ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД Российский патент 1999 года по МПК H05B6/10 F24H1/10 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к индукционным нагревателям текучих сред, и может быть использовано для нагрева воды и других текучих сред в системах с естественной и принудительной циркуляцией нагреваемой среды как в промышленных, так и в бытовых условиях.

Известны трехфазный индукционный нагреватель текучей среды согласно авторскому свидетельству N 1781845, кл. H 05 В 6/10, опубл. 15.12.92 и бытовой электронагревательный прибор согласно патенту Российской Федерации N 2037276, кл. H 05 В 6/10, опубл. 09.06.95, которые содержат стальные трубы для прохождения нагреваемой текучей среды и размещенные на стальных трубах обмотки, подключаемые к сети переменного тока. Стальные трубы являются одновременно магнитопроводом и теплообменником.

Вышеописанные индукционные нагреватели обладают рядом недостатков. Во-первых, они имеют низкий коэффициент мощности, т.е. cos ϕ, что обусловлено насыщением стенок стальных труб магнитным потоком, а также большим рассеянием магнитного потока первичной обмотки. Во-вторых, для создания магнитного потока в насыщенных стенках стальных труб требуется первичная обмотка, обладающая большой намагничивающей силой, в результате чего из-за больших потерь мощности в первичной обмотке, а также из-за теплового рассеяния с поверхностей стальных труб снижается коэффициент полезного действия (КПД) при преобразовании электрической энергии в тепловую. Кроме того, указанные выше недостатки приводят к повышению материалоемкости нагревателей.

Известен индукционный нагреватель текучих сред согласно патенту Российской Федерации N 2031551, кл. H 05 В 6/10, опубл. 20.03.95, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена из электропроводящей короткозамкнутой трубки, представляющей собой змеевик, внутри которого циркулирует нагреваемая текучая среда.

Такой нагреватель обладает достаточно высокими энергетическими показателями - КПД и cos ϕ, однако плохое охлаждение первичной обмотки, которая закрыта витками вторичной обмотки, и необходимость размещения двух рядов трубок вторичной обмотки в межкатушечном пространстве при многофазном или многостержневом исполнении нагревателя приводят к повышению материалоемкости и габаритов нагревателя. Кроме того, высокое гидравлическое сопротивление теплообменника, выполненного в виде змеевика, затрудняет использование нагревателя в системах с естественной циркуляцией текучих сред.

Известен индукционный нагреватель жидкости согласно патенту Российской Федерации N 2074529, кл. H 05 B 6/10, опубл. 27.02.97, который содержит трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником, расположенную на стержнях многофазную первичную обмотку и вторичную обмотку, являющуюся теплообменником и выполненную в виде пустотелой камеры из электропроводящего материала. В камере имеются сквозные вертикальные каналы, в каждом из которых с зазором установлены стержни сердечника трансформатора.

Вышеописанный нагреватель также имеет ряд недостатков, обусловленных выполнением теплообменника в виде пустотелой камеры, охватывающей стержни сердечника. Такая форма теплообменника не обладает одинаковой симметрией по отношению к крайним и среднему стержням сердечника, что вызывает несимметричность фазных токов первичной обмотки и приводит к снижению энергетических показателей нагревателя. Кроме того, неодинаковая тепловая мощность, выделяемая на различных участках поверхности теплообменника, и неодинаковая скорость обтекания теплоотдающих поверхностей нагреваемой средой обуславливают снижение эффективности теплообмена, затрудняет применение нагревателя в системах с естественной циркуляцией жидкости, приводит к нерациональному использованию материалов, из которых выполнен теплообменник. Плохое охлаждение первичной обмотки, размещенной в каналах теплообменника, дополнительно увеличивает материалоемкость нагревателя и снижает его КПД.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является индукционный нагреватель жидкости согласно патенту США N 4602140, кл. H 05 B 6/10, опубл. 07.22.86. Т. 1068 N 4, который содержит магнитный сердечник, на стержнях которого намотана первичная обмотка, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанную через сердечник с первичной обмоткой вторичную обмотку, являющуюся теплообменником, выполненную из расположенных параллельно виткам первичной обмотки прямых трубок, концы которых соединены с резервуарами для жидкости (коллекторами). Трубки и резервуары выполнены из электропроводящего материала и образуют контуры, замкнутые вокруг стержней сердечника.

Индукционный нагреватель с такой конструкцией теплообменника обладает всеми недостатками, описанными выше, т.е. имеет большие материалоемкость и габариты, а также невысокие энергетические показатели. Это обусловлено следующим. Во-первых, большими размерами окон сердечника, что необходимо для размещения первичной обмотки и двойного ряда трубок теплообменника. Во-вторых, тем, что внешние поверхности резервуаров не участвуют в нагреве текучей среды, так как в них не выделяется тепловая энергия за счет индуцированных токов, что увеличивает расход материалов на теплообменник. В-третьих, тем, что первичная обмотка закрыта теплообменником и плохо охлаждается. Кроме того, расположение трубок теплообменника в горизонтальной плоскости, затрудняет процессы естественной циркуляции жидкости, что ограничивает область применения нагревателя.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения КПД преобразования электрической энергии в тепловую, уменьшения материалоемкости и габаритов нагревателя при одновременном расширении области применения индукционного нагревателя за счет обеспечения возможности его использования в системах с естественной циркуляцией текучей среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в индукционном нагревателе текучих сред, содержащем плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, на которых намотана первичная обмотка, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанную с первичной обмоткой через сердечник электропроводящую вторичную обмотку, являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды, выполненную из расположенных в плоскости витков первичной обмотки трубчатых элементов, концы которых соединены с коллекторами, снабженными патрубками для входа и выхода текучей среды, при этом трубчатые элементы вместе с коллекторами образуют замкнутые контуры вокруг каждого из стержней сердечника, предлагается трубчатые элементы выполнить в виде полувитков, каждый из которых охватывает по меньшей мере один из стержней сердечника, а коллекторы выполнить в виде параллельных стержням сердечника отрезков труб, при этом предлагается стержни сердечника и витки первичной обмотки расположить во взаимоперпендикулярных вертикальных плоскостях.

Трубчатые элементы могут быть выполнены в виде полувитков S-образной формы, каждый из которых охватывает два соседних стержня сердечника.

Трубчатые элементы могут быть выполнены в виде полувитков, каждый из которых охватывает только один соответствующий ему стержень сердечника, при этом по меньшей мере у двух из трубчатых элементов один из концов может быть выполнен в виде прямолинейного отрезка, параллельного плоскости стержней сердечника.

По меньшей мере у одного из трубчатых элементов оба конца могут быть выполнены в виде прямолинейных отрезков, параллельных плоскости стержней сердечника.

В предлагаемом индукционном нагревателе текучих сред благодаря выполнению трубчатых элементов в виде полувитков, каждый из которых охватывает по меньшей мере один из стержней сердечника, выполнению коллекторов в виде параллельных стержням сердечника отрезков труб и расположению стержней сердечника и витков первичной обмотки во взаимоперпендикулярных вертикальных плоскостях создается оптимальная пространственная конфигурация теплообменника: трубчатые элементы вторичной обмотки располагаются в окнах сердечника в один ряд, теплообменник практически не препятствует охлаждению первичной обмотки, а все поверхности теплообменника, включая поверхности коллекторов, расположены одинаково относительно магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, и нагреваются индуцированными токами равномерно, что позволяет уменьшить материалоемкость и габариты нагревателя и повысить КПД преобразования электрической энергии в тепловую. Кроме того, при такой конфигурации теплообменника обеспечивается одинаковая скорость обтекания текучей средой всех теплоотдающих поверхностей трубчатых элементов и коллекторов, поскольку гидравлическое сопротивление каждого участка теплообменника одинаково по отношению к входному и выходному патрубкам, что также увеличивает интенсивность теплообмена и повышает КПД. К тому же, при такой конфигурации замкнутого контура вторичной обмотки и при расположении стержней сердечника и витков первичной обмотки во вэаимоперпендикулярных вертикальных плоскостях обеспечивается вертикальная ориентация замкнутого контура, способствующая созданию гравитационного теплового напора, что позволяет использовать нагреватель в системах с естественной циркуляцией текучей среды и расширяет область его применения.

Выполнение трубчатых элементов в виде полувитков S-образной формы, каждый из которых охватывает два соседних стержня сердечника, позволяет расположить трубчатые элементы по обе стороны от плоскости стержней сердечника. Это способствует тому, что все элементарные проводники, условно выделенные на поверхности теплообменника по линии протекания токов, имеют одинаковую длину и находятся практически в одинаковых условиях по отношению к магнитному полю первичной обмотки, в результате чего повышается равномерность загрузки сечения трубок теплообменника индуцированным током, а, следовательно, равномерность нагрева поверхностей теплообменника.

Выполнение трубчатых элементов в виде полувитков, каждый из которых охватывает только один соответствующий ему стержень сердечника, и выполнение по меньшей мере у двух из трубчатых элементов одного из концов в виде прямолинейного отрезка позволяет расположить трубчатые элементы по одну сторону от плоскости стержней сердечника. Такое расположение трубчатых элементов теплообменника создает возможность выполнения многофазных нагревателей, а выполнение по меньшей мере у одного из трубчатых элементов обоих концов в виде прямолинейных отрезков, позволяет реализовать эту возможность.

На фиг. 1 приведен общий вид однофазного индукционного нагревателя текучих сред, вторичная обмотка которого выполнена из трубчатых элементов в виде S-образных полувитков, каждый из которых охватывает два соседних стержня сердечника. На фиг. 2 приведен общий вид однофазного индукционного нагревателя, вторичная обмотка которого выполнена из трубчатых элементов в виде полувитков, каждый из которых охватывает только один соответствующий ему стержень сердечника. На фиг. 3 приведен общий вид трехфазного индукционного нагревателя.

В примере реализации, приведенном на фиг. 1, однофазный индукционный нагреватель текучих сред содержит плоский сердечник из ферромагнитного материала с двумя стержнями 1. На стержнях 1 намотаны катушки 2 первичной обмотки, соединенные с источником переменного тока (на фигурах не показан). Стержни 1 и витки катушек 2 первичной обмотки расположены во взаимоперпендикулярных вертикальных плоскостях. Вторичная обмотка, являющаяся теплообменником, выполнена из двух трубчатых элементов 3 в виде S-образных полувитков, каждый из которых охватывает два стержня 1. Трубчатые элементы 3 расположены в плоскости витков катушек 2 первичной обмотки. Соответствующие концы трубчатых элементов 3 соединены между собой с помощью коллекторов 4, которые выполнены в виде двух отрезков труб, параллельных стержням 1 сердечника. Коллекторы 4 снабжены патрубками 5 и 6, предназначенными соответственно для входа и выхода текучей среды. Трубчатые элементы 3 вместе с коллекторами 4 образуют вокруг каждого из стержней 1 замкнутый контур, в котором трубчатые элементы 3 ориентированы в вертикальном направлении и расположены по обе стороны от плоскости стержней 1 сердечника. Количество таких замкнутых контуров в теплообменнике может варьироваться и зависит от конкретной решаемой задачи.

Нагреватель работает следующим образом. При включении первичной обмотки 2 в сеть переменного тока в ферромагнитном сердечнике создается переменный магнитный поток, с которым индуктивно связан замкнутый контур, образованный трубчатыми элементами 3 и коллекторами 4. В трубчатых элементах 3 и коллекторах 4 индуцируются токи, вызывающие равномерный нагрев всех поверхностей трубчатых элементов 3 и коллекторов 4. Тепло от всех нагретых поверхностей передается текучей среде, поступающей в теплообменник через входной патрубок 5 и вытекающей через выходной патрубок 6. Малое гидравлическое сопротивление теплообменника и вертикальная ориентация трубчатых элементов 3 способствуют созданию гравитационного напора, достаточного для обеспечения самоциркуляции нагреваемой текучей среды.

В примере реализации, приведенном на фиг. 2, однофазный индукционный нагреватель текучих сред содержит плоский сердечник из ферромагнитного материала с двумя стержнями 7. На стержнях 7 намотаны катушки 8 первичной обмотки, соединенные с источником переменного тока (на фигурах не показан). Стержни 7 и витки катушек 8 первичной обмотки расположены во взаимоперпендикалярных вертикальных плоскостях. Вторичная обмотка, являющаяся теплообменником, выполнена из двух трубчатых элементов 9 в виде полувитков, каждый из которых охватывает только один соответствующий ему стержень 7. Трубчатые элементы 9 расположены в плоскости витков катушек 8 первичной обмотки и ориентированы в вертикальном направлении. Соответствующие концы трубчатых элементов 9 соединены между собой с помощью коллекторов 10, выполненных в виде двух отрезков труб, параллельных стержням 1 сердечника. Концы трубчатых элементов 9 имеют прямолинейные участки 11, расположенные в плоскости стержней 7. Коллекторы 10 снабжены патрубками 12 и 13, предназначенными соответственно для входа и выхода текучей среды. Трубчатые элементы 9 вместе с коллекторами 10 образуют вокруг каждого из стержней 7 замкнутый контур, в котором трубчатые элементы 9 расположены по одну сторону от плоскости стержней 7. Количество замкнутых контуров вторичной обмотки может варьироваться. Работает нагреватель подобно вышеописанному.

В примере реализации, приведенном на фиг. 3, трехфазный индукционный нагреватель текучих сред содержит плоский сердечник из ферромагнитного материала с тремя стержнями 14. На стержнях 14 намотаны катушки 15 первичной обмотки, соединенные с источником переменного тока (на фигурах не показан). Стержни 14 и витки катушек 15 расположены во взаимоперпендикулярных вертикальных плоскостях. В плоскости витков катушек 15 расположены трубчатые элементы 16, выполненные в виде полувитков, каждый из которых охватывает только один соответствующий ему стержень 14 сердечника. Трубчатые элементы 16, охватывающие крайние стержни 14, имеют по одному концу, выполненному в виде прямолинейных участков 17, а трубчатый элемент 16, охватывающий средний стержень 14, имеет оба конца, выполненных в виде прямолинейного участка 17. Прямолинейные участки 17 трубчатых элементов 16 расположены в плоскости стержней 14. Концы трубчатых элементов 16 соединены с коллекторами 18. Коллекторы 18 снабжены патрубками 19 и 20, предназначенными соответственно для входа и выхода текучей среды. Трубчатые элементы 16 вместе с коллекторами 18 образуют вокруг каждого из стержней 14 замкнутый контур, в котором трубчатые элементы 16 расположены по одну сторону от плоскости стержней 14. Количество замкнутых контуров вторичной обмотки может варьироваться. Работает нагреватель подобно вышеописанному.

Вышеприведенные примеры не исчерпывают возможные варианты реализации предлагаемого нагревателя.

Таким образом, по сравнению с известными в предлагаемом нагревателе увеличивается КПД преобразования электрической энергии в тепловую, уменьшаются габариты и расход материалов как на теплообменник, так на ферромагнитный сердечник и на первичную обмотку, а также расширяется область применения нагревателя за счет обеспечения возможности его использования в системах с естественной циркуляцией нагреваемой среды.

Используется для нагрева воды и других текучих сред в системах с естественной и принудительной циркуляцией нагреваемой среды. В индукционном нагревателе текучих сред, содержащем плоский ферромагнитный сердечник со стержнями с первичной обмоткой, соединенной с источником переменного тока, и индуктивно связанную с первичной обмоткой через сердечник электропроводящую вторичную обмотку, являющуюся теплообменником и выполненную из расположенных в плоскости витков первичной обмотки трубчатых элементов, соединенных с коллекторами и образующих замкнутые контуры вокруг каждого из стержней сердечника, предлагается трубчатые элементы выполнить в виде полувитков, каждый из которых охватывает по меньшей мере один из стержней сердечника, а коллекторы выполнить в виде параллельных стержням сердечника отрезков труб, при этом предлагается стержни сердечника и витки первичной обмотки расположить во взаимоперпендикулярных вертикальных плоскостях. Это позволяет повысить КПД, уменьшить материалоемкость и габариты. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Индукционный нагреватель текучих сред, содержащий плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, на которых намотана первичная обмотка, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанную с первичной обмоткой через сердечник электропроводящую вторичную обмотку, являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды и выполненную из расположенных в плоскости витков первичной обмотки трубчатых элементов, концы которых соединены коллекторами, снабженными патрубками для входа и выхода нагреваемой текучей среды, при этом трубчатые элементы вместе с коллекторами образуют замкнутые контуры вокруг каждого из стержней сердечника, отличающийся тем, что трубчатые элементы выполнены в виде полувитков, каждый из которых охватывает по меньшей мере один из стержней сердечника, а коллекторы выполнены в виде параллельных стержням сердечника отрезков труб, при этом стержни сердечника и витки первичной обмотки расположены во взаимоперпендикулярных вертикальных плоскостях. 2. Индукционный нагреватель текучих сред по п.1, отличающийся тем, что трубчатые элементы выполнены в виде полувитков S-образной формы, каждый из которых охватывает два соседних стержня сердечника. 3. Индукционный нагреватель текучих сред по п.1, отличающийся тем, что трубчатые элементы выполнены в виде полувитков, каждый из которых охватывает только один соответствующий ему стержень сердечника, при этом по меньшей мере у двух из трубчатых элементов один из концов выполнен в виде прямолинейного отрезка, параллельного плоскости стержней сердечника. 4. Индукционный нагреватель текучих сред по п.3, отличающийся тем, что по меньшей мере у одного из трубчатых элементов оба конца выполнены в виде прямолинейных отрезков, параллельных плоскости стержней сердечника.