Индукционное нагревательное устройство
Изобретение предназначено для нагревания тел, преимущественно емкостей с химическими веществами, например, такими, как соли, в химических реакторах. Решаемая задача: повышение равномерности нагрева тела, выполненного преимущественно в виде емкости, при одновременном снижении материалоемкости устройства и повышении его энергетических показателей, надежности и удобства обслуживания. В индукционном нагревательном устройстве, содержащем по меньшей мере одну индукционную цилиндрическую катушку, расположенную вокруг нагреваемого тела коаксиально с ним, подключенную к источнику переменного тока и снабженную охватывающим ее внешним магнитопроводом, предлагается внешний магнитопровод выполнить так, что его продольный размер превышает продольный размер индукционной катушки, а края внешнего магнитопровода выступают за края индукционной катушки не менее, чем на половину величины воздушного зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела. Индукционное нагревательное устройство может содержать по меньшей мере две цилиндрические катушки, при этом расстояние между торцевыми частями соседних магнитопроводов составляет не менее удвоенной величины воздушного зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к нагревательным устройствам и может быть использовано, в частности, для нагревания емкостей с химическими веществами, например, такими, как соли, в химических реакторах.
Известен трехфазный индуктор для сквозного нагрева длинномерных изделий, в котором равномерность нагрева изделия достигается за счет выполнения катушки в виде отдельных секций с различным соотношением числа витков на крайних и средних ее участках и различным соотношением геометрических размеров катушки (А.с. №110075, Н 05 В 6/36, опубликовано 30.06.84, Бюл. № 24). Однако такой индуктор имеет сложную конструкцию, обладает повышенной материалоемкостью и неудобен в обслуживании, монтаже и демонтаже, а также имеет низкие энергетические показатели из-за отсутствия внешнего магнитопровода и, как следствие, увеличенный расход обмоточных проводов и повышенные массогабаритные показатели.
Известны индукционные нагреватели (Химические аппараты с индукционным обогревом, Горбатков С.А., Кувалдин А.Б., Минеев В.К. и др., М, 1985 г., с. 27, рис. 2.4, с. 148, рис. 4.14 а, в, д), содержащие цилиндрические катушки, охватывающие цилиндрическую часть нагреваемой емкости. Катушки соседних фаз отделены друг от друга магнитными экранами-рассекателями для уменьшения их взаимного влияния. Недостатки таких индукторов - сложность конструкции, повышенная материалоемкость, сложность обслуживания, монтажа и демонтажа, разогрев магнитных экранов.
Известно индукционное нагревательное устройство (Химические аппараты с индукционным обогревом, Горбатков С.А., Кувалдин А.Б., Минеев В.К. и др., М, 1985 г., с. 26-27, рис. 2.4), выбранное в качестве ближайшего аналога, содержащее цилиндрические катушки, включенные в разные фазы многофазной электрической сети, снабженные внешними (наружными) магнитопроводами из листовой электротехнической стали и разделенные экранами-рассекателями. Недостатки устройства заключаются в сложности его конструкции, повышенной материалоемкости, сложности обслуживания, монтажа и демонтажа, разогреве магнитных экранов. Кроме того, устройство не обеспечивает равномерный нагрев стенок емкости особенно в тех зонах, которые расположены напротив промежутка между катушками, так как магнитный поток прерывается вблизи экранов-рассекателей. Это обстоятельство не позволяет использовать такое устройство там, где требуется равномерный нагрев боковой поверхности емкости, начиная от ее верхней части и кончая нижней частью, с равномерным заданным повышением температуры в осевом направлении.
Изобретение направлено на решение задачи повышения равномерности нагрева тела, выполненного преимущественно в виде емкости, при одновременном снижении материалоемкости устройства и повышении его энергетических показателей, надежности и удобства обслуживания.
Сущность изобретения заключается в том, что в индукционном нагревательном устройстве, содержащем по меньшей мере одну индукционную цилиндрическую катушку, расположенную вокруг нагреваемого тела коаксиально с ним, подключенную к источнику переменного тока и снабженную охватывающим ее внешним магнитопроводом, предлагается внешний магнитопровод выполнить так, что его продольный размер превышает продольный размер индукционной катушки, а края внешнего магнитопровода выступают за края индукционной катушки не менее, чем на половину величины воздушного зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела.
Индукционное нагревательное устройство может содержать по меньшей мере две цилиндрические катушки, при этом расстояние между торцевыми частями соседних магнитопроводов составляет не менее удвоенной величины воздушного зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела.
Выполнение внешнего магнитопровода так, что его продольный размер превышает продольный размер катушки, обеспечивает возможность получить заданное распределение плотности магнитного потока в приповерхностном слое нагреваемого тела, а именно повышение плотности магнитного потока вблизи краев индукционной катушки. Этим обеспечивается практически одинаковое потокосцепление «элементарных проводников» приповерхностного слоя нагреваемого тела, а следовательно, и равномерное распределение индуцированных токов. При этом выполнение внешнего магнитопровода так, что его края выступают за края индукционной катушки не менее, чем на половину величины воздушного зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела, обеспечивает оптимальное распределение плотности магнитного поля вблизи краев индукционной катушки, поскольку, как показали расчеты и физическое моделирование, при меньших размерах выступающих частей магнитопровода значительно уменьшается концентрация магнитного потока у краев внешнего магнитопровода и увеличивается плотность потока в центральной ее части, что приводит к неравномерности нагрева тела.
В случае использования в устройстве не менее, чем двух цилиндрических катушек, выполнение внешних магнитопроводов так, что расстояние между торцевыми частями этих магнитопроводов составляет не менее удвоенной величины воздушного зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела, способствует обеспечению однородности магнитного потока вблизи краев индукционных катушек и в промежутках между катушками.
На фиг.1 показан общий вид предлагаемого нагревательного индукционного устройства. На фиг.2 приведен продольный разрез зоны, расположенной между соседними цилиндрическими катушками, нагревательного индукционного устройства. На фиг.3 показано распределение магнитного потока в зоне, расположенной между соседними цилиндрическими катушками, нагревательного индукционного устройства в пространстве нагревательного индукционного устройства и в воздушном зазоре.
Индукционное нагревательное устройство включает в себя цилиндрические индукционные катушки 1, снабженные охватывающими их внешними магнитопроводами 2. Продольный размер внешнего магнитопровода 2 превышает продольный размер катушки 1. Катушки 1 подключены к источнику переменного тока, в данном случае к трехфазному источнику переменного тока (не показан). Катушки 1 установлены коаксиально с нагреваемым телом, представляющим собой в данном случае цилиндрическую емкость 3, при этом катушки 1 установлены на некотором заданном расстоянии от внешней поверхности емкости 3. Величина этого расстояния зависит от технологических параметров устройства и может составлять, например, 10-15 мм. Индукционные катушки 1 выполнены из обмоточного провода. Внешний магнитопровод 2 выполнен из тонколистовой электротехнической стали (шихтованный).
Величина зазора δ между внутренней поверхностью магнитопровода 2 и внешней поверхностью емкости 3 показана на фиг.2 и выбирается в зависимости от конкретной решаемой задачи и может составлять, например, от двух до нескольких десятков миллиметров. Величина Δh выступающих частей 4 магнитопровода 2 составляет не менее половины величины зазора δ, а расстояние Δl между торцевыми частями магнитопроводов 2 соседних катушек 1 составляет не менее удвоенной величины зазора δ.
Предлагаемое индукционное нагревательное устройство работает следующим образом.
Цилиндрические катушки 1 подключаются к источнику переменного тока (не показан), в данном случае к трехфазному. При этом каждая из катушек 1 создает магнитный поток, который замыкается, проходя по внешнему магнитопроводу 2 через воздушный зазор δ и приповерхностный слой нагреваемой емкости 3, как показано на фиг.3. Поскольку внешний магнитопровод 2 выполнен из тонколистовой электротехнической стали, то тепловыделение в нем невелико и практически его можно не учитывать. Основное тепловыделение, вызванное токами, индуцированными переменным магнитным потоком, происходит в боковой поверхности емкости 3. Закон изменения намагничивающей силы катушки 1 имеет линейный характер, при этом намагничивающая сила увеличивается от центра катушки 1 к ее краям, поэтому выступающие части 4 внешнего магнитопровода 2 способствуют созданию магнитного потока, проходящего через воздушный зазор в нагреваемую боковую поверхность емкости 3 в основном через выступающие части 4 внешнего магнитопровода 2, что обеспечивает повышение равномерности распределения плотности индуцированных токов и соответственно повышение равномерности нагрева боковой поверхности.
Зоны поверхности емкости 3, расположенные напротив участков Δl, охватываются магнитным потоком, проходящим через торцевые части внешнего магнитопровода 2 катушек 1, как показано на фиг.3, а взаимное влияние соседних катушек 1 практически исключается за счет подбора расстояния между торцевыми частями соседних магнитопроводов 2.
Результаты расчетов и физического моделирования показали, что эффект концентрации магнитного потока на выступающих частях 4 внешнего магнитопровода 2 начинает заметно проявляться, когда выступающие части 4 имеют величину Δh не меньшую, чем величина половины зазора δ, а взаимное влияние соседних катушек практически отсутствует при расстоянии Δl между торцевыми частями соседних магнитопроводов 2 не менее двух величин зазора δ. Конкретные значения величин Δh и Δl зависят от геометрических размеров и мощности индукционного нагревателя, при этом с увеличением диаметра нагревателя и его мощности имеет место тенденция к увеличению относительных размеров выступающей части магнитопровода и расстояния между торцевыми частями соседних магнитопроводов.
Примером конкретного выполнения предлагаемого изобретения является реально изготовленное индукционное нагревательное устройство с внешним диаметром катушек 900 мм и мощностью 18 кВт, величиной воздушного зазора, равной 23 мм, величиной Δh выступающих частей магнитопровода, равной 13 мм, величиной расстояния Δl, равной 50 мм. Такое выполнение предлагаемого устройства обеспечивает равномерность нагрева поверхности емкости 3 с отклонением по температуре в отдельных зонах не более 5%. Кроме того, данное устройство за счет предложенного в изобретении оригинального выполнения внешнего магнитопровода и исключения необходимости использования экранов-рассекателей имеет меньшую материалоемкость по сравнению с нагревателями аналогичного назначения, проще в изготовлении и обслуживании и имеет в несколько раз выше коэффициент мощности.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение равномерности нагрева тела, выполненного преимущественно в виде емкости, при одновременном снижении материалоемкости устройства и повышении его энергетических показателей, надежности и удобства обслуживания.
1. Индукционное нагревательное устройство, содержащее, по меньшей мере, одну индукционную цилиндрическую катушку, расположенную вокруг нагреваемого тела с зазором коаксиально с ним, подключенную к источнику переменного тока и снабженную охватывающим ее внешним магнитопроводом, отличающееся тем, что внешний магнитопровод выполнен так, что его продольный размер превышает продольный размер индукционной катушки, а края внешнего магнитопровода выступают за края индукционной катушки не менее чем на половину величины зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела.
2. Индукционное нагревательное устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, две индукционные цилиндрические катушки с охватывающими их внешними магнитопроводами, при этом расстояние между торцевыми частями соседних магнитопроводов составляет не менее удвоенной величины зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела.
