ПРОТОЧНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 2024 года по МПК H05B6/10 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в устройствах электрического нагрева жидкости для производственных технологических процессов и в быту.

Известен индукционный нагреватель жидкости [1. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - с. 200], имеющий соленоидальный индуктор, в котором в качестве промежуточного нагревателя, от которого нагревается обрабатываемая жидкость, выполнен в виде отдельных незамкнутых стальных полос или стержней. Принцип работы нагревателя заключается в том, что при протекании переменного электрического тока и за счет созданного им переменного магнитного поля происходит нагрев материала трубы вследствие потерь на гистерезис материала промежуточного нагревателя и на вихревые токи в нем. Недостатком являются большие значения реактивной мощности.

Известен индукционный нагреватель жидкости [2. Патент US №3414698 от 03.12.1968 г., GENERAL ELECTRIC СОМ], представляющий собой многослойный трубчатый змеевик, на который наложена тороидальная обмотка индуктора. Жидкость, проходящая по змеевику, нагревается. Недостатком устройства является значительное рассеяние магнитных потоков и, как следствие, большие значения реактивной мощности и потерь тепла.

Известен проточный индукционный нагреватель жидкости, включающий индуктор с обмоткой, и установленный внутри ее изолированный от обмотки диэлектрическим материалом сердечник, выполненный в виде змеевика из тонкостенной нержавеющей стали [3. Патент РФ №2267869 от 10.01.2006]. Недостатками устройства являются нерациональные потери энергии в стальной ленте сердечника, наличие разомкнутой магнитной цепи, образованной сердечником, и неравномерность нагрева теплообменной поверхности змеевика из нержавеющей стали вследствие неоднородности напряженности магнитного тюля по длине окружности трубы змеевика и, как следствие, его температуры, что увеличивает потери тепла и снижает КПД, а также значительная технологическая и конструкционная сложность.

В качестве прототипа принят проточный индукционный нагреватель жидкости [4. Патент РФ №2772376 от 21.04.2021 г.], включающий в себя индуктор с обмоткой и установленный внутри нее сердечник в виде трубчатого змеевика из тонкостенной ферромагнитной нержавеющей стали, отличающийся тем, что обмотка выполнена из медной трубки, а сердечник - гофрированным, с толщиной стальной стенки трубки змеевика, равной глубине проникновения в нее электромагнитной волны, и соосно установлен внутри медной трубки, при этом между медной трубкой и стальным сердечником размещен слой диэлектрика.

Недостатком прототипа является наличие разомкнутой магнитной цепи, образованной сердечником в виде змеевика и неравномерность нагрева теплообменной поверхности змеевика из нержавеющей стали вследствие неоднородности напряженности магнитного поля по длине окружности трубы змеевика и, как следствие, его температуры, что увеличивает потери тепла и снижает КПД, а также значительная технологическая и конструкционная сложность конструкционная сложность выполнения сердечника-магнитопровода в виде многослойного змеевика, требующего установки соосно внутри полости первичной обмотки, да еще по винтовой линии с электроизоляцией, что не снижает технологической и конструкционной сложности всего устройства. Кроме этого, разборка данной конструкции для промывки и замены продуктопровода осуществить без разрушения первичной обмотки, не представляется возможным.

Задачами изобретения являются значительное упрощение конструкции сердечника-магнитопровода, повышение технологичности его изготовления и эксплуатации. Технический результат достигается путем обеспечения легкой замены либо первичной обмотки, либо сердечника-магнитопровода, при одновременном повышении коэффициента полезного действия за счет повышения равномерности нагрева непосредственно жидкости за счет увеличения теплообменной поверхности сердечника-магнитопровода, путем подбора необходимого количества теплопередающих пластин для подбора необходимой разности температур жидкости на входе и выходе и согласования нагрузки индукционной обмотки, а также использования технологической резьбы для установки различных конструкций сердечников-магнитопроводов для турбулизации потока протекаемой сквозь сердечник-магнитопровод нагреваемой посредством теплопередачи от теплопередающих пластин и корпуса сердечника-магнитопровода, являющегося одновременно и продуктопроводом.

Техническая сущность предложенного решения заключается в том, что в предлагаемом проточном индукционном нагревателе жидкости совмещены магнитопровод и продуктопровод, по которому протекает нагреваемая жидкость, а также нагревательный и турбулизирующий жидкость элемент, функцию которых выполняет цилиндрический корпус магнитопровода с внутренней резьбой, посредством которой внутри цилиндрического корпуса коаксиально установлен сердечник, выполненный в виде полого цилиндра, заглушенного с дух концов полусферическими заглушками по внешним образующим которого прикреплены продольные теплопередающие пластины, имеющие на свободных боковых поверхностях внешнюю резьбу, выполненную с параметрами, совмещаемыми с внутренней резьбой цилиндрического корпуса магнитопровода, который на своих торцах имеет резьбовые полусферические фланцы с присоединенными к ним входным и выходным патрубками.

Частота напряжения на индукторе обеспечивает глубину проникновения электромагнитной волны на глубину равную толщине стенки цилиндрического корпуса магнитопровода, а число и толщина теплопроводящих пластин, расположенных в кольцевом сечении сердечника магнитопровода-продуктопровода подбирается с учетом технологии их крепления и обеспечения равенства условного прохода продуктопровода условному проходу впускного и выпускного патрубков.

Настоящая задача решается тем, что в проточном индукционном нагревателе жидкости, включающий индуктор с обмоткой из изолированной медной трубки и сердечник-магнитопровод-продуктопровод, отличающемся тем, что индуктор с изолированной обмоткой из медной трубки, образующей полый толстостенный цилиндр, имеет теплоэлектроизоляционный защитный экран, расположенный коаксиально внутри цилиндрического индуктора, в котором также коаксиально по скользящей посадке расположен сердечник-магнитопровод-продуктопровод, содержащий цилиндрический корпус магнитопровода с внутренней резьбой, посредством которой внутри цилиндрического корпуса коаксиально установлен сердечник, выполненный в виде полого цилиндра, заглушенного с дух концов полусферическими заглушками по внешним образующим которого прикреплены продольные теплопередающие пластины, имеющие на свободных боковых поверхностях внешнюю резьбу, выполненную с параметрами совмещаемыми с внутренней резьбой цилиндрического корпуса магнитопровода, который на своих торцах имеет резьбовые полусферические фланцы с присоединенными к ним входным и выходным патрубками, причем толщина цилиндрического корпуса магнитопровода равна глубине проникновения в нее электромагнитной волны, площадь поперечного сечения кольцевого пространства, занимаемого теплопередающими пластинами, для протекания нагреваемой жидкости равна условному проходу патрубков, а боковые поверхности теплопередающих пластин могут быть выполнены рифлеными.

Общий вид предлагаемого устройства приведен на Фиг. 1. На Фиг. 2 показан продольный разрез по А-А, а на Фиг. 3 - поперечный разрез по Б-Б, где:

1 - индуктор;

2 - сердечник-магнитопровод;

3 - компаунд;

4 - медная трубка;

5 - штуцер;

6 - клеммы;

7 - защитный экран;

8 - цилиндрический корпус магнитопровода;

9 - сердечник-обтекатель;

10 - полый цилиндр;

11, 12 - полусферические заглушки;

13 - теплопередающие пластины;

14 - внешняя резьба;

15, 16 - полусферические фланцы;

17 - входной патрубок;

18 - выходной патрубок;

19 - кольцевое секторное пространство.

Проточный индукционный нагреватель жидкости состоит из обмотки индуктора 1, представляющего собой навитую по цилиндрической поверхности с параметрами внешнего диаметра корпуса сердечника-магнитопровода 2 с учетом допуска на посадку, электроизолированную компаундом 3 медную трубку 4, имеющую штуцеры 5 для подвода и отвода охлаждающей индуктор жидкости и клеммы 6 для его подключения к генератору, а также тепло электроизоляционный защитный экран 7, расположенный коаксиально внутри цилиндрического индуктора, в котором также коаксиально по скользящей посадке расположен сердечник-магнитопровод-продуктопровод, содержащий цилиндрический корпус магнитопровода с внутренней резьбой 8, посредством которой внутри цилиндрического корпуса сердечника-магнитопровода 2 коаксиально установлен сердечник-обтекатель 9, выполненный в виде полого цилиндра 10, заглушенного с двух концов полусферическими заглушками 11, 12, по внешним образующим которого прикреплены продольные теплопередающие пластины 13, имеющие на свободных боковых поверхностях внешнюю резьбу 14, выполненную с параметрами совмещаемыми с внутренней резьбой 8 цилиндрического корпуса магнитопровода 2, который на своих торцах имеет резьбовые полусферические фланцы 15, 16 с присоединенными к ним входным 17 и выходным 18 патрубками, причем толщина цилиндрического корпуса магнитопровода 2 равна глубине проникновения в нее электромагнитной волны, а свободная площадь поперечного сечения кольцевого секторного пространства 19, образуемого теплопередающими пластинами, для протекания нагреваемой жидкости, равна условному проходу патрубков 17 и 18, а боковые поверхности теплопередающих пластин 13 могут быть выполнены рифлеными для увеличения турбулизации потока жидкости.

Подобное конструктивное решение позволяет повысить однородность электромагнитного поля в сердечнике и равномерность нагрева его поверхности, т.е. повысить теплообменные характеристики нагревателя и эффективность нагрева. Кроме того, существенно упрощена технологичность конструкции проточного водонагревателя индукционного типа, обеспечена возможность замены индуктора, без разборки продуктопровода, а разборность конструкции продуктопровода обеспечивает возможность его очистки от засорения содержащихся в нагреваемой воде загрязнений, замены вышедших из строя из-за коррозии и кавитационного износа элементов и замены сердечников с оперением из теплопроводящих пластин для настройки требуемой разницы температур и производительности проточного нагревателя без регулирования подводимой электрической мощности.

Рассмотрим работу предлагаемого проточного индукционного нагревателя жидкости. На первичную обмотку 1 (обмотку индуктора) подается переменное напряжение. Созданный обмоткой индуктора магнитный поток замыкается в замкнутой магнитной цепи сердечника-магнитопровода 2 нагревателя. Переменный ток создает магнитный поток, который порождает в сердечнике-обтекателе 9 кольцевой индукционный ток, в результате протекания которого происходит нагревание сердечника-обтекателя 9 и теплопроводящих пластин 13 в местах их крепления к сердечнику-обтекателю 9. А также магнитный поток, воздействуя глубиной проникновения электромагнитной волны на толщину стенки цилиндрического корпуса сердечника-магнитопровода 2, вызывает в нем кольцевые токи через замыкание по резьбе с теплопередающими пластинами 13, нагревая их сверху, а также вихревые токи. Дополнительный нагрев происходит за счет потерь на гистерезис. При этом технологическая резьба, крепления сердечника-обтекателя с пластинами, обеспечивает турбулизацию потока жидкости, протекающего поперек направления резьбы, создающей условия кавитации. А выполнение боковых поверхностей пластин рифлеными еще больше увеличивает турбулизацию потока.

Таким образом, преимущества предлагаемого индукционного нагревателя жидкости заключаются в следующем:

- упрощение конструкции, заключающееся в разделении функций индуктора и нагревателя-продуктопровода;

- упрощение сборки-разборки для замены частей, чистки и подбора сердечников с теплопередающим оперением для регулирования разницы температур входа и выхода без изменения подводимой электрической мощности нагревательного элемента;

- в тепловыделении участвует весь объем сердечника-магнитопровода-продуктопровода, представляющего собой замкнутую магнитную цепь;

- увеличивается равномерность нагрева сердечника-магнитопровода-продуктопровода по всей площади поверхности, что улучшает теплообменные характеристики индукционного нагревателя за счет большей равномерности и однородности магнитного поля;

- высокая теплопередача от сердечника нагревателя протекающей по сердечнику-магнитопроводу-продуктопроводу жидкости;

- уменьшение потерь и увеличение КПД;

- снижается конструкционная и технологическая сложность изготовления;

- повышается эффективность эксплуатации, технического обслуживания и текущих ремонтов, а также чистки и промывки оборудования.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в устройствах электрического нагрева жидкости для производственных технологических процессов и в быту. Технический результат - упрощение конструкции сердечника-магнитопровода, повышение КПД, технологичности его изготовления и эксплуатации. Проточный индукционный нагреватель жидкости содержит обмотку индуктора, электроизолированную компаундом медную трубку, имеющую штуцеры для подвода и отвода охлаждающей индуктор жидкости и клеммы для его подключения к генератору, а также теплоэлектроизоляционный защитный экран, расположенный коаксиально внутри цилиндрического индуктора, в котором также коаксиально по скользящей посадке расположен сердечник-магнитопровод-продуктопровод, содержащий цилиндрический корпус магнитопровода с внутренней резьбой, посредством которой внутри цилиндрического корпуса сердечника-магнитопровода коаксиально установлен сердечник-обтекатель, выполненный в виде полого цилиндра, заглушенного с двух концов полусферическими заглушками. Толщина теплопроводящих пластин, расположенных в кольцевом сечении сердечника-магнитопровода-продуктопровода, подбирается с учетом обеспечения равенства условного прохода продуктопровода условному проходу впускного и выпускного патрубков. 3 ил.

Проточный индукционный нагреватель жидкости, содержащий индуктор с обмоткой из изолированной медной трубки и сердечник-магнитопровод-продуктопровод, отличающийся тем, что индуктор с изолированной обмоткой из медной трубки, образующей полый толстостенный цилиндр, имеет теплоэлектроизоляционный защитный экран, расположенный коаксиально внутри цилиндрического индуктора, в котором также коаксиально по скользящей посадке расположен сердечник-магнитопровод-продуктопровод, содержащий цилиндрический корпус магнитопровода с внутренней резьбой, посредством которой внутри цилиндрического корпуса коаксиально установлен сердечник, выполненный в виде полого цилиндра, заглушенного с двух концов полусферическими заглушками, по внешним образующим которого прикреплены продольные теплопередающие пластины, имеющие на свободных боковых поверхностях внешнюю резьбу, выполненную с параметрами, совмещаемыми с внутренней резьбой цилиндрического корпуса магнитопровода, который на своих торцах имеет резьбовые полусферические фланцы с присоединенными к ним входным и выходным патрубками, причем толщина цилиндрического корпуса магнитопровода равна глубине проникновения в нее электромагнитной волны, а число и толщина теплопроводящих пластин, расположенных в кольцевом сечении сердечника-магнитопровода-продуктопровода, подбирается с учетом обеспечения равенства условного прохода продуктопровода условному проходу впускного и выпускного патрубков.