УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК H05B6/10 F24H1/18 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам индукционного нагрева жидкостей и может быть использовано в системах горячего водоснабжения.

В настоящее время в большинстве устройств для нагрева жидкостей используются нагреватели резистивного типа. Обычно в качестве нагревательных элементов используют ТЭНы.

Известен кипятильник КНЗ-100М [1] Этот кипятильник предназначен для приготовления кипятка на предприятиях общественного питания.

Кипятильник содержит металлический цилиндрический корпус, внутри которого установлен резервуар для воды. Внутри этого резервуара установлен другой резервуар для приготовления и сбора кипятка. В дне резервуара для приготовления кипятка установлены электронагреватели (ТЭНы). В кипятильнике предусмотрены устройства для контроля уровня воды автоматического отключения в случае переполнения резервуара с кипятком и пр.

Такой нагреватель обладает относительно высоким КПД, удобен в работе. Однако надежность и срок службы таких устройств относительно невелики. Поскольку нагревательный элемент (ТЭН) в процессе работы погружен в нагреваемую жидкость, на его поверхности осаждается накипь. В результате этого ухудшается теплоотдача нагревателя, сами нагреватели перегреваются. Это ведет к образованию трещин, возникает опасность появления токов утечки, и, следовательно, появляется опасность поражения током обслуживающего персонала. Электронагреватели типа ТЭНов относятся к неремонтируемым изделиям, и в случае их поломки они подлежат замене. Замена, как правило, должна осуществляться специалистами. Это ведет к увеличению эксплуатационных расходов в процессе использования таких приборов.

Известно устройство индукционного типа для нагрева жидкости, например, воды [2] содержащее трубу из диамагнитного материала, которую охватывает индуктор. Внутри трубы установлен массивный сердечник так, что между внутренней поверхностью трубы и наружной поверхностью сердечника образован кольцевой зазор. В массивном сердечнике вдоль его оси проходят сквозные каналы для протекания жидкости. Кольцевой зазор с одной стороны сообщается с подающим трубопроводом, а с другой стороны со шламосборником (резервуаром) и через него со сквозными каналами. Выходы сквозных каналов сообщаются с трубопроводом для отбора горячей воды.

Это устройство обладает относительно большим сроком службы, надежностью, безопасностью для обслуживающего персонала. Однако, поскольку предусмотрено прохождение потока воды через сквозные каналы под давлением, частицы осадка неизбежно захватываются потоком и осаждаются на внутренних стенках этих каналов. В результате осаждения накипи сечение каналов уменьшается, снижается производительность устройства и его КПД. Со временем каналы могут забиться полностью и нагреватель выйдет из строя. Это устройство требует периодической прочистки каналов, что при их относительно большой длине и малом диаметре затруднительно, и, кроме того, ведет к увеличению эксплуатационных издержек. Изготовление массивного сердечника со сквозными каналами требует относительно больших затрат материала и сложна с точки зрения технологии.

Целью изобретения является создать индукционное устройство для нагрева жидкости, в котором сердечник был бы выполнен таким образом, чтобы при упрощении конструкции и снижении материалоемкости обеспечивалась бы высокая надежность устройства при одновременном снижении эксплуатационных расходов.

Это достигается тем, что в устройстве для нагрева жидкости, содержащем трубу из диамагнитного материала, охватывающий ее индуктор, сердечник, установленный внутри трубы так, что между наружной поверхностью сердечника и внутренней поверхностью трубы имеется кольцевой зазор, патрубок для подвода жидкости и патрубок для отбора жидкости, в соответствии с изобретением сердечник выполнен в виде трубы, торцевые отверстия которой закрыты крышками, а толщина стенок составляет 3-5 мм, и установлен так, что величина кольцевого зазора между внутренней поверхностью диамагнитной трубы и нагрудной поверхностью сердечника составляет 1,5-5 мм, патрубки для подвода и отбора жидкости сообщаются с внутренним пространством сердечника и установлены так, что входное отверстие патрубка для подвода жидкости расположено вблизи нижней крышки, а входное отверстие патрубка для отбора жидкости расположено вблизи верхней крышки.

При работе устройства на клеммы индуктора подают переменный ток, а через патрубок для подачи жидкости, например воду. В сердечнике индуцируется электрический ток, в результате чего сердечник нагревается и нагревает воду, заполнившую его внутреннее пространство.

При указанной толщине стенок общая масса сердечника относительно невелика, что обуславливает снижение расходов материала при изготовлении устройства. Предлагаемая конструкция позволяет использовать при изготовлении сердечника стандартные стальные трубы, что существенно упрощает и удешевляет изготовление таких устройств. Проведенные авторами эксперименты показали, что наилучшие результаты получаются при толщине стенок от 4 до 6 мм. При толщине стенок менее 4 мм не обеспечивается требуемая механическая прочность сердечника, он легко деформируется, при толщине стенок более 6 мм снижается КПД устройства, поскольку в этом случае значительная часть энергии расходуется на нагрев и поддержание высокой температуры массивного сердечника. Кроме того, использование массивного сердечника требует и большего расхода материала при его изготовлении.

В процессе работы индуктор нагревается как сам по себе в результате активных потерь при протекании электрического тока, так и в процессе излучения тепловой энергии от нагретого сердечника. При повышении температуры индуктора увеличивается величина его удельного сопротивления, увеличиваются потери мощности, и, как следствие снижается КПД. Перегрев индуктора предотвращается благодаря тому, что между внутренней поверхностью диамагнитной трубы и наружной поверхностью сердечника имеется воздушный зазор. Уменьшение воздушного зазора менее 1,5 мм не обеспечивает требуемого уровня теплоизоляции. Увеличение воздушного зазора свыше 5 мм нецелесообразно, поскольку при этом неоправданно увеличиваются габариты устройства.

Благодаря тому, что входные отверстия патрубков расположены указанным образом, поступающая внутрь сердечника холодная вода оказывается в его нижней части. По мере повышения ее температуры вода вдоль стенок поднимается в верхнюю часть, продолжая нагреваться. Поскольку входное отверстие патрубка для отбора воды расположено вблизи верхней крышки сердечника, в этот патрубок поступает только нагретая вода.

Сердечник может быть снабжен ребрами, установленными на его внутренней поверхности. В этом случае в результате увеличения площади контакта воды с сердечником повышается эффективность нагрева.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображено устройство для нагрева жидкости, выполненное согласно изобретению, с частичным продольным разрезом; на фиг.2 поперечный разрез устройства для нагрева жидкости, выполненного согласно другому варианту реализации изобретения.

Как показано на фиг.1, устройство содержит трубу 1 из диамагнитного материала с фланцами 1а и 1б. На трубе 1 установлен индуктор 2, представляющий собой медную проволоку в изолирующей оболочке, навитую на трубу 1. Число витков и площадь поперечного сечения проволоки определяются расчетным путем в зависимости от геометрических размеров устройства и требуемой температуры нагрева жидкости. Выходные клеммы индуктора 2 электрически соединены с источником переменного тока (на фиг.1 не показано). Внутри трубы 1 установлен сердечник, представляющий собой металлическую трубу 3 с крышками 3а и 3б. Крышки 3а и 3б могут быть соединены с трубой 3, например с помощью сварки. Крышки могут быть соединены с трубой и иным образом, например, с помощью резьбового соединения, т. е. конструкция может быть выполнена разборной. При этом обеспечивается в случае необходимости доступ во внутреннее пространство сердечника для удаления накипи. Нижняя крышка 3а представляет собой фланец для соединения с одной стороны с фланцем 1а трубы 1, а с другой стороны с основанием 4. Это соединение выполнено разъемным с помощью винтов. В крышке 3а и в основании 4 выполнены соосные отверстия для установки патрубка 5 для подачи жидкости и патрубка 6 для отбора жидкости. Как видно из фиг.1, выходное отверстие патрубков 5 для подачи жидкости расположено вблизи нижней крышки 3а, а входное отверстие патрубка 6 для отбора жидкости вблизи верхней крышки 3б. Патрубки могут быть установлены и иначе, например, через дополнительные отверстия в стенках трубы 1 и сердечника 3.

Между наружной поверхностью сердечника 3 и внутренней поверхностью диэлектрической трубы 1 имеется воздушный зазор 7. Взаимное положение сердечника 3 и трубы 1 для обеспечения зазора 7 фиксируется клиньями 8.

При работе устройства на клеммы индуктора 2 подают переменный электрический ток, а через патрубок 5 подлежащую нагреву жидкость, например воду. Вода заполняет внутреннее пространство сердечника. Под действием электрического тока, протекающего по индуктору 2, в стенках трубы 3 индуцируются токи Фуко, что ведет к нагреву этих стенок. Стенки, в свою очередь, нагревают воду. Горячая вода поднимается в верхнюю часть трубы 3 и через патрубок 6 поступает к потребителю.

На фиг.2 показан другой вариант реализации изобретения. В соответствии с фиг.2 устройство содержит индуктор 9, трубу 10 из диэлектрического материала и установленный с зазором внутри трубы 10 сердечник 11. Внутри сердечника 11 установлены продольные ребра 13 и размещены патрубки 13 и 14 для подачи и отбора жидкости соответственно. Это устройство работает аналогично описанному выше, однако благодаря наличию ребер 12, размещенных на внутренней поверхности сердечника 11, обеспечивается увеличение площади контакта нагреваемой воды с сердечником и повышение вследствие этого эффективности нагрева. Ребра могут располагаться как вдоль оси сердечника 11, так и иным образом, например по спирали.

Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает снижение материалоемкости при ее изготовлении и относительную простоту изготовления. Кроме того, эта конструкция обеспечивает высокую надежность работы такого устройства. В случае необходимости возможна замена поврежденного индуктора. Благодаря тому, что предлагаемая конструкция не содержит узких длинных каналов, как это имеет место в описанном выше устройстве [2] накипь на стенках сердечника практически не влияет на ее работоспособность. Кроме того, очистка стенок от накипи в данной конструкции не представляет собой проблем.

Использование: в системах горячего водоснабжения. Сущность: устройство для нагрева жидкости содержит трубу из диамагнитного материала, на которой установлен индуктор. Внутри этой трубы с кольцевым зазором установлен сердечник, выполненный в виде металлической трубы со стенками толщиной 3-4 мм, закрытой с обеих сторон крышками. Величина кольцевого зазора составляет 1,6-5 мм. В нижней крышке сердечника установлены патрубки для подвода и отбора подлежащей нагреву жидкости. Входное отверстие патрубка для отбора жидкости расположено вблизи верхней крышки, а выходное отверстие патрубка для подачи жидкости - вблизи нижней крышки. Сердечник может быть дополнительно снабжен ребрами, установленными на его внутренней поверхности. Устройство обеспечивает высокую надежность при снижении эксплуатационных расходов. 1 з. п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для нагрева жидкости, содержащее трубу из диамагнитного материала, охватывающий ее индуктор, сердечник, установленный внутри трубы так, что между поверхностью сердечника и внутренней поверхностью трубы имеется кольцевой зазор, патрубок для подвода жидкости и патрубок для отбора жидкости, отличающееся тем, что сердечник выполнен в виде трубы, торцевые отверстия которой закрыты крышками, а толщина стенок составляет 3 5 мм, и установлен так, что величина кольцевого зазора между внутренней поверхностью диамагнитной трубы и наружной поверхностью сердечника составляет 1,5 5 мм, патрубки для подвода и отбора жидкости сообщаются с внутренним пространством сердечника и установлены так, что выходное отверстие патрубка для подвода жидкости расположено вблизи нижней крышки, а входное отверстие патрубка для отбора жидкости расположено вблизи нижней крышки, а входное отверстие патрубка для отбора жидкости расположено вблизи верхней крышки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сердечник дополнительно снабжен ребрами, установленными на его внутренней поверхности.