ИНДУКЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК F24H1/00 H05B6/10 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для нагрева жидкости.

Известны электронагреватели жидкости, основанные на нагреве воды при непосредственном протекании через нее электрического тока, в которых возможен электронагрев воды с одновременным частичным электролизом. Основным недостатком таких электроводонагревателей является низкий уровень электробезопасности, так как нагреваемая вода в них находится под напряжением сети.

Известны элекронагреватели жидкости, в том числе проточной, нагрев жидкости в которых происходит с помощью резистивных трубчатых электронагревателей (ТЭНов) различной формы. В этих электронагревателях не исключен непосредственный контакт нагреваемой жидкости с резистором, находящимся под напряжением сети, при появлении трещин в наружной оболочке ТЭНов или его частичном разрушении при предшествующей работе без жидкости. В последнем случае необходимо применение специального контролирующего устройства, исключающего аварийные режимы электронагревателей при отсутствии в них жидкости. Кроме того, в электронагревателях жидкости на основе ТЭНов затруднена теплопередача к нагреваемой жидкости от раскаленного резистора через теплоизоляцию и наружную оболочку ТЭНа, в результате чего невысок КПД преобразования электрической энергии в тепловую, понижающийся по мере эксплуатации электронагревателя жидкости из-за образования на оболочке ТЭНа накипи. В этих нагревателях нельзя организовать полезный электролиз и омагничивание нагреваемой воды, частично снижающие образование накипи.

Для нагрева и одновременного омагничивания жидкости или воды можно использовать постоянный магнит, в частности, расположенный в зоне электронагревательных элементов, однако это не снимает указанных выше других недостатков электронагревателей жидкости с использованием ТЭНов.

Известны индукционные электронагреватели жидкости, в которых нагрев происходит в ферромагнитных сплошных трубах, образующих магнитопровод различной конфигурации, на которых намотана первичная обмотка возбуждения, подключаемая к сети. В этих нагревателях исключен непосредственный контакт нагреваемой жидкости с проводниками первичной обмотки, подключаемой к сети. Однако при пробое изоляции этой обмотки на магнитопроводе может появиться электрическое напряжение сети и, следовательно, под этим напряжением оказывается нагреваемая жидкость, в частности вода, что ограничивает электробезопасность таких электронагревателей. К недостаткам последних относятся также повышенная металлоемкость трубчатого магнитопровода, обеспечивающего нагрев находящейся в нем жидкости только за счет греющих потерь от гистерезиса и вихревых токов в его ферромагнитном теле с большим удельным электрическим сопротивлением и пониженный коэффициент полезного преобразования электрической энергии в тепловую, непосредственно участвующую в нагреве жидкости, из-за рассеивания тепла с внешней поверхности трубчатого магнитопровода. Эффективность электронагрева жидкости в таких нагревателях, например воды, снижается по мере их эксплуатации из-за образования накипи на внутренних стенках трубчатого магнитопровода, а удаление этой накипи существенно затруднено. Кроме того, в этих нагревателях нельзя реализовать электролиз нагреваемой жидкости, в частности воды, и затруднено ее омагничивание, частично противодействующее образованию накипи.

Известен также индукционный электронагреватель жидкости, представляющий собой трансформатор (в основном с шихтованным) сердечником, вторичная обмотка которого выполнена в виде короткозамкнутого змеевика из проводящих трубок, в которых находится жидкость, нагревая за счет греющих потерь от токов короткого замыкания вторичной обмотки.

Указанный индукционный электронагреватель жидкости обладает достаточно высокой электробезопасностью, так как между проводниками первичной обмотки, находящейся под потенциалом сети, и вторичной КЗ обмоткой трансформатора, соединенной с наполненными жидкостью трубками, имеется по меньшей мере два слоя электрической изоляции. Однако в этом электронагревателе жидкости ограничен коэффициент полезного преобразования электроэнергии в тепловую, передаваемую непосредственно жидкости от внутренних стенок трубок в короткозамкнутой вторичной обмотке из-за теплового рассеивания с внешней поверхности этой обмотки.

Известен также индукционный электронагреватель жидкости, являющийся прототипом, содержащий трансформатор с шихтованным сердечником, первичной обмоткой, намотанной на сердечник и подключаемой к сети, и вторичной обмоткой, индукционно связанной через сердечник с первичной обмоткой и представляющей собой короткозамкнутый проводящий массив с трубками, в которых находится жидкость, нагреваемая за счет греющих потерь от токов короткого замыкания вторичной обмотки.

Этот электронагреватель жидкости имеет ограниченную скорость нагрева из-за теплового рассеивания с внешней поверхности трубок вторичной обмотки трансформатора и сравнительно малой площади нагрева в результате ограниченной поверхности непосредственного соприкосновения внутренних стенок трубок с нагреваемой жидкостью. Снижается долговечность электронагревателя из-за сложности очистки внутренних стенок трубок от накипи, также из-за невозможности выполнения одновременно с нагревом полезного управляемого электролиза и омагничивания жидкости, снижающего накипеобразование, это связано с тем, что внутри трубок в греющем массиве, по которым протекает нагреваемая жидкость, магнитное поле отсутствует. Происходит тепловое излучение в окружающую среду с внешней поверхности нагревателя жидкости, что приводит к некоторому снижению КПД. Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о целесообразности создания электронагревателей жидкости с более высокими скоростью нагрева жидкости, КПД и долговечностью.

Это достигается в индукционном электрическом нагревателе жидкости, содержащем трансформатор с шихтованным сердечником, первичной изолированной обмоткой, намотанной на сердечник и подключаемой к сети, и вторичной обмоткой, индукционно связанной через сердечник с первичной обмоткой, снабженном резервуаром из непроводящего материала, имеющим по крайней мере по одному входному и выходному патрубку для подвода и отвода нагреваемой жидкости и охватывающим сердечник трансформатора, вторичная обмотка которого расположена внутри резервуара и выполнена из проводящей ленты (однородной или биметаллической) в виде замкнутой спирали, имеющей промежутки между витками ленты для заполнения нагреваемой жидкостью.

В предложенном нагревателе жидкости в боковых стенках диэлектрического резервуара может быть выполнена электрически незамкнутая вокруг сердечника ферромагнитная арматура.

Также в предложенном нагревателе жидкости лента в виде замкнутой спирали может иметь по крайней мере одностороннее электропроводящее ионообразующее покрытие.

На чертеже представлена принципиальная схема конструкции предлагаемого индукционного электронагревателя жидкости, например воды.

Электронагреватель содержит встроенный трансформатор с первичной обмоткой 1, подключаемой к сети и намотанной на шихтованный сердечник 2, например, состоящий из двух частей Г-образной формы для удобства сборки. Резервуар 3 из изоляционного материала с центральным сквозным отверстием, расположенный на этом же шихтованном магнитопроводе 2, имеет входные 4 и выходные 5 патрубки (по крайней мере по одному) для подвода и отвода жидкости. Внутри резервуара размещена вторичная обмотка трансформатора в виде многовитковой спиральной ленты 6 из электропроводящего материала, замкнутой накоротко с помощью, например, перемычки 7 и имеющей фиксированные межвитковые промежутки 8, заполняемые нагреваемой жидкой средой.

В приведенной на чертеже конструкции предлагаемого электроводонагревателя может быть выполнена электрически не замкнутая вокруг сердечника ферромагнитная арматура 9 боковых (вертикальных) стенок резервуара 3 и короткозамкнутая спираль 6 вторичной обмотки выполнена с ионообразующим проводящим покрытием 10 мм из биметаллической ленты.

Принцип действия предлагаемого индукционного электронагревателя жидкости (в частности, воды) в следующем. При подключении первичной обмотки 1 к электрической сети переменного тока в магнитопроводе 2 соответственно возникает переменный магнитный поток и создает в многовитковой спиральной ленте 6, замкнутый через перемычку 7, значительный по величине (измеряемый сотнями ампер) ток короткого замыкания, вызывающий соответствующий нагрев спиральной ленты (пропорциональный квадрату тока).

Благодаря существенно развитой двусторонней поверхности греющей спиральной ленты 6, непосредственно соприкасающейся с нагреваемой жидкой средой (в частности, водой), повышается эффективность контактной теплопередачи между греющей спиралью и жидкой средой, что способствует снижению тепловой инерционности предлагаемого устройства. Кроме того, межвитковое электрическое напряжение в каждом фиксированном промежутке 8 между ленточными витками при наличии в них нагреваемой жидкости (например, воды) создает в ней ток и соответствующий дополнительный электродный нагрев этой жидкости, что также способствует снижению тепловой инерции, а значит, скорости нагрева жидкости.

Вокруг витков спирали 6, обтекаемых индукционным током короткого замыкания вторичной обмотки, создается достаточно сильное переменное магнитное поле рассеяния, которое тем сильнее, чем больше ток в спирали 6 и чем выше степень насыщения магнитопровода 2 трансформатора. Нагреваемая проточная жидкость пересекает это поле, в результате чего происходит ее омагничивание, которым можно управлять, изменяя напряжение первичной обмотки 1 трансформатора. Омагничивание нагреваемой жидкости переменным электромагнитным полем, обусловленным индукционным током вторичной цепи, снижает степень отложения твердых веществ (накипи) на поверхности теплообмена и приводит к увеличению долговечности предлагаемого электронагревателя жидкости.

Магнитное поле рассеяния вокруг витков спирали 6 может быть частично усилено (без изменения величины вторичного тока в греющей спирали) при использовании ферромагнитной электрически незамкнутой вокруг сердечника арматуры 9, уменьшающей магнитное сопротивление для потоков рассеяния.

Под влиянием межвиткового электрического напряжения в жидкой среде (в частности, воде), находящейся в промежутках 8 ленточной спирали, возникает электролиз, интенсивность которого тем выше, чем больше разность потенциалов между витками спирали и чем меньше ширина межэлектродного промежутка 8.

В результате этого электролиза в нагреваемой воде появляются полезные микроэлементы, в частности, при выполнении ленточной спирали из меди в воде повышается содержание медьсодержащих микроэлементов. При выполнении греющей спирали из биметаллической ленты или со специальным ионообразующим покрытием 10 (например, серебряным) можно обеспечить различное содержание полезных микроэлементов в нагреваемой воде и расширить ее полезные свойства (например, при серебряном покрытии 10 придать этой воде бактерицидные свойства) одновременно с нагревом и омагничиванием.

Технический эффект предлагаемого индукционного электронагревателя жидкости при сохранении достаточно высокого уровня и пожаробезопасности последнего состоит в следующем:
обеспечивается существенное повышение скорости электронагрева жидкости за счет расширения поверхности контактного электронагрева жидкости, соприкасающейся с двусторонней поверхностью греющей ленточной спирали 6, а также за счет некоторого дополнительного нагрева жидкости при протекании по ней токов под влиянием межвиткового напряжения;
повышается коэффициент полезного преобразования электроэнергии в тепловую за счет сокращения времени ввода электронагревателя в номинальный режим и вывода из него (времени разогрева и особенно практически бесполезного времени остывания), а также сокращения потерь тепла, расходуемого на нагрев окружающей среды за счет отсутствия контактной поверхности между окружающей (воздушной) средой и греющей спиральной лентой;
обеспечивается одновременно с нагревом омагничивание жидкости (в частности, воды, в результате чего существенно снижается интенсивность накипеобразования и, следовательно, повышается долговечность предлагаемого электронагревателя) за счет магнитного поля рассеяния в зоне входа и выхода нагреваемой жидкости в промежутки 8 греющей ленточной спирали. Также обеспечивается возможность обогащения нагреваемых воды или водных растворов металлосодержащими микроэлементами (в т.ч. обладающими лечебными свойствами), состав которых определяется физико-химическими свойствами ионообразующего покрытия 10 на ленточной спирали 6, а интенсивность их образования- напряженностью электрического поля в межвитковых промежутках 8.

Использование: для нагрева жидкости. Сущность изобретения: индукционный электрический нагреватель жидкости содержит трансформатор с первичной обмоткой 1, намотанной на шихтованный сердечник 2, вторичную обмотку, выполненную из электропроводящей ленты 6 в виде замкнутой спирали, имеющей промежутки между витками для заполнения нагреваемой жидкостью, и резервуар 3 из диэлектрического материала, имеющий по крайней мере по одному входному 4 и выходному 5 патрубку для подвода и отвода нагреваемой жидкости и охватывающий сердечник 2 трансформатора. Вторичная обмотка 6 индукционно связана через сердечник с первичной обмоткой 1 и расположена внутри резервуара 3. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ИНДУКЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ, содержащий трансформатор с шихтованным сердечником, на который намотана первичная обмотка, подключенная к сети и индуктивно связанная с вторичной обмоткой, отличающийся тем, что он снабжен резервуаром, имеющим по крайне мере один входной и один выходной патрубки для подвода и отвода нагреваемой жидкости, выполненным из диэлектрического материала и охватывающим сердечник трансформатора, вторичная обмотка которого расположена в резервуаре и выполнена из электропроводной ленты в виде замкнутой спирали, имеющей между витками зазоры, заполненные нагреваемой жидкостью. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен электрически не замкнутой вокруг сердечника ферромагнитной арматурой, размещенной в боковых стенках резервуара. 3. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что лента вторичной обмотки выполнена по крайней мере с односторонним электропроводящим ионообразующим покрытием.