ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2025 года по МПК H05B6/10 F24H1/10 H01F27/28 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к индукционным нагревателям жидкостей.

Известен индукционный нагреватель текучих сред (Патент RU №2371889 С1, МПК Н05В 6/00, опубл. 27.10.2009), включающий трехфазный трансформатор с ферромагнитным сердечником, с расположенной на стержнях первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока и вторичной электропроводящей обмоткой, являющейся теплообменником для нагреваемой текучей среды, состоящим из трех камер для нагрева текучей среды, каждая из которых выполнена из двух цилиндров разного диаметра, установленных концентрично один в другом, соединенных вверху и внизу торцевыми заглушками с образованием герметичной пустотелой камеры для нагрева в ней текучей среды, внутри которых установлены стержни с первичной обмоткой.

Недостатком данного индукционного нагревателя являются плохие условия охлаждения первичной обмотки, содержащей изоляционные материалы, так как первичные катушки окружены сплошными цилиндрами, нагреваемыми до высокой температуры. Камеры для нагрева с заглушками недостаточно устойчивы к воздействию высокого давления нагреваемой среды, что приводит к снижению надёжности индукционного нагревателя. Кроме того, нагреватель занимает большую площадь, так как расположенные в одном ряду вертикальные стержни сердечника с обмотками имеют большую общую длину.

Известен индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости (Патент RU 139556 U1, МПК 05B 6/10, опубл. 20.04.214), содержащий ферромагнитный сердечник с расположенными на стержнях сердечника первичной обмоткой и вторичной обмоткой, являющейся камерой нагрева, выполненной пустотелой с входным и выходными патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, в которой имеются сквозные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлен стержень сердечника.

У данного индуктивно-кондуктивного нагревателя первичная обмотка имеет лучшие условия охлаждения, так как расположена снаружи камеры нагрева. Однако камеры нагрева, расположенные между стержнями сердечника и первичными катушками, имеют малый диаметр и, соответственно, малую поверхность теплопередачи, что увеличивает нагрев камер нагрева и ограничивает тепловую мощность. Первичные катушки, имеющие большой диаметр, требуют большого расхода обмоточного провода и изоляционных материалов. Так же, как и предыдущий рассмотренный индукционный нагреватель, данный индуктивно-кондуктивный нагреватель занимает большую площадь и имеет низкую надёжность, так как недостаточно устойчив к воздействию высокого давления нагреваемой среды.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является индукционный нагреватель текучих сред согласно патенту Российской Федерации №2263418 Н05В 6/10 от 2001г., который содержит 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, выполненную из расположенных в плоскости витков катушки первичной обмотки трубчатых элементов; 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, соединены между собой неразъемно.

Однако в таком нагревателе имеются следующие недостатки.

Во-первых, усеченные участки трубчатых элементов, выполняемые путем срезания части окружности труб, имеют повышенное электрическое сопротивление из-за уменьшения площади поперечного сечения. При этом трубчатые элементы, охватывающие крайние стержни сердечника, имеют один усеченный участок, соединённый с трубчатым элементом среднего стержня, а трубчатый элемент, охватывающий средний стержень, имеет два усеченных участка, соединённых с трубчатыми элементами крайних стержней. В результате трубчатый элемент, охватывающий средний стержень, имеет более высокое электрическое сопротивление, чем трубчатые элементы крайних стержней, что приводит к асимметрии токов в первичной обмотке, что неблагоприятно для питающей электрической сети, а также к различной плотности теплового потока в трубчатых элементах среднего и крайних стержней, что может приводить к чрезмерным местным перегревам нагреваемой среды и снижению надёжности работы нагревателя.

Во-вторых, в трубчатых элементах, каждый из которых является одним витком вторичной обмотки, протекают большие по величине токи, вызывающие значительные электромагнитные силы, действующие на трубчатые элементы и пульсирующие с частотой, равной двойной частоте первичной сети. Вместе с тем трубчатые элементы закреплены только в крайних точках, где они приварены к коллекторным трубам, в связи чем они подвержены деформациям под действием электромагнитных сил, и как следствие высоким вибрациям и шуму, имеющим частоту, равную двойной частоте первичной сети. Вибрации снижают надежность и долговечность сварных соединений, что может привести к выходу из строя нагревателя.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности индукционного нагревателя жидкостей за счет обеспечения равномерности нагрева жидкого продукта в индукционном трехфазном нагревателе и симметрии электрических токов в трехфазной первичной сети, а также за счет снижения шума и вибрации в процессе работы.

Сущность изобретения заключается в том, что в индукционном нагревателе жидкостей, содержащем ферромагнитный сердечник, с расположенными на трех его стержнях катушками первичной обмотки, соединенной с источником питания, а также расположенную вокруг первичной обмотки вторичную обмотку, выполненную в виде витков из электропроводящей трубы, причем смежные витки вторичной обмотки, охватывающие соседние стержни сердечника, соединены между собой герметично с возможностью протекания между ними жидкости с помощью усеченных участков электропроводящей трубы и образуют вертикально расположенные секции, при этом каждый из витков вторичной обмотки выполнен из двух одинаковых дугообразных элементов, а крайние витки секций соединены с коллекторными трубами, предлагается в каждом из витков вторичной обмотки соответствующие концы дугообразных элементов соединить между собой прямыми участками электропроводящей трубы, при этом длина прямых участков электропроводящей трубы в крайних витках секций превышает длину прямых участков электропроводящей трубы в средних витках секций, а секции вторичной обмотки соединены между собой неразъемно перемычками, расположенными горизонтально.

Длина прямых участков электропроводящей трубы в крайних витках секций может превышать длину прямых участков электропроводящей трубы в средних витках секций в 1,4-1,8 раза.

Усечение на прямых участках электропроводящей трубы выполняется путем срезания части наружного периметра электропроводящей трубы, причем длина прямых участков электропроводящей трубы и глубина срезов выбираются из условия формирования канала между смежными витками секции, достаточного для протекания нагреваемой жидкости. Прямые участки электропроводящей трубы крайних витков предлагается выполнять длиннее прямых участков электропроводящей трубы среднего витка для обеспечения равенства электрических сопротивлений всех витков, равномерного их нагрева, равенства тепловых потоков в них и симметрии токов в трёхфазном источнике тока. Исходя из проведённых расчётов различных вариантов исполнения и имеющихся опытных данных, равенство электрических сопротивлений витков достигается при превышении длины прямых участков электропроводящей трубы крайних витков в 1,4-1,8 раза по сравнению с длиной прямых участков электропроводящей трубы средних витков.

Для предотвращения вибрации секций вторичной обмотки вследствие их взаимного перемещения под воздействием переменных электродинамических сил предлагается секции вторичной обмотки соединить между собой, предпочтительно сварным соединением, перемычками круглого либо многогранного поперечного сечения, по две перемычки с противоположных сторон каждого витка (итого 6 перемычек) для обеспечения неподвижности и предотвращения вибраций вторичной обмотки. Соединённые между собой перемычками секции вторичной обмотки образуют жёсткую конструкцию, неподверженную вибрациям, которые могут неблагоприятно воздействовать на сварные соединения и создавать повышенный шум; в результате повышается надёжность индукционного трёхфазного нагревателя и значительно снижается уровень шума при его работе.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фигурах 1-6.

На фиг. 1 представлен индукционный нагреватель жидкостей в трёхфазном исполнении, общий вид. Нагреватель содержит трёхстержневой ферромагнитный сердечник 1 с горизонтально расположенными стержнями, на которых установлены катушки 2 первичной обмотки, а также расположенную вокруг первичной обмотки вторичную обмотку из электропроводящей трубы, содержащую три секции, каждая из которых включает в себя два крайних витка 4 и один средний виток 3. Вторичная обмотка является нагревательным элементом протекающей в ней жидкости.

На фиг. 2 представлен нагревательный элемент трёхфазного индукционного нагревателя жидкостей, содержащий три секции, каждая из которых содержит три витка из электропроводящей трубы, представляющих собой витки вторичной обмотки - два крайних витка 4 и один средний виток 3.

На фиг. 3 показан вид А фиг. 2, где представлена одна из трёхвитковых секций нагревательного элемента. Секции содержат один средний 3 и два крайних 4 витка, герметично соединённые между собой. Каждый виток состоит из двух дугообразных частей электропроводящей трубы в виде полуокружностей одинакового радиуса с прямыми участками электропроводящей трубы между ними длиной L1 в среднем витке 3 и длиной L2 в крайних витках 4, причём L2>L1. Крайние витки 3 соединены с коллекторными трубами 5, имеющими элементы для подсоединения к внешней гидравлической системе (на фигурах не показаны). На фиг. 2 стрелками показано направление движения нагреваемой жидкости, а также показаны стрелками электродинамические силы F, действующие на секции нагревательного элемента и изменяющиеся с частотой, равной удвоенной частоте питающей сети. Для предотвращения вибрации и шума под воздействием переменных электродинамических сил F секции соединены между собой неподвижно перемычками 6.

На фиг. 4а и 4б представлены соответственно средний виток 3 и крайние витки 4 из электропроводящей трубы, которые усечены на прямых участках электропроводящей трубы путём срезания части наружного периметра трубы для получения сопрягаемых между собой поверхностей.

На фиг. 5 показан вид Б фиг. 4а, где представлена форма канала между витками 3,4, получаемого путём усечения витка 3 из электропроводящей трубы. Усечение выполняется путём срезания части наружного периметра электропроводящей трубы на глубину а.

На фиг. 6 представлено поперечное сечение электропроводящей трубы со срезом. Глубину среза а совместно с длиной L1 прямых участков электропроводящей трубы витков 3 выбирают, исходя из необходимости получения канала, достаточного для протекания жидкости. Длина Lср срезанной части электропроводящей трубы зависит от длины прямого участка витка, от глубины а среза, формы витка и рассчитывается исходя геометрических размеров витков.

В крайних витках 4 срезанная часть имеет дополнительные участки длиной ΔL, предназначенные для увеличения длины крайнего витка с целью выравнивания электрических сопротивлений среднего витка 3 и крайнего витков 4. Форма участков ΔL соответствует форме среднего витка 3, чем обеспечивается сопряжение витков и их герметичное соединение.

Пример реализации заявляемого индукционного трёхфазного нагревателя жидкости, соответствует изображениям, приведённым на фиг. 1-6. Нагреватель содержит трёхстержневой ферромагнитный сердечник 1, на горизонтальных стержнях которого расположена первичная обмотка из трёх катушек 2, а также расположенную вокруг первичной обмотки вторичную обмотку, содержащую средний виток 3 и крайние витки 4 из электропроводящей трубы, при этом диаметр d_тр трубы может быть выбран из имеющегося сортамента, например, равным 3,8 мм. Витки 3,4 выполнены из двух одинаковых дугообразных элементов в виде полуокружностей одинакового радиуса R, равного 138 мм с прямыми участками электропроводящей трубы между ними длиной L1, равной 40 мм в средних витках. На прямых участках выполнены усечения витков путём срезания трубы на глубину а, равную 7 мм, что обеспечивает формирование каналов между витками 3,4, достаточных для протекания жидкости. Длина L2 прямых участков крайних витков 4 рассчитывается исходя из получения равенства электрических сопротивлений среднего и крайних витков. Длина среза Lср₁ в среднем витке 3 рассчитывается исходя из геометрических соотношений:

Lср₁=2[R²-(R-а)²]^-0,5+L1≈125 мм.

Уменьшение поперечного сечения электропроводящей трубы в области среза, приводящее к увеличению электрического сопротивления для вторичного тока, рассчитывается исходя из угла раскрытия α (фиг. 5):

arccos(α/2)=b/r_тр, α=102°,

где b=r_тр-а; r_тр=19 мм - радиус электропроводящей трубы.

Отношение поперечного сечения Sп электропроводящей трубы в области среза к полному сечению трубы составляет

Sср/Sп=(360°-α)/360°=0,718.

Увеличение электрического сопротивления участка электропроводящей трубы из-за наличия среза составляет:

ΔR=Lср₁⋅ρ/Sп⋅(1/0,718-1)=0,39Lср₁⋅ρ/Sп,

где ρ - удельное сопротивление материала электропроводящей трубы.

Средний виток 3 содержит два участка со срезами, каждый из которых имеет увеличенное электрическое сопротивление на величину ΔR, а крайние витки 4 содержат один участок со срезом. Для равенства электрических сопротивлений крайний виток 4 содержит дополнительные участки ΔL, увеличивающие длину витка 4 на величину 4⋅ΔL и, соответственно, и его электрическое сопротивление. Поперечное сечение электропроводящей трубы в области участков ΔL, с учётом их формы, соответствующей радиусу изгиба среднего витка 3, составляет в среднем 0,9⋅Sп. Электрическое сопротивление дополнительных участков составляет R_доп=4⋅ΔL⋅ρ/(0,9⋅Sп). Равенство электрических сопротивлений крайнего витка 4 и среднего витка 3 выполняется при условии R_доп=ΔR:

4⋅ΔL⋅ρ/(0,9⋅Sп)=0,39Lср⋅ρ/Sп, откуда ΔL=11 мм.

Таким образом, длина Lср₂ срезанных участков у крайних витков 4 должна превышать длину Lср₁ на величину 2⋅ΔL. На такую же величину длина L2 прямых участков крайних витков 4 должна превышать длину L1 прямых участков средних витков 3:

L2=L1+2⋅ΔL=40+2⋅11=62 мм,

что и предлагается принять в рассматриваемом индукционном трёхфазном нагревателе жидкостей. Соотношение L2/L1 при этом равно 1,55 что соответствует заявляемому диапазону 1,4-1,8, при котором соблюдается равенство электрических сопротивлений среднего и крайних витков. Для обеспечения жёсткости нагревательного элемента и предотвращения вибраций при работе секции соединены между собой перемычками 6, выполненными в виде стержней круглого либо многогранного поперечного сечения.

Предлагаемый индукционный нагреватель работает следующим образом. При подключении катушек 2 первичной обмотки к сети переменного тока в ферромагнитном сердечнике 1 создается переменный магнитный поток, с которым индуктивно связан каждый трубчатый элемент витков 3, 4, образующих замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника 1. В трубчатых элементах витков 3,4 индуцируются токи, вызывающие их нагрев. Тепло от нагретых поверхностей трубчатых элементов витков 3,4 передается текучей среде, поступающей в теплообменник и вытекающей через коллекторные трубы 5, подсоединенные к внешней гидравлической системе (на фигурах не показаны). Равенство электрических сопротивлений всех витков 3,4, которое достигается при превышении длины прямых участков электропроводящей трубы крайних витков 4 в 1,4-1,8 раза по сравнению с длиной прямых участков электропроводящей трубы средних витков 3, обеспечивает равномерный их нагрев, равенство тепловых потоков в них и симметрию токов в трёхфазном источнике тока. Вибрация и шум от воздействия переменных электродинамических сил предотвращены за счёт соединения секций из витков 3,4 между собой неподвижно перемычками 6.

Техническим результатом изобретения является повышение надёжности индукционного нагревателя за счёт обеспечения равномерности нагрева жидкого продукта в индукционном трёхфазном нагревателе и симметрии электрических токов в трехфазной первичной сети, а также за счёт снижения шума и вибрации в процессе работы.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к индукционным нагревателям жидкостей. Технический результат заключается в повышении надежности индукционного нагревателя жидкостей за счет обеспечения равномерности нагрева жидкого продукта в индукционном трехфазном нагревателе и симметрии электрических токов в трехфазной первичной сети, а также за счет снижения шума и вибрации в процессе работы. Индукционный нагреватель жидкости содержит ферромагнитный сердечник, с расположенными на трех его стержнях катушками первичной обмотки, соединенной с источниками питания, а также расположенную вокруг первичной обмотки вторичную обмотку, выполненную в виде витков из электропроводящей трубы. Смежные витки вторичной обмотки, охватывающие соседние стержни сердечника, соединены между собой герметично с возможностью протекания между ними жидкости с помощью усеченных участков электропроводящей трубы и образуют вертикально расположенные секции. Каждый из витков вторичной обмотки выполнен из двух одинаковых дугообразных элементов, а крайние витки секций соединены с коллекторными трубами. В каждом из витков вторичной обмотки соответствующие концы дугообразных элементов соединены между собой прямыми участками электропроводящей трубы. Длина прямых участков электропроводящей трубы в крайних витках секций превышает длину прямых участков электропроводящей трубы в средних витках секций, а секции вторичной обмотки соединены между собой неразъемно перемычками, расположенными горизонтально. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Индукционный нагреватель жидкости, содержащий ферромагнитный сердечник, с расположенными на трех его стержнях катушками первичной обмотки, соединенной с источником питания, а также расположенную вокруг первичной обмотки вторичную обмотку, выполненную в виде витков из электропроводящей трубы, причем смежные витки вторичной обмотки, охватывающие соседние стержни сердечника, соединены между собой герметично с возможностью протекания между ними жидкости с помощью усеченных участков электропроводящей трубы и образуют вертикально расположенные секции, при этом каждый из витков вторичной обмотки выполнен из двух одинаковых дугообразных элементов, а крайние витки секций соединены с коллекторными трубами, отличающийся тем, что в каждом из витков вторичной обмотки соответствующие концы дугообразных элементов соединены между собой прямыми участками электропроводящей трубы, при этом длина прямых участков электропроводящей трубы в крайних витках секций превышает длину прямых участков электропроводящей трубы в средних витках секций, а секции вторичной обмотки соединены между собой неразъемно перемычками, расположенными горизонтально.

2. Индукционный нагреватель жидкости по п. 1, отличающийся тем, что длина прямых участков электропроводящей трубы в крайних витках секций превышает длину прямых участков электропроводящей трубы в средних витках секций в 1,4-1,8 раза.