ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ ИНДУКЦИОННЫЙ ПРОТОЧНЫЙ Российский патент 2025 года по МПК H05B6/10 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электротехническому тепловому оборудованию и предназначено для нагрева жидкостей, в том числе высокотемпературных теплоносителей с температурой нагрева до 300°С.

Наиболее высокими энергетическими характеристиками обладают индукционные нагреватели жидкостей трансформаторного типа, к которым относится заявляемое устройство.

Известен индукционный нагреватель текучих сред согласно патенту на изобретение Российской Федерации №2263418 С1, МПК Н05В 6/10, опубл. 27.10.2005, 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, при этом стержни сердечника установлены так, что витки первичной и вторичной обмоток располагаются в вертикальной плоскости. Недостатком такого индукционного нагревателя является повышенная температура первичной обмотки, содержащей изоляционные материалы, в связи с тем, что обмотка окружена подогретым воздухом, нагреваемым при его протекании между горячими трубчатыми элементами. Кроме того, для прохода охлаждающего воздуха между трубчатыми элементами должны быть достаточные расстояния, из-за чего трубчатые элементы выполняются без эффективной теплоизоляции, что увеличивает потери тепла и снижает КПД нагревателя. Наиболее заметен этот недостаток при нагреве жидкостей до высоких температур, что делает практически неприменимым такой нагреватель для нагрева высокотемпературных теплоносителей.

Известен индукционный нагреватель текучих сред согласно патенту на изобретение RU 2371889 С1, опубл. 2009.10.27, 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.

Первичная обмотка и камеры для нагрева текучей среды расположены вертикально с воздушными каналами между ними, что создает условия для конвективного движения воздуха, охлаждающего первичную обмотку. Однако недостатком данного индукционного нагревателя является сложность достижения достаточной поверхности теплообмена, а также невысокая скорость протока текучей среды, что в совокупности ведет к недостаточной эффективности теплообмена, повышенной температуре греющих поверхностей, что особенно актуально при нагреве высокотемпературных теплоносителей. Кроме того, теплообменник, состоящий из двух цилиндров, установленных концентрично один в другом, соединенных торцевыми заглушками, имеет невысокую устойчивость к повышенным давлениям, что снижает надежность индукционного нагревателя.

Предпочтительнее с точки зрения эффективности теплообмена, а также устойчивости к воздействию повышенных давлений являются трубчатые теплообменные устройства.

Известен прямоточный электрический парогенератор согласно патенту на полезную модель RU №184808 U1, опубл. 12.11.2018, включающий плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, первичные обмотки, расположенные в виде катушек на стержнях и электрически изолированные от них, трубчатую вторичную обмотку, имеющую подводящий и отводящий патрубки и расположенную в магнитном поле изолированно от первичных обмоток и охватывающую все стержни ферромагнитного сердечника так, что вокруг каждого стержня образует замкнутые витки, расположенные в межкатушечном пространстве поочередно друг над другом. Вторичная обмотка парогенератора представляет собой одну сплошную трубу, охватывающую все катушки первичной обмотки и имеющую входной и выходной патрубки. Такая вторичная обмотка, являющаяся нагревательным элементом, состоящая из единой трубы большой длины, имеет высокое гидравлическое сопротивление, из-за чего парогенератор практически не применим для проточного нагрева жидкостей, в особенности обладающих повышенной вязкостью, например высокотемпературных теплоносителей.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является индукционный нагреватель текучих сред согласно патенту на полезную модель №206564, опубл. 17.09.2021, содержащий трехстержневой магнитопровод, каждый стержень которого охвачен первичной обмоткой, соединенной с источником энергии, и вторичной обмоткой, выполненной в виде витков трубки из электропроводящего материала и охватывающей первичную обмотку, патрубки для подвода холодной и отвода горячей жидкости.

Недостатком данного нагревателя является подсоединение всех трубчатых витков вторичной обмотки, в которых нагревается жидкость, к коллекторным трубам таким образом, что поток жидкости разделяется параллельно на все трубчатые витки. В результате при большом числе трубчатых витков получается низкая скорость течения текучей среды в трубчатых витках, кроме того, возможно неравномерное распределение потоков среды по трубчатым виткам, что еще в большей степени снижает скорость течения в некоторых трубах. Вследствие низкой скорости течения жидкости снижается коэффициент теплоотдачи от стенок труб к нагреваемой текучей среде, что приводит к чрезмерному перегреву труб и прилегающих к ним слоев нагреваемой среды. Данное обстоятельство особенно неблагоприятно сказывается и может быть опасным при нагреве высокотемпературных теплоносителей, так как приводит к их разложению и может привести к воспламенению горючего теплоносителя. Стержни магнитопровода в аналоге расположены вертикально; между первичной и вторичной обмотками существует вертикальный канал, что создает возможность для конвективного потока воздуха. Однако трубчатые витки вторичной обмотки, имеющие высокую температуру, не защищены теплоизоляцией, что приводит к увеличению тепловых потерь, нагреву воздуха в канале между обмотками и, как следствие, к возможному перегреву первичной обмотки выше допускаемого значения для применяемого класса изоляции.

Кроме того, в рассмотренных аналогах не принимается мер для компенсации изменений длины греющих труб вследствие изменения их температуры, что при циклических нагревах и охлаждениях приводит к чрезмерным механическим напряжениям, способным снизить надежность устройства и вызвать нарушение герметичности нагревательного устройства, приводящее к аварийной ситуации.

Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности нагрева жидкости и повышения надежности устройства путем повышения скорости течения нагреваемой жидкости и снижения тепловых потерь за счет улучшения теплоизоляции трубчатых витков, а также устранения механических напряжений в элементах электронагревателя, вызванных изменениями их длины вследствие теплового расширения.

Сущность изобретения заключается в том, что в электронагревателе индукционном проточном, содержащем ферромагнитный сердечник, на вертикальных стержнях которого расположена первичная обмотка, подключенная к источнику переменного тока, и вторичная обмотка, расположенная вокруг первичной обмотки и выполненная в виде трубчатых витков из электропроводящего материала, охватывающих стержни сердечника, при этом смежные трубчатые витки, расположенные в одной горизонтальной плоскости, соединены между собой герметично, а крайние из них подключены соответственно к одной и второй вертикальным коллекторным трубам, между которыми по расположенным в параллельных горизонтальных плоскостях трубчатым виткам протекает нагреваемая жидкость, поступающая и отводящаяся соответственно через входной и выходной патрубки, предлагается, согласно изобретению, в первой и второй коллекторных трубах установить глухие поперечные перегородки на высоте, которая увеличивается поочередно в первой коллекторной трубе и во второй коллекторной трубе так, что коллекторные трубы разделены перегородками на отсеки, к каждому из которых подключено заданное количество трубчатых витков для последовательного чередования проходов всей нагреваемой жидкости в прямом и встречном направлениях.

Выполнение глухих поперечных перегородок, расположенных на высоте, увеличивающейся поочередно в первой и второй коллекторной трубе, и разделение коллекторных труб на отсеки, к каждому из которых параллельно подсоединено заданное количество трубчатых витков, обеспечивает последовательное многопроходное протекание нагреваемой жидкости с чередованием направления движения.

Заданное количество трубчатых витков, подключенных к каждому отсеку, может составлять не менее одного, но не более двух. Заданное количество трубчатых витков, подключенных к каждому отсеку и соединенных параллельно может составлять не менее двух, но не более четырех.

Количество последовательных проходов нагреваемой жидкости с чередующимся направлением движения определяется исходя из заданного количества параллельно соединенных трубчатых витков, а также общего количества трубчатых витков во вторичной обмотке.

Поскольку скорость течения жидкости обратно пропорциональна площади проходного сечения параллельно соединенных труб, то с уменьшением количества параллельно соединенных трубчатых витков и, соответственно, увеличения числа последовательных проходов жидкости скорость течения в трубчатых витках увеличивается, вследствие чего возрастает коэффициент теплоотдачи от стенок трубчатых витков к нагреваемой жидкости, снижается температура трубчатых витков и прилегающих к ним слоев нагреваемой жидкости.

Ввиду малого количества параллельно соединенных трубчатых витков (предпочтительно не более трех) в каждом проходе обеспечивается более высокая, по сравнению с аналогами, скорость течения жидкости и равномерное распределение потоков в трубчатых витках, благодаря чему достигается высокий коэффициент теплоотдачи от всех трубчатых витков к нагреваемой жидкости, исключается чрезмерный перегрев трубчатых витков и прилегающих к ним слоев нагреваемой жидкости.

Входной и выходной патрубки могут быть расположены на одной коллекторной трубе при четном числе проходов жидкости.

Входной и выходной патрубки могут быть расположены на противоположных коллекторных трубах при нечетном числе проходов жидкости.

Трубчатые витки и коллекторные трубы вторичной обмотки могут быть покрыты теплоизоляцией.

Вторичная обмотка может быть снабжена элементами фиксации в четырех крайних точках коллекторных труб, причем в одной точке установлены элементы неподвижной фиксации, а в трех других точках установлены элементы подвижной фиксации с возможностью вертикальных и горизонтальных перемещений, возникающих в результате тепловых деформаций элементов электронагревателя.

Входной и выходной патрубки могут быть расположены как на одной коллекторной трубе, так и на противоположных коллекторных трубах. Возможность расположения входного и выходного патрубков как на одной коллекторной трубе, так и на противоположных коллекторных трубах способствует расширению функциональных возможностей электронагревателя.

Наличие теплоизоляции на вторичной обмотке, имеющей высокую температуру, снижает потери тепла и предотвращает перегрев воздуха в вертикальном канале между первичной и вторичной обмотками, что исключает перегрев первичной обмотки электронагревателя. В результате повышается коэффициент полезного действия и надежность работы электронагревателя.

Для устранения механических напряжений, вызванных изменениями длины коллекторных труб электронагревателя вследствие изменений температуры, введены элементы фиксации в четырех крайних точках коллекторных труб, причем в одной точке выполнена неподвижная фиксация, а в трех других точках выполнена подвижная фиксация с возможностью перемещений от усилий, возникающих из-за изменения длины труб при их нагреве и охлаждении.

На фиг. 1-7 представлен электронагреватель индукционный проточный, предназначенный для нагрева различных жидкостей, в том числе высокотемпературных теплоносителей с температурой нагрева до 300°С.

На фиг.1 представлен общий вид электронагревателя индукционного проточного

На фиг.2 представлен вертикальный разрез электронагревателя индукционного проточного.

На фиг.3 представлен горизонтальный разрез электронагревателя индукционного проточного.

На фиг.4 представлена вторичная обмотка электронагревателя индукционного проточного, содержащая трубчатые витки, подсоединенные к вертикальным коллекторным трубам, снабженным входным и выходным патрубками, расположенными на одной коллекторной трубе. Вид спереди.

На фиг.5 представлена вторичная обмотка электронагревателя индукционного проточного, содержащая трубчатые витки, подсоединенные к вертикальным коллекторным трубам, снабженным входным патрубком, расположенным на одной коллекторной трубе и выходным патрубком, расположенным на другой коллекторной трубе. Вид спереди.

На фиг.6, 7 показана фиксация коллекторных труб 5 в подвижных опорах 9-11. Фиг.6 вид сбоку. Фиг.7. вид сверху.

Электронагреватель индукционный проточный, приведенный на фиг.1, содержит ферромагнитный сердечник 1, на вертикальных стержнях которого расположена первичная обмотка 2, подсоединяемая к электрической сети переменного тока, а также расположенную вокруг первичной обмотки 2 вторичную обмотку, содержащую трубчатые витки 3 из электропроводящей трубы, в которой индуцируются электрические токи, нагревающие трубчатые витки 3, от которых тепло передается протекающей в ней жидкости. Трубчатые витки 3 покрыты теплоизоляцией 4 для снижения тепловых потерь в окружающую среду, а также предотвращения перегрева первичной обмотки 2. Смежные трубчатые витки 3, охватывающие соседние стержни сердечника 1, расположенные в одной горизонтальной плоскости, герметично соединены между собой, а крайние из них трубчатые витки 3 соединены с двумя коллекторными трубами 5, между которыми по смежным трубчатым виткам 3 протекает нагреваемая жидкость, поступающая и отводящаяся соответственно через входной и выходной патрубки 6.

Вторичная обмотка индукционного проточного электронагревателя, приведенная на фиг.4, содержит трубчатые витки 3, соединенные с коллекторными трубами 5, снабженными патрубками 6, расположенными на одной коллекторной трубе 5. В коллекторных трубах 5 установлены три глухие поперечные перегородки 7 на высоте, которая увеличивается поочередно в первой коллекторной трубе 5 и во второй коллекторной трубе 5 так, что коллекторные трубы 5 делятся перегородками на отсеки, к каждому из которых подсоединено заданное количество трубчатых витков 3, за счет чего формируется прохождение нагреваемой жидкости последовательно за четыре чередующихся прямых и обратных прохода по трубчатым виткам 3. Движение нагреваемой жидкости показано стрелками. Каждый проход жидкости осуществляется по двум либо трем трубчатым виткам 3. При четном числе проходов жидкости патрубки 6 располагаются на одной коллекторной трубе 5, как показано на фиг.4. Ввиду малого количества параллельных трубчатых витков 3 (предпочтительно не более трех) в каждом проходе обеспечивается высокая скорость течения жидкости и равномерное распределение потоков по параллельным виткам, благодаря чему достигается высокий коэффициент теплоотдачи от всех трубчатых витков 3 к нагреваемой жидкости, исключается чрезмерный перегрев трубчатых витков 3 и прилегающих к ним слоев нагреваемой жидкости. На фиг.5 представлен вариант выполнения вторичной обмотки электронагревателя с расположением входного и выходного патрубков 6 на противоположных коллекторных трубах 5. В этом случае число проходов жидкости должно быть нечетным, например трем, как показано на фиг.5.

На фиг.4 приведена схема фиксации коллекторных труб 5 с помощью опор 8 11. Опора 8 неподвижно соединяет коллекторную трубу 5 с каркасом электронагревателя (на фигурах не показан). В опоре 9 коллекторная труба 5 имеет возможность вертикального перемещения вследствие изменения ее длины. В опоре 10 коллекторная труба 5 имеет возможность горизонтального перемещения вследствие изменения длины трубчатых витков 3. В опоре 11 коллекторная труба 5 имеет возможность как вертикального, так и горизонтального перемещения. Такая схема фиксации обеспечивает стабильное положение коллекторных труб 5 и подсоединенных к ним трубчатых витков 3, исключая смещение под действием силы тяжести и внешних воздействий, и. вместе с тем, не препятствует перемещениям, вызванных изменениям длины труб 3,5 вследствие изменения их температуры в процессе циклов нагрева и охлаждения, что исключает механические напряжения в трубчатых витках 3 и коллекторных трубах 5 вторичной обмотки.

На фиг.6, 7 показана фиксация коллекторных труб 5 в подвижных опорах 9-11. Коллекторная труба 5 зажимается с расчетным натягом между неподвижно соединенной с ней пластиной 12 и хомутом 13 прижимными болтами 14. Пластина 12 размещается в направляющих 15, неподвижно соединенных с каркасом электронагревателя, и прижимается с расчетным натягом к направляющим 15 прижимными болтами 16. Затяжка болтов 14 рассчитывается исходя из возможности вертикального перемещения коллекторных труб 5 в опорах 9 и 11, вызванного изменением длин коллекторных труб 5 при изменении их температуры. Затяжка болтов 16 рассчитывается исходя из возможности горизонтального перемещения пластин 12 в опорах 10 и 11, вызванного изменением длины трубчатых витков 3 при изменении их температуры. При этом исключается смещение трубчатых витков 3 и коллекторных труб 5 вторичной обмотки от воздействия силы тяжести и внешних воздействий.

Предлагаемый индукционный проточный электронагреватель 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 виток 3 вторичной обмотки, образующий замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника 1. В трубчатых витках 3 индуцируются токи, вызывающие их нагрев. Тепло от нагретых поверхностей трубчатых витков 3 вторичной обмотки передается нагреваемой жидкости, поступающей и вытекающей через коллекторные трубы 5, подсоединенные к внешней гидравлической системе (на фигурах не показаны). Поперечные перегородки 7, расположенные на высоте, увеличивающейся поочередно в первой и второй коллекторных трубах 5 разделяют коллекторные трубы 5 на отсеки. К каждому отсеку подключено заданное количество трубчатых витков 3, что обеспечивает протекание нагреваемой жидкости с чередованием направлений движения, то есть с чередованием прямого и обратного проходов жидкости, за счет чего повышается скорость движения жидкости.

Поскольку скорость течения жидкости обратно пропорциональна площади проходного сечения параллельно соединенных труб, то с увеличением числа чередующихся проходов скорость течения жидкости в трубчатых витках соответственно увеличивается, вследствие чего возрастает коэффициент теплоотдачи от стенок трубчатых витков к жидкости, снижается температура трубчатых витков и прилегающих к ним слоев нагреваемой жидкости. Ввиду малого количества параллельных трубчатых витков (предпочтительно не более трех) в каждом проходе обеспечивается более высокая, по сравнению с аналогами, скорость течения жидкости и равномерное распределение потоков по параллельным виткам, благодаря чему достигается высокий коэффициент теплоотдачи от всех трубчатых витков к нагреваемой жидкости, исключается чрезмерный перегрев трубчатых витков и прилегающих к ним слоев нагреваемой жидкости.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности нагрева жидкости и надежности работы индукционного прямоточного электронагревателя за счет повышения скорости течения нагреваемой жидкости, снижения тепловых потерь, а также устранения механических напряжений в элементах электронагревателя, вызванных тепловыми деформациями.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для проточного нагрева проточных жидкостей, в том числе высокотемпературных теплоносителей с температурой нагрева до 300°С. Технический результат - повышение эффективности нагрева жидкости и повышение надёжности устройства путем повышения скорости течения нагреваемой жидкости и снижения тепловых потерь. Электронагреватель индукционный проточный содержит ферромагнитный сердечник, на вертикальных стержнях которого расположена первичная обмотка, подключенная к источнику переменного тока, и вторичная обмотка, расположенная вокруг первичной обмотки и выполненная в виде трубчатых витков из электропроводящего материала, охватывающих стержни сердечника. Смежные трубчатые витки, расположенные в одной горизонтальной плоскости, соединены между собой герметично, а крайние из них подключены соответственно к одной и второй вертикальным коллекторным трубам, между которыми по расположенным в параллельных горизонтальных плоскостях трубчатым виткам протекает нагреваемая жидкость, поступающая и отводящаяся соответственно через входной и выходной патрубки. В первой и второй коллекторных трубах установлены глухие поперечные перегородки на высоте, которая увеличивается поочерёдно в первой коллекторной трубе и во второй коллекторной трубе так, что коллекторные трубы разделены перегородками на отсеки, к каждому из которых подключено заданное количество трубчатых витков для последовательного чередования проходов всей нагреваемой жидкости в прямом и встречном направлениях. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электронагреватель индукционный проточный, содержащий ферромагнитный сердечник, на вертикальных стержнях которого расположена первичная обмотка, подключенная к источнику переменного тока, и вторичная обмотка, расположенная вокруг первичной обмотки и выполненная в виде трубчатых витков из электропроводящего материала, охватывающих стержни сердечника, при этом смежные трубчатые витки, расположенные в одной горизонтальной плоскости, соединены между собой герметично, а крайние из них подключены соответственно к одной и второй вертикальным коллекторным трубам, между которыми по расположенным в параллельных горизонтальных плоскостях трубчатым виткам протекает нагреваемая жидкость, поступающая и отводящаяся соответственно через входной и выходной патрубки, отличающийся тем, что в первой и второй коллекторных трубах установлены глухие поперечные перегородки на высоте, которая увеличивается поочерёдно в первой коллекторной трубе и во второй коллекторной трубе так, что коллекторные трубы разделены перегородками на отсеки, к каждому из которых подключено заданное количество трубчатых витков для последовательного чередования проходов всей нагреваемой жидкости в прямом и встречном направлениях.

2. Электронагреватель индукционный проточный по п.1, отличающийся тем, что заданное количество трубчатых витков, подключенных к каждому отсеку, составляет не менее одного, но не более двух.

3. Электронагреватель индукционный проточный по п.1, отличающийся тем, что заданное количество трубчатых витков, подключенных к каждому отсеку и соединенных параллельно, составляет не менее двух, но не более четырёх.

4. Электронагреватель индукционный проточный по п.1, отличающийся тем, что входной и выходной патрубки расположены на одной коллекторной трубе.

5. Электронагреватель индукционный проточный по п.1, отличающийся тем, что входной и выходной патрубки расположены на противоположных коллекторных трубах.

6. Электронагреватель индукционный проточный по п.1, отличающийся тем, что трубчатые витки и коллекторные трубы вторичной обмотки покрыты теплоизоляцией.

7. Электронагреватель индукционный проточный по п.1, отличающийся тем, что вторичная обмотка снабжена элементами фиксации в четырёх крайних точках коллекторных труб, причём в одной точке установлены элементы неподвижной фиксации, а в трёх других точках установлены элементы подвижной фиксации с возможностью перемещений от усилий.

8. Электронагреватель индукционный проточный по п.1, отличающийся тем, что между первичной и вторичной обмоткой выполнен кольцевой канал.