ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД Российский патент 2005 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 №1781845, кл. Н 05 В 6/10, опубл. 15.12.92 и устройство для нагрева жидкости согласно патенту Российской Федерации №2075838, кл. Н 05 В 6/10, опубл. 20.03.97, которые содержат стальные трубы для прохождения нагреваемой текучей среды и размещенные на 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 (cosϕ), что обусловлено насыщением стенок стальных труб магнитным потоком, а также большим рассеянием магнитного потока первичной обмотки. В большей степени это относится к устройству для нагрева жидкости по патенту №2075838, не имеющему внешнего магнитопровода. Во-вторых, в нагревателе, описанном в авт. свид. №1781845, для создания магнитного потока в насыщенных стенках стальных труб, а в устройстве для нагрева жидкости по патенту №2075838 для проведения магнитного потока по воздуху с внешней стороны катушек, требуется первичная обмотка, обладающая большой намагничивающей силой, в результате чего из-за больших потерь мощности в первичной обмотке снижается коэффициент полезного действия (КПД) преобразования электрической энергии в тепловую. Кроме того, указанные выше недостатки приводят к повышению материалоемкости нагревателя.

Известен индукционный нагреватель текучих сред согласно патенту Российской Федерации №2031551, кл. Н 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 cosϕ), 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, в системах с принудительной циркуляцией приводит к повышению мощности насосов, а также затрудняет использование нагревателя в системах с естественной циркуляцией текучих сред.

Также известен индукционный нагреватель жидкости согласно патенту США №4602140, кл. Н 05 В 6/10, опубл. 07.22.86. Т. 1068 №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.

Такой индукционный нагреватель обладает всеми недостатками, описанными выше, т.е. имеет повышенную материалоемкость и габариты, а также относительно невысокие энергетические показатели. Это обусловлено следующим. Во-первых, большими размерами межкатушечного пространства, что необходимо для размещения двойного ряда трубок теплообменника. Во-вторых, тем, что внешние поверхности резервуаров коллекторов 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 коллекторами и трубками теплообменника и плохо охлаждается. Кроме того, расположение трубок теплообменника в горизонтальной плоскости затрудняет процессы естественной циркуляции жидкости, что ограничивает область применения нагревателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является индукционный нагреватель текучих сред согласно патенту Российской Федерации №2138137, кл. Н 05 В 6/10, 1998 г., который содержит плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, на которых намотана первичная обмотка, и индуктивно связанную с первичной обмоткой электропроводящую вторичную обмотку, являющуюся теплообменником, выполненную из расположенных в плоскости витков первичной обмотки трубчатых элементов, которые вместе с коллекторами образуют замкнутые контуры вокруг каждого из стержней сердечника, при этом стержни сердечника установлены так, чтобы витки первичной обмотки располагались в вертикальной плоскости.

Вышеописанный индукционный нагреватель имеет более высокие энергетические показатели, чем вышеописанные, а также небольшую материалоемкость и относительно небольшое гидравлическое сопротивление. Кроме того, расположение трубчатых элементов теплообменника в вертикальной плоскости способствует его применению в системах с естественной циркуляцией. К тому же в межкатушечном пространстве трубки теплообменника располагаются в один ряд, что снижает габариты магнитной системы, а сам теплообменник не препятствует охлаждению первичной обмотки. Однако в таком нагревателе особенности конфигурации теплообменника, выполненного из трубчатых элементов в виде полувитков S-образной формы с одним или двумя концами в виде прямолинейного отрезка, обуславливают следующие недостатки.

Во-первых, при увеличении мощности нагревателя увеличивается количество замкнутых контуров, образованных, например, в однофазном варианте исполнения из двух последовательно соединенных с помощью коллекторов S-образных трубчатых элементов. При этом, начиная с некоторого уровня мощности, неоправданно увеличивается осевой размер магнитной системы, так как трубчатые элементы, образующие вместе с коллекторами замкнутый контур вокруг одного стержня, т.е. один активный виток, занимают вдоль стержня расстояние, не меньшее, чем два диаметра трубчатых элементов, и длина стержня для размещения в межкатушечном пространстве нескольких трубчатых элементов теплообменника становится неоправданно большой, что ухудшает массогабаритные и энергетические показатели нагревателя.

Во-вторых, в трехфазном варианте исполнения нагревателя теплообменник, выполненный из S-образных трубчатых элементов, обладающих асимметрией, имеет разные индуктивные сопротивления рассеяния трубчатых элементов, охватывающих крайние стержни, по сравнению с трубчатыми элементами, охватывающими средний стержень. Такая асимметрия приводит к снижению энергетических показателей нагревателя (КПД и cosϕ), а также к увеличению материалоемкости.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи - повышения коэффициента полезного действия и коэффициента мощности индукционного нагревателя, а также уменьшения материалоемкости и габаритов индукционного нагревателя при обеспечении 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, снабженным патрубками для входа и выхода нагреваемой текучей среды и выполненным из расположенных в плоскости витков первичной обмотки трубчатых элементов, при этом стержни сердечника установлены так, что витки первичной обмотки располагаются преимущественно в вертикальной плоскости, согласно изобретению предлагается каждый трубчатый элемент выполнить в виде витка, образующего замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника, при этом расположенные в межкатушечном пространстве участки трубчатых элементов выполнить усеченными, а усеченные участки трубчатых элементов, охватывающих соседние стержни и расположенных в одной плоскости, соединить между собой неразъемно.

Расположенные в межкатушечном пространстве участки трубчатых элементов могут быть выполнены усеченными в горизонтальной плоскости на величину, лежащую в пределах от 1/3d до 1/2d, где d - диаметр трубчатых элементов.

Внешние участки трубчатых элементов, охватывающих крайние стержни, могут быть непосредственно или через коллекторы соединены с патрубками для входа и выхода текучей среды.

В предлагаемом индукционном нагревателе благодаря выполнению каждого трубчатого элемента в виде витка, образующего замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника, обеспечивается симметричная форма теплообменника и единообразие связи трубчатых элементов с магнитным потоком каждого стержня, что обуславливает симметрию коэффициентов мощности по фазам в случае многофазного исполнения нагревателя и приводит к повышению КПД и коэффициента мощности, а также к уменьшению массогабаритных показателей.

Выполнение усеченными тех участков трубчатых элементов, которые расположены в межкатушечном пространстве, и неразъемное соединение усеченных участков трубчатых элементов, охватывающих соседние стержни и расположенных в одной и той же вертикальной плоскости, обеспечивает оптимальную пространственную конфигурацию теплообменника за счет того, что трубчатые элементы, расположенные в одной плоскости и охватывающие соседние стержни сердечника, занимают в межкатушечном пространстве, небольшое место, размеры которого меньше, чем величина, равная двум диаметрам трубчатых элементов. Это позволяет оптимизировать размеры межкатушечного пространства, что приводит к увеличению КПД и коэффициента мощности, а также к уменьшению массогабаритных показателей нагревателя. Кроме того, неразъемное соединение усеченных участков трубчатых элементов, расположенных в одной плоскости и охватывающих соседние стержни сердечника, обеспечивает гидравлическое соединение этих трубчатых элементов, при этом текучая среда проходит по трубчатому элементу, разделяясь на два потока, что снижает гидравлическое сопротивление, что также способствует повышению КПД и коэффициента мощности, а также уменьшению массогабаритных показателей нагревателя.

Выполнение расположенных в межкатушечном пространстве участков трубчатых элементов усеченными в горизонтальной плоскости на величину, лежащую в пределах от 1/3d до 1/2d, где d - диаметр трубчатых элементов, обеспечивает наиболее оптимальную конфигурацию теплообменника, при которой трубчатые элементы, расположенные в одной плоскости и охватывающие соседние стержни сердечника, занимают в межкатушечном пространстве расстояние, величина которого лежит в пределах от d до (d+1/3 d), где d - диаметр трубчатых элементов.

Выполнение индукционного нагревателя так, что внешние участки трубчатых элементов, охватывающих крайние стержни, непосредственно соединены с патрубками для входа и выхода текучей среды, обеспечивает вариант выполнения индукционного нагревателя, в котором каждый из стержней сердечника охвачен только одним трубчатым элементом. Выполнение индукционного нагревателя так, что внешние участки трубчатых элементов, охватывающих крайние стержни, соединены через коллекторы с патрубками для входа и выхода текучей среды, обеспечивает вариант выполнения индукционного нагревателя, в котором каждый из стержней сердечника охвачен несколькими трубчатыми элементами, что оправдано, например, при повышении мощности нагревателя, при этом использование коллекторов обеспечивает гидравлическое параллельное соединение трубчатых элементов, и, следовательно, в целом, способствует уменьшению гидравлического сопротивления.

На фиг.1 приведен трехфазный индукционный нагреватель текучих сред (фронтальная проекция), на фиг.2 приведен разрез по А-А на фиг.1, на фиг.3 приведен фрагмент соединения в межкатушечном пространстве участков трубчатых элементов, усеченных на 1/3d , т.е. на одну треть диаметра трубчатого элемента (фронтальный вид и разрез по Б-Б).

В примере реализации, приведенном на фиг.1, представлен трехфазный вариант исполнения индукционного нагревателя текучих сред, который содержит плоский сердечник из ферромагнитного материала с тремя стержнями 1, на которых намотаны катушки 2 первичной обмотки, соединенные с источником переменного тока (на фигурах не показан). Стержни 1 сердечника установлены так, что витки катушек 2 первичной обмотки расположены в вертикальной плоскости. Вторичная обмотка, являющаяся теплообменником, выполнена из трубчатых элементов 3, расположенных в плоскости витков катушек 2 первичной обмотки. Каждый трубчатый элемент 3 выполнен в виде витка, образующего замкнутый контур вокруг соответствующего стержня 1 сердечника. Расположенные в межкатушечном пространстве участки трубчатых элементов 3 выполнены усеченными в горизонтальной плоскости. В каждой группе трубчатых элементов 3, охватывающих соседние стержни 1 и расположенных в одной и той же вертикальной плоскости, усеченные участки соединены между собой неразъемно, например, с помощью сварки. Количество таких групп трубчатых элементов 3, охватывающих соседние стержни 1 сердечника и расположенных в одной и той же вертикальной плоскости, может варьироваться в зависимости от конкретной решаемой задачи, например, в зависимости от необходимой мощности. В данном случае теплообменник образован тремя группами трубчатых элементов 3. Расположенные в межкатушечном пространстве участки трубчатых элементов 3 выполнены усеченными на величину, оптимальные значения которой лежат в пределах от 1/3d до 1/2d, поскольку превышение верхнего предела этой величины приводит к уменьшению поперечного сечения трубчатых элементов и увеличению плотности теплового потока на этом участке, что может привести к его перегреву, а превышение нижнего предела приводит к тому, что не обеспечивается выигрыш в размерах межкатушечного пространства. В данном случае трубчатые элементы 3 усечены на величину, равную 1/3d (фиг.3). Внешние участки трубчатых элементов 3, охватывающих крайние стержни 1, через коллекторы 4 соединены с патрубками 5, 6 предназначенными соответственно для входа и выхода текучей среды. Коллекторы 4 выполнены в виде отрезков труб, параллельных стержням 1 сердечника.

Предлагаемый индукционный нагреватель работает следующим образом. При подключении катушек 2 первичной обмотки к сети переменного тока в ферромагнитном сердечнике со стержнями 1 создается переменный магнитный поток, с которым индуктивно связан каждый трубчатый элемент 3, выполненный в виде витка, образующего замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника 1. В трубчатых элементах 3 индуцируются токи, вызывающие их нагрев. Тепло от нагретых поверхностей трубчатых элементов 3 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 способствует созданию гравитационного напора, достаточного для обеспечения естественной циркуляции нагреваемой текучей среды. За счет того, что в каждой группе трубчатых элементов 3, охватывающих соседние стержни и расположенных в одной и той же вертикальной плоскости, трубчатые элементы 3 гидравлически соединены между собой, текучая среда проходит по каждому трубчатому элементу 3, разделяясь на два потока, что снижает гидравлическое сопротивление. Гидравлическое соединение в параллель трубчатых элементов 3 коллекторами 4 приводит к дополнительному уменьшению гидравлического сопротивления индукционного нагревателя, что особенно важно в случае естественной циркуляции нагреваемой среды.

Таким образом, по сравнению с известными, в предлагаемом нагревателе повышается КПД преобразования электрической энергии в тепловую и коэффициент мощности, а также уменьшаются габариты и расход материалов как на теплообменник, так и на ферромагнитный сердечник и первичную обмотку, уменьшается гидравлическое сопротивление теплообменника, что снижает мощность циркуляционных насосов при принудительной циркуляции текучей среды, а также сохраняется возможность его использования в системах с естественной циркуляцией нагреваемой среды.

Изобретение 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, и достигает: повышение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности индукционного нагревателя, а также уменьшение материалоемкости и габаритов индукционного нагрева при обеспечении возможности его использования в системах с естественной циркуляцией текучей среды. 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, снабженным патрубками для входа и выхода нагреваемой текучей среды и выполненным из расположенных в плоскости витков первичной обмотки трубчатых элементов, при этом стержни сердечника установлены так, что витки первичной обмотки располагаются преимущественно в вертикальной плоскости, согласно изобретению предлагается каждый трубчатый элемент выполнить в виде витка, образующего замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника, при этом расположенные в межкатушечном пространстве участки трубчатых элементов выполнить усеченными, а усеченные участки трубчатых элементов, охватывающих соседние стержни и расположенных в одной плоскости, соединить между собой неразъемно. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Индукционный нагреватель текучих сред, содержащий плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, на которых намотана катушка первичной обмотки, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанную с катушкой первичной обмотки через сердечник электропроводящую вторичную обмотку, являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды, снабженным патрубками для входа и выхода нагреваемой текучей среды и выполненным из расположенных в плоскости витков катушки первичной обмотки трубчатых элементов, при этом стержни сердечника установлены так, что витки катушки первичной обмотки располагаются в вертикальной плоскости, отличающийся тем, что каждый трубчатый элемент выполнен в виде витка, образующего замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника, при этом расположенные в межкатушечном пространстве участки трубчатых элементов выполнены усеченными, а усеченные участки трубчатых элементов, охватывающих соседние стержни и расположенных в одной вертикальной плоскости, соединены между собой неразъемно.2. Индукционный нагреватель текучих сред по п.1, отличающийся тем, что расположенные в межкатушечном пространстве участки трубчатых элементов выполнены усеченными в горизонтальной плоскости на величину, лежащую в пределах от 1/3 d до 1/2 d, где d - диаметр трубчатых элементов.3. Индукционный нагреватель текучих сред, по п.1 или 2, отличающийся тем, что внешние участки трубчатых элементов, охватывающих крайние стержни, непосредственно или через коллекторы соединены с патрубками для входа и выхода текучей среды.