Электронагреватель текучей среды

 

Использование: для нагрева текучих сред, в частности в системах автоматического теплоснабжения и горячего водоснабжения. Сущность изобретения: индуктор 4 расположен внутри трубопровода-емкости 3 с зазором. Индуктор 4 выполнен в виде составных внутреннего 5 и внешнего 6 магнитопроводящих сердечников, стенки которых соединены между собой в торцевом сечении со стороны выходного сечения емкости 4 и между которыми расположены обмотки индуктора 7. Со стороны входных отверстий емкости 3 стенки внутреннего 5 и внешнего 6 сердечников могут быть соединены с днищем емкости 3. Центральное входное отверстие емкости 3 расположено в центре торцевого сечения внутреннего сердечника 5. Величина зазора между внешним сечением 6 и стенкой емкости 3 выбрана из условия максимальной теплоотдачи от поверхности корпуса текучей среды и зависит от ее объема и темпа роста температуры в системе. Параллельно емкости 3 подключены конвекторы отопления 8 и нагревательный элемент 9 накопителя горячей воды 10. Управление током катушек индуктора 7 осуществляют посредством регулятора температуры 15 по сигналам датчика температуры 16 и блока задания температуры 17. Величину потребляемой электроэнергии и расход холодной воды контролируют соответствующие счетчики 14 и 12. В результате увеличения поверхности соприкосновения корпуса индуктора с текучей средой, как минимум, в два раза и снижение потерь магнитного потока, создаваемого катушкой индуктора, увеличивается производительность электронагревателя. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к приборам для нагрева текучих сред и может быть использовано для нагрева жидкостей и газов в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения для помещений жилого, производственного и непроизводственного назначения.

Известен электронагреватель текучей среды [1] содержащий корпус с крышкой и днищем с отверстиями для подачи и отвода воды. В нижней внутренней части корпуса расположены электронагревательные элементы ТЭНы. Основным недостатком электронагревателей такого типа является быстрый выход из строя ТЭНов при их перегреве в случае образования накипи, перенапряжений и, как следствие, низкая надежность электронагревателя.

Известен проточный электронагреватель, содержащий трубопровод, в котором размещен индуктор, снабженный электроизолированным кожухом и подключенный к источнику тока [2] Данный нагреватель не обеспечивает оптимальный температурный режим текучей среды вследствие отсутствия регулятора температуры.

Известен также электронагреватель текучей среды [3] содержащий трубопровод, индуктор в электроизоляционном кожухе, размещенный на трубопроводе, источник тока, силовой и управляющий блоки.

Данное устройство не обеспечивает необходимую производительность для горячего водоснабжения и требуемые температурные режимы в теплосистемах вследствие того, что значительная часть магнитного потока, создаваемого индуктором, замыкается по воздуху и в материале электроизоляционного кожуха и не используется для нагрева текучей среды. Данный электронагреватель принят в качестве прототипа.

Техническая задача изобретения повышение производительности электронагревателя. Технический результат достигается тем, что электронагреватель текучей среды, как и прототип, содержит трубопровод, индуктор в корпусе и источник тока, в отличии от прототипа индуктор установлен внутри трубопровода с зазором, корпус индуктора с размещенной в нем катушкой индуктивности выполнен из магнитопроводящего материала и представляет собой замкнутую поверхность со сквозным центральным отверстием. Еще одно отличие заключается в том, что параллельно трубопроводу с размещенным в нем индуктором подключены конверторы отопления и нагревательный элемент накопителя горячей воды.

На чертеже изображена конструкция и структурная схема электронагревателя текучей среды.

Электронагреватель содержит "прямой" 1 и "обратный" 2 участки трубопровода для подвода и отвода текучей среды, трубопровод-емкость 3 (далее емкость) с установленным внутри индуктором 4. Индуктор 4 выполнен в виде составных внутреннего 5 и внешнего 6 сердечников, стенки которых соединены между собой в торцевом сечении со стороны выходного отверстия емкости 3 и между которыми расположены обмотки индуктора 7. Со стороны входных отверстий емкости 3 стенки внутреннего 5 и внешнего 6 сердечников могут быть соединены с днищем емкости 3, центральное входное отверстие емкости 3 расположено в центре торцевого сечения внутреннего сердечника 5, периферийные входные отверстия расположены в днище емкости по периметру между боковыми стенками емкости 3 и внешнего сердечника 6 индуктора 4. Все входные отверстия емкости 3 объединены между собой и подключены к "обратному" участку 2 трубопровода. Выходное отверстие емкости 3 расположено в центре крышки емкости и подключено к "прямому" участку 1 трубопровода. Между "прямым" 1 и "обратным" 2 участками трубопровода параллельно подключены конверторы 8 отопления и нагреватель горячей воды змеевик 9, расположенный в нижней части накопителя горячей воды. Трубопровод 11 источника водоснабжения через счетчик 12 холодной воды подключен к входному отверстию днища накопителя 10 и к распределителю холодной воды потребителя. Устройство управления индуктором 4 состоит из источника питания 13 промышленной частоты, подключенного через счетчик электрической энергии 14 и регулятор температуры 15 к выводам катушки индуктивности 7. Ко входу обратной связи регулятора 15 подключен датчик температуры 16, расположенный в нижней части "обратного" участка трубопровода 2, ко входу задания регулятора 15 подключен блок задания температуры 17. Устройство контроля содержит вычислитель 18, информационный входы которого подключены к выходам блока 17 задания температуры, датчик температуры 16, счетчика электрической энергии 14 и счетчика холодной воды 12. Управляющие выходы вычислителя 18 подключены к печатающему устройству 19 и блоку сигнализации 20.

При работе электронагревателя ток от источника питания 13, протекая по катушке индуктивности 7, создает вихревые токи в сердечниках 5, 6 индуктора 4 и части днища емкости 3, от которых нагревается текучая среда, находящаяся в емкости 3. Толщина стенок сердечников 5, 6 определяется глубиной проникновения магнитного поля, создаваемого катушкой 7 в магнитопроводящем материале и записывается уравнением [4] 6 где ω круговая частота колебаний магнитного поля, w = 2πf для F 50 Гц ω 314 1/с; g электропроводность материала корпуса индуктора; m_a магнитная проницаемость материала корпуса индуктора.

В результате протекания индуцированного тока в сердечниках 5, 6 происходит нагрев слоя Δl магнитопроводящего материала корпуса индуктора 4 непосредственно индуцированным током, гистерезисными явлениями в материале, тепловой передачей от обмотки катушки индуктивности 7 индуктора 4.

Значение мощности, расходуемый на нагрев корпуса индуктора 4 при проникновении в магнитопроводящий материал электромагнитного поля определяется выражением P_эм= I²₁R_пов1+I²₂R_пов2 (2), где I₁, I₂ действующие значения индуцированного тока в сердечниках 5, 6; R_пов1, R_пов2 удельные поверхности сопротивления слоя μl проникновения магнитного поля в материал сердечников 5, 6 [4] , где k_1.2 коэффициент пропорциональности, равный отношению периметра сердечника к его длине.

Мощность потерь P_гист на гистерезис при фиксированной частоте колебаний магнитного поля пропорциональна произведению коэффициента силы и значению остаточной магнитной индукции перемагничивания материала сердечника и составляет 1-2: от величины P_эм.

Тепловую мощность, выделяемую обмоткой индуктивности 7 индуктора 4 можно оценивать выражением
P_обм=I²R_обм (4)
где I действующее значение тока в обмотке 7;
R_обм активное сопротивление обмотки индуктивности 7.

В итоге, количество теплоты, выделяемое корпусом индуктора 4, в данном случае, сердечниками 5 и 6 определяется суммарной мощностью
P=P_эм+P_гист+P_обм (5)
Величина зазора между корпусом индуктора 4 и стенкой трубопровода-емкости 3 выбрана из условия максимальной теплоотдачи от корпуса индуктора текучей среды.

При этом создается перепад температур между слоями среды, находящимися в области верхнего и нижних отверстий емкости 3, обеспечивающий протекание текучей среды по замкнутым контурам, образованным следующим образом: "прямой" участок 1 трубопровода конвекторы отопления 8 змеевик 9 "обратный" участок 2 трубопровода. Датчик температуры 16, установленный непосредственно на "обратном" участке 2 трубопровода формирует сигнал обратной связи. В соответствии с разностью значений текущей и заданной температур от блока 17 задания, регулятор 15 по пропорциональному интегральному закону регулирует величину тока в катушке индуктивности 7, а, следовательно, и нагрев текучей среды в емкости 3. Теплота, выделяемая нагретой текучей средой в нагревательном элементе 9, обеспечивает нагрев воды в накопителе 10. Счетчик холодной воды 12 осуществляет измерение объема расходуемой потребителем холодной воды. Счетчик электрической энергии 14 регистрирует потребляемую электронагревателем мощность. Вычислитель 18 осуществляет считывание и хранение в течение определенного времени данных о расходе воды и потребляемой энергии и выдает необходимые данные на печатающее устройство 19. Кроме того, вычислитель 18 анализирует скорость нарастания температуры текучей среды и трубопровода и в случае превышения допустимых значений формирует сигнал управления для блока сигнализации 20.

Поскольку поверхность соприкосновения корпуса индуктора с текучей средой увеличивается как минимум в два раза, то возрастает интенсивность нагрева текучей среды. Поэтому предлагаемая конструкция электронагревателя обладает по сравнению с прототипом повышенной производительностью. Кроме того, выполнение части трубопровода в виде накопителей емкости позволяет оптимизировать температурные режимы в теплоснабжении и улучшить график энергопотребления нагревателями данного типа.

Литература.

1. Квятковский С. Ф. и др. Бытовые электронагревательные приборы. М. Энергоатомиздат, 1987, с. 66 70.

2. Авторское свидетельство СССР N 117388, кл F 24 H 1/00, 1959.

3. Патент Российской Федерации N 2018061, кл. F 24 H 1/20, 9/20, H 05 B 6/06, 1994.

4. Говорков В. А. Электрические и магнитные поля. М. Энергия, 1968, с. 279 282.

Формула изобретения

1. Электронагреватель текучей среды, содержащий трубопровод, индуктор в корпусе и источник тока, отличающийся тем, что индуктор установлен внутри трубопровода с зазором, корпус индуктора с размещенной в нем катушкой индуктивности выполнен из магнитопроводящего материала и представляет собой замкнутую поверхность со сквозным центральным отверстием.

2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что параллельно трубопроводу с размещенным в нем индуктором подключены конверторы отопления и нагревательный элемент накопителя горячей воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1