного корпуса установлены негерметичные внутренние экраны 5, которые образуют внутреннюю полость 6 электрического нагревателя, предназначенную для нагрева в ней газа. Между негерметичными внутренними экранами 5 и внешним герметичным корпусом 1 установлен слой теплоизолирующего материала 7, давление в котором при работе нагревателя равно давлению во внутренней полости 6. Герметичные токовые вводы 3 с помощью электрических шин 8, проходящих через слой теплоизолирующего материала 7, подключены к негерметичным отрезкам труб 9, которые для питающей электросети являются омической нагрузкой. При питании от трехфазной сети негерметичные отрезки труб разделены на три равных по количеству группы, в каждой группе они соединены электрически последовательно, а эти группы соединены между собой в звезду. Средняя точка звезды изолирована от негерметичных внутренних экранов 5 и внешнего герметичного корпуса 1, который заземлен. Каждый из негерметичных отрезков труб 9, вставлен с зазорами в керамические изоляторы, которые в свою очередь вставлены с зазорами в отверстия несущих фланцев 10, выполненных также как отрезки труб и внутренние экраны из тугоплавкого металла.
Основным применением устройства является нагрев до высоких температур больших расходов инертного газа в замкнутом газотурбинном контуре.
Электрический нагреватель газа работает следующим образом. Патрубки устройства герметично соединяются с трубами для подвода и отвода газа. Образованный таким образом замкнутый газовый контур после откачки заполняется инертным газом до заданного давления. Водяные штуцера каналов охлаждения внешнего герметичного корпуса соединяются шлангами с коллекторами подачи и слива воды. Токовые вводы подключаются к фазам регулируемого источника трехфазного напряжения, внешний герметичный корпус заземляется. Включается водяное охлаждение внешнего герметичного корпуса нагревателя. С помощью внешнего компрессора обеспечивается заданный расход инертного газа через электрический нагреватель, затем включается регулируемый источник трехфазного электропитания электрического нагревателя. Изменяя мощность электрического нагрева и контролируя температуру и давление на входе и выходе электрического нагревателя, устройство постепенно выводят на номинальный режим работы. Темп увеличения мощности электрического нагревателя определяется необходимой циклограммой запуска газотурбинного контура. После достижения номинального режима работы электрический нагреватель газа переходит в режим стабилизации параметров газа на своем выходе за счет регулировки подводимой электрической мощности.
Пример конкретного выполнения:
Электрический нагреватель инертного газа мощностью 1 МВт и рассчитанный на рабочее давление до 4 МПа рассчитан на работу при расходах инертного газа (аргон, гелий-ксеноновая смесь) до 4 кг/с, нагревая поток газа с 1000 К до 1500 К. Такой электрический нагреватель имеет длину по потоку газа около 2400 мм, диаметр его внешнего герметичного корпуса составляет около 600 мм. Охлаждение внешнего герметичного корпуса стабилизирует его температуру на уровне не превышающем 100°С и гарантирует его прочность. Объем внутри внешнего герметичного корпуса составляет 430 литров, из них объем газовой полости (полости негерметичных внутренних экранов) составляет 154 литра. Внутри негерметичных экранов располагаются 54 негерметичных отрезка труб, они выполнены из ниобия и имеют длину 1500 мм. Группами по 18 элементов негерметичные отрезки труб соединены в звезду и подключены к регулируемому источнику трехфазного напряжения, который является стандартным изделием. На номинальном режиме работы перепад давлений нагреваемого газа между входом и выходом электрического нагревателя не превышает 0,12 МПа.
1. Электрический нагреватель газа, включающий тепловыделяющий канал, размещенный внутри корпуса с теплоизолирующим материалом, отличающийся тем, что тепловыделяющий канал выполнен в виде негерметичных отрезков труб, которые установлены параллельно с зазорами в керамических изоляторах и электрически соединены последовательно в каждой фазе электрической сети, а теплоизолирующий материал размещен в полости, образованной негерметичными внутренними экранами и герметичным внешним корпусом, при этом негерметичные отрезки труб и внутренние экраны изготовлены из тугоплавкого металла, а на герметичном внешнем корпусе расположены каналы охлаждения.
2. Электрический нагреватель газа по п.1, отличающийся тем, что негерметичные отрезки труб установлены с помощью двух или более несущих фланцев, закрепленных внутри негерметичных внутренних экранов.
3. Электрический нагреватель газа по п.1, отличающийся тем, что в качестве тугоплавкого металла используют ниобий или молибден или их сплавы.
4. Электрический нагреватель газа по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоизолирующего материала использован минеральный волокнистый материал.
5. Электрический нагреватель газа по п.1, отличающийся тем, что герметичный внешний корпус выполнен разборным и состоящим из цилиндрической части и двух крышек эллипсоидной формы, в которых расположены патрубки для подвода и отвода газа, а в одной из этих крышек расположены герметичные охлаждаемые токовводы, соединенные электрическими шинами с отрезками труб.
6. Электрический нагреватель газа по п.1, отличающийся тем, что между теплоизолирующим материалом и внутренними экранами размещены слои фольги из тугоплавкого металла с зазором относительно друг друга.
