ИНДУКЦИОННОЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК H05B6/10 F24H1/22 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для нагрева жидкости, в частности для электроотопления и горячего водоснабжения.

Индукционные нагреватели жидкости известны давно, например "сосуд, который использует для индукционного нагрева жидкости железный сердечник трансформатора" (патент Германии N 329131, кл. 21 Н, группа 3 с приоритетом от 22 января 1918 г.), не получивший практического применения из-за большой удельной материалоемкости и низких энергетических показателей (КПД преобразования электроэнергии в тепловую и коэффициента мощности cosΦ).

Однако неоспоримые преимущества низкочастотных (50 60 Гц) индукционных нагревателей жидкости применительно к современным требованиям электробезопасности и пожаробезопасности в сравнении с нагревателями резисторного типа (ТЭНовых) и электродных (для воды) обусловили повышенный интерес к новым конструкциям индукционных нагревателей. К ним относятся известные современные индукционные нагреватели жидкости погружного типа, в том числе индукционный нагреватель жидкости (патент России N 2002383, кл. Н 05 В 6/10), содержащий герметичный корпус цилиндрической формы, к внутренней поверхности наружной стенки которого прилегает индукционная обмотка, в полости последней размещен магнитопровод, при этом внутренний диаметр наружной стенки корпуса нагревателя составляет более 1/3 его высоты, а толщина этой стенки не превышает половины глубины проникновения переменного электромагнитного поля в материал корпуса (на частоте питающей сети).

К недостаткам этого индукционного нагревателя погружного типа относятся:
ограниченные условия эксплуатации: необходим внешний объем для нагреваемой жидкости, требуются дополнительные устройства (или усилия) для манипулирования погружным нагревателем сравнительно большой массы в этом объеме, собственный объем нагревателя занимает сравнительно большую долю в объеме с нагреваемой жидкостью, необходимо дополнительное приспособление, исключающее случайное попадание электрического ввода в нагреваемую жидкость;
повышенная материалоемкость нагревателя на единицу мощности, особенно ферромагнитного сердечника;
недостаточные энергетические показатели, в частности коэффициент мощности (cosΦ), так как индукционный нагрев стенки корпуса происходит за счет магнитных потоков рассеивания, в том числе и при ферромагнитной тонкой стенке, поскольку она будет работать в режиме насыщения;
достаточно напряженный термический режим первичной обмотки, находящейся внутри корпуса, который будет усиливаться по мере накипеобразования и осаждения солей на поверхности греющего корпуса нагревателя; в аварийном режиме, в случае нарушения герметичности корпуса, возможно появление опасного электрического потенциала на нагреваемой воде.

Известны погружные индукционные нагреватели жидкости, обладающие улучшенными энергетическими показателями, например индукционный нагреватель жидкой среды (а.с. СССР N 1811038, кл. Н 05 6/10) и идентичный индукционный нагреватель жидкости (патент России N 2002384, кл. Н 05 В 6/10), содержащие кольцевой магнитопровод трансформатора с тороидальной первичной обмоткой, который герметично заключен в кольцеобразную камеру из электропроводящего материала, представляющую собой вторичную короткозамкнутую обмотку и выполняющую роль греющего элемента. Недостатки указанных индукционных нагревателей, кроме энергетических показателей, аналогичны указанному выше нагревателю по патенту России N 2002383, кл. Н 05 В 6/10.

Кроме того, перечисленные выше индукционные нагреватели конструктивно не позволяют использовать существующие типоразмеры традиционных трансформаторов и технологию их производства, в том числе трехфазных.

Известен индукционный электронагреватель жидкости, позволяющий использовать конструктивы и технологию изготовления традиционных трехфазных трансформаторов по заявке Франции N 2565059, кл. Н 05 В 6/10, содержащий шихтованный сердечник с первичной обмоткой, подключаемой к сети, и вторичную обмотку, выполненную в виде короткозамкнутого элемента из электропроводящих трубок, в которых находится жидкость, нагреваемая за счет греющих потерь от токов короткого замыкания вторичной обмотки.

К недостаткам этого электронагревателя относятся ограниченный коэффициент полезного преобразования электроэнергии в тепловую для нагрева жидкости из-за теплового рассеивания внешней поверхности змеевика, повышенное гидравлическое сопротивление греющих трубок змеевика, затрудняющее циркуляцию нагреваемой жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является индукционный нагреватель жидкости (патент США N 4602140, кл. Н 05 В 6/10, 219-10.51), содержащий трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником, на стержнях которого намотана первичная обмотка, подключаемая к сети переменного тока (трехфазного). Вторичная обмотка, индукционно связанная с первичной через сердечник, представляет собой систему прямых трубок из электропроводящего материала, проходящих вне стержней сердечника перпендикулярно им и параллельно виткам первичной обмотки и электрически замкнутых на концах электропроводными немагнитными пластинами. Эта система трубок, нагреваемых индуцированными в них токами (короткого замыкания), представляет собой теплообменник, в котором нагревается теплоноситель.

К недостаткам прототипа относятся:
снижение КПД преобразования электроэнергии в тепловую для нагрева жидкости из-за теплового рассеивания в окружающую среду с внешней поверхности греющих трубок (которая, в частности, равна поверхности кондуктивного нагрева жидкости, циркулирующей через них);
повышенная материалоемкость, в основном ферромагнитного сердечника, из-за увеличенных размеров межкатушечных окон, необходимых для размещения, кроме первичной обмотки, соответствующей системы греющих трубок теплообменника.

Задачей изобретения является создание индукционного нагревателя жидкости с более высоким КПД и пониженной материалоемкостью.

Это достигается тем, что в индукционном нагревателе жидкости, содержащем корпус, размещенный в нем трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником с расположенной на стержнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой, являющейся теплообменником, теплообменник выполнен в виде пустотелой камеры с нижним входным и верхним выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, в котором имеются сквозные вертикальные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлен стержень сердечника трансформатора.

Также индукционный нагреватель жидкости может быть снабжен замкнутыми контурами различной геометрии, установленными вокруг каждого сквозного канала, выполненными из электропроводящего материала.

Корпус индукционного нагревателя жидкости может быть заполнен жидким диэлектриком.

На чертеже представлен предлагаемый индукционный нагреватель жидкости, разрез.

Индукционный нагреватель жидкости содержит шихтованный многостержневой (например, трехфазный) ферромагнитный сердечник 1 трансформатора с расположенной на стержнях сердечника многофазной первичной обмоткой 2, подключаемой к сети и изолированной от стержней корпусной изоляцией 3.

Вторичная обмотка трансформатора является теплообменником и выполнена в виде пустотелой камеры 4 с нижним входным 5 и верхним выходным 6 патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, камера имеет сквозные вертикальные каналы 7 с электропроводящими стенками 8 (по количеству стержней сердечника), в каждом из которых с зазором установлены стержни сердечника 1. Между поверхностями стенок 8 и первичной обмоткой 2 с изоляцией 3 имеются воздушные промежутки.

Пустотелая камера 4 выполнена из листового материала, при этом цилиндрические электропроводящие стенки 8 сквозных каналов 7, боковая оболочка 9, нижнее 10 и верхнее 11 торцевые основания, образующие цельность и непроницаемость для нагреваемой жидкости объема камеры 4 (например, с помощью сварки), могут выполняться разной толщины и из разных материалов.

Для усиления эффективности нагревателя он может быть снабжен замкнутыми электропроводящими контурами различных размеров и формы, например в виде колец 12 и 13, установленных вокруг каждого канала 7.

При необходимости корпус 14 с соответствующими герметичными выходами для патрубков 5 и 6 может быть заполнен жидким диэлектриком.

Предлагаемый индукционный нагреватель жидкости функционирует следующим образом. После заполнения камеры 4 нагреваемой жидкостью первичная обмотка 2 подключается к сети трехфазного тока и в стержнях сердечника 1 трансформатора создаются магнитные потоки, отличающиеся по фазе на 120 электрических градусов. Под воздействием этих потоков (переменных во времени) в стенках 8 фазных каналов 7 индуцируются достаточно большие токи (измеряемые килоамперами). Пропорционально квадрату этих токов в стенках 8 выделяется основная тепловая энергия, греющая жидкость в камере 4. В нижнем 10 и верхнем 11 торцевых основаниях камеры 4 индуцируется система вторичных токов, вызывающая дополнительное тепловыделение в электропроводящем материале торцевых оснований 10 и 11 и соответствующий подогрев (снизу и сверху) жидкости в камере 4.

Для интенсификации индукционного нагрева жидкостей в предлагаемом нагревателе возможно использование тепловых концентраторов в виде электропроводящих контуров, замкнутых вокруг стенок 8 каждого фазного канала 7 (например колец 12 и 13 (см. чертеж), в том числе гофрированных). В этих кольцах 12 и 13 преобразуется в тепло часть электроэнергии, а их поверхность полностью участвует в непосредственном теплообмене с нагреваемой жидкостью.

При эксплуатации предлагаемого индукционного нагревателя жидкости образуется определенный температурный перепад между верхними слоями жидкости (в зоне выходного патрубка 6) и холодными слоями жидкости на входе (патрубок 5) в камеру 4.

Под воздействием этого температурного перепада обеспечивается естественная циркуляция нагреваемой жидкости в камере 4 и замыкающей ее через патрубки 5 и 6 системе резервуаров для нагреваемого теплоносителя (например, системе электроотопления). Циркуляция теплоносителя при необходимости может быть усилена с помощью стороннего насоса.

Внешний корпус 14 в зависимости от мощности индукционного нагревателя жидкости и напряжения питающей сети может заполняться жидким диэлектриком, например трансформаторным маслом.

Технический эффект предлагаемого индукционного электронагревателя жидкости по сравнению с прототипом состоит в следующем:
обеспечивается повышение КПД преобразования электрической энергии в тепловую в результате более полного использования электроэнергии, преобразуемой в тепло для нагрева жидкости, так как стенка 9, наибольшая часть поверхности камеры 4, не является теплогенерирующей, а теплопередача с внешней поверхности стенок 8 фазных каналов 7 в сторону первичных обмоток практически не происходит из-за малого температурного перепада между ними;
в нагревателе с контурами в виде колец 12 и 13 стенки камеры 4 могут быть выполнены из неэлектропроводящего материала, при этом вся тепловая мощность выделяется в кольцах 12 и 13;
обеспечивается меньшая удельная материалоемкость индукционного нагревателя, в основном масса ферромагнитного сердечника 1, размеры окон которого между стержнями практически определяются только размерами катушек первичной обмотки 2, так как стенки 8 фазных каналов 7 выполняются из листового материала и мало влияют на размеры окон многостержневого трансформатора, при различном соотношении геометрии колец 12 и 13 обеспечивается равномерность нагрева жидкости в камере 4.

Кроме того, предлагаемый индукционный нагреватель жидкости более прост при монтаже из-за отсутствия по сравнению с прототипом многотрубчатого теплообменника.

Сущность изобретения: индукционный нагреватель жидкости содержит корпус, размещенный в нем трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником с расположенной на стержнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой, являющейся теплообменником, выполненным в виде пустотелой камеры с нижним входным и верхним выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости. В камере имеются сквозные вертикальные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлены стержни сердечника трансформатора. Предложенный индукционный нагреватель жидкости имеет высокий КПД и пониженную материалоемкость. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Индукционный нагреватель жидкости, содержащий корпус, размещенный в нем трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником с расположенной на стержнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой, являющейся теплообменником, отличающийся тем, что теплообменник выполнен в виде пустотелой камеры с нижним входным и верхним выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, в которой имеются сквозные вертикальные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлен стержень сердечника трансформатора. 2. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен замкнутыми контурами, установленными вокруг каждого указанного сквозного канала, выполненными из электропроводящего материала. 3. Нагреватель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что корпус заполнен жидким диэлектриком.