Водоохлаждаемый кабель
Владельцы патента RU 2333560:
Седых Анатолий Васильевич (RU)
Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к кабельной технике, а именно к конструкциям водоохлаждаемых кабелей, используемых в качестве гибких токоподводов мощных электропечей. Задачей изобретения является повышение надежности и работоспособности водоохлаждаемого кабеля, улучшение циркуляции охлаждающей воды, увеличение скорости теплопередачи от элементов кабеля к рабочей жидкости, ускорение процесса перемешивания нагретой и холодной воды, однородности по температуре воды и снижение энергозатрат. Водоохлаждаемый кабель, содержащий наружный рукав и полый сердечник, в кольцевом пространстве между которыми располагаются скрученные вокруг сердечника провода, а сердечник имеет перфорацию в виде отверстий, отличается тем, что отверстия расположены по всей поверхности сердечника по линиям, расположенным между проводами и эквидистантно им. Такие линии являются цилиндрическими винтовыми линиями. Для гарантированного попадания отверстий в пространство между проводами число винтовых линий (заходов) не должно быть равно числу проводов, а отличаться в большую или меньшую сторону. Отверстия целесообразно располагать вдоль винтовых линий на расстоянии от трех до пяти диаметров. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к кабельной технике, а именно к конструкциям водоохлаждаемых кабелей, используемых в качестве гибких токоподводов мощных электропечей.
Известен (см., например, патент US 3551581, Н01В 7/34, 29.12.1970) водоохлаждаемый электрический кабель, включающий наружный рукав и полый сердечник, в кольцевом пространстве между которыми располагаются скрученные вокруг сердечника провода, а сердечник имеет перфорацию в виде отверстий, расположенных рядами вдоль образующих на некоторых участках сердечника, при этом число рядов отверстий вдвое превышает число проводов. Такая конструкция кабеля имеет затруднения в циркуляции воды, вызванные тем, что около 50% отверстий упираются в провода, что снижает скорость теплопередачи от проводов к охлаждающей жидкости, требует больших энергозатрат и в конечном итоге сказывается на снижении надежности работы кабеля.
Наиболее близкой конструкцией, принятой за прототип, является конструкция, описанная в изобретении «Желобковая сердцевина» - патент US 3604831, Н01В 7/34, 1971-09-14. Эта конструкция включает в себя наружный рукав и полый сердечник, в кольцевом пространстве между которыми располагаются скрученные вокруг сердечника провода, а сердечник имеет перфорацию в виде отверстий, расположенных рядами вдоль образующих на некоторых участках сердечника, при этом число рядов отверстий в 1,5 раза превышает число проводов, отверстия в рядах расположены в шахматном порядке. Такая конструкция кабеля также имеет затруднения в циркуляции воды, вызванные тем, что около 25% отверстий упираются в провода, что снижает скорость теплопередачи от проводов к охлаждающей жидкости, требует больших энергозатрат и в конечном итоге сказывается на снижении надежности работы кабеля.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и работоспособности водоохлаждаемого кабеля, улучшение циркуляции охлаждающей воды, увеличение скорости теплопередачи от элементов кабеля к рабочей жидкости, ускорение процесса перемешивания нагретой и холодной воды, однородности по температуре воды и снижение энергозатрат.
Поставленная цель достигается тем, что известный водоохлаждаемый кабель, содержащий наружный рукав и полый сердечник, в кольцевом пространстве между которыми располагаются скрученные вокруг сердечника провода, а сердечник имеет перфорацию в виде отверстий, отличается тем, что отверстия расположены по всей поверхности сердечника по линиям, расположенным между проводами и эквидистантно им. Такие линии являются цилиндрическими винтовыми линиями. Для гарантированного попадания отверстий в пространство между проводами число винтовых линий (заходов) не должно быть равно числу проводов, а отличаться в большую или меньшую сторону. Отверстия целесообразно располагать вдоль винтовых линий на расстоянии «l», равном величине от трех до пяти диаметров отверстий друг от друга. Технический результат будет достигаться за счет гарантированного расположения подавляющего большинства или всех отверстий в пространстве между проводами.
На фиг.1 показано поперечное сечение кабеля, на фиг.2 - схема расположения проводов и отверстий, на фиг.3 показаны параметры винтовой линии. Позициями обозначены следующие элементы конструкции: 1 - наружный рукав, 2 - полый сердечник, 3 - провода, образующие кабель, 4 - отверстия в полом сердечнике.
Заявляемый водоохлаждаемый кабель состоит из полого сердечника 2, на который по винтовым линиям установлены провода 3, по всей поверхности сердечника 2 выполнены сквозные отверстия 4, расположенные таким образом, что они попадают в пространство между проводами 3. Поверх проводов установлен наружный рукав 1. На фиг.1 показано взаимное расположение отверстий и проводов для самого неблагоприятного случая - совпадения линии расположения отверстий с одним из проводов, при этом число проводов (12) на единицу больше числа заходов винтовой линии расположения отверстий (11). На фиг.2 для наглядности расположения отверстий эквидистантно расположению проводов показано только 2 провода.
Цилиндрическую винтовую линию расположения отверстий «L» можно рассматривать (фиг.3) как траекторию движения точки, равномерно вращающейся вокруг оси и одновременно равномерно перемещающейся в направлении этой оси. Как известно, винтовая линия однозначно определяется своей осью i, шагом Р и радиусом R. Величину Р перемещения точки в направлении оси, соответствующего одному полному обороту вокруг оси, называют шагом винтовой линии. Описываемая при этом точкой дуга называется витком. Радиус R цилиндрической поверхности, описываемой прямой m вращением вокруг оси i (i параллельно m), называется радиусом винтовой линии. Угол α, составленный касательной t к винтовой линии с плоскостью, перпендикулярной оси i, постоянен для любой ее точки и называется углом подъема винтовой линии. Винтовые линии, имеющие разный радиус, будут эквидистантны в случае равенства углов подъема винтовой линии.
Расположение отверстий по винтовой линии с малым углом подъема не соответствует расположению пустот между проводами, то есть большая часть отверстий будет упираться в провод. Расположение отверстий по винтовой линии с большим углом подъема малоэффективно из-за малого количества отверстий. Только расположение отверстий по винтовым линиям с углом подъема, равным углу подъема линии центров проводов, обеспечивает попадание большинства отверстий в пространство между проводами. Для увеличения эффективности работы системы отверстий целесообразно располагать отверстия по нескольким винтовым линиям, то есть многозаходной винтовой линии, при этом количество заходов не должно соответствовать количеству скручиваемых проводов. В случае, когда число заходов винтовой линии расположения отверстий будет отличаться от числа проводов незначительно, число отверстий, упирающихся в провод, будет колебаться от нуля до 8-10% (в зависимости от числа проводов) от их общего количества.
Устройство работает следующим образом.
При подаче давления вода через каналы наконечника (не показаны) поступает в центральное отверстие центрального сердечника кабеля и охлаждает поверхность проводов, прилежащую к поверхности центрального сердечника. При заполнении полости сердечника вода нагнетается через отверстия в полость кольцевого пространства между наружным рукавом и центральным сердечником - месту расположения витков составляющих кабель проводов. При этом вследствие расположения отверстий по винтовым линиям, эквидистантным проводам, обеспечивается обтекание всей поверхности провода. Касательная составляющая силы струи, выходящей из отверстий, расположенных по винтовой линии, способствует более интенсивному перемешиванию во всем кольцевом пространстве и увеличению теплопередачи. Хладоагент под действием осевой составляющей скорости перемещается в межоболочечном пространстве к другому наконечнику и через каналы выходит. Вследствие выполнения отверстий по многозаходной винтовой линии давление воды в кольцевом пространстве расположения витков поддерживается одинаковым с давлением в центральном отверстии. При этом обеспечивается наряду с перемещением потока по оси кабеля и его одновременное тангенциальное перемещение и вращение в поперечном направлении. Такое перемещение водяных масс интенсифицирует процесс тепло- и массообмена и способствует повышению скорости теплопередачи.
Выполнение отверстий по многозаходной винтовой линии позволяет снизить перепад давлений с разных сторон полого сердечника, что способствует увеличению срока службы кабеля.
Турбулентный режим движения воды в кольцевом пространстве между наружным рукавом и полым сердечником интенсифицируют тепло- и массообмен без изменения давления в разных полостях кабеля.
1. Водоохлаждаемый кабель, включающий наружный рукав, полый сердечник, перфорированный отверстиями, и навитые на сердечник провода, отличающийся тем, что сквозные отверстия расположены по всей поверхности полого сердечника по винтовой линии, располагающейся между проводами и эквидистантно им.
2. Водоохлаждаемый кабель по п.1, отличающийся тем, что отверстия полого сердечника расположены на расстоянии 3d-5d вдоль винтовой линии, где d - диаметр отверстия.
3. Водоохлаждаемый кабель по п.1, отличающийся тем, что отверстия полого сердечника расположены по многозаходной винтовой линии, при этом число заходов на единицу меньше или больше числа скручиваемых проводов, составляющих кабель.
