Установка для нагрева ультрачистых сред

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в пищевой, медицинской и полупроводниковой промышленности, где требуется нагрев особо чистых и агрессивных сред. Установка для нагрева ультрачистых сред содержит корпус, в котором размещены блок пленочных электронагревательных элементов с токоподводами, соединенных герметичными узлами со штуцерами входного и выходного коллекторов, бак-смеситель нагретой воды, снабженный термопарой, и систему управления работой установки в виде прибора-регулятора температуры, блока управления семисторами, блока семисторов и реле, связанного с датчиком потока, установленным на входном трубопроводе подачи жидкой среды для нагрева. Все основные конструктивные элементы установки изготовлены из химически стойких материалов. Установка предназначена для применения в отраслях, где требуется использование ультрачистых жидких сред таких как, например дистиллированная вода или вода, полученная после обратноосматической обработки. Коэффициент полезного действия пленочных элекронагревателей составляет 90-95%.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована, в частности для нагрева ультрачистых и агрессивных сред.

Известно устройство для электронагрева протекающей среды, содержащее корпус в виде цилиндра с двойными стенами, между которыми образован вакуум, с нанесенной на внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса токопроводящей пленкой с токоподводами и элементы для ввода и вывода нагревающей среды (Авторское свидетельство 188601, Кл. 21h6, 1966 г.).

Однако это устройство не обеспечивает равномерного нагрева объема протекающей среды из-за отсутствия турбулентности потока и малой площади нагрева корпуса. Кроме того, наличие в устройстве вакуума усложняет его конструкцию. И в целом эти недостатки обуславливают низкий КПД и невысокую производительность устройства.

Известно также и устройство для нагрева проточной жидкости, которое содержит корпус с размещенным в нем блоком электронагревателей с нанесенным на их поверхность покрытием, пропускающим электрический ток.

Электронагреватели имеют цилиндрическую форму и снабжены токоподводами для подачи на них напряжения.

Подача жидкости в электронагреватели осуществляется через входное кольцо, затем она контактируя с внешней и внутренней поверхностью нагревательных элементов блока нагревается до заданной температуры после чего поступает через второе выходное кольцо на потребление. (Авторское свидетельство №843314 Н05В 3/06. Опубликовано 30.06.81 г. Бюллетень №24).

Однако и это устройство не лишено недостатков. Во-первых, оно имеет низкий КПД нагрева, потому что цилиндрическая форма нагревательных элементов обеспечивает в основном ламинарный проток жидкости или газов, в результате чего из-за низкого коэффициента теплопередачи отбор тепла от их нагревающей поверхности проходит неравномерно, в частности отбор тепла слабее к центру, что снижает в целом эффективность работы устройства. Во-вторых, толстый слой элетроизолирующего материала также не способствует полноценному отбору тепла жидкостью, протекающей через нагревательные элементы. И в третьих, устройство не предназначено для нагревания особо чистых сред, поскольку его конструктивные элементы выполнены из материалов, вносящих примеси в нагреваемую протекающую жидкость.

Решить задачу по устранению этих недостатков стало возможным за счет создания новой установки с иным принципом нагрева и передачи тепла нагреваемой ультрачистой жидкости.

Технические результаты полезной модели: повышение КПД ее работы и возможность обеспечения нагрева особо чистых сред,

применяемых, в частности, в медицине и полупроводниковой промышленности достигается тем, что установка содержат корпус с размещенным в нем блоком пленочных электронагревательных элементов, соединенных герметичным узлом с входным и выходным коллекторами. Входной коллектор соединен с трубопроводом подачи жидкости для нагрева, на котором установлен датчик потока среды, а выходной - подсоединен к баку-смесителю нагретых жидкости и газов, который снабжен термопарой, электрически соединенной своим выходом с входом прибора-регулятора температуры, выходом, связанным с входом блока управления семисторами. Блок управления семисторами выходом подключен к первому входу блока семисторов, выход которого подсоединен к токоподводам электронагревательных элементов, а второй вход связан с реле, соединенным с датчиком потока и включенным в электрическую сеть.

Отличительной особенностью, обеспечивающей достижение технического результата является то, что изоляционный корпус каждого электронагревательного элемента выполнен в виде комбинации последовательно связанных между собой кольцевыми перемычками равных объемов переменного сечения, преимущественно шаровой формы, на наружную поверхность которых нанесена методом напыления токопроводящая пленка. Указанная пленка выполнена из материала, включающего, как оптимальный состав двуокись олова, сурьму и бор в следующем соотношении, вес, %:

В целом же токопроводящая пленка может быть получена другим методом и с использованием любого другого известного состава материалов, предназначенных для этих целей.

Изготовление изоляционного корпуса электронагревателя из кварцевого стекла входного и выходного коллекторов из полипропилена, а бака-смесителя нагретой воды с двумя стенками из пропилена и нержавеющей стали также направлены на достижение технического результата, а именно на обеспечение возможности нагрева ультрачистой воды.

Сопоставительный анализ заявляемой установки для нагрева ультрачистых сред с аналогами и другими техническими решениями в данной области техники позволяет сделать вывод, что изложенная совокупность признаков неизвестна из существующего уровня техники и, следовательно удовлетворяет критерию охраноспособности «Новизна».

Изготовление и проведение испытаний опытного образца показали его работоспособность и подтвердили получение технического результата, что соответствует критерию полезной модели «промышленная применимость».

Полезная модель иллюстрирована чертежами, где на фиг.1 показана схема общего вида установки, а на фиг.2 изображен вид узла соединения нагревательного элемента с штуцером коллектора.

Установка для нагрева ультрачистых сред содержит корпус 1, блок нагревательных элементов 2, соединенных герметичными узлами 3 со штуцерами входных и выходных коллекторов 4 и 5, при этом входной коллектор 4 соединен с трубопроводом 6 подачи жидкости или газов для нагрева, на котором установлен датчик потока 7, а выходной коллектор 5 подсоединен трубопроводом 8 к баку-смесителю 9 нагретой среды, в котором установлена термопара 10, электрически соединенная с прибором 11 - регулятором температуры, связанным через блок управления семисторами 12 с блоком семистров 13.

Установленный на входном трубопроводе 6 датчик потока 7 электрически подключен к реле 17, которое включено непосредственно в сеть напряжением 380/220 вольт.

Причем датчик потока 7 настроен таким образом, что при протоке жидкости по трубопроводу 6 более 20 л/час, он через реле 17 включает установку в работу, подавая на токопроводящую пленку 15 электрический ток. Если же поток жидкой среды будет меньше 20 л/час, то для сохранения токопроводящей пленки 15 от перегорания, установка автоматически отключается.

Электронагревательные элементы 2 могут быть выполнены в виде полых стеклянных трехшаровых колб 14 или цилиндрической формы, на наружную поверхность которых нанесена методом напыления токопроводящая пленка 15, на которой образованы серебряные токопроводящие шинки 16 и закреплены токопроводы 18.

При наличии нагревательных элементов 2 цилиндрической формы на их поверхность наносятся три отдельных зоны токопроводящей пленки 15 с подводом к ним электроэнергии.

В случае же нагрева ультрачистых газов или дисперсных сред внутренний объем пленочных нагревательных элементов заполняются стеклянными шариками 2-10 мм для увеличения теплоотдачи.

Герметичный узел 3 надежно с помощью эластичной муфты 19 соединяет колбу 14 со штуцером 20 коллекторов 4 и 5.

Для исключения загрязнения ультрачистой среды корпус электронагревателей 2 может быть выполнен из стекла, а для применения нагревания в медицинской и полупроводниковой промышленностях только из кварцевого стекла.

Для этой же цели коллектора 4 и 5 изготавливаются из полипропилена, или фторопласта, или других химически стойких материалов. Внутренняя стенка 21 бака-смесителя 9 также выполнена из химически стойкого материала, а внешняя стенка 22 изготовлена из нержавеющей стали, что позволяет значительное время сохранять заданный уровень температуры жидкой нагретой среды.

Конкретное количество электронагревательных элементов в установке зависит от объема нагреваемой среды в единицу времени, т.е. чем больше объем пропускаемой воды, тем больше количество их должно быть использовано, в частности для нагрева

400 л/час жидкой среды потребное количество электронагревателей составит 9 штук.

Установка для нагрева ультрачистых сред работает следующим образом.

Ультрачистая жидкая среда поступает по трубопроводу 6 через датчик протока 7 в нижний коллектор 4 и далее в электронагревательные элементы 2. При достижении скорости потока жидкости в 20 л/час датчик протока 7 включает через реле 17 установку в сеть, т.е. подает на токопроводящую пленку 15 через токопроводы 18 и серебряные шинки 16 электрический ток, осуществляя таким образом разогрев электронагревательного элемента 2 и протекающую через него жидкость. Жидкая среда, проходя через электронагревательный элемент 2 нагревается до температуры 85-90°С и через выходной коллектор 5 - трубопровод 8 поступает в бак-смеситель 9, из которого она в заданном количестве и температуре идет на технологическое потребление.

Двойные стенки 21 и 22 бака-смесителя 9 позволяют поддерживать постоянную температуру среды, не допуская значительной потери тепла. В случае нарушения температурного режима, находящаяся в баке-смесителе 9 термопара 10 подает сигнал в прибор 11 - регулятор температуры, который через блок 12 управления семисторами и блок семисторов 13 меняет в зависимости от величины сигнала силу тока на токопроводящей пленке, обеспечивая таким образом заданное технологическое постоянство температуры нагреваемой среды.

Предлагаемая установка при эксплуатации не вносит загрязнений в нагреваемую ультрачистую среду, так как ее основные составляющие конструктивные узлы и детали выполнены из химически стойких материалов таких как кварцевое стекло, полипропилен, фторопласт, что позволяет ее использовать в пищевой промышленности, например при пастерилизации соков вина, молока, в электронной отрасли в технологическом процессе изготовления интегральных схем и других изделий аналогичного назначения.

Конструктивное исполнение установки, при котором используется принцип пленочного электронагрева, позволяет обеспечивать достижения коэффициента полезного действия в пределах 90-95%.

1. Установка дня нагрева ультрачистых сред, характеризующаяся тем, что она содержит корпус с размещенными в нем блоком пленочных электронагревательных элементов с токопроводами, соединенных герметичными узлами со штуцерами входного и выходного коллекторов, при этом входной коллектор соединен с трубопроводом подачи жидкости для нагрева, на котором установлен датчик потока поступающей среды, а выходной подсоединен к баку-смесителю нагретой среды, который снабжен термопарой электрически соединенной с прибором-регулятором температуры, своим выходом связанный с входом блока управления семисторами, подключенного к первому входу блока семисторов, выход которого подсоединен к токопроводам электронагревательных элементов, а его второй вход связан с реле, соединенным с датчиком потока и включенным в электрическую цепь.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что изоляционный корпус каждого электронагревательного элемента выполнен в виде комбинации последовательно связанных между собой кольцевыми перемычками равных объемов переменного сечения, преимущественно шаров, на наружную поверхность которых нанесена методом напыления токопроводящая пленка.

3. Установка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что токопроводящая пленка выполнена из материала, включающего например, двуокись олова, сурьму и бор в следующем соотношении, вес, %:

4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что изоляционный корпус электронагревателя выполнен из кварцевого стекла.

5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что входной и выходной коллектора выполнены из полипропилена или фторопласта.

6. Установка по п.2, отличающаяся тем, что бак-смеситель выполнен с двойными стенками, в частности наружная - из нержавеющей стали, внутренняя - из полипропилена.

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в случае нагрева ультрачистых газов или дисперсных сред внутренний объем пленочных нагревательных элементов заполняются стеклянными шариками 2-10 мм для увеличения теплоотдачи.