Патент на изобретение №2371889

(54) ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники, а именно к индукционным нагревателям текучих средств. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности индукционного нагревателя и обеспечение возможности его использования в системах с естественной циркуляцией, а также при нагреве до высоких температур текучих сред с принудительной циркуляцией. Индукционный нагреватель текучих сред включает 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. Трубопровод подачи текучей среды в камеры для нагрева установлен внизу индукционного нагревателя, два патрубка для входа текучей среды соответственно в первую и вторую камеры для нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу, конец трубопровода подачи текучей среды присоединен непосредственно к третьей камере для нагрева по ходу подачи текучей среды, трубопровод выхода текучей среды установлен вверху индукционного нагревателя, конец трубопровода выхода текучей среды присоединен к первой или третьей камере для нагрева, два другие патрубка для выхода текучей среды из камер нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу. Патрубки и конец трубопровода подачи текучей среды могут быть установлены на нижней цилиндрической части камер. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к индукционным нагревателям текучих сред. Изобретение может быть использовано для отопления жилых помещений и зданий, для нагрева воды и других текучих сред при проведении различных технологических процессов.

Известно трехфазное электронагревательное устройство трансформаторного типа (свидетельство на полезную модель RU 2692, МПК⁶ H05В 6/10, опубл. 16.08.96 г.). Электроводонагреватель содержит плоский шихтованный стержневой магнитопровод с трехфазной первичной обмоткой и короткозамкнутую вторичную обмотку. Вторичная обмотка состоит из трех цилиндров, концентрически охватывающих первичные обмотки, боковин, охватывающих все три стержня с обмотками, и двух торцов – верхнего и нижнего, причем вторичная обмотка является одновременно частью бака.

Недостатком устройства является низкий коэффициент полезного действия и высокая металлоемкость.

Известен индукционный нагреватель жидкости (свидетельство на полезную модель RU 21709, МПК⁶ Н05В 6/10, опубл. 27.01.2002 г.). Индукционный нагреватель жидкости содержит трехфазный трансформатор с ферромагнитным сердечником, с расположенными на стержнях 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 расположен стержень трансформатора. Камера нагрева снабжена перемычками из электропроводящего материала, расположенными между сквозными каналами, электрически соединяющими противоположные стенки камеры нагрева и образующими короткозамкнутые контуры вокруг стержней сердечника.

Недостатком нагревателя является недостаточный теплосъем, что приводит к перегреву первичной обмотки на крайних стержнях, отсутствие симметрии коэффициентов мощности по фазам, камера не способна держать высокое давление.

Известен индукционный нагреватель жидкости (Патент RU 2074529, МПК⁶ Н05В 6/10, опубл. 27.02.97 г.), который содержит корпус, размещенный в нем трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником, с расположенной на стержнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой, являющейся теплообменником. Теплообменник выполнен в виде пустотелой камеры с одним нижним входным и одним верхним выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости. В камере имеются сквозные вертикальные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлены стержни сердечника трансформатора.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции и недостаточно высокий коэффициент полезного действия устройства, так как отдает тепло не только в нагреваемую жидкость, но и рассеивает его в окружающую среду.

Известен индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости (Патент RU 2301507, МПК Н05В 6/10, опубл. 20.06.2007 г.), содержащий трансформатор с ферромагнитным сердечником, с расположенными на стержнях сердечника первичной обмоткой и вторичной обмоткой, являющейся камерой нагрева, выполненной пустотелой с входным и выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, в которой имеются сквозные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлен стержень сердечника трансформатора. Камера нагрева разделена на идентичные части по числу стержней сердечника трансформатора, причем указанные входной и выходной патрубки и сквозной канал с установленным в нем стержнем сердечника трансформатора расположены в каждой части камеры нагрева.

Нагреватель позволяет снизить материалоемкость и проводить одновременный нагрев двух и более жидкостей, так как патрубки для подачи жидкости и выхода нагретой жидкости выполнены в каждой отдельной камере и не связаны между собой.

Недостатком данного нагревателя является недостаточно высокий срок службы из-за отложения солей, а также высокая материалоемкость из-за раздельной подачи в каждую камеру различных жидкостей, что уменьшает коэффициент полезного действия нагревателя.

Наиболее близким техническим решением является индукционный нагреватель текучих сред (Заявка RU 2006121117, МПК Н05В 6/10, опубл. 10.01.2008 г.), включающий шихтованный трехфазный сердечник из ферромагнитного материала с расположенной на стержнях первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной электропроводящей обмоткой, являющейся теплообменником для нагреваемой текучей среды, с патрубками для входа и выхода текучей среды. Теплообменник состоит 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, витки которой расположены в горизонтальной плоскости с воздушным зазором с образованием замкнутого контура вокруг соответствующего стержня сердечника, каждая камера имеет патрубки для входа и выхода текучей среды.

Патрубки всех трех камер для входа текучей среды присоединены параллельно к общему трубопроводу для подачи одной текучей среды во все три камеры, а патрубки выхода подсоединены параллельно к трубопроводу для выхода нагретой текучей среды.

Недостатком данного нагревателя является недостаточно высокий коэффициент полезного действия.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности индукционного нагревателя и обеспечение возможности его использования в системах с естественной циркуляцией, а также при нагреве до высоких температур текучих сред с принудительной циркуляцией.

Поставленная задача решается с помощью индукционного нагревателя текучих сред, включающего 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, трубопроводы с патрубками для входа и выхода текучей среды из камер для нагрева.

Трубопровод подачи текучей среды в камеры для нагрева установлен внизу индукционного нагревателя, два патрубка для входа текучей среды соответственно в первую и вторую камеры для нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу, конец трубопровода подачи текучей среды присоединен непосредственно к третьей камере для нагрева по ходу подачи текучей среды. Трубопровод выхода текучей среды установлен вверху индукционного нагревателя.

Конец трубопровода выхода текучей среды присоединен к первой или третьей камере для нагрева, два другие патрубка для выхода текучей среды из камер нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу.

Предпочтительно конец трубопровода выхода текучей среды присоединен к первой камере для нагрева, два другие патрубка для выхода текучей среды присоединены ко второй и третьей камерам нагрева.

Предпочтительно патрубки и конец трубопровода подачи текучей среды установлены на нижних торцевых заглушках камер нагрева, патрубки и конец трубопровода выхода текучей среды установлены на верхних торцевых заглушках камер нагрева.

Предпочтительно патрубки и конец трубопровода подачи текучей среды установлены на нижней цилиндрической части камер, касаясь нижних торцевых заглушек камер нагрева, патрубки и конец трубопровода выхода текучей среды установлены на верхней цилиндрической части камер, касаясь верхних торцевых заглушек камер нагрева.

Предпочтительно высота камеры в 8-20 раз больше толщины камеры, образованной цилиндрами разного диаметра.

Предпочтительно индукционный нагреватель содержит блок-терморегулятор, который используется для задания температуры нагреваемой текучей среды и включает известные из уровня техники средства.

Предпочтительно индукционный нагреватель содержит электромагнитный пускатель.

Предпочтительно герметичные пустотелые камеры индукционного нагревателя имеют теплоизоляцию.

Согласно изобретению предлагается выполнить теплообменник в виде трех пустотелых герметичных цилиндрических камер, образующий замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника, объединенных трубопроводами для входа и выхода нагреваемой текучей среды, присоединенными одним концом непосредственно к крайним камерам (к третьей камере – трубопровод подачи текучей среды и к третьей или к первой камере – трубопровод выхода текучей среды), а также с помощью патрубков, присоединенных параллельно друг другу к трубопроводам.

Предлагаемое выполнение индукционного нагревателя позволяет обеспечить равномерно естественную циркуляцию нагреваемой текучей среды и повысить КПД индукционного нагревателя. Кроме этого в предлагаемом индукционном нагревателе значительно уменьшается отложение солей, что увеличивает срок их службы. Кроме этого оптимальным для индукционного нагревателя является использование соотношения высоты камеры к ширине в пределах от 8 до 20.

Такая организация движения потока нагреваемой текучей среды через три камеры 3, 4, 5 позволяет автоматизировать поддержание заданных температур нагреваемой текучей среды с помощью известных из уровня техники средств.

Предлагаемый индукционный нагреватель показал высокие КПД как при естественной циркуляции, так и при использовании дополнительных насосов, установленных на линии трубопровода 10.

Таким образом, техническим результатом индукционного нагревателя в предлагаемом решении является повышение КПД преобразования электрической энергии в тепловую и коэффициента мощности, а также уменьшение габаритов и расхода материалов, уменьшение отложения солей, увеличение срока службы.

На фиг.1 показана фронтальная проекция индукционного электронагревателя с местным разрезом. На фиг.2 – профильная проекция с местным разрезом. На фиг.3 – общий вид теплообменника индукционного электронагревателя.

Предлагаемый индукционный нагреватель содержит плоский сердечник из ферромагнитного материала с тремя стержнями 1 (Фиг.1), на которых намотаны катушки первичной обмотки 2. Катушки соединены с источником переменного тока. Стержни 1 установлены так, что витки катушек 2 первичной обмотки расположены в горизонтальной плоскости с воздушным зазором для охлаждения. Вторичная обмотка представляет собой теплообменник, который выполнен в виде трех герметичных пустотелых цилиндрических камер, первой – 3, второй – 4, третьей – 5, для нагрева в них текучей среды, установленных вокруг соответствующего стержня сердечника 1. На первичной обмотке 2 имеется корпусная изоляция 6. Герметичные пустотелые цилиндрические камеры 3, 4, 5 имеют также теплоизоляцию 7, выполненную на основе боросиликатного стекла. Герметичные цилиндрические камеры 3, 4, 5 имеют одинаковые размеры. Каждая камера выполнена из двух цилиндров разного диаметра – большего диаметра 8, размер которого составляет 280 мм, меньшего диаметра 9, размер которого составляет 200 мм. Толщина L камер (размер верхней и нижней торцевой заглушки 12) в этом случае составляет 40 мм. Высота Н камер 3, 4, 5 составляет 534 мм, а отношение высоты камеры к толщине камеры составляет 13,35 (Фиг.2). Камеры 3, 4, 5 установлены параллельно друг другу и концентрично стержням 1 с первичной обмоткой 2.

Индукционный нагреватель текучих сред имеет трубопровод 10 подачи текучей среды в камеры 3, 4, 5 для нагрева, который установлен внизу индукционного нагревателя, трубопровод 11 выхода текучей среды установлен вверху нагревателя.

Трубопровод 10 имеет два патрубка 13 и 14 для входа текучей среды соответственно в первую камеру 3 и вторую камеру 4 для нагрева, и конец 15, непосредственно соединенный с камерой 5, установленные в нижней цилиндрической части камер, касаясь нижних торцевых заглушек 12 (Фиг.3). Патрубки 13, 14 присоединены параллельно друг другу к трубопроводу 10. Конец 15 трубопровода 10 присоединен путем плавного изгиба его к третьей камере 5 для нагрева по ходу подачи текучей среды. Конец 16 трубопровода 11 выхода текучей среды присоединен путем плавного изгиба к первой камере для нагрева 3, а два патрубка 17, 18 для выхода текучей среды соответственно из второй 4 и третьей камер 5 присоединены параллельно к трубопроводу 11 и установлены в верхней цилиндрической части камер, касаясь верхних торцевых заглушек 12 (Фиг.3).

Таким образом, камеры для теплонагрева объединены трубопроводами 10 и 11 и патрубками, присоединенными к ним, для подачи и выхода нагреваемой текучей среды.

Предлагаемый индукционный нагреватель работает следующим образом.

После заполнения камер 3, 4, 5 нагреваемой текучей средой с помощью трубопровода 10 первичная обмотка 2 подключается к сети трехфазного тока с помощью электромагнитного пускателя, задается необходимая температура нагрева с помощью блока-термморегулятора.

В ферромагнитном сердечнике со стержнями 1 создается переменный магнитный поток, с которым индуктивно связана каждая цилиндрическая камера 3, 4, 5, с образованием замкнутого контура вокруг соответствующего стержня сердечника 1. Под воздействием этих потоков (переменных во времени) в поверхностях цилиндров 8 и 9 индуцируются токи, вызывающие их нагрев. Тепло от нагретых поверхностей цилиндров 8 и 9 передается текучей среде, поступающей в три герметичные камеры 3, 4, 5 по трубопроводу 10 и вытекающей через трубопровод 11.

Предлагаемый индукционный нагреватель позволяет повысить коэффициент полезного действия и коэффициент мощности индукционного нагревателя и обеспечить возможности его использования в системах с естественной циркуляцией, а также при нагреве до высоких температур текучих сред с принудительной циркуляцией и увеличивает срок службы.

Формула изобретения

1. Индукционный нагреватель текучих сред, 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, трубопроводы с патрубками для входа и выхода текучей среды из камер для нагрева, отличающийся тем, что трубопровод подачи текучей среды в камеры для нагрева установлен внизу индукционного нагревателя, два патрубка для входа текучей среды соответственно в первую и вторую камеры для нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу, конец трубопровода подачи текучей среды присоединен непосредственно к третьей камере для нагрева по ходу подачи текучей среды, трубопровод выхода текучей среды установлен вверху индукционного нагревателя, конец трубопровода выхода текучей среды присоединен к первой или третьей камерам для нагрева, два другие патрубка для выхода текучей среды из камер нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу выхода текучей среды.

2. Индукционный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что конец трубопровода выхода текучей среды присоединен к первой камере для нагрева, два другие патрубка для выхода текучей среды присоединены ко второй и третьей камерам нагрева.

3. Индукционный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что патрубки и конец трубопровода подачи текучей среды установлены на нижних торцевых заглушках камер нагрева, патрубки и конец трубопровода выхода текучей среды установлены на верхних торцевых заглушках камер нагрева.

4. Индукционный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что патрубки и конец трубопровода подачи текучей среды установлены на нижней цилиндрической части камер, касаясь нижних торцевых заглушек камер нагрева, патрубки и конец трубопровода выхода текучей среды установлены на верхней цилиндрической части камер, касаясь верхних торцевых заглушек камер нагрева.

5. Индукционный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что высота камеры в 8-20 раз больше толщины камеры, образованной цилиндрами разного диаметра.

6. Индукционный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что содержит блок-терморегулятор.

7. Индукционный нагреватель по п.1, отличающийся тем, что содержит электромагнитный пускатель.

8. Индукционный нагреватель по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что герметичные пустотелые камеры имеют теплоизоляцию.

РИСУНКИ